專利名稱：陶瓷材料和包含該材料的光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)器件，更具體地說，它涉及一種應(yīng)用于光通信器件的陶瓷材料以及涉及一種光學(xué)器件。
背景技術(shù)：
在使用含波長在紅外線區(qū)的光進行光通信領(lǐng)域中，大量紅外線透射率大的石英玻璃用于波導(dǎo)，代表性的是光纖，在預(yù)定狀態(tài)下用于進行光傳導(dǎo)。
在這個領(lǐng)域內(nèi)，大量的光學(xué)器件需要包括石英玻璃作為制備材料。代表性的光學(xué)器件包括光連接器、光衰減器、平面光路(PLC)，和陣列波導(dǎo)(AWG)。根據(jù)用途和目的，這些光學(xué)器件的制備材料，除了石英玻璃外，還選自金屬、半金屬、樹脂和陶瓷(包括玻璃和結(jié)晶玻璃)。
這些材料用于毗鄰于波導(dǎo)的波導(dǎo)-毗鄰元件，其包含石英玻璃，也就是說，材料毗鄰于波導(dǎo)器件例如光纖、平面光路和陣列波導(dǎo)的包覆層。特別地，這些材料用于光連接器或者光衰減器的頂端套圈(ferrule)，以及用于平面光路、陣列波導(dǎo)等的基片。在這里使用的毗鄰這個術(shù)語也用于表達一種狀態(tài)，即一個物體鄰近于另一個包含層的物體，例如，除了兩物體直接相連的狀態(tài)外，還包括它們之間的粘合劑。
在常規(guī)光學(xué)器件中，因為石英玻璃用來傳導(dǎo)光，波導(dǎo)-毗鄰元件沒有必要具有光學(xué)功能。然而，因為希望得到具有高性能的光學(xué)器件，光在包含石英玻璃的波導(dǎo)的輕微泄漏的影響是非常大的。也就是說，從波導(dǎo)核心部分泄漏出來的光會在包覆層中傳導(dǎo)，造成與信號光發(fā)生干涉，這可能造成設(shè)備性能的惡化。在這種情況下，非常重要的目的是防止在包覆層部分(包覆層模式)傳導(dǎo)的光造成對核心部分(核心模式)傳導(dǎo)的信號光的干涉。因此，高性能的光學(xué)器件用的波導(dǎo)-毗連元件，為了達到上述目標必須具有一些光學(xué)功能。
在光學(xué)器件中，波導(dǎo)-毗連元件的性能有時對來自于光學(xué)器件的光信號的波導(dǎo)特性和傳導(dǎo)特性有影響。為了光學(xué)器件具有預(yù)定的性能，下面的特性是特別重要的例如，在光連接器和光學(xué)衰減器中使用的頂端套圈的機械特性，在PLCs和AWGs中使用的基片的熱學(xué)特性等。就是說，波導(dǎo)-毗連元件需要具有高的剛性，以反抗外力，防止波導(dǎo)的變形，以及具有接近于石英玻璃的熱膨脹系數(shù)來防止由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的器件特性惡化。
如

圖1所示，為了防止由于波導(dǎo)21泄漏出的泄漏光22產(chǎn)生的干涉，波導(dǎo)-毗連元件20需要抑制在波導(dǎo)元件23與波導(dǎo)-毗連元件20之間界面24上光的反射。當波導(dǎo)元件23和波導(dǎo)-毗連元件20之間界面24具有一個大的反射率時，反射光25返回到波導(dǎo)21，產(chǎn)生與信號光26的干涉。一般地，因為光反射是因為在兩種物質(zhì)之間折射率不同形成了界面，波導(dǎo)-毗連元件20需要折射率靠近波導(dǎo)元件23的折射率。
另一方面，當來自波導(dǎo)21的泄漏光22并不被波導(dǎo)元件23和波導(dǎo)-毗連元件20之間的界面24反射時，因此進入波導(dǎo)-毗連元件20時，就會在波導(dǎo)-毗連元件20中傳導(dǎo)入射光27，同時通過空氣-邊緣之間的界面28反射返回到波導(dǎo)21中。在這種情況下，需要充分地衰減在波導(dǎo)-毗連元件20中的入射光27以便不返回波導(dǎo)元件23。因而，波導(dǎo)-毗連元件20應(yīng)該包括一種光衰減系數(shù)大的材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種陶瓷材料，其能夠充分衰減波導(dǎo)元件的泄漏光以及防止與信號光的干涉，和提供包含這種材料的光學(xué)器件。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)陶瓷材料與其它材料相比，具有較小的熱膨脹系數(shù)和較高的硬度，適用于波導(dǎo)-毗連元件。而且，發(fā)明人已經(jīng)清楚波導(dǎo)的光泄漏行為和材料特性之間的關(guān)系。發(fā)明人因此通過使用陶瓷材料用于波導(dǎo)-毗連元件獲得預(yù)期的目的，其中陶瓷材料有小的熱膨脹系數(shù)，石英玻璃和陶瓷材料相對折射率之差的絕對值較小，以及大的光衰減系數(shù)。于是，發(fā)明人提出了這個發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，這里提供了一種陶瓷材料，其熱膨脹系數(shù)小于50×10-7/℃，在1550nm波長處石英玻璃與陶瓷材料的相對折射率之差的絕對值為0.2或更小，以及光衰減系數(shù)為0.3dB/cm或更大。
可以計劃陶瓷材料由結(jié)晶玻璃制成。
可以計劃陶瓷材料包括SiO2、Al2O3和Li2O，以質(zhì)量百分數(shù)為基準，總含量為45％或更多。
可以計劃熱膨脹系數(shù)小于40×10-7/℃。
可以計劃光衰減系數(shù)是0.5dB/cm或更大。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種光學(xué)器件，其包括任一種上述的陶瓷材料。
當用于光學(xué)器件中的波導(dǎo)-毗連元件與波導(dǎo)元件相毗連時，陶瓷材料有效地吸收波導(dǎo)泄漏的光并削弱它?？梢苑乐拱鼘幽Ｊ胶秃诵灸Ｊ街g的干涉。因此，陶瓷材料能極好地提高光學(xué)器件如固定衰減器的性能。
附圖簡述圖1是表示波導(dǎo)泄漏光現(xiàn)象的草圖。
圖2是固定衰減器的側(cè)視剖面圖，包括根據(jù)本發(fā)明的陶瓷材料。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，將進行關(guān)于陶瓷材料的描述。
在該陶瓷材料中，熱膨脹系數(shù)測定小于50×10-7/℃。在1550nm波長處石英玻璃與陶瓷材料的相對折射率之差的絕對值測定為0.2或更小，以及光衰減系數(shù)測定為0.3dB/cm或更大。
本描述涉及光學(xué)器件，每一個光學(xué)器件都包含石英玻璃的波導(dǎo)元件和與波導(dǎo)元件毗連的由陶瓷材料制備的波導(dǎo)-毗連元件。
因為陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小于50×10-7/℃，在波導(dǎo)元件和波導(dǎo)-毗連元件之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力小。于是，陶瓷材料可用于光學(xué)器件。在波導(dǎo)元件和波導(dǎo)-毗連元件之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力取決于兩種材料的厚度和長度，以及與這些尺寸成比例變大。當波導(dǎo)-毗連元件的熱膨脹系數(shù)小于石英玻璃熱膨脹系數(shù)的十倍時，光學(xué)器件的主要特性在實際應(yīng)用中并不會受到影響。優(yōu)選的是確定陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小于40×10-7/℃。
因為在1550nm波長處，石英玻璃和陶瓷材料之間的相對折射率差的絕對值是0.2或更小，波導(dǎo)元件和波導(dǎo)-毗連元件之間的界面具有小的紅外線反射。于是，波導(dǎo)元件的泄漏光并不被波導(dǎo)元件和波導(dǎo)-毗連元件之間的界面反射，幾乎所有的光進入了波導(dǎo)-毗連元件。于是，沒有被反射的光返回到波導(dǎo)元件，產(chǎn)生與信號光的干涉。更確切地說，石英玻璃和陶瓷材料之間的相對折射率差的絕對值是0.2或更小的狀況，意味著石英玻璃和波導(dǎo)-毗連元件之間的相對折射率差小。于是，波導(dǎo)元件和波導(dǎo)-毗連元件之間界面的反射能力在大范圍的入射角內(nèi)是非常地小的，在其它區(qū)域的反射率也顯著地降低。
一般來說，折射率的差用相對折射率差的絕對值(D)來表示，定義如下式D＝[(n1-n2)/n1]，其中n1代表波導(dǎo)元件的包覆層部分的折射率，n2代表波導(dǎo)-毗連元件的折射率。因為紅外光用于光通信，在這里使用1550nm處波長的折射率。
陶瓷材料中，在波長為1550nm處光衰減系數(shù)是0.3dB/cm或更大。于是，在波導(dǎo)元件和波導(dǎo)-毗連元件之間界面處沒有被反射而進入波導(dǎo)-毗連元件的光被充分地衰減，因而并沒有返回到波導(dǎo)元件中。優(yōu)選地光衰減系數(shù)測定為0.5dB/cm或更大。
波導(dǎo)-毗連元件的光衰減系數(shù)L按下式表示L＝10log(I0/I)，其中，當光通過含厚度為1cm的波導(dǎo)-毗連元件透射時，I0/I代表入射光強度I0與透射光強度I的比率。
衰減光的量依賴于波導(dǎo)-毗連元件的尺寸和光學(xué)器件的尺寸和結(jié)構(gòu)，光衰減系數(shù)大的材料會有效地衰減光。因為光衰減系數(shù)依賴于光波，在這里使用1550nm波長的光衰減系數(shù)。
具有上述特性的陶瓷材料優(yōu)選是結(jié)晶玻璃，不同玻璃相共同存在的分相玻璃，或燒結(jié)陶瓷。結(jié)晶玻璃因為下面原因是特別優(yōu)選的。通過選擇沉淀的晶體可以在寬范圍內(nèi)控制熱膨脹系數(shù)。接近石英玻璃折射率的折射率可以賦予給結(jié)晶玻璃，其具有類玻璃的特性。光衰減系數(shù)同樣也可以通過調(diào)節(jié)含量，沉淀晶體的粒徑和折射率來控制。
對于上述的結(jié)晶玻璃，優(yōu)選的是包含Li2O-Al2O3-SiO2，MgO-Al2O3-SiO2，或ZnO-Al2O3-SiO2的結(jié)晶玻璃，特別優(yōu)選的是含Li2O、Al2O3和SiO2總質(zhì)量含量為45％或更多的Li2O-Al2O3-SiO2結(jié)晶玻璃。具體地，以質(zhì)量百分數(shù)為基準，組成的典型范圍是40-73％的SiO2，15-30％的Al2O3，1.5-6％的Li2O，余量最多為35％，根據(jù)需要，剩余的為TiO2、ZrO2、P2O5、MgO、ZnO、BaO、Na2O、K2O、CaO、SrO、B2O3、Sb2O3、SnO和As2O3。β-鋰輝石固溶體、β-石英固溶體、沉淀β-鋰輝石和β-鋰霞石中的至少一種沉淀為主晶體。
在MgO-Al2O3-SiO2結(jié)晶玻璃中，沉淀β-石英固溶體，堇青石，或尖晶石作為主晶體。在ZnO-Al2O3-SiO2結(jié)晶玻璃中，沉淀β-石英固溶體、鋅尖晶石或鋅透鋰長石作為主晶體。
對于分相玻璃，包含B2O3-Al2O3-SiO2、Na2O-Al2O3-SiO2、或P2O5-SiO2的玻璃是優(yōu)選的。對于燒結(jié)陶瓷，包括Al2O3、Li2O-Al2O3-SiO2、MgO-Al2O3-SiO2或ZnO-Al2O3-SiO2的陶瓷是優(yōu)選的。
固定衰減器的波導(dǎo)-毗連元件必須包括一種圓柱狀材料，其關(guān)于外徑和內(nèi)徑的尺寸精度在±0.5um內(nèi)。于是，結(jié)晶玻璃是優(yōu)選的，因為可以獲得高的尺寸精度。具體地，以質(zhì)量百分數(shù)為基準，含有60-70％的SiO2、16-25％的Al2O3、1.5-3％的Li2O、0.5-2.5％的MgO、1.3-4.5％的TiO2、0.5-3％的ZrO2、2-6.5％的TiO2+ZrO2、1-5.5％的K2O、0-7％的ZnO、和0-3％的BaO。在結(jié)晶玻璃中，β-鋰輝石固溶體或β-石英固溶體按30-70體積％沉淀。對于結(jié)晶玻璃，熱-拉加工方法是可應(yīng)用的，可以達到上述的加工精度。
現(xiàn)在以下面的實施例為基準描述陶瓷材料。
表1表示實施例1-5的組合物，表2表示實施例6-8的組合物。表3表示實施例1-5的特性，表4表示實施例6-8和對比例9-10的特性。
表1

表2

表3

表4

為了制備實施例1-5的陶瓷材料，原料進行混合得到表1和表2所示的組合物。每一組合物在1500℃熔化10小時形成玻璃。玻璃在1000℃加熱3小時以進行結(jié)晶。陶瓷材料的主結(jié)晶相列于表3和表4。
為了制備實施例6和7的陶瓷材料，包含Na2O-Al2O3-SiO2分相玻璃，原料進行混合得到表2所示的組合物。每一組合物在1500℃熔化10小時形成玻璃。玻璃在750℃加熱3小時形成以進行分相。
通過把混合的原料在1400℃燒結(jié)10小時，包含制備MgO-Al2O3-SiO2燒結(jié)陶瓷的實施例8的陶瓷材料。
頂端套圈用商品ZrO2燒結(jié)陶瓷用作對比例9的陶瓷材料，頂端套圈用商品B2O3-Al2O3-SiO2玻璃用作對比例10的陶瓷材料。
表3和4表示陶瓷材料的下列特性熱膨脹系數(shù)α、相對折射率差的絕對值D、入射光(1550nm)從石英玻璃到陶瓷材料的反射率小于3％的最大入射角θ，在入射角為80°的反射率R，以及光衰減系數(shù)L。當θ大而R小時，反射率在寬入射角范圍內(nèi)小。當θ和R隨光的偏振方向而變化時，使用最大值。
用膨脹儀在-40℃-100℃溫度范圍內(nèi)測量熱膨脹系數(shù)α。折射率用折射計的最小偏差檔測量。θ和R根據(jù)折射的斯涅爾定律和菲涅耳方程來計算。
使用包含金屬離子-摻雜的石英玻璃纖維的固定衰減器來評價光學(xué)器件的特性。
關(guān)于圖2，描述固定衰減器。
關(guān)于波導(dǎo)-毗連元件，圓柱體11是選自上述任一種陶瓷材料制造的。圓柱體11的內(nèi)徑為0.126mm，外徑為2.5mm和長度為22mm。關(guān)于波導(dǎo)元件，把一種25dB-衰減的金屬離子摻雜石英玻離纖維13插入到圓柱體11的穿孔12中。石英玻璃纖維13的外徑為0.125mm，并用一種環(huán)氧樹脂粘合劑固定在圓柱體11上。兩端進行鏡面拋光，形成凸起的面來完成固定衰減器10。
單模石英玻璃光學(xué)纖維通過SC-型光連接器連接到固定衰減器10的每一端。使波長為1550±50nm的光照射到一端，固定衰減器對每一波長的衰減穩(wěn)定性用光譜分析儀進行評價。也就是說，觀察波長衰減的循環(huán)波動性，記錄在具有最大振幅波動的最大和最小值之間的差值P(衰減的波動范圍)。結(jié)果列于表3和4中。因為衰減的波動范圍P小，所以波導(dǎo)泄漏的光和信號光之間的干涉也小，也就是說，器件具有高的性能。
表3和4表明，因為實施例的陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)均是48×10-7/℃或更小，所以光學(xué)器件的特性并不改變很多，而且都互相接近。因為實施例的陶瓷材料的D值是0.15或更小，θ值是55°或更大，以及R值是29.8％或更小。而且，因為陶瓷材料的L值均為0.6dB/cm或更大，衰減的波動范圍P是0.5dB或更小。因而，實施例的陶瓷材料適合于包括在固定衰減器中的波導(dǎo)-毗連元件。
相反，對比例9的陶瓷材料的L值是7dB/cm或更大。因為D值是0.38，這個值是較大的，所以界面的反射率大。衰減波動范圍P大，為1.2dB。對比例10的陶瓷材料的D值小，因此提供了優(yōu)選的θ和R值。然而，因為L值是小，為0.02dB/cm，所以衰減的波動范圍P大，為1.0dB。
工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明的陶瓷材料，因為上述描述的特性，可應(yīng)用于光連接器、光衰減器、平面光路(PLC)和陣列波導(dǎo)(AWG)的波導(dǎo)-毗連元件。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷材料，其熱膨脹系數(shù)小于50×10-7/℃，在1550nm波長處，石英玻璃和陶瓷材料的相對折射率之差的絕對值是0.2或更小，以及光衰減系數(shù)是0.3dB/cm或更大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷材料，用結(jié)晶玻璃制備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的陶瓷材料，其包含SiO2、Al203和Li2O，以質(zhì)量百分數(shù)為基準，總量為45％或更多。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的陶瓷材料，所述熱膨脹系數(shù)小于40×10-7/℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項的陶瓷材料，所述光衰減系數(shù)是0.5dB/cm或更大。
6.一種光學(xué)器件，其包含根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的陶瓷材料。
全文摘要
一種陶瓷材料，其熱膨脹系數(shù)為50×10
文檔編號C04B35/18GK1520386SQ0281295
公開日2004年8月11日 申請日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月28日
發(fā)明者坂本明彥 申請人:日本電氣硝子株式會社