JP2004026580A

JP2004026580A - 着色ガラス

Info

Publication number: JP2004026580A
Application number: JP2002186216A
Authority: JP
Inventors: Nobuya Kuriyama; 栗山　延也
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】作製時に高温下で長時間の加熱を必要とせず、またガラスとした後も加工性が良く、視認性にも優れたＷＤＭ光フィルター用ガラスを提供する。
【解決手段】表面にバンドパス用多層膜を形成するＷＤＭ光フィルター用ガラスであって、重量％で表して、そのガラス組成が、ＳｉＯ_２、３５〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３、０〜２０％、Ｂ_２Ｏ_３、０〜１０％、ＴｉＯ_２、１〜３５％、ＣｅＯ_２、１〜１５％、Ｌｉ_２Ｏ、０〜１０％、Ｎａ_２Ｏ、５〜２５％、Ｋ_２Ｏ、０〜２０％の範囲の５０〜１５０℃における平均熱膨張係数が１００〜１３０×１０^−７／℃、ヤング率が７５ＧＰａ以上、可視領域に光の吸収端を有し、波長１３００ｎｍにおける板厚１ｍｍ当たりの内部透過率が９０％以上であることを特徴とするＷＤＭ光フィルター用ガラス。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野における光の波長分割多重化（Ｗａｖｅ−ｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）に使用される、特定の波長域のみを通過させるＷＤＭ光フィルター材料としてのＷＤＭ光フィルター用ガラスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光フィルターと称されるものには、特定の波長をカットするもの、透過させるもの、光の透過を落とすものなどがある。前者の光フィルターには、特定の波長のみを透過するバンドパスフィルター、特定の波長のみをカットするノッチパスフィルター、特定の波長よりも短波長側の波だけを透過するローパスフィルター、特定の波長よりも長波長側の波だけを透過するハイパスフィルターなどがある。後者の光フィルターには、ＮＤフィルターなどが代表的である。
【０００３】
波長多重光通信では、波長が僅かに異なる光を合波したり、逆に、複数の波長成分を含んだ光から特定波長光を選択的に取り出すために分波することが行われ、バンドパスフィルターが用いられている。
【０００４】
このような波長分割多重化（ＷＤＭ）システムの発展に伴うナローバンドパスフィルターは、ＷＤＭ光フィルターと呼ばれ、特開平１０−３３９８２５号公報、特表平１０−５１２９７５号公報にて開示されており、その構成は、石英基板上に、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５などからなる誘電体多層膜を形成したものである。
【０００５】
波長分割多重化（ＷＤＭ）システムの高精度化により、従来よりも高密度な波長多重光通信を行うために、ＷＤＭ光フィルターの透過波長のバンド幅を狭くすることが求められている。透過波長のバンド幅を狭くすると、バンドの中心波長のも狭くなることから、わずかな温度変動による波長中心のずれも大きく影響することになる。このため、ＷＤＭ光フィルター部材の使用温度の変動による屈折率変動を回避し、波長の温度シフトをゼロに近づけることが要求されている。
【０００６】
温度シフトは、ガラスと誘電体多層膜の熱膨張係数に依存することが知られている。温度シフトをゼロに近づける方法として、ガラスの熱膨張係数と誘電体多層膜の熱膨張係数との差を考慮したガラスが特開２００１−８９１８４号公報、特開２００１−４８５８４号公報および特開２００１−６６４２５号公報等にて開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−６６４２５号公報、特開２００１−８９１８４号公報に記載された、ガラス組成のガラスは脆く、ダイヤモンドカッターでダイシング加工しチップに切り出す際に端部がかけ、歩留が悪いという問題があった。
【０００８】
また、特開２００１−４８５８４号公報においてはガラスセラミックス、即ち、結晶化ガラスが用いられているが、結晶化工程が必要で、その際には長時間の加熱処理を要することから、コスト高になるという問題があった。さらには、最終的に用いられるフィルターチップは、例えば、その寸法が１ｍｍ角程度と小さくかつ無色透明なので、視認性もしくは識別性にも問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解決するために、本発明者が、ＷＤＭ光フィルター用に好適な物性値を有し、ガラス作製時における高温下での長時間の加熱処理を必要とせず、ガラスとした後も加工性がよく、さらには視認性もしくは識別性が良好で光の伝播特性も良好なガラスについて鋭意検討し、本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスを完成させるに至った。
【００１０】
即ち、本発明は、表面にバンドパス用光多層膜を形成するＷＤＭ光フィルター用ガラスであって、重量％で表して、そのガラス組成が、ＳｉＯ_２、３５〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３、０〜２０％、Ｂ_２Ｏ_３、０〜１０％、ＴｉＯ_２、１〜３５％、ＣｅＯ_２、１〜１５％、Ｌｉ_２Ｏ、０〜１０％、Ｎａ_２Ｏ、５〜２５％、Ｋ_２Ｏ、０〜２０％の範囲のＷＤＭ光フィルター用着色ガラスである。
【００１１】
更に、本発明は、上記のＷＤＭ光フィルター用ガラスであって、５０〜１５０℃における平均熱膨張係数が１００〜１３０×１０^−７／℃、ヤング率が７５ＧＰａ以上、可視領域に光の吸収端を有し、波長１３００ｎｍにおける板厚１ｍｍ当たりの内部透過率が９０％以上であることを特徴とするＷＤＭ光フィルター用着色ガラスである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ＷＤＭ光フィルター用ガラスにおける熱膨張係数については、最適な範囲が存在することが知られている。すなわち、熱膨張係数が小さい場合は、光学多層膜に十分な圧縮応力をかけることができず、フィルターの中心波長の温度シフトは正の方向に大きくなる。また、熱膨張係数が大きい場合は、温度シフトが負の方向に大きくなり、多層膜が剥離してしまうなどの問題が生じる。
【００１３】
本発明者が、蒸着法によりＳｉＯ_２／Ｔａ_２Ｏ_５系の３キャビティーバンドパスフィルターを作製し、確認したところ、５０〜１５０℃における好ましい平均熱膨張係数は１００〜１３０×１０^−７／℃であることがわかった。当該範囲内であれば多層膜に適度な圧縮応力をかけることができ、成膜方法にもよるが、フィルタ特性の温度依存性を限りなくゼロに近づけることができる。よって、本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスの好ましい平均熱膨張係数は、５０〜１５０℃において１００〜１３０×１０^−７／℃である。
【００１４】
ヤング率については、いわゆる強度とも密接に関係し、一般的にヤング率が高くなると材料の強度は高くなる傾向にある。本発明者が、実際に多層膜を形成したヤング率が異なる複数の基板を同条件でダイシング加工し、得られたチップ端部の欠けの程度を評価したところ、ヤング率が７５ＧＰａ以上であれば、多層膜成膜時のガラスの欠けを許容範囲内に抑制できることを見いだすに至った。よって、本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスの好ましいヤング率は、切削・ダイシング加工時の作業温度下において、７５ＧＰａ以上である。
【００１５】
本発明において、本発明者が、必須成分にＳｉＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、付加的成分にＡｌ_２Ｏ_３、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏを用いたガラスを、各々の成分のガラス組成を調整しつつガラスを作製し、５０〜１５０℃における平均熱膨張係数が１００〜１３０×１０^−７／℃、作業温度におけるヤング率が７５ＧＰａであるＷＤＭ光フィルター用着色ガラスを得、本発明を完成させるに至った。
【００１６】
前記各成分の役割およびガラス組成について、以下詳細に説明する。
【００１７】
ＳｉＯ_２は、ガラスの骨格を形成するためにガラスに導入する、本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスの必須成分である。ＳｉＯ_２のガラス組成が３５ｗｔ％未満では、ガラス状態が不安定となり失透などが生じやすく、安定したガラスとならない。一方、５５ｗｔ％を越えると、熱膨張係数が低くなりすぎる。
【００１８】
Ａｌ_２Ｏ_３は、ガラス状態を安定化させる効果があるとともに、熱膨張係数およびヤング率の調整をガラス組成の加減で行うためにガラスに導入される、本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスの付加的成分である。但し、ガラス組成が２０ｗｔ％を越えると、熱膨張係数が低くなりすぎる。
【００１９】
Ｂ_２Ｏ_３は、熱膨張特性並びにヤング率を調整することを目的とし、１０ｗｔ％まで含有できる。１０ｗｔ％を越えると熱膨張係数が大きくなりすぎたり、ヤング率が低くなりすぎるおそれがある。
【００２０】
ＴｉＯ_２は、ガラスに好適な熱膨張係数を与え、且つヤング率を向上させるためにガラスに導入する本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスの必須成分である。同時に、ＣｅＯ_２との共存により、可視部に強い吸収を与える。ガラス組成が１ｗｔ％未満では、ガラスに好適な熱膨張係数を与え、且つヤング率を向上させる効果が得られない。一方、３５ｗｔ％を越えるとＳｉＯ_２との量比によってはガラスを形成しなくなる。ガラスを形成した場合でも、熱膨張係数が小さくなりすぎる傾向にある。
【００２１】
ＣｅＯ_２は、熱膨張係数の調整、ヤング率の向上もしくはＴｉイオンとの相互作用により３価のＴｉイオンを生成させてガラスを赤褐色に着色するために、必須成分としてガラスに導入する。但し、１ｗｔ％未満ではその効果が得られない。ガラス組成が１５ｗｔ％を越えると、他の成分との含量比によっては、ガラス状態が形成されなくなる。よって、ＣｅＯ_２の好ましいガラス組成範囲は１〜１５ｗｔ％である。
【００２２】
Ｌｉ_２Ｏは、熱膨張係数やヤング率の調整のために導入する、本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスの付加的成分である。１０ｗｔ％をこえると、ガラスが不安定になり、失透などを発生しやすくなる。よって、Ｌｉ_２Ｏの好ましいガラス組成範囲は０〜１０ｗｔ％である。
【００２３】
Ｎａ_２Ｏは、熱膨張係数を高くするためにガラスに導入する、本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスの必須成分である。ガラス組成が５ｗｔ％未満では、ガラスの熱膨張係数を高くする効果は得られない。一方、２５ｗｔ％を越えるとガラス状態が不安定になり、失透しやすいとともに、耐水性が損なわれヤケが発生しやすい。よって、Ｎａ_２Ｏの好ましいガラス組成範囲は５〜２５ｗｔ％である。
【００２４】
Ｋ_２Ｏは、熱膨張係数を高くするためにガラスに導入する、本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスの付加的成分である。ガラス組成が２０ｗｔ％を越えると耐水性が損なわれる。よって、Ｋ_２Ｏの好ましいガラス組成範囲は０〜２０ｗｔ％である。
【００２５】
アルカリ土類金属の酸化物であるＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ成分は、熱膨張係数の調整のためにガラスに導入することができる。本ガラス組成の場合、目的を損なわない範囲で含有は５％まで可能である。
【００２６】
熱膨張係数については、請求の範囲内であれば多層膜に適度な圧縮応力をかけることにより、フィルタ特性の温度依存性をゼロに近づけることができる。
【００２７】
ヤング率については、７５ＧＰａ以上であれば、多層膜成膜時の基板の欠けを許容範囲内に抑制できる。
【００２８】
ガラスの光透過特性については、波長１３００ｎｍを超えた波長領域、特に波長１５００ｎｍを超えた波長領域での透過率低下は、光通信の伝搬特性に悪影響を及ぼすので、板厚１ｍｍにおける波長１３００ｎｍでの内部透過率が９０％以上であることが必要である。一般的に、波長１３００ｎｍを超える波長域では光透過率が高い程、ＷＤＭ光フィルター用ガラスとして良好な光通信の伝搬特性が得られ、好ましくは９５％以上、さらに好ましくは９９％以上である。
【００２９】
しかし、波長が１３００ｎｍ以下であれば、着色していても光通信に用いられる透過帯域には影響しないし、むしろ、ノイズとなる光を透過しないという利点を有する。なお、この着色はＴｉ−Ｃｅイオンの存在によるものである。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例をあげて本発明を説明する。ガラスの各成分の原料にそれぞれ相当する酸化物、炭酸塩、硝酸塩等を使用し、得られるガラスが表１の実施例１〜７、表２の比較例１〜９に記載した組成となるように、所定の割合で秤量し混合した。
【００３１】
混合した前記原料を、容量２０００ｍｌ、ロジウム１０ｗｔ％を含有した白金製の坩堝に入れて、１４００℃に昇温した電気炉内で、５時間溶融させた後、グラファイト製の型枠内に流しだし、予めガラス転移点付近に保持した電気炉内に投入し、２時間保持した後、室温まで冷却することで、厚さ、３０ｍｍ、サイズ２００ｍｍ×３００ｍｍのガラスブロックを得た。
【００３２】
次いで、ガラスブロックを薄くスライスした後、円筒状に研削し、更に両面を研磨し、片方の研磨面にＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２を交互に堆積させて誘電体多層膜を得た。誘電体多層膜および反射防止膜の作製方法としては、例えば、ＲＦイオンプレーティング法、マグネトロンスパッタリング法、プラズマイオンプレーティング法、蒸着法等があるが、本例では蒸着法により行った。その後、成膜していない側から、厚み１ｍｍになるまで研削・研磨し、さらに、多層膜と反対側の研磨面に反射防止膜を成膜した。
【００３３】
次いで、金属円盤にダイヤモンド粉を付着させたダイヤモンドカッターを回転させつつ、誘電体多層膜を成膜したガラス基板に非成膜面側から当てる、いわゆるダイシング加工により、厚さ、１ｍｍ、サイズ、１．５ｍｍ角のチップに切り出しを行った。
【００３４】
このようにして作製したガラスについて、熱膨張係数、ヤング率、視認性および透過率について測定した。熱膨張係数は、温度範囲を５０℃から１５０℃とし、シリカガラスを標準試料とした示差熱膨張計により測定した。ヤング率は５ＭＨｚのトランスデューサーを用いた超音波パルス法（シングアラウンド法）により、室温で測定した。また、視認性は、チップの位置確認が簡単にできるか否かから判断した。すなわち、誘電体多層膜および反射防止膜と同様に表面処理した３０ｍｍ×３０ｍｍのガラス板にの上にチップを置き、その位置を瞬時に確認できたものを○、確認できなかったものを×とした。なお、着色ガラスの場合、その色調も重要であるので、カッコの中にその色調も参考として明記した。透過率については、自記分光光度計（日立製作所製、Ｕ４０００型）を用い、日本光学硝子工業会規格（ＪＯＧＩＳ１７−８２）に準じて、板厚１ｍｍ当たりの波長１３００ｎｍの透過率（Ｔ_{ｉ１３００}）を測定した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１は、本発明のＷＤＭ光フィルターに関わり、その組成物および各組成物のガラス組成が、重量％で表して、実施例１〜７のガラスの組成物、重量％で表したそのガラス組成、５０〜１５０℃における平均熱膨張係数（α_{５０−１５０}）、ヤング率の評価結果を示したものである。また、実施例１のガラスにおける板厚１ｍｍ当たりの内部透過率曲線を図１に示す。他の実施例もほぼ同様の傾向を示した。なお、参考までに透明である市販の光学ガラスの値も併せて示した。
【００３７】
【表２】

【００３８】
表２は、前記組成および各含有物のガラス組成の範囲から外れた比較例１〜９のガラスの組成物、その重量％で表したガラス組成、５０〜１５０℃における平均熱膨張係数（α_{５０−１５０}）、ヤング率の評価結果を示したものである。物性値としては、５０〜１５０℃における平均熱膨張係数およびヤング率を用いた。
【００３９】
表１に示すように、　本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスの組成物を用い、各組成物のガラス組成を前記範囲とした実施例１〜５のガラスは、５０〜１５０℃における平均熱膨張係数が１００〜１３０×１０^−７／℃、ヤング率が７５ＧＰａ以上であることを全て満足した。
【００４０】
なお、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯから選ばれる少なくとも一種以上の酸化金属をガラス内に導入しても良い。
【００４１】
それに比較して、表２に示すように、各組成物のガラス組成が前記組成から外れた比較例１〜８のガラスは、５０〜１５０℃における平均熱膨張係数が１００〜１３０×１０^−７／℃、ヤング率が７５ＧＰａ以上あるいは視認性について満足しなかった。ここでは明記しなかったが、ガラス化しなかった場合には当然ながら透過率の評価はＮＧとなる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のＷＤＭ光フィルター用ガラスは、前述のガラス組成およびガラス物性の範囲に限定することで、満足できる性能を示した。また、結晶化ガラスではないので、長時間の加熱処理が必要なく価格が安く抑えられた。さらに、必要な熱膨張係数が容易に得られたことで多層膜成膜時に発生する応力による基板の反りを改善するとともに、ヤング率を適切化することでチップの加工性に優れ、さらに視認性にも優れたガラスである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１および一般的な光学ガラスの透過率曲線。

Claims

表面にバンドパスフィルタ用光学多層膜を形成するＷＤＭ光フィルター用ガラスであって、重量％で表して、そのガラス組成が、ＳｉＯ_２、３５〜５５％、Ａｌ_２Ｏ_３、０〜２０％、Ｂ_２Ｏ_３、０〜１０％、ＴｉＯ_２、１〜３５％、ＣｅＯ_２、１〜１５％、Ｌｉ_２Ｏ、０〜１０％、Ｎａ_２Ｏ、５〜２５％、Ｋ_２Ｏ、０〜２０％の範囲のＷＤＭ光フィルター用着色ガラス。
請求項１に記載のＷＤＭ光フィルター用ガラスであって、５０〜１５０℃における平均熱膨張係数が１００〜１３０×１０^−７／℃、ヤング率が７５ＧＰａ以上であることを特徴とするＷＤＭ光フィルター用着色ガラス。
請求項１に記載のＷＤＭ光フィルター用ガラスであって、可視領域に光の吸収端を有し、波長１３００ｎｍにおける板厚１ｍｍ当たりの内部透過率が９０％以上であることを特徴とするＷＤＭ光フィルター用着色ガラス。