JP2020019659A - Crystallized glass - Google Patents

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crystallized glass
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山口 勝彦
Katsuhiko Yamaguchi
勝彦 山口
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Abstract

To provide a glass ceramic substrate for an optical filter, which has a stable coefficient of thermal expansion and a temperature coefficient dn/dT of a refractive index so as to prevent refractive index variation in a use temperature range of a filter member having a monolayer or multilayer film formed therein and which has a good ray transmittance so as to suppress an insertion loss as much as possible.SOLUTION: A crystallized glass is provided, which has the following composition of a raw glass: the composition contains components of, in terms of a percentage by mass on an oxide basis, SiOby 70 to 80%, LiO by 5 to 15%, KO by 0.5 to 5%, MgO+ZnO+SrO+BaO by 0.1 to 10%, POby 0.1 to 5%, ZrOby 0.1 to 7%, AlOby 1 to 11%, and SbOby 0 to 2%. The crystallized glass contains lithium disilicate and α-quartz as the main crystalline phase, has a coefficient of thermal expansion of 100 to 140×10/°C in the temperature range from -30 to +70°C, and a temperature coefficient of the refractive index dn/dT of -1 to +1 (10/K) in the temperature range from 40 to 60°C.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、結晶化ガラスに関し、その特性および品質が、非常に安定な光フィルター基板材用結晶化ガラスに関する。   The present invention relates to a crystallized glass, and more particularly, to a crystallized glass for an optical filter substrate material, whose properties and quality are very stable.

結晶化ガラスはガラスセラミックスとも呼ばれ、アモルファスガラスを熱処理することにより内部に結晶を析出させたものをいう。結晶化ガラスは、析出した結晶により、原ガラスにはない物性を発現させることができ、構造部材、ゼロ膨張部材、ハードディスクの基板材料、歯冠材料、WDM(波長分割多重方式)光通信システム用の光フィルター基板材など種々の用途に使用されている。
そのなかでも現在、光通信システムに関しては、その情報量の増加はとどまる事が無く、今後も更に増えていくことが予想されている。クラウドコンピューティングによるデータサービス、モバイル通信サービス、高精細映像通信サービスなどの新しい情報通信サービスの急速な普及により、光ネットワーク上を流れる通信量は増加し、更に自動運転車両・コネクテッドカーが接続されるようになった場合は、爆発的増加が予想されている。
これらに伴い、光ファイバ通信容量を更に増大することが求められており、当然ながらシステム中で使用されている個々のモジュール部材に関しても、容量増大への対応が求められている。
Crystallized glass is also called glass ceramics, and refers to glass in which crystals are precipitated by heat-treating amorphous glass. Crystallized glass can exhibit physical properties not found in original glass due to precipitated crystals, and can be used for structural members, zero-expansion members, hard disk substrate materials, crown materials, WDM (wavelength division multiplexing) optical communication systems It is used for various applications such as optical filter substrate materials.
Above all, at present, the information amount of the optical communication system does not stop increasing, and is expected to increase further in the future. With the rapid spread of new information communication services such as cloud computing data services, mobile communication services, and high-definition video communication services, the amount of communication flowing on optical networks will increase, and autonomous vehicles and connected cars will be connected. If this happens, an explosive increase is expected.
Accordingly, it is required to further increase the optical fiber communication capacity. Naturally, individual module members used in the system are required to cope with the increase in capacity.

光通信システム中の部材のひとつとしては、合分波用光フィルターがあり、通常のアモルファスガラスや結晶化ガラス等が使用されている。光フィルターには、特定の波長をカットするもの、透過するもの、波長によらず光強度を落とすものなどがある。
この中で、特定波長を透過するバンドパスフィルターとして、結晶化ガラスの持つ大きな熱膨張係数、その高い機械的強度より、成膜される誘電体多層膜に対し、大きな圧縮応力を与え、透過光の中心波長の温度安定性を高めることで使用されてきている。上述した昨今の通信容量増大への対応として、通信波長バンド幅の狭帯化も考えられており、このためにはより使用中心波長の安定性が必要であり、また大容量化においては入射光と取り出し光の比率である挿入損失は可能な限りおさえる必要がある。
この中心波長の温度安定性に関しては、誘電体多層膜の応力による膜制御も非常に重要であるが、ガラスそのものの光学性能に関する温度安定性も大きくかかわってくる。
ガラスの温度安定性、屈折率の温度係数dn/dTは、使用環境温度域において、変化が少ない事が望ましく、また挿入損失に関してはガラスの透過率のみではなくフィルターとしての構成、界面の状態を含めて大きく効いてくる。
また、光学的・機械的な精密部材として使用される際には、その品質安定性が非常に重要となる。すなわち、結晶化ガラス部材のどの部位においても、或いは異なる製造ロットにおいても均一な物性を有することが重要である。
結晶化ガラスが均一な物性を得るためには、結晶化ガラスの均質性が高いことが必要である。結晶化ガラスの場合、その物性に大きく寄与するのはガラス相に析出した結晶であるので、結晶化ガラスの均質性を高めるためには、特に、出来るだけ結晶の大きさを揃え、かつ均一に結晶を分散させることが好ましい。
One of the members in the optical communication system is an optical filter for multiplexing / demultiplexing, and ordinary amorphous glass or crystallized glass is used. Optical filters include those that cut a specific wavelength, those that transmit light, and those that reduce light intensity regardless of wavelength.
Among these, as a band-pass filter that transmits a specific wavelength, a large compressive stress is applied to the dielectric multilayer film to be formed due to the large thermal expansion coefficient and high mechanical strength of crystallized glass, and the transmitted light Has been used to increase the temperature stability of the center wavelength of the light. As a response to the recent increase in communication capacity, narrowing of the communication wavelength bandwidth is also considered. For this purpose, it is necessary to provide more stable center wavelengths to be used. It is necessary to minimize the insertion loss, which is the ratio of the output light to the output light.
Regarding the temperature stability at the center wavelength, it is very important to control the film by the stress of the dielectric multilayer film, but the temperature stability related to the optical performance of the glass itself is also greatly affected.
It is desirable that the temperature stability of glass and the temperature coefficient of refractive index dn / dT change little in the temperature range of use environment. Regarding the insertion loss, not only the transmittance of the glass but also the configuration as a filter and the state of the interface are determined. It works great including it.
In addition, when it is used as an optical / mechanical precision member, its quality stability is very important. That is, it is important to have uniform physical properties in any part of the crystallized glass member or in different production lots.
In order to obtain uniform physical properties of the crystallized glass, it is necessary that the crystallized glass has high homogeneity. In the case of crystallized glass, it is the crystals that precipitate in the glass phase that greatly contribute to the physical properties, so in order to increase the homogeneity of the crystallized glass, the crystal size should be as uniform as possible, and evenly. Preferably, the crystals are dispersed.

WDM(波長分割多重方式)光通信システム用の光フィルター基板材用の結晶化ガラスとして、例えば特許文献1に代表されるようなガラス組成物が知られている。
特許文献1に記載のガラスは、更なる大容量通信・狭帯域化のための光フィルター用基板材としては、ガラス自体の屈折率の温度係数などが考慮されておらず、この結晶化ガラスを用いて更なる温度安定性の高いフィルター、更なる低い挿入損出を得ることは非常に困難であった。
BACKGROUND ART As a crystallized glass for an optical filter substrate material for a WDM (wavelength division multiplexing) optical communication system, for example, a glass composition represented by Patent Document 1 is known.
The glass described in Patent Document 1 does not consider the temperature coefficient of the refractive index of the glass itself as a substrate material for an optical filter for further large-capacity communication and narrowing of the band. It was very difficult to obtain a filter with higher temperature stability and a lower insertion loss using the filter.

特開2001−48584号公報JP 2001-48584 A

本発明は、光通信システム用合分波光フィルターの高精度化に伴い、単層や多層膜形成したフィルター部材の使用温度域における屈折率変動を生じさせないための安定した熱膨張係数、屈折率の温度係数dn/dT、挿入損失を可能な限り抑えることができる良好な光線透過率をもった光フィルター用ガラスセラミックス基板を提供することを課題とする。   The present invention, with the increase in the accuracy of the multiplexing / demultiplexing optical filter for an optical communication system, a stable thermal expansion coefficient for preventing the refractive index fluctuation in the operating temperature range of the filter member formed of a single layer or a multilayer film, the refractive index of the An object of the present invention is to provide a glass-ceramic substrate for an optical filter having a temperature coefficient dn / dT and good light transmittance capable of suppressing insertion loss as much as possible.

本発明者は上記の課題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、特定の熱膨張係数範囲、特定の屈折率の温度係数、光線透過率、表面粗度、熱膨張係数の安定性を有する結晶化ガラスが好適である事を見出し、本発明に至った。その具体的な構成は以下の通りである。 In view of the above problems, the present inventor has conducted extensive studies and found that a crystallization having a specific thermal expansion coefficient range, a specific temperature coefficient of refractive index, light transmittance, surface roughness, and a stable thermal expansion coefficient. It has been found that glass is suitable, and the present invention has been achieved. The specific configuration is as follows.

(1) 原ガラスの組成は酸化物基準の質量百分率で、
SiO 70〜80%、
LiO 5〜15%、
O 0.5〜5%、
MgO+ZnO+SrO+BaO 0.1〜10%、
0.1〜5%、
ZrO 0.1〜7%、
Al 1〜11%、
Sb 0〜2%、
の各成分を含有する結晶化ガラスであり、主結晶相として二珪酸リチウムおよびα―クォーツを含有し、−30〜+70℃における熱膨張係数が100〜140×10−7/℃であり、40〜60℃における屈折率の温度係数dn/dTが−1〜+1(10−6/K)である結晶化ガラス。
(2) 波長950〜1600nmにおける板厚1mm材の光線透過率が85%以上である(1)の結晶化ガラス。
(3) 研磨してなる面が中心線平均粗さRaで5Å以下である(1)又は(2)の結晶化ガラス。
(4) 主結晶相の結晶粒径分布が0.05μm以内の範囲であり、最大面積を有する面および直交する方向の面においての平均線膨張係数の分布幅が0〜3×10−7/℃である(1)〜(3)のいずれかの結晶化ガラス。
(5)(1)〜(4)のいずれかの結晶化ガラス上に誘電体を成膜してなる光フィルター
(1) The composition of the raw glass is a mass percentage based on oxides.
SiO 2 70~80%,
Li 2 O 5 to 15%,
K 2 O 0.5~5%,
MgO + ZnO + SrO + BaO 0.1-10%,
P 2 O 5 0.1~5%,
ZrO 2 0.1-7%,
Al 2 O 3 1 to 11%,
Sb 2 O 3 0~2%,
Which is a crystallized glass containing the following components: lithium disilicate and α-quartz as main crystal phases; a coefficient of thermal expansion at −30 to + 70 ° C. of 100 to 140 × 10 −7 / ° C .; A crystallized glass having a temperature coefficient dn / dT of a refractive index at 〜60 ° C. of −1 to +1 (10 −6 / K).
(2) The crystallized glass according to (1), wherein the material having a thickness of 1 mm at a wavelength of 950 to 1600 nm has a light transmittance of 85% or more.
(3) The crystallized glass according to (1) or (2), wherein the polished surface has a center line average roughness Ra of 5 ° or less.
(4) The crystal grain size distribution of the main crystal phase is in the range of 0.05 μm or less, and the distribution width of the average linear expansion coefficient on the plane having the maximum area and the plane in the direction orthogonal to each other is 0 to 3 × 10 −7 / (1) The crystallized glass according to any one of (1) to (3), wherein
(5) An optical filter comprising a dielectric film formed on the crystallized glass according to any one of (1) to (4).

本発明の光フィルター用ガラスセラミックスの熱膨張係数、屈折率の温度係数、組成、主結晶相、光線透過率、表面粗度、平均線膨張係数の分布幅を限定した理由を以下に述べる。   The reasons for limiting the thermal expansion coefficient, the temperature coefficient of the refractive index, the composition, the main crystal phase, the light transmittance, the surface roughness, and the distribution width of the average linear expansion coefficient of the glass ceramic for an optical filter of the present invention will be described below.

熱膨張係数は、バンドパスフィルターにおいては、通過波長のバンド幅を狭く設定し、より高密度・狭帯域化を達成しようとする場合、バンド中心波長の温度安定性が問題となってくる。単層もしくは多層膜形成したフィルター部材の使用温度における屈折率変動を回避するために基板材を高膨張化し、これにより膜に圧縮応力を与え、膜の屈折率温度安定性を向上させている。
このための基板材熱膨張係数が−30〜+70℃において100〜140×10−7/℃であると、多層膜への十分な圧縮応力を与えることができる。また成膜された多層膜は、その使用する通信波長・多重度によってさまざまであり、膜構成によってこの範囲内より選択すれば、膜の温度安定性を高める事ができる。
従って、−30〜+70℃における熱膨張係数は、好ましくは100×10−7/℃以上、より好ましくは102×10−7/℃以上、最も好ましくは105×10−7/℃以上であり、好ましくは140×10−7/℃以下、より好ましくは138×10−7/℃以下、最も好ましくは135×10−7/℃以下である。
In the case of a band-pass filter, the thermal expansion coefficient is set to narrow the band width of the passing wavelength, and if an attempt is made to achieve a higher density and a narrower band, the temperature stability of the band center wavelength becomes a problem. In order to avoid a change in the refractive index of the filter member formed with a single layer or a multilayer film at the operating temperature, the substrate material is expanded, thereby applying a compressive stress to the film, thereby improving the temperature stability of the refractive index of the film.
When the substrate material has a coefficient of thermal expansion of 100 to 140 × 10 −7 / ° C. at −30 to + 70 ° C., a sufficient compressive stress can be applied to the multilayer film. Further, the formed multilayer film varies depending on the communication wavelength and the multiplicity used, and the temperature stability of the film can be enhanced by selecting from within this range depending on the film configuration.
Accordingly, the coefficient of thermal expansion at −30 to + 70 ° C. is preferably 100 × 10 −7 / ° C. or more, more preferably 102 × 10 −7 / ° C. or more, and most preferably 105 × 10 −7 / ° C. or more, It is preferably at most 140 × 10 −7 / ° C., more preferably at most 138 × 10 −7 / ° C., most preferably at most 135 × 10 −7 / ° C.

上述の通り、多層膜自体への温度安定性の付与が重要であるが、基板材その物の屈折率の温度安定性も重要である。そのため、基板材の屈折率の温度係数dn/dTが−1〜+1(10−6/K)とすることが好ましく、これらにより透過光への膜・基板双方からの中心波長の温度安定性が向上する。
従って、基板材の屈折率の温度係数dn/dTは、好ましくは−1(10−6/K)以上、より好ましくは−0.95(10−6/K)以上、最も好ましくは−0.90(10−6/K)以上であり、好ましくは1(10−6/K)以下、より好ましくは0.95(10−6/K)以下、最も好ましくは0.90(10−6/K)以下である。
As described above, it is important to provide the multilayer film itself with temperature stability, but the temperature stability of the refractive index of the substrate material itself is also important. Therefore, it is preferable that the temperature coefficient dn / dT of the refractive index of the substrate material be −1 to +1 (10 −6 / K), whereby the temperature stability of the center wavelength from both the film and the substrate to the transmitted light is reduced. improves.
Therefore, the temperature coefficient dn / dT of the refractive index of the substrate material is preferably -1 ( 10-6 / K) or more, more preferably -0.95 ( 10-6 / K) or more, and most preferably -0. 90 (10 −6 / K) or more, preferably 1 (10 −6 / K) or less, more preferably 0.95 (10 −6 / K) or less, and most preferably 0.90 (10 −6 / K). K) The following is true.

本発明において、光線透過率は低ければ信号の低下を生じるため、その値は大きい方が好ましい。バンドパスフィルターの使用波長は950〜1600nmであり、板厚1mm材におけるこの波長での光線透過率が好ましくは85%以上、より好ましくは88%以上、最も好ましくは90%以上である。 In the present invention, if the light transmittance is low, the signal is reduced. Therefore, the value is preferably large. The wavelength used for the bandpass filter is 950 to 1600 nm, and the light transmittance at this wavelength in a 1 mm-thick material is preferably 85% or more, more preferably 88% or more, and most preferably 90% or more.

前述の信号低下、挿入損失は、材料による光吸収のみならず基板面での散乱が問題となることが多い。従って、表面散乱を防止するためには研磨してなる面の中心線平均粗さは、Raで好ましくは5Å以下、より好ましくは4Å以下、最も好ましくは3Å以下の表面粗度を有する。 The aforementioned signal reduction and insertion loss often cause not only light absorption by the material but also scattering on the substrate surface. Therefore, the center line average roughness of the surface polished to prevent surface scattering is preferably 5 ° or less, more preferably 4 ° or less, most preferably 3 ° or less in Ra.

本発明の光フィルター用ガラスセラミックスは、主結晶相が二珪酸リチウムおよびα―クォーツであることが好ましい。これらの結晶を析出させることにより、機械的強度、化学的安定性を格段に高める事が可能であり、α−クォーツの析出量をコントロールする事により温度範囲−30〜+70℃において熱膨張係数100〜140×10−7/℃とすることが可能となり、屈折率の温度係数dn/dTが−1〜+1(10−6/K)とすることが出来る。 In the glass ceramics for an optical filter of the present invention, the main crystal phases are preferably lithium disilicate and α-quartz. By precipitating these crystals, the mechanical strength and chemical stability can be remarkably enhanced. By controlling the amount of α-quartz deposited, the thermal expansion coefficient is 100 in the temperature range of -30 to + 70 ° C. 140 × 10 −7 / ° C., and the temperature coefficient dn / dT of the refractive index can be set to −1 to +1 (10 −6 / K).

また本発明の製造方法によって得られた本発明の結晶化ガラス物品は主結晶相の結晶粒径分布の値が好ましくは0.05μm以内、より好ましくは0.045μm以内、最も好ましくは0.04μm以内となる。「結晶粒径分布」とは、以下の手順により測定される値をいう。すなわち、TEM(透過型電子顕微鏡)により倍率100,000〜500,000倍での任意の部位の画像を取得し、得られた画像に現われた結晶を平行な2直線で挟んだ時の最長距離を結晶の粒径とする。これを無作為に選択した100個の結晶について測定し、個数基準で95パーセントと5パーセントの結晶粒径の値の差の絶対値を結晶粒径分布の値とする。 In the crystallized glass article of the present invention obtained by the production method of the present invention, the value of the crystal grain size distribution of the main crystal phase is preferably within 0.05 μm, more preferably within 0.045 μm, and most preferably 0.04 μm. Within. "Crystal grain size distribution" refers to a value measured by the following procedure. That is, an image of an arbitrary portion at a magnification of 100,000 to 500,000 times is acquired by a TEM (transmission electron microscope), and the longest distance when a crystal appearing in the obtained image is sandwiched between two parallel straight lines. Is the grain size of the crystal. This is measured for 100 randomly selected crystals, and the absolute value of the difference between the crystal grain size values of 95% and 5% based on the number is defined as the crystal grain size distribution value.

また、本発明の製造方法によって得られた本発明の結晶化ガラス物品は、最大面積を有する面および直交する方向の面においての平均線膨張係数の分布幅が好ましくは0〜3×10−7/℃、より好ましくは0〜2.5×10−7/℃、最も好ましくは0〜2×10−7/℃である。
膨張係数に関しては、結晶化ガラスの場合その析出結晶量により決まるため、JOGIS(日本光学硝子工業会規格)16−2003「光学ガラスの常温付近の平均線膨張係数の測定方法」に則り、片押し式膨張計を用い(温度範囲−30℃〜70℃)測定した膨張係数を実測し、これとX線回折装置(XRD)による結晶ピークの積分強度値との相関を取る事により、XRDの値を換算して膨張係数として使用した。このXRDの値を換算して膨張係数としたものの最大値と最小値の差を分布幅とした。
これらによりガラス品質を上げ、フィルターの精度を上げる事が可能となる。
最終的に誘電体多層膜を成膜し得られる光フィルターの特性に関しては、その膜構成により様々な値を取るが、本発明における基板ガラスの熱膨張係数、屈折率の温度係数等が安定している事により、高い中心波長の温度安定性を達成することが容易に出来るようになる。フィルターの中心波長の温度安定性としては−1〜+1(pm/℃)が好ましく、より好ましくは−0.5〜+0.5(pm/℃)であり、最も好ましくは0である。
In the crystallized glass article of the present invention obtained by the production method of the present invention, the distribution width of the average linear expansion coefficient on the surface having the maximum area and the surface in the direction orthogonal to each other is preferably 0 to 3 × 10 −7. / ° C., more preferably 0 to 2.5 × 10 −7 / ° C., and most preferably 0 to 2 × 10 −7 / ° C.
The coefficient of expansion is determined by the amount of precipitated crystals in the case of crystallized glass. Therefore, according to JOGIS (Japan Optical Glass Industry Association Standard) 16-2003, "Method of measuring average linear expansion coefficient of optical glass near room temperature", one-sided pressing is performed. By measuring the expansion coefficient measured using a thermal dilatometer (temperature range -30 ° C. to 70 ° C.) and correlating this with the integrated intensity value of the crystal peak by an X-ray diffractometer (XRD), the value of XRD is obtained. Was used as an expansion coefficient. The difference between the maximum value and the minimum value obtained by converting the value of XRD into an expansion coefficient was defined as the distribution width.
These make it possible to improve the glass quality and the accuracy of the filter.
With respect to the characteristics of an optical filter obtained by finally forming a dielectric multilayer film, various values are taken depending on the film configuration, but the coefficient of thermal expansion of the substrate glass in the present invention, the temperature coefficient of the refractive index, etc. are stable. This makes it easier to achieve high center wavelength temperature stability. The temperature stability of the center wavelength of the filter is preferably -1 to +1 (pm / C), more preferably -0.5 to +0.5 (pm / C), and most preferably 0.

次に原ガラスの組成範囲を限定した理由を以下に述べる。上記の結晶相を含む結晶化ガラスを得るためには、原ガラスの組成範囲を以下のようにすることが好ましい。なお、各成分の含有量は酸化物基準の質量%で示す。ここで、「酸化物基準」とは、ガラスまたは結晶化ガラスの構成成分の原料として使用される酸化物、硝酸塩等が溶融時にすべて分解され酸化物へ変化すると仮定して、ガラスまたは結晶化ガラス中に含有される各成分の組成を表記する方法であり、この生成酸化物の質量の総和を100質量%として、ガラスまたは結晶化ガラス中に含有される各成分の量を表記する。   Next, the reasons for limiting the composition range of the raw glass will be described below. In order to obtain a crystallized glass containing the above crystal phase, the composition range of the raw glass is preferably set as follows. In addition, the content of each component is shown by mass% based on the oxide. Here, the “oxide standard” means that the oxide or nitrate used as a raw material of the constituent components of the glass or the crystallized glass is completely decomposed at the time of melting and changes to the oxide, and the glass or the crystallized glass is used. This is a method of expressing the composition of each component contained in the glass, and the amount of each component contained in the glass or crystallized glass is described with the total mass of the produced oxide being 100% by mass.

SiO成分は、原ガラスの熱処理により、主結晶相として析出する二珪酸リチウム、α−クォーツを生成するきわめて重要な成分であるが、その量が70%未満では、得られたガラスセラミックスの析出結晶が不安定で組織が粗大化しやすく、また80%を超えると原ガラスの溶融・成形性が困難になる。従って、含有量は好ましくは70%以上、より好ましくは72%以上、最も好ましくは74%以上であり、好ましくは80%以下、より好ましくは79%以下、最も好ましくは78%以下である。 The SiO 2 component is a very important component that generates lithium disilicate and α-quartz which are precipitated as a main crystal phase by heat treatment of the raw glass, but if the amount is less than 70%, the obtained glass ceramics will be precipitated. The crystals are unstable and the structure is likely to be coarse, and if it exceeds 80%, the melting and forming properties of the raw glass become difficult. Therefore, the content is preferably at least 70%, more preferably at least 72%, most preferably at least 74%, preferably at most 80%, more preferably at most 79%, most preferably at most 78%.

LiO成分は、原ガラスの熱処理により、主結晶相として析出する二珪酸リチウムを生成するきわめて重要な成分であるが、その量が5%未満では、上記結晶の析出が不安定となると同時に、原ガラスの溶融が困難となる。また15%を超えると、得られる結晶が不安定で組織が粗大化しやすいうえ、化学的耐久性が悪化する。従って、含有量は好ましくは5%以上、より好ましくは6%以上、最も好ましくは7%以上であり、好ましくは15%以下、より好ましくは14%以下、最も好ましくは13%以下である。 The Li 2 O component is a very important component that generates lithium disilicate precipitated as a main crystal phase by heat treatment of the raw glass. However, if the amount is less than 5%, precipitation of the crystal becomes unstable, and This makes it difficult to melt the raw glass. On the other hand, if it exceeds 15%, the obtained crystals are unstable, the structure is likely to be coarse, and the chemical durability is deteriorated. Therefore, the content is preferably at least 5%, more preferably at least 6%, most preferably at least 7%, preferably at most 15%, more preferably at most 14%, most preferably at most 13%.

O成分は、ガラスの溶融性を向上させると同時に析出結晶の粗大化を防止する成分であり任意で含有させることができる。但し、過剰に含まれると析出結晶の粗大化、結晶相変化および化学的耐久性が悪化する。従って、含有量は好ましくは0.5%以上、より好ましくは0.6%以上、最も好ましくは0.7%以上であり、好ましくは5%以下、より好ましくは4%以下、最も好ましくは3%以下である。 The K 2 O component is a component that improves the meltability of the glass and at the same time prevents coarsening of precipitated crystals, and can be optionally contained. However, if it is contained excessively, the precipitated crystals become coarse, the crystal phase changes, and the chemical durability deteriorates. Therefore, the content is preferably at least 0.5%, more preferably at least 0.6%, most preferably at least 0.7%, preferably at most 5%, more preferably at most 4%, most preferably at most 3%. % Or less.

MgO、ZnO、SrO、BaO成分は、ガラスの溶融性を向上させると同時に析出結晶の粗大化を防止し、且つマトリックスであるガラス相の屈折率を調整することで、光線透過率を調整する事を可能とする成分であるが、これらの合計量が少なすぎると上記効果が得られず、過剰に含まれると得られる結晶が不安定で組織が粗大化しやすくなる。従って、これらの合計含有量は好ましくは0.1%以上、より好ましくは0.2%以上、最も好ましくは0.3%以上であり、好ましくは10%以下、より好ましくは8%以下、最も好ましくは6%以下である。   The MgO, ZnO, SrO, and BaO components improve the melting property of the glass, prevent coarsening of the precipitated crystals, and adjust the light transmittance by adjusting the refractive index of the glass phase as a matrix. However, if the total amount is too small, the above effects cannot be obtained, and if the total amount is excessive, the obtained crystals are unstable and the structure tends to be coarse. Therefore, their total content is preferably at least 0.1%, more preferably at least 0.2%, most preferably at least 0.3%, preferably at most 10%, more preferably at most 8%, most It is preferably at most 6%.

成分は本発明において、析出結晶の核形成剤として不可欠であるが、その効果を得るには好ましくは0.1%以上、より好ましくは0.3%以上、最も好ましくは0.5%以上であり、原ガラスの失透を防ぎ、量産安定性を保つために、好ましくは5%、より好ましくは4%以下、最も好ましくは3%以下である。 In the present invention, the P 2 O 5 component is indispensable as a nucleating agent for precipitated crystals, but to obtain its effect, it is preferably 0.1% or more, more preferably 0.3% or more, and most preferably 0.1% or more. It is 5% or more, preferably 5%, more preferably 4% or less, and most preferably 3% or less in order to prevent devitrification of the raw glass and maintain mass production stability.

ZrO成分はP成分と同様に、析出結晶の核形成剤として機能する上に、析出結晶の微細化と材料の機械的強度向上および化学的耐久性の向上に顕著な効果を有することが見出された成分であり、任意で含有することができる。これらの効果を得るためにはZrOは好ましくは0.1%以上、より好ましくは1%以上、最も好ましくは2%以上含有する。但し、過剰に加えると原ガラスの溶融が困難となると同時にZrSiO等の溶け残りが発生してしまうため、好ましくは7%以下、より好ましくは6%以下、最も好ましくは5%以下含有する。 Like the P 2 O 5 component, the ZrO 2 component not only functions as a nucleating agent for precipitated crystals, but also has a remarkable effect on refinement of precipitated crystals, improvement in mechanical strength of a material, and improvement in chemical durability. Is found, and can be optionally contained. In order to obtain these effects, ZrO 2 is contained preferably at least 0.1%, more preferably at least 1%, most preferably at least 2%. However, if it is added excessively, it becomes difficult to melt the raw glass and, at the same time, residual melting of ZrSiO 4 or the like occurs. Therefore, the content is preferably 7% or less, more preferably 6% or less, and most preferably 5% or less.

Al成分は、ガラスセラミックスの化学的耐久性および機械的強度、特に曲げ強度を向上させる成分であり、この効果をえるために、その量は好ましくは1%以上、より好ましくは2%以上、最も好ましくは4%以上である。またAl成分が過剰であると、溶融性、耐失透性が悪化し、更に析出結晶相としてβ−スポジューメン、β−クリストバライトを析出するようになってしまう。したがって、Al成分は11%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、9%以下であることが最も好ましい。 The Al 2 O 3 component is a component for improving the chemical durability and mechanical strength, particularly the bending strength, of the glass ceramic. To obtain this effect, the amount is preferably 1% or more, more preferably 2%. Above, most preferably 4% or more. If the Al 2 O 3 component is excessive, the meltability and the devitrification resistance deteriorate, and β-spodumene and β-cristobalite are precipitated as precipitated crystal phases. Therefore, the Al 2 O 3 component is preferably at most 11%, more preferably at most 10%, most preferably at most 9%.

Sb成分はガラス溶融の際の清澄剤として添加しうるが、それらの成分はそれぞれ2%以下で十分であり、より好ましくは1%以下である。しかし、Sb成分については人体や環境への影響を配慮して実質的に含ませないことも可能である。
同様にAs、PbOについては、環境上好ましくない成分であるので、使用は極力避けるべきである。
The Sb 2 O 3 component can be added as a fining agent when the glass is melted, but the content of each component is preferably 2% or less, more preferably 1% or less. However, the Sb 2 O 3 component can be substantially not included in consideration of the effect on the human body and the environment.
Similarly, As 2 O 3 and PbO are components that are environmentally unfavorable and should be avoided as much as possible.

つぎに本発明にかかる、光フィルター用ガラスセラミックスを製造する事に関しては、上記組成を有するガラスを熔解し、熱間成形および/または冷間加工を行った後、600℃〜650℃の範囲の温度で1〜5時間熱処理し結晶核形成を行い、続いて700〜780℃の範囲の温度で1〜5時間熱処理して結晶化を行う。
こうして熱処理により結晶化されたガラスセラミックスの主結晶相は二珪酸リチウムおよびα−クォーツを含有することができる。
Next, with respect to the production of the glass ceramic for an optical filter according to the present invention, after melting the glass having the above composition and performing hot forming and / or cold working, the temperature is in the range of 600 ° C to 650 ° C. Heat treatment is performed at a temperature for 1 to 5 hours to form crystal nuclei, and then heat treatment is performed at a temperature in the range of 700 to 780 ° C. for 1 to 5 hours to perform crystallization.
Thus, the main crystal phase of the glass ceramic crystallized by the heat treatment can contain lithium disilicate and α-quartz.

この熱処理結晶化したガラスセラミックスを常法によりラッピングしたのち、ポリッシングすることにより、表面粗度Raが5Å以下の光フィルター用ガラスセラミックスが得られる。本発明のガラスセラミックスは該基板表面に誘電体多層膜を成膜した干渉型光フィルター用に好適であり、特に誘電体多層膜として、高い屈折率をもつ誘電体膜と低い屈折率を持つ誘電体膜を交互に積層成膜した構造のバンドパスフィルター用に好適である。
上記誘電体としては、TiO、Ta、Nb、SiO等の無機酸化物が好ましい。
This heat-crystallized glass ceramic is wrapped by a conventional method and then polished to obtain a glass ceramic for an optical filter having a surface roughness Ra of 5 ° or less. The glass ceramic of the present invention is suitable for an interference type optical filter in which a dielectric multilayer film is formed on the substrate surface. In particular, as the dielectric multilayer film, a dielectric film having a high refractive index and a dielectric film having a low refractive index are used. It is suitable for a bandpass filter having a structure in which body films are alternately stacked and formed.
As the dielectric, inorganic oxides such as TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , and SiO 2 are preferable.

次に本発明の好適な実施例について説明する。
本発明の実施例と比較例の結晶化ガラスを表1に示す。なお、以下の実施例はあくまで例示の目的であり、これらの実施例にのみ限定されるものではない。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described.
Table 1 shows crystallized glasses of Examples of the present invention and Comparative Examples. It should be noted that the following examples are for illustrative purposes only, and are not limited to only these examples.

上記実施例の結晶化ガラスの製造方法を説明する。
酸化物、炭酸塩、硝酸塩等の原料を混合し、これを通常の熔解装置を用いて約1350〜1450℃の温度で熔解し撹拌均質化したのち、成形・冷却工程を経てガラス成形体を得た。その後これを600〜650℃で1〜5時間熱処理して結晶核形成後、700〜780℃で1〜5時間熱処理結晶化して、所望の結晶化ガラスを得た。ついで上記結晶化ガラスを800#〜2000#のダイヤモンドペレットにて5〜30分ラッピングし、次いで粒子径0.02〜3μmの酸化セリウム研磨剤にて30〜60分間研磨し仕上げた。
A method for producing the crystallized glass of the above embodiment will be described.
Raw materials such as oxides, carbonates, and nitrates are mixed, melted at a temperature of about 1350 to 1450 ° C. using a normal melting apparatus, homogenized by stirring, and then a glass molded body is obtained through a molding and cooling process. Was. Thereafter, this was heat-treated at 600 to 650 ° C. for 1 to 5 hours to form a crystal nucleus, and then heat-treated and crystallized at 700 to 780 ° C. for 1 to 5 hours to obtain a desired crystallized glass. Next, the crystallized glass was wrapped with diamond pellets of 800 # to 2000 # for 5 to 30 minutes, and then polished with a cerium oxide abrasive having a particle size of 0.02 to 3 [mu] m for 30 to 60 minutes to finish.

析出結晶相はX線回折装置で同定した。
熱膨張係数はJOGIS(日本光学硝子工業会規格)16−2003「光学ガラスの常温付近の平均線膨張係数の測定方法」に則り、−30〜+70℃の平均線膨張係数を求め、dn/dTについては40〜60℃での値を計測した。
透過率は波長950〜1600nmにおける板厚1mm材の光線透過率、表面粗度は原子間力顕微鏡にて10μm視野での中心線平均粗さ(Ra)を計測した。
結晶粒子径は透過型電子顕微鏡(TEM)で測定した。膨張係数の分布幅に関しては、結晶化ガラスの場合その析出結晶量により決まるため、片押し式膨張計を用い(温度範囲−30℃〜70℃)、測定した膨張係数を実測し、これとX線回折装置(XRD)による結晶ピークの積分強度値との相関を取る事により、XRDの値を換算して膨張係数として使用した。このXRDの値を換算して膨張係数としたものの最大値と最小値の差を分布幅とした。
The precipitated crystal phase was identified with an X-ray diffractometer.
The coefficient of thermal expansion is determined according to JOGIS (Japan Optical Glass Industry Association Standard) 16-2003 “Method of measuring average linear expansion coefficient of optical glass near room temperature”, and the average linear expansion coefficient at −30 to + 70 ° C. is determined. Was measured at 40 to 60 ° C.
The transmittance was measured at a wavelength of 950 to 1600 nm, the light transmittance of a 1 mm-thick plate, and the surface roughness was measured with an atomic force microscope at the center line average roughness (Ra) in a 10 μm visual field.
The crystal particle size was measured with a transmission electron microscope (TEM). Since the distribution width of the expansion coefficient is determined by the amount of precipitated crystals in the case of crystallized glass, the measured expansion coefficient is measured using a one-sided dilatometer (temperature range −30 ° C. to 70 ° C.). The XRD value was converted and used as an expansion coefficient by correlating with the integrated intensity value of the crystal peak by a line diffractometer (XRD). The difference between the maximum value and the minimum value obtained by converting the value of XRD into an expansion coefficient was defined as the distribution width.

また、これらガラス基板材にTiO/SiOの誘電体多層膜を成膜し、狭帯域での干渉型誘電体多層膜フィルターを作製し、これの中心波長の温度安定性(サーマルドリフト)を測定した。 Further, a dielectric multilayer film of TiO 2 / SiO 2 is formed on these glass substrate materials to produce an interference type dielectric multilayer filter in a narrow band, and the temperature stability (thermal drift) of the center wavelength of the filter is reduced. It was measured.

本発明の実施例1〜4と比較例1,2を比較すると、比較例1の結晶化ガラスは、熱膨張係数は122×10−7/℃と成膜された膜に対し、十分な圧縮応力を与えられるが、dn/dTの値が大きいため、トータルとしての中心波長の温度安定性としては劣る結果となった。また析出結晶相としてα―クリストバライト析出の影響もあり透過率も劣り、フィルターとして劣る結果となった。また比較例2は光フィルター用のアモルファスガラスを上げた。熱膨張係数、dn/dTとも十分な値を持ち温度安定性も良好であったが、成膜したガラス基板は著しく変形し、基板ワレが発生した。このガラス基板のヤング率は75GPa程度であった。これらに対し、本発明の結晶化ガラスは、十分な熱膨張係数、dn/dTを有しており、温度安定性も良好であり、またヤング率も95GPa以上であり、変形等も無く光フィルター用の基板材料として好適であった。
また、研磨してなる面はいずれも表面粗度は低く良好であったが、平均線膨張係数の分布幅は比較例1において大きくなり、バルク体として品質が劣る状態であった。
Comparing Examples 1-4 of the present invention with Comparative Examples 1 and 2, the crystallized glass of Comparative Example 1 has a thermal expansion coefficient of 122 × 10 −7 / ° C. Although stress was applied, the value of dn / dT was large, resulting in inferior temperature stability of the central wavelength as a whole. Further, the transmittance was also poor due to the influence of α-cristobalite precipitation as a precipitated crystal phase, resulting in a poor filter. In Comparative Example 2, amorphous glass for an optical filter was used. Both the thermal expansion coefficient and dn / dT had sufficient values and good temperature stability, but the formed glass substrate was significantly deformed and substrate cracks occurred. The Young's modulus of this glass substrate was about 75 GPa. On the other hand, the crystallized glass of the present invention has a sufficient thermal expansion coefficient, dn / dT, good temperature stability, a Young's modulus of 95 GPa or more, and an optical filter without deformation. Suitable for use as a substrate material.
All the polished surfaces were low in surface roughness and good, but the distribution width of the average linear expansion coefficient was large in Comparative Example 1, and the quality as a bulk material was inferior.

以上述べたように、本発明によれば上記従来技術に見られる諸欠点を解消しつつ、中心波長の温度安定性の優れた光フィルター用ガラスセラミックス基板を提供することができる。今後想定される高速・大容量での光通信システムに十分適合可能な光フィルターとして使用できるものであった。



As described above, according to the present invention, it is possible to provide a glass-ceramic substrate for an optical filter having excellent temperature stability at the center wavelength while eliminating the above-mentioned disadvantages of the related art. It could be used as an optical filter that could be fully adapted to high-speed, large-capacity optical communication systems expected in the future.



Claims (5)

原ガラスの組成は酸化物基準の質量百分率で、
SiO 70〜80%、
LiO 5〜15%、
O 0.5〜5%、
MgO+ZnO+SrO+BaO 0.1〜10%、
0.1〜5%、
ZrO 0.1〜7%、
Al 1〜11%、
Sb 0〜2%、
の各成分を含有する結晶化ガラスであり、主結晶相として二珪酸リチウムおよびα―クォーツを含有し、−30〜+70℃における熱膨張係数が100〜140×10−7/℃であり、40〜60℃における屈折率の温度係数dn/dTが−1〜+1(10−6/K)である結晶化ガラス。
The composition of the raw glass is a mass percentage based on oxide,
SiO 2 70~80%,
Li 2 O 5 to 15%,
K 2 O 0.5~5%,
MgO + ZnO + SrO + BaO 0.1-10%,
P 2 O 5 0.1~5%,
ZrO 2 0.1-7%,
Al 2 O 3 1 to 11%,
Sb 2 O 3 0~2%,
Which is a crystallized glass containing the following components: lithium disilicate and α-quartz as main crystal phases; a coefficient of thermal expansion at −30 to + 70 ° C. of 100 to 140 × 10 −7 / ° C .; A crystallized glass having a temperature coefficient dn / dT of a refractive index at 〜60 ° C. of −1 to +1 (10 −6 / K).
波長950〜1600nmにおける板厚1mm材の光線透過率が85%以上である請求項1に記載の結晶化ガラス。   The crystallized glass according to claim 1, wherein the light transmittance of a 1 mm-thick material at a wavelength of 950 to 1600 nm is 85% or more. 研磨してなる面が中心線平均粗さRaで5Å以下である請求項1又は2記載の結晶化ガラス。   The crystallized glass according to claim 1 or 2, wherein the polished surface has a center line average roughness Ra of 5 ° or less. 主結晶相の結晶粒径分布が0.05μm以内の範囲であり、最大面積を有する面および直交する方向の面においての平均線膨張係数の分布幅が0〜3×10−7/℃である請求項1〜3のいずれかに記載の結晶化ガラス。 The crystal grain size distribution of the main crystal phase is within the range of 0.05 μm, and the distribution width of the average linear expansion coefficient on the plane having the maximum area and the plane in the direction perpendicular to the plane is 0 to 3 × 10 −7 / ° C. The crystallized glass according to claim 1. 請求項1〜4のいずれかに記載の結晶化ガラス上に誘電体を成膜してなる光フィルター。

An optical filter comprising a dielectric film formed on the crystallized glass according to claim 1.

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