用于光学通讯器件的基本材料和光学通讯器件制造技术

一种光学通讯器件衬底用陶瓷或玻璃陶瓷制成，该衬底在－４０到１００℃的温度范围中有在－１０到－１２０×１０↑［－７］／℃范围中的负热膨胀系数，该衬底用一种含有从由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物组成的集合中选择的至少一种有机硅化合物的溶液处理。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有负热膨胀系数的光学通讯器件衬底以及一种通过将一个具有正热膨胀系数的光学元件固定到该衬底上而得到的光学通讯器件。
技术介绍
应用光纤的网络随着光学通讯技术的进步而得到迅速改进。在这种网络中，应用一种波长多路复用技术集中传输多波长的光，因此，波长滤波器，耦合器，波导等就成为重要的光学通讯器件。在这样的光学通讯器件中，一部分器件由于取决于温度的特性的改变而在室外使用会有一些麻烦；因此，就出现了对于能不考虑温度的变化而将这样的光学通讯器件的特性保持在一个恒定的水平上的技术的必要性，这样的技术被称为热无关技术。一种光纤布拉格光栅(本文下面称之为FBG)被举例作为需要热无关的光学通讯器件的代表。FBG是一种光学器件，该器件在光纤的芯中有一个带有以光栅的形式改变折射率的侧面的部分，该部分因此被称为光栅区域，该器件还有特定波长的光根据下面公式(1)给出的关系的特征反射。因为这个原因，作为一种在分波长多路复用传输光学通讯系统中的重要的光学通讯器件，这一点已经得到重视，在该系统中，不同波长的光学信号通过一个单光纤被多路复用地传输。λ＝2nΛ(公式1)式中λ是反射波长，n是光纤芯的有效折射率，Λ是带有以光栅的形式改变折射率的区域的间隔。但这样的FBG有一个问题，当温度发生变化时，中心反射波长会发生波动。下面的公式(2)给出了中心反射波长的温度依赖性，式(2)由将式(1)对温度T求微分而得到。λ/T＝2{(n/T)Λ+n(Λ/T)}＝2Λ{(n/T)+n(Λ/T)/Λ} (公式2)式(2)右侧的第二项(式略)对应于光纤的热膨胀系数，该项的值几乎为0.6×10-6℃。另一方面，右侧第一项是光纤的芯部中折射率的温度依赖性，该项的值几乎为7.5×10-6℃。也就是，虽然中心反射波长的温度依赖性取决于芯部折射率的变化和因为热膨胀引起的光栅的间隔的变化，但大部分中心反射波长的变化被发现是由折射率根据温度的变化而引起。作为防止中心反射波长变化的手段，已知一种方法，该方法中，一个适应于温度变化的张力被施加到FBG以改变光栅区域的间隔从而消除因折射率的变化引起的因素。作为一个具体的实例，日本专利公开号No.2000-503967公开了一种由本文提及的相关张力控制的器件，该器件以这样的方式制造将一个施加了规定的张力的FBG用一种黏结剂固定到一个具有负热膨胀系数的玻璃陶瓷衬底上，该玻璃陶瓷衬底通过结晶一个预先熔化成玻璃板的玻璃母体而得到。在上述器件中，衬底随着温度的升高而收缩，这样的收缩减小了光纤的光栅区域上所施加的张力。另一方面，随着温度的降低衬底发生伸展，增加了在光纤的光栅区域上施加的张力。在这样的方式中，根据温度的变化使施加到FBG的张力发生变化，从而使光栅区域中光栅的间隔能够被调整，其结果是，中心反射波长的温度依赖性能被消除。该专利还公开了，虽然在带有这样的衬底的光学通讯器件中可以用玻璃，聚合物或金属来黏结和固定FBG，但聚合物，尤其是环氧树脂黏结剂最适合于高效率地制造这样的器件。而且，在日本专利公开号No.2000-503967中，为什么这种玻璃陶瓷衬底具有负热膨胀系数的原因叙述如下。玻璃陶瓷衬底不仅有微裂纹，而且包括沿c轴方向有大的负热膨胀系数和沿a轴方向有正热膨胀系数的结晶相(β-锂霞石固溶体)。另外，结晶相在沿该结晶相的a轴方向冷却时收缩，但玻璃陶瓷衬底在冷却时的收缩因为微裂纹生长中的间隙而受到抑制。另一方面，结晶相在沿该结晶相的c轴方向冷却时膨胀，和微裂纹无关。结果，由于沿a轴方向的正热膨胀系数的小的贡献以及沿c轴方向的负热膨胀系数的大的贡献，玻璃陶瓷衬底就有了负热膨胀系数。但是玻璃陶瓷衬底在热膨胀中有大的滞后的问题还是保留着，该问题引起FBG的中心反射波长的滞后变大，结果是FBG的取决于温度变化的中心反射波长的一个大的变化。要注意的是，热膨胀的滞后显示了一个现象，即在温度升降的过程中材料根据温度的变化发生伸缩的行为之间呈现不一致性。和其对比，日本专利公开号No.2000-503967中公开了一种方法，在该方法中，为了减少玻璃陶瓷衬底在热膨胀中的滞后以稳定内部结构而进行在温度400到800℃之间的热循环处理，但在这样的方法中减小的热膨胀中的滞后在诸如温度和湿度变化的环境中仍不稳定并且难以保持其初始值。另外，这样的热处理使制造工艺变得复杂，从而导致制造成本升高的问题。在WO01/04672中给出了一个专利技术，该专利技术中，如果一种由多晶体(由烧结粉末体制成的陶瓷)制成的热无关部件被用作FBG的衬底，该多晶体有较多的β-石英固溶体或β-锂霞石固溶体的晶体，其在X射线衍射测量中给出较多衍射峰的晶面之间的间隔小于3.5埃，并且有负的热膨胀系数，则不仅FBG的中心反射波长的温度依赖性可被抑制，而且热膨胀的滞后也被减小。要注意的是，因为该陶瓷在其内部有微粒边界上的间隙，并且还有显示各向异性的热膨胀行为的β-石英固溶体或β-锂霞石固溶体，因此，该陶瓷就因为相似于上述玻璃-陶瓷的机制而有负热膨胀系数。但是，当用上述玻璃陶瓷或陶瓷作为衬底的器件暴露到高温和高湿的环境气氛中一个较长的时期，水分被吸收进衬底的内部，为获得负热膨胀特性所必须的微裂纹和微粒边界上的间隙被充满了水和衬底之间的反应生成物，结果，热膨胀系数被朝正方向转变，就导致这样的问题，来自这样的衬底的器件难以保持作为器件而规定的性能。与之相对照，在日本专利公开号No.2000-327372中给出了一个专利技术，该专利技术中玻璃陶瓷衬底的表面被涂覆一层含有由下式(5)给出的硅烷的溶液以避免水和衬底接触，从而解决上述问题。R6Si(OZ)3......(5)式中R6是一个碳氢基团，该基团中可以含有F原子，并有1到10个碳原子，Z是含有甲基或乙基一价碳氢基团。在分波长多路复用传输光学通讯系统中，为了传输更多的信息，多路复用要求更多的光，同时伴随该趋势，作出一个进一步减小FBG的中心反射波长的温度依赖性的请求；在处理该请求中，即使使用了日本专利公开号2000-327372中专利技术的硅烷溶液，玻璃陶瓷衬底中水分的去除仍不充分，如果暴露在高温高湿的环境气氛中一个较长时期，虽然轻微，玻璃陶瓷衬底显示负热膨胀的热膨胀系数仍会发生变化，结果导致FBG的中心反射温度的不充分的温度依赖性的问题。在例如FBG的带有正热膨胀系数的光学元件被用有高生产效率的由聚合物黏结剂制成的黏结剂尤其是环氧树脂，硅酮树脂，丙烯酸树脂等固定到一个光学通讯器件衬底上的场合中，如果含有式(5)的硅烷的溶液被用作对该衬底的处理剂，黏结剂的黏结力被减小，或者没有黏结力发挥，从而做不到以稳定的方式将光学元件固定到衬底上去。
技术实现思路
根据上述情况而创造了本专利技术，因而本专利技术的一个目的是提供一种光学通讯器件的衬底和一种光学通讯器件，该衬底能在短时间被进行水去除处理，用显示负热膨胀的陶瓷或玻璃陶瓷制成，即使暴露于高温和高湿气氛中一个较长的时期热膨胀系数也不会发生变化，从而减小了热膨胀中的滞后，该器件即使用聚合物黏结剂也能将光学元件牢固地固定到衬底上去。本专利技术人消除了一个问题，即，因为虽然一种硅烷溶液容易渗透如衬底的内部，聚合速率仍然较低，在达到充分的聚合水平之前溶液汽化，还不能达到为抑制水分渗透必须和充分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学通讯器件衬底用陶瓷或玻璃陶瓷制成，该衬底在－４０到１００℃的温度范围中有在－１０到－１２０×１０↑［－７］／℃范围中的负热膨胀系数，该衬底用一种含有从由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物组成的集合中选择的至少一种有机硅化合物的溶液处理。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：吉原聪，俣野高宏，坂本明彦，浅井光雄，上原仁，
申请(专利权)人：日本电气硝子株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]