專利名稱：用作濾光器的玻璃及濾光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作濾光器的玻璃，也涉及使用玻璃的濾光器。
有切斷或者通過一種特殊波長光的濾光器，也有減少光照度而與波長無關(guān)的濾光器。前者包括一種僅僅通過一種特定波長的帶通濾光器，一種切斷特定波長的陷波濾波器，以及僅僅通過比一種特定波長短或者長的波長的高通和低通濾光器。后者包括一種ND濾光器。
濾光器也可以分類成一種吸收型濾光器和一種干涉型濾光器。一種典型的吸收型濾光器是ND濾光器，以及一種典型的干涉型濾光器是帶通濾光器。一種由例如那些用于照相的塑料制成的基片被應(yīng)用作吸收型濾光器。由于經(jīng)受強烈激光光束的用作濾光器的基片需要耐久性和耐熱性能，非晶玻璃專門被用作這樣的基片。
帶通濾光器由玻璃這樣的基片上形成多層介電膜制成，這種多層膜是通過交替地層疊一種具有高折射率的電介質(zhì)薄膜的H層和一種具有低折射率的電介質(zhì)薄膜的L層形成。
在一種被應(yīng)用于WDM(波長分隔多路傳輸)光學通信系統(tǒng)的帶通濾光器中，當一種為通過波長的窄通帶寬度被設(shè)置來應(yīng)用該帶通濾光器于一種高密度的波長時，該帶的中心波長的溫度穩(wěn)定性就提出了問題。更具體地說，該帶通濾光器是一種敏感元件，其中，帶的中心頻率甚至在溫度稍有輕微的變化時就會改變，因此，當應(yīng)用帶通濾光器時，應(yīng)當用溫度控制器來調(diào)整溫度。然而，這樣的溫度控制器不能實際應(yīng)用，因為在帶通濾光器的設(shè)置上受到空間的限制。由于當光信息量增加時，必需減少通帶寬度，所以溫度穩(wěn)定性就變得更加重要了。
在過去，非晶玻璃被當作帶通濾光器的一種基片來應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)的基片在對膜的壓縮應(yīng)力及耐久性是不夠的，因為它的熱膨脹性能和機械強度不夠高。此外，非晶玻璃的表面硬度低。因此，非晶玻璃是不能充分滿足作為濾光器的基片，特別是作為帶通濾光器的基片的要求的。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種適合于濾光器用的基片的材料，此材料將消除現(xiàn)有技術(shù)基片的上述缺點，并且具有一種熱膨脹性能，此性能在一種溫度下，應(yīng)用一種有單層或多層膜形成的濾光器時，足以避免在折射率方面的變化(換言之，具有一種高的熱膨脹系數(shù)，并由此給予此膜以壓縮應(yīng)力，以改進膜的折射率的溫度穩(wěn)定性)，也具有一種機械性能，它給予該濾光器足夠的耐久性，并且還具有優(yōu)良的透光度。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種由這樣的基片制成的濾光器。
為了達到上述本發(fā)明的目的，由本發(fā)明的發(fā)明者們所積累的研究和實驗已經(jīng)產(chǎn)生了結(jié)果，導(dǎo)致本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，在特定的范圍內(nèi)，那種具有一種熱膨脹系數(shù)、機械強度和透光度的玻璃適合于達到本發(fā)明的這些目的。
按照本發(fā)明，提供一種濾光器用玻璃，該玻璃在-20℃～+70℃的溫度范圍內(nèi)，具有的熱膨脹系數(shù)在90×10-7/℃～120×10-7/℃范圍內(nèi)。
本發(fā)明的一方面，該玻璃具有楊氏模數(shù)為75GPa或以上。
本發(fā)明的另一方面，該玻璃具有的維氏硬度為550或以上。
本發(fā)明的另一方面，對于10mm的厚片，它在950nm～1600nm的波長范圍內(nèi)的透光度為90％或以上。
本發(fā)明的另一方面，該玻璃含有的重量百分組成為選自SiO2，B2O3和P2O5的一種或多種組分，總量為35～55％；選自TiO2，La2O3，ZrO2，Nb2O5，Ta2O5，WO3和Y2O3的一種或多種組分，總量為20～45％；選自MgO，CaO，SrO，BaO和ZnO的一種或多種組分，總量為3～20％；選自Li2O，Na2O和K2O的一種或多種組分，總量為5～30％；以及Sb2O3和As2O3中的一種或兩種組分，總量為0～1％。
本發(fā)明的另一方面，玻璃基本上不含PbO。
本發(fā)明的另一方面，是提供一種濾光器，它是由在上述玻璃上形成一種介電膜制成的。
本發(fā)明還有一方面，是提供一種濾光器，它是由在具有一種比構(gòu)成介電膜的電介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)大的玻璃上形成一種介電膜制成的。
下面將敘述根據(jù)本發(fā)明，對用于濾光器的玻璃限制其熱膨脹性能，楊氏模數(shù)，維氏硬度，透光度和玻璃組成的理由。玻璃的組成以氧化物為基準(重量百分比)表示。
首先說明關(guān)于熱膨脹性能。如前面所述，帶(band)的中心波長的溫度穩(wěn)定性是非常重要的，并且玻璃陶瓷具有一種比構(gòu)成所需要的膜的材料大的熱膨脹系數(shù)。由本發(fā)明的發(fā)明者們所做的研究和實驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在溫度從-20℃～+70℃范圍內(nèi)，如果熱膨脹系數(shù)是90×10-7/℃或以上，則在玻璃被用作一種帶通濾光器的溫度范圍內(nèi)，可以給予該膜以足夠的壓縮應(yīng)力，并且如果熱膨脹系數(shù)超過120×10-7/℃，則在基片和濾光器之間的熱膨脹系數(shù)的差別變得大到例如膜與基片分離這類的問題就將發(fā)生。優(yōu)選熱膨脹系數(shù)的范圍是95×10-7/℃～115×10-7/℃以及更優(yōu)選其范圍為105±5×10-7/℃。
在帶通濾光器中，中心波長處的溫度穩(wěn)定性在某種程度上與構(gòu)成薄膜的電介質(zhì)的折射率溫度系數(shù)有關(guān)，并且，在更大程度上與基片的熱膨脹系數(shù)有關(guān)。這是因為折射率是由薄膜的膜原子密度決定的。那就是說，薄膜的膜原子密度越高，則由中心頻率的溫度引起的變化越小。薄膜的膜原子密度大大地受由用作其上形成薄膜的濾光器基片的熱膨脹系數(shù)的影響。更具體地說，在膜形成的過程中，基片的溫度變成大約200℃，基片由此而較大地膨脹。薄膜就在這種膨脹的基片上形成，并且，當基片冷卻時，由于在它們之間的熱膨脹系數(shù)的不同，該薄膜易受到壓縮應(yīng)力。結(jié)果，薄膜的膜原子密度增加和折射率由此增加。由于基片的熱膨脹系數(shù)增加，加在基片上形成的電介質(zhì)薄膜上的壓縮應(yīng)力隨著由于使用濾光器時的溫度降低引起折射率變化的結(jié)果而增加。因此，需要設(shè)置玻璃的熱膨脹系數(shù)在一種比電介質(zhì)薄膜的熱膨脹系數(shù)更大的值上。
考慮到在帶通濾光器中應(yīng)用的嚴格條件，除上述性質(zhì)外，該玻璃的抗機械形變的強度，即楊氏模數(shù)和維氏硬度，都不可忽視。
關(guān)于楊氏模數(shù)，由于在薄膜形成以后，基片被加工成小片(2mm×2mm×2mm或以下)，對于該基片需要一種高的楊氏模數(shù)和高的強度?？紤]到下一道工序，該玻璃應(yīng)該優(yōu)選具有楊氏模數(shù)為75GPa或以上和維氏硬度為550或以上者。
關(guān)于透光度，如果透光度低，在產(chǎn)生信號方面，像減小信噪比這類麻煩將會發(fā)生。因此，要求透光度應(yīng)當盡可能大，并且發(fā)現(xiàn)透光度最低限度必需在90％。應(yīng)用于帶通濾光器的波長范圍是950nm～1600nm，對于這種波長范圍，和10mm厚的片，透光度為90％或以上是需要的。就這種波長范圍內(nèi)的透光度而論，透光度應(yīng)當優(yōu)選為93％或以上，更優(yōu)選95％或以上。
現(xiàn)在將敘述限制上述的基礎(chǔ)玻璃的組成范圍的理由。
SiO2，B2O3和P2O5組分是玻璃形成的組分。如果這些組分的一種或多種的總量在35％以下，玻璃的化學而久性降低以及楊氏模數(shù)和維氏硬度減小，而如果這些組分的總量超過55％，在熔化和成形堿玻璃方面將出現(xiàn)困難，而且，玻璃將不能獲得高的熱膨脹性能。
TiO2，La2O3，ZrO2，Nb2O5，Ta2O5，WO3和Y2O3組分是重要的組分，對含有比較大量的堿性組分(即Li，Na和K)的玻璃來說，能給出高的熱膨脹性能，高的楊氏模數(shù)和高的維氏硬度。如果這些組分的一種或多種的總量在20％以下，這些效果就不能得到，而如果總量超過45％，在玻璃熔化和成形方面就會出現(xiàn)困難，并且在玻璃的成形期間抵抗反玻璃化的能力會受損。
Li2O，Na2O和K2O組分對改進玻璃的熔化性能和增高熱膨脹性能并同時保持高的楊氏模數(shù)等是有效的。如果這些組成的一種或多種的總量在5％以下，這些效果將不能得到，而如果總量超過30％，化學耐久性以及楊氏模數(shù)和維氏硬度也會變壞。
MgO，ZnO，CaO，BaO和SrO組分對改進玻璃的熔化性能和增高熱膨脹性能并同時保持高的楊氏模數(shù)是有效的。如果這些組分的一種或多種的總量在3％以下，就不能獲得這些效果，而如果總量超過20％，玻璃的熔化和成形性能就會變壞。
Sb2O3和As2O3組分可以作為一種精煉劑加在熔融的玻璃中。這些組分的一種或兩種的加入總量達1％將足夠了。優(yōu)選的總數(shù)量是0.5％或少些。
SnO，CuO，CoO，NiO，F(xiàn)e2O3，CeO和/或MnO可以加入的量最高達5％，這樣的量不會損害玻璃所需要的性質(zhì)。
關(guān)于PbO，從保護環(huán)境的觀點來看，這種組分是不希望的，并且應(yīng)該盡最大可能地避免使用這種組分。
根據(jù)本發(fā)明，為了制造用作濾光器的玻璃，含有上述組成的基礎(chǔ)玻璃被熔化并形成一種預(yù)定的形狀，若必要時，進行退火處理。用常規(guī)方法研磨和磨光這樣獲得的玻璃，給用作濾光器的玻璃提供的表面粗糙度(Ra)(算術(shù)平均粗糙度)在1.0?！?.0的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的玻璃適用于一種干涉型濾光器，其中，在玻璃基片上形成一種多層介電膜，特別是適用于一種具有多層介電膜的帶通濾光器，這種多層介電膜是通過交替地層疊一種有高折射率的介電薄膜(H層)和一種有低折射率的介電薄膜(L層)而形成的。
作為電介質(zhì)，例如TiO2，Ta2O2，Nb2O5和SiO2的無機氧化物可以優(yōu)選應(yīng)用。在一種用作波長范圍從950nm～1600nm的帶通濾光器中，TiO2/SiO2，Ta2O2/SiO2和Nb2O5/SiO2的組合，可以優(yōu)選用作H層和L層的復(fù)合。
本發(fā)明的濾光器可以由在玻璃基片上的表面上形成一種電介質(zhì)薄膜的方法來提供。為了形成這種薄膜，沉積法、射頻離子電鍍法、磁控管噴鍍法、等離子體電鍍法等均可以被應(yīng)用。在這些方法中，特別優(yōu)選沉積法。
實例現(xiàn)將敘述本發(fā)明的實例。表1，表2和表3表示本發(fā)明的實例1～8中用作濾光器的玻璃和現(xiàn)有技術(shù)的比較例中用作濾光器的玻璃基片的組成、熱膨脹系數(shù)、楊氏模數(shù)、維氏硬度和透光度情況。
表1實例1 2 3SiO241.3939.3941.39(Wt.％)B2O32.00P2O5La2O3TiO230.0030.0026.00ZrO22.10Nb2O5Ta2O5WO3Y2O34.00MgO 0.5ZnOBaO 3.50 3.50 2.50SrO 0.5Li2O 2.00 2.00 2.00Na2O 14.1014.10 13.00K2O 9.00 9.00 8.00Sb2O30.01 0.01As2O3熱膨脹系數(shù)(×10-7/℃)(-20℃to+70℃) 110 100115楊氏模數(shù)(GPa)85 87 114維氏硬度(Hv) 550 580640透光度(％)(950-1600nm) 99 99 97
表2實例4 5 6SiO217.10 20.00 28.60(Wt.％)B2O321.50 10.00 10.00P2O58.60La2O317.00 12.00 10.00TiO27.60 5.00 7.60ZrO24.50 4.50 4.50Nb2O57.90 7.90 7.90Ta2O57.00WO32.60Y2O35.00MgO 1.00 1.00 1.00ZnO1.00BaO2.00 10.00SrO 14.80 11.80 4.80Li2O 8.50 8.50 8.50Na2OK2OSb2O30.10 0.10As2O30.10熱膨脹系數(shù)(×10-7/℃)(-20℃to+70℃) 90 95 96楊氏模數(shù)(GPa) 117 110120維氏硬度(Hv) 680 630670透光度(％)(950-1600nm) 97 96 96
表3實例比較例17 8SiO220.00 40.00 47.00(Wt.％)B2O310.00 7.10P2O58.60 1.39La2O315.00TiO27.60 25.00ZrO24.50 5.00Nb2O57.90Ta2O5WO32.00Y2O3MgO 1.00 PbO=9.70ZnO 2.00 0.50 6.10BaO 2.00 2.00 10.00SrO 10.80 1.00Li2O 8.50 4.00Na2O 12.10 6.00K2O 9.00 14.00Sb2O30.10 0.01 0.10As2O3熱膨脹系數(shù)(×10-7/℃)(-20℃to+70℃) 9511088楊氏模數(shù)(GPa) 120 85 70維氏硬度(Hv) 680 550480透光度(％)(950-1600nm) 9799 99
為了制造上述實例1～8中的玻璃，包括氧化物、碳酸鹽和硝酸鹽的材料被稱量和混合并在一種常規(guī)的熔化裝置中，在約1250℃～1350℃的溫度范圍內(nèi)熔化。熔化的玻璃被均勻攪拌，然后成形為一種預(yù)定的形狀并退火處理，提供一種成形的玻璃。然后，成形的玻璃用800～2000#金鋼石粒研磨5～30分鐘，最后用具有平均直徑為0.02μm到3μm的氧化鈰磨光粒進行磨光30～60分鐘。表面粗糙度(Ra)(在中心線處的粗糙度)為5?；蛞陨?。
將實例1～8與比較例1進行比較，現(xiàn)有技術(shù)的用作濾光器的玻璃基片的熱膨脹系數(shù)是88×10-7/℃，它不足以把壓縮應(yīng)力給予成形的膜。現(xiàn)有技術(shù)的玻璃基片也顯示了低的楊氏模數(shù)70GPa和維氏硬度480。相反，本發(fā)明的玻璃具有足夠的熱膨脹系數(shù)把壓縮應(yīng)力給予成形的膜，也有足夠的楊氏模數(shù)和維氏硬度，這表明本發(fā)明的玻璃適用于作濾光器的基片。
由在上述實例中的玻璃基片上形成TiO2/SiO2，Ta2O2/SiO2和Nb2O5/SiO2的多層膜來提供的干涉型濾光器，具有優(yōu)良的中心波長的溫度穩(wěn)定性，并且發(fā)現(xiàn)最適合于用作光通信中的一種帶通濾光器。
如以上所述，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)基片的缺點，并給用作濾光器的玻璃基片提供中心波長優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性。這些特性，即高透光度、高熱膨脹系數(shù)、高楊氏模數(shù)和高維氏硬度，適用于干涉型濾光器，特別是一種帶通濾光器，并且在光通信系統(tǒng)中最適用于作WDM(波長分隔多路傳輸)和DWDM(密度波長分隔多路傳輸)。此外，由在本發(fā)明的玻璃基片上形成TiO2/SiO2，Ta2O2/SiO2和Nb2O5/SiO2的多層介電膜提供的帶通濾光器元件，具有中心波長優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性，并且不僅能夠應(yīng)用于地面光通信系統(tǒng)，而且也能用于空間站衛(wèi)星光通信系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1．用作濾光器的玻璃，其在-20℃～+70℃的溫度范圍內(nèi)，具有從90×10-7/℃～120×10-7/℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)。
2．按照權(quán)利要求1的玻璃，其具有楊氏模數(shù)為75GPa或以上。
3．按照權(quán)利要求1的玻璃，其具有維氏硬度為550或以上。
4．按照權(quán)利要求1的玻璃，其中，對于10mm厚片，在950nm～1600nm的波長范圍內(nèi)的透光度為90％或以上。
5．按照權(quán)利要求1的玻璃，其重量百分比組成為選自SiO2，B2O3和P2O5的一種或多種組分，其總量為35～55％；選自TiO2，La2O3，ZrO2，Nb2O5，Ta2O5，WO3和Y2O3的一種或多種組分，其總量為20～45％；選自MgO，CaO，SrO，BaO和ZnO的一種或多種組分，其總量為3～20％；選自Li2O，Na2O和K2O的一種或多種組分，其總量為5～30％；以及Sb2O3和As2O3中的一種或兩種，其總量為0～1％。
6．按照權(quán)利要求1的玻璃，其中基本上不含PbO。
7．一種濾光器，它是由在按照權(quán)利要求1的玻璃上形成一種介電膜制成的。
8．一種濾光器，它是由在一種比構(gòu)成介電膜的電介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)大的玻璃上形成一種介電膜制成的。
全文摘要
在一種帶通濾光器中,能防止折射率變化的用作濾光器的玻璃,在－20℃～+70℃的溫度范圍內(nèi),其熱膨脹系數(shù)在90×10
文檔編號C03C3/097GK1286230SQ0011801
公開日2001年3月7日 申請日期2000年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月30日
發(fā)明者后藤直雪 申請人:株式會社小原