CN101561534A

CN101561534A - 离子交换法制作光波导的理论基础

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Publication number: CN101561534A
Application number: CNA2009100594189A
Authority: CN
Inventors: 张晓霞; 陈沛然; 张金令; 刘永智
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2009-10-21

Abstract

离子交换法制作光波导的理论基础，属于光通信技术领域，涉及光波导技术。在使用离子交换法制作光波导的过程中，折射率是形成波导的关键条件。该理论的核心内容就是阐述了是离子交换中的哪些因素以及这些因素又是怎样来影响折射率的增加和减小的。其具体内容主要有以下两点：1.折射率与交换离子的原子大小尺寸有关；2.与电子位移极化率有关。本发明可应用在离子交换法制作光波导上，可以避免传统的通过大量的试验来发现合适的用于离子交换的离子，在理论的指导下可以避免一些方向性的错误，节约试验的次数，从而达到降低成本的目的。同时还可以根据该理论的指导，扩展离子的选择范围，为找到更好的融盐配置打下坚实的基础。

Description

离子交换法制作光波导的理论基础

技术领域

离子交换法制作光波导的理论基础，属于光通信技术领域，涉及光波导技术。

背景技术

在当今实际应用的光通信系统中，主要采用1550nm和1310nm的光传送信号。这是因为1550nm的光在石英光纤中具有最低的损耗系数，而1310nm的光则具有零色散系数。因此，工作于1310nm和1550nm波长附近的光放大器受到了人们的广泛关注和大量研究。由于应用领域的局限性和波长的特殊性，人们对工作在1054nm波长附近的光放大器的研究相对较少。

光波导放大器是90年代初出现的又一种新型光放大器，与其它类型的光放大器相比，光波导放大器具有以下优点：制造成本低、单位长度增益高、结构紧凑、易于与其它光学器件集成、可以在同一衬底上提供无源和有源光路。在迅速发展的通信系统的巨大需求推动下，掺铒光波导放大器已经实现了商用化。而工作于1054nm波长附近的光放大器随着自由空间光通信和激光核聚变的发展，受到人们越来越多的关注，其中研究得最多的两类器件便是光波导型的放大器和光纤型的放大器。

一种工艺简单、成本低廉、操作方便，并且已被广泛采用的制作光波导的常用方法是：当玻璃材料浸在硝酸银或硝酸铊融盐中时，由于银离子或铊离子与玻璃中的钠离子发生交换，在玻璃的表面折射率会发射相当大的改变，形成光波导。按照Zachariaron的理论，可将玻璃的结构理解为一些不规则的连续网状结构。由于网格修饰离子与网格的结合是不牢固的，很容易在网格之间发生迁移，与溶液或融盐中的一价碱离子在玻璃表面发生交换。离子交换可以视作两种或两种以上离子之间的相互扩散。而离子交换使折射率增加或减小，折射率是形成波导的关键条件。而是离子交换的哪些因素，又是怎样来影响折射率的增加和减小的，这些都是离子交换法制作光波导的理论基础，需要我们的仔细研究，并运用到实践中来指导光波导的制作。

发明内容

当玻璃材料浸在硝酸银或硝酸铊融盐中时，由于银离子或铊离子与玻璃中的钠离子发生交换，在玻璃的表面折射率会发射相当大的改变，形成光波导。这是一种工艺简单、成本低廉、操作方便的制作光波导的常用方法，已被广泛采用。

按照Zachariaron的理论，可将玻璃的结构理解为一些不规则的连续网状结构。以硅酸盐玻璃为例，其基本骨架是二氧化硅(SiO2)，硅原子和氧原子按硅氧四面体的方式相互结合。在硅氧四面体中，硅的电价已经饱和了，而氧能够同时与两个硅连接在一起。因此，硅酸盐玻璃就是以硅氧四面体为基本结构单元，相互间以顶角上的氧原子连接在一起的空间配位网，故硅氧四面体又称为网络生成体。若玻璃中还含有另一些氧化物，它们的氧离子将参加配位网结构，金属离子则无确定位置，占据着网格间的空位。这些氧化物称为网络修饰剂。例如，氧化钠的作用是使两个SiO2四面体之间形成的一个桥联氧离子被两个非桥联氧离子所代替，造成玻璃结构网的局部中断，同时，钠离子占据在非桥联氧离子附近的网格间隙中。

由于网格修饰离子与网格的结合是不牢固的，很容易在网格之间发生迁移，与溶液或融盐中的一价碱离子在玻璃表面发生交换。离子交换可以视作两种或两种以上离子之间的相互扩散。离子交换使折射率增加或减小，由以下两个因素所致。而这两个因素构成了本发明离子交换法制作光波导的理论基础的主要内容，其具体可表述为：

1.折射率与交换离子的原子大小尺寸有关

如果用Li+代替Na+或K+这样的大离子，玻璃网格在小离子的周围发生溃坍，产生相当密集的结构，具有高的折射率；如果使用大离子替代小离子，网格膨胀，产生稀疏结构，得到较低的折射率。

2.与电子位移极化率有关

如果用Tl+、Cs+、Ag+、Rb+或K+，这种电子位移极化率较大的离子替换了Na+这种电子位移极化率较小的离子，折射率就会增加。附录1列出了一些离子的电子极化率、离子半径、能与Na+交换改变玻璃折射率的一价离子融盐的熔点和分解温度，以及折射率的增加值。

一价碱性离子Li+、Tl+、Cs+、Ag+、Rb+和K+与玻璃中的Na+交换，都可以提高玻璃的折射率。

(1)

离子交换(如附图1所示)

交换使玻璃折射率增大的原因，不是由于Li+的电子极化率，而是因为Li+比Na+小，在玻璃中产生相当密集的结构。这种方法产生的折射率增加值较小(＜0.015)，适宜于制作单模波导，也可勉强用来制作大数值孔径的多模波导。由于Li+的尺寸小，它在玻璃中的扩散相当快，因而可以在相当短的时间内制成较厚的多模波导。但是，因为玻璃中网格结构的溃坍，光波导的损耗是较大的。

(2)Cs+，

离子交换(如附图2所示)

由于Cs+、Rb+的电子极化率比Na+大，当它们与玻璃中的Na+交换后，可以提高折射率。在520℃下使用CsNO3融盐使碱石灰玻璃发生

交换，可制成平面型玻璃波导。由于Cs+的离子半径大，扩散得较慢，制作一个8μm深的波导需要37小时(520℃)，Δn＝0.03，损耗为1dB.cm-1。

交换也可制作平面玻璃波导，Δn＝0.015。

(3)

离子交换(如附图3所示)

Ag+比Na+大一些，但是Ag+电子极化率比Na+大得多，这个时候电子极化率的影响是主要的因素，于是得到的折射率增加值也很大(在碱石灰玻璃中为0.09，TiF6玻璃中为0.22)。Ag+与玻璃中的Na+即使在较低的温度下也能很好地交换，一般的交换温度为220~300℃，由于Na+和Ag+之间的相互扩散很强，因而扩散数个小时就可以得到模数相当多的多模波导。

附图说明

图1Li+融盐与磷酸盐玻璃材料的的离子交换，其中，1为熔盐中的Li+；2为磷酸盐基片中的Na+；3为含Li+的熔盐；4为磷酸盐基片表面的折射率变化；5为石英干锅；6为磷酸盐基片。

图2Cs+或者Rb+融盐与磷酸盐玻璃材料的的离子交换，其中，1为熔盐中的Cs+或者Rb+；2为磷酸盐基片中的Na+；3为含Cs+或者Rb+的熔盐；4为磷酸盐基片表面的折射率变化；5为石英干锅；6为磷酸盐基片。

图3Ag+融盐与磷酸盐玻璃材料的的离子交换，其中，1为熔盐中的Ag+；2为磷酸盐基片中的Na+；3为含Ag+的熔盐；4为磷酸盐基片表面的折射率变化；5为石英干锅；6为磷酸盐基片。

Claims

1、在使用离子交换法制作光波导的过程中，折射率是形成波导的关键条件。而离子交换法制作光波导的理论基础的核心内容就是阐述了是离子交换中的哪些因素以及这些因素又是怎样来影响折射率的增加和减小的。

2、根据权利要求1所述的离子交换法制作光波导的理论基础，其特征在于，其应用场合主要是以下被广泛采用的制作光波导的方法：当玻璃材料浸在含有一价碱离子的溶液或融盐中时，由于一价碱离子与玻璃中的钠离子发生交换，在玻璃的表面折射率会发射相当大的改变，从而形成光波导。该理论基础就是对该方法中的离子交换具有理论指导作用。

3、根据权利要求2所述的离子交换法制作光波导的理论基础，其特征在于，按照Zachariaron的理论，可将玻璃的结构理解为一些不规则的连续网状结构。由于网格修饰离子与网格的结合是不牢固的，很容易在网格之间发生迁移，与溶液或融盐中的一价碱离子在玻璃表面发生交换。离子交换可以视作两种或两种以上离子之间的相互扩散。而离子交换使折射率增加或减小。

4、根据权利要求1、2、3所述的离子交换法制作光波导的理论基础，其特征在于使用了以下理论作为离子交换法制作光波导过程中折射率增加或减小的判据：

1)折射率与交换离子的原子大小尺寸有关

如果用Li⁺代替Na⁺或K⁺这样的大离子，玻璃网格在小离子的周围发生溃坍，产生相当密集的结构，具有高的折射率；如果使用大离子替代小离子，网格膨胀，产生稀疏结构，得到较低的折射率。

2)与电子位移极化率有关

如果用Tl⁺、Cs⁺、Ag⁺、Rb⁺或K⁺，这种电子位移极化率较大的离子替换了Na⁺这种电子位移极化率较小的离子，折射率就会增加。