KR20010021187A - Ｗｄｍ 광학필터 및, 상기 ｗｄｍ 광학필터에서 이용되는글라스 기판 - Google Patents

Ｗｄｍ 광학필터 및, 상기 ｗｄｍ 광학필터에서 이용되는글라스 기판 Download PDF

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KR20010021187A
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Abstract

본 발명은 WDM 광학 필터에서 사용되는 글라스 기판을 제공하는 것이며, 상기 WDM 광학 필터는 글라스 기판상에 피복되는 광학 다층을 구비하고, 글라스에 의해서 형성된다. 상기 글라스는 광학 필터에서 멀티플럭싱/디멀티플럭싱 작업을 안정화하기 위해 광학 다층에 관련된 구성요소를 구비한다. 상기 글라스는 글라스 네트워크 형성기로서 SiO2를 포함하며, -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 100 × 10-7및 130 × 10-7/K사이의 열팽창 계수를 갖게 된다. 상기 글라스는 SiO2이외에 TiO2, SiO2, R2O(R은 알칼리 금속을 나타냄)를 포함하며, 광학 다층에 적절한 경도를 갖게된다.

Description

ＷＤＭ 광학필터 및, 상기 ＷＤＭ 광학필터에서 이용되는 글라스 기판 {WDM OPTICAL FILTER AND GLASS SUBSTRATE FOR USE IN THE WDM OPTICAL FILTER}
본 발명은 멀티 광선으로부터 특정 파장의 광선을 선택하기 위해 광통신 분야에서 사용되는 광학 필터에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상술된 광학 필터용 글라스 기판에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 WDM(파장 분리 멀티플렉싱 (wavelength division multiplexing))광학 필터에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 광학 필터에서 사용되는 글라스 기판에 관한 것이다.
상기 WDM 통신에서, 통신은 서로로부터 약간 상이한 파장을 갖는 광선들을 조합형 광선으로 결합하고, 반대로 조합형 광선으로 부터 특정 파장을 갖는 광선을 선택하기 위해 조합형 광선을 스플릿(split)하거나 디멀티플렉싱하므로서 수행된다. 여기에서, 광선 조합 및 분리하는데 이용되는 광학 필터를 WDM 광학 필터라 부른다. 상기 WDM 광학 필터로는 일본 특허 공개 평성 제 10-339825호 및 제 10-512975호에 기술되어 있는 WDM 광학 필터등이 사용된다.
상기 특허 공보에 기술된 광학 필터들은 표면층위에 SiO2, Ta2O5등의 유전체 다층 막이 형성되는 글라스 기판을 구비한다. 상기 유전체 다층 막은 특정 파장의 광선을 통과하는 기능과 특정 파장의 광선을 반사하는 기능을 갖고 있으므로 밴드-통과-필터(BPF, band-pass-filter)로서 작용가능하게 된다. 결국, 유전체 다층 막이 적층되는 기판은 실리카(silica)와 같은 글라스물질로 형성된다.
한편, 광학 필터에서는 통과 밴드에서의 중심파장이 온도의 차이로 인하여 변화하게 된다는 것이 최근 보고되도 있다. 또한, 상기 온도의 차이가 유전체 다층 막 및 글라스 기판의 각각의 열팽창계수에 좌우된다는 것이 보고되고 있다.(어플라이드 옵틱스(Applied Optics) Vol.34(4), 다까하시 하루오가 쓴 페이지 667 ~675, 1995)
상술된 기사에서는, 글라스 기판의 열팽창계수가 팽창계수와 같은 유전체 다층의 열적 성질용으로 결정되는 범위보다 작을대 통과 밴드내의 중심 파장이 긍적적인 방향(즉, 긴 파장방향)으로 변화된다. 다시말해서, 글라스 기판의 열팽창계수가 상당히 증가하는 경우에, 필터 중심 파장의 변화가 부정적인 방향(보다 짧은 파장)으로 일어난다.
상기 파장의 변화가 바람직하지 않을정도로 크게 되면, 전송(transmission) 파장에서 원하지 않는 변화가 발생하게 되며, 이러한 변화는 작동 온도의 변화를 야기한다. 특히, 밴드통과 필터가 광 통신의 파장 멀티플렉싱 전송 기술에서 사용되는 광학 멀티플럭서/디멀티플렉서에서 좁은 밴드 필터로서 사용된다면, 좁은 밴드의 억제부(constraint)에서는 전송 밀도가 필수불가결하게 제한되기 때문에 그 영향이 심각해진다. 다음으로 파장 멀티플렉싱이 증가하게 되며, 이때 광학 필터 및 광학 필터에 사용되는 광학 멀티플럭서/디멀티플럭서의 요구가 증가하게 된다. 상기 광학 필터는 온도의 변화에 대하여 보다 안정한 특성을 갖고 있다. 열적 안정성을 증가하기 위해, 광학 필터의 온도를 제어하는 기술이 제안되고 있다. 그러나, 이러한 기술은 복잡한 구조가 요구된다. 그러므로, 긴-시간의 신뢰성을 확보하기 위한 어려움을 증가하게 되고, 장치의 가격은 상승하게 된다.
상술된바와 같이, 밴드통과 정점 파장의 온도 변화는 고 밀도의 광통신을 방해하는 요소들중의 하나이다.
또한, 통상의 광 필터들은 글라스 기판으로 부터 다층의 껍질 벗김(peeling)이 온도 편차로 인하여 발생되기 쉬운 단점을 갖고 있다.
상술된 기술적인 배경하에서, 본 발명은 통과 밴드의 중심 파장에서 온도 변화를 감소시켜 유전체 다층의 벗겨짐을 방지하기 위한 것을 제공한다. 보다 상세히 기술하면, 본 발명의 목적은 바람직한 열팽창 계수 및 바람직한 구성을 갖는 새로운 글라스 기판을 제공하는데 있다. 본 발명의 또다른 목적은 높은 신뢰성을 갖는 광학 필터 및 광학 멀티플럭서/디멀티플럭서를 제공한다. 상기 광학 필터 및 광학 멀티플럭서/디멀티플럭서는 통과 밴드(pass band)내의 중심파장에서 온도의 변화가 감소된다.
본 발명의 또다른 목적은 파장 멀티플럭서/디멀티플럭서 광학 필터에 대한 기판 물질에 적절한 열팽창 계수를 갖는 글라스의 제조 방법을 제공하는데 있다. 상기 글라스는 특정 글라스의 구성요소의 량을 제어하므로서 얻어질수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광학 필터의 작업상태를 나타내는 개략적인 다이아그램.
도 2는 본 발명의 광학 멀티플렉서(multiplexer)/디멀티플렉서 (demultiplexer)의 적용을 나타내는 개략적인 다이아그램.
도 3은 글라스(glass)에서 굴곡의 측정을 나타내는 도면.
도 4는 제 24번째 실시예에 나타난 광학 필터의 중심 파장에서 온도 및 온도편차사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 제 24번째 실시예에 따른 광학 필터의 구조를 나타내는 개략적인 도면.
도 6은 첫번째 내지 22 번째 보기에 따른 글라스 기판에서 사용되고 있는, 선형의 평균 열팽창 계수 및 상술된 광학 필터의 중심파장에서의 온도편차사이의 관계를 나타내는 기하학적인 도면.
본 발명의 제 1 실시 양태에 따르면, 유리 기판이 파장 멀티플럭서/디멀티플럭서 광학 필터에서 사용되며, SiO2를 포함하는 글라스로 형성되며, -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 100 × 10-7및 130 × 10-7사이의 열팽창 계수를 갖는다.
본 발명의 제 2 실시 양태에 따르면, 글라스 기판이 파장 멀티플럭서/디멀티플럭서 광학 필터에서 사용되며, 필수 구성요소로서 TiO2, SiO2, R2O(R은 알칼리 금속요소를 타나낸다)를 포함하는 글라스로 형성되며, 상기 필수구성요소의 전체비율이 60몰%보다 작지 않게 구성된다.
본 발명의 제 3 실시양태에 따르면, 파장 멀티플럭서/디멀티플럭서 광학 필터에서 사용되며, 필수 구성요소로서 SiO2, R2O(R은 알칼리 금속요소를 타나낸다)를 포함하는 글라스로 형성되며, 상기 필수구성요소의 전체량이 나머지 구성요소의 각각의 량보다 크게 구성된다.
본 발명의 제 4 실시양태에 따르면, 상기 제 1 실시양태 내지 제 3 실시양태 와 관련하여 기술된 글라스는 다음과 같이 구성된다.
SiO238 ~ 58%(몰%)
TiO27 ~ 30%(몰%)
Al2O30 ~ 12%(몰%)
R2O 15 ~ 40%(몰%)
본 발명의 제 5 실시양태에 따르면, 제 4 실시양태와 관련하여 기술된 R2O는 하기와 같이 기술된다.
Na2O 10 ~ 25%(몰%)
K2O 4 ~ 15%(몰%)
본 발명의 제 6 실시양태에 따르면, 상기 제 2 실시양태 및 제 3 실시양태 와 관련하여 기술된 글라스는 다음과 같이 구성된다.
SiO238 ~ 55%(몰%)
Na2O 13 ~ 25%(몰%)
K2O 2 ~ 15%(몰%)
TiO210 ~ 25%(몰%)
Al2O30.5 ~ 8%(몰%)
본 발명의 제 7 실시양태에 따르면, 상기 제 2 실시양태 내지 제 6 실시양태 와 관련하여 기술된 글라스는 금속 산화물 및 아연 산화물인 알칼리로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 산화물 R'O의 적어도 한 종들로 구성된다.
본 발명의 제 8 실시양태에 따르면, 제 7 실시양태 및 제 8 실시양태에 기술된 글라스는 R'O가 전체의 2 내지 15%(몰%)로 구성된다.
본 발명의 제 9 실시양태에 따르면, 상기 제 7 실시양태 및 제 8 실시양태 와 관련하여 기술된 글라스에서 R'O는 다음과 같이 구성된다.
MgO 0 ~ 13%(몰%)
CaO 0 ~ 10%(몰%)
SrO 0 ~ 8%(몰%)
BaO 0 ~ 6%(몰%)
ZnO 0 ~ 10%(몰%)
본 발명의 제 10 실시양태에 따르면, 상기 제 7 실시양태 내지 제 9 실시양태와 관련하여 기술된 글라스는 다음과 같이 구성된다.
MgO 1 ~ 13%(몰%)
ZnO 0.5 ~ 10%(몰%)
Sb2O30 ~ 1%(몰%)
본 발명의 제 11 실시양태에 따르면, 상기 제 7 실시양태 내지 제 10 실시양태와 관련하여 기술된 글라스는
ZrO20 ~ 2%(몰%)
HfO20 ~ 2%(몰%)
La2O30 ~ 2%(몰%)
Y2O30 ~ 2%(몰%)
본 발명의 제 12 실시양태에 따르면, 상기 제 7 실시양태 내지 제 11 실시양태와 관련하여 기술된 글라스는 -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 100 × 10-7및 130 × 10-7사이의 평균 열팽창 계수를 갖는다
본 발명의 제 13 실시양태에 따르면, 상기 제 12 실시양태와 관련하여 기술된 글라스는 -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 105 × 10-7및 120 × 10-7사이의 평균 열팽창 계수를 갖는다
본 발명의 제 14 실시양태에 따르면, 제 1 내지 제 13 실시양태에 기술된 글라스는 크누프 경도(Knoop hardness)가 455Mpa 보다 작지 않다.
본 발명의 제 15 실시양태에 따르면, 파장 멀티플럭싱/디멀티플럭싱 광학 필터는 기판상에 적층되는 광학 다층 및 제 1 내지 제 14 실시태양과 관련하여 기술된 글라스 기판을 구비한다.
본 발명의 제 16 실시양태에 따르면, 광학 필터는 통과 밴드의 중심 파장에서 -0.0025nm/K 및 +0.0025nm/K 사이의 온도변화가 일어난다.
본 발명의 제 17 실시양태에 따르면, 파장 멀티플럭싱/디멀티플럭싱 광학 유닛은 제 15 및 제 16 실시태양에 기술된 광학 필터를 구비한다.
본 발명의 제 18 실시양태에 따르면, 광학 필터의 글라스 기판에 사용되는 글라스의 제조방법이 있다. 광학 필터는 글라스 기판상에 고정적으로 적층되고, 밴드 통과 필터 기능을 갖는 광학 다층을 구비하게 된다. 상기 제조 방법은 -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 100 × 10-7및 130 × 10-7사이의 평균 열팽창 계수를 갖고, 글라스의 구성요소로서 알칼리 금속 산화물 RO 및 TiO2량을 제어하는 글라스를 얻을수 있다.
본 발명의 제 19 실시양태에 따르면, 제 18 실시양태에 기술된 방법은 이용가능한 광학 필터의 온도영역을 고려하여 TiO2및 RO의 량을 조절할수 있다. 그래서, 광학 다층의 통과 밴드내의 중심 파장에서 온도 변화가 사용가능한 온도영역에서 최소로 된다.
본 발명에 대하여 보다 상세히 하기에 기술한다.
글라스 기판은 글라스 기판 표면상에 높은 굴절률의 유전체막과, 낮은 굴절률의 유전체 막을 연속적으로 적층하고, 광학 다층을 형성하는 광학 필터를 제조하는데 사용된다. 상기 광학 다층은 광학 간섭체(interference)를 사용하여 입사광선내에서 광선의 특정 파장을 통과시키는 밴드 통과 기능을 갖고 있다.
상술된바와 같이, 파장 멀티플럭싱/디멀티플럭싱상에 통과 밴드에서 중심 파장으로 온도 변화를 감소시키는 것이 필요하다. 상술된 밴드 통과 기능은 다층에서 광학 간섭체를 이용하여 이루어진다. 이것은 온도 변화의 감소가 온도의 편차로 인한 다층내에서 광학 길이중의 파동을 감소시키는 것을 의미한다. 광학 길이들중의 파동은 필름들의 두께 편차 및 다층에 포함된 필름의 굴절률의 편차의 결과이다.
또한, 광학 필터가 온도의 변화에 노출될때 글라스 기판이 다층,즉 광학 다층과 함께 열팽창 또는 수축되다는 사실를 고료하여야 한다. 상기로부터 용이하게 이해할수 있듯이, 광학 다층이 글라스 기판 표면상에 고정적으로 적층되기 때문에, 열응력은 글라스 기판 및 다층이 서로 다른 열 팽창 계수를 구비할때 글라스 기판의 열 팽창 또는 수축으로 인해 광학 다층상에 부과된다. 이러한 열응력은 두께의 미소한 변화 및, 광학 다층에서의 굴절률의 변화를 야기하게 된다.
여기서, 열응력으로 인해 발생되는 광학 다층의 굴절률 및 두께의 편차가 광학 다층의 열팽창 또는 수축으로 인해 발생되는 두께의 편차에 의해서 취소되는 것이 상상된다. 이러한 경우에, 광학 다층내의 광학 길이의 편차를 줄일 수 있게 된다.
하기에 상세히 기술되는 바와 같이, 본 발명에 따른 실질적인 광학 다층은 상술된 편차들을 취소시킬수 있으며, 그 결과 광학 다층내 광학 길이들의 편차를 줄일수 있게 된다. 상세히 기술하면, 본 발명의 실험 연구결과에 따라 온도의 변화는 -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 100 × 10-7및 130 × 10-7/K(바람직하게는 105 × 10-7및 120 × 10-7/K)사이의 기판의 평균 열팽창 계수에 의해서 감소될수 있다.
상술된바와 같이, 응력은 온도편차로 인한 광학 길이의 편차를 줄일기 위해 광학 다층의 접촉면과 글라스 기판사이에 일어나게 된다. 그러나, 글라스 기판은 유전체 막으로서 작동가능한 다층 광학 보다 더 소프트하게 된다. 그러므로, 광학 다층은 글라스 기판으로 부터 벗겨지게 된다. 결국, 글라스 기판이 사용될때, 높은 신뢰성을 얻기 어렵게 된다.
이러한 환경하에서, 본 발명의 제 1 관점은 SiO2로 구성되며, -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 100 × 10-7및 130 × 10-7/K(바람직하게는 105 × 10-7및 120 × 10-7/K)사이의 평균 열팽창 계수를 갖는 글라스 기판을 만드는 것이다. 상술된 영역에 놓여지는 평균 열 팽창계수는 통과 밴드의 중심 파장에서 열 변화를 감소시킬수 있다. 또한, SiO2를 포함하는 것은 글라스의 경도를 향상시키며, 글라스 기판으로 부터 광학 다층이 볏겨지지 않도록 한다.
본 발명의 제 1 관점에 따르면, SiO2는 글라스 네트워크-형성기(former)로 된다. 하기와 같은 방법으로 SiO2가 형성되는지가 판단된다. 먼저, 글라스 네트워크-형성기로서 작동하는 B2O3, P2O5와 같은 임의의 구성요소가 글라스에 포함되지 않을때, SiO2가 글라스 네트워크-형성기로서 판단될수도 있다. 다시말해서, 글라스가 B2O3, P2O5등과 같은 다른 글라스 네트워크 형성기를 포함하지 않을때, SiO2는 SiO2의 량이 다른 네트워크 형성기들의 량보다 충분히 클때 글라스 네트워크-형성기로서 판단되며, 예를들어 B2O3, P2O5등의 량들보다 2배로 될수도 있다.
그래서, 글라스 네트워크 형성기로서, SiO2를 포함하는 것은 글라스 기판의 경도를 추가로 증가시키는데 도움이 됨과 동시에, 온도 편차로 인해 글라스 기판으로 부터 광학 다층이 볏겨지지 않도록 한다. 결론적으로, 볏겨지는 문제는 해결될수 있다. 바람직하게도, 크누프 경도측면에서 글라스 기판은 455MPa보다 작지 않게, 바람직하게는 460MPa보다 크게, 보다 바람직하게는 500MPa보다 큰 경도를 갖게 된다.
본 발명의 제 2 관점은 바람직한 경도를 얻기 위한 적절한 구성과, 100 × 10-7및 130 × 10-7/K사이, 바람직하게는 105 × 10-7및 120 × 10-7/K사이의 평균 열팽창 계수를 갖는 글라스 기판을 만드는 것이다.
상기 글라스 기판은 필수 구성요소로서 SiO2, R2O(R : 알칼리 금속) 및 TIO2로 구성되며, 상기 필수 구성요소가 전체의 60몰%를 초과하는 글라스로 구성된다. 선택적으로, 글라스는 필수 구성요소가 SiO2, R2O(R : 알칼리 금속) 및 TIO2로 구성될수도 있으며, 필수 구성요소의 전체가 필수 구성요소 이외의 나머지 구성요소의 각각의 량들을 초과할수도 있다. R2O의 량은 알칼리 금속 산화물의 전체량으로 표시된다.
이하에, 상술된 글라스는 SiO2-R2O-TiO2시스템 글라스로서 언급된다. 글라스 기판은 본 발명의 제 1 관점에서 상술된 바와 같이, 455MPa보다 작지 않게, 바람직하게는 460MPa보다 크게, 보다 바람직하게는 500MPa보다 크누프 경도를 갖게 된다.
SiO2-R2O-TiO2시스템 글라스에서, SiO2는 글라스 자체를 강화시킴과 동시에 글라스의 기후 저항 특성을 향상시킨다. R2O는 평균 열팽창 계수를 제어하는데 작동가능하게 된다. 상세히 기술하면, R2O는 상술된 소정의 영역내에 떨어지는 바람직한 열팽창계수에 대해 SiO2함유 글라스의 평균 열팽창계수를 조절할수 있다. TiO2는 소정의 영역내에서 바람직한 평균적인 열팽창 계수 및, 기후 저항 특성을 추가로 향상시킬수 있다.
상술된 SiO2-R2O-TiO2시스템 글라스와 함께, 글라스 기판상에 적층되는 광학 다층을 고려하여 -30 ~ +70℃사이의 온도에서 소정의 영역내 평균 열 팽창계수와 정확하게 일치할수 있다. 상기 일치함은 R2O 및 TiO2사이의 대체 정도를 제어하므로서 수행된다. 예를들어, R2O 및 TiO2사이의 대체 정도는 온도변화가 이용가능한 영역(예를들어, 룸 온도)내에서 최소(즉, 0에 가까움)로 된다. 결국, 글라스의 평균적인 열 팽창계수는 소정의 값으로 조정된다. 여기서, R2O 및 TiO2사이의 대체 정도는 천연 물질의 량을 측정하고, 글라스를 용융하므로서 제어될수 있다.
SiO2-R2O-TiO2시스템 글라스는 광 통신에 사용되는 1.3 및 1.6m사이의 파장 밴드를 구비하는 광선을 투과시킨다. 이것은 상술된 시스템 글라스가 광학 글라스로서 고품질을 갖는 것을 의미한다.
다음으로, SiO2-R2O-TiO2시스템 글라스에 포함되는 글라스 구성요소의 량에 대하여 기술한다.
SiO2에 대해, 38몰%보다 작은 량의 SiO2는 기후 저항 특성을 악화시키며, 글라스의 경도를 감소시킬수 있다. 결론적으로, 광학 다층은 글라스 기판으로 부터 볏겨지기 쉽다. 다시 말해서, 58몰% 보다 많은 량의 SiO2는 상술된 소정의 영역보다 낮은 평균적인 열팽창계수를 취하며, 결국 온도 변화를 바람직하지 않게 향상시킨다. 이러한 점을 고려하면, SiO2의 량은 38 내지 58몰% 사이, 바람직하게는 38 내지 50몰% 사이, 보다 바람직하게는 38 내지 48몰% 사이의 영역에 있게 된다. SiO2가장 바람직한 영역은 42 내지 48몰% 사이이다.
알칼리 금속 산화물 R2O에 대해. 전체 량이 15몰%보다 작을때 상술된 결과를 얻기는 어렵다. 또한, R2O이 40몰% 보다 증가하게 되는 경우 글라스의 기후 저항 특성을 강하시키게 된다. 그래서, R2O의 전체량은 15 내지 40몰 %사이, 바람직하게는 22 내지 32몰%사이의 영역으로 제한된다. 알칼리 금속 산화물 R2O는 Na2O 및/또는 K2O로 구성되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Na2O 및 K2O 모두 글라스내에 포함되고, 알칼리 금속 산화물들은 Na2O 및 K2O로 구성되는 것이다. Na2O의 량은 10 내지 25몰% 사이, 보다 바람직하게는 13 내지 25몰% 사이, 가장 바람직하게는 15 내지 22몰% 사이의 영역에 있게 된다. 한편, K2O의 량은 2 내지 15몰% 사이, 보다 바람직하게는 4 내지 15몰% 사이, 더 바람직하게는 6 내지 15몰% 사이, 가장 바람직하게는 6 내지 10몰% 사이의 영역에 있게 된다.
TiO2에 대해, TiO2량이 7몰%보다 작은 경우, 기후 저항 특성을 악화시키며, 소정의 영역내에서 평균 연팽창 계수를 갖는 것을 어렵게 한다. TiO2이 30몰%보다 증가하게 되는 경우, 평균적인 열팽창계수가 소정의 영역내에서 있기 어렵게 된다. 그래서, TiO2의 전체량은 7 내지 30몰 %사이, 바람직하게는 10 내지 25몰%사이, 보다 바람직하게는 10 내지 22몰% 사이, 또는 12 내지 22몰%사이, 가장 바람직하게는 12 내지 20몰% 사이의 영역에 있게 된다.
비록 Al2O3가 광학 구성요소로서 SiO2-R2O-TiO2시스템 글라스에 추가되더라도, 기후 저항 특성을 향상시키고 글라스를 강화시킨다. 그러나, Al2O3가 12몰%보다 크게되는 경우, 소정의 영역내에서 평균적인 열팽창계수를 얻기 어렵게 된다. 이러한 환경하에서, Al2O3의 량은 0 내지 12몰 %사이, 바람직하게는 0.5 내지 15몰%사이, 또는 0.5 내지 8몰%사이, 보다 바람직하게는 1 내지 8몰% 사이, 또는 2 내지 8몰%사이, 가장 바람직하게는 2 내지 6몰% 사이의 영역에 있게 된다.
상술된바와 같이, Al2O3은 광학 구성요소로서 SiO2-R2O-TiO2시스템 글라스에 추가되지만, SiO2기후 저항 특성을 향상시키고 글라스를 강화시킨다. 따라서, Al2O3은 필수 구성요소로서 글라스에 추가될수도 있다. 이러한 경우에, 글라스는 하기와 같이 구성된다.
SiO238 ~ 58%(몰%)
Na2O 13 ~ 25%(몰%)
K2O 2 ~ 15%(몰%)
TiO210 ~ 25%(몰%)
Al2O30.5 ~ 8%(몰%)
상술된 글라스 구성요소에서, R2O의 전체 량을 한정하는 것이 불필요하다. 그러나, R2O의 전체 량은 상술된 구성요소에서, 15 내지 40몰%, 바람직하게는 22 내지 32 %의 영역으로 제한된다.
본 발명의 제 2 관점에 따르면, 글라스는 상술된 수성요소 이외에, 알칼리 토금속 산화물 및 아연 산화물로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 적어도 하나의 산화물을 포함한다. 여러요소들 중에, 글라스가 MgO 및 ZnO을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 알칼리 토금속 산화물 및 아연 산화물은 불투명 저항 성질 및 글라스의 용융 성질을 개선시킨다. 그래서, 2가 원소를 포함하는 것은 액체 온도를 감소시키며, 글라스를 제조하고 형성하는데 용이하다. 또한, ZnO는 글라스를 강화하고 광학 다층의 볏겨지는 것을 방지하는데 효과적이다. 알칼리 토금속 산화물 또는 아연 산화물이 포함될때, 2가원소의 전체 량은 상술된 효과를 얻기 위해 2몰%보다 작지 않게 구성되며, 기후 저항 특성을 강하하지 않도록 15몰%보다 크지 않다.
우수한 불투명 저항 특성을 얻고, 기후 저항 특성의 감소를 줄이기 위해, 글라스는 하기와 같이 구성된다.
ZnO 0 ~ 10%(몰%)
MgO 0 ~ 13%(몰%)
CaO 0 ~ 10%(몰%)
SrO 0 ~ 8%(몰%)
BaO 0 ~ 6%(몰%)
보다 바람직하게는, 글라스가 MgO의 1 ~ 13몰% 및 ZnO의 0.5 ~ 10몰%로 구성되는 것이다.
상술된 SiO2-R2O-TiO2시스템 글라스는 Sb2O3와 같은 세정제를 포함하며, 상기 Sb2O3의 량은 0 ~ 0.1몰%사이의 영역으로 제한된다.
기후 저항 특성을 개선하기 위해, SiO2-R2O-TiO2은 ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 적어도 하나의 산화물을 포함한다. ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3와 같은 각 구성요소의 량이 0 내지 1.2몰%사이의 영역으로 제한되므로, 평균 열팽창 게수는 소정의 영역보다 작지 않다. 산의 저항은 상술된 구성요소가 0.2몰%보다 클때, 우수하게 개선된다.
본 발명이 상기 목적으로 부터 벗어나지 않는 한도에서, Li, 라탄계열원소, Nb, Ta, W, B, Ga, In, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Te의 산화물이 수몰%의 량으로 첨가된다. 이러한 산화물의 첨가는 글라스의 굴절률, 글라스 천이 포인트, 및 작업성능을 조정하는데 도움이 된다. 본 발명의 목적이 이루어지는 한도에서, 산화물 구성원소의 수몰%는 글라스에 포함된 산화 구성원소 대신에 플루오르 화합물로 대체될수 있다.
그러나, 발명자의 실험적인 연구에 따르면, 가장 바람직한 글라스 구성은 SiO2, Na2O, K2O, TiO2, Al2O3, MgO, ZnO의 구성 또는 세정제로서 구성요소에 첨가된 Sb2O3및 상술된 배합물로 특정지을수 있다.
본 발명의 제 1 및 제 2 관점에 따르면, 글라스 기판은 사용되는 통상의 글라스보다 큰 열팽창 계수를 갖게 된다. 그러므로, 산업분야에서 널리 사용되는 스테인레스 강(열팽창계수가 약 110 × 10-7/K)및, 탄소강(열팽창계수가 약 120 × 10-7/K)과 같은 금속 물질이 고정 부재로서 사용되더라도, 고정 부재와 글라스 기판사이의 열 팽창계수의 차이는 작게된다. 따라서, 온도의 편차로 인해 고정 부재 및 글라스 기판사이에 발생되는 응력의 결과인 광학 왜곡은 작게된다. 플라스틱 물질에 대하여, 중합 및 가교제의 정도를 선택하므로서 산업 분야에서 널리 사용되는 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, 및 폴리메틸 메타크릴레이트와 같은 물질들이 사용할수 있기 때문에 작은 장점을 얻을수 있다. 상기 물질의 열팽창 계수는 약 90 내지 150 × 10-7/K를 갖게 된다.
SiO2-R2O-TiO2시스템 글라스에 의해서 형성되는 광학 부재를 갖는 광학 유닛을 이용하여 광학 장치를 제조한다. 상기 광학 유닛은 상술된바와 같이 탄소강, 스테인레스강(형식 410), 폴리에틸렌, 폴리스틸렌 및, 폴리메틸 메타크릴레이트로 형성되는 고정부재에 고정된다. 상기 광학 장치는 열적 편차에 대해 광학 왜곡이 작게되고, 그러므로서 안정성이 우수하게 된다. 또한, 기후 저항이 우수하여, 광범위하게 다양한 작업 환경에서 사용 가능해진다.
다음으로, 본 발명의 광학 필터에 대하여 기술한다.
본 발명의 광학 필터는 파장 멀티플럭싱/디멀티플럭싱에 대한 광학 멀티플럭서/디멀티플럭서 장치를 위해 이용된다. 광학 필터는 높은 굴절률을 갖는 유전체 막과, 낮은 굴절률을 갖는 유전체 막들을 연속적으로 적층하므로서 글라스 기판에 형성된 광학 다층 및 상술된 글라스 기판을 구성한다. 광학 다층은 광학 간섭에 의한 밴드 통과 기능을 구비하며, 그 구조 및 굴절률을 변화시키므로서 통과 밴드내의 중심 파장을 변화할수 있게 된다.
높은 굴절률을 갖는 유전체막에 대한 물질로서 TiO2, Ta2O5, HfO2, ZrO2, CeO2, Al2O3, Y2O3, ZnS, MgO, La2O3, CdS, Si등이 있다. 낮은 굴절률을 갖는 유전체 막의 물질로는 SiO2, MgF2, ThF4등 있다. 높은 굴절류을 갖는 유전체 막의 바람직한 물질로는 Ta2O5, TiO2가 있지만, 낮은 굴절류을 갖는 유전체 막의 바람직한 물질로는 SiO2가 있다.
광학 필터에서 중심파장의 온도 변화는 사용되는 기판 물질의 선형의 평균 열팽창계수를 적절히 조절하므로서 감소될수 있다. 통과 밴드내에서의 중심 파장의 온도변화는 적층되는 막의 특성 및 적층조건에 좌우되더라도 100 내지 130 × 10-7/K사이의 영역내에서 적절한 열팽창계수를 갖는 기판을 사용하므로서 -0.0025nm/K 내지 +0.0025nm/K의 영역내에서 억제될수 있다. 그러므로, 광학 필터는 광범위한 온도 영역에 걸쳐 사용된다. 또한, 글라스 기판 물질은 우수한 기후 저항 특성을 구비하며, 그러므로서 폴리싱 공정중에 발생하게 되는 표면강하와 관련한 문제가 없다는 장점이 있다. 결국, 광학 필터는 다양한 작업 환경하에서 이용가능하게 된다.
여기서, 파장 멀티플럭싱/디멀티플럭싱이 1.5㎛의 파장 밴드내에서 수행되며, 디멀티프럭스된 파장 구성요소의들 사이의 간격은 100GHz(0.8nm의 파장 간격에 대응)로 된다. 또한, 광학 필터는 0.2nm의 높은 전송 밴드 너비를 구비한다. 이러한 환경하에서, 온도 변화가 2.5pm(0.0025nm)/K를 초과하고, 온도가 100도의 온도영역(예를들어, -30 내지 +70℃)으로 변화할때, 단일 광학 파장은 높은 전송 밴드 너비로 부터 변위 비통과 영역까지 변위되고, 멀티플럭스될수 없게 된다. 그래서, 광학 필터에서 귀찮은 일이 발생하게 된다.
또한, 멀티플럭스되고 디멀티플럭스되는 파장 구성요소의 간격은 50GHz(0.4nm의 파장에 대응된다)로 되게 한다. 광학 필터가 약 0.1nm의 높은 전송 밴드 너비를 구비하는 한도에서, 단일 광학 파장은 온도 변화가 0.5pm을 초과하고, 약 100℃의 온도 편차(예를들어, -30 내지 +70)가 광학 필터에서 발생될 때 비통과영역에 있게 된다. 결국, 광학 필터에서 귀찮은 일이 발생하게 된다.
상술된바와 같이, 본 발명에 따른 광학 필터는 -0.0025nm/K 내지 +0.0025nm/K(바람직하게는, -0.0005nm/K 내지 +0.0005nm/K)사이의 온도 변화를 갖게 된다. 그러므로서, 높은 신뢰성을 얻을수 있으며, 통상의 온도 변화 영역내에서 단일 광학 파장이 높은 전송 밴드의 외측에 위치되는 것을 방지할수 있다.
광학 필터에서 사용되는 글라스 기판이 455GPa보다 작지 않은 크누프 경도를 구비하므로, 온도 변화 100℃를 초과할지라도 광학 필터 및 글라스 기판사이의 선형 열팽창 계수의 차이로 인한 광학 다층이 글라스 기판으로 부터 볏겨지는 것을 방지할수 있다.
본 발명에 따르면, 광학 디멀티플럭서 장치가 광학 필터, 광 화이버 및 다수의 광 화이버를 구비하며, 상기 광 화이버는 멀티플럭스된 파장을 갖는 광선을 광화이버의 광선 출구 단부를 통해 광학 필터상에 안내하며, 상기 다수의 광 화이버들은 파장 구성요소가 광 화이버의 광학 다층을 통해 제공되는 입사단부를 구비한다.
본 발명에 따르면, 광학 멀티플럭서 장치는 광학 다층을 갖는 광학 필터와, 광학 다층에 의해 전송되거나 반사되는 파장 요소를 유도하도록 광학 필터에 위치된 다수의 광 화이버들과, 전송되고 반사되는 파장요소를 유도하기 위해 그리고 광 화이버의 입사단부를 통해 멀티플럭스된 광선을 안내하기 위해 위치되는 단일 광 화이버로 구성된다. 다수의 멀티플럭서된 파장을 고려하면, 사용되는 다수의 광 필터들은 통과 밴드들의 중심 파장에서 서로 상이하게 구성되며, 필터 각각은 멀티플럭싱/디멀티플럭싱 작업을 수행한다.
광학 멀티플럭서 장치 및 광학 디멀티플럭서 장치(종종 합처서 광학 멀티플럭서/디멀티플럭서 장치라고도 한다)는 광학 필터가 높은 신뢰성을 갖고 있기 때문에, 온도가 크게 변화하는 환경하에서도 높은 신뢰성을 갖게된다.
이제, 본 발명에 대하여 보기를 들어 상세히 기술한다.
〔보기 1 ~ 22〕
테이블 1은 본 발명에 따른 WDM필터용 글라스 기판을 구비하는 보기 1 ~ 22각각에 관련하여 약 -30 내지 +70℃사이의 영역에 걸쳐 선형적으로 평균적인 열팽창계수와 구성물을 나타낸다. 상기 테이블 1에서 각 구성요소의 함량은 몰%로 표시한다. 선형의 열팽창 계수는 10-7/K의 단위로 표시된다. R'O는 2가원소의 함량 또는 전체 량을 나타낸다.
본 발명의 글라스는 하기의 방식으로 준비된다. 각 구성요소의 물질로는 산화물, 탄산염, 질산염, 또는 이들 구성요소에 대응하는 물질이 있다. 테이블 1에 주어진 구성을 얻기 위해, 물질들은 중량화되고, 글라스 천연 물질을 준비하기 위해 충분히 혼합된다. 천연 물질은 플라티늄 도가니속으로 공급되고, 전기로를 이용하여 약 1200 및 1450℃사이의 온도에서 용융되며, 휘저으며, 세정하며, 일체화되며, 주조된다. 그리고, 금형은 적절히 예열, 고상화 및 정차적으로 냉각된다.
테이블 1에는 글라스의 구성에 대하여 기술되어 있다. 상세히 기술하면, 중량화되고 충분히 혼합된 물질들은 플라티늄 도가니속으로 공급되고, 상술된 공정 단계를 따라 1350℃의 온도로 미리 유지되어 있는전기로에서 2시간동안 용융된다.
각각의 보기에서, 배치는 용이하게 용용되고 균질화되며, 준비된 글라스에서는 불투명성이 관찰되지 않는다.
상술된바와 같이, 준비된 글라스는 30nmψ의 크기 및 1mm의 두께를 갖는 기판으로 형성되며, 두 표면상에 폴리싱 처리된다. 그래서, WDM 필터용으로 사용되는 글라스 기판이 준비된다.
각 보기에서의 글라스는 평균적인 선형의 열 팽창계수가 100 × 10-7/K를 초과한다. 여기서, 평균적인 선형의 열 팽창계수는 레이저 빔 및 광학 간섭체를 사용하는 레이저 빔 레이저 간섭체를 이용하는 레이저 간섭계 형식의 열 팽창 미터로 측정된다.
각각의 글라스는 분쇄되고, 플라티늄 바스켓속으로 놓여지며, 플라스크에서의 순수한 물속에 담겨진다. 1 시간동안 끊는 욕조에서의 처리후, 무게의 감소를 측정한다. 결국, 중량의 감소는 각 글라스의 0.1% 이하로 된다. 그래서, 화학적인 지속성이 우수해지는 것이 확인된다.
보다 상세히 기술하면, 폴리싱 처리되는 글라스 기판의 종류들은 1mm의 두께를 구비한다. 이러한 글라스 기판위에는 Ta2O5, SiO2막을 선택적으로 적층하므로서 형성되는 유전체 다층이 코팅된다. 유전체 다층의 적층방법은 광학 막들을 적층하는 방법으로서, IAD(Ion Assisted Deposition)방법으로 구성될수도 있다.
상술된바와 같이, Ta2O5의 막은 14㎛의 두께로 글라스 기판 표면에 적층되며, 결국 글라스 기판과 접촉하게 된다. 높은 온도/높은 습도 테스트는 약 600시간동안 85%의 상대 습도의 대기에서 85℃온도로 글라스 기판의 코팅표면 및 비코팅표면 모두에서 수행된다. 높은 온도 및 높은 습도 테스트는 본 비술분야에서 통상적으로 사용되는 방법이다. 테스트 후에, 글라스 기판의 두 표면들은 표면상의 반응 및 강하를 평가하기 위해 눈과 현미경으로 관찰된다. 관찰 결과, 글라스 기판의 비코팅표면상에서 얼룩이 관찰되지 않는다. 이와 같이, 광학 다층으로 피복되는 글라스 표면상에서도 반응이 관찰되지 않는다. 또한, 글라스 기판으로 부터 광학 다층의 벗겨짐도 관찰되지 않는다.
〔기준 예〕
준비물은 20%의 P2O5, 20%의 AlF3, 24%의 CaF2, 20%의 SrF2, 16%의 BaO(몰%)로 구성되는 플루오르포스페이트 글라스와, 30%의 Na2O, 70%의 SiO2(몰%)의 구성요소를 갖는 알칼리 실리케이트 글라스로 이루어진다. 상기 공정은 보기 1 내지 보기 22를 통해 유사하다. 용융 온도는 플루오르포스페이트 글라스 및 알칼리 실리케이트 글라스 각각에서 1050℃ 내지 1250℃의 영역으로 된다. 편균적인 선형의 열 팽창 계수는 플루오르포스페이트 글라스 및 알칼리 실리케이트 글라스 각각에서 125 ×10-7/K 내지 112 ×10-7/K로 된다.
각각의 글라스는 분쇄되고, 플라티늄 바스켓속으로 놓여지며, 플라스크에서의 순수한 물속에 담겨진다. 1 시간동안 끊는 욕조에서의 처리후, 무게의 감소를 측정한다. 결국, 중량의 감소는 각각 전후 0.25% 내지 5%사이로 된다. 그래서, 화학적인 지속성이 상술된 보기들의 글라스와 비교하면, 상이하다는 것이 확인된다.
〔실험적인 보기 23〕
보기 5에 주어진 구성요소를 갖는 글라스 블록은 두 대향 표면상에 폴리싱 처리되고, 1×1×1㎝의 치수를 갖게 된다. 이후, 글라스 블록은 도 3에 도시된 공정지그에 의해서 고정된다. 고정 지그는 SUS410(열팽창계수가 110 ×10-7/K이다)로 구성된다. 구성요소 1A,B 와 구성요소 2A,B들은 구멍들을 통해 볼트들이 삽입되어 글라스를 고정하므로서 고정된다. 각 구성요소 1A,B는 1×2×2.5㎝의 치수를 갖는 반면에, 각 구성요소 2A,B는 1×1×1㎝의 치수를 갖게 된다.
글라스가 고정 지그에 의해 고정된후, 일본 광학 글라스 산업 표준인 “광학 글라스의 스트레인 측정방법 조지스 14-1975”에 따라 실내 온도(23℃)에서 내부 스트레인이 일어나지 않는다. 이후, 글라스 및 고정 지그는 -25℃까지 냉각된다. 이때, 스트레인이 글라스에서 일어나며, 유사하게 평가된다. 결국, 1nm의 스트레인이 얻어진다. 그래서, 스트레인은 온도의 편차에 의해서 유도되며, 글라스 및 고정 지그사이의 미소한 열팽팡계수의 차이에 의해 발생된다.
〔비교 예 1〕
붕규산 광학 글라스 BK7(SiO2, B2O3, Na2O, K2O는 각각 74몰%, 9몰%, 11몰%, 6몰%로 구성됨)은 두 대향 표면상에 폴리싱 처리되고, 1×1×1㎝의 치수를 갖게 된다. 이후, 보기 23에 유사한 방법으로, 글라스는 도 3에 도시된 고정 지그를 고정하므로서 클램프된다. 글라스의 열팽창계수는 75 ×10-7/K이다. 보기 22와 유사한 방식으로, 글라스 및 고정지그는 냉각된다. 결국, 8nm의 스트레인이 얻어질수 있다. 그래서, 큰 스트레인이 온도의 편차에 의해서 발생된다.
〔보기 24〕
테이블 1에 도시된 구성요소들을 갖는 WDM 필터용 글라스 기판의 각 표면상에, 화브리-페롯(Fabry-Perot)형식의 1.55㎛ 밴드통과 필터는 높은 굴절률 물질 및 낮은 굴절률 물질로서, Ta2O5, SiO2를 이용하여 형성된다. 상기 막 구조는 글라스 기판/(HL)7/H2L(HL)7H/에어의 조합에 의해 제공되며, 여기서 H는 높은 굴절률의 유전체 막을 나타내며, L은 낮은 굴절률의 유전체 막을 나타낸다. 이러한 사실로 부터, 상술된 구조는 글라스 기판 측면으로부터 H 및 L막의 7 조합(전체 14개의 막으로 구성됨)으로 연속적으로 적층되고, 상술된바와 같이 7조합상에 두 H막들을 교번적으로 적층하므로서 이루어진다. 또한, 단일 L 막이 두 H막들에 적층되고, H 및 L의 7 조합막이 단일 L막에 적층되고, 단일 H 막이 7 조합막들에 적층된다. 여기서, 낮은 굴절률의 유전체 막은 스타팅 부재로서 SiO2로 형성되며, 높은 굴절률의 유전체 막은 스타팅 부재로서 Ta2O5로 형성된다. 기판의 온도는 350℃이다.
-20 내지 +40℃사이의 온도에서 광학 필터의 중심 파장에 좌우되는 온도를 측정하게 된다. 보기 10의 구성성분을 갖는 글라스를 위해, +0.0002nm/K의 값이 얻어진다. 그래서, 열적 안정성이 매우 우수하게 된다. 다른 구성성분의 글라스들은 비슷한 값을 갖게된다. 테이블 1에서의 마지막 칼럼에 도시된바와 같이, -0.0008nm/K 내지 +0.0020nm/K사이의 값이 얻어진다. 그래서, 열적안정성이 매우 우수한것이 확인된다.
여기서, 입사광선에 관련된 반사특성 및 전송은 막 구조에서 각각의 막 두께 및 굴절률로부터 계산되며, 입사광선의 극성화 및 파동에 좌우되게 된다.
막 구조에서 각각의 막, 즉 다층은 1/4의 파장(λ/4)의 전체 통합 또는 1/4파장과 동일하게 된다. 높은 굴절률의 물질질로서 TiO2, Ta2O5, HfO2, ZrO2, CeO2, Al2O3, Y2O3, ZnS, MgO, La2O3, CdS, Si등이 있다. 낮은 굴절률을 갖는 유전체 막의 물질로는 SiO2, MgF2, ThF4등이 있다.
상기 광학 다층은 인접한 파장 영역에서 광선을 리젝트하기 위해 좁은 파장 영역에 인접한 파장영역에서 높은 반사 특징 및 좁은 파장영역내의 높은 전송을 갖게된다. 결국, 상술된 광학 다층을 갖는 광학 필터는 WDM 광학 필터로서 적절히 이용가능하다.
〔보기 25〕
글라스 기판은 12mm의 두께 및 50mm의 직경을 구비하며, 46.5몰%의 SiO2, 3.3몰%의 Al2O3, 19.6몰%의 Na2O, 7.0몰%의 K2O, 16.6몰%의 TiO2, 5.2몰%의 MgO, 1.8몰%의 ZnO의 구성성분으로 구성된다. 유리 기판은 양 표면이 폴리싱된다. 그후, 1544 nm의 패스 밴드를 가지는 50GHz 타입의 패브리 페로 인터퍼런스 필터를 형성하는 광학 다중층은 유리 기판의 일 표면에 증착된다. 전술된 50GHz WDM 전달 시스템에서, 높은 전달 밴드들(즉, 전달 밴드들의 중앙 주파수들 사이의 간격)은 50 GHz, 또는 0.4 nm과 동일하다. 특히, 광학 다증층은 30 ㎛ 및 40 ㎛ 사이의 총 두께로 증착되며 개수에서 100 필름을 초과하는 Ta2O5및 SiO2필름의 선택적인 스택에 의하여 형성된다. 광학 다증층의 증착 후, 유리 기판은 광학으로 폴리싱되는 후면에 노출되도록 덮혀지지 않은 표면 측부로부터 1 mm의 두께로 얇아진다. 광학 폴리싱에 의하여 노출된 후면상에, 반사 방지 코팅이 적용된다. 그 후, 상술된 방식으로 처리되는 유리 기판은 기술적인 분야에서 각각 1.4mm x 1.4mm의 통상적인 크기를 가지며 광학인 필터로서 작용가능한 다수의 피스로 절단된다. 각각의 광학인 필터는 전달 중앙 파장을 지칭할 수 있는 전달 밴드의 중앙 파장에서 온도 안정도에 대하여 평가된다.
도 4를 참조하면, 0 및 60 ℃ 사이의 온도 범위내의 전달 중앙 파장의 변화에 대하여 도시된다. 상술된 온도 범위는 평가되는 필터 특성에 대하여 매우 중요하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 네가티브 온도 변화는 포지티브 온도 변화가 25 ℃ 보다 높은 온도, 즉 30 ℃보다 낮지 않은 온도에서 관찰되는 반면 25 ℃ 보다 높지 않은 온도에서 관찰된다. 그러나, 이 같은 온도 변화는 도 4로부터 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이 매우 작다는 것을 알 수 있다. 이것을 고려하면, 도시된 온도 범위내의 평균 온도 변화는 매우 작으며 네가티브 온도 변화로부터 포지티브 온도 변화로 변화된 온도 범위에 인접한 온도에서의 온도 변화는 제로(zero)로서 간주된다는 것으로 결론지을 수 있다. 상술된 온도가 이용가능한 주 온도(실온)로서 결정되는 경우, 최대 안정 온도 특성은 보통의 작업 환경(매우 높은 온도 환경이 아니다.)내에서 확정될 수 있다.
전술된 바와 같이, 온도 변화는 유리 기판에 포함된 R2O 및 TiO2의 각각의 양을 조절함으로써 실온에서 거의 제로가 될 수 있다.
도 4에서 보여진 온도 변화는 실온에 인접한 상대적으로 좁은 온도 영역에서 측정된다. 그러나, 평가가 에 24에 유사한 방식으로 수행될 때, 평균 온도 변화는 -20 ℃ 및 +40 ℃ 사이의 온도 영역내의 -0.0004 nm/K와 동일하다는 것이 확인된다. 광학 필터의 유리는 -30 ℃와 +70 ℃ 사이의 온도 범위내의 112.5 x 10-7/K의 평균 선형 열 팽창 계수를 가진다.
도 5를 참조하면, WDM용 광학 필터는 유리 기판 및 유리 기판에 선택적으로 증착된 Ta2O5및 SiO2필름의 스택을 가진다. 선택적인 예에서, 전술된 바와 같이 Ta2O5필름이 유리 기판과 접촉하며, Ta2O5및 SiO2필름은 이 도면에서 부분적으로 생략된다.
도 6을 참조하면, 전달 중앙 파장에서 평균 선형 열 팽창 계수 및 온도 변화는 각각 가로좌표 및 세로좌표를 따라 얻을 수 있다. 여기서, 광학 필터는 예 1 내지 22 및로서 열거된 각각의 유리 기판의 이용에 의하여 구성되며 평균 선형 열 팽창 계수와 온도 변화 사이의 관계는 각각의 광학 필터에 대하여 도시된다.
[비교예 2]
예 24에 유사한 방식에서, 밴드패스 필터는 기판 유리로서 붕규산 광학 유리 BK7의 이용에 의하여 개시된다.
예 24에 유사한 방식에서, 피크 파장의 온도 종속이 측정된다. 결론적으로, 0.0055 nm/K의 값을 얻을 수 있다. 그러므로, 열적 안정도는 본 발명의 필터에 비하여 부족하다.
[예 26]
다음으로, 본 발명의 WDM 광학 필터에 따라 일 실시예에 대하여 설명된다. 도 2는 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서에 의하여 수행되는 광학 멀티플렉싱/디멀티플렉싱의 작용을 설명하기 위하여 이용되는 개략적인 도면이다.
예 1 내지 22로부터 선택된 유리에 의하여 형성된 유리 기판상에서, 탈전자 다증층 필름은 전달 파장(λ1, λ2, 및 λ3)을 각각 가지며, 광학 필터(4a, 4b, 4c)를 형성하기 위하여 증착된다. 파장(λ1, λ2, 및 λ3)으로 구성된 신호 광선이 상기 필터로 공급된다. 그때, 신호 광선은 상기 필터를 통과한 후 파장(λ1, λ2, 및 λ3)으로 분리되거나 디멀티플렉싱된다. 그러므로, 상술된 구조물은 다중 파장 광선을 개별 파장으로 분리시키거나 디멜티플렉싱하기 위한 장치로서 작용한다. 광 전달 방향이 도면에 도시된 방향으로 전환된는 경우, 상기 구조물은 파장(λ1, λ2, 및 λ3)를 멀티플렉싱하거나 서로 조합하기 위한 장치로서 작용한다.
다음, 도 2는 4개의 파장 성분을 포함하는 신호 광선 비임으로부터 각각의 파장 성분을 디멀티플렉싱 또는 분리하기 위한 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서(조합기/분리기)를 설명하기 위하여 이용되는 개략도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 광학 멀티플렉서 또는 분리기는 예 1 내지 예 22로부터 선택된 유리를 이용하며 신호 광선 파장 밴드를 위한 투명한 베이스 부재(6)로 각각의 광학 필터를 고정함으로써 광학 필터(5A, 5B, 5C, 5D)를 준비함으로써 얻을 수 있다. 이 필터들은 각각 전달 파장(λ1, λ2, λ3, 및 λ4)을 가진다. 단일 모드 섬유(SMF)(9)로부터 방출된 신호 광선(파장: λ1, λ2, λ3, λ4)은 렌즈(8)에 의하여 조준되며 도면에 도시된 바와 같이 광학 디멀티플렉서 또는 분리기 장치로 입사된다. 파장(λ1) 광선은 SMF(10A)로 렌즈(7A)에 의하여 결합된 광학 필터(5A)를 통하여 전달되며, 채널(A)로부터 방출된다. 파장(λ2) 광선, 파장(λ3) 광선, 및 파장(λ4) 광선은 도면에 도시된 바와 같이 광학 필터(5B)로 입사되도록 광학 필터(5A)에 의하여 반사된다. 광학 필터(5B)에서, 파장(λ2) 광선은 상술된 방식과 유사한 방식으로 채널(B)로부터 방출시키기 위하여 분리되거나 디멀티플렉스된다. 또한, λ3 광선 및 λ4 광선은 채널(C 및 D)로부터 각각 방출된다.
파장 멀티플렉싱 전달에서, 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서 장치가 전달 측면 및 수용 측면에 배치된 단일 모드 섬유(10A-D)상에 배치된 단일 모드 섬유(SMF)(9)를 가지도록 한다. 이러한 상태에서, 상기 장치는 단일 광선 비임을 다수의 파장으로 디멀티플렉싱하기 위한 광학 디멀티플렉싱 장치로서 작용한다. 광선 전달 방향이 도면에 도시된 방향으로 전환되는 경우, 상기 장치는 다수의 광선 비임을 다중 파장을 가지는 단일 광선 비임으로 멀티 플렉싱하기 위한 광학 멀티 플렉싱 장치로서 작용한다. 임의의 비율에서, -0.0025 nm/K 및 +0.0025 nm/K 사이의 온도 변환을 가지며 고 신뢰도를 가지는 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서를 얻는 것이 가능하다. 특히, 도시된 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서 장치는 파장 성분이 고 밀도로 서로 매우 밀접한 파장 멀티플렉싱 커뮤니케이션에서 고 신뢰도를 가진다.
본 발명에 따라, 충분한 경도, 우수한 내후성 특성, 및 바람직한 평균 선형 열 팽창 계수를 가지며, 파장 분할 멀티플렉싱(WDM) 광학 필터에 대해 적절한 유리 기판을 얻는다. 게다가, 패스 밴드내의 중앙 파장에서 온도 변환이 거의 없으며 온도 변화에 대하여 고 신뢰성을 가지는 WDM 광학 필터 및 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서 장치를 얻는다. 더욱이, 유리 재료로서 이용된 유리에 포함된 특정한 유리 성분의 양을 조정함으로써 광학 필터로서 이용된 온도 범위에서 최소 온도 변환이 가능하다.

Claims (19)

  1. 글라스 기판의 표면상에 피복되는 광학 다층을 구비하는 WDM 광학 필터에 사용되는 글라스 기판에 있어서,
    상기 글라스 기판은 SiO2를 포함하는 글라스로 형성되며, 상기 글라스가 -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 100 × 10-7및 130 × 10-7/K사이의 열팽창 계수를 갖는 글라스 기판.
  2. 글라스 기판의 표면상에 피복되는 광학 다층을 구비하는 WDM 광학 필터에 사용되는 글라스 기판에 있어서,
    상기 글라스가 필수 구성요소로서 TiO2, SiO2, R2O(R은 알칼리 금속을 나타냄)를 포함하는 글라스로 형성되며, 상기 필수구성요소는 전체비율이 60몰%보다 작지 않게 구성되는 글라스 기판.
  3. 글라스 기판의 표면상에 피복되는 광학 다층을 구비하는 WDM 광학 필터에 사용되는 글라스 기판에 있어서,
    상기 글라스가 필수 구성요소로서 TiO2, SiO2, R2O(R은 알칼리 금속을 나타냄)를 포함하는 글라스로 형성되며, 상기 필수 구성요소 각각의 량이 필수 구성요소 이외의 나머지 구성요소의 각각의 량보다 크게 구성되는 글라스 기판.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 글라스가,
    SiO238 ~ 58%(몰%)
    TiO27 ~ 30%(몰%)
    Al2O30 ~ 12%(몰%)
    R2O 15 ~ 40%(몰%)로 구성되는 글라스 기판.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 글라스의 R2O성분이,
    Na2O 10 ~ 25%(몰%)
    K2O 4 ~ 15%(몰%)로 구성되는 글라스 기판.
  6. 제 2 또는 제 3 항에 있어서, 상기 글라스가,
    SiO238 ~ 55%(몰%)
    Na2O 13 ~ 25%(몰%)
    K2O 2 ~ 15%(몰%)
    TiO210 ~ 25%(몰%)
    Al2O30.5 ~ 8%(몰%) 로 구성되는 글라스 기판.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항중의 어느 한항에 있어서, 상기 글라스가 알칼리 토금속 산화물 및 아연 산화물로 구성되는 그룹으로 부터 선택된 산화물 R'O의 적어도 한 종들을 포함하는 글라스 기판.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 글라스의 R'O가 전체의 2 내지 15%(몰%)로 구성되는 글라스 기판
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 글라스의 R'O가,
    MgO 0 ~ 13%(몰%)
    CaO 0 ~ 10%(몰%)
    SrO 0 ~ 8%(몰%)
    BaO 0 ~ 6%(몰%)
    ZnO 0 ~ 10%(몰%)로 구성되는 글라스 기판.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항중의 어느 한항에 있어서, 상기 글라스가,
    MgO 1 ~ 13%(몰%)
    ZnO 0.5 ~ 10%(몰%)
    Sb2O30 ~ 1%(몰%)로 구성되는 글라스 기판.
  11. 제 2 항 내지 제 10 항중의 어느 한항에 있어서, 상기 글라스가,
    ZrO20 ~ 2%(몰%)
    HfO20 ~ 2%(몰%)
    La2O30 ~ 2%(몰%)
    Y2O30 ~ 2%(몰%)로 구성되는 글라스 기판.
  12. 제 2 항 내지 제 11 항중의 어느 한항에 있어서, 평균적인 선형의 열 팽창계수가 -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 100 × 10-7및 130 × 10-7/K사이의 영역을 구비하는 글라스 기판.
  13. 제 12 항에 있어서, 평균적인 선형의 열 팽창계수가 -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 105 × 10-7및 120 × 10-7/K사이의 영역을 구비하는 글라스 기판.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항중의 어느 한항에 있어서, 크누프 경도(Knoop hardness)가 455Mpa 보다 작지 않게 구성되는 글라스 기판.
  15. 광학 멀티플럭서/디멀티플럭서 장치에서 사용되는 광학 필터에 있어서,
    글라스 기판상에 적층되는 광학 다층 및 제 1 항 내지 제 14 항중의 어느 한항에서 청구하는 글라스 기판을 구비하는 광학 필터.
  16. 제 15 항에 있어서, 통과 밴드의 중심 파장에서의 온도 변화가 -0.0025nm/K 및 +0.0025nm/K 사이의 영역에서 변화하는 광학 필터.
  17. 제 15항 및 제 16항에서 청구하는 광학 필터를 구비하는 광학 멀티플럭서/디멀티플럭서 장치.
  18. 글라스 기판의 표면상에 고정적으로 부착되고, 밴드 통과 필터 기능을 구비하는 광학 다층을 적층하므로서 형성된 파장 분활 멀티플럭싱(WDM)광학 필터의 글라스 표면으로서 사용되는 글라스의 제조방법에 있어서,
    평균 열팽창 계수가 -30 내지 +70℃사이의 온도 영역내에서 100 × 10-7및 130 × 10-7/K사이를 갖도록 글라스의 구성요소로서 알칼리 금속 산화물 및 TiO2량을 조절하는 글라스 단계를 포함하는 글라스의 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서, TiO2및 RO의 량은 온도 변화가 상술된 온도 영역내의 광학 다층의 통과 밴드내의 중심 파장에서 최소로 되도록 광학 필터의 이용가능한 온도영역을 기준으로 조절되는 글라스의 제조방법.
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