專利名稱：用于光學(xué)通訊器件的基本材料和光學(xué)通訊器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的光學(xué)通訊器件襯底以及一種通過將一個(gè)具有正熱膨脹系數(shù)的光學(xué)元件固定到該襯底上而得到的光學(xué)通訊器件。
背景技術(shù)：
應(yīng)用光纖的網(wǎng)絡(luò)隨著光學(xué)通訊技術(shù)的進(jìn)步而得到迅速改進(jìn)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用一種波長多路復(fù)用技術(shù)集中傳輸多波長的光，因此，波長濾波器，耦合器，波導(dǎo)等就成為重要的光學(xué)通訊器件。
在這樣的光學(xué)通訊器件中，一部分器件由于取決于溫度的特性的改變而在室外使用會有一些麻煩；因此，就出現(xiàn)了對于能不考慮溫度的變化而將這樣的光學(xué)通訊器件的特性保持在一個(gè)恒定的水平上的技術(shù)的必要性，這樣的技術(shù)被稱為熱無關(guān)技術(shù)。
一種光纖布拉格光柵(本文下面稱之為FBG)被舉例作為需要熱無關(guān)的光學(xué)通訊器件的代表。FBG是一種光學(xué)器件，該器件在光纖的芯中有一個(gè)帶有以光柵的形式改變折射率的側(cè)面的部分，該部分因此被稱為光柵區(qū)域，該器件還有特定波長的光根據(jù)下面公式(1)給出的關(guān)系的特征反射。因?yàn)檫@個(gè)原因，作為一種在分波長多路復(fù)用傳輸光學(xué)通訊系統(tǒng)中的重要的光學(xué)通訊器件，這一點(diǎn)已經(jīng)得到重視，在該系統(tǒng)中，不同波長的光學(xué)信號通過一個(gè)單光纖被多路復(fù)用地傳輸。
λ＝2nΛ(公式1)式中λ是反射波長，n是光纖芯的有效折射率，Λ是帶有以光柵的形式改變折射率的區(qū)域的間隔。
但這樣的FBG有一個(gè)問題，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，中心反射波長會發(fā)生波動。下面的公式(2)給出了中心反射波長的溫度依賴性，式(2)由將式(1)對溫度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)右側(cè)的第二項(xiàng)(式略)對應(yīng)于光纖的熱膨脹系數(shù)，該項(xiàng)的值幾乎為0.6×10-6℃。另一方面，右側(cè)第一項(xiàng)是光纖的芯部中折射率的溫度依賴性，該項(xiàng)的值幾乎為7.5×10-6℃。也就是，雖然中心反射波長的溫度依賴性取決于芯部折射率的變化和因?yàn)闊崤蛎浺鸬墓鈻诺拈g隔的變化，但大部分中心反射波長的變化被發(fā)現(xiàn)是由折射率根據(jù)溫度的變化而引起。
作為防止中心反射波長變化的手段，已知一種方法，該方法中，一個(gè)適應(yīng)于溫度變化的張力被施加到FBG以改變光柵區(qū)域的間隔從而消除因折射率的變化引起的因素。
作為一個(gè)具體的實(shí)例，日本專利公開號No.2000-503967公開了一種由本文提及的相關(guān)張力控制的器件，該器件以這樣的方式制造將一個(gè)施加了規(guī)定的張力的FBG用一種黏結(jié)劑固定到一個(gè)具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的玻璃陶瓷襯底上，該玻璃陶瓷襯底通過結(jié)晶一個(gè)預(yù)先熔化成玻璃板的玻璃母體而得到。
在上述器件中，襯底隨著溫度的升高而收縮，這樣的收縮減小了光纖的光柵區(qū)域上所施加的張力。另一方面，隨著溫度的降低襯底發(fā)生伸展，增加了在光纖的光柵區(qū)域上施加的張力。在這樣的方式中，根據(jù)溫度的變化使施加到FBG的張力發(fā)生變化，從而使光柵區(qū)域中光柵的間隔能夠被調(diào)整，其結(jié)果是，中心反射波長的溫度依賴性能被消除。該專利還公開了，雖然在帶有這樣的襯底的光學(xué)通訊器件中可以用玻璃，聚合物或金屬來黏結(jié)和固定FBG，但聚合物，尤其是環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑最適合于高效率地制造這樣的器件。
而且，在日本專利公開號No.2000-503967中，為什么這種玻璃陶瓷襯底具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的原因敘述如下。
玻璃陶瓷襯底不僅有微裂紋，而且包括沿c軸方向有大的負(fù)熱膨脹系數(shù)和沿a軸方向有正熱膨脹系數(shù)的結(jié)晶相(β-鋰霞石固溶體)。另外，結(jié)晶相在沿該結(jié)晶相的a軸方向冷卻時(shí)收縮，但玻璃陶瓷襯底在冷卻時(shí)的收縮因?yàn)槲⒘鸭y生長中的間隙而受到抑制。另一方面，結(jié)晶相在沿該結(jié)晶相的c軸方向冷卻時(shí)膨脹，和微裂紋無關(guān)。結(jié)果，由于沿a軸方向的正熱膨脹系數(shù)的小的貢獻(xiàn)以及沿c軸方向的負(fù)熱膨脹系數(shù)的大的貢獻(xiàn)，玻璃陶瓷襯底就有了負(fù)熱膨脹系數(shù)。
但是玻璃陶瓷襯底在熱膨脹中有大的滯后的問題還是保留著，該問題引起FBG的中心反射波長的滯后變大，結(jié)果是FBG的取決于溫度變化的中心反射波長的一個(gè)大的變化。要注意的是，熱膨脹的滯后顯示了一個(gè)現(xiàn)象，即在溫度升降的過程中材料根據(jù)溫度的變化發(fā)生伸縮的行為之間呈現(xiàn)不一致性。
和其對比，日本專利公開號No.2000-503967中公開了一種方法，在該方法中，為了減少玻璃陶瓷襯底在熱膨脹中的滯后以穩(wěn)定內(nèi)部結(jié)構(gòu)而進(jìn)行在溫度400到800℃之間的熱循環(huán)處理，但在這樣的方法中減小的熱膨脹中的滯后在諸如溫度和濕度變化的環(huán)境中仍不穩(wěn)定并且難以保持其初始值。另外，這樣的熱處理使制造工藝變得復(fù)雜，從而導(dǎo)致制造成本升高的問題。
在WO01/04672中給出了一個(gè)發(fā)明，該發(fā)明中，如果一種由多晶體(由燒結(jié)粉末體制成的陶瓷)制成的熱無關(guān)部件被用作FBG的襯底，該多晶體有較多的β-石英固溶體或β-鋰霞石固溶體的晶體，其在X射線衍射測量中給出較多衍射峰的晶面之間的間隔小于3.5埃，并且有負(fù)的熱膨脹系數(shù)，則不僅FBG的中心反射波長的溫度依賴性可被抑制，而且熱膨脹的滯后也被減小。要注意的是，因?yàn)樵撎沾稍谄鋬?nèi)部有微粒邊界上的間隙，并且還有顯示各向異性的熱膨脹行為的β-石英固溶體或β-鋰霞石固溶體，因此，該陶瓷就因?yàn)橄嗨朴谏鲜霾Ａ?陶瓷的機(jī)制而有負(fù)熱膨脹系數(shù)。
但是，當(dāng)用上述玻璃陶瓷或陶瓷作為襯底的器件暴露到高溫和高濕的環(huán)境氣氛中一個(gè)較長的時(shí)期，水分被吸收進(jìn)襯底的內(nèi)部，為獲得負(fù)熱膨脹特性所必須的微裂紋和微粒邊界上的間隙被充滿了水和襯底之間的反應(yīng)生成物，結(jié)果，熱膨脹系數(shù)被朝正方向轉(zhuǎn)變，就導(dǎo)致這樣的問題，來自這樣的襯底的器件難以保持作為器件而規(guī)定的性能。
與之相對照，在日本專利公開號No.2000-327372中給出了一個(gè)發(fā)明，該發(fā)明中玻璃陶瓷襯底的表面被涂覆一層含有由下式(5)給出的硅烷的溶液以避免水和襯底接觸，從而解決上述問題。
R6Si(OZ)3......(5)式中R6是一個(gè)碳?xì)浠鶊F(tuán)，該基團(tuán)中可以含有F原子，并有1到10個(gè)碳原子，Z是含有甲基或乙基一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)。
在分波長多路復(fù)用傳輸光學(xué)通訊系統(tǒng)中，為了傳輸更多的信息，多路復(fù)用要求更多的光，同時(shí)伴隨該趨勢，作出一個(gè)進(jìn)一步減小FBG的中心反射波長的溫度依賴性的請求；在處理該請求中，即使使用了日本專利公開號2000-327372中發(fā)明的硅烷溶液，玻璃陶瓷襯底中水分的去除仍不充分，如果暴露在高溫高濕的環(huán)境氣氛中一個(gè)較長時(shí)期，雖然輕微，玻璃陶瓷襯底顯示負(fù)熱膨脹的熱膨脹系數(shù)仍會發(fā)生變化，結(jié)果導(dǎo)致FBG的中心反射溫度的不充分的溫度依賴性的問題。
在例如FBG的帶有正熱膨脹系數(shù)的光學(xué)元件被用有高生產(chǎn)效率的由聚合物黏結(jié)劑制成的黏結(jié)劑尤其是環(huán)氧樹脂，硅酮樹脂，丙烯酸樹脂等固定到一個(gè)光學(xué)通訊器件襯底上的場合中，如果含有式(5)的硅烷的溶液被用作對該襯底的處理劑，黏結(jié)劑的黏結(jié)力被減小，或者沒有黏結(jié)力發(fā)揮，從而做不到以穩(wěn)定的方式將光學(xué)元件固定到襯底上去。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述情況而創(chuàng)造了本發(fā)明，因而本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種光學(xué)通訊器件的襯底和一種光學(xué)通訊器件，該襯底能在短時(shí)間被進(jìn)行水去除處理，用顯示負(fù)熱膨脹的陶瓷或玻璃陶瓷制成，即使暴露于高溫和高濕氣氛中一個(gè)較長的時(shí)期熱膨脹系數(shù)也不會發(fā)生變化，從而減小了熱膨脹中的滯后，該器件即使用聚合物黏結(jié)劑也能將光學(xué)元件牢固地固定到襯底上去。
本發(fā)明人消除了一個(gè)問題，即，因?yàn)殡m然一種硅烷溶液容易滲透如襯底的內(nèi)部，聚合速率仍然較低，在達(dá)到充分的聚合水平之前溶液汽化，還不能達(dá)到為抑制水分滲透必須和充分的薄膜厚度，雖然只有少量的水仍滲透到襯底的內(nèi)部，減小了抑制熱膨脹系數(shù)變化的效果，由于這個(gè)原因，為了用硅烷溶液達(dá)到充分的水清除，就必須存在更大數(shù)量的硅烷處理，導(dǎo)致效率降低；然后進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，通過使用含有至少一種有機(jī)硅化合物的溶液替代硅烷溶液也能達(dá)到上述的目的，致使提出了本發(fā)明，該至少一種有機(jī)硅化合物從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇。
也就是，本發(fā)明的光學(xué)通訊器件襯底致力于由陶瓷或玻璃陶瓷制成的光學(xué)通訊器件襯底，該襯底在-40到100℃的溫度范圍內(nèi)有-10到-120×10-7/℃的負(fù)熱膨脹系數(shù)，用含有從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇的至少一種有機(jī)硅化合物的溶液進(jìn)行處理。
本發(fā)明的光學(xué)通訊器件致力于通過將有正熱膨脹系數(shù)的光學(xué)元件固定到由陶瓷或玻璃陶瓷制成在-40到100℃的溫度范圍內(nèi)有-10到-120×10-7/℃的負(fù)熱膨脹系數(shù)的襯底上而得到的光學(xué)通訊器件，其中，該襯底用含有從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇的至少一種有機(jī)硅化合物的溶液進(jìn)行處理。


圖1是顯示本發(fā)明的實(shí)例的一種光學(xué)通訊器件的平面圖；
圖2是顯示熱膨脹的滯后的曲線圖；和圖3是顯示長時(shí)間耐久性試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
因?yàn)楸景l(fā)明的光學(xué)通訊器件襯底是一種用含有從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇的至少一種有機(jī)硅化合物的溶液進(jìn)行處理的器件襯底，該用陶瓷或玻璃陶瓷制成的顯示負(fù)熱膨脹系數(shù)的襯底的熱膨脹系數(shù)即使長時(shí)間暴露于高溫高濕氣氛下也不會發(fā)生改變。也就是，如果將含有從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇的至少一種有機(jī)硅化合物的溶液的去除水的處理應(yīng)用到該襯底上，在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)就可以進(jìn)行該去除水的處理，襯底的表面上能獲得充分的涂層以保證對該襯底的完全的高度的水去除，因?yàn)楣柩跬榛衔锶菀自谝r底的表面樹脂化，硅氮烷化合物有和襯底的高反應(yīng)性，因此，即使該襯底長期暴露于高溫高濕的氣氛下，沒有水能滲透入襯底的內(nèi)部，其中負(fù)熱膨脹所要求的間隙沒有機(jī)會能填充水和襯底之間的反應(yīng)產(chǎn)物，使熱膨脹系數(shù)穩(wěn)定，從而能保持作為一種器件的規(guī)定的性能。
本發(fā)明的光學(xué)通訊器件襯底還具有減小熱膨脹中的滯后的效應(yīng)。也就是，如果襯底被施加含有從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇的至少一種有機(jī)硅化合物的溶液，襯底表面的表面能量減少，在冷卻時(shí)防止微裂紋或微粒邊界上的間隙擴(kuò)大的力較小，因此熱膨脹中的滯后難以發(fā)生，從而能抑制因溫度變化引起的中心反射波長的波動。
最好的是，如果本發(fā)明的光學(xué)通訊器件襯底在-40到100℃的溫度范圍中的一個(gè)溫度上有一個(gè)22ppm或更小的最大尺度上的變化速率，在該溫度上溫度上升和溫度下降過程中尺度的差異達(dá)到最大，則作為FBG的光學(xué)通訊器件因?yàn)闇囟纫鸬闹行姆瓷洳ㄩL的變化就難以發(fā)生。
要注意的是，尺度上的最大變化速率表示熱膨脹中的滯后，如圖2中所述以及下面的公式所示，通過將襯底在40℃時(shí)溫度下降時(shí)的尺度(L1)和在40℃時(shí)溫度上升時(shí)的尺度(L2)之間的差除以襯底在室溫下的尺度(LR)就可以得到該速率。
最大尺度變化速率(ppm)＝(|L1-L2|/LR)×106處理本發(fā)明的光學(xué)通訊器件襯底的溶液最好是含有從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇的至少一種有機(jī)硅化合物的溶液，下文將顯示該溶液。
硅氧烷化合物最好是由下列通式(1)給出的有機(jī)硅化合物。
{R1Si(OH)a(OX)bO(m-1)/m}m....(1)式中R1是一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，這些基團(tuán)可以互相相同或不同并具有3到20，最好是4到10個(gè)碳原子，作為具體的實(shí)例，可以是任何直鏈或分鏈形式的丙基，丁基，己基，辛基，癸基，十二烷基，十八烷基，苯基和其他。X是一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，這些基團(tuán)可以互相相同或不同并具有1到10，最好是1到5個(gè)碳原子，作為具體的實(shí)例，可以是任何甲基，乙基和丙基。而且，a是從0到2的一個(gè)數(shù)字，b是從0到2的一個(gè)數(shù)字，a+b＝(m+2)/m。另外，m表示重復(fù)的結(jié)構(gòu)單位的數(shù)字，因?yàn)閙≥2，公式(1)中的硅氧烷化合物給出一個(gè)由兩個(gè)或多個(gè)單體單位構(gòu)成的低聚體。硅氧烷化合物不是總是具有各自相同的重復(fù)的結(jié)構(gòu)單位數(shù)，但可以是具有各自重復(fù)的結(jié)構(gòu)單位復(fù)數(shù)的集合的混合物，因此m指出了重復(fù)的結(jié)構(gòu)單位數(shù)的平均數(shù)。
公式(1)的硅氧烷化合物可以通過水解冷凝烷基三烷氧硅烷產(chǎn)生。
作為另一種硅氧烷化合物，最好能有由下列通式(2)給出的示范的有機(jī)硅化合物。
式中R2是甲基，R3是一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，這些基團(tuán)可以互相相同或不同并具有3到20個(gè)碳原子，作為具體的實(shí)例，可以是任何丙基，辛基，十八烷基，苯基或其他。而且，Y1，Y2和Y3，每個(gè)都是由下式(3)給出的R2，R3或基團(tuán)。
-A-Si(OR4)3......(3)式中A是氧原子，或具有2到10個(gè)碳原子的二價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，作為A，可以舉例為乙烯基，丙烯基和亞苯基，在這些基團(tuán)中，氧原子或乙烯基最好。R4是具有1到10個(gè)碳原子的一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，作為R4，可以舉例為甲基，乙基和丙基。而且，p是從0到5的數(shù)字，q是從0到50的數(shù)字，r是從0到50的數(shù)字。式(2)的硅氧烷化合物在一個(gè)分子中包括至少一個(gè)由式(3)給出的基團(tuán)。
作為硅氮烷化合物，最好可以舉例為由下面的通式給出的有機(jī)硅化合物。
R5Si(NH)3/2.......(4)式中R5是一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，可以互相相同或不同，并具有3到20個(gè)碳原子，作為具體的實(shí)例，可以是直鏈或支鏈形式的任何丙基，丁基，己基，辛基，癸基，十二烷基，十八烷基，苯基或其他。
式(4)的硅氮烷化合物是由相應(yīng)的鹵代硅烷(最好是氯代硅烷)和氨以及理想地用作有機(jī)溶劑中的溶液之間的反應(yīng)獲得的硅氮烷低聚物。
作為用在硅氮烷化合物中的溶劑，最好被舉例為這樣的溶劑，能夠溶解硅氧烷化合物，其中有乙醇，酮，酯，芳烴，脂肪烴和其他。尤其在其中，最好用乙醇，諸如乙烯乙醇，異丙醇。
因?yàn)楣璧榛衔镉袕?qiáng)反應(yīng)性，作為用于硅氮烷化合物的溶劑，要用非含水溶劑，最好舉例為尤其是芳烴，諸如甲苯，二甲苯以及脂肪烴，諸如己烷，辛烷，工業(yè)汽油。
本發(fā)明的光學(xué)器件襯底最好是，如果硅氧烷化合物或硅氮烷化合物以0.03到0.2的質(zhì)量％黏結(jié)其上，即使長期暴露于高溫高濕氣氛中，該襯底的熱膨脹系數(shù)也幾乎不發(fā)生變化。
也就是，如果硅氧烷化合物或硅氮烷化合物的黏結(jié)劑數(shù)量小于0.03質(zhì)量％，去除水的效果很差，但如果超過0.2的質(zhì)量％，硅氧烷化合物或硅氮烷化合物保持非聚合狀態(tài)，當(dāng)暴露到高溫高濕氣氛中時(shí)，非聚合化合物被聚合，就不利地改變了襯底的熱膨脹系數(shù)。
在本發(fā)明的光學(xué)通訊器件襯底上硅氧烷化合物或硅氮烷化合物的黏結(jié)劑的數(shù)量可以在0.03到0.2的質(zhì)量％的范圍內(nèi)調(diào)整，調(diào)整的步驟中，在-40到100℃的溫度范圍中具有-10到-120×10-7/℃范圍的負(fù)熱膨脹系數(shù)的陶瓷或玻璃陶瓷由含有從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇的至少一種有機(jī)硅化合物的溶液處理，襯底的內(nèi)部用有機(jī)溶劑清洗。
要注意的是，雖然作為有機(jī)溶劑，可以使用乙醇，甲苯，二甲苯和其他，但在考慮工作環(huán)境中最好的是IPA(異丙醇)。
雖然對溶液的濃度沒有特別的限制，但濃度最好在2到30的質(zhì)量％的范圍內(nèi)。因?yàn)閼?yīng)用了本發(fā)明的光學(xué)器件襯底，作為用于該光學(xué)器件襯底的水去除處理溶液，對于含有從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇的至少一種有機(jī)硅化合物的溶液，其中硅氧烷化合物由式(1)和式(2)給出，硅氮烷化合物由式(4)給出，當(dāng)具有正熱膨脹系數(shù)的光學(xué)元件用聚合物黏結(jié)劑尤其是環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑以高器件生產(chǎn)效率黏結(jié)固定到襯底上時(shí)，施加到襯底表面上的黏結(jié)劑的濕潤得到改進(jìn)，黏結(jié)劑不會遭受分離或松散，從而最好地得到了高黏結(jié)強(qiáng)度，因?yàn)楣柩跬榛衔锖凸璧榛衔锏墓δ芑鶊F(tuán)的表面能量至少和聚合物黏結(jié)劑，尤其是環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑相同。
要注意的是，黏結(jié)劑施加到襯底上的濕潤性能可以由一個(gè)接觸角度評價(jià)，如果該接觸角度在10度到45度的范圍內(nèi)，該黏結(jié)劑不會分離或松散而可以得到強(qiáng)有力的黏結(jié)，因此，不大可能發(fā)生熱無關(guān)功能的喪失或退化。
在本發(fā)明中使用的襯底是陶瓷或玻璃陶瓷，該材料具有較多的β-石英固溶體或β-鋰霞石固溶體的晶體，或者是多晶陶瓷，該材料具有較多的包括至少是Zr或Hf的磷鎢酸鹽或鎢酸鹽的晶體。尤其是，如果襯底由具有較多的β-石英固溶體或β-鋰霞石固溶體的晶體的陶瓷或玻璃陶瓷制成，該襯底就令人滿意地具有良好的機(jī)械性能。
如果在本發(fā)明中使用的襯底用粉末燒結(jié)體制成，其粗糙的表面令人滿意地易于調(diào)節(jié)，使其有利于將光學(xué)元件黏結(jié)在其上，不會因?yàn)楦淖兞宋⒘５某叨纫约八梅勰┑臒Y(jié)條件而發(fā)生機(jī)械強(qiáng)度的退化。
作為在本發(fā)明中使用的聚合物黏結(jié)劑，環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑最好，但也可以使用硅酮黏結(jié)劑或丙烯酸黏結(jié)劑。
下文以實(shí)例為基礎(chǔ)給出本發(fā)明的詳盡敘述。
在表1和表2中顯示了本發(fā)明的實(shí)例1到10。表3中顯示了對照實(shí)例1到3。圖1是顯示本發(fā)明的光學(xué)通訊器件實(shí)例的平面圖，圖2是顯示在溫度升降過程中滯后于熱膨脹的襯底尺度變化的曲線圖，圖3是顯示長期耐久試驗(yàn)的結(jié)果的曲線圖。
表1


表2


表3

(實(shí)例)首先制備襯底1，每個(gè)襯底都用β-石英固溶體的陶瓷(用粉末燒結(jié)體制作的陶瓷)制作并且有長40mm，寬4mm和厚3mm的尺度。在橫貫襯底的上表面上形成一個(gè)深0.6mm的縫1a。襯底1被浸沒在含有由表1和表2中顯示的各自的硅氧烷化合物的溶液里并施加超聲波振動10分鐘。然后，襯底1在100℃中干燥10到30分鐘，再浸沒在清洗劑中緊跟著超聲波清洗10分鐘。
然后，F(xiàn)BG2被插入每片進(jìn)行過除水處理的襯底1上的縫1a中，F(xiàn)BG2和襯底1分別在襯底1的兩端附近的兩點(diǎn)上被用環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑3(由KYORITSUCHEMICAL&CO.，LTD.制造的XOC-02THK)互相黏結(jié)固定在一起，從而制造出每一個(gè)實(shí)例1到10(圖1)的光學(xué)通訊器件10。要注意的是，F(xiàn)BG2和襯底1之間的黏結(jié)劑要在下面的步驟中固化后才有效果，應(yīng)用具有3500mW/cm2輸出的金屬鹵素?zé)?，F(xiàn)BG2和襯底1之間的黏結(jié)劑用波長300到400nm的紫外線(UV)照射2秒，緊跟在100℃中的熱處理5分鐘。
(對照實(shí)例)對照實(shí)例1的光學(xué)通訊器件除了把烷基硅烷溶液用作處理溶液以及不用清洗劑進(jìn)行清洗外，以和上述實(shí)例相似的方式制造。對照實(shí)例2的光學(xué)通訊器件除了把氟代硅烷溶液用作處理溶液外以和對照實(shí)例1相似的方式制造。對照實(shí)例3的光學(xué)通訊器件除了既不進(jìn)行去除水處理也不進(jìn)行清洗外以和上述實(shí)例相似的方式制造。但在對照實(shí)例1和2中，襯底1被浸沒在各自的溶液中并向其施加超聲波振動，緊跟著在100℃中干燥60到120分鐘。
這樣制造的上述實(shí)例的以及對照實(shí)例的光學(xué)通訊器件對其特性進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)的結(jié)果顯示在表1到表3中。
熱膨脹系數(shù)和尺度上的最大變化速率用膨脹計(jì)(由MACScienceCo.，LTD.制造)在-40到100℃的溫度范圍中以每分鐘1℃的溫度升降速率進(jìn)行測量。
用X射線衍射儀識別結(jié)晶相并用接觸角度計(jì)(由KYOWAINTERFACESCIENCECO.，LTD.制造)對形成在襯底1表面上的0.5cm3的環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑的液滴測量接觸角度。以下面的步驟進(jìn)行其長期耐久試驗(yàn)和評價(jià)，襯底1被留在75℃和90％的高溫高濕氣氛中500小時(shí)，在試驗(yàn)前后測量熱膨脹系數(shù)。尤其在實(shí)例2中，襯底1被留在上述條件下的高溫高濕氣氛下3000小時(shí)以測量和評價(jià)襯底1的熱膨脹系數(shù)。以下面的步驟對FBG2進(jìn)行剝離試驗(yàn)，水去除處理以后FBG2用環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑固定在襯底1上，然后FBG2和襯底1被互相拉動以測量剝離強(qiáng)度。
硅氧烷化合物或硅氮烷化合物的黏結(jié)劑數(shù)量從水去除處理前和清洗后襯底1的質(zhì)量值之間的變化中獲得，硅烷黏結(jié)劑的數(shù)量從水去除處理前和干燥后襯底1的質(zhì)量值之間的變化中獲得。
如從表1和表2中很明顯的是，在實(shí)例1到10的光學(xué)器件中，長時(shí)期耐久性試驗(yàn)前后襯底的熱膨脹系數(shù)之間的變化很小，滯后受到抑制。而且，如圖3所示，因?yàn)樯踔廉?dāng)實(shí)例1的光學(xué)器件暴露于高溫高濕氣氛中3000小時(shí)時(shí)，襯底在長時(shí)期耐久性試驗(yàn)中熱膨脹系數(shù)的變化也很小(◎標(biāo)記)，沒有可能使熱無關(guān)的功能喪失或退化，作為光學(xué)通訊器件，顯示出高度的長時(shí)期的可靠性。而且，得到確認(rèn)的是，其他實(shí)例顯示了和圖3的◎標(biāo)記相似的側(cè)面。要注意的是，如圖3所示，在長時(shí)期耐久性試驗(yàn)中，襯底(●標(biāo)記)未經(jīng)過水去除處理，每一個(gè)實(shí)例中熱膨脹系數(shù)的變化就很大。
實(shí)例1到10的襯底上黏結(jié)劑的接觸角的值顯示了45度或更低那樣的值以及對襯底良好的濕潤水平，如從表1和表2可知，F(xiàn)BG的剝離強(qiáng)度高，在任何實(shí)例中都沒有可能發(fā)生所施加的黏結(jié)劑的分離和松散。
另一方面，如表3所示，因?yàn)閷φ諏?shí)例1和2使用了硅烷黏結(jié)劑，長時(shí)期耐久性試驗(yàn)前后熱膨脹系數(shù)之間的變化在每個(gè)情況下都較大。在對照實(shí)例3中，因?yàn)槲催M(jìn)行水去除處理，襯底在長時(shí)期耐久性試驗(yàn)前后熱膨脹系數(shù)之間的變化就較大。在對照實(shí)例2(○標(biāo)記)的長時(shí)期耐久性試驗(yàn)中，襯底的熱膨脹系數(shù)的變化能夠識別。從該結(jié)果可知，由于暴露到高溫高濕氣氛時(shí)熱膨脹系數(shù)的變化就存在作為光學(xué)通訊器件其熱無關(guān)功能的喪失或退化的可能性。而且，黏結(jié)劑在襯底表面上的接觸角有70度之大，黏結(jié)劑的濕潤不佳，因此不可能用黏結(jié)劑固定FBG，F(xiàn)BG的剝離強(qiáng)度幾乎等于零。
如上所述，因?yàn)橐r底由含有從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇的至少一種有機(jī)硅化合物的溶液處理，能在一個(gè)相對短的時(shí)間內(nèi)在襯底表面上進(jìn)行水去除處理，光學(xué)器件的襯底即使長時(shí)期暴露于高溫高濕的氣氛下也不可能改變其熱膨脹系數(shù)，熱膨脹的滯后受到抑制。而且，由于聚合物黏結(jié)劑，尤其是環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑的黏結(jié)強(qiáng)度，F(xiàn)BG可以穩(wěn)定地固定到襯底上。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)通訊器件襯底用陶瓷或玻璃陶瓷制成，該襯底在-40到100℃的溫度范圍中有在-10到-120×10-7/℃范圍中的負(fù)熱膨脹系數(shù)，該襯底用一種含有從由硅氧烷化合物和硅氮烷化合物組成的集合中選擇的至少一種有機(jī)硅化合物的溶液處理。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)通訊器件襯底，其特征在于，在-40到100℃的溫度范圍內(nèi)，在溫度升降過程中尺度之間的變化達(dá)到最大的溫度上該襯底具有22ppm或更小的最大的尺度變化速率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)通訊器件襯底，其特征在于，其中硅氧烷化合物是一種有機(jī)硅化合物，該化合物由下列通式(1)代表{R1Si(OH)a(OX)bO(m-1)/m}m....(1)式中R1是一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，這些基團(tuán)可以互相相同或不同并具有3到20個(gè)碳原子，X是一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，這些基團(tuán)可以互相相同或不同并具有1到10個(gè)碳原子，a是從0到2的一個(gè)數(shù)字，b是從0到2的一個(gè)數(shù)字，以a+b＝(m+2)/m為條件，其中m≥2。
4.如權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)通訊器件襯底，其特征在于，其中硅氧烷化合物是一種有機(jī)硅化合物，該化合物由下列通式(2)代表 式中R2是一個(gè)甲基，R3是一個(gè)一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，這些基團(tuán)可以互相相同或不同并具有3到20個(gè)碳原子，Y1，Y2和Y3每個(gè)都是由下式(3)給出的R2，R3或基團(tuán)。-A-Si(OR4)3......(3)式中A是一個(gè)氧原子，或一個(gè)具有2到10個(gè)碳原子的二價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，R4是一個(gè)具有1到10個(gè)碳原子的一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，p是從0到5的數(shù)字，q是從0到50的數(shù)字，r是從0到50的數(shù)字，式(2)的硅氧烷化合物在一個(gè)分子中包括至少一個(gè)由式(3)代表的基團(tuán)。
5.如權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)通訊器件襯底，其特征在于，其中硅氮烷化合物是一種有機(jī)硅化合物，該化合物由下列通式(4)給出R5Si(NH)3/2.......(4)式中R5是一個(gè)一價(jià)碳?xì)浠鶊F(tuán)，可以互相相同或不同，并具有3到20個(gè)碳原子。
6.如權(quán)利要求1到5中的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)通訊器件襯底，其特征在于，其中硅氧烷化合物或硅氮烷化合物的黏結(jié)劑數(shù)量為0.03到0.2質(zhì)量％。
7.一種通過將一個(gè)具有正熱膨脹系數(shù)的光學(xué)元件固定到如權(quán)利要求1到6的任何一項(xiàng)所述的光學(xué)通訊器件襯底上所獲得的光學(xué)通訊器件。
8.如權(quán)利要求7所述的光學(xué)通訊器件，其特征在于，其中具有正熱膨脹系數(shù)的的光學(xué)元件用一種聚合物黏結(jié)劑固定到光學(xué)器件襯底上。
9.如權(quán)利要求8所述的光學(xué)通訊器件，其特征在于，其中聚合物黏結(jié)劑是一種從環(huán)氧樹脂，硅酮樹脂和丙烯酸樹脂中選擇的黏結(jié)劑類型。
全文摘要
一種光學(xué)通訊器件襯底用陶瓷或玻璃陶瓷制成，該襯底在－40到100℃的溫度范圍中有在－10到－120×10
文檔編號C03C17/28GK1539088SQ02815590
公開日2004年10月20日 申請日期2002年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月7日
發(fā)明者吉原聰, 俁野高宏, 坂本明彥, 淺井光雄, 上原仁, 宏, 彥, 雄 申請人:日本電氣硝子株式會社