CN1583627A - 磷酸盐玻璃光波导的制作方法 - Google Patents

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陈宝玉
柳祝平
胡俊江
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Abstract

一种磷酸盐玻璃光波导的制作方法，它包括下列步骤：①熔制掺铒磷酸盐玻璃；②利用该掺铒磷酸盐玻璃，通过离子交换法制作光波导。该玻璃化学稳定性好，在离子交换过程中能够保持良好的表面光学质量，光波导表面折射率变化Δn为0.005～0.04，波导的传输损耗均小于1dB/cm，以此发明制作的波导激光器和波导放大器在光通信领域具有广泛的应用价值。

Description

磷酸盐玻璃光波导的制作方法
技术领域
本发明涉及磷酸盐玻璃，特别是一种磷酸盐玻璃光波导的制作方法。
背景技术
铒原子在1550nm光通信窗口上提供增益。为了满足“城域网”市场对高集成度、高性能和低价格器件的需求，光通信器件向小型化、集成化方向发展。光波导结构能够将泵浦光能量约束在截面积非常小、长度较长的区域内，从而提高泵浦光功率密度和有效作用长度，得到很高的单位长度激光增益，约为光纤结构的100倍。与掺铒光纤放大器相比，掺铒玻璃波导放大器具有制造成本低、单位长度增益高、结构紧凑、尺寸小巧，便于集成等特点。
为了制作单位长度高增益的波导光放大器，Er3+的高浓度掺杂是必须的，通常比光纤放大器中Er3+浓度高两个数量级。在各种Er3+的玻璃基质中，硅基玻璃由于其优异的化学稳定性和与光纤相兼容而普遍使用。然而由于在硅基玻璃中Er3+容易发生上转换和团簇效应，Er3+的掺杂浓度受到限制。在磷酸盐玻璃中，Er3+不易发生荧光上转换和团簇效应，可以制作出单位长度高增益的波导放大器，从而成为掺Er3+光波导放大器制作的首选基质材料。而磷酸盐玻璃的化学稳定性较差又限制了其在波导制作中的应用。因此在开发新型的波导放大器和激光器过程中，关键是寻找一种化学稳定性好的玻璃组分并在其中实现良好的离子交换性能，制作高性能光波导器件，以满足光通信市场的需要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种磷酸盐玻璃光波导的制作方法，以改善磷酸盐玻璃差的化学稳定性，并对离子交换条件进行优化。
本发明的技术解决方案如下：
一种磷酸盐玻璃光波导的制作方法，其特征在于它包括下列步骤：
①熔制掺铒磷酸盐玻璃；
②利用掺铒磷酸盐玻璃，通过离子交换法制作光波导。
所述的掺磷酸盐玻璃的组分如下：
      组分                mol％
      P2O5              50-70
      R2O                6-20
      AmOn              5-15
      MO                  10-20
      Re2O3             0.5-5
      其中R为碱金属(R＝Li，Na，K等)；
     AmOn为高价态氧化物Al2O3、Y2O3以及Nb2O5；
      M为碱土金属(M＝Be、Mg、Ca、Sr、Ba)；
      Re为稀土元素Er。
所述的稀土元素Re为铒，或Er/Yb共掺，或其他稀土元素。
所述的R2O的优选含量为10～15mol％。
所述的磷酸盐玻璃采用通常的熔融浇注法制备：
①选定玻璃配方并按配方称取玻璃原料，充分搅拌均匀，然后放入铂金坩锅内；
②置于硅碳棒电炉中进行熔制，熔制温度控制在1200～1300℃，经均化澄清后降温至950℃～1000℃出炉；
③将玻璃熔液倒入事先预热的模具上后，快速将其放入已升温至其转变温度(Tg)的马弗炉中，保温2小时后，以10℃/小时的速度退火至200℃左右，然后再以20℃/小时的速度退火至100℃后，关闭马弗炉，自然冷却到室温。
所述的光波导的制作步骤：
①将上述制备的磷酸盐玻璃样品采用常规清洗方法清洗干净，烘干；
②采用含有不同浓度的AgNO3的硝酸盐作为熔盐，将装有熔盐的坩埚置于加热恒温炉内，当温度升到300～380℃时，将玻璃样品浸入熔盐中进行离子交换，离子交换时间30～360分钟；
③交换结束后，将玻璃样品取出，自然冷却，清洗，则在玻璃表面形成波导。
所述的熔盐通常为AgNO3、KNO3和NaNO3三者混合或两者混合，AgNO3的含量为0.5～20mol％。
所述的离子交换的优选温度为320～350℃。
引入玻璃网络中间体Al2O3、Y2O3以及Nb2O5等高价态氧化物可以增强玻璃的化学稳定性；另外，为了在离子交换过程中获得较高的离子交换速率，掺杂一定含量的碱金属R2O(R＝Li，Na，K等)是必须的，但过量的碱金属会降低磷酸盐玻璃的化学稳定性，碱金属的含量为6～20mol％，优选含量为10～15mol％。
通过改变离子交换时间和温度可以调整交换的有效深度，通过改变熔盐的组成可以调整波导的折射率变化。通过退火和二次交换可以降低波导的表面传输损耗并提高波导与光纤之间的耦合效率。制作的光波导表面折射率变化Δn为0.005～0.04，表面波导传输损耗均小于1dB/cm，最小为0.2dB/cm。
本发明实现的磷酸盐玻璃能够在离子交换过程中很好地保持玻璃的表面光学质量。该光波导制作工艺简单，成本低，容易与光纤耦合，光波导的传输损耗低，可以根据实际的需要改变制作工艺，满足波导放大器和激光器的需要。
具体实施方式
表1给出了本发明磷酸盐玻璃4个具体实施例的玻璃组分。所述组成均为摩尔百分比。为了获得均匀性好、无气泡和条纹的光学玻璃，需要有严格的熔制工艺和环境条件。以下结合具体实施方式对本发明作进一步阐述。
表1本发明磷酸盐玻璃实施例的组成(摩尔比)
原始成
分          1#        2#        3#        4#
P2O5      55        60        65        70
Na2O       13        16        15        10
AmOn      10        7         9         4.5
MO           18        15        10        15
Re2O3      4         2         1         0.5
M为碱土金属，Re为稀土元素，A为高价态氧化物。
实施例1：
①按上述配方准确称取原料，混合均匀。
②混合料放入白金坩埚中，置于1250℃的硅炭棒电炉中熔融
③玻璃熔融后，在氧气氛下搅拌。
④停止通气，澄清和均化，然后将玻璃降温至1000℃后，倒入预热的模具中。
⑤快速将玻璃放入已升温至520℃的马弗炉中，保温2小时后，以10℃/小时的速度退火至250℃左右，然后再以20℃/小时的速度退火至100℃后，关闭马弗炉，降温至室温。
实施例2、3、4的制备工艺与第1实施例的相近，熔化温度和退火温度根据玻璃组分确定。
我们进一步在制作的玻璃中制作平面波导。选择均匀性好、无气泡和条纹的玻璃，经切割，抛光将玻璃加工成30×15×2mm的玻璃片，依次采用去离子水、清洗液和丙酮清洗，烘干，备用。采用1mol％AgNO3+99mol％NaNO3作为熔盐。将装有熔盐的坩埚置于加热恒温炉内，当温度升到335℃时，将玻璃样品浸入熔盐中进行离子交换，交换时间为3小时。交换结束后，将玻璃样品取出，自然冷却，清洗，则在玻璃表面形成波导。形成的波导在632.8nm处3个模式，在光通信窗口1.55um处单模。波导的有效扩散深度为7.5μm，有效扩散系数：1.33×10-15cm2s-1，表面折射率变化Δn为0.008，波导的传输损耗为0.377dB/cm。同样地，当离子交换温度345℃、交换时间为2小时，形成波导在632.8nm处3个模式，在光通信窗口1.55μm处单模。波导的有效扩散深度为8.3μm，有效扩散系数为2.41×10-15cm2s-1，表面折射率变化Δn为0.009，波导的传输损耗为0.5dB/cm。

Claims (8)

1、一种磷酸盐玻璃光波导的制作方法，其特征在于它包括下列步骤：
①熔制掺铒磷酸盐玻璃；
②利用该掺铒磷酸盐玻璃，通过离子交换法制作光波导。
2、根据权利要求1所述的磷酸盐玻璃光波导的制作方法，其特征在于所述的掺磷酸盐玻璃的组分如下：
组分                  mol％
P2O5                50-70
R2O                  6-20
AmOn                5-15
MO                    10-20
Re2O3               0.5-5
其中R为碱金属(R＝Li，Na，K等)；
AmOn为高价态氧化物Al2O3、Y2O3以及Nb2O5；
M为碱土金属(M＝Be、Mg、Ca、Sr、Ba)；
Re为稀土元素Er。
3、根据权利要求2所述的磷酸盐玻璃光波导的制作方法，其特征在于所述的稀土元素Re为铒、或铒镱共掺，或其他稀土元素。
4、根据权利要求1所述的磷酸盐玻璃光波导制作方法，其特征在于所述的R2O的优选含量为10～15mol％。
5、根据权利要求2所述的磷酸盐玻璃光波导的制作方法，其特征在于所述的磷酸盐玻璃采用通常的熔融浇注法制备：
①选定玻璃配方并按配方称取玻璃原料，充分搅拌均匀，然后放入铂金坩锅内；
②置于硅碳棒电炉中进行熔制，熔制温度控制在1200～1300℃，经均化澄清后降温至950℃～1000℃出炉；
③将玻璃熔液倒入事先预热的模具上后，快速将其放入已升温至其转变温度(Tg)的马弗炉中，保温2小时后，以10℃/小时的速度退火至200℃左右，然后再以20℃/小时的速度退火至100℃后，关闭马弗炉，自然冷却到室温。
6、根据权利要求1所述的磷酸盐玻璃光波导制作方法，其特征在于所述的光波导的制作步骤：
①将上述制备的磷酸盐玻璃样品采用常规清洗方法清洗干净，烘干；
②采用含有不同浓度的AgNO3的硝酸盐作为熔盐，将装有熔盐的坩埚置于加热恒温炉内，当温度升到300～380℃时，将玻璃样品浸入熔盐中进行离子交换，离子交换时间30～360分钟：
③交换结束后，将玻璃样品取出，自然冷却，清洗，则在玻璃表面形成波导。
7、根据权利要求6所述的磷酸盐玻璃光波导制作方法，其特征在于所述的熔盐通常为AgNO3、KNO3和NaNO3三者混合，或两者混合，AgNO3的含量为0.5～20mol％。
8、根据权利要求6所述的磷酸盐玻璃光波导制作方法，其特征在于所述的离子交换的优选温度为320～350℃。
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