MXPA97004370A - Dispostivo optico y sello de fusion - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivoóptico y un método para producir el dispositivo. El dispositivo comprende un substrato tiene un coeficiente de expansión térmica cercano a 0ónegativo y un componenteóptico fijado al substrato con un sello de fusión, estando el sello de fusión fusionado al producto de una frita de vidrio de baja fusión que tiene un CET positivo y una adición de prensa de un vidrio-cerámica que tiene un CET negativo.

Description

DISPOSITIVO ÓPTICO Y SELLO DE FUSIÓN CAMPO DE Lfl INVENCIÓN Un dispositivo óptico que comprende un substrato de expansión negativa, o cercana a cero, y un componente óptico sell do al irusrno con un sello de fusión.

ANTECEDENTES DE Lfl INVENCIÓN Una practica común es el uso de un sello de fusión corno un medio para unir las partes de un componente con el fin de formar un articulo mixto. Hasta ahora, los sellos de fusión se han utilizado para producir artículos tales corno lámparas, tubos de rayos catódicos, y otros dispositivos de exhibición. Una consideración importante para la producción de estos artículos ha sido una coi cidencia de coeficiente de expansión térmica (CET). Esto ha requerido que el sello final tenga un CET que se encuentre razonablemente cerca de la coincidencia con los CETs de las partes componentes que se van a sellar. En un tubo de rayos catódicos, por ejemplo, es común que los componentes de vidrio tengan un CET del orden de 95-105xlO-7/"C. La presente invención se refiere a artículos ópticos, o dispositivos, tales corno guias de ondas planares, rejillas de guia de onda, acopladores y filtros. En tales artículos, una fibra óptica puede unirse a un substrato que tiene un CET cercano a cero, o negativo rela ivament grande. Para este proposito, un sello de fusión debe adherirse firmemente tanto al substrato como a la fibra. La adherencia debe ser suficiente para permitir la transferencia de aire a través del sello descrita, que se encuentra, entre el substrato y la fibra. Los cambios en el índice de refracción pueden inducirse en las fibras pticas, tales como sílice y fibras de germania- ilice, por1 medio de luz UV. Las fibras, asi alteradas, son tiles para producir componentes ópticos complejos de banda estrecha, tales corno dispositivos de filtros y canales de agregar/goteo. Estos dispositivos pueden ser una parte importante de los sistemas de comunicaciones de longitud de onda múltiple. Una rejilla reflejante (o rejilla de Bragg) es un dispositivo fotosensible que refleja la luz sobre una l>anda de longitud de onda estrecha. Típicamente, estos dispositivos tienen canales espaciadores medidos en nanoinetros. Se conocen diversas construcciones de filtros ópticos que utilizan el efecto Bragg para el filtrado selectivo de la longitud de onda. Un método para construir un filtro involucra marcar por lo menos una rejilla periódica en el centro de la fibra óptica» El centro se expone a través del revestimiento metálico al patrón de interferencia de dos rayos ult avioleta. Esto da corno resultado una rejilla reflejante que puede orientarse en forma normal al eje de la fibra. En el caso de rejillas reflejantes de fibra de sílice y de germania-silice, las variaciones en el centro de longitud de onda se denominan por medio del cambio del índice reflejante con la temperatura. La frecuencia de la luz reflejada por medio de rejillas de fibra varia con la temperatura de la región de la rejilla. Por consecuencia, dicho filtro no puede utilizarse en aplicaciones en las que la frecuencia de la luz reflejada deba ser independi nte a la temperatura. Es obvio el deseo de crear un sistema que no sea sensible a los cambios de temperatura. La solicitud provisional de patentes S.N. 60/.010, 058, presentada el 16 de enero de 1996, describe un dispositivo no térmico en el que un componente térmicamente sensible que tiene un CET positivo se fija en dos ubicaciones espaciadas en la superficie superior de un substrato que tiene un CET negativo. Se sugiere un vidrio-cerámica de alu inosi lacato do litina, beta eucriptita, como un substrato ar utilizarse en tal dispositivo. También se muestra que el articulo unido al subs+ra+o, +al como una fibra óptica puede unirse por medio de un cemento de polímero org nico, una frita inorgánica, o ?n metal. Este es un proposito de la presente invención para proveer un dispositivo óptico que comprenda un componente óptico que tiene un CET positivo en combinación con un substrato que tiene un CET cercano a cero o negativo. Otro proposito es proveer dicho artículo en el que el componente esta unido al substrato por medio de un sello de fusión. Otro proposito es proveer un material sellador que tenga buenas propiedades de sellado, que tenga un CET bajo, y que pueda formar- un sello adheren+e entre el componente óptico y el substrato. Todavía otro proposito es proveer un procedimiento para producir tal dispositivo ptico incluyendo un sello de fusi n.

BREVE DESCRIPCIÓN DE Lfl INVENCIÓN El articulo de la invención es un dispositivo óptico que comprende un substrato que tiene un CET cercano a coro o negativo y un componente óptico fijado al substrato por medio de un sello de fusión, siendo el producto fusionado de una frita de vidrio que se funde a baja temperatura que tiene un CET y una adición de prensa de un vidpo-cerárnica que tiene un CEf negativo. La invención ademas reside en un método para producir tal dispositivo óptico que comprende mezclar una frita de vidrio que se funde a baja temperatura que tiene un CET positivo con una adición de prensa de un vidpo-ceramica que tiene un CET negativo, que forman una pas+a sel ladora con la mezcla, aplicando la pasta a una superficie en el substrato, colocando el componente óptico sobre la ?as+.a selladora, y calentando la pasta a una temperatura, y por un tiempo, para formar un sello entre el componente y el substrato.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Figura l en los dibujos anexos es una vista lateral que rnuest ra un dispositivo óptico típico incluido en la invención, Figura 2 es una representación gráfica de un sellado mal colocado.

DESCRIPCIÓN DE Lfl INVENCIÓN La presente invención surge en el proceso de crear- un medio efectivo para fijar ad erentemente una fibra óptica a un substrato de CET menor. Consecuentemente, la invención se describe con referencia a dicho artículo y a su desarrollo. No obstante, sera evidente que la invención no se limita, pero que se aplica generalmente a sellos de fusión en dispositivos ópticos. En la fabricación de un sello de tipo fusión, el material sellador debe calentarse a una temperatura en la que se vuelva suficientemente suave para mojar la superficie selladora y formar una coincidencia adherente. Para muchos propósitos, se desea mantener la temperatura de sellado lo mas ba a posible. Por consiguiente, Las fritas de vidrio que forman sellos a temperaturas inferiores a 500°C, de preferencia de 400~500°C, generalmente se refieren a vidrios selladores que se funden a ba a temperatura o a temperatura media.

El material vitreo que se utiliza para hacer sellos de fusión es comúnmente usado en forma de polvo, y se determina corno frita de vidrio. Laß fritas de vidrio senadoras por lo general se mezclan con un vehículo orgánico, tal como acetato de anilo, para formar- una pasta fluí ble o extruible. Esta mezcla de pasta es entonces aplicada a una superficie selladora, en este caso el substrato del dispositivo. Por lo general, existe una diferencia entre el CET de un componente que se es+á sellando y la de las frita de vidrio sellante. Una adición con prensa puede hacerse para proveer una coincidencia de expansión entre la frita y el componente. Además, de la compatibilidad de flujo y expansión, una frita de vidrio sellador deseablemente posee otra cantidad de características favorables. Estas incluyen la humectación de las partes que se van a sellar, y la compatibilid d con Los vehículos orgánicos. En particular, la frita debe ser-compatible con el vehículo y con la substancia aglutinante que se acostumbre para mtrocel losa y acetato de a ilo Los vidrios selladores de plomo-zinc- borato, ya sea cristalizadores o no cristalizadores, se han usado durante un largo período para producir sellos de fusión. En general, ésta familia de vidrio consiste esencialmente de 68-82% PbO, 8-16% ZnO, 6-12% B2O3, y opcionalmente, hasta 5% 1O2, BaO y AI2O3. Dichos vidrios generalmente se utilizan con temperaturas de sellado del orden de 430~5QQ°C. Más recientemente, se han desarrollado vidrios selladores que no son de una familia de piorno, sino de estaño-zinc- fosfato. Dichos vidrios se describen detalladamente en las patentes Estadouni enses No. 5,246,8*30 (Aitken y otros) y No. 5,281,560 (Francis y otros). Los vidrios descritos en estas patentes no tienen piorno y proveen en cierto modo temperaturas de sellado inferiores en la escala de 400-450°C. Los vidrios de flit en y otros son de particular ínteres para el uso en producción de sellos de envolturas de tubos de rayos cat dicos, debido a su contenido relativamente ba o de oxido de estaño. Ademas de no tener- piorno, es-tos vidrios tienen composiciones que contienen 25-50 mole % P2O5 y SnO y ZnO en tales cantidades que la relación molar de SnO:ZnO se encuentre en la escala de 1:1 a 5:1. Las composiciones de vidrio además pueden contener hasta 20 mole % de óxidos modificantes que incluyen hasta 5 mole % S1O2 , hasta 20 mole % B2O3 , y hasta 5 mole % AI2O3. Estos también pueden contener uno o as promotores de cristali ación seleccionados de 1 a 5 mole % de circón y/o circónía y 1/15 mole % R2O. Ademas, la composición puede incluir un sello promotor de adherencia seleccionado de hasta 5 mole % UO3 , hasta 5 mole % M0O3 , hasta 0.10 mole % metal de Ag y mezclas. Los vidrios de Francis y otros emplean SnO y ZnO en una relación molar mayor- de 5:1. Es+os tambi n contienen, en su composición, por lo menos un oxido estabilizador seleccionado del grupo que consiste de hasta 25% R2O, hasta 20% B2O3 , hasta 5% AI2O3, hasta 5% S1O2 , hasta 5% UO3.

Par-a los propósitos presentes, puede prepararse una frita de vidrio sellador fundiendo una carga de vidrio de composición adecuada. El vidrio fundido se enfria, de preferencia por- congelaci n para formar piezas fracturadas, y después se trituran para formar un polvo de vidrio (fp+a). La fri+a de vidrio es entonces mezclada con una adición de prensa de acuerdo con la invención. La combinación se mezcla con un vehículo y con un agente adherente para formar una pasta que tiene una viscosidad adecuada para la aplicación a la superficie selladora. El vehículo y el agente adherente tradicionales que se utilizan en el sellado de tubos de rayos catódicos os una mezcla de nitrocelulosa y acetato de arnilo. Recientemente, se ha desarrollado un vehículo que ev?+_a los compuestos orgánicos volátiles. Este vehículo, una solución acuosa de un polímero celulósico, se describe en la solicitud provisional S.N.60/012, 330. Esta solici+ud se presentó el 2? de febrero de 1996, sé cedió al mismo cesionario que la presen+e solicitud, y se incorpora a la presen+e por referencia. Cualquier vehículo puede emplearse, al igual que cualquier otro vehículo adecuado, para llevar a cabo la presente invención. La presente invención se ha desarrollado par-a usarse en aplicaciones de guía de ondas, tales como rejillas unidas a un substrato de expansión cercano a 0 o negativo. Cercano a 0 significa un valor CET de 0±10xl0-7/°C sobre la escala de temperatura de 0-300°C. Los materiales típicos son sílices fusionados. Un CET negativo significa que la expansión tiene un declive negativo. El substrato puede formarse a partir de vidno-cerarnica de beta-eucpptita. En ese caso, la adición de prensa empleada es por lo menos predominantemente un pirofosfato. Un pirofoßfato adecuado tiene una fórmula genérica, 2(Co,f1g)0-P2?s - Este cristal pasa por una fase de inversión a una temperatura en la escala de 70-300°C. La temperatura exacta depende del nivel de Co. A excepción de la fase de inversión, el material tendrá un CET positivo sobre la escala de 0-300°C. Sin embargo, de la fase de inversión resulta un cambio de volumen. Esta tiene el efecto neto de disminuir el CET del sistema hasta el negativo. El material especifico que se emplea con un substrato de beta-eucnp ita contiene 28 cationes % CoO. Alternativamente, el substrato ue e ser un sílice fusionado. En ese caso, la mezcla de vidrio sellador- puede emplear, como una adición de prensa de vidrio-cer mica, un pirofosfato en conjunción con un material que tiene un coeficiente de expansión muy bajo o negativo. Por ejemplo, el material puede ser un beta-eucpp+ita, un beta-espodurnena, o un beta-cuarzo que provee un CET efectivo cercano a 0 en un sello que tiene pocas fallas o ninguna coincidencia al hecha con el substrato. Estos materiales disminuyen el CET efectivo en el sentido aditivo usual. La beta-eucn ptita es un aditivo preferido, y sera predominante en una mezcla. Esta se produce haciendo cerámica un vidrio adecuado a una temperatura en la escala de 1250°-1350°C durante 4 horas. Los CET se miden en la escala de -50 a 75xl0-7/°C. Ambas adiciones de prensa son vidrio- cer mica. Estas se funden como vidrios por medio de técnica tradicionales de fusi n de vidrio, permitido para cristalizar, y después se pulveriza a un polvo de 20-25 mieras por medio de prensado de bola. Después del prensado de bola, las partículas grandes so remueven de cada relleno ya sea por medio de clasificación cíe aire o por medio de tamizar a través de una pantalla 400 I . Para los propósitos presentes, se emplea ya sea una frita de plorno-zmc-borato o una frita de estaño-zm -fosfato. Sin embargo, el calentamiento de una pasta por medio de un rayo de láser para propósitos de sellado es necesario en muchas api Lcaciones. En ese caso, una mezcla con la frita que no cont Lene plomo, sino estaño-zinc- fosfato se desempeña mucho mejor y es la frita preferida. La familia de vidrio de esta o-zme-fosfato se ha descrito en las patentes Aitken y otros, y Francis y otros como se hizo notar con anterioridad. Lo que esas ptttentes muestran se incorpora en su totalidad. Para los propósitos presentes, se prefieren vidrios que tienen composiciones entre las estequiometrías de ortofosfato y de pirofosfato, es+o es, en+re 25 y 33 mole % P2?s , 0-15 ole % ZnO, 0-5 mole % de óxidos opcionales que incluyen S1O2, l2Ü3, 2?3 y UO3 con el balance en SnO con la relación molar de SnO:ZnO de preferencia en 1- En la labor de desarrollo, se utilizó una base de vidrio parecida a la composición de or+ofosfato. Esta composición de vidrio, sobre una base molar, consiste esencialmente de 28.5% de P2O5 , 1% B2O3, 0.5% AI2O3 y SnO y ZnO en una relación molar de 10:1. El vidrio se fundió a 950°C, se enfrio por medio de enrollamiento, y después se paso por la prensa de bola para lograr un tamaño de partícula promedio del 20-25 mi ras. Varias mezclas del vidrio base y los rellenos se prepararon por medio de mezclado en seco del polvo ya pesado por una prensa de rodillo. Las mezclas se tamizaron a través de una pantalla gruesa para lograr un mezclado adicional. El flujo se evalu por medio de presionar con la mano una pella cilindrica de flujo de 5 gramos, colocando la pella sobre un portaobjetos de microscopio, y calentándola en el ciclo térmico deseado. La expansión térmica se midió haciendo una muestra mal unida a partir de una pasta de La mezcla de frita con acetato de anulo y nit rocelulosa. Esta pasta se usó para preparar un sello de emparedado inverso con dos subs ratos de sílice fusionados. Esta muestra mal unida se secó, y después se calentó en el ciclo térmico deseado. Las características de expansión mal unidas en el substrato se midieron en un polapmetro. El siguiente cuadro enlista la información de varias mezclas de frita. También se muestra, en términos de tensión o compresión, la mala coincidencia RT observada para cada mezcla en un sello de emparedado inverso con sílice fusionado. El ciclo térmico que se utilizó fue de 425°C durante una hora. La composición de cada mezcla se da en porcentaje en peso. Las mezclas de frita 1 y 3 son ya sea neutrales, o en tensión muy suave, con sílice fusionado. El flujo de las mezclas 1 y 3 fue muy bueno a los 425°C de temperatura de sellado utilizados par-a las muestras. Estas mezclas parecen útiles para sellado a un subs+ra+o de sílice fusionado. Las mezclas descritas 5 y 6 estuvieron en una compresión muy alta en sellos de emparedado de sílice fusionado. Estas mezclas son útiles para sellado con substrato de expansión inferior, beta-eucrip+ita. Un dispositivo de rejilla se preparó usando estas fritas. Una longitud de fibra se selló a 450°C a una placa de be+a-eucr?p+?+a utilizando la frita 6. Las lecturas polar?me+ ricas se hicieron en La fibra de guía de ondas. Es+as rnos+raron que la fri+a 6 suficientemente unida a la placa de beta~eucn?t?+a para transferir pasa de la mala coincidencia del substra+o de expansión negativa a la fibra de expansión positiva.

EXPANSIÓN BAJA, MEZCLAS DE FRITA SIN PLOMO Vidrio 75 70 75 72.5 70 70 B-eucriptita 17.5 20 15 17.5 • 10 Co-Mg 7.5 10 10 10 20 30 pirofosfato Flujo, mm 24 18 21 22 25 teila Unión T tensión neutral tensión tensión ca?presión caipresicn suave suave suave moderada alta La Figura 1 en los dibujos anexos es una vista esquemática de un dispositivo de rejilla de fibra óptica no térmica 20 de conformidad con la invención. El dispositivo 20 tiene un substrato 22 formado a partir de un bloque plano de un material, de expansión negativo, tal co o beta-eucriptita. Una fibra óptica 24, que tiene por lo menos una rejilla reflejante inducida de rayos UV 26 incluida en la misma, se monta sobre la superficie 28 del substrato 22. La fibra 24 se une a cualquier ex remo de la superficie 28 en los puntos 30 y 32. La coincidencia de la fibra 24 y el substrato 22 en los puntos 30 y 32 se logra con un pequeño botón de material de vidrio sellador 34 de conformidad con la presente invención. En el dispositivo de rejillas mostrado, es importante que la fibra 24 siempre este derecha y no se someta a compresión como resultado de la expansión negativa. De este modo, La fibra 24 por lo general se non+a bajo tensión. Antes de la coincidencia, se coloca ba o tensión controlada corno se muestra esquemáticamente por medio del uso de un peso 34. La elecci n adecuada de la tensión asegura que la fibra no esta bajo compresión en todas las temperaturas de uso anticipado. 0+ ro dispositivo en el que la presente invención encuentra aplicaciones es un circuito óptico de onda luminosa. Este eß un dispositivo que tiene un substrato de sílice fusionado con varias funciones ópticas formadas on ol mismo. Cada función debe proveerse con una conexión a una fibra externa separada en La misma manera que se necesitan conexiones eléctricas en un circuito integrado. Cada fibra conec+ora debe estar sellada a, y mantenida en alineación por, una gota de material sellador, de conformidad con la presente invención. Las mezclas 1 o 3 en el CUADRO pueden utilizarse para esta api icacion. Los sellos de fusión en tales dispositivos ópticos tienden a ser muy pequeños. Esto requiere un con+rol cuidadoso del procedimiento de sellado. En consecuencia, frecuentemente es deseable usar una fuente controlable de calor, tal corno un láser, en lugar de flama o un calentador convencional. De este modo, un rayo de láser puede desenfocarse, esto es, enfocarse a una corta distancia o en frente del obje+ivo. Esto evita el sobre calentamiento que puede ocurrir con un enfoque de pun+o. También se encuentra deseable, para muchas aplicaciones, usar calentamiento indirecto. Por ejemplo, para fijar una fibra en un substrato, pueden aplicarse una o rnás gotas de pasta selladora a un frente de la superficie de un substrato. Entonces se monta la fibra como se muestra por ejemplo en la figura 1. Una fuente de calor, ya sea una flama quemadora, o un rayo de láser, se apLica a la parte posterior, que se opone a la superficie del substrato. De esta manera, la pasta selladora se suaviza térmicamente por medio del paso de calor a través del substrato. En lugar de por calentamiento directo. Esto permite el mejor control del proceso de sellado y que exista menor riesgo de daño al dispositivo. En el caso de que se utilice un láser, debe desenfocarse para evitar daños en el substrato. Figura 2 ilustra una mala coincidencia cuando se utilizan dos diferentes mezclas para hacer un sellado de emparedado con sílice fusionado. La temperatura se marca en el e e horizontal; la mala coincidencia en partes/millón (ppm) par-a el substrato se marca en el eje vertical. Los valores de mala coincidencia para la mezcla de frita tienen los mis os valores numéricos que para el substrato, pero con el signo cambiado de positivo a negativo. Los valores positivos en la figura 2 indican que el substrato esta en tensión, y que la mezcla de frita esta en compresión. La curva A muestra los valores de mala coincidencia medidos en varias temperaturas con un sello entre la mezcla l y el sílice fusionado. La curva B muestra la mala coincidencia bastante severa medida entre la mezcla 6 y el sílice fusionado en donde la frita está en un estado alto de compresión. Se pretende utilizar la mezcla 6 con un substrato que tiene un coeficiente de expansión térmica (CET) mucho menor que el del sílice fusionado. Por ejemplo, esto se utiliza con un substrato de beta-eucriptita que tiene un CET de aproximadamente-50xlO- 7/°C.

Claims (10)

NOVEDAD DE Lfl INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1. - Un dispositivo óptico que comprende un substrato que tiene un coeficiente térmico de expansión y un componente óptico fijados al substrato con un sello de fusión, siendo el sello de fusión eL producto fusionado de una frita de vidrio que se funde a baja temperatura que tiene un CET positivo y una adición de prensa que contiene un vidrio-cerarnica que tiene un CET negativo. 2.- Un dispositivo óptico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado ademas porque la prensa de adición del vidrio-ceranica es un pirofosfato sólo o una mezcla con un vidrio-cerámica de expansión muy baja o negativa. 3.- Un dispositivo óptico de conformidad con la reivindicación L, caracterizado adornas porque el substrato es beta-eucpptita y la adición de prensa es por Lo menos predominantemente un vidrio-cer rnica de pirofosfato que +?ene un CET negativo. 4- Un disposi+ivo óp+ico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el substrato es un sílice fusionado y la adición de prensa es una mezcla de pirofosfato y una beta-eucripti t . 5.- Un dispositivo óptico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la frita de vidrio de punto de fusión bajo es un borato de piorno o un estaño-zinc- os fato . 6.- Un dispositivo óptico je conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el componente ptico es una fibra óptica. 7.- Un dispositivo óptico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado además porque el sello de fusión es un botón mixto de frita de vidrio y de una adición de prensa, y esta fusionado a una mancha obre la superficie de substrato. 8.- Un procedipuen+o para producir un dispositivo ptico que comprende un substrato que iene un coeficiente de expansión térmica cercano a cero o negativo y un componente óptico fijado al substrato que comprende mezclar una frita de vidrio de baja fusión que tiene un CET positivo con una adici n de prensa de un vidrio-cerámica que tiene un CET efectivo negativo, que forma una pasta selladora con la mezcla, aplicando la pasta a una superficie sobre el substrato, colocando el componente óptico sobre la pasta sel 1 adora y calentando la pasta a una +ernperatura y durante un tiempo par-a formar un sello entre el componente y el substrato. 9.- Un é+odo de conformidad con la reivindicaci n 8, caracterizado ademas porque comprende calentar la pasta selladora con un rayo de láser desenfocado con respecto a la pasta selladora. 10.- Un método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque una fuente de calor se aplica a la superficie posterior del substrato por medio del cual la pasta senadora en la superficie opuesta se suaviza por medio de calor conducido a través del substrato. RESUI1EN DE Lfl INVENCIÓN Se describen un dispositivo óptico y un étodo para producir el dispositivo. El dispositivo comprende un substrato que +iene un coeficien+e de expansión térmica cercano a 0 o negativo y un componente óptico fijado al substrato con un sello de fusión, estando el sello de fusión fusionado aL producto de una frita de vidrio de baja fusión que tiene un CET positivo y una adición de prensa de un vidrio-cerámica que tiene un CET nega+ivo. IV/mrnrn P97/492