【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、熱膨張係数の小さい無機成分中に、屈折率の温度係数の非常に小さい有機成分を分散させた透明有機無機複合体に関し、また、その有機無機複合体を構成部材の一部に含む光通信分野に用いられるエタロン等の光学デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ところで近年、光通信技術の発達に伴い、光ファイバを用いたネットワークが急速に整備されつつある。このネットワークの中では、複数の波長の光を一括して伝送する波長多重技術が用いられるようになり、波長フィルタやカプラ、導波路等が重要なデバイスになりつつある。
【０００３】
この種の光通信用光学デバイスの中には、温度によって特性が変化し、屋外での使用に支障を来すものがあるため、そのような光通信用光学デバイスの特性を温度変化によらずに一定に保つ技術、いわゆる温度補償技術が必要とされている。
【０００４】
温度補償を必要とする光通信用光学デバイスの代表的なものとして、アレイドウエーブガイド（以下、ＡＷＧという）や平面光回路（以下、ＰＬＣという）等の導波路デバイスやファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧという）やファブリペローエタロン（以下、エタロンという）がある。
【０００５】
これらの光通信用光学デバイスでは、その周囲温度が変化すると、数１の式に示すように、屈折率と熱膨張係数が変化することによって光路長が変化するという問題を有している。
【数１】
ｄＳ／ｄＴ＝（ｄｎ／ｄＴ）＋ｎα
ここで、Ｓは光路長、ｎは屈折率、αは熱膨張係数を表す。
【０００６】
ＡＷＧやＰＬＣ等の導波路デバイス、ＦＢＧ等の光学デバイスでは、負の熱膨張係数を持つ材料や大きな負の屈折率温度依存性を持つ材料を基材とし、その表面にこれらの光学デバイスを接着又は形成することによって、これらの光学デバイスの光路長の温度依存性低減を図っている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
ところが、エタロンは、バルク状（角柱、円柱等）のエタロン材料の対向する両端面にハーフミラーを形成した構造を有しているため、特許文献１に記載されたような手法、すなわち、負の熱膨張係数を持つ材料や大きな負の屈折率温度依存性を持つ材料を基材とし、その表面にエタロン材料を接着しても、エタロン材料に加わる応力が小さすぎて、エタロンの光路長の温度依存性を低減することは、技術的に困難である。そのため、現状ではエタロン材料にペルチェ素子を組み合わせ、エタロン材料の温度をコントロールすることによってエタロンの光路長の温度依存性を低減させているため、光学デバイスの小型化が困難であり、ペルチェ素子の経時的な劣化による光学特性の安定化に問題がある。
【０００８】
したがって、従来、エタロンでは、光路長の温度依存性が比較的低いという理由から、基板材料として石英ガラスが用いられてきた（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００３−２０２５４号公報
【特許文献２】
特開２０００−４７０２９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載された石英ガラスは、−４０℃〜１００℃の温度範囲における熱膨張係数が６×１０−７／℃と低いものの、屈折率の温度依存性が大きいため、高精度のエタロンに用いられるエタロン材料としては、光路長の温度依存性ｄＳ／ｄＴが大きく、エタロンの光学特性が変化しやすく、波長間隔の短い多くの波長を使うＤＷＤＭにおいて使用することができないという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、光路長変化を抑制することができる透明有機無機複合体、光デバイス及びエタロンを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、平均粒径５０ｎｍ以下の有機成分及び無機成分からなる微粒子を混合して超高圧下で加圧することによって、光路長の温度依存性の低い透明有機無機複合体を作製できるという知見を得、本発明を提案するに至った。
【００１３】
すなわち、本発明の透明有機無機複合体は、光路長の温度依存性ｄＳ／ｄＴが、１０×１０−６／℃以下であることを特徴とする。
また、本発明の光学デバイスは、光路長の温度依存性ｄＳ／ｄＴが、１０×１０−６／℃以下である透明有機無機複合体を構成部材の一部に含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のエタロンは、光路長の温度依存性ｄＳ／ｄＴが、１０×１０−６／℃以下である透明有機無機複合体を構成部材の一部に含むことを特徴とする。
【００１５】
【作用】
本発明の透明有機無機複合体は、透明であるため、通信に使用される光を充分に透過し、また光路長の温度依存性ｄＳ／ｄＴが、１０×１０−６／℃以下であるため、それをエタロン等の光学デバイスとして使用しても、温度が変化する環境下において光学デバイスの特性が非常に安定する。従って、本発明の透明有機無機複合体は、波長間隔の短い多くの波長を使うＤＷＤＭにおいて使用することが可能である。
【００１６】
本発明の有機無機複合体は、−４０℃〜１００℃の温度範囲における熱膨張係数が８０×１０−７／℃以下、好ましくは−２０〜７０×１０−７／℃であると、光学デバイス、特にエタロンに用いた場合、熱的に安定である。すなわち、熱膨張係数が８０×１０−７／℃よりも大きいと、熱衝撃性が低く、温度変化によって破損しやすくなるため好ましくない。
【００１７】
本発明の透明有機無機複合体は、−４０℃〜１００℃の温度範囲における熱膨張係数が―２０〜２０×１０−７／℃である無機成分と屈折率の温度依存性ｄｎ／ｄＴが、−１５０〜−８０×１０−６／℃である有機成分を含有すると、光路長の温度依存性ｄＳ／ｄＴが、１０×１０−６／℃以下になりやすいため好ましい。
【００１８】
また、本発明の透明有機無機複合体は、無機成分からなる平均粒径が５０ｎｍ以下の粉末と有機成分からなる平均粒径が５０ｎｍ以下の粉末との混合物を、６ＧＰａ以上の圧力を加えて緻密化させることによって作製すると、有機成分が熱分解することがない温度（２００℃以下）で、均質性が高く、透明性のある複合体が得られるため好ましい。
【００１９】
尚、無機成分としては、ＳｉＯ２、Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系結晶化ガラス、ＴｉＯ２−ＳｉＯ２系ガラスが使用可能であり、無機成分としては、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）等が使用可能である。
【００２０】
また、本発明の透明有機無機複合体は、ＳｉＯ２からなる無機成分とポリメタクリル酸メチルからなる有機成分との組合わせがよく、具体的に、体積％で、ＳｉＯ２ ７０〜９０％、ポリメタクリル酸メチル １０〜３０％を含有することが望ましいが、その理由は次のとおりである。
【００２１】
まず、ＳｉＯ２は、無機成分であり、熱膨張係数を小さくする。ＳｉＯ２が７０％より少ないと、熱膨張係数が大きくなり、複合体の機械的強度が低下する。一方、９０％より多くなると、光路長の温度依存性が高くなる。ＳｉＯ２の好ましい範囲は、７５〜８８％、より好ましい範囲は、７８〜８５％である。
【００２２】
ポリメタクリル酸メチルは、有機成分であり、屈折率の温度依存性および光路長の温度依存性を低下させる。ポリメタクリル酸メチルが１０％より少ないと、屈折率の温度依存性および光路長の温度依存性を低下させる効果が期待できなくなる。一方、３０％より多くなると、熱膨張係数が大きくなりすぎる。ポリメタクリル酸メチルの好ましい範囲は、１２〜２５％、より好ましい範囲は、１５〜２２％である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の透明有機無機複合体を実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
実施例の透明有機無機複合体は、平均粒径７ｎｍのフュームドシリカと平均粒径１８ｎｍのポリメタクリル酸メチルを体積比で８３：１７になるように均一に混合し、その混合物に室温で８ＧＰａの圧力を１時間印加して作製した。
【００２５】
こうして得られた透明有機無機複合体について、熱膨張係数、および光路長の温度依存性を評価した結果、熱膨張係数が、５０×１０−７／℃であり、光路長の温度依存性（ｄＳ／ｄＴ）は、８×１０−６／℃であった。
【００２６】
一方、比較例は、市販の合成石英ガラスからなり、このシリカガラスは、熱膨張係数が、６×１０−７／℃と低かったものの、光路長の温度依存性（ｄＳ／ｄＴ）は、１１×１０−６／℃と高かった。
【００２７】
尚、−４０℃〜１００℃の温度範囲における熱膨張係数は、マックサイエンス社製のディラトメーターによって測定し、光路長の温度依存性は、波長６３２．８ｎｍの光を用いた干渉光学系中の一方の光路中に試料を配置し、試料温度を変化させた時に観察された干渉縞の変化から求められた光路長の温度依存性の値によって評価した。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明の有機無機複合体は、透明で、光路長の温度依存性ｄＳ／ｄＴが１０×１０−６／℃以下であるため、光路長を一定に保つ必要のあるエタロン等の光学デバイス、特に波長間隔の短い多くの波長を使うＤＷＤＭにおいて使用されるエタロンに好適である。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a transparent organic-inorganic composite in which an organic component having a very small temperature coefficient of refractive index is dispersed in an inorganic component having a small coefficient of thermal expansion, and the organic-inorganic composite is used as a part of a constituent member. The present invention relates to an optical device such as an etalon used in the optical communication field.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of optical communication technology, networks using optical fibers have been rapidly improved. In this network, a wavelength multiplexing technology for transmitting light of a plurality of wavelengths collectively is used, and wavelength filters, couplers, waveguides, and the like are becoming important devices.
[0003]
Some of these types of optical communication optical devices change their characteristics depending on the temperature and hinder outdoor use, so the characteristics of such optical communication optical devices are not affected by temperature changes. There is a need for a technique for keeping the temperature constant, that is, a so-called temperature compensation technique.
[0004]
Typical optical communication optical devices that require temperature compensation include waveguide devices such as an arrayed waveguide (hereinafter, referred to as AWG) and a planar optical circuit (hereinafter, referred to as PLC), and a fiber Bragg grating (hereinafter, referred to as FBG). Etalon) and Fabry-Perot etalon (hereinafter etalon).
[0005]
These optical devices for optical communication have a problem that, when the ambient temperature changes, the optical path length changes due to the change in the refractive index and the coefficient of thermal expansion as shown in the equation (1).
(Equation 1)
dS / dT = (dn / dT) + nα
Here, S represents an optical path length, n represents a refractive index, and α represents a coefficient of thermal expansion.
[0006]
For waveguide devices such as AWG and PLC, and optical devices such as FBG, a material having a negative coefficient of thermal expansion or a material having a large negative refractive index temperature dependency is used as a base material, and these optical devices are bonded to the surface thereof. Alternatively, the temperature dependency of the optical path length of these optical devices is reduced by forming them (for example, see Patent Document 1).
[0007]
However, since the etalon has a structure in which half mirrors are formed on opposite end surfaces of a bulk (a prism, a column, or the like) etalon material, a method as described in Patent Document 1, that is, a negative Even if a material having a thermal expansion coefficient or a material having a large negative refractive index temperature dependency is used as a base material and the etalon material is adhered to the surface, the stress applied to the etalon material is too small and the temperature of the optical path length of the etalon is low. Reducing dependencies is technically difficult. Therefore, at present, the etalon material is combined with a Peltier element, and the temperature dependence of the optical path length of the etalon is reduced by controlling the temperature of the etalon material. There is a problem in stabilization of optical characteristics due to temporary deterioration.
[0008]
Therefore, conventionally, in etalons, quartz glass has been used as a substrate material because the temperature dependence of the optical path length is relatively low (for example, see Patent Document 2).
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2003-20254 A [Patent Document 2]
JP 2000-47029 A
[Problems to be solved by the invention]
However, although the quartz glass described in Patent Document 2 has a low coefficient of thermal expansion of 6 × 10 −7 / ° C. in a temperature range of −40 ° C. to 100 ° C., the temperature dependence of the refractive index is large, so that the precision is high. The etalon material used in the etalon has a problem that the temperature dependence dS / dT of the optical path length is large, the optical characteristics of the etalon are easily changed, and the etalon cannot be used in DWDM using many wavelengths with short wavelength intervals. is there.
[0011]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a transparent organic-inorganic composite, an optical device, and an etalon that can suppress a change in optical path length.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors say that by mixing fine particles comprising an organic component and an inorganic component having an average particle diameter of 50 nm or less and pressing the mixture under an ultra-high pressure, a transparent organic-inorganic composite having a low temperature dependence of an optical path length can be produced. The knowledge was obtained and the present invention was proposed.
[0013]
That is, the transparent organic-inorganic composite of the present invention is characterized in that the temperature dependence dS / dT of the optical path length is 10 × 10 −6 / ° C. or less.
Further, the optical device of the present invention is characterized in that a transparent organic-inorganic composite having a temperature dependence dS / dT of an optical path length of 10 × 10 −6 / ° C. or less is included in a part of a constituent member.
[0014]
Moreover, the etalon of the present invention is characterized in that the temperature-dependent dS / dT of the optical path length includes a transparent organic-inorganic composite having a temperature of 10 × 10 −6 / ° C. or less as a part of a constituent member.
[0015]
[Action]
Since the transparent organic-inorganic composite of the present invention is transparent, it sufficiently transmits light used for communication, and the temperature dependence dS / dT of the optical path length is 10 × 10 −6 / ° C. or less. Even if it is used as an optical device such as an etalon, the characteristics of the optical device are very stable under an environment where the temperature changes. Therefore, the transparent organic-inorganic composite of the present invention can be used in DWDM using many wavelengths having a short wavelength interval.
[0016]
When the organic-inorganic composite of the present invention has a thermal expansion coefficient of 80 × 10 −7 / ° C. or less, preferably −20 to 70 × 10 −7 / ° C. in a temperature range of −40 ° C. to 100 ° C., It is thermally stable, especially when used in etalons. That is, when the coefficient of thermal expansion is larger than 80 × 10 −7 / ° C., the thermal shock resistance is low, and the material is easily damaged by a temperature change, which is not preferable.
[0017]
The transparent organic-inorganic composite of the present invention has an inorganic component having a coefficient of thermal expansion of −20 to 20 × 10 −7 / ° C. in a temperature range of −40 ° C. to 100 ° C. and a temperature dependency dn / dT of the refractive index, It is preferable to include an organic component having a temperature of −150 to −80 × 10 −6 / ° C., because the temperature dependence dS / dT of the optical path length tends to be 10 × 10 −6 / ° C. or less.
[0018]
Further, the transparent organic-inorganic composite of the present invention is obtained by applying a pressure of 6 GPa or more to a mixture of a powder having an average particle diameter of 50 nm or less composed of an inorganic component and a powder having an average particle diameter of 50 nm or less. It is preferable to produce the composite by heat treatment at a temperature (200 ° C. or lower) at which the organic component does not thermally decompose, since a highly transparent composite can be obtained.
[0019]
As the inorganic component, SiO 2 , Li 2 O—Al 2 O 3 —SiO 2 -based crystallized glass, and TiO 2 —SiO 2 -based glass can be used. As the inorganic component, polymethyl methacrylate (PMMA) is used. ), Polycarbonate (PC), polystyrene (PS) and the like can be used.
[0020]
Further, the transparent organic-inorganic composite of the present invention has a good combination of an inorganic component composed of SiO 2 and an organic component composed of polymethyl methacrylate. Specifically, 70% to 90% of SiO 2 by volume%, It is desirable to contain 10 to 30% of methyl methacrylate, for the following reasons.
[0021]
First, SiO 2 is an inorganic component and reduces the coefficient of thermal expansion. When the content of SiO 2 is less than 70%, the coefficient of thermal expansion increases, and the mechanical strength of the composite decreases. On the other hand, if it exceeds 90%, the temperature dependence of the optical path length increases. The preferred range of SiO 2 is 75-88%, more preferred range is 78 to 85%.
[0022]
Polymethyl methacrylate is an organic component and reduces the temperature dependence of the refractive index and the temperature dependence of the optical path length. If the content of polymethyl methacrylate is less than 10%, the effect of reducing the temperature dependence of the refractive index and the temperature dependence of the optical path length cannot be expected. On the other hand, if it exceeds 30%, the coefficient of thermal expansion becomes too large. A preferred range for the polymethyl methacrylate is 12 to 25%, and a more preferred range is 15 to 22%.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the transparent organic-inorganic composite of the present invention will be described in detail based on examples.
[0024]
The transparent organic-inorganic composite of the example was prepared by uniformly mixing fumed silica having an average particle size of 7 nm and polymethyl methacrylate having an average particle size of 18 nm in a volume ratio of 83:17, and adding the mixture to the mixture at room temperature by 8 GPa. Pressure was applied for one hour to produce.
[0025]
As a result of evaluating the thermal expansion coefficient and the temperature dependence of the optical path length of the transparent organic-inorganic composite thus obtained, the thermal expansion coefficient was 50 × 10 −7 / ° C., and the temperature dependence of the optical path length (dS / DT) was 8 × 10 −6 / ° C.
[0026]
On the other hand, the comparative example was made of a commercially available synthetic quartz glass, and although this silica glass had a low coefficient of thermal expansion of 6 × 10 −7 / ° C., the temperature dependence (dS / dT) of the optical path length was 11%. × 10 −6 / ° C.
[0027]
The coefficient of thermal expansion in the temperature range of −40 ° C. to 100 ° C. was measured by a dilatometer manufactured by Mac Science, and the temperature dependence of the optical path length was measured in an interference optical system using light having a wavelength of 632.8 nm. The sample was placed in one of the optical paths, and the temperature dependence of the optical path length obtained from the change in interference fringes observed when the sample temperature was changed was evaluated.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, since the organic-inorganic composite of the present invention is transparent and has a temperature dependence of the optical path length dS / dT of 10 × 10 −6 / ° C. or less, it is necessary to keep the optical path length constant. It is suitable for an etalon used in an optical device, in particular, a DWDM using many wavelengths having a short wavelength interval.