JP2005070751A - 光通信デバイス用基材、その製造方法およびそれを用いた光通信デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 温度補償に必要な負の熱膨張係数を有し、熱膨張ヒステリシスが小さい光通信デバイス用基材、その製造方法及びそれを用いた光通信デバイスを提供する。
【解決手段】 光通信デバイス用基材は、−４０〜＋１００℃での平均熱膨張係数が−５５〜−１２０×１０^-7／℃、β−石英固溶体又はβ−ユークリプタイト固溶体の主結晶を含有するセラミックス又はガラスセラミックスからなり、−４０℃から１００℃、及び１００℃から−４０℃までのそれぞれ１℃／分での昇温及び降温時の熱膨張ヒステリシスが最大で１２ｐｐｍ未満。製造方法は、基材に対して２０℃以上の温度の高温処理と２０℃以下の温度の低温処理とを交互に各々複数回行ない高温と低温処理の温度差が４０〜２４０℃。光通信デバイスは、光通信デバイス用基材が−４０℃から１００℃、及び１００℃から−４０℃までのそれぞれ１℃／分での昇温及び降温時の熱膨張ヒステリシスが最大１２ｐｐｍ未満。
【選択図】図１

Description

本発明は、負の熱膨張係数を有する光通信デバイス用基材、その製造方法およびその基材上に正の熱膨張係数を有する光部品を固定してなる光通信デバイスに関するものである。

光通信技術の進歩に伴い、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。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、カプラ、導波路等が重要な光通信デバイスになりつつある。

この種の光通信デバイスの中には、温度によって特性が変化し、屋外での使用に支障をきたすものがあるため、このような光通信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。

温度補償を必要とする光通信デバイスの代表的なものとして、ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧという）がある。ＦＢＧは、光ファイバのコア内に格子状に屈折率変化を持たせた部分、いわゆるグレーティング部分を形成した光通信デバイスであり、下記の式１に示した関係に従って、特定の波長の光を反射する特性を有している。このため、波長の異なる光信号が１本の光ファイバを介して多重伝送される波長分割多重伝送方式の光通信システムにおける重要な光通信デバイスとして注目を浴びている。

λ＝２ｎΛ …（式１）
ここで、λは反射波長、ｎはコアの実効屈折率、Λは格子状に屈折率に変化を設けた部分の格子間隔を表す。

しかしながら、このようなＦＢＧは、温度が変化すると反射波長が変動するという問題がある。反射波長の温度依存性は、式１を温度Ｔで微分して得られる下記の式２で示される。

∂λ／∂Ｔ＝２｛（∂ｎ／∂Ｔ）Λ＋ｎ（∂Λ／∂Ｔ）｝
＝２Λ｛（∂ｎ／∂Ｔ）＋ｎ（∂Λ／∂Ｔ）／Λ｝ …（式２）
この式２の右辺第２項の（∂Λ／∂Ｔ）／Λは光ファイバの熱膨張係数に相当し、その値はおよそ０．６×１０^-6／℃である。一方、右辺第１項は光ファイバのコア部分における屈折率の温度依存性であり、その値はおよそ７．５×１０^-6／℃である。つまり、反射波長の温度依存性はコア部分の屈折率変化と熱膨張による格子間隔の変化の双方に依存するが、大部分は屈折率の温度変化に起因していることが分かる。

このような反射波長の変動を防止するための手段として、温度変化に応じた張力をＦＢＧに印加し、グレーティング部分の格子間隔を変化させることによって、屈折率変化に起因する成分を相殺する方法が知られている。

この具体例として、予め板状に成形した原ガラス体を結晶化して得られる負の熱膨張係数を有するガラスセラミックス基材に、所定の張力を印加したＦＢＧを接着固定することによって、ＦＢＧの張力をコントロールしたデバイス（例えば、特許文献１参照。）や、セラミックスを焼結して得られる負の熱膨張係数を有するセラミックス基材に、所定の張力を印加したＦＢＧを接着固定することによって、ＦＢＧの張力をコントロールしたデバイス（例えば、特許文献２参照。）が開示されている。

上記デバイスは、温度が上昇するとセラミックス基材またはガラスセラミックス基材が収縮し、光ファイバのグレーティング部分に印加されている張力が減少する。一方、温度が低下するとガラスセラミックス基材またはセラミックス基材が伸長して光ファイバのグレーティング部分に印加されている張力が増加する。この様に、温度変化によってＦＢＧにかかる張力を変化させることによってグレーティング部分の間隔を調節することができ、これによって反射中心波長の温度依存性を相殺することができる。
特表２０００−５５３９６７号公報 特開２００３−１４６６９３号公報

特許文献１、２に記載のガラスセラミックス基材やセラミック基材は、熱膨張係数が負であり、単一部材からなるため簡便な機構で温度補償を行なうことができるが、昇温時と降温時での最大の寸法の差（熱膨張ヒステリシス）が大きく、これらのガラスセラミックス基材やセラミック基材を光通信デバイス用基材として使用し、正の熱膨張係数を有する光部品としてのＦＢＧをこの基材に固定すると、光通信デバイス用基材の寸法が温度変化の速度によって異なるため、ＦＢＧによる反射中心波長が安定せず、光通信デバイスとして安定した性能を発揮できないという問題を有していた。

本発明の目的は、上記事情に鑑みなされたものであり、温度補償技術に必要な負の熱膨張係数を有するとともに、熱膨張ヒステリシスが小さい光通信デバイス用基材、その製造方法およびそれを用いた光通信デバイスを提供することである。

本発明者等は、負の熱膨張係数を有するセラミックスまたはガラスセラミックスを低温処理と高温処理とを交互に各々複数回行なうことで、熱膨張ヒステリシスを小さくできることを見いだし、本発明を提案するものである。

すなわち、本発明の光通信デバイス用基材は、−４０〜＋１００℃における平均熱膨張係数が−５５〜−１２０×１０^-7／℃であり、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスからなる光通信デバイス用基材において、−４０℃から１００℃まで１℃／分での昇温、および１００℃から−４０℃まで１℃／分での降温を行なった際に生じる最大の熱膨張ヒステリシスが１２ｐｐｍ未満であることを特徴とする。

また、本発明の光通信デバイス用基材の製造方法は、−４０〜＋１００℃における平均熱膨張係数が−５５〜−１２０×１０^-7／℃であり、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスからなる光通信デバイス用基材の製造方法において、基材に対して２０℃以上の温度での高温処理と２０℃以下の温度での低温処理とを交互に各々複数回行ない高温処理と低温処理の温度差が４０〜２４０℃であることを特徴とする。

また、本発明の光通信デバイスは、−４０〜＋１００℃における平均熱膨張係数が−５５〜−１２０×１０^-7／℃であり、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスからなる光通信デバイス用基材に、正の熱膨張係数を有する光部品を固定してなる光通信デバイスであって、光通信デバイス用基材において−４０℃から１００℃まで１℃／分での昇温、および１００℃から−４０℃まで１℃／分での降温を行なった際に生じる熱膨張ヒステリシスが最大１２ｐｐｍ未満であることを特徴とする。

本発明の光通信デバイス用基材は−４０〜＋１００℃における平均熱膨張係数が−５５〜−１２０×１０^-7／℃であり、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスからなる光通信デバイス用基材において、−４０℃から１００℃まで１℃／分での昇温、および１００℃から−４０℃まで１℃／分での降温を行なった際に生じる最大の熱膨張ヒステリシスが１２ｐｐｍ未満であるため、この基材に固定した光通信デバイスの反射中心波長ヒステリシスを２０ｐｍ以下に抑制することができる。

また、本発明の光通信デバイス用基材は、長期間にわたって高温高湿雰囲気に曝されても、−４０〜１００℃における平均熱膨張係数や、熱膨張ヒステリシスの変化を小さくすることができる。

本発明の光通信デバイス用基材は、−４０〜＋１００℃の温度範囲において−５５〜−１２０×１０^-7／℃の負の平均熱膨張係数を有するため、光通信デバイスの温度依存性を相殺でき、光部品の温度補償用部材として使用することができる。−４０〜＋１００℃の温度範囲において熱膨張係数が−５５×１０^-7／℃よりも負に小さいまたは正であると、または、−１２０×１０^-7／℃よりも負に大きいと、正の熱膨張係数を有する光部品の温度依存性を相殺することができないため、光部品の温度補償用部材として使用することができない。

また、本発明の光通信デバイス用基材は、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスからなるため、充分な機械的強度を有するとともに機械加工性に優れており、所定の形状に容易に成形することができる。

光通信デバイス用基材の形状は角柱状、円柱状、円筒状、平板状が加工しやすく、角柱状、円柱状、平板状の場合、光部品を収納するためにスリットが全長にわたって設けられていても構わない。

本発明の光通信デバイス用基材は、１００℃から−４０℃まで１℃／分で降温した際、−４０〜１００℃まで２０℃毎に７つに区切った温度範囲の平均熱膨張係数の最大値と最小値の差が６×１０^-7／℃以内であると、−４０℃から＋１００℃まで１℃／分で昇温、および１００℃から−４０℃まで１℃／分での降温を行なった際に生じる最大の熱膨張ヒステリシスが１２ｐｐｍ未満になりやすい。

本発明の光通信デバイス用基材は、質量％で、ＳｉＯ₂ ４５〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃ ２０〜４５％、Ｌｉ₂Ｏ ７〜１２％、ＴｉＯ₂ ０〜４％、ＺｒＯ₂ ０〜４％を含有すると、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体の結晶化度を高くできるため好ましく、特に、Ｌｉ₂Ｏ：Ａｌ₂Ｏ₃：ＳｉＯ₂のモル比が１：１．５〜２．５：２〜３であると好ましい。

上記のように組成範囲を限定した理由を述べる。

ＳｉＯ₂は、負の熱膨張係数を示す主結晶の主成分であるが、その含有量が４５％未満の場合には主結晶の析出量が不十分となりやすく、一方、６０％を超えると所望の主結晶相以外の結晶相が析出しやすいことから、ＳｉＯ₂の範囲は、４５〜６０％、好ましい範囲は、４６〜５９％である。

Ａｌ₂Ｏ₃も同様に、負の熱膨張係数を示す主結晶の主成分であるが、その量が２０％未満の場合には主結晶の析出量が不十分となりやすく、４５％を超えると所望の主結晶相以外の結晶相が析出しやすいことから、Ａｌ₂Ｏ₃の範囲は、２０〜４５％、好ましい範囲は、２１〜４４％である。

Ｌｉ₂Ｏも同様に、負の熱膨張係数を示す主結晶の主成分であるが、その量が７％未満の場合には主結晶の析出量が不十分となりやすく、１２％を超えると所望の主結晶相以外の結晶相が析出しやすいことから、Ｌｉ₂Ｏの範囲は、７〜１２％、好ましい範囲は、７．５〜１１．５％である。

なお、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂Ｏが負の熱膨張係数を示すβ−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体の主成分であるが、Ｌｉ₂Ｏ：Ａｌ₂Ｏ₃：ＳｉＯ₂のモル比が１：１．５〜２．５：２〜３である。この範囲において主結晶の析出量が高くなりやすく、この範囲から外れると大きな負の熱膨張係数が得られにくい。

ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂は、いずれも核形成剤として作用するが、いずれも４％を超えると、核形成剤として作用しない余剰な成分が存在し、曲げ強度の劣化が発生することから範囲は、それぞれ０〜４％、好ましい範囲は、０．５〜３％である。

また、上記の成分以外にもＭｇＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ等のアルカリ土類やＮａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ等のアルカリ成分等の他成分を１０％以下まで添加する事ができる。

また、本発明の光通信デバイス用基材は、シラン化合物、シロキサン化合物もしくはシラザン化合物から選ばれる有機珪素化合物の１種または２種以上を含む溶液によって処理されてなると、高温高湿雰囲気に長期間曝されても基材の熱膨張係数が変化しにくいとともに、熱膨張ヒステリシスを小さくしやすいため好ましい。

本発明の光通信デバイス用基材の製造方法は、−４０〜＋１００℃における平均熱膨張係数が−５５〜−１２０×１０^-7／℃であり、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスからなる光通信デバイス用基材の製造方法において、基材に対して２０℃以上の温度での高温処理と２０℃以下の温度での低温処理とを交互に各々複数回行ない高温処理と低温処理の温度差が４０〜２４０℃であるため、熱膨張ヒステリシスが小さく長期間にわたって高温高湿雰囲気に曝されても熱膨張係数や熱膨張ヒステリシスの変化が小さい光通信用デバイス用基材を得ることができる。特に、−４０℃以下での低温処理と、２０〜２００℃での高温処理とを交互に各々複数回行なうと、−４０℃から＋１００℃まで１℃／分で昇温、および１００℃から−４０℃まで１℃／分での降温を行なった際に生じる最大の熱膨張ヒステシスを１２ｐｐｍ未満にすることができる。なお、低温処理と高温処理の順序は問わない。

β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスは、負に大きい熱膨張係数を有するβ−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体からなる複数個の結晶粒子の集合体（多結晶体）を主成分として含有しており、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体は、異方性の熱膨張係数を有する結晶（ｃ軸方向の熱膨張係数が負であり、ａ軸方向の熱膨張係数は正である結晶）であるため、異方性による歪みにより結晶粒子の粒界には、部分的に粒界空隙が形成される。温度変化時のａ軸方向の膨張または収縮は、この粒界空隙によって緩和されるが、ｃ軸方向の熱膨張係数が主にセラミックスまたはガラスセラミックスの熱膨張係数を支配するため、セラミックスまたはガラスセラミックスは、負に大きい熱膨張係数を有するようになる。

熱膨張ヒステリシスは、昇温させたときの熱膨張曲線と降温させた時の熱膨張曲線が一致しない現象を指す。粒界空隙は、降温時にはａ軸方向に結晶粒子が収縮することによって解離（粒界空隙の容積が増大）し、昇温時にはａ軸方向に結晶粒子が膨張することによって結合（粒界空隙の容積が減少）するが、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスにおいて熱膨張ヒステリシスが発生する原因は、粒界空隙の解離が、スムースに行なえず、温度変化に追随できないことにあると考えられる。粒界空隙の解離がスムースに行われない理由は、空隙表面での摩擦に起因すると考えられる。

２０℃以上の温度での高温処理と２０℃以下の温度での低温処理とを交互に各々複数回行ない、高温処理と低温処理の温度差が６０〜２４０℃であると、特に−４０℃以下での低温処理と、２０〜２００℃での高温処理を交互に各々複数回行なうと、熱膨張ヒステリシスの測定温度範囲において、粒界空隙に新しい表面が形成されることがなく、粒界空隙の表面の摩擦を減少させることができるため、熱膨張ヒステリシスが小さくなる。すなわち、低温処理温度から高温処理温度への昇温、あるいは高温処理温度から低温処理温度への降温を繰り返すことによって、粒界空隙の結合と解離が繰り返されることで、粒界空隙の表面が擦れ合って滑らかになり、摩擦を減少させることができるため、熱膨張ヒステリシスが小さくなる。

高温処理と低温処理の温度差が６０℃よりも小さいと粒界空隙が擦れ合って滑らかになる効果が小さく、２４０℃よりも大きくても粒界空隙の表面が擦れ合って滑らかになる効果が増大することがなく、また、昇温または降温に時間がかかり生産性が悪く経済的でない。

低温処理温度が、熱膨張ヒステリシスを測定する際の最低温度、具体的には−４０℃よりも高いと、熱膨張ヒステリシスを測定する際に、粒界空隙に滑らかでない新しい表面が形成され、粒界空隙の表面同士の摩擦を増加させてしまうため好ましくない。

また高温処理温度が、２０℃よりも低いと、昇温時または降温時に粒界空隙の表面同士が擦れ合いにくく、粒界空隙の表面同士の摩擦を減少させにくい。２００℃よりも高いと、昇温時または降温時に粒界空隙の表面同士が擦れ合うものの、この温度よりも高くしてもその効果が増大することがなく、また昇温または降温に時間がかかり生産性が悪く経済的ではない。

また、−４０℃以下での低温処理と、２０〜２００℃での高温処理を交互に各々１回づつ行なうだけであると、粒界空隙の表面同士が擦れ合う回数が少なく、粒界空隙の表面同士の摩擦が小さくなりにくい。

−４０℃以下での１回の等温保持時間および２０〜２００℃での１回の等温保持時間がそれぞれ６０分以内、好ましくは１〜３０分である。６０分より長く熱処理を行なっても、粒界空隙の表面同士の摩擦をより小さくする効果が増大しないため、生産性が悪くなり、経済的でない。

本発明の光通信デバイス用基材の製造方法は、シラン化合物、シロキサン化合物もしくはシラザン化合物から選ばれる有機珪素化合物の１種または２種以上を含む溶液で基材を処理すると、高温高湿雰囲気に長期間曝されても基材の熱膨張係数が変化しにくいとともに、熱膨張ヒステリシスを小さくしやすいため好ましい。なお、基材に対して−４０℃以下での低温処理や２０〜２００℃での高温処理と、有機珪素化合物を含む溶液での処理を行なう順序は問わない。

本発明の光通信デバイス用基材の製造方法は、基材を０℃における飽和水蒸気圧よりも低い水蒸気圧の雰囲気において低温処理や高温処理を行なうと、結露や霜が発生しないため基材に水分が付着せず、粒界空隙の表面同士が擦れ合うことを阻害することなく、粒界空隙の表面同士の摩擦を減少させやすい。

また、本発明の光通信デバイス用基材の製造方法は、基材を低温や高温で処理する雰囲気がヘリウムガス雰囲気であると、基材に熱が伝わりやすいため好ましい。

本発明の光通信デバイスは、−４０〜＋１００℃における平均熱膨張係数が−５５〜−１２０×１０^-7／℃であり、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスからなる光通信デバイス用基材に正の熱膨張係数を有する光部品（例えば、ＦＢＧ）を固定してなる光通信デバイスであって、光通信デバイス用基材において−４０℃から１００℃まで１℃／分での昇温、および１００℃から−４０℃まで１℃／分での降温を行なった際に生じる熱膨張ヒステリシスが最大１２ｐｐｍ未満であるため、反射中心波長ヒステリシスを２０ｐｍ以下に抑制することができる。

本発明の光通信デバイスは、本発明の光通信デバイス用基材上に正の熱膨張係数を有する光部品を固定する際に使用する接着剤として、ガラス、ポリマー接着剤、または金属が使用可能であるが、ポリマー接着剤を用いると、安価で、強固に接着可能であり、高効率で光通信デバイスを生産できるため好ましく、具体的には、エポキシ系接着剤が好適であるが、その他にもシリコーン系やアクリル系接着剤が使用可能である。

以下、本発明を実施例および比較例を用いて詳細に説明する。

表１および２に、本発明の実施例１〜１０を示し、表３に比較例１〜６を示す。また、図１は、本発明における実施例の光通信デバイスを示す平面図であり、図２は、−４０〜＋１００℃の範囲における基材の熱膨張ヒステリシスを示すグラフである。また、図３は、実施例８の長期耐久性試験の平均熱膨張係数（□）と熱膨張ヒステリシス（◆）の結果を示すグラフであり、図４は、実施例６（●）と比較例１（▲）の長期耐久性試験（温度サイクル試験）の結果を示すグラフである。

まず、実施例１〜６は、焼結後の組成が、質量％でＳｉＯ₂ ５５．０％、Ａｌ₂Ｏ₃ ３３．１％、Ｌｉ₂Ｏ ９．４％、ＴｉＯ₂ ０．８％、ＺｒＯ₂ １．０％、ＭｇＯ ０．２％、Ｐ₂Ｏ₅ ０．５％となるように粉末を焼結し、β−石英固溶体を主結晶として含有するセラミックス（Ａ）からなる基材１を作製した。

図１に示すように、基材１は、長さ４０ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ３ｍｍの寸法を有し、上面に全面にわたって深さ０．６ｍｍのスリット１ａが形成されている。この基材１を｛Ｒ¹Ｓｉ（ＯＨ）_a（ＯＣＨ₃）_bＯ_(m-1)/m｝_mで表されるシロキサン化合物を含むＩＰＡ（イソプロピルアルコール）溶液に浸し、１０分間超音波振動を与えた後＋１００℃で１０分間乾燥した。なお、上記シロキサン化合物は、Ｒ¹がＣ₆Ｈ₁₃、ａが０．０７、ｂが１．８８、ｍが２．１である。

続いて、基材１を表１および表２に記載した処理温度、等温保持時間および処理回数で、恒温恒湿槽（日立恒温恒湿槽：ＥＣ−１３ＭＨＰ）によって処理した。

なお、−４０℃以下での低温処理と２０〜２００℃での高温処理をそれぞれ１回づつ行なった場合、処理回数を１回として数えた。

最後に、各基材１のスリット１ａ中に、ＦＢＧ２を挿入し、基材１の両端付近の２点をエポキシ系接着剤３（協立化学産業（株）製ＸＯＣ−０２ＴＨＫ）を用い、ＦＢＧ２を基材１に接着固定することによって光通信デバイス１０を作製した。なお、ＦＢＧ２の基材１への接着は、３２００ｍＷ／ｃｍ²の出力を有するメタルハライドランプを使用して、波長３００〜４００ｎｍの紫外線をエポキシ系接着剤３に２秒間照射して接着剤を硬化させて行なった。

実施例７は、焼結後の組成が、質量％でＳｉＯ₂ ５５．５％、Ａｌ₂Ｏ₃ ３２．６％、Ｌｉ₂Ｏ ９．２％、ＴｉＯ₂ ０．９％、ＺｒＯ₂ １．０％、ＭｇＯ ０．２％、Ｐ₂Ｏ₅ ０．５％となるように粉末を焼結し、β−石英固溶体を主結晶として含有するセラミックス（Ｂ）を使用した以外は、実施例４と同様にして基材および光通信デバイスを作製した。

実施例８は、焼結後の組成が、質量％でＳｉＯ₂ ５６．０％、Ａｌ₂Ｏ₃ ３２．１％、Ｌｉ₂Ｏ ９．０％、ＴｉＯ₂ ０．９％、ＺｒＯ₂ １．１％、ＭｇＯ ０．２％、Ｐ₂Ｏ₅ ０．７％となるように粉末を焼結し、β−石英固溶体を主結晶として含有するセラミックス（Ｃ）を使用した以外は、実施例４と同様にして基材および光通信デバイスを作製した。

実施例９は、焼結後の組成が、質量％でＳｉＯ₂ ５６．０％、Ａｌ₂Ｏ₃ ３２．６％、Ｌｉ₂Ｏ ８．６％、ＴｉＯ₂ ０．９％、ＺｒＯ₂ １．１％、ＭｇＯ ０．３％、Ｐ₂Ｏ₅ ０．５％となるように粉末を焼結し、β−石英固溶体を主結晶として含有するセラミックス（Ｄ）を作製した以外は、実施例４と同様にして基材および光通信デバイスを作製した。

実施例１０は、組成が質量％でＳｉＯ₂ ４６．２％、Ａｌ₂Ｏ₃ ４０．９％、Ｌｉ₂Ｏ ９．１％、ＴｉＯ₂ ２．０％、ＺｒＯ₂ １．８％となるように原料を調合した後、１２００℃で７時間熔融し、急冷することによってガラスを作製し、次いで１３５０℃で１５時間加熱して主結晶としてβ−石英固溶体が析出したガラスセラミックス（Ｅ）を使用した以外は、実施例４と同様にして基材および光通信デバイスを作製した。

比較例１は、低温処理および高温処理を行なわなかった以外は実施例１〜６と同様にして基材および光通信デバイスを作製した。

比較例２は、低温処理および高温処理を行なわなかった以外は実施例８と同様にして基材および光通信デバイスを作製した。

比較例３は、低温処理および高温処理を行なわなかった以外は実施例９と同様にして基材および光通信デバイスを作製した。

比較例４〜６は、表３に記載した温度−保持時間で熱処理を行なった以外は実施例１〜６と同様にして基材および光通信デバイスを作製した。

−４０〜＋１００℃の範囲における基材の平均熱膨張係数と熱膨張ヒステリシスの測定は、ディラトメーター（マックサイエンス製）を用いて行なった。熱膨張ヒステリシスは、図２に示すように−４０〜１００℃の間で１℃／分で昇温および降温し、４０℃における冷却時の寸法Ｌ₁と加熱時の寸法Ｌ₂を測定し、Ｌ₁とＬ₂との差（｜Ｌ₁−Ｌ₂｜）を常温で測定した寸法Ｌで除した値とした。

２０℃毎の平均熱膨張係数差は、図２に示すように−４０〜１００℃の間で１℃／分で降温を行なった際の熱膨張曲線を２０℃毎に７つの温度範囲に区分し、それぞれの温度範囲における平均熱膨張係数を算出した後、それらの最大値と最小値の差から求めた。

作製した光通信デバイスの波長ヒステリシスは、光通信デバイスを−４０〜１００℃の範囲で１℃／分で昇温および降温し、ＦＢＧによって反射された光の波長のうち、１５５０ｎｍ付近に現れる中心波長をスペクトラムアナライザー（アドバンテスト製 Ｑ−８３８４）を用いてｐｍ単位で精密に測定し、３５℃での波長の差として求めた。

基材の長期耐久性は、基材を８５℃、８５％の高温高湿雰囲気で２０００時間放置し、基材の熱膨張係数および熱膨張ヒステリシスを経時的に測定して評価した。

光通信デバイスの長期信頼性（温度サイクル試験）は、室温（２０℃）より−４０℃まで１℃／分で降温させ、−４０℃で３０分間保持した後、８５℃まで１℃／分で昇温、８５℃で３０分間保持した後、室温（２０℃）まで１℃／分で降温させる温度サイクルを最大５００回行い、０回、２００回、５００回行なった際の、１５５０ｎｍ付近の中心波長をスペクトラムアナライザー（アドバンテスト製 Ｑ−８３８４）を用いてｐｍ単位で精密に測定し、−４０℃〜８５℃までの温度変化による波長の変化量を温度依存性として算出し、温度サイクルが０回の時との差を温度依存性の変化量として評価した。

表１、２から明らかなように、実施例１〜１０の光通信デバイスは、−４０〜１００℃における平均熱膨張係数が−６５〜−８１×１０^-7／℃であり、光通信デバイス用基材の２０℃毎の平均熱膨張係数が６×１０^-7／℃以下であり、熱膨張ヒステリシスが１１ｐｐｍ以下と小さいため反射中心波長ヒステリシスも１６．５ｐｍ以下と小さかった。

また、図３から明らかなように、実施例８の光通信デバイス用基材は、長期間にわたって高温高湿雰囲気に放置されても、平均熱膨張係数や熱膨張ヒステリシスの変化が小さかった。なお、実施例１〜７および９〜１０も実施例８と同様に長期間にわたって高温高湿雰囲気に放置しても平均熱膨張係数や熱膨張ヒステリシスの変化が小さかった。

また、図４から明らかなように、実施例６の光通信デバイスは、長期信頼性試験である温度サイクル試験を行なっても、温度依存性の変化量が小さかった。なお、実施例１〜５および７〜１０も実施例６と同様に長期信頼性試験である温度サイクル試験を行なっても、温度依存性の変化量が小さかった。

一方、表３から明らかなように比較例１〜３の光通信デバイスは、低温処理および高温処理を行なわなかったため、光通信デバイス用基材の熱膨張ヒステリシスが２０ｐｐｍ以上と大きく、光通信デバイスの反射中心波長ヒステリシスも３０ｐｍ以上と大きかった。また、比較例４および５の光通信デバイスは、−４０℃以下の低温領域で低温処理を行なっていないため、光通信デバイス用基材の熱膨張ヒステリシスが２０ｐｐｍ以上と大きく、光通信デバイスの反射中心波長ヒステリシスも３０ｐｍ以上と大きかった。また、比較例６の光通信デバイスは、−４０℃以下の低温領域での低温処理と２０〜２００℃の高温領域での高温処理をそれぞれ１回づつしか行なっていないため、光通信デバイス用基材の熱膨張ヒステリシスが１６ｐｐｍ以上と大きく、光通信デバイスの反射中心波長ヒステリシスも２４ｐｍ以上と大きかった。

また、図４から明らかなように、比較例１の光通信デバイスは、長期信頼性試験である温度サイクル試験を行なった結果、温度依存性の変化量が大きかった。なお、比較例２〜６も比較例１と同様に長期信頼性試験である温度サイクル試験を行なった結果、温度依存性の変化量が大きかった。

本発明の光通信デバイス用基材は、充分に大きな負の平均熱膨張係数を有するとともに熱膨張ヒステリシスが小さく、長期耐久性に優れるため、この基材にＦＢＧを固定した光通信デバイスは、温度変化や、長期間高温多湿環境に曝されても、温度補償を充分に行なうことができ、ＦＢＧによる反射中心波長ヒステリシスを２０ｐｍ以下と小さくすることができ、例えば、一度により多くの情報を伝達するために異なる波長の光を同時に伝送する波長分割多重伝送方式用の光通信デバイス用の基材として好適である。

本発明における実施例の光通信デバイスを示す平面図である。 −４０〜１００℃の範囲における基材の熱膨張ヒステリシスを示すグラフである。 実施例８の長期耐久性試験の平均熱膨張係数と熱膨張ヒステリシスの結果を示すグラフである。 実施例６と比較例１の長期耐久性試験（温度サイクル試験）の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 基材
１ａ スリット
２ ＦＢＧ
３ 接着剤
１０ 光通信デバイス

Claims (8)

1. −４０〜＋１００℃における平均熱膨張係数が−５５〜−１２０×１０^-7／℃であり、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスからなる光通信デバイス用基材において、−４０℃から１００℃まで１℃／分での昇温、および１００℃から−４０℃まで１℃／分での降温を行なった際に生じる最大の熱膨張ヒステリシスが１２ｐｐｍ未満であることを特徴とする光通信デバイス用基材。
2. １００℃から−４０℃まで１℃／分で降温した際、−４０〜１００℃まで２０℃毎に７つに区切った温度範囲の平均熱膨張係数の最大値と最小値の差が６×１０^-7／℃以内であることを特徴とする請求項１に記載の光通信デバイス用基材。
3. 質量％で、ＳｉＯ₂ ４５〜６０％、Ａｌ₂Ｏ₃ ２０〜４５％、Ｌｉ₂Ｏ ７〜１２％、ＴｉＯ₂ ０〜４％、ＺｒＯ₂ ０〜４％を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の光通信デバイス用基材。
4. Ｌｉ₂Ｏ：Ａｌ₂Ｏ₃：ＳｉＯ₂のモル比が１：１．５〜２．５：２〜３であることを特徴とする請求項３に記載の光通信デバイス用基材。
5. −４０〜＋１００℃における平均熱膨張係数が−５５〜−１２０×１０^-7／℃であり、β−石英固溶体もしくはβ−ユークリプタイト固溶体を主結晶として含有するセラミックスまたはガラスセラミックスからなる光通信デバイス用基材の製造方法において、基材に対して２０℃以上の温度での高温処理と２０℃以下の温度での低温処理とを交互に各々複数回行ない高温処理と低温処理の温度差が４０〜２４０℃であることを特徴とする光通信デバイス用基材の製造方法。
6. 基材に対して−４０℃以下での低温処理と、２０〜２００℃での高温処理とを交互に各々複数回行なうことを特徴とする請求項５に記載の光通信デバイス用基材の製造方法。
7. −４０℃以下での１回の等温保持時間および２０〜２００℃での１回の等温保持時間がそれぞれ６０分以内であることを特徴とする請求項６に記載の光通信デバイス用基材の製造方法。
8. 請求項１〜４のいずれかに記載の光通信デバイス用基材に、正の熱膨張係数を有する光部品を固定してなることを特徴とする光通信デバイス。