CN1101004C - 用于补偿光程改变的装置和方法 - Google Patents

Abstract

包括透明材料和补偿器的一种设备。光通过该透明材料而行进一个光程。该补偿器被附着在透明材料上并经历使透明材料发生变形的热膨胀，以减小由于透明材料的温度改变而造成的光程改变。该光程被定义为透明材料的折射率与光通过该透明材料而行进的一个光学路径的物理长度之积。较好地，该补偿器减小了光程的改变从而使光程保持为基本恒定。

Description

用于补偿光程改变的设备和方法

1996年3月22日在日本提交的申请No.08-66717，本申请是基于它，并且以它要求优先权，并且这里以它作为相关参考申请。

本发明涉及一种光学元件，该光学元件具有一种透明材料，而光在该透明材料中行进一段光程。更具体地说，本发明涉及具有补偿器的光学元件，该补偿器使透明材料发生变形以减小温度变化所引起的光程改变。

在光纤通信系统中，波长分割多路复用被用来以高速传送大量的数据。更具体地说，多个信道—其每一个都包含所要发送的信息—被结合到一束波长分割多路复用光中。每一个信道都处于不同的波长，且这些波长在频谱上是彼此非常接近的。

该波长分割多路复用光随后经过单个的光纤而被发送到一个接收器。该接收器将该波长分割多路复用光分到各个信道上，从而使各个信道能够得到检测。以此方式，通信系统能够在光纤上传送较大量的数据。

图1(A)显示了传统的法—布标准具干涉仪—它通常被用来从波长分割多路复用光获取单个的信道。参见图1(A)，法—布标准具干涉仪包括一个分隔器10，该分隔器10用透明材料制成并具有在两侧上的反射膜12和14。反射膜12和14的反射率为例如95％。分隔器10为整个结构提供了稳定性。然而，分隔器10通常可以省略，只要反射膜12和14被分离和保持在彼此平行的状态。

准直光16包括具有不同波长的光，且是例如波长分割多路复用光。准直光16进入法—布标准具干涉仪并经历反射膜12和14之间的反射。由于反射膜14具有小于100％的反射率，反射膜12和14之间的多次反射使得光18通过反射膜14。

另外，法—布标准具干涉仪具有增强条件，这些条件使得光18彼此干涉并产生离开反射膜14并包括满足该增强条件的特定波长的亮光。具有其他波长的光彼此发生干涉且因而相互削弱。

因此，法—布标准具干涉仪接收包括具有很多不同波长的光的准直光16，并产生一个光通量—该光通量只包括具有满足法—布标准具干涉仪的加强条件的波长的光。以此方式，法—布标准具干涉仪能够被用来从波长分割多路复用光中分离出单个的信道。

由于波长分割多路复用光的信道的波长通常是彼此非常接近的，所以法—布标准具干涉仪具有稳定的特征是非常重要的。最略微的特性改变也能够使经过光纤通信系统发送的光信号的质量发生严重的下降。

例如，图1(B)显示了法—布标准具干涉仪中由于温度的改变引起的透射率—波长特性的改变。参见图1(B)，一个法—布标准具干涉仪使满足特定条件的波长的光通过，该光由曲线20表示。然而，如果法—布标准具干涉仪的温度改变，则法—布标准具干涉仪将使如曲线22表示的、具有不同波长的光通过。因此，法—布标准具干涉仪的光输出的波长将随着温度的改变而改变。

在图1(C)所示的装置中，也发生了类似的问题。更具体地说，图1(C)显示了一个虚象相阵(VIPA)。VIPA在1996年七月24日递交的序号为08/685,362且题目为“作为波长多路分解器的虚象相阵”的美国专利申请中，得到了更为全面的描述，且该文件在此被作为参考文献。

参见图1(C)，一个VIPA包括用透明材料制成的分隔器24。在分隔器24的两侧上设置有反射膜26和27。反射膜26和27的反射率分别为例如100％和95％。分隔器24为整个结构提供了稳定性。但分隔器24通常可以省略，只要反射膜26和27保持为彼此分离和平行。

入射光28得到聚焦以通过入射窗口30并随后在分隔器24中得到发散，从而使得在反射膜26和27之间发生多次反射。由于反射膜27的反射率低于100％，反射膜26和27之间的多次反射使得光32通过反射膜27。而光32彼此干涉而形成入射光28中的每一种波长的准直光，其中每一种准直光都沿着与其他准直光不同的传播方向行进。

更具体地说，VIPA能够接收包括很多波长的入射光28，并为每一种波长产生不同的光通量。每一个光通量都与VIPA成不同的角度，并因而在空间上与其他的光通量相分离。因此，VIPA能够接收包括多个信道的波长分割多路复用光，并为每一个信道产生在空间上可分辨的光通量。VIPA可被用作例如采用波长分割多路复用的光纤通信系统中的去多路复用器。

VIPA所具有的问题与图1(B)中所示的关于法—布标准具干涉仪的问题相类似。更具体地说，由于VIPA的温度变化，VIPA会产生有害的、具有不同波长的光通量。

因此，法—布标准具干涉仪和VIPA的特性，随着温度的改变而发生有害的变化。这些特性改变是由于用在法—布标准具干涉仪和VIPA中的分隔器的热膨胀引起的。例如，如果图1(A)所示的法—布标准具干涉仪的分隔器10发生膨胀，则反射膜12和14之间的物理距离也将发生膨胀。另外，分隔器10的折射率也随着温度的改变而改变。这种折射率改变造成了反射膜12和14之间的光程的改变，其中光程是反射膜12和14之间的物理距离与分隔器10的折射率的乘积。

类似地，如果图1(C)所示的VIPA的分隔器24得到扩展，则反射膜26和27之间的物理距离也得到扩展。另外，分隔器24的折射率随着温度的改变而改变。这种折射率改变造成了反射膜26和27之间的光程的改变。

由于光程与温度改变相对应的改变，法—布标准具干涉仪和VIPA的特性也会发生不希望的改变。例如，当采用通常的玻璃作为法—布标准具干涉仪或VIPA中的分隔器时，分隔器的厚度在温度每上升一度时增大约5×10^-6。另外，分隔器的折射率在温度每改变一度时也增大约5×10^-6。假定光的波长为1500nm且温度上升了10度，则光程将改变因子10^-4且将造成0.15nm的波长改变。这是显著的改变并能够严重地影响法—布标准具干涉仪或VIPA的特性。

因此，本发明的目的，是提供例如法—布标准具干涉仪或VIPA的一种光学元件，它具有对于光学元件的温度改变来说是稳定的特性。

另外，本发明的一个目的是提供一种光学元件—光通过它而行进，且其中光所行进的光程相对于光学元件的温度改变来说是稳定的。

本发明的其他目的和优点，一部分在以下的描述中给出，一部分由于该描述而变得显而易见，或者可以从实施本发明而获得。

本发明的前述目的，是通过提供一个包括透明材料和补偿器的设备而实现的。光通过透明材料而行进一定的光程。该补偿器附着到该透明材料上并经历热膨胀—它使得透明材料发生变形从而减小了由于透明材料的温度改变而导致的光程改变。光程被定义为透明材料的折射率与光通过透明材料所行进的物理长度的积。较好地，该补偿器减小了光程的改变，从而使该光程被保持为基本恒定。

另外，本发明的目的是通过提供一种透明材料、该透明材料上的第一和第二反射表面以及一个补偿器而实现的。该透明材料内有延伸的光程，且该光学路径具有物理长度。光程被定义为该光学路径的物理长度与透明材料的折射率之积。光从第一反射表面进入并沿着该光学路径通过透明材料而到达第二反射表面。补偿器与透明材料相粘连并经历使透明材料变形的热膨胀，从而减小了由于透明材料的温度改变而导致的光程改变。更具体地说，该补偿器通过沿着与光学路径横交的方向拉透明材料，而使透明材料沿着光学路径方向的厚度减小。

本发明的目的也是通过提供一种设备而实现的，其中该设备包括第一和第二透明层。光通过第一透明层而行进第一光程并随后通过第二透明层而行进第二光程。该第二光程发生改变以对由于第一透明层的温度改变引起的第一光程的改变进行补偿，从而使第一和第二光程之和基本上保持不变。

本发明的目的，也是通过提供一种设备来实现的，其中该设备包括第一和第二物体。第一物体是透明的，从而使光在第一物体中行进一定的光程。第二物体与第一物体相互作用，以减小由于第一物体的温度改变而导致的光程改变。这种相互作用是机械相互作用。

另外，本发明的目的是通过提供一种方法来实现的，其中该方法包括以下步骤：(a)使光通过一个透明材料而行进一定的光程；以及，(b)使透明材料发生变形以减小透明材料的温度改变而导致的光程改变。

从以下结合附图对最佳实施例所进行的描述，本发明的这些和其他目的和优点将变得显而易见和容易理解。在附图中：

图1(A)(现有技术)显示了一个法—布标准具干涉仪。

图1(B)显示了对于法—布标准具干涉仪来说根据温度改变的透射率改变与波长的关系。

图1(C)显示了虚象相阵(VIPA)。

图2显示了影响根据本发明的法—布标准具干涉仪或VIPA的各种力。

图3(A)显示了根据本发明的一个实施例的法—布标准具干涉仪。

图3(B)显示了根据本发明的一个实施例的法—布标准具干涉仪。

图4(A)显示了根据本发明的另一实施例的法—布标准具干涉仪。

图4(B)显示了根据本发明的进一步的实施例的法—布标准具干涉仪。

图5(A)和5(B)显示了根据本发明的一个实施例的法—布标准具干涉仪。

图6(A)和6(B)显示了根据本发明的一个实施例的法—布标准具干涉仪。

图7(A)显示了根据本发明的另一实施例的法—布标准具干涉仪。

图7(B)显示了根据本发明的进一步的实施例的法—布标准具干涉仪。

图8显示了根据本发明的一个实施例的补偿器。

现在详细参见本发明目前的最佳实施例，其例子在附图中得到了显示，在所有附图中相同的标号表示相同的元件。

图2显示了影响根据本发明的一个实施例的法—布标准具干涉仪或VIPA的分隔器的各种力。参见图2，在一个法—布标准具干涉仪或VIPA中，透明板100被用作分隔器。光(未显示)沿着一条光学路径(未显示)通过透明板100行进。因此，透明板100由于加热而膨胀，从而改变厚度。作为这种膨胀的结果，通过透明板100的光学路径的长度也发生改变。

根据本发明的这些实施例，一个补偿器(图2中未显示，但在以下描述的其他附图中得到了显示)与透明板100相粘连。该补偿器用不同于透明板100的材料的材料制成，并具有比透明板100大的热膨胀系数。因此，补偿器的膨胀抵消了透明板100中光学路径的长度的改变。

例如，假定一个补偿器与透明板100的一或两侧相粘连，并具有大于透明板100的热膨胀系数。在此情况下，α1表示透明板100的热膨胀系数，n1表示透明板100的折射率的温度系数(它是一度温度变化的折射率n的改变Δn除以n)，σ表示泊松比值(当物体动态且水平膨胀单位长度时的垂直收缩)，P1表示透明板100的折射率的应力(Strain)系数的平行分量，且P2表示透明板100的折射率的应力系数的纵向或垂直分量。

折射率的应力系数的平行分量P1，表示的是当应力与通过透明板100行进的光的光学偏振平行施加时折射率的改变比率。折射率的应力系数的垂直分量P2，表示当应力与通过透明板100行进的光的光学偏振相垂直施加时的折射率改变率。与透明板100紧密相粘连的补偿器的热膨胀系数用α2表示。

另外，如前所述，法—布标准具干涉仪和VIPA的特性改变是由于透明板100的膨胀而导致的光程的改变。因此，该光程应该被保持为不变。假定图2所示的透明板100的厚度为t且透明板100的折射率为n，则光程等于nt。因此，如果温度改变所产生的nt的改变率Δ(nt)/nt被设定在大约为零，则光程的改变可被设定为大约为零。

温度改变产生的nt的改变率Δ(nt)/nt由下式表示： $\frac{\mathrm{\Δ}\left(\mathrm{nt}\right)}{\mathrm{nt}}=\frac{\{(n+\mathrm{\Δn})\·(t+\mathrm{\Δt})-\mathrm{nt}\}}{\mathrm{nt}}$ $=\frac{\mathrm{\Δn}}{n}+\frac{\mathrm{\Δt}}{t}+\frac{\mathrm{\Δn}\·\mathrm{\Δt}}{\mathrm{nt}}$

公式(1)

因此，温度改变产生的nt的改变率Δ(nt)/nt，是通过将折射率的改变率加到透明板100的厚度的改变率上而获得的。

当温度上升一度时，各个值的改变如下。透明板100的厚度和折射率的积nt的改变率在不设置补偿器的情况下为α1+n1。

随后获得的，是在透明板100沿着横向方向受到补偿器的拉伸时折射率与厚度的乘积nt的改变量。

如果透明板100由于补偿器的膨胀而沿着横向方向过度膨胀，膨胀量由α2-α1表示。因此，透明板100的厚度的减小量由σ0(α2-α1)表示，其中σ0＝2σ/(1-σ)。值σ0是在考虑到透明板100的两维膨胀的情况下获得的，并用无穷几何级数表示。系数“2”表示透明板100是两维双向膨胀的。

随后获得的，是通过补偿器膨胀的透明板100的折射率改变率。

参见图2，其中用箭头102表示了通过透明板100的光的偏振。由于方向(A)与光的偏振102相同，通过沿着方向(A)的膨胀的折射率的改变率为-P1(α2-α1)。

方向(B)与通过透明板100行进的光的偏振102垂直。因此，通过沿着方向(B)的膨胀的折射率改变率用-P2(α2-α1)表示。

另外，方向(C)是与通过透明板100行进的光的偏振102相垂直的。因此，通过沿着方向(C)的收缩的折射率的改变率用P2(α2-α1)σ0表示。乘上σ0表明考虑了响应于沿着方向(A)和(B)的两维膨胀的厚度收缩。

由于P1和P2被定义为收缩系数，沿着方向(A)和(B)的膨胀具有负号，而沿着方向(C)的收缩具有正号。

由于总改变量可以根据折射率的改变率和厚度改变率而分别地获得，因而每一个值都被加起来以借助公式(1)来获得透明板100的光程的改变率Δ(nt)/nt，如下所示。

Δ(nt)/nt＝α1+n1-(α2-α1)×(σ0+P1+P2×(1-σ0))

                            ……公式(2)

如果上述公式(2)大约为零，则透明板100的光程不随着温度而改变。因此，采用透明板100的光学元件将具有独立于温度改变的特性。即，即使当温度上升，通过选择透明板100的材料和相粘连的补偿器从而使公式(2)基本上为零，就可以使光学元件的特性不发生改变。

例如，假定补偿器的热膨胀系数为α2＝14×10^-6，透明板100的热膨胀系数为α1＝5.9×10^-6，泊松比值为σ＝0.293，且折射率的温度系数为n1＝2.1×10^-6。在此例子中，公式(2)可以由以下公式计算。

1.3×10^-6-(P1+0.2×P2)×8×10^-6      公式(3)

如果P1和P2大约为0.14，则该表达式基本为零。因此，可以选择这样的光学玻璃，即它能够提供与上述例子接近的适当的值。另外，上述的例子只是作为一个例子，而本发明不仅限于任何具体的例子或材料。很多其他的材料也可以采用，只要这些材料满足公式(2)。

各种光学玻璃呈现出5-14×10^-6的热膨胀系数(一个例外是具有0.5×10^-6的热膨胀系数的熔融石英)，0.2-0.3的泊松比值(一个例外是具有0.05的泊松比值的熔融石英)，1-大约5×10^-6的折射率温度系数，且折射率的应力系数的平行和垂直分量大约为0.1-0.3。

因此，上述数字例子可通过选择光学玻璃而得到采用。即使这些数字例子不与参数的值匹配，也能够通过选择使公式(2)大约为零的材料，而获得独立于温度的光学元件。

图3(A)显示了根据本发明的一个实施例的法—布标准具干涉仪。参见图3(A)，具有上述参数的光学玻璃被用作透明板201和补偿器203。例如一个法—布标准具干涉仪包括一个透明板201和反射膜202。一个补偿器203被附着到透明板201加有反射膜202的侧面上。补偿器203用透明材料制成。

当折射率n随着温度的上升而增大时，透明板201膨胀并变厚。然而，由于补偿器203比透明板201膨胀得更多，透明板201在机械上被向外拉，如箭头207所示，并变得较薄。透明板201的这种向外拉力，抵消了厚度t和折射率n的积的增大，从而使光程基本上保持不变。

厚度t大约为50-100μm。补偿器203的厚度T和T’不一定彼此相等，但希望的是具有例如2mm相同厚度的补偿器。补偿器203的厚度T和T’应该远远大于透明板201的厚度t，以防止当透明板201被补偿器203所拉时补偿器203的膨胀被抑制。如果透明板201的收缩克服了补偿器203的拉力，则透明板201不能受拉且光程不能保持为恒定。

因此，为了响应于温度改变而将光程保持恒定，补偿器203应该比透明板201厚。然而，只要补偿器203的厚度为透明板201的例如至少五倍，就能够获得适当的透明板201的输出拉力。较好地，补偿器203的厚度应该是透明板201的10至20倍。

补偿器203利用粘合剂而被粘合在反射膜202上，但也可以不用粘合剂，而是通过平整地研磨反射膜202和补偿器203的表面以获得光学平面，而得到粘合。如果光学平面的表面彼此相连，则在这些表面之间没有间隙，就好象它们是用粘合剂连接在一起一样。其结果，不需要粘合剂。

即使在透明板201的两侧上没有设置补偿器，也能够通过只在透明板201的一侧上设置补偿器而获得相同的效果。

例如，图3(B)显示了根据本发明的一个实施例的法—布标准具干涉仪。参见图3(B)，补偿器203只有一侧上具有法—布标准具干涉仪。在此情况下，透明板201的厚度t小于补偿器203的厚度T，且T较好地是等于或大于t的5倍。

图4(A)显示了根据本发明的一个实施例的法—布标准具干涉仪。参见图4(A)，用于透明板201和补偿器203的材料得到选择，以满足上述的公式(2)。另外，补偿器203的面积被设计得大于透明板201。在透明板201的两侧上都设置有反射膜202，以形成法—布标准具干涉仪。

在图4(A)中，透明板201的厚度通常是50-100μm，且每一个补偿器203的厚度较好地是被设定为透明板201的厚度的至少5倍。补偿器203的较好的厚度大约为2mm。在图4(A)中，补偿器203被设置在透明板201的两侧上。因此，当温度上升时，透明板201随着补偿器203的膨胀而膨胀。

由于补偿器203的面积被设计得大于透明板201的面积，补偿器203作用在透明板201上的拉力大得足以获得所需的向外拉力的效果。

图4(B)显示了根据本发明的进一步的实施例的法—布标准具干涉仪。参见图4(B)，补偿器203被设置在透明板201的一侧上。

因此，补偿器203只把拉力加到透明板201的一侧上。然而，由于透明板100通过热膨胀的膨胀很小，只要使补偿器203通过反射膜202而牢固地附着在透明板201上，就能够获得适当的拉力效果。

在此情况下，补偿器203的厚度T较好地是透明板201的厚度t的五倍或更大。补偿器203的材料是从满足上述条件的光学玻璃中选择的，或者可以是具有大的热膨胀系数的光可透射材料。

例如，参见图4(B)，入射光204通过一个反射膜202而进入，在透明板201中经历多次反射，并作为输出光205而得到输出。由于输出光205必须通过补偿器203，平面物体203应该用光可透射材料制成。

在图4(A)和4(B)中，每一个平面物体201都具有一个附着表面，用于附着在透明板201的一个侧表面上。另外，每一个补偿器203的附着表面的表面面积大于透明板201的附着侧表面的表面面积。其结果，每一个补偿器203的拉力作用在透明板201的整个附着侧表面上，从而能够对温度改变造成的光程改变进行更为有效的补偿。

图5(A)和5(B)显示了根据本发明的一个实施例的法—布标准具干涉仪。参见图5(A)和5(B)，透明板201上具有反射膜202。一个透明补偿器401通过金属焊接而被附着在透明板201上。较好地，一个薄金属层被形成在反射膜202上且一个薄金属层被形成在补偿器401的平面表面上。该薄金属层是借助例如蒸发而形成的。在补偿器401上的金属膜被焊接到透明板201上的金属膜上，从而将补偿器401焊接到透明板201上。

由于金属膜不是光可透射的，所以在透明板201上提供了一个光进入孔404，以接收光。更具体地说，如图5(B)所示，在除了光进入孔404以外的透明板201上，提供了金属膜405。光进入孔较好地是在透明板201的中心。当透明板201热膨胀时，补偿器401也膨胀，从而进一步地拉透明板201并因而使光程保持恒定。如果透明板201和补偿器401通过金属膜405而彼此相粘连，则与利用粘合剂或光学平面的粘合相比，金属膜405提供了可靠的粘合。

因此，金属膜或粘合剂都可以被用作连接透明板201和补偿器401的粘合材料。借助这种粘合材料，应该提供光进入孔404，如图5(B)所示，以允许光通过它。另外，粘合材料不应该出现在光进入孔404中，以使光不会受到粘合材料的阻挡。在此情况下，应该采用粘合材料，以在围绕光进入孔404的区域中提供牢固的粘合力，从而能够把补偿器401对透明板402的拉力保持为恒定。其结果，产生了没有通过温度特性改变的光学元件。

在图5(A)和5(B)中，在透明板201的两侧上都设置有补偿器401。然而，与图3(B)和4(B)所示的情况类似地，可以只在透明板201的一侧上设置补偿器401。在这样的情况下，补偿器401被与光进入孔404一起设置。如果采用金属膜或不透明的粘合剂作为粘合材料，则该金属膜或不透明粘合剂应该被加到补偿器401和/或透明板201上，从而使得光进入孔404中没有粘合材料存在。另外，在图5(B)中，光进入孔404是圆形的。然而，光进入孔404并不局限于任何具体的形状。

图6(A)和6(B)显示了根据本发明的一个实施例的法—布标准具干涉仪。图6(A)和6(B)所示的配置基本上与图5(A)和5(B)所示的相同。然而，在图6(A)和6(B)中，不透明补偿器501(与透明补偿器相对)被附着在透明板201上。补偿器501的热膨胀系数大于透明板201的，并被附着在透明板201的两侧上。

由于补偿器501是不透明的，设置了光出射口504和一个光进入口505。光进入口505和光出射口504较好是通过在补偿器501上开出一个孔而形成。

光进入口505和光出射口504减小了透明板201与补偿器203之间的、需要施加粘合材料的表面面积。然而，补偿器501的厚度较好地是透明板201的五倍或更大，从而能够获得对透明板201的适当的拉力效果。

虽然图6(B)显示了圆形的光进入口505，该光进入口不局限于任何具体的形状。

另外，在图6(A)和6(B)中，所显示的补偿器501的长度小于透明板201。然而，补偿器501的长度也可以大于透明板201。

图7(A)显示了根据本发明的另一实施例的法—布标准具干涉仪。参见图7(A)，两个透明板601和602被叠置在一起。反射膜604被加在透明板601的一侧上，且反射膜604被加在透明板602的一侧上，以形成法—布标准具干涉仪。

透明板601用其光程随着温度上升发生正向改变的材料制成，且透明板602用其光程随着温度上升发生负向改变的材料制成。通过每一个透明板601和602的光程，用相应的透明板的厚度与折射率之积来近似表示。因此，温度改变引起的总光程的改变，在透明板601和602之间被抵消了，从而使整个薄板(即透明板601和602的结合)的特性基本上保持恒定。

图7(B)显示了根据本发明的又一个实施例的法—布标准具干涉仪。参见图7(B)，一个透明板603用这样的材料制成—即该材料将厚度与折射率之积的改变基本上置于零。反射膜604被加在透明板603的两侧上。利用厚度和折射率n之积不由于温度改变而改变的材料，可以在不用把补偿器叠置到透明板603上的情况下形成温度独立的光学元件。

在图7(A)中透明板602用聚合物形式的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成。PMMA具有7×10^-5的热膨胀系数和Δn/N＝-7×10^-5--15×10^-5的折射率改变/温度比值。当Δn/N小于-7×10^-5时，温度改变将折射率与厚度之积置于负值。

另外，在图7(B)中，透明板603用作为聚合物的PMMA制成。例如，温度引起的折射率改变对于PMMA为-7×10^-5，热膨胀系数为7×10^-5。因此，温度改变引起的折射率与厚度之积的改变彼此抵消，并呈现出近似为零的改变。

另外，附着其厚度和热膨胀系数大于透明板的厚度和热膨胀系数的补偿器，使得折射率与厚度之积在温度改变的情况下能够保持恒定。

用来防止折射率与厚度之积由于温度改变而改变的材料，可以从各种常用的光学玻璃中选择。不需要开发专用的光学材料，且温度独立的光学元件是容易制成的。

根据本发明的上述实施例，一种光学元件包括在相反的侧面上带有反射膜的透明板。一种补偿器被紧密地附着在该透明板的至少一个侧上并用不同于透明板的材料制成。另外，该补偿器的热膨胀系数大于透明板的。借助这种配置，由于温度改变造成的透明板的折射率与厚度之积的变化，通过借助补偿器的热改变而产生的拉力而变化透明板，而得到了抵消。以此方式，透明板的折射率与厚度之积被保持为基本恒定。

另外，温度上升造成了透明板的膨胀，且还增大了透明板的折射率。另外，该补偿器与透明板的膨胀同时地膨胀。由于补偿器的热膨胀系数大于透明板的，补偿器的膨胀大于透明板的膨胀。因此，该补偿器进一步在膨胀该透明板的同时进一步拉紧了该透明板。机械拉紧的效果通过泊松比值而减小了透明板的厚度，并抵消了透明板的折射率与厚度之积由于温度上升所引起的改变，从而使该积保持恒定。

与此相反地，当温度下降时，透明板收缩并变薄。然而，补偿器收缩得比透明板多，从而使透明板进一步收缩，并使透明板变厚。其结果，透明板的折射率与厚度之积在温度改变的情况下被保持为近似恒定。

另外，如上所述，可以把补偿器附着在透明板的一或两侧上。随着温度的上升，透明板201膨胀并受到到补偿器的拉力。因此，在没有附着的补偿器的情况下，透明板的厚度t将由于透明板的热膨胀而变大。然而，实际上补偿器使透明板的厚度t变小，从而使透明板的折射率与厚度之积保持恒定。另外，透明板和补偿器的材料是从光学玻璃中选择的，以形成这样的光学元件—即它使得透明板的折射率与厚度之积和厚度t能够保持恒定。

虽然图3(A)、3(B)、4(A)、4(B)、5(A)、5(B)、6(A)、6(B)、7(A)和7(B)是作为法—布标准具干涉仪而进行描述的，但这些图也可以被认为是代表VIPA的。例如，在图3(A)和3(B)中，一个VIPA通常将包括在相应的反射膜202的一侧上的光进入口窗口，且一个反射膜202的反射率被设定在100％且另一反射膜202的反射率被设定在95％。另外，如在1996年七月24日递交的、序号08/685,362且题目为“作为波长多路分解器的虚象相阵”美国专利申请(它在此被作为参考文献)中所详细描述的，在VIPA上并不总是需要采用光进入口窗口的。

另外，本发明的上述实施例是结合法—布标准具干涉仪或VIPA而描述的。然而，本发明不仅限于应用在法—布标准具干涉仪或VIPA中，并可被应用在很多不同的光学元件中。

另外，根据本发明的上述实施例，附着在透明板上的补偿器可以是透明或不透明的。例如，图3(A)显示了采用透明的补偿器，且图6(A)显示了采用不透明的补偿器。

在本发明的上述实施例中，补偿器被显示为平面形的物体，诸如矩形或平行六面体的。然而，该补偿器不仅限于这些形状，并可以是各种形状的。

例如，图(8)显示了根据本发明的一个实施例的补偿器。参见图8，透明板201上附着有任意形状的补偿器700。这种任意形状的补偿器可以是例如半球形的。然而，透明板201和补偿器700的材料应该得到适当选择，以具有使上述公式(2)近似为零的参数。

另外，在此光被描述为通过“透明板”而行进一定的光程。然而，本发明不仅限于“板”形。几乎任何尺寸或形状的材料都能够使用，只要光通过其而行进一定的光程。

另外，在此描述的VIPA和法—布标准具干涉仪带有具有特定反射率的反射膜。然而，本发明不仅限于具有特定反射率的反射膜。例如，可以设计出具有很多不同类型的反射率的法—布标准具干涉仪和VIPA。

根据本发明的上述实施例，通过一个透明材料而行进的光程被保持为基本恒定。例如，一个补偿器被附着在该透明材料上并经历使该透明材料变形的热膨胀，从而使光程被保持为基本恒定。光程是否被认为是“基本”恒定，当然取决于光学元件的具体使用。然而，在通常的WDM系统中，如果光程的偏离被保持在等于或小于1×10^-6/℃，则补偿器被认为是使光程“基本上”保持为恒定。虽然不是特别好，但如果光程的偏离被保持在等于或小于2×10^-6/℃，则在通常的WDM系统中的补偿器仍然被认为是使光程“基本上”保持恒定。

光通过其行进的透明材料，在此被描述为法—布标准具干涉仪或VIPA中的分隔器。然而，透明材料不仅限于这样分隔器。相反地，本发明可以应用于多种不同的、具有多种不同用途的透明材料。

另外，透明材料在此被描述为其上具有反射表面。然而，本发明不仅限于采用其上具有反射表面的透明材料。相反地，本发明可被应用于多种不同类型的、其上没有反射表面的光波导。

根据本发明的上述实施例，补偿器经历“热膨胀”。“热膨胀”包括材料的物理膨胀和物理收缩。一般地，物理收缩被称为“负”热膨胀。

根据本发明的上述实施例，光通过其行进的透明材料在此被描述为光学玻璃。然而，透明材料不仅限于光学玻璃，且可以采用其他的透明材料。

因此，根据本发明的上述实施例，一种设备包括透明材料和补偿器。光通过该透明材料而行进一定的光程。该补偿器被附着在透明材料上并经历使透明材料变形的热膨胀，以减小由于透明材料的温度改变而造成的光程改变。更具体地说，该补偿器通过拉紧该透明材料而使该透明材料沿着与光通过透明材料行进的光学路径横交的方向发生变形，从而减小透明材料沿着光学路径方向的厚度。

另外，根据本发明的上述实施例，一种设备包括第一和第二物体。例如，参见图3(A)，透明板201可被认为是“第一物体”，且补偿器203可被认为是“第二物体”。第一物体是透明的，因而光通过第一物体行进一定的光程。第二物体与第一物体相互作用以减小由于第一物体的温度改变而造成的光程改变。这种相互作用是“机械相互作用”，它表明一个物体的空间改变影响着另一物体。

虽然已经显示并描述了本发明的几个最佳实施例，但对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和原理的情况下，是可以对这些实施例进行改变的，且本发明的范围只由权利要求书及其等价描述限定。

Claims (34)

1.一种设备，包括：

一种透明材料，通过它光沿着一个光学路径行进一定的光程，该光学路径沿一个光学路径方向延伸；以及

一个补偿器，响应于温度变化，经历了热膨胀，该热膨胀通过沿横向于光学路径的方向拉长透明材料，使透明材料发生变形，从而减小透明材料沿光学路径方向的厚度，以减小由于透明材料的温度改变而造成的光程改变。

2.根据权利要求1的设备，其中补偿器减小光程改变以使光程被保持为基本恒定。

3.根据权利要求1的设备，进一步包括：

在透明材料上的第一和第二反射表面，光从第一反射表面行进该光程而到达第二反射表面。

4.根据权利要求1的设备，其中

该光学路径具有一个物理长度；

该透明材料具有一个折射率；且

该光程被定义为光学路径的物理长度与该透明材料的折射率之积。

5.根据权利要求4的设备，进一步包括：

在透明材料上并被该光学路径所彼此分开的第一和第二反射表面。

6.根据权利要求1的设备，进一步包括：

将补偿器附着在透明材料上的粘合剂。

7.根据权利要求6的设备，其中该粘合剂是光学粘合剂。

8.根据权利要求1的设备，进一步包括：

一种附着材料，它是透明的并将补偿器附着在透明材料上，其中

    该补偿器是透明的，且

    光通过该补偿器和粘合材料而行进并通过透明材料行进该光程。

9.根据权利要求8的设备，其中附着材料是光学粘合剂。

10.根据权利要求1的设备，进一步包括：

一种附着材料，它将补偿器附着在透明材料上，其中

    该补偿器是透明的，且

    光通过补偿器行进并通过透明材料行进该光程。

11.根据权利要求10的设备，其中

在补偿器与透明材料之间存在有一个边界，

光在一个交点跨过该边界并通过该透明材料而行进该光程，且

该附着材料处于该边界上以将补偿器附着到该透明材料上，但不存在于边界的该交点上，从而在边界上提供了一个开口，光能够通过该开口过去。

12.根据权利要求11的设备，其中附着材料是从由金属和粘合剂组成的组中选出的。

13.根据权利要求1的设备，其中补偿器是被焊接到透明材料上的。

14.根据权利要求4的设备，其中

该透明材料沿着该光学路径方向具有一个厚度，

该补偿器沿着该光学路径方向具有一个厚度，及

补偿器的所述厚度比透明材料的所述厚度至少大5倍。

15.根据权利要求4的设备，其中该补偿器是附着在透明材料上的平面形状的物体。

16.根据权利要求3的设备，其中透明材料和第一和第二反射表面一起形成了由法—布标准具干涉仪和虚象相阵(VIPA)组成的组中的一个。

17.根据权利要求1的设备，其中透明材料是光学玻璃。

18.根据权利要求1的设备，其中补偿器是光学玻璃。

19.根据权利要求3的设备，其中补偿器是透明的并位于第一和第二反射表面之间以使光通过经补偿器行进而从第一反射表面行进至第二反射表面并在该透明材料中行进该光程。

20.根据权利要求4的设备，其中：

该透明材料具有沿着光学路径方向的、在50μm至100μm范围内的厚度，

该补偿器具有沿着光学路径方向的，在250μm至2mm范围内的厚度。

21.根据权利要求3的设备，其中该补偿器使透明材料发生变形从而对于透明材料的温度改变有

Δn/h+Δt/t≈0

其中n是透明材料的折射率，且该透明材料使第一和第二反射表面分开了一个分隔距离t。

22.一种设备，包括：

一种透明材料，它具有在其中沿一个光学路径方向延伸的一条光学路径，该透明材料具有一个折射率，该光学路径具有一个物理长度，且一个光程被定义为光学路径的该物理长度与该透明材料的折射率之积；

在透明材料上的第一和第二反射表面，光从第一反射表面通过该透明材料通过沿着该光学路径而到达第二反射表面，以及

一个补偿器，它附着在该透明材料上，响应于温度变化，经历了热膨胀，该热膨胀通过沿横向于光学路径的方向拉长透明材料，使透明材料发生变形，从而减小透明材料沿光学路径方向的厚度，以减小由于透明材料的温度改变而造成的光程改变。

23.根据权利要求22的设备，其中该补偿器减小光程的改变以使光程保持基本恒定。

24.根据权利要求22的设备，其中

该透明材料具有彼此相对的第一和第二平面表面，该第一反射表面位于第一平面表面上且第二反射表面位于第二平面表面上，且

该补偿器具有一个平面表面，该平面表面附着在由平面形物体的第一平面表面和平面物体的第二平面表面组成的组中的一个上。

25.根据权利要求22的设备，其中该补偿器使透明材料发生变形，从而对于透明材料的温度改变有

Δn/n+Δt/t≈0

其中n是透明材料的折射率，且该透明材料使第一和第二反射表面分开了一个分隔距离t。

26.一种设备，包括：

第一和第二透明物体，光通过第一透明物体而行进一个第一光程并随后通过第二透明物体而行进一个第二光程，其中

该第二光程发生改变以补偿由于第一透明物体的温度改变而造成的第一光程的改变，从而使第一和第二光程之和保持基本恒定，且

第一和第二透明物体都不是空气。

27.根据权利要求26的设备，进一步包括：

第一和第二反射表面，第一和第二透明物体位于该第一和第二反射表面之间，从而使光从第一反射表面通过第一透明物体而行进第一光程，通过第二透明物体而行进第二光程，并到达第二反射表面。

28.一种设备，包括：

一个第一物体，它是透明的且光通过它而行进一个光程；以及

一个第二物体，通过沿横向于光行进方向的方向拉长第一物体而与第一物体相互作用，从而减小第一物体沿光行进方向的厚度，以减小由于第一物体的温度改变而造成的光程改变。

29.根据权利要求28的设备，进一步包括：

在第一物体上的第一和第二反射表面，光从第一反射表面行进该光程而到达该第二反射表面。

30.根据权利要求28的设备，其中第二物体经过机械相互作用而与第一物体发生相互作用。

31.根据权利要求30的设备，其中该机械相互作用是由于第一和第二物体的热膨胀而引起的。

32.一种方法，包括以下步骤：

使光通过一个透明材料而沿着一个光学路径行进一个光程，该光学路径沿着一个光学路径方向延伸；以及

通过沿横向于光学路径的方向拉长透明材料，使透明材料发生变形，从而减小透明材料沿光学路径方向的厚度，以减小由于透明材料的温度改变而造成的光程改变。

33.根据权利要求32的方法，其中发生变形的步骤包括：

使透明材料发生变形以使该光程保持为基本恒定。

34.根据权利要求32的方法，其中

该光学路径具有一个物理长度，

该透明材料具有一个折射率，且

该光程被定义为该光学路径的该物理长度与该透明材料的折射率之积。

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