(57)【要約】【目的】  小型化でき、機構的に簡単で、十分な温度補償の作用を有する光通信用温度補償デバイスを提供する。【構成】  本発明の光通信用温度補償デバイスは、−４０〜１００℃の温度範囲において、−１０〜−１２０×１０-7／℃の負の熱膨張係数を有する基材の所定箇所に内孔が形成され、該負の熱膨張係数を有する基材が、β−ユークリプタイト結晶、又はβ−石英固溶体結晶を析出し、結晶中に多数のマイクロクラックが形成されてなり、該内孔に、正の熱膨張係数を有する光部品が、２点以上又は全面で固定されるようにして貫通してなることを特徴とする。【選択図】        図１
2004295156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
−４０〜１００℃の温度範囲において、−１０〜−１２０×１０-7／℃の負の熱膨張係数を有する基材の所定箇所に内孔が形成され、該負の熱膨張係数を有する基材が、β−ユークリプタイト結晶、又はβ−石英固溶体結晶を析出し、結晶中に多数のマイクロクラックが形成されてなり、該内孔に、正の熱膨張係数を有する光部品が、２点以上又は全面で固定されるようにして貫通してなることを特徴とする光通信用温度補償デバイス。
【請求項２】
負の熱膨張係数を有する基材が、円柱形状、又は角柱形状であり、光信号の接続時に、内孔を貫通する光部品の位置決め部品として機能することを特徴とする請求項１記載の光通信用温度補償デバイス。
【請求項３】
負の熱膨張係数を有する基材の一端又は両端が、先端方向に細くなったテーパー形状を有することを特徴とする請求項１記載の光通信用温度補償デバイス。
【請求項４】
負の熱膨張係数を有する基材の側周部に、内孔に通じる小孔が１個又は複数個形成されてなることを特徴とする請求項１記載の光通信用温度補償デバイス。
【請求項５】
負の熱膨張係数を有する基材に形成された内孔の一端又は両端が、内側方向に細くなったテーパー形状を有することを特徴とする請求項１記載の光通信用温度補償デバイス。
【請求項６】
負の熱膨張係数を有する基材が、固相法によって作製されたβ−ユークリプタイトを主成分とする粉末の焼結体から作製されてなることを特徴とする請求項１記載の光通信用温度補償デバイス。
【請求項７】
負の熱膨張係数を有する基材が、複数のパーツに分割され、各パーツが接合されることによって作製されたものであることを特徴とする請求項１記載の光通信用温度補償デバイス。
【請求項８】
負の熱膨張係数を有する基材が、重量百分率で、ＳｉＯ2  ４３〜６３％、Ａｌ2Ｏ3  ３３〜４３％、Ｌｉ2Ｏ  ７〜１１％、ＺｒＯ2  ０〜６％、ＴｉＯ2  ０〜６％、ＳｎＯ2  ０〜６％、Ｐ2Ｏ5  ０〜６％の組成を有するガラスから作製されてなることを特徴とする請求項１記載の光通信用温度補償デバイス。
【請求項９】
負の熱膨張係数を有する基材が、重量百分率で、ＳｉＯ2  ５０〜７５％、Ａｌ2Ｏ3  １５〜３０％、Ｌｉ2Ｏ  ３〜７％、ＺｒＯ2  ０〜５％、ＴｉＯ2  ０〜６％、ＳｎＯ2  ０〜７％、Ｐ2Ｏ5  ０〜６％の組成を有するガラスから作製されてなることを特徴とする請求項１記載の光通信用温度補償デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負の熱膨張係数を有する基材を使用した光通信用温度補償デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、波長フィルタやカプラ、導波路等が重要なデバイスになりつつある。
【０００３】
この種のデバイスの中には、温度によって特性が変化し、屋外での使用に支障を来すものがあるため、このようなデバイスの特性を温度変化によらずに一定に保つ技術、いわゆる温度補償技術が必要とされている。
【０００４】
温度補償を必要とする光通信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を形成したデバイスであり、下記の数１の式に示した関係に従って、特定の波長の光を反射する特徴を有している。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デバイスとして注目を浴びている。
【０００５】
【数１】
2004295156.tif 000003
【０００６】
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。
【０００７】
しかしながら、このようなＦＢＧは、その周囲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数１の式を温度Ｔで微分して得られる下記の数２の式で示される。
【０００８】
【数２】
2004295156.tif 000004
【０００９】
この数２の式の右辺第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の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。
【００１０】
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。
【００１１】
この方法の具体例としては、例えば熱膨張係数の小さい合金や石英ガラス等の材料と熱膨張係数の大きなアルミニウム等の金属とを組み合わせた温度補償用部材にＦＢＧを固定する方法が提案されている。すなわち、図５に示すように、熱膨張係数の小さいインバー（商標）棒１０の両端にそれぞれ熱膨張係数の比較的大きいＡｌブラケット１１ａ、１１ｂを取り付け、これらのブラケット１１ａ、１１ｂに、留め金１２ａ、１２ｂを用いて光ファイバ１３を所定の張力で引っ張った状態で固定するようにしている。この時、光ファイバ１３のグレーティング部分１３ａが２つの留め金１２ａ、１２ｂの中間にくるようにする。
【００１２】
この状態で周囲温度が上昇すると、Ａｌブラケット１１ａ、１１ｂが伸張し、２つの留め金１２ａ、１２ｂ間の距離が短縮するため、光ファイバ１３のグレーティング部分１３ａに印加されている張力が減少する。一方、周囲温度が低下するとＡｌブラケット１１ａ、１１ｂが収縮し、２つの留め金１２ａ、１２ｂ間の距離が増加するため、光ファイバ１３のグレーティング部分１３ａ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の格子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。
【００１３】
しかしながら、このような温度補償装置は、機構的に複雑になり、その取り扱いが難しいという問題がある。
【００１４】
そこで上記の問題を解消する方法として、ＷＯ９７／２６５７２には、図６に示すように、予め板状に成形した原ガラス体を熱処理することによって結晶化し、負の熱膨張係数を有するガラスセラミック基板１４に、ＦＢＧ１５を固定することによってＦＢＧ１５の張力をコントロールする方法が示されている。尚、図３中、１６はグレーティング部分、１７は接着固定部、１８は錘を示している。
【特許文献１】国際公開第９７／２６５７２号パンフレット
【特許文献２】特開平１０−９６８２７号公報
【特許文献３】特開平８−２８６０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＷＯ９７／２６５７２に開示の方法は、単一部材で温度補償が行えるため、機構的に簡単であり、取り扱いが容易であるという利点はあるが、ガラスセラミック基板１５の片面にＦＢＧ１５を接着しているため、温度変化による基板の膨張時に基板が反らないように厚みを大きくすることが要求される。
【００１６】
またこのような基板１４を、他のデバイスと接続するには、別途コネクタが必要となり、その結果、接続部が増え、光損失が大きくなったり、デバイスコストが高くなったり、デバイスが大きくなるといった問題がある。
【００１７】
また上記以外にも、特開平１０−９６８２７号公報には、Ｚｒ−タングステン酸塩系、またはＨｆ−タングステン酸塩系からなる負の熱膨張係数を有する温度補償用部材が開示されているが、これらの原料は非常に高価であり、工業製品としての実用化は困難である。
【００１８】
さらに特開平８−２８６０４０号公報には、ガラスファイバよりも熱膨張係数の小さい温度補償用部材（固定部材）が開示され、この温度補償用部材は、石英ガラスの熱膨張係数である５．５×１０-7／℃より小さい正の熱膨張係数の材料、熱膨張係数がゼロ及び負の材料から作製されるが、十分な負の熱膨張係数を有する温度補償部材は全く示唆されていない。
【００１９】
すなわち特開平８−２８６０４０号公報では、ガラスファイバよりも熱膨張係数の小さい温度補償用部材を使用すれば、恰も十分な温度補償の作用が得られるかの如く記載されているが、このような理解は全くの誤りである。つまり上記した数１の式から明らかなように、温度補償用部材として正の熱膨張係数の材料を使用しても、十分な温度補償の作用は得られないし、また具体的な材料として熱膨張係数がほぼゼロである日本電気硝子（株）製のネオセラムＮ−０が示されているが、このネオセラムＮ−０であっても、負の熱膨張係数が小さすぎるため十分な温度補償の作用は得られない。
【００２０】
本発明の目的は、小型化でき、機構的に簡単で、十分な温度補償の作用を有する光通信用補償デバイスを提供することであり、また他の目的は、容易に、低コストで成形できたり、光ファイバとの接続方法の簡略化を図ることが可能な光通信用温度補償デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
すなわち本発明の光通信用温度補償デバイスは、−４０〜１００℃の温度範囲において、−１０〜−１２０×１０-7／℃の負の熱膨張係数を有する基材の所定箇所に内孔が形成され、該負の熱膨張係数を有する基材が、β−ユークリプタイト結晶、又はβ−石英固溶体結晶を析出し、結晶中に多数のマイクロクラックが形成されてなり、該内孔に、正の熱膨張係数を有する光部品が、２点以上又は全面で固定されるようにして貫通してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように本発明の光通信用温度補償デバイスは、小型化でき、機構的に簡単で、十分な温度補償の作用が得られるため、ファイバブラッググレーティングを始めとして、カプラ、導波路等の温度補償デバイスとして好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の光通信用温度補償デバイスは、−４０〜１００℃の温度範囲において、−１０〜−１２０×１０-7／℃の負の熱膨張係数を有する基材の内孔に、正の熱膨張係数を有する部品が固定されるように貫通孔が形成されてなるため、十分な温度補償の作用が得られ、しかも正の熱膨張係数を有する光部品にテンションがかかった状態でも、内孔の周囲で応力が釣り合い、従来の板状基板のように一方向から応力がかかることがないため、反り等の変形が発生し難い。従って基材の厚みを大きくする必要はない。さらにファイバへの応力を従来の板状基板のように下面方向からのみではなく、基材の全周囲から均一にかけることができるため、ファイバの耐久性を向上できることや、ファイバの保護が可能となるため、保護カバーを必要としないことから小型化が可能となる。
【００２４】
しかしながら基材の熱膨張係数が、−１０×１０-7／℃より正の方向に近づくと、温度補償が不十分となり、また−１２０×１０-7／℃より負の方向に大きくなると、逆方向の温度依存性が見られることになるため好ましくない。
【００２５】
上記の内孔は、基材の１ケ所に限らず、複数箇所に形成しても良く、また負の熱膨張係数を有する基材に、正の熱膨張係数を有する部品を固定するには、ポリマー（例えばエポキシ樹脂）、メタル（Ａｕ−Ｓｎ等の金属ハンダ）、フリット（例えば低融点ガラスフリットや、それと負膨張フィラーとの複合フリット）、熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂といった接着剤を使用すれば良い。特に基材の側周部に、内孔に通じる小孔を１個又は複数個形成すると、接着剤を内孔に注入しやすいため好ましい。
【００２６】
負の熱膨張係数を有する基材に対し、正の熱膨張係数を有する光部品を固定する場合、２点以上又は全面で固定するようにすれば良い。２点以上で固定する場合には、負の熱膨張係数を有する基材が縮んだ際でも、正の熱膨張係数を有する部品が、たわむことがないようにテンションを付与してから固定すれば良く、また全面で固定する場合には、正の熱膨張係数を有する部品がたわみにくいため、テンションを付与する必要がないという利点がある。
【００２７】
本発明において使用する基材は、ダウンドロー等の溶融ガラスから直接成形する方法や、溶融ガラスを予備成形した後、機械加工することによって所定の形状に成形しても良いが、熱膨張係数に異方性を示す結晶粉末を集積させてから、焼結することによって基材を作製すると、複雑な形状であっても、プレス成形、キャスト成形、押し出し成形等の方法によって容易に、低コストで、貫通孔の形成された基材を成形することが可能となるため好ましい。尚、結晶粉末を集積する際、有機バインダを使用すると、所望の形状の焼結体が得られやすいため好ましい。
【００２８】
本発明の負の熱膨張係数を有する基材は、内部に熱膨張係数に異方性を示す結晶を含んでなるため、全体として−４０〜１００℃の温度範囲において、−１０〜−１２０×１０-7／℃（好ましくは−３０〜−９０×１０-7／℃）の熱膨張係数が得られる。特に異方性の熱膨張係数を有する各結晶粉末粒子を使用すると、焼結過程で成長した結晶粒子の冷却中に結晶粒界に多数のマイクロクラックが発生し、所望の熱膨張係数が得られやすい。
【００２９】
異方性の熱膨張係数を有する各結晶粉末粒子は、熱処理中にそれぞれの結晶軸方向に熱膨張係数に従って様々な方向に膨張又は収縮し、各粉末粒子が互いに再配列されて充填密度が高くなり、各粒子同士の接触面積が増加する。このことは熱処理中に粉末粒子が互いに融着しあって表面エネルギーを最小にしようとする傾向を促進させ、その結果、高い強度、具体的には、１０ＭＰａ以上の曲げ強度を有するセラミック部材が得られるようになる。また本発明においては粉末粒子同士の接触面積を大きくするため、結晶粉末の粒径は５０μｍ以下であることが望ましい。
【００３０】
熱膨張係数に異方性を示す結晶粉末とは、少なくとも一つの結晶軸方向の熱膨張係数が負であり、他の軸方向には正であるような結晶のことを指し、代表的な例として、β−ユークリプタイト結晶やβ−石英固溶体結晶に代表される珪酸塩、ＰｂＴｉＯ3等のチタン酸塩又はＮｂＺｒ（ＰＯ4）3等のリン酸塩等及びＬａ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ等の酸化物の粉末が使用可能であるが、その中でも、特にβ−ユークリプタイト結晶粉末は、熱膨張係数の異方性が大きいため、−１０〜−１２０×１０-7／℃の熱膨張係数が得られやすく、さらに原料粉末を混合して焼成するいわゆる固相法によって作製されたβ−ユークリプタイト結晶粉末は、原料を一旦溶融する溶融法によって作製されたβ−ユークリプタイト結晶粉末に比べ、低温で合成でき粉砕も容易であるため安価に製造できるという利点がある。
【００３１】
また本発明においては、上記の結晶粉末に対し、他の種類の結晶粉末を混合することが可能であり、２種類以上の結晶粉末を併用することで、熱膨張係数や強度あるいは化学的性質の調整がより容易になる。
【００３２】
さらに本発明においては、上記の結晶粉末に対し、非晶質ガラス粉末、結晶析出性ガラス粉末、部分結晶化ガラス粉末、ゾル−ゲル法により作製したガラス粉末、ゾル、ゲルといった添加剤の１種又は２種以上を、０．１〜５０体積％の割合で添加してから焼結させることによって、曲げ強度をより向上させることが可能である。因みに結晶析出性ガラス粉末とは、熱処理することによって内部に結晶を析出する性質を有するガラス粉末のことであり、また部分結晶化ガラス粉末とは、ガラス中に結晶を析出した結晶化ガラス粉末のことである。
【００３３】
また本発明においては、負の熱膨張係数を有する基材を円柱形状や角柱形状にすると、円柱状や角柱状のスリーブを備えたコネクタ外筒管に対し、直接挿入でき、他の光通信用デバイスと内孔を貫通する光部品との位置決め部品として機能し、高精度の接続が可能となる。特に基材の端部を、その先端方向に細くなったテーパー形状にすると、コネクタ外筒管に挿入しやすくなるため好ましい。また基材の内孔の端部を、その内側方向に細くなったテーパー形状にすると、光ファイバを挿入しやすくなるため好ましい。
【００３４】
さらに本発明において使用する基材は、予め複数のパーツを形成し、これらのパーツを接合することによって作製すると、複雑な形状の基材であっても、容易に作製することが可能となる。
【００３５】
このような複数のパーツを接合することによって作製され、貫通孔を有する基材としては、例えば図２に示すような断面が半円状の２つのパーツ１９ａ、１９ｂを接合することによって作製される円筒状基材１９、図３に示すような断面が凹状の２つのパーツ２０ａ、２０ｂを接合することによって作製される角柱状基材２０、図４に示すような断面が凹状のパーツ２１ａと板状のパーツ２１ｂを接合することによって作製される角柱状基材２１が挙げられる。
【００３６】
また本発明で使用する負の熱膨張係数を有する基材を溶融法によりガラスから作製する場合には、重量百分率で、ＳｉＯ2  ４３〜６３％、Ａｌ2Ｏ3  ３３〜４３％、Ｌｉ2Ｏ  ７〜１１％、ＺｒＯ2  ０〜６％、ＴｉＯ2  ０〜６％、ＳｎＯ2  ０〜６％、Ｐ2Ｏ5  ０〜６％の組成を有するガラス、又はＳｉＯ2  ５０〜７５％、Ａｌ2Ｏ3  １５〜３０％、Ｌｉ2Ｏ  ３〜７％、ＺｒＯ2  ０〜５％、ＴｉＯ2  ０〜６％、ＳｎＯ2  ０〜７％、Ｐ2Ｏ5  ０〜６％の組成を有するガラスを熱処理することによって、内部に多数のβ−ユークリプタイト結晶やβ−石英固用体結晶を析出させる方法が採られる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明の光通信用温度補償デバイスを実施例に基づいて詳細に説明する。
【００３８】
（実施例１）
固相法で作製したβ−ユークリプタイト結晶の粉末を有機バインダ（エチルセルロース）と混合し、これを金型中に投入後、プレス成形することによって、円筒形状の圧粉体を作製した。
【００３９】
この圧粉体を１３００℃、１０時間の条件で加熱させた後、降温速度２００℃／時間で冷却することによって、図１に示すような円筒状焼結体２２を作製した。
【００４０】
この円筒状焼結体２２の結晶中には、多数のマイクロクラックが形成され、−４０〜１００℃の温度範囲における熱膨張係数は、−８０×１０-7／℃であった。
【００４１】
この円筒状焼結体２２の内孔２２ａに、シリカを主成分とする光ファイバで、屈折率グレーティングを施した正膨張光部品を挿入し、光ファイバにテンションがかかるようにした状態で、エポキシ樹脂を用いて内孔の両端部で接着、固定した。
【００４２】
こうして得られた光通信用温度補償デバイスの温度補償性能を調べるため、試験（使用温度範囲−４０℃から１００℃）を行い、温度補償しないデバイスを用いた場合と比較した。
【００４３】
その結果、温度補償しないデバイスの場合は、反射中心波長１５５０ｎｍに対して０．０１２ｎｍ／℃の温度依存性を示したのに対し、実施例のデバイスの場合には、０．００１ｎｍ／℃の温度依存性を示し、温度依存性を大幅に改善することができた。
【００４４】
（実施例２）
まず重量百分率で、ＳｉＯ2  ４６．５％、Ａｌ2Ｏ3  ４１．０％、Ｌｉ2Ｏ  ９％、ＺｒＯ2  ３．５％の組成となるようにガラス原料を調合した後、白金坩堝内で溶融し、次いで板状に成形してから、円筒形状に切削加工することによって、直径３ｍｍ、内径０．５ｍｍ、長さ４０ｍｍのガラス体を形成した。
【００４５】
次にこのガラス体を昇温速度２００℃／時間で加熱し、７６０℃で３時間、１３５０℃で１０時間保持した後、降温速度２００℃／時間で冷却することによって結晶化ガラス体を作製した。
【００４６】
こうして得られた結晶化ガラス体の主結晶は、β−ユークリプタイト結晶であり、結晶中に多数のマイクロクラックが形成され、−４０〜１００℃の温度範囲における熱膨張係数は、−７０×１０-7／℃であった。
【００４７】
この円筒状結晶化ガラス体を用いて、実施例１と同様の光通信用温度補償デバイスを作製し、その温度補償性能を調べたところ、反射中心波長１５５０ｎｍに対して０．００１ｎｍ／℃の温度依存性を示した。
【００４８】
（実施例３）
実施例２と同様に作製した結晶化ガラス体を切削加工することによって、図３で示すような断面が凹状の結晶化ガラス体と、板状の結晶化ガラス体の２つのパーツを作製した。次いで、これらのパーツをエポキシ樹脂を用いて接合することによって内孔を有する角柱状焼結体を作製した。
【００４９】
この角柱状焼結体を用いて、実施例２と同様の光通信用温度補償デバイスを作製し、その温度補償性能を調べたところ、反射中心波長１５５０ｎｍに対して０．００１ｎｍ／℃の温度依存性を示した。
【００５０】
（実施例４）
実施例２のガラスを溶融後、フィルム状に成形してから、ボールミルにより粉砕した。次に、これを金型中に投入した後、プレス成形することによって板状圧粉体を作製した。
【００５１】
この板状圧粉体を実施例２と同様の条件で加熱冷却し、結晶化ガラス体を作製した後、切削加工することによって、図２で示すような断面が凹状の結晶化ガラス体（パーツ）を２つ作製した。次いで、これらのパーツの端部同士をエポキシ樹脂を用いて接合することによって内孔を有する角柱状焼結体を作製した。
【００５２】
この角柱状焼結体の内孔に、シリカを主成分とする光ファイバで、屈折率グレーティングを施した正膨張光部品を挿入し、光ファイバにテンションがかかるようにした状態で、エポキシ樹脂を内孔に充満させて接着、固定した。
【００５３】
こうして得られた光通信用温度補償デバイスの温度補償性能を調べるため、実施例１と同様の試験を行ったところ、反射中心波長１５５０ｎｍに対して０．００１ｎｍ／℃の温度依存性を示した。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の内孔を有する基材の一態様を示す斜視図である。
【図２】本発明の内孔を有する基材の他の態様を示す斜視図である。
【図３】本発明の内孔を有する基材の他の態様を示す斜視図である。
【図４】本発明の内孔を有する基材の他の態様を示す斜視図である。
【図５】従来のＦＢＧの反射波長の温度変化に対する変動を防止する装置を示す正面図である。
【図６】表面にＦＢＧを固定した負の熱膨張係数を有するガラスセラミック基板を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  インバー棒
１１ａ、１１ｂ  Ａｌブラケット
１２ａ、１２ｂ  留め金
１３、１５  光ファイバ
１３ａ、１６  グレーティング部
１４  負の熱膨張係数を有するガラスセラミック基板
１７  接着固定部
１８  錘
１９  円筒状基材
２０、２１  角柱状基材
２２  円筒状焼結体
【図１】
2004295156.tif 000005
【図２】
2004295156.tif 000006
【図３】
2004295156.tif 000007
【図４】
2004295156.tif 000008
【図５】
2004295156.tif 000009
【図６】
2004295156.tif 000010