DE60033742T2

DE60033742T2 - WDM optischer Filter und Glassubstrat für die Verwendung in einem WDM optischen Filter

Info

Publication number: DE60033742T2
Application number: DE60033742T
Authority: DE
Inventors: Robert W. Oakland Johnson; Hiroaki Hino-shi Yanagita; Kazuaki Hamura-shi Hashimoto
Original assignee: Hoya Corp; Hoya Corp USA
Current assignee: Hoya Corp; Hoya Corp USA
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2020-08-02
Also published as: EP1074519A3; JP3383942B2; ATE356093T1; JP2001089184A; SG114469A1; KR100462933B1; SG130036A1; US6465105B1; KR20010021187A; CN1269752C; JP3828817B2; EP1074519A2; CN1285667A; JP2004182598A; CA2314841C; CA2314841A1; EP1074519B1; JP2002321939A; TWI230146B; DE60033742D1

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Filter, das auf dem Gebiet der optischem Kommunikation zum Einsatz kommt, um einen Lichtstrahl mit einer spezifischen Wellenlänge aus Lichtkomponenten mit mehreren Wellenlängen auszuwählen. Ferner betrifft die Erfindung ein Glassubstrat für dieses optische Filter. Insbesondere betrifft die Erfindung ein optisches WDM-(Wellenlängenmultiplex-)Filter. Außerdem betrifft die Erfindung ein Glassubstrat zur Verwendung in einem solchen Filter.
Bei einer solchen WDM-(Wellenlängenmultiplex-)Kommunikation erfolgt die Kommunikation durch Kombinieren von Lichtstrahlen mit sich geringfügig voneinander unterscheidenden Wellenlängen zu einem kombinierten Lichtstrahl und umgekehrt durch Teilen oder Demultiplexen des kombinierten Lichtstrahls, um einen Lichtstrahl mit einer spezifischen Wellenlänge aus dem kombinierten Lichtstrahl selektiv abzuleiten. Zu beachten ist hierbei, daß das zur Lichtkombination und -trennung verwendete optische Filter als optisches WDM-(Wellenlängenmultiplex-)Filter bezeichnet wird. Als solches WDM-Filter gibt es bekannte optische WDM-Filter, die in der JP-A-H10-339825 und JP-A-H10-512975 beschrieben sind.
Jedes der in diesen Veröffentlichungen beschriebenen optischen Filter weist ein Glassubstrat mit einem darauf gebildeten dielektrischen Mehrschichtfilm aus SiO₂, TiO₂, Ta₂O₅ o. ä. auf. Ein solcher dielektrischer Mehrschichtfilm ist als Bandpaßfilter (BPF) einsetzbar, indem er eine Funktion hat, die einen Lichtstrahl mit spezieller Wellenlänge durchläßt oder die den Lichtstrahl mit der speziellen Wellenlänge reflektiert. In der Regel ist das Substrat, auf das der dielektrische Mehrschichtfilm abgeschieden ist, durch ein Glasmaterial, z. B. Siliciumoxid (Quarzglas), gebildet.
Weiterhin wurde berichtet, daß im optischen Filter dieser Art eine Mittenwellenlänge in einem Durchlaßband infolge von Temperaturänderung driftet. Zudem wird berichtet, daß eine solche Temperaturdrift von einem jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glassubstrats und des dielektrischen Mehrschichtfilms abhängt (Haruo Takahashi, Applied Optics, Vol. 34[4], Seiten 667–675, 1995).
In diesem Beitrag wird beschrieben, daß eine Mittenwellenlänge im Durchlaßband in positiver Richtung (d. h. längerer Wellenlängenrichtung) driftet oder verschoben wird, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glassubstrats kleiner als ein Bereich ist, der für thermische Eigenschaften der dielektrischen Mehrfachschicht, z. B. einen Ausdehnungskoeffizienten, bestimmt ist. Ist dagegen der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glassubstrats übermäßig groß, kommt es zur Drift der Mittenwellenlänge des Filters in negativer Richtung (kürzerer Wellenlängenrichtung).
Ist die Drift unerwünscht groß, variiert unvorteilhaft ein Filterkennwert, d. h. eine Durchlaßwellenlänge, infolge der Betriebstemperaturänderung. Insbesondere bei Verwendung des Bandpaßfilters als Schmalbandfilter, z. B. in einem optischen Multiplexer/Demultiplexer, der in einer Wellenlängenmultiplex-Übertragungstechnik der optischen Kommunikation zum Einsatz kommt, wird der Einfluß schwerwiegend, da eine solche Schmalbandbeschränkung zwangsläufig eine Übertragungsdichte begrenzt. Infolge eines zunehmenden Wellenmultiplexgrads besteht steigender Bedarf an einem optischen Filter mit stabilerer Charakteristik bei Temperaturänderung sowie an einem dieses verwendenden optischen Multiplexer/Demultiplexer. Zur thermische Stabilitätserhöhung wird eine Technik der Tempera tursteuerung des optischen Filters vorgeschlagen. Allerdings erfordert diese Technik einen komplizierten Aufbau. Daher steigt die Schwierigkeit bei der Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit, und die Bauelemente und Vorrichtungen werden teurer.
Wie zuvor beschrieben, stellt die Temperaturdrift der maximalen Bandpaßwellenlänge einen der Faktoren dar, die optische Kommunikation mit hoher Dichte behindern.
Zusätzlich sind herkömmliche optische Filter dahingehend nachteilig, daß es infolge von Temperaturänderung leicht zur Ablösung der Mehrfachschicht vom Glassubstrat kommt.
Unter Berücksichtigung dessen kam die Erfindung zustande, um eine Temperaturdrift bei einer Mittenwellenlänge eines Durchlaßbands zu reduzieren und dadurch die Ablösung der dielektrischen Mehrfachschicht zu vermeiden. Insbesondere besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein neues Glassubstrat bereitzustellen, das einen gewünschten Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine gewünschte Zusammensetzung hat. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein optisches Filter und einen optischen Multiplexer/Demultiplexer bereitzustellen, die beide hohe Zuverlässigkeit haben und die eine Temperaturdrift bei einer Mittenwellenlänge in einem Durchlaßband reduzieren können.
Als weitere Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Glas bereitzustellen, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der für ein Substratmaterial für ein optisches Wellenlängenmultiplex-/-demultiplexfilter geeignet ist. Erhalten läßt sich solches Glas durch Steuern einer Menge spezifischer Glaskomponenten.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung dient ein Glassubstrat zur Verwendung in einem optischen Wellenlängenmultiplex-/-demultiplexfilter und ist durch Glas gebildet, das SiO₂ aufweist und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwi schen 100 × 10^-7/K und 130 × 10^-7/K in einem Temperaturbereich zwischen –30 und +70 °C hat.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Glassubstrat für ein optisches Wellenlängenmultiplex-/-demultiplexfilter verwendet und ist durch Glas gebildet, das SiO₂, R₂O (wobei R ein Alkalimetallelement darstellt) und TiO₂ als wesentliche Komponenten aufweist und das über die wesentlichen Komponenten in einer Summe von mindestens 60 Mol-% verfügt.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Glassubstrat für das optische Wellenlängenmultiplex-/-demultiplexfilter durch Glas gebildet, das SiO₂, R₂O (wobei R ein Alkalimetallelement darstellt) und TiO₂ als wesentliche Komponenten aufweist, wobei jede Menge der wesentlichen Komponenten größer als eine Menge jeder der übrigen Komponenten mit Ausnahme der wesentlichen Komponenten ist.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung weist das im Zusammenhang mit dem jeweiligen ersten bis dritten Aspekt erwähnte Glas in Mol-% auf:

SiO₂ 38–58 %,

TiO₂ 7–30%,

Al₂O₃ 0–12 % und

R₂O insgesamt 15–40 %.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung weist das im Zusammenhang mit dem vierten Aspekt erwähnte Glas als R₂O in Mol-% auf:

Na₂O 10–25 % und

K₂O 4–15 %.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung weist das im Zusammenhang mit dem jeweiligen zweiten und dritten Aspekt der Erfindung erwähnte Glas in Mol-% auf:

SiO₂ 38–55 %,

Na₂O 13–25 %,

K₂O 2–15 %,

TiO₂ 10–25 % und

Al₂O₃ 0,5–8 %.
Gemäß einem siebenten Aspekt der Erfindung weist das im Zusammenhang mit dem zweiten bis sechsten Aspekt erwähnte Glas mindestens eine Spezies von Oxiden R'O auf, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Erdalkalimetalloxiden und Zinkoxid besteht.
Gemäß einem achten Aspekt der Erfindung weist das im siebenten Aspekt erwähnte Glas in Mol-% insgesamt zwischen 2 und 15 % R'O auf.
Gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung weist das im jeweiligen siebenten und achten Aspekt erwähnte Glas als R'O in Mol-% auf:

MgO 0–13 %,

CaO 0–10 %,

SrO 0–8 %,

BaO 0–6 % und

ZnO 0–10 %.
Gemäß einem zehnten Aspekt der Erfindung weist das im jeweiligen siebenten bis neunten Aspekt erwähnte Glas in Mol-% auf:

MgO 1–13

ZnO 0,5–10 % und

Sb₂O₃ 0–1 %
Gemäß einem elften Aspekt der Erfindung weist das im jeweiligen zweiten bis zehnten Aspekt erwähnte Glas in Mol-% auf:

ZrO₂ 0–2 %,

HfO₂ 0–2 %,

La₂O₃ 0–2 % und

Y₂O₃ 0–2 %.
Gemäß einem zwölften Aspekt der Erfindung hat das im jeweiligen zweiten bis elften Aspekt erwähnte Glas einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 100 × 10^-7/K und 130 × 10^-7/K in einem Temperaturbereich zwischen –30 und +70 °C.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt der Erfindung hat das im zwölften Aspekt erwähnte Glas einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 105 × 10^-7/K und 120 × 10^-7/K in einem Temperaturbereich zwischen –30 und +70 °C.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt der Erfindung hat das im jeweiligen ersten bis dreizehnten Aspekt erwähnte Glas eine Knoop-Härte von mindestens 455 MPa.
Gemäß einem fünfzehnten Aspekt der Erfindung hat das optische Wellenlängenmultiplex-/-demultiplexfilter ein im Zusammenhang mit dem jeweiligen ersten bis vierzehnten Aspekt erwähntes Glassubstrat und eine auf das Substrat abgeschiedene optische Mehrfachschicht.
Gemäß einem sechzehnten Aspekt der Erfindung hat das optische Filter eine Temperaturdrift zwischen –0,0025 nm/K und +0,0025 nm/K bei einer Mittenwellenlänge eines Durchlaßbands.
Gemäß einem siebzehnten Aspekt der Erfindung hat eine optische Wellenlängenmultiplex-/-demultiplexeinheit das im jeweiligen fünfzehnten und sechzehnten Aspekt erwähnte Filter.
Gemäß einem achtzehnten Aspekt der Erfindung dient ein Verfahren zur Herstellung von Glas, das in einem Glassubstrat eines optischen Filters verwendet wird. Das optische Filter hat eine optische Mehrfachschicht, die auf das Glassubstrat fest abgeschieden ist und die eine Bandpaßfilterfunktion hat. Das Verfahren weist den folgenden Schritt auf: Erhalten des Glases, das einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 100 × 10^-7/K und 130 × 10^-7/K in einem Temperaturbereich zwischen –30 und +70 °C hat, durch Steuern einer Menge von TiO₂ und Alkalimetalloxid RO als Glaskomponente.
Gemäß einem neunzehnten Aspekt der Erfindung stellt das im achtzehnten Aspekt erwähnte Verfahren die Menge von TiO₂ und RO unter Berücksichtigung eines nutzbaren Temperaturbe reichs des optischen Filters so ein, daß eine Temperaturdrift bei der Mittenwellenlänge im Durchlaßband der optischen Mehrfachschicht im nutzbaren Temperaturbereich minimal wird.
Im folgenden wird die Erfindung näher beschrieben.
Ein Glassubstrat wird zur Herstellung eines optischen Filters verwendet, indem auf einer Glassubstratoberfläche ein hochbrechender dielektrischer Film und ein niedrigbrechender dielektrischer Film nacheinander gestapelt werden und eine optische Mehrfachschicht gebildet wird, die eine Bandpaßfunktion, die eine spezifische Lichtwellenlänge im einfallenden Lichtstrahl durchläßt, mit Hilfe von optischer Interferenz hat.
Wie zuvor erwähnt, ist es notwendig, eine Temperaturdrift bei einer Mittenwellenlänge in einem Durchlaßband beim optischen Multiplexen/Demultiplexen zu reduzieren. Hierbei ist zu beachten, daß diese Bandpaßfunktion mit Hilfe der optischen Interferenz in der Mehrfachschicht realisiert sein kann. Dies bedeutet, daß eine Reduzierung einer Temperaturdrift die Schwankung zwischen optischen Längen in der Mehrfachschicht infolge einer Temperaturänderung verringern muß. Zu berücksichtigen ist, daß die Schwankung zwischen optischen Längen Ergebnis einer Änderung von Brechzahlen jedes zur Mehrfachschicht gehörenden Films und einer Änderung von Dikken der Filme ist.
Außerdem muß berücksichtigt werden, daß das Glassubstrat auch Wärmedehnung und -schrumpfung zusammen mit der Mehrfachschicht erfährt, d. h. einer optischen Mehrfachschicht, wenn das optische Filter einer Temperaturänderung ausgesetzt ist. Da die optische Mehrfachschicht auf die Glassubstratoberfläche fest abgeschieden ist, wird aus der vorstehenden Darstellung leicht verständlich, daß Wärmespannung auf die optische Mehrfachschicht infolge der Wärmedehnung oder -schrumpfung des Glassubstrats ausgeübt wird, wenn sich das Glassubstrat und die Mehrfachschicht in Wärmeausdehnungskoeffizienten von einander unterscheiden. Diese Wärmespannung führt zu einer geringfügigen Änderung der Dicke und der Brechzahl in der optischen Mehrfachschicht.
Hierbei wird angenommen, daß die Änderung der Dicke und der Brechzahl der optischen Mehrfachschicht, die infolge der Wärmespannung auftreten könnte, durch die Änderung der Dicke aufgehoben werden kann, die infolge der Wärmedehnung und -schrumpfung der optischen Mehrfachschicht auftreten könnte. In diesem Fall ist es möglich, die Änderung der optischen Längen in der optischen Mehrfachschicht zu reduzieren.
Wie später näher dargelegt wird, ermöglicht eine erfindungsgemäße praktische optische Mehrfachschicht, beide o. g. Änderungen aufzuheben und dadurch die Änderung der optischen Längen in der optischen Mehrfachschicht zu reduzieren. Insbesondere wurde in experimentellen Untersuchungen im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß die Temperaturdrift reduziert werden kann, indem ein mittlerer linearer Ausdehnungskoeffizient des Glassubstrats in einen Bereich zwischen 100 × 10^-7/K und 130 × 10^-7/K (vorzugsweise 105 × 10^-7/K und 120 × 10^-7/K) in einem Temperaturbereich zwischen –30 und +70 °C gebracht wird.
Wie zuvor erwähnt, kann man davon ausgehen, daß die Spannung zwischen dem Glassubstrat und einer Kontaktfläche der optischen Mehrfachschicht auftreten muß, um die Änderung der optischen Längen infolge der Temperaturänderung zu reduzieren. Allerdings ist das Substrat aus Glas weicher als die optische Mehrfachschicht, die als dielektrische Filme einsetzbar ist. Daher wird die optische Mehrfachschicht vom Glassubstrat abgelöst. Als Ergebnis ist es schwierig, hohe Zuverlässigkeit bei Verwendung des Glassubstrats zu erhalten.
Unter diesen Umständen besteht der erste Gesichtspunkt der Erfindung in einem Glassubstrat, das SiO₂ aufweist und das einen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 100 × 10^-7/K und 130 × 10^-7/K (vorzugsweise 105 × 10^-7/K und 120 × 10^-7/K) in einem Temperaturbereich zwischen –30 und +70 °C hat. Der auf diesen Bereich festgelegte mittlere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient ermöglicht, die Wärmedrift bei einer Mittenwellenlänge eines Durchlaßbands zu reduzieren. Außerdem dient die Aufnahme von SiO₂ zur Härtesteigerung des Glases und sorgt für ein Glassubstrat, das das Ablösen einer optischen Mehrfachschicht vom Glassubstrat verhindert.
Gemäß dem ersten Gesichtspunkt wird SiO₂ vorzugsweise zu einem Glasnetzwerkbildner. Ob SiO₂ der Glasnetzwerkbildner ist, läßt sich wie folgt beurteilen: Gehören zunächst keine anderen Komponenten wie B₂O₃, P₂O₅, die als Glasnetzwerkbildner einsetzbar sind, zum Glas, kann SiO₂ als Glasnetzwerkbildner beurteilt werden. Weist dagegen das Glas andere Glasnetzwerkbildner wie B₂O₃, P₂O₅ o. ä. auf, kann SiO₂ als Glasnetzwerkbildner beurteilt werden, wenn eine Menge von SiO₂ hinreichend größer als die der anderen Glasnetzwerkbildner ist, wobei sie z. B. doppelt so groß wie die Menge der zuletzt genannten sein kann.
Somit ist die Aufnahme von SiO₂ als Glasnetzwerkbildner hilfreich, um die Härte des Glassubstrats weiter zu erhöhen und zu verhindern, daß die optische Mehrfachschicht infolge der Temperaturänderung vom Glassubstrat abgelöst wird. Folglich läßt sich das Problem mit der Ablösung umgehen. Bezogen auf die Knoop-Härte hat das Glassubstrat vorzugsweise eine Härte von mindestens 455 MPa, vorzugsweise über 460 MPa und stärker bevorzugt über 500 MPa.
Ein zweiter Gesichtspunkt der Erfindung besteht in einem Glassubstrat, das einen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 100 × 10^-7/K und 130 × 10^-7/K, vorzugsweise zwischen 105 × 10^-7/K und 120 × 10^-7/K, und eine Zusammensetzung hat, die zum Erhalten einer gewünschten Härte geeignet ist.
Ein solches Glassubstrat kann durch Glas realisiert sein, das als wesentliche Komponenten SiO₂, R₂O (R: Alkalimetallelemente) und TiO₂ aufweist, wobei eine Gesamtmenge der wesentlichen Komponenten 60 Mol-% übersteigt. Alternativ kann das Glas als wesentliche Komponenten SiO₂, R₂O (R: Alkalimetallelemente) und TiO₂ aufweisen, und eine Gesamtmenge der wesentlichen Komponenten kann jede Menge der übrigen Komponenten mit Ausnahme der wesentlichen Komponenten übersteigen. Die Menge von R₂O zeigt eine Gesamtmenge der Alkalimetalloxide an.
Im folgenden wird das o. g. Glas als SiO₂-R₂O-TiO₂-Systemglas bezeichnet. Das Glassubstrat kann eine Knoop-Härte haben, die mindestens 455 MPa, vorzugsweise 460 MPa und stärker bevorzugt 500 MPa beträgt, was im Zusammenhang mit dem ersten Gesichtspunkt erwähnt wurde.
Im SiO₂-R₂O-TiO₂-Systemglas dient SiO₂ zum Härten des Glases selbst und zur Verbesserung des Witterungsbeständigkeitskennwerts des Glases. R₂O ist so einsetzbar, daß es den mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten steuert. Insbesondere dient R₂O zur Einstellung eines mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glases mit SiO₂-Einschluß auf einen gewünschten mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der in einen o. g. vorbestimmten Bereich fällt. TiO₂ dient zum Erhalten des gewünschten mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten im vorbestimmten Bereich und zur weiteren Verbesserung des Witterungsbeständigkeitskennwerts.
Mit diesem SiO₂-R₂O-TiO₂-Systemglas ist es möglich, den mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten im vorbestimmten Bereich bei einer Temperatur zwischen –30 und +70 °C unter Berücksichtigung einer auf das Glassubstrat abgeschiedenen optischen Mehrfachschicht genau abzustimmen. Eine solche Abstimmung kann durch Steuern eines Substitutionsgrads zwischen R₂O und TiO₂ durchgeführt werden. Beispielsweise wird der Substitutionsgrad zwischen R₂O und TiO₂ so eingestellt, daß die Temperaturdrift minimal (d. h. möglichst nahe null) in einem verfügbaren Temperaturbereich (z. B. Raumtemperatur) wird. Als Ergebnis kann der mittlere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Hierbei läßt sich der Substitutionsgrad zwischen R₂O und TiO₂ durch Messen jeder Menge von Rohmaterialien und durch Schmelzen des Glases steuern.
Zu beachten ist hierbei, daß das SiO₂-R₂O-TiO₂-Systemglas für einen Lichtstrahl transparent ist, der ein Wellenlängenband zwischen 1,3 und 1,6 μm hat, das zur optischen Kommunikation verwendet wird. Dies bedeutet, daß das o. g. Systemglas als optisches Glas eine hohe Güte hat.
Als nächstes werden Mengen von Glaskomponenten beschrieben, die zum SiO₂-R₂O-TiO₂-Systemglas gehören.
Was SiO₂ betrifft, so beeinträchtigen unter 38 Mol-% den Witterungsbeständigkeitskennwert und verringern die Härte des Glases. Folglich löst sich die optische Mehrfachschicht leicht vom Glassubstrat. Andererseits verringern mehr als 58 Mol-% SiO₂ den mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten unter den o. g. vorbestimmten Bereich und verstärken dadurch unvorteilhaft die Temperaturdrift. Unter Berücksichtigung dessen fällt die Menge von SiO₂ in einen Bereich zwischen 38 und 58 Mol-%, vorzugsweise zwischen 38 und 50 Mol-% und stärker bevorzugt zwischen 38 und 48 Mol-%. Der am stärksten bevorzugte Bereich von SiO₂ liegt zwischen 42 und 48 Mol-%.
Liegt im Hinblick auf das Alkalimetalloxid R₂O eine Gesamtmenge unter 15 Mol-%, ist es schwierig, die o. g. Ergebnisse zu erhalten. Andererseits beeinträchtigen mehr als 40 Mol-% R₂O leicht den Witterungsbeständigkeitskennwert des Glases. Daher kann die Gesamtmenge von R₂O auf einen Bereich zwischen 15 und 40 Mol-%, vorzugsweise zwischen 22 und 32 Mol-% beschränkt werden. Bevorzugt ist, daß das Alkalime talloxid R₂O Na₂O und/oder K₂O sein kann. Stärker bevorzugt können sowohl Na₂O als auch K₂O zum Glas gehören, und die Alkalimetalloxide können vorteilhaft nur aus Na₂O und K₂O bestehen. Vorzugsweise fällt die Menge von Na₂O in einen Bereich zwischen 10 und 25 Mol-%, stärker bevorzugt in einen Bereich zwischen 13 und 25 Mol-% und am stärksten bevorzugt in einen Bereich zwischen 15 und 22 Mol-%. Andererseits fällt die Menge von K₂O vorzugsweise in einen Bereich zwischen 2 und 15 Mol-%, stärker bevorzugt zwischen 4 und 15 Mol-%, noch stärker bevorzugt zwischen 6 und 15 Mol-% und am stärksten bevorzugt zwischen 6 und 10 Mol-%.
Bezüglich TiO₂ beeinträchtigen weniger als 7 Mol-% TiO₂ den Witterungsbeständigkeitskennwert und erschweren es, den mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten in den vorbestimmten Bereich zu bringen. Mehr als 30 Mol-% TiO₂ erschweren es, den mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erhalten, der in den vorbestimmten Bereich fällt. Daher fällt die Menge von TiO₂ in einen Bereich zwischen 7 und 30 Mol-%, vorzugsweise zwischen 10 und 25 Mol-%, stärker bevorzugt zwischen 10 und 22 Mol-% oder zwischen 12 und 22 Mol-% und am stärksten bevorzugt zwischen 12 und 20 Mol-%.
Obwohl Al₂O₃ dem SiO₂-R₂O-TiO₂-Systemglas als optionale Komponente zugegeben wird, dient es zur Verbesserung des Witterungsbeständigkeitskennwerts und zur Härtung des Glases. Gleichwohl erschweren mehr als 12 Mol-% Al₂O₃, den mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten im vorbestimmten Bereich zu erhalten. Unter diesen Umständen ist die Menge von Al₂O₃ auf einen Bereich zwischen 0 und 12 Mol-%, vorzugsweise zwischen 0,5 und 12 Mol-% oder vorzugsweise zwischen 0,5 und 8 Mol-% und stärker bevorzugt zwischen 1 und 8 Mol-% oder zwischen 2 und 8 Mol-% sowie am stärksten bevorzugt zwischen 2 und 6 Mol-% beschränkt.
Wie zuvor erwähnt, wird Al₂O₃ dem SiO₂-R₂O-TiO₂-Systemglas als optionale Komponente zugegeben, dient aber wie SiO₂ dazu, den Witterungsbeständigkeitskennwert zu verbessern und das Glas zu härten. Somit kann Al₂O₃ dem Glas als wesentliche Komponente zugegeben werden. In diesem Fall weist das Glas in Mol-% vorzugsweise auf:

SiO₂ 38–55 %,

Na₂O 13–25 %,

K₂O 2–15 %,

TiO₂ 10–25 % und

Al₂O₃ 0,5–8 %.
In dieser Glaszusammensetzung ist es unnötig, die Gesamtmenge von R₂O festzulegen. Gleichwohl kann die Gesamtmenge von R₂O auf einen Bereich zwischen 15 und 40 Mol-%, vorzugsweise zwischen 22 und 32 Mol-%, wie in der o. g. Glaszusammensetzung beschränkt werden.
Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt weist das Glas vorteilhaft neben den zuvor aufgeführten Komponenten mindestens ein Oxid auf, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Erdalkalimetalloxiden und Zinkoxid besteht. Unter anderem ist bevorzugt, daß das Glas MgO und ZnO aufweist. Solche Erdalkalimetalloxide und Zinkoxid verbessern eine Entglasungsbeständigkeitseigenschaft und eine Schmelzeigenschaft des Glases.
Somit reduziert die Aufnahme zweiwertiger Komponenten die Liquidustemperatur und erleichtert, das Glas herzustellen und zu formen. Außerdem härtet ZnO wirksam das Glas und verhindert das Ablösen der optischen Mehrfachschicht. Sind die Erdalkalimetalloxide oder das Zinkoxid vorhanden, ist bevorzugt, daß die Gesamtmenge der zweiwertigen Komponenten mindestens 2 Mol-% beträgt, um die o. g. Wirkungen zu realisieren, und höchstens 15 Mol-% beträgt, um nicht den Witterungsbeständigkeitskennwert zu beeinträchtigen.
Um die ausgezeichnete Entglasungsbeständigkeitseigenschaft zu realisieren und die Verringerung des Witterungsbeständigkeitskennwerts zu verweiden, kann das Glas in Mol-% aufweisen:

ZnO 0–10 %,

MgO 0–13 %,

CaO 0–10 %,

SrO 0–8 % und

BaO 0–6 %.
Stärker bevorzugt kann das Glas in Mol-% 1–13 % MgO und 0,5–10 % ZnO aufweisen.
Das o. g. SiO₂-R₂O-TiO₂-Systemglas kann ein Läuterungsmittel, z. B. Sb₂O₃, aufweisen, dessen Menge vorteilhaft auf einen Bereich zwischen 0 und 0,1 Mol-% beschränkt ist.
Zur Verbesserung des Witterungsbeständigkeitskennwerts kann das SiO₂-R₂O-TiO₂-Systemglas mindestens eines von Oxiden aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus ZrO₂, HfO₂, La₂O₃ und Y₂O₃ besteht. Eine Menge jeder Komponente, z. B. ZrO₂, HfO₂, La₂O₃ und Y₂O₃, kann vorteilhaft auf einen Bereich zwischen 0 und 1,2 Mol-% beschränkt sein, so daß der mittlere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient nicht kleiner als der vorbestimmte Bereich ist. Die Säurebeständigkeit wird hervorragend verbessert, wenn jede der o. g. Komponenten mit mehr als 0,2 Mol-% vorhanden ist.
Solange die Erfindung nicht von ihrem Zweck abweicht, können Oxide von z. B. Li, Lanthanid, Nb, Ta, W, B, Ga, In, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Te in einer Menge von mehreren Mol-% zugegeben sein. Eine solche Zugabe der Oxide hilft, eine Brechzahl von Glas, einen Glasübergangspunkt und die Bearbeitbarkeit einzustellen. Soweit die Aufgabe der Erfindung gelöst wird, können mehrere Prozent der Oxidkomponenten durch Fluorid statt der Oxidkomponenten im Glas ersetzt sein.
Allerdings wurde in den experimentellen Untersuchungen im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß die am stärksten bevorzugte Glaszusammensetzung durch eine Zusammensetzung aus SiO₂, Na₂O, K₂O, TiO₂, Al₂O₃, MgO, ZnO oder durch eine Zusammensetzung aus der o. g. Zusammensetzung und Sb₂O₃ festgelegt ist, das der Zusammensetzung als Läuterungsmittel zugegeben ist.
Das Glassubstrat gemäß dem ersten und zweiten Gesichtspunkt hat einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der eines typischen Glases, das allgemein verwendet wird. Auch wenn daher ein Metallmaterial, z. B. Kohlenstoffstahl (Wärmeausdehnungskoeffizient etwa 120 × 10^-7/K) und Edelstahl (Wärmeausdehnungskoeffizient etwa 110 × 10^-7/K), das in der Industrie breiten Einsatz findet, für ein Befestigungsteil verwendet wird, ist eine Wärmedehnungsdifferenz zwischen dem Glassubstrat und dem Befestigungsteil klein. Somit ist optische Verzerrung als Ergebnis von Spannung gering, die zwischen dem Glassubstrat und dem Befestigungsteil infolge von Temperaturänderung bewirkt wird. Was ein Kunststoffmaterial betrifft, erhält man einen ähnlichen Vorteil, da durch Auswahl des Polymerisationsgrads und eines Brückenbildners ein solches Material wie Polyethylen, Polystyrol und Polymethylmethacrylat zum Einsatz kommen kann, die in der Industrie breite Anwendung finden und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 90 und 150 × 10^-7/K haben.
Angenommen sei, daß eine optische Vorrichtung mit Hilfe einer optischen Einheit aufgebaut ist, die ein durch das SiO₂-R₂O-TiO₂-Systemglas gebildetes optisches Element hat und die an einem Befestigungsteil befestigt ist, das aus Kohlenstoffstahl, Edelstahl (Typ 410), Polyethylen, Polystyrol oder Polymethylmethacrylat gemäß der vorstehenden Darstellung hergestellt ist. Die optische Vorrichtung hat eine geringe optische Verzerrung bei Wärmeänderung und daher ausgezeichnete Stabilität. Zudem ist die Witterungsbeständigkeit ausgezeichnet, so daß sie in vielfältigen Arbeitsumgebungen verwendet werden kann.
Im folgenden wird das optische Filter der Erfindung beschrieben.
Zum Einsatz kommt das optische Filter der Erfindung für eine optische Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung zum Wellenlängenmultiplexen/-demultiplexen. Das optische Filter verfügt über das o. g. Glassubstrat und eine optische Mehrfachschicht, die auf dem Glassubstrat gebildet ist, indem nacheinander ein oder mehrere hochbrechende dielektrische Filme und ein oder mehrere niedrigbrechende dielektrische Filme abgeschieden und gestapelt werden. Die optische Mehrfachschicht hat eine Bandpaßfunktion als Ergebnis optischer Interferenz und kann eine Mittenwellenlänge in einem Durchlaßband durch Variieren ihrer Struktur und einer Brechzahl ändern.
Als Material für den hochbrechenden dielektrischen Film wird TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂, ZrO₂, CeO₂, Al₂O₃, Y₂O₃, ZnS, MgO, La₂O₃, CdS, Si o. ä. verwendet. Als Material für den niedrigbrechenden dielektrischen Film können SiO₂, MgF₂, ThF₄ verwendet werden. Ein bevorzugtes Material für den hochbrechenden dielektrischen Film kann Ta₂O₅, TiO₂ sein, während ein bevorzugtes Material für den niedrigbrechenden dielektrischen Film SiO₂ sein kann.
Die Temperaturdrift der Mittenwellenlänge im optischen Filter kann reduziert werden, indem der mittlere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient eines verwendeten Substratmaterials geeignet eingestellt wird. Unterdrücken läßt sich die Temperaturdrift der Mittenwellenlänge im Durchlaßband auf einen Bereich zwischen –0,0025 nm/K und +0,0025 nm/K durch Verwendung des Substrats, das einen richtigen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Bereich zwischen 100 × 10^-7/K und 130 × 10^-7/K hat, wenngleich dies von den Kennwerten des abzuscheidenden Films und den Abscheidungsbedingungen abhängt. Daher kann das optische Filter über einen breiten Temperaturbereich verwendet werden. Außerdem hat das Glassubstratmaterial einen ausgezeichneten Witterungsbeständigkeitskennwert und daher Vorteile, da kein Problem im Zusammenhang mit Oberflächenbeeinträchtigung auftritt, zu der es während eines Polierverfahrens u. ä. kommen könnte. Als Ergebnis ist das optische Filter in verschiedenen Arbeitsumgebungen verfügbar.
Hierbei sei angenommen, daß Wellenlängenmultiplexen/-demultiplexen in einem Wellenlängenband von 1,5 μm durchgeführt wird und daß ein Intervall zwischen Wellenlängenkomponenten nach Demultiplexen gleich 100 GHz wird (was einem Wellenlängenintervall von 0,8 nm entspricht). Außerdem sei angenommen, daß das optische Filter eine hohe Durchlaßbandbreite von 0,2 nm hat. Übersteigt unter diesen Umständen die Temperaturdrift 2,5 pm/K (0,0025 nm/K) und ändert sich eine Temperatur über einen Temperaturbereich von 100 Grad Celsius (z. B. –30 bis +70 °C), verschiebt sich eine optische Signalwellenlänge von der hochdurchlässigen Bandbreite zu einem undurchlässigen Bereich und kann nicht im Demultiplex behandelt werden. Damit tritt im optischen Filter ein Problem auf.
Zudem sei angenommen, daß das Intervall der im Multiplex und Demultiplex behandelten Wellenlängenkomponenten gleich 50 GHz ist (was einem Wellenlängenintervall von 0,4 nm entspricht). Soweit das optische Filter eine hochdurchlässige Bandbreite von etwa 0,1 nm hat, fällt die optische Signalwellenlänge wahrscheinlich in einen nicht durchlässigen Bereich, wenn die Temperaturdrift 0,5 pm/K übersteigt und eine Temperaturänderung von etwa 100 °C (z. B. –30 bis +70 °C) im optischen Filter auftritt. Dadurch kommt es auch in diesem Fall zu einem Problem.
Wie zuvor erwähnt, hat das erfindungsgemäße optische Filter eine Temperaturdrift zwischen –0,0025 nm/K und +0,0025 nm/K (vorzugsweise zwischen –0,0005 nm/K und +0,0005 nm/K). Daher ist es möglich zu verhindern, daß die optische Signalwellenlänge außerhalb der hochdurchlässigen Bandbreite in einem üblichen Temperaturänderungsbereich liegt, und eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen.
Da das im optischen Filter verwendete Glassubstrat eine Knoop-Härte von mindestens 455 MPa hat, läßt sich verhindern, daß sich die optische Mehrfachschicht infolge einer Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der optischen Mehrfachschicht und dem Glassubstrat ablöst, auch wenn die Temperaturänderung 100 °C übersteigt.
Erfindungsgemäß erhält man eine optische Demultiplexervorrichtung mit einem optischen Filter, einer optischen Faser, die einen im Wellenlängenmultiplex behandelten Lichtstrahl auf das optische Filter durch ein Lichtaustrittsende der optischen Faser führt, und optischen Fasern mit Einfallsenden, denen Lichtwellenlängenkomponenten durch eine optische Mehrfachschicht des optischen Filters zugeführt werden.
Erfindungsgemäß erhält man eine optische Multiplexervorrichtung mit einem optischen Filter, das eine optische Mehrfachschicht hat, mehreren optischen Fasern, die am optischen Filter angeordnet sind, um Wellenlängenkomponenten zu leiten, die durch die optische Mehrfachschicht durchgelassen oder reflektiert werden, und einer optischen Faser, die so positioniert ist, daß sie die durchgelassenen und reflektierten Wellenlängenkomponenten leitet und einen im Multiplex behandelten Lichtstrahl durch ein Eintrittsende der optischen Faser führt. Unter Berücksichtigung der Anzahl von Wellenlängen, die im Multiplex behandelt werden, können mehrere optische Filter verwendet werden, die sich in den Mittenwellenlängen der Durchlaßbänder voneinander unterscheiden und von denen jedes den Multiplex-/Demultiplexbetrieb individuell durchführt.
Die optische Multiplexervorrichtung und die optische Demultiplexervorrichtung (die beide gemeinsam oft als optische Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung bezeichnet werden) haben eine hohe Zuverlässigkeit auch in einer Umgebung mit starken Temperaturschwankungen, da das optische Filter mit der hohen Zuverlässigkeit zum Einsatz kommt.
1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Filters in einem Arbeitszustand.
2 ist eine schematische Darstellung einer Anwendung des optischen Multiplexers/Demultiplexers der Erfindung.
3 ist eine Ansicht der Verzerrungsmessung in einem Glas.
4 ist eine grafische Darstellung zur Beschreibung einer Beziehung zwischen einer Temperatur und einer Temperaturdrift bei einer Mittenwellenlänge eines optischen Filters, das in einem vierundzwanzigsten Beispiel dargestellt ist;
5 ist eine schematische Ansicht zur Beschreibung einer Struktur des optischen Filters gemäß dem vierundzwanzigsten Beispiel; und
6 ist eine grafische Darstellung zur Beschreibung einer Beziehung zwischen einer Temperaturdrift bei der Mittenwellenlänge des o. g. optischen Filters und einem mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei Glassubstrate gemäß einem ersten bis zweiundzwanzigsten Beispiel zum Einsatz kommen (die in Beispielen 1 bis 22 beschrieben werden).
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher beschrieben.
Beispiele 1–22
Tabelle 1 zeigt eine Zusammensetzung und einen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten über einen Temperaturbereich zwischen –30 und +70 °C in Verbindung mit jedem von Beispielen 1–22, das ein Glassubstrat für ein erfindungsgemäßes WDM-Filter hat. Der Gehalt jeder Komponente in der Tabelle ist in Mol-% dargestellt. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient ist in der Einheit 10^-7/K dargestellt. R'O repräsentiert eine Gesamtmenge oder einen Gehalt einer zweiwertigen Komponente.
Das Glas der Erfindung wurde wie folgt hergestellt: Als Material jeder Komponente kam Oxid, Carbonat, Nitrat o. ä. in Entsprechung zur Komponente zum Einsatz. Um die Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 zu erhalten, wurden die Materialien gewogen und ausreichend gemischt, um ein Glasrohmaterial herzustellen. Das Rohmaterial wurde in einen Platintiegel gegeben, bei einer Temperatur zwischen 1200 und 1450 °C mit Hilfe eines Elektroofens geschmolzen, gerührt, geläutert, homogenisiert, in eine geeignet vorgeheizte Form gegossen, verfestigt und allmählich abgekühlt.
Exemplarisch wird im folgenden das Glas mit der Zusammensetzung in Beispiel 1 beschrieben. Insbesondere wurden die gewogenen und ausreichend gemischten Materialien in den Platintiegel gegeben und zwei Stunden im vorab auf 1350 °C gehaltenen Elektroofen gemäß den o. g. Schritten geschmolzen.
In jedem Beispiel kann das Gemenge leicht geschmolzen und homogenisiert werden, und im hergestellten Glas wurde keine Entglasung beobachtet.
Das wie zuvor hergestellte Glas wurde in die Form eines Substrats mit einer Durchmessergröße von 30 mm und 1 mm Dicke gebracht und auf seinen beiden Oberflächen poliert. Dadurch wurde das Glassubstrat für ein WDM-Filter hergestellt.
Das Glas in jedem Beispiel hat einen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten über 100 × 10^-7/K. Hierbei ist zu beachten, daß der mittlere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient durch ein Wärmeausdehnungsmeßgerät vom Laserinterferometrietyp gemessen wurde, das einen Laserstrahl und optische Interferenz nutzt.
Jedes Glas wurde pulverisiert, in einen Platinkorb gegeben und in Reinwasser in einem Kolben eingetaucht. Nach einstündiger Behandlung in einem Siedewasserbad wurde die Gewichtsabnahme gemessen. Als Ergebnis betrug die Gewichtsabnahme höchstens 0,1 % für jedes Glas. Damit wurde bestätigt, daß die chemische Beständigkeit ausgezeichnet war.
Insbesondere wurde eine Glassubstratprobe bereitgestellt, die poliert war und eine Dicke von 1 mm hatte. Die Glassubstratprobe wurde mit einer dielektrischen Mehrfachschicht beschichtet, die durch abwechselndes Abscheiden von Ta₂O₅- und SiO₂-Filmen gebildet wurde. Ein solches Abscheidungsverfahren der dielektrischen Mehrfachschicht kann ein Verfahren sein, das gewöhnlich zum Abscheiden optischer Filme verwendet wird, und kann z. B. ein IAD-Verfahren (ionenunterstützte Abscheidung) o. ä. sein.
Im o. g. Beispiel wurde der Film aus Ta₂O₅ auf die Glassubstratoberfläche in einer Dicke von 24 μm abgeschieden, wodurch er mit dem Glassubstrat in Kontakt stand. Eine Prüfung mit hoher Temperatur/hoher Luftfeuchtigkeit wurde im Zusammenhang mit sowohl der beschichteten Oberfläche als auch einer nicht bedeckten Oberfläche des Glassubstrats bei einer Temperatur von 85 °C in einer Atmosphäre mit 85 % relativer Luftfeuchtigkeit 600 Stunden durchgeführt. Die Prüfung mit hoher Temperatur/hoher Luftfeuchtigkeit kann ein typisches Verfahren sein, das auf diesem technischen Gebiet verwendet wird. Nach dem Versuch wurden beide Oberflächen des Glassubstrats einer Prüfung mit bloßem Auge und einem Mikroskop unterzogen, um Reaktionen und die Beeinträchtigung auf den Oberflächen abzuschätzen. Als Ergebnis der Beobachtung wurden keine Flecken auf der unbedeckten Oberfläche der Glassub stratprobe wahrgenommen. Ebenso wurde keine Reaktion auf der mit der optischen Mehrfachschicht bedeckten Glasoberfläche beobachtet. Außerdem zeigte sich auch kein Ablösen der optischen Mehrfachschicht von der Glassubstratprobe.
Referenzbeispiel
Hergestellt wurde Fluorphosphatglas mit einer Zusammensetzung aus 20 % P₂O₅–20 % AlF₃–24 % CaF₂–20 % SrF₂–16 % BaO (Mol-%) und Alkalisilicatglas mit einer Zusammensetzung aus 30 % Na₂O–70 % SiO₂ (Mol-%). Die Schritte ähnelten den Beispielen 1 bis 22. Die Schmelztemperaturen betrugen 1050 °C beim Fluorphosphatglas und 1250 °C beim Alkalisilicatglas. Die mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten betrugen 125 × 10^-7/K beim Fluorphosphatglas und 112 × 10^-7/K beim Alkalisilicatglas.
Jedes Glas wurde pulverisiert, in einen Platinkorb gegeben und in Reinwasser in einem Kolben eingetaucht. Nach einstündiger Behandlung in einem Siedewasserbad wurde die Gewichtsabnahme gemessen. Als Ergebnis betrug die Gewichtsabnahme 0,25 % beim erstgenannten bzw. 5 % beim letztgenannten. Damit wurde bestätigt, daß sich die chemische Beständigkeit vom Glas im o. g. Beispiel unterschied.
Experimentelles Beispiel 23
Ein Glasblock mit der Zusammensetzung von Beispiel 5 wurde in eine Form mit den Maßen 1 × 1 × 1 cm gebracht und auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen poliert. Danach wurde der Glasblock in einer Spannvorrichtung gemäß 3 verspannt. Die Spannvorrichtung war aus SUS410 hergestellt (Wärmeausdehnungskoeffizient 110 × 10-7/K). Komponenten 1A, B und Komponenten 2A, B wurden mit Hilfe von Bolzen befestigt, die durch Löcher eingesetzt wurden, um das Glas einzuspannen. Jede der Komponenten 1A, B hat eine Größe von 1 × 2 × 2,5 cm, während jede der Komponenten 2A, B eine Größe von 1 × 1 × 1 cm hat.
Nach Einspannen des Glases durch die Spannvorrichtung wurde nach der Japanischen Industrienorm für optisches Glas "JOGIS 14-1975 Measuring Method for Strain of Optical Glass" bestätigt, daß bei Raumtemperatur (23 °C) keine Innenverformung auftrat. Anschließend wurden das Glas und die Spannvorrichtung auf –25 °C abgekühlt. Dadurch wurde Innenverformung im Glas verursacht und ähnlich bewertet. Als Ergebnis erhielt man eine Verformung von 1 nm. Damit wurde bestätigt, daß die Verformung, die durch Temperaturänderung ausgelöst wurde und sich aus der Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glas und der Spannvorrichtung ergab, sehr gering ist.
Vergleichsbeispiel 1
Ein optisches Borsilicatglas BK7 (SiO2, B2O3, Na2O und K2O mit 74 Mol-%, 9 Mol-%, 11 Mol-% bzw. 6 Mol-%) wurde in einer Größe von 1 × 1 × 1 cm geformt und auf zwei gegenüberliegenden Oberflächen poliert. Danach wurde das Glas ähnlich wie im Beispiel 23 durch die Spannvorrichtung gemäß 3 eingespannt, um verspannt zu sein. Das Glas hatte einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 75 × 10^-7/K. Ähnlich wie im Beispiel 23 wurden das Glas und die Spannvorrichtung abgekühlt. Dadurch wurde Verformung im Glas verursacht und ähnlich bewertet. Als Ergebnis erhielt man eine Verformung von 8 nm. Damit wurde bestätigt, daß eine große Verformung infolge der Temperaturänderung ausgelöst wurde.
Beispiel 24
Auf der Oberfläche jedes der Glassubstrate für ein WDM-Filter mit den Zusammensetzungen gemäß Tabelle 1 wurde ein 1,55-μm-Bandpaßfilter vom Fabry-Perot-Typ mit Hilfe von Ta₂O₅ und SiO₂ als hochbrechendes Material bzw. niedrigbrechendes Material gebildet. Die Filmstruktur war durch eine Kombination aus Glassubstrat/(HL)⁷/H²L(HL)⁷H/Luft gegeben, wobei H einen hochbrechenden dielektrischen Film und L einen niedrig brechenden dielektrischen Film bezeichnen. Daraus wird leicht verständlich, daß die o. g. Struktur zustande kam, indem nacheinander von der Glassubstratseite folgende Filme abgeschieden wurden: sieben Kombinationen aus abwechselnd abgeschiedenen H- und L-Filmen (insgesamt vierzehn Filme), zwei H-Filme auf den o. g. sieben Kombinationen, ein einzelner L-Film auf den beiden H-Filmen, sieben Kombinationen aus abwechselnden H- und L-Filmen auf dem einzelnen L-Film sowie ein einzelner H-Film auf den sieben Kombinationen. Hierbei war jeder der niedrigbrechenden dielektrischen Filme aus SiO₂ als Ausgangsmaterial gebildet, während jeder der hochbrechenden dielektrischen Filme aus Ta₂O₅ als Ausgangsmaterial gebildet war. Die Substrattemperatur betrug 350 °C.
Gemessen wurde die Temperaturabhängigkeit der Mittenwellenlänge des optischen Filters bei einer Temperatur zwischen –20 und +40 °C. Für das Glas mit der Zusammensetzung von Beispiel 10 wurde ein Wert von +0,0002 nm/K erhalten. Damit wurde bestätigt, daß die Wärmestabilität ausgezeichnet war. Die Gläser mit den anderen Zusammensetzungen wurden ähnlich bewertet. Gemäß der letzten Spalte in Tabelle 1 wurden Werte zwischen –0,0008 nm/K und +0,0020 nm/K erhalten. Damit wurde bestätigt, daß die Wärmestabilität ausgezeichnet war.
Hierbei ist zu beachten, daß die Durchlässigkeits- und Reflexionskennwerte im Hinblick auf einen einfallenden Lichtstrahl anhand der Brechzahlen und Dicken der jeweiligen Filme in der Filmstruktur berechnet werden können und von der Wellenlänge und Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahls abhängen. Jeder Film in der Filmstruktur, also der Mehrfachschicht, hat eine optische Dicke, die gewöhnlich gleich einem Viertel der Wellenlänge (λ/4) oder einem ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge (λ/4) ist. Das hochbrechende Material kann z. B. TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂, ZrO₂, CeO₂, Al₂O₃, Y₂O₃, ZnS, MgO, La₂O₃, CdS und Si sein, während das niedrigbrechende Material z. B. SiO₂, MgF₂, ThF₄ sein kann.
Eine solche optische Mehrfachschicht bildet ein Interferenzfilter vom Fabry-Perot-Typ und hat eine hohe Durchlässigkeit in einem schmalen Wellenlängenbereich sowie einen hohen Reflexionskennwert in einem Wellenlängenbereich nahe dem schmalen Wellenlängenbereich, um Lichtstrahlen im nahen Wellenlängenbereich zurückzuweisen. Dadurch ist das optische Filter, das diese optische Mehrfachschicht besitzt, als optisches WDM-Filter geeignet verfügbar.
Beispiel 25
Bereitgestellt wurde ein Glassubstrat, das einen Durchmesser von 50 mm und eine Dicke von 12 mm sowie eine Zusammensetzung aus 46,5 Mol-% SiO₂, 3,3 Mol-% Al₂O₃, 19,6 Mol-% Na₂O, 7,0 Mol-% K₂O, 16,6 Mol-% TiO₂, 5,2 Mol-% MgO und 1,8 Mol-% ZnO hatte. Das Glassubstrat wurde auf seinen beiden Oberflächen poliert. Danach wurde eine optische Mehrfachschicht, die ein 50-GHz-Fabry-Perot-Interferenzfilter mit einem Durchlaßband von 1544 nm bildete, auf eine der Oberflächen abgeschieden. In diesem 50-GHz-WDM-Übertragungssystem betrug ein Intervall zwischen hochdurchlässigen Bändern (d. h. das Intervall zwischen den Mittenfrequenzen der Durchlaßbänder) 50 GHz oder 0,4 nm. Insbesondere wurde die optische Mehrfachschicht in einer Gesamtdicke zwischen 30 μm und 40 μm abgeschieden und aus abwechselnden Stapeln von Ta₂O₅- und SiO₂-Filmen gebildet, deren Anzahl 100 Filme überstieg. Nach Abscheiden der optischen Mehrfachschicht wurde das Glassubstrat von der Seite der nicht bedeckten Oberfläche aus auf eine Dicke von 1 mm dünngeätzt, um eine Rückfläche freizulegen, die optisch poliert wurde. Auf die durch das optische Polieren freigelegte Rückfläche wurde eine Antireflexionsbeschichtung aufgebracht. Danach wurde das so bearbeitete Glassubstrat in mehrere Stücke geschnitten, die jeweils eine typische Größe von 1,4 mm × 1,4 mm auf diesem technischen Gebiet hatten und als optische Filter einsetzbar waren. Jedes der optischen Filter wurde im Hinblick auf Temperaturstabili tät bei der Mittenwellenlänge des Durchlaßbands eingeschätzt, die man als Durchlaßmittenwellenlänge bezeichnen kann.
In 4 ist eine Änderung der Durchlaßmittenwellenlänge in einem Temperaturbereich zwischen 0 und 60 °C dargestellt. Zu beachten ist, daß dieser Temperaturbereich zur Einschätzung von Filterkennwerten sehr wichtig ist. Gemäß 4 wurde eine negative Temperaturdrift bei einer Temperatur von höchstens 25 °C beobachtet, während eine positive Temperaturdrift bei einer Temperatur über 25 °C, d. h. mindestens 30 °C, beobachtet wurde. Allerdings wurde festgestellt, daß solche Temperaturdriften extrem klein sind, was aus 4 leicht hervorgeht. Unter Berücksichtigung dessen läßt sich schlußfolgern, daß eine mittlere Temperaturdrift im veranschaulichten Temperaturbereich sehr klein ist und daß die Temperaturdrift bei einer Temperatur benachbart zu einem Temperaturbereich als null betrachtet werden kann, der von der negativen Temperaturdrift zur positiven Temperaturdrift wechselt. Bestimmt man diese Temperatur als verfügbare Haupttemperatur (Raumtemperatur), kann ein extrem stabiler Temperaturkennwert in einer üblichen Arbeitsumgebung (Umgebung mit nicht so hoher Temperatur) hergestellt werden.
Wie zuvor erwähnt, ist zu beachten, daß die Temperaturdrift bei Raumtemperatur im wesentlichen auf null gebracht werden kann, indem die jeweilige Menge von R₂O und TiO₂ im Glassubstrat eingestellt wird.
Die Temperaturdrift gemäß 4 wird in einem vergleichsweise schmalen Temperaturgebiet benachbart zur Raumtemperatur gemessen. Gleichwohl wurde nachgewiesen, daß eine mittlere Temperaturdrift –0,0004 nm/K im Temperaturbereich zwischen –20 °C und +40 °C betrug, wenn die Abschätzung ähnlich wie im Beispiel 24 durchgeführt wurde. Das Glas des optischen Filters hatte einen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 112,5 × 10^-7/K im Temperaturbereich zwischen –30 °C und +70 °C.
Gemäß 5 hat das optische WDM-Filter ein Glassubstrat und einen Stapel aus Ta₂O₅- und SiO₂-Filmen, die abwechselnd auf das Glassubstrat abgeschieden sind. Im dargestellten Beispiel steht der Ta₂O₅-Film wie zuvor erwähnt in Kontakt mit dem Glassubstrat, und die Ta₂O₅-Filme sowie die SiO₂-Filme sind in der Zeichnung teilweise weggelassen.
In 6 sind ein mittlerer linearer Wärmeausdehnungskoeffizient und eine Temperaturdrift bei der Durchlaßmittenwellenlänge auf der Abszisse bzw. Ordinate aufgetragen. Hierbei ist das optische Filter mit Hilfe jedes Glassubstrats strukturiert, das als Beispiele 1 bis 22 aufgeführt ist, und eine Beziehung zwischen dem mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Temperaturdrift ist für jedes optische Filter dargestellt.
Vergleichsbeispiel 2
Auf ähnliche Weise wie im Beispiel 24 wurde ein Bandpaßfilter mit Hilfe eines optischen Borsilicatglases BK7 als Substratglas hergestellt.
Ähnlich wie im Beispiel 24 wurde die Temperaturabhängigkeit der maximalen Wellenlänge gemessen. Als Ergebnis wurde ein Wert von 0,0055 nm/K erhalten. Damit wurde bestätigt, daß die Wärmestabilität verglichen mit dem Filter der Erfindung schlecht war.
Beispiel 26
Im folgenden wird eine Ausführungsform gemäß dem optischen WDM-Filter der Erfindung beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines Betriebs zum optischen Multiplexen/Demultiplexen, der durch einen optischen Multiplexer/Demultiplexer durchgeführt wird.
Auf dem Glassubstrat, das durch Glas gebildet ist, das aus den Beispielen 1 bis 22 ausgewählt ist, ist ein dielektrischer Mehrschichtfilm abgeschieden, um optische Filter (4A, 4B, 4C) herzustellen, die Durchlaßwellenlängen λ1, λ2 bzw. λ3 haben und andere Wellenlängen reflektieren. Signallicht, das sich aus den Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 zusammensetzt, wird diesen Filtern zugeführt. Danach wird das Signallicht nach Durchlaufen der Filter in die Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 aufgeteilt oder im Demultiplex behandelt. Somit dient diese Struktur als Bauelement zum Teilen oder Demultiplexen von Licht mit mehreren Wellenlängen in einzelne Wellenlängen. Bei umgekehrter Lichtlaufrichtung gegenüber der zeichnerischen Darstellung dient die Struktur als Bauelement zum gemeinsamen Multiplexen oder Kombinieren der Wellenlängen λ1, λ2 und λ3.
Als nächstes zeigt 2 eine schematische Darstellung zur Beschreibung eines optischen Multiplexers/Demultiplexers (Kombinierers/Teilers) zum Demultiplexen oder Teilen jeder Wellenlängenkomponente aus einem Signallichtstrahl mit vier Wellenlängenkomponenten.
Darstellungsgemäß erhält man einen optischen Demultiplexer oder Teiler durch Herstellen optischer Filter (5A, 5B, 5C, 5D), die mit Hilfe von Glas gebildet sind, das aus den Beispielen 1 bis 22 ausgewählt ist, und durch Befestigen jedes optischen Filters an einem Basisteil 6, das für ein Signallichtwellenband durchlässig ist. Diese Filter haben Durchlaßwellenlängen λ1, λ2, λ3 bzw. λ4. Von einer Monomodenfaser (SMF) 9 abgestrahltes Signallicht (Wellenlängen: λ1, λ2, λ3, λ4) wird durch eine Linse 8 kollimiert und fällt auf die in der Zeichnung dargestellte optische Demultiplexer- oder Teilervorrichtung. Das Licht mit der Wellenlänge λ1 wird durch das optische Filter 5A durchgelassen, durch eine Linse 7A in eine SMF 10A eingekoppelt und aus einem Kanal A abgestrahlt. Das Licht mit der Wellenlänge λ2, das Licht mit der Wellenlänge λ3 und das Licht mit der Wellenlänge λ4 werden durch das optische Filter 5A reflektiert, um darstellungsge mäß auf das optische Filter 5B zu fallen. Am optischen Filter 5B wird das Licht mit der Wellenlänge λ2 geteilt oder im Demultiplex behandelt, um von einem Kanal B ähnlich wie zuvor beschrieben emittiert zu werden. Ebenso werden das λ3-Licht und das λ4-Licht von Kanälen C bzw. D abgestrahlt.
Bei der Wellenlängenmultiplexübertragung sei angenommen, daß die optische Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung eine Monomodenfaser (SMF) 9 hat, die auf einer Sendeseite angeordnet ist, und Monomodenfasern (SMFs) 10A–D, die auf einer Empfangsseite angeordnet sind. Unter diesen Umständen dient die Vorrichtung als optische Demultiplexvorrichtung zum Demultiplexen eines einzelnen Lichtstrahls in mehrere Wellenlängen. Bei Umkehr der Lichtlaufrichtung gegenüber der Darstellung dient die Vorrichtung als optische Multiplexvorrichtung zum Multiplexen mehrerer Lichtstrahlen zu einem einzelnen Lichtstrahl mit mehreren Wellenlängen. In jedem Fall ist es möglich, die optische Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung zu realisieren, die eine Temperaturdrift zwischen –0,0025 nm/K und +0,0025 nm/K und daher hohe Zuverlässigkeit hat. Speziell hat die dargestellte optische Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung eine hohe Zuverlässigkeit in der Wellenlängenmultiplex-Kommunikation, bei der Wellenlängenkomponenten mit hoher Dichte sehr nahe beieinander liegen.
Erfindungsgemäß erhält man ein Glassubstrat, das eine ausreichende Härte, einen ausgezeichneten Witterungsbeständigkeitskennwert und den gewünschten mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat und das für das optische Wellenlängenmultiplex-(WDM-)Filter geeignet ist. Zudem erhält man auch ein optisches WDM-Filter und eine optische Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung mit sehr geringer Temperaturdrift bei der Mittenwellenlänge im Durchlaßband sowie hoher Zuverlässigkeit bei Temperaturschwankungen. Weiterhin ist es möglich, die Temperaturdrift in dem für das optische Filter verwendeten Temperaturbereich zu minimieren, indem Mengen spezifischer Glaskomponenten eingestellt werden, die zum Glas gehören, das als Glasmaterial verwendet wird.

Claims

Glassubstrat zur Verwendung in einem optischen WDM-Filter, das eine optische Mehrfachschicht hat, die auf eine Oberfläche des Glassubstrats aufgetragen ist; wobei das Glassubstrat durch Glas gebildet ist, das SiO₂ aufweist und das einen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 100 × 10^-7/K und 130 × 10^-7/K in einem Temperaturbereich zwischen –30 °C und +70 °C hat.
Glassubstrat nach Anspruch 1, wobei das Glassubstrat durch Glas gebildet ist, das als wesentliche Komponenten SiO₂, R₂O (R: Alkalimetallelement) und TiO₂ aufweist, wobei die wesentlichen Komponenten insgesamt mindestens 60 Mol-% betragen.
Glassubstrat nach Anspruch 1, wobei das Glassubstrat durch Glas gebildet ist, das als wesentliche Komponenten SiO₂, R₂O (R: Alkalimetallelement) und TiO₂ aufweist, wobei jede Menge der wesentlichen Komponenten größer als jede Menge der übrigen Komponenten mit Ausnahme der wesentlichen Komponenten ist.
Glassubstrat nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Glas in Mol-% aufweist: SiO₂ 38–58 %, TiO₂ 7–30 %, Al₂O₃ 0–12 % und R₂O insgesamt 15–40 %.
Glassubstrat nach Anspruch 4, wobei das Glas als R₂O in Mol-% aufweist: Na₂O 10–25 % und K₂O 4–15 %.
Glassubstrat nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Glas in Mol-% aufweist: SiO₂ 38–55 %, Na₂O 13–25 % K₂O 2–15 % TiO₂ 10–25 % und Al₂O₃ 0,5–8 %.
Glassubstrat nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Glas mindestens eine Spezies von Oxiden R'O aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, die aus Erdalkalimetalloxiden und Zinkoxid besteht.
Glassubstrat nach Anspruch 7, wobei das Glas in Mol-% eine Gesamtmenge von R'O zwischen 2 und 15 % aufweist.
Glassubstrat nach Anspruch 8, wobei das Glas als R'O in Mol-% aufweist: MgO 0–13 %, CaO 0–10 %, SrO 0–8 %, BaO 0–6 % und ZnO 0–10 %.
Glassubstrat nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Glas in Mol-% aufweist: MgO 1–13 ZnO 0,5–10 % und Sb₂O₃ 0–1 %.
Glassubstrat nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei das Glas in Mol-% aufweist: ZrO₂ 0–2 %, HfO₂ 0–2 % La₂O₃ 0–2 % und Y₂O₃ 0–2 %.
Glassubstrat nach Anspruch 11, wobei der mittlere lineare Wärmeausdehnungskoeffizient in einen Bereich zwischen 105 × 10^-7/K und 120 × 10^-7/K in einem Temperaturbereich zwischen –30 °C und +70 °C fällt.
Glassubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Knoop-Härte mindestens 455 MPa beträgt.
Optisches Filter zur Verwendung in einer optischen Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung mit: einem Glassubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einer optischen Mehrfachschicht auf dem Glassubstrat.
Optisches Filter nach Anspruch 14, wobei eine Temperaturdrift bei einer Mittenwellenlänge eines Durchlaßbands in einen Bereich zwischen –0,0025 nm/K und +0,0025 nm/K fällt.
Optische Multiplexer-/Demultiplexervorrichtung mit: dem optischen Filter nach Anspruch 14 oder 15.
Verfahren zur Herstellung eines optischen WDM-Filters zum optischen Wellenlängenmultiplexen, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt: Auswählen eines Glassubstrats, das SiO₂ aufweist und einen mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (bei –30 °C bis +70 °C) hat, der in einen Bereich zwischen 100 und 130 × 10^-7/K fällt, um eine optische Mehrfachschicht auf das Glassubstrat geeignet abzuscheiden und das optische WDM-Filter zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Glassubstrat als wesentliche Komponenten SiO₂, R₂O (R: Alkalimetallelement) und TiO₂ aufweist, wobei jede Menge der wesentlichen Komponenten größer als jede Menge der übrigen Komponenten mit Ausnahme der wesentlichen Komponenten ist, um eine optische Mehrfachschicht auf das Glassubstrat abzuscheiden und das optische WDM-Filter zu erhalten.