[发明专利]对玻璃陶瓷进行稳定化

说明书

本申请要求Russell A.Crook和James E.Webb的申请日为1999年4月26日、题为“对用于不气密环境中的β-锂霞石进行稳定化的方法”的美国临时申请序号60/131,013的利益。

玻璃陶瓷是已知的合成无机材料。它们的制法通常是熔制一种合适的前体玻璃，在该玻璃中就地生长至少一个结晶相。常通过用热处理将一部分玻璃转换为均匀分散在基体玻璃中的一种或多种结晶相来实现。玻璃陶瓷通常用其中主要结晶相的名称或本性来标明。

已经开发了许多种性质差异很大的玻璃陶瓷。这样，已有技术中描述了热膨胀系数(CTE)从非常高正系数直至较低负系数的多种玻璃陶瓷。本发明具体涉及具有负CTE的硅铝酸盐玻璃陶瓷，具体是β-锂霞石玻璃陶瓷，但不受此限制。

β-锂霞石玻璃陶瓷体可应用于电信器件。其一种用途是用在光纤形式的布拉格光栅，这种光栅是无热(意即温度补偿)的。例如，如图1所示，一个此类器件的形式是一根具有正CTE的光纤装在具有负CTE的基材上。这一配置补偿了纤维内的折射率变化和其正的CTE。光纤形式的布拉格光栅及其制作详细说明于美国专利5,104,209(Hill等)和美国专利5,351,321(Snitzer等)中。对这个用途，已经发现需要采用CTE负的硅铝酸盐玻璃陶瓷，具体是β-锂霞石玻璃陶瓷。

遗憾的是，硅铝酸盐玻璃陶瓷往往呈表面积大的微裂缝很多的多孔结构。这一特征与玻璃陶瓷组合物很强的极性相结合，结果是这种微裂缝结构非常容易吸收湿气。湿气与玻璃陶瓷中的极性组分(特别是氧化铝)反应会使得玻璃陶瓷的尺寸变大。当然这种尺寸上的变大会使得材料不能满足用作光栅的需要。

玻璃陶瓷与湿气的反应还会改变玻璃陶瓷的组成，从而改变其CTE值。当然这也是一个不希望有的不稳定效应。

因此，本发明的一个基本目的是提供一种方法，对微裂的玻璃陶瓷(尤其是硅铝酸盐玻璃陶瓷)进行稳定化，使其能抵抗热、潮湿气氛的作用，其由于与湿气反应而造成的尺寸和CTE值的变化最小。

另一个目的是提供一种用于通信设备的稳定的玻璃陶瓷器件。

还有一个目的是提供一种方法用于处理微裂的玻璃陶瓷，使其在使用时由于与湿气反应而造成的尺寸或CTE变化最小。

一个具体的目的是提供一种方法，用于处理CTE负的微裂玻璃陶瓷材料，使其能用于制作采用光纤形式的温度补偿布拉格光栅。

另一个具体的目的是提供一种能在热、潮湿气氛中使用的温度补偿布拉格光栅。

本发明的一个方面是一种对内表面积大的玻璃陶瓷体进行稳定化，防止其处于潮湿气氛中尺寸和/或CTE值发生变化的方法，该方法包括用碱金属偏硅酸盐(alkali metasilicate)的水溶液、对水非极性很强的硅烷非水溶液，或者先后用所述偏硅酸盐和所述硅烷对该玻璃陶瓷体进行涂覆。

本发明另一个方面是一种玻璃陶瓷体，它与外界气氛连通的内表面积大，该玻璃陶瓷体经过了偏硅酸钠(sodium metasilicate)水溶液、对水非极性很强的硅烷非水溶液、或者所述偏硅酸盐和所述硅烷的组合的涂覆，由此该玻璃陶瓷体在尺寸和/或CTE值的变化上是稳定的。

在附图中，

图1是一种无热光纤光栅器件的透视图，用来说明本发明的用途。

图2是表示材料CTE和频率(以kHz表示)之间关系的图。

图3和4是表示未用本发明方法进行处理的玻璃陶瓷体性能的图，用于比较。

图5和6是类似图3和4的图，但表示的是用本发明方法进行处理的玻璃陶瓷体的性能。

本发明是为了满足对β-锂霞石玻璃陶瓷体进行稳定化用于电信系统的需要。因此，本发明是就硅铝酸盐玻璃陶瓷进行描述的，β-锂霞石是这类玻璃陶瓷中典型的一种。然而，本发明显然可用于其它由于微裂缝而产生问题的微裂玻璃陶瓷。

为了方便起见，将就一种简单而又典型的无热化光纤布拉格光栅来说明本发明。这种光栅的简单透视图示于图1中。

折射光栅(即布拉格光栅)是一种在较窄波长带范围内反射光线的光敏器件。一般来说，这些器件上具有纳米尺寸的信道间隔。一种制作利用布拉格效应的滤光器的方法包括将光纤芯子印刻出至少一个周期的光栅。将该光纤芯子透过其包层对两束紫外光的干涉图案进行曝光，就得到反射光栅，它的取向可垂直于光纤轴。

被光纤光栅反射的光的频率通常随光栅区域温度的变化而变化。因此这种滤光器不能用于要求被反射光的频率应保持与温度无关的用途。显然需要设计一种对温度变化不敏感的系统。