DE60015783T2

DE60015783T2 - Glaskeramik für Lichtfilter und Lichtfilter

Info

Publication number: DE60015783T2
Application number: DE60015783T
Authority: DE
Inventors: Naoyuki Machida-shi Goto; Mariko Sagamihara-shi Kataoka; Donald G. Morgan Hill Polensky
Original assignee: Ohara Inc
Current assignee: Ohara Inc
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 2000-04-18
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2020-04-19
Also published as: EP1078896B1; EP1078896A1; DE60001698D1; CN1721890A; CN1283596A; MY140479A; JP2001048584A; TWI233920B; KR20010020929A; KR100394043B1; DE60001698T2; US20020098964A1; JP3107304B1; CN1721890B; US6410466B1; EP1219574B1; EP1219574A1; HK1087781A1; US6560049B2; DE60015783D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Glaskeramik für ein Lichtfilter und auch auf ein Lichtfilter, bei dem diese Glaskeramik verwendet wird.
Es gibt Lichtfilter, die Licht einer speziellen Wellenlänge ausschließen oder durchlassen, und es gibt auch Lichtfilter, die die Intensität von Licht ohne Abhängigkeit von der Wellenlänge reduzieren. Erstere umfassen ein Bandfilter, das nur eine spezielle Wellenlänge durchlässt, ein Kerbfilter (Kammfilter), das eine spezielle Wellenlänge ausschließt, sowie Hochpass- und Tiefpassfilter, die nur Wellenlängen durchlassen, die kürzer oder länger sind als eine spezielle Wellenlänge. Letzterer umfasst auch ein ND-Filter.
Lichtfilter können auch in Filter des Absorptionstyps und Filter des Interferenztyps klassifiziert werden. Ein repräsentatives Filter des Absorptionstyps ist das ND-Filter, und ein repräsentatives Filter des Interferenztyps ist das Bandfilter. Ein aus Kunststoff bestehendes Substrat wird für Filter des Absorptionstyps, wie solche für die Photographie, verwendet. Da ein Substrat für Lichtfilter, die einem starken Laserstrahl ausgesetzt sind, Haltbarkeit und Wärmebeständigkeit erfordert, wird für solche Substrate ausschließlich amorphes Glas eingesetzt.
Die Bandfilter werden hergestellt, indem man auf einem Substrat, das zum Beispiel aus Glas besteht, einen mehrschichtigen Film aus einem Dielektrikum bildet, indem man abwechselnd eine H-Schicht aus einem dielektrischen Dünnfilm mit einem hohen Brechungsindex und eine L-Schicht aus einem dielektrischen Dünnfilm mit einem niedrigen Brechungsindex laminiert.
Bei einem Bandfilter, das für das optische WDM-(Wellenlängenmultiplex)-Kommunikationssystem verwendet wird, stellt die Temperaturstabilität der zentralen Wellenlänge des Bandes ein Problem dar; wenn eine schmale Bandbreite für das Durchlassen von Wellenlängen eingestellt ist, um das Bandfilter auf eine Wellenlänge höherer Dichte anzuwenden. Insbesondere ist das Bandfilter ein empfindliches Element, bei dem die zentrale Frequenz des Bandes selbst bei einer leichten Variation der Temperatur variiert, und daher sollte mit einem Temperaturregler eine Temperaturkompensation vorgenommen werden, wenn das Bandfilter verwendet wird. Ein solcher Temperaturregler kann jedoch wegen des eingeschränkten Platzes, wo sich das Bandfilter befindet, nicht tatsächlich eingesetzt werden. Die Temperaturstabilität ist immer wichtiger geworden, da es notwendig ist, die Bandbreite mit zunehmender Menge der Lichtinformation zu reduzieren.
In der Vergangenheit wurde amorphes Glas als Substrat für das Bandfilter verwendet. Dieses Substrat des Standes der Technik verleiht dem Film keine ausreichende Druckspannung, wenn die Temperatur fluktuiert, und hat aufgrund seiner fehlenden Wärmeausdehnung und seiner ungenügenden mechanischen Festigkeit nur eine geringe Haltbarkeit. Weiterhin hat amorphes Glas eine geringe Oberflächenhärte, und außerdem muss eine relativ große Menge Alkali-Bestandteil hinzugefügt werden, wenn eine hohe Wärmeausdehnungseigenschaft erhalten werden soll, und dies verursacht ein Problem der Elution der Alkali-Bestandteil während und nach der Bildung des dielektrischen Films auf dem Substrat. Amorphes Glas kann also die Anforderungen an ein Substrat für ein Lichtfilter, insbesondere ein Substrat für ein Bandfilter, nicht ausreichend erfüllen.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein Material bereitzustellen, das als Substrat für ein Lichtfilter geeignet ist, bei dem die oben beschriebenen Nachteile des Substrats des Standes der Technik nicht mehr auftreten und das eine thermische Ausdehnung hat, die ausreichend ist, um eine Variation des Brechungsindex bei einer Temperatur, bei der ein mit einer Monoschicht oder einem mehrschichtigen Film gebildetes Filter verwendet wird, zu vermeiden (d.h. mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wodurch auf den Film eine Druckspannung ausgeübt wird, um die Temperaturstabilität des Brechungsindex des Films zu verbessern), und das außerdem eine mechanische Eigenschaft hat, die dem Filter ausreichende Haltbarkeit verleiht, und das weiterhin eine ausgezeichnete Lichtdurchlässigkeit hat.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein aus einem solchen Substrat hergestelltes Lichtfilter bereitzustellen.
Akkumulierte Untersuchungen und Experimente, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, um die oben beschriebenen Ziele der Erfindung zu erreichen, führten zu dem Ergebnis, das zur vorliegenden Erfindung geführt hat, nämlich dass Glaskeramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, einer mechanischen Festigkeit und einer Lichtdurchlässigkeit innerhalb spezieller Bereiche geeignet ist, um diese Ziele der Erfindung zu erreichen.
Gemäß der Erfindung wird eine Glaskeramik für einen Lichtfilter mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 95 × 10^–7/°C bis 140 × 10^–7/°C innerhalb eines Temperaturbereichs von –20 °C bis +70 °C bereitgestellt.
In einem Aspekt der Erfindung hat die Glaskeramik einen Youngschen Modul von 85 GPa oder darüber.
In einem anderen Aspekt der Erfindung hat die Glaskeramik eine Biegefestigkeit von 10 kg/mm² oder darüber.
In einem anderen Aspekt der Erfindung beträgt die Lichtdurchlässigkeit 60% oder darüber innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 950 nm bis 1600 nm für eine Plattendicke von 10 mm.
In einem anderen Aspekt der Erfindung hat die Glaskeramik eine Zusammensetzung, die aus Folgendem besteht, in Gew.-%:

SiO₂ 70 bis 77%

Li₂O 8 bis 12%;

K₂O 0,5 bis 3%;

MgO+ZnO+SrO+BaO 1 bis 5%;

P₂O₅ 1,5 bis 3%;

ZrO₂ 2 bis 7%;

Al₂O₃ 3 bis 9%;

Sb₂O₃+As₂O₃ 0 bis 2%.
In einem anderen Aspekt der Erfindung enthält die Glaskeramik als vorwiegende Kristallphasen:

(a) Lithiumdisilicat; und
(b) wenigstens eine der Phasen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus α-Quarz, α-Quarz-fester-Lösung, α-Cristobalit und α-Cristobalit-fester-Lösung besteht.

In einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Glaskeramik im Wesentlichen frei von Na₂O und PbO.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Lichtfilter bereitgestellt, das hergestellt wird, indem man auf der oben beschriebenen Glaskeramik einen dielektrischen Film bildet.
In noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Lichtfilter bereitgestellt, das hergestellt wird, indem man einen dielektrischen Film auf Glaskeramik bildet, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das Dielektrikum, das den dielektrischen Film bildet.
Die Gründe für die Beschränkung der Wärmeausdehnung, des Young-Moduls, der Biegefestigkeit, der Lichtdurchlässigkeit, der Zusammensetzung und der vorwiegenden Kristallphasen der Glaskeramik für ein Lichtfilter gemäß der Erfindung wird im folgenden beschrieben. Die Zusammensetzung der Glaskeramik wird auf Oxidbasis (in Gewichtsprozent) wie in ihren Basisgläsern ausgedrückt.
Zuerst erfolgt eine Beschreibung hinsichtlich der thermischen Expansion. Wie bereits beschrieben, ist die Temperaturstabilität der zentralen Wellenlänge des Bandes sehr wichtig, und es ist eine Glaskeramik erforderlich, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das Material, das den Film bildet. Die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführten Untersuchungen und Experimente haben zu dem folgenden Ergebnis geführt: Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient innerhalb des Temperaturbereichs von –20 °C bis +70 °C 95 × 10^–7/°C oder darüber beträgt, kann innerhalb des Temperaturbereichs, in dem die Glaskeramik als Bandfilter verwendet wird, eine ausreichende Druckspannung auf den Film ausgeübt werden, und wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient 140 × 10^–7/°C übersteigt, wird der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und dem Filter so groß, dass Probleme wie Ablösung des Films vom Substrat auftreten. Ein bevorzugter Bereich für den Wärmeausdehnungskoeffizienten ist 110 × 10^–7/°C bis 130 × 10^–7/°C, und ein besonders bevorzugter Bereich ist 120 ± 5 × 10^–7/°C.
Bei dem Bandfilter hängt die Temperaturstabilität der zentralen Wellenlänge in gewissem Maße vom Brechungsindex-Temperaturkoeffizienten des Dielektrikums, das den Dünnfilm bildet, und in noch größerem Ausmaß vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats ab. Der Grund dafür ist, dass der Bre- chungsindex durch die Atomdichte des Dünnfilms bestimmt wird. Das heißt, je höher die Atomdichte des Dünnfilms, desto kleiner wird die durch die Temperatur verursachte Variation der zentralen Frequenz. Die Atomdichte des Dünnfilms wird stark vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats für das Lichtfilter, auf dem der Dünnfilm gebildet ist, beeinflusst. Insbesondere beträgt die Temperatur des Substrats während des Filmbildungsvorgangs etwa 200 °C, und das Substrat wird dadurch erheblich ausgedehnt. Der Dünnfilm wird auf diesem ausgedehnten Substrat gebildet, und wenn das Substrat abgekühlt wird, wird der Dünnfilm aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Druckspannung ausgesetzt. Als Ergebnis nimmt die Atomdichte des Dünnfilms zu, und der Brechungsindex nimmt dadurch zu. Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats zunimmt, nimmt die Druckspannung zu, die auf den auf dem Substrat gebildeten dielektrischen Dünnfilm ausgeübt wird, mit dem Ergebnis, dass die Variation im Brechungsindex aufgrund der Temperatur, bei der das Filter verwendet wird, abnimmt. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Glaskeramik auf einen größeren Wert einzustellen als den Wärmeausdehnungskoeffizienten des dielektrischen Dünnfilms.
Im Hinblick auf die harten Bedingungen, unter denen das Bandfilter verwendet wird, kann die Festigkeit gegenüber mechanischer Verformung, d.h. die Biegefestigkeit und der Young-Modul, der Glaskeramik neben den oben beschriebenen Eigenschaften nicht ignoriert werden.
Was den Young-Modul betrifft, so sind ein hoher Young-Modul und eine hohe Biegefestigkeit für das Substrat erforderlich, da das Substrat nach der Bildung eines Dünnfilms zu einem kleinen Chip (2 mm × 2 mm × 2 mm oder darunter) verarbeitet wird. Im Hinblick auf diese anschließende Verarbeitung sollte die Glaskeramik vorzugsweise einen Young-Modul von 85 GPa oder darüber und eine Biegefestigkeit von 10 kg/mm² oder darüber haben.
Was die Lichtdurchlässigkeit betrifft, so treten Nachteile, wie eine Reduktion des Signal-Rausch-Verhältnisses, bei der Erzeugung von Signalen auf, wenn die Lichtdurchlässigkeit gering ist. Es ist daher wünschenswert, dass die Lichtdurchlässigkeit so groß wie möglich sein sollte, und es hat sich gezeigt, dass eine Lichtdurchlässigkeit von mindestens 60% notwendig ist. Der für das Bandfilter verwendete Wellenlängenbereich ist 950 nm bis 1600 nm, und für diesen Wellenlängenbereich ist eine Lichtdurchlässigkeit von 60% oder darüber für eine Plattendicke von 10 mm erforderlich. Was die Lichtdurchlässigkeit innerhalb dieses Wellenlängenbereichs betrifft, so sollte die Lichtdurchlässigkeit vorzugsweise 75% oder darüber und besonders bevorzugt 80% oder darüber betragen.
Was die in der Glaskeramik gewachsenen Kristallphasen betrifft, so sollte die Glaskeramik vorzugsweise als vorwiegende Kristallphasen (a) Lithiumdisilicat und (b) wenigstens eine der Phasen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus α-Quarz, α-Quarz-fester-Lösung, α-Cristobalit und α-Cristobalit-fester-Lösung besteht, enthalten. Indem man diese Kristallphasen in der Glaskeramik wachsen lässt, können die Biegefestigkeit und der Young-Modul merklich erhöht werden, und der Wärmeausdehnungskoeffizient innerhalb des Temperaturbereichs von –20 °C bis +70 °C kann in den Bereich von 95 × 10^–7/°C bis 140 × 10^–7/°C gebracht werden. Weiterhin kann eine Lichtdurchlässigkeit von 60% oder darüber bei einer Plattendicke von 10 mm innerhalb des Wellenlängenbereichs von 950 nm bis 1600 nm realisiert werden, in dem das Bandfilter verwendet wird.
Im Folgenden werden die Gründe beschrieben, um den Zusammensetzungsbereich für das Basisglas, wie er oben beschrieben ist, zu beschränken.
Der Bestandteil SiO₂ ist insofern ein sehr wichtiger Bestandteil, als er beim Erhitzen eines Basisglases Lithiumdisilicat, α-Quarz, α-Quarz-feste-Lösung, α-Cristobalit und α-Cristobalit-feste-Lösung bildet, die die vorwiegenden Kristallphasen der Glaskeramik bilden. Wenn die Menge dieses Bestandteils unter 70% liegt, sind die Kristallphasen, die in der Glaskeramik gewachsen sind, instabil, und ihre Textur wird häufig zu rau, während dann, wenn die Menge dieses Bestandteils 77% überschreitet, Schwierigkeiten beim Schmelzen und Formen des Basisglases auftreten.
Der Bestandteil Li₂O ist insofern ein sehr wichtiger Bestandteil, als er beim Erhitzen des Basisglases Lithiumdisilicat als eine der vorwiegenden Kristallphasen bildet. Wenn die Menge dieses Bestandteils unter 8% liegt, treten Schwierigkeiten beim Wachsen dieser Kristallphasen und auch beim Schmelzen des Basisglases auf, während dann, wenn die Menge dieses Bestandteils 12% überschreitet, die gewachsene Kristallphase instabil ist und ihre Textur häufig zu rau wird und sich die chemische Haltbarkeit überdies verschlechtert.
Der Bestandteil K₂O bewirkt eine Verbesserung der Schmelzeigenschaft des Glases und verhindert, dass die Textur der gewachsenen Kristallphase zu rau wird. Eine bevorzugte Menge dieses Bestandteils ist 0,5% oder darüber. Ein Überschuss an diesem Bestandteil bewirkt jedoch, dass die Textur des gewach senen Kristalls zu rau wird, verursacht eine Veränderung der Kristallphase und verschlechtert die chemische Haltbarkeit, und aus diesem Grund sollte die Menge dieses Bestandteils vorzugsweise auf 3% oder darunter beschränkt sein.
Die Bestandteile MgO, ZnO, SrO und BaO bewirken eine Verbesserung der Schmelzeigenschaft des Glases und verhindern, dass die Textur des gewachsenen Kristalls zu rau wird, und ermöglichen die Anpassung der Lichtdurchlässigkeit durch Anpassen des Brechungsindex der Glasphase, die die Matrixphase bildet. Wenn die Gesamtmenge dieser Bestandteile unter 1% liegt, können diese Wirkungen nicht erreicht werden, während dann, wenn die Gesamtmenge dieser Bestandteile 5% überschreitet, die erhaltenen Kristallphasen instabil sind und ihre Textur häufig zu rau wird.
Der Bestandteil P₂O₅ ist als Keimbildner unverzichtbar. Um diese Wirkung zu erreichen, beträgt eine bevorzugte Menge dieses Bestandteils 1,5% oder darüber. Um eine Entglasung des Basisglases zu verhindern und die Stabilität in der großtechnischen Herstellung aufrechtzuerhalten, sollte die Menge dieses Bestandteils auf 3% oder darunter beschränkt sein.
Der Bestandteil ZrO₂ ist ein sehr wichtiger Bestandteil, der wie P₂O₅ als Keimbildner für das Glas fungiert, und bewirkt auch, dass die bewachsenen Kristallkörner feiner werden und die mechanische Festigkeit und chemische Haltbarkeit des Materials verbessert werden. Um diese Wirkungen zu erreichen, beträgt eine bevorzugte Menge dieses Bestandteils 2% oder darüber. Wenn ein Überschuss dieses Bestandteils hinzugefügt wird, treten Schwierigkeiten beim Schmelzen des Basisglases auf, und ein Material wie ZrSiO₄ bleibt ungeschmolzen zurück. Aus diesem Grund sollte die Menge dieses Bestandteils auf 9% oder darunter beschränkt sein.
Der Bestandteil Al₂O₃ ist ein Bestandteil, der die chemische Haltbarkeit und die mechanische Festigkeit, insbesondere die Biegefestigkeit, der Glaskeramik verbessert. Um die Ziele der Erfindung zu erreichen, ist es notwendig, 3% oder mehr, vorzugsweise 4% oder mehr, dieses Bestandteils hinzuzufügen. Wenn ein Überschuss dieses Bestandteils hinzugefügt wird, verschlechtern sich die Schmelzeigenschaft und die Beständigkeit des Glases gegenüber Entglasung, und überdies wachsen β-Spodumen und β-Cristobalit als Kristallphasen. Der β-Spodumen und β-Cristobalit sind Kristalle mit einem sehr kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, und das Wachstum dieser Kristalle reduziert den Wärmeausdehnungskoeffizienten der erhaltenen Glaskeramik erheblich. Daher beträgt die bevorzugte Menge dieses Bestandteils 9% oder darunter und vorzugsweise 8% oder darunter.
Die Bestandteile Sb₂O₃ und As₂O₃ können als Raffinationsmittel hinzugefügt werden. Die Zugabe einer Gesamtsumme von einem oder beiden dieser Bestandteile von bis zu 2% wird genügen. Eine bevorzugte Gesamtsumme ist 1% oder weniger.
Der Grund für den weitgehenden Ausschluss von Na₂O und PbO aus der Glaskeramik wird beschrieben. Bei der Bildung eines mehrschichtigen Films auf einem Substrat verursacht in einem Material enthaltenes Na₂O ein Problem, da Na-Ionen in den mehrschichtigen Film eluiert werden, was zu einer Verschlechterung der Filmeigenschaften führt. Was PbO betrifft, so ist dieser Bestandteil unter dem Gesichtspunkt des Schutzes der Umwelt unerwünscht, und die Verwendung dieses Bestandteils sollte soweit wie möglich vermieden werden.
Zur Herstellung der Glaskeramik für ein Lichtfilter gemäß der Erfindung wird das Basisglas mit der oben beschriebenen Zusammensetzung geschmolzen, einer Warmformung und/oder Kaltformung unterzogen, zur Bildung eines Kristallkerns etwa eine bis sieben Stunden lang bei einer Temperatur im Bereich von 500 °C bis 600 °C wärmebehandelt und weiterhin zur Kristallisation etwa eine bis sieben Stunden lang bei einer Temperatur im Bereich von 700 °C bis 780 °C wärmebehandelt.
Die so durch die Wärmebehandlung erhaltene Glaskeramik enthielt als vorwiegende Kristallphasen (a) Lithiumdisilicat und (b) wenigstens eine der Phasen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus α-Quarz, α-Quarz-fester-Lösung, α-Cristobalit und α-Cristobalit-fester-Lösung besteht.
Durch Schleifen und Polieren der so erhaltenen Glaskeramik nach einem herkömmlichen Verfahren werden Glaskeramiksubstrate für ein Lichtfilter mit einer Oberflächenrauheit (Ra) (arithmetische mittlere Rauheit) innerhalb eines Bereichs von 1,0 Å bis 5,0 Å bereitgestellt. Die Glaskeramik gemäß der Erfindung eignet sich für ein Lichtfilter des Interferenztyps, bei dem auf einem Glaskeramiksubstrat ein mehrschichtiger Film aus einem Dielektrikum gebildet wird, insbesondere für ein Bandfilter mit einem dielektrischen mehrschichtigen Film, der gebildet wird, indem man abwechselnd einen dielektrischen Dünnfilm (H-Schicht) mit einem hohen Brechungsindex und einen dielektrischen Dünnfilm (L-Schicht) mit einem niedrigen Brechungsindex laminiert.
Als Dielektrikum werden vorzugsweise die anorganischen Oxide TiO₂, Ta₂O₂, Nb₂O₅ und SiO₂ verwendet. Bei einem Bandfilter, das für den Wellenlängenbereich von 950 nm bis 1600 nm verwendet wird, können vorzugsweise Kombinationen von TiO₂/SiO₂, Ta₂O₂/SiO₂ und Nb₂O₅/SiO₂ als Kombinationen der H-Schicht und der L-Schicht verwendet werden.
Das Lichtfilter der vorliegenden Erfindung kann bereitgestellt werden, indem man auf der Oberfläche der Glaskeramiksubstrate einen dielektrischen Dünnfilm bildet. Zur Bildung des Dünnfilms können Abscheidung, Hochfrequenz-Ionenplattieren, Magnetron-Sputtern, Plasma-Ionenplattieren usw. eingesetzt werden. Von diesen ist die Abscheidung besonders zu bevorzugen.
Beispiele für die Erfindung werden im folgenden beschrieben. Die Tabellen 1, 2 und 3 zeigen die Beispiele Nr. 1 bis Nr. 7 der Glaskeramik für ein Lichtfilter gemäß der Erfindung und ein Vergleichsbeispiel eines Glassubstrats des Standes der Technik für ein Lichtfilter in Bezug auf ihre Zusammensetzung, die gewachsenen Kristallphasen, den Wärmeausdehnungskoeffizienten, den Young-Modul, die Biegefestigkeit und die Lichtdurchlässigkeit. In den Tabellen ist Lithiumdisilicat als "LD" abgekürzt.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Zur Herstellung der Glaskeramik der oben beschriebenen Beispiele Nr. 1 bis Nr. 7 wurden die Materialien einschließlich Oxiden, Carbonaten und Nitraten abgewogen und gemischt und in einer herkömmlichen Schmelzapparatur bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1350 °C bis 1450 °C geschmolzen. Das geschmolzene Glas wurde gerührt, um es zu homogenisieren, und danach in eine vorbestimmte Form gebracht und gekühlt, so dass man ein geformtes Glas erhielt. Dann wurde das geformte Glas zur Herstellung des Kristallkeims etwa eine bis sieben Stunden lang einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 500 °C bis 600 °C unterzogen und dann zur Kristallisation etwa eine bis sieben Stunden lang einer weiteren Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 700 °C bis 780 °C unterzogen, um die gewünschte Glaskeramik herzustellen. Dann wurde diese Glaskeramik 5 Minuten bis 30 Minuten lang mit Diamantkörnern Nr. 800 bis 2000 geschliffen und schließlich 30 Minuten bis 60 Minuten lang mit Ceroxid-Polierkörnern mit einem mittleren Durchmesser von 0,02 μm bis 3 μm poliert. Die Oberflächenrauheit (Ra) (Rauheit an der Mittellinie) betrug 5 Å oder darunter.
Die gewachsenen Kristallphasen wurden mit einem Röntgendiffraktometer (XRD) und durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) identifiziert.
Wenn man die Beispiele Nr. 1 bis Nr. 7 mit Vergleichsbeispiel 1 vergleicht, betrug der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glassubstrats des Standes der Technik für ein Lichtfilter 93 × 10^–7/°C, was nicht ausreichend war, um auf einen gebildeten Film Druckspannung auszuüben. Das Glassubstrat des Standes der Technik zeigte auch einen geringen Young-Modul von 75 GPa und eine Biegefestigkeit von 5 kg/mm². Dagegen hatte die Glaskeramik der vorliegenden Erfindung einen ausreichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten, um auf den gebildeten Film Druckspannung auszuüben, und auch einen ausreichenden Young-Modul und eine ausreichende Biegefestigkeit, was zeigt, dass die Glaskeramik der vorliegenden Erfindung als Substrat für ein Lichtfilter geeignet ist.
Lichtfilter des Interferenztyps, die bereitgestellt wurden, indem man mehrschichtige Filme aus TiO₂/SiO₂, Ta₂O₂/SiO₂ und Nb₂O₅/SiO₂ auf den Glaskeramiksubstraten der oben beschriebenen Beispiele bildet; hatten eine ausgezeichnete Temperaturstabilität ihrer zentralen Wellenlänge, und es zeigte sich, dass sie für ein Bandfilter für die optische Kommunikation am besten geeignet waren.
Wie vorstehend beschrieben ist, werden gemäß der Erfindung die Nachteile der Substrate des Standes der Technik überwunden, und Glaskeramiksubstrate für ein Lichtfilter mit einer ausgezeichneten Temperaturstabilität der zentralen Wellenlänge werden bereitgestellt. Diese Merkmale, d.h. eine hohe Lichtdurch lässigkeit, eine hohe Wärmeausdehnung, ein hoher Young-Modul und eine hohe Biegefestigkeit, sind für ein Filter des Interferenztyps, insbesondere ein Bandfilter, geeignet und sind für WDM und DWDM (Dichte-Wellenlängenmultiplex) in optischen Kommunikationssystemen am besten geeignet. Weiterhin haben die Bandfilterelemente, die man erhält, indem man mehrschichtige dielektrische Filme aus TiO₂/SiO₂, Ta₂O₂/SiO₂ und Nb₂O₅/SiO₂ auf den Glaskeramiksubstraten der Erfindung bildet, eine ausgezeichnete Temperaturstabilität der zentralen Wellenlänge und können nicht nur für optische Kommunikationssysteme auf der Erde, sondern auch für Satelliten im Weltraum verwendet werden.
Glaskeramik für einen Lichtfilter mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 95 × 10^–7/°C bis 140 × 10^–7/°C innerhalb eines Temperaturbereichs von –20 °C bis +70 °C.
Glaskeramik mit einem Youngschen Modul von 85 GPa oder darüber.
Glaskeramik mit einer Biegefestigkeit von 10 kg/mm² oder darüber.
Glaskeramik mit einer Lichtdurchlässigkeit von 60% oder darüber innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 950 nm bis 1600 nm für eine Plattendicke von 10 mm.
Glaskeramik mit einer Zusammensetzung, die aus Folgendem besteht, in Gew.-%:

SiO₂ 70 bis 77%

Li₂O 8 bis 12%;

K₂O 0,5 bis 3%;

MgO+ZnO+SrO+BaO 1 bis 5%;

P₂O₅ 1,5 bis 3%;

ZrO₂ 2 bis 7%;

Al₂O₃ 3 bis 9%;

Sb₂O₃+AS₂O₃ 0 bis 2%.
Glaskeramik, die als vorwiegende Kristallphasen enthält:

Glaskeramik, die im Wesentlichen frei von Na₂O und PbO ist.
Lichtfilter, das hergestellt wird, indem man auf der oben beschriebenen Glaskeramik einen dielektrischen Film bildet.
Lichtfilter, das hergestellt wird, indem man einen dielektrischen Film auf Glaskeramik bildet, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das Dielektrikum, das den dielektrischen Film bildet.

Claims

Glaskeramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 95 × 10^–7/°C bis 140 × 10^–7/°C innerhalb eines Temperaturbereichs von –20 °C bis +70 °C und einer Lichtdurchlässigkeit von 60% oder darüber innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 950 nm bis 1600 nm für eine Plattendicke von 10 mm, enthaltend als vorherrschende Kristallphasen (a) Lithiumdisilicat und (b) wenigstens eine Phase, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus α-Quarz, α-Quarz-fester-Lösung, α-Cristobalit und α-Cristobalit-fester-Lösung besteht, und umfassend Li₂O in einer Menge von 9 bis 12 Gew.-%, insbesondere 9 bis 9,9 Gew.-%, Al₂O₃ in einer Menge von 4 bis 9 Gew.-%, insbesondere 4 bis 7 Gew.-%, und MgO in einer Menge von 0,5 bis 0,8 Gew.-%.
Glaskeramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 95 × 10^–7/°C bis 140 × 10^–7/°C innerhalb eines Temperaturbereichs von –20 °C bis +70 °C und einer Lichtdurchlässigkeit von 60% oder darüber innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 950 nm bis 1600 nm für eine Plattendicke von 10 mm, enthaltend als vorherrschende Kristallphasen (a) Lithiumdisilicat und (b) wenigstens eine Phase, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus α-Quarz, α-Quarz-fester-Lösung, α-Cristobalit und α-Cristobalit-fester-Lösung besteht, und umfassend Li₂O in einer Menge von 9 bis 12 Gew.-%, insbesondere 9 bis 9,9 Gew.-%, Al₂O₃ in einer Menge von 4 bis 9 Gew.-%, insbesondere 4 bis 7 Gew.-%, und K₂O in einer Menge von 1 bis 2 Gew.-%.
Glaskeramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 95 × 10^–7/°C bis 140 × 10^–7/°C innerhalb eines Temperaturbereichs von –20 °C bis +70 °C und einer Lichtdurchlässigkeit von 60% oder darüber innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 950 nm bis 1600 nm für eine Plattendicke von 10 mm, enthaltend als vorherrschende Kristallphasen (a) Lithiumdisilicat und (b) wenigstens eine Phase, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus α-Quarz, α-Quarz-fester-Lösung, α-Cristobalit und α-Cristobalit-fester-Lösung besteht, und umfassend Li₂O in einer Menge von 9 bis 12 Gew.-%, insbesondere 9 bis 9,9 Gew.-%, SiO₂ in einer Menge von 73,9 bis 77,2 Gew.-% und MgO in einer Menge von 0,5 bis 0,8 Gew.-%.
Glaskeramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 95 × 10^–7/°C bis 140 × 10^–7/°C innerhalb eines Temperaturbereichs von –20 °C bis +70 °C und einer Lichtdurchlässigkeit von 60% oder darüber innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 950 nm bis 1600 nm für eine Plattendicke von 10 mm, enthaltend als vorherrschende Kristallphasen (a) Lithiumdisilicat und (b) wenigstens eine Phase, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus α-Quarz, α-Quarz-fester-Lösung, α-Cristobalit und α-Cristobalit-fester-Lösung besteht, und umfassend Li₂O in einer Menge von 9 bis 12 Gew.-%, insbesondere 9 bis 9,9 Gew.-%, SiO₂ in einer Menge von 73,9 bis 77,2 Gew.-% und K₂O in einer Menge von 1 bis 2 Gew.-%.
Glaskeramik gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die einen Youngschen Modul von 85 GPa oder darüber hat.
Glaskeramik gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Biegefestigkeit von 10 kg/mm² oder darüber hat.
Lichtfilter, das hergestellt wird, indem man auf einer Glaskeramik gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 einen dielektrischen Film bildet.