（凝聚态物理专业论文）玻璃光波导功分器理论、技术及其光学特性研究.pdf

玻璃光波导功分器理论、技术及其光学特性研究中文摘要 摘要 本文详细介绍离子交换法制作玻璃波导的研究进展，对常用几种离予对交 换产生折射率分布进行比较，发现用t l + 一n a + 进行离子交换所得波导具有实际 的研究价值。然后对光功分器的产业前景、结构、技术指标和关键技术进行了 具体介绍，得到存新一代功分器具有微型化、高性能、阵列化和集成化等优点 下，提出研究玻璃光波导功分器的必要性和重要性。 在浚论文理论部分，详细地研究玻璃离子交换过程和形成光波导的微观机 理，分析t i + 一+ 交换的扩散动力学。由于t i + 一n a + 离子半径相差较大，在交 换过程中产生的应力会引起折射率的变化。通过实验证明应力与折射率分布之 删存在一定的关系式。而以往f i c k 定律只考虑离子交换极化率和离子交换半径 差，所得的折射率分布解释t i 一n a + 交换存在一定偏差。从而必须考虑包括应 力在内的三个因素所共同产生的折射率分布方程，并对f i c k 定律所得方程加入 修】下项。通过w k b 法，得到折射率分布近似为“改进”的高斯函数分布。 用二维矢量w k b 法分析了渐变折射率光波导中基模的模场分布情况。采用平 而光波形态的光波激励波导，借助计算机进行数值求解，得到的光场分布图在光 场传播达到稳定时，波导的模传输只与波导结构和光波波长有关，结果直观、精 确、快速。同时对掩埋式波导模的截止提出一种简便方法，得到波导基模分布图。 浚论文还介绍利用b p m 方法如何设计、模拟和分析光波导功分器。从对称 和非对称s 型分支波导出发，得到满足低损耗对称s 型分支波导的设计思想。 本文给出关于1 4 功分器的光路设计方案，解释光波导弯曲损耗的产生机理， 综合波导弯曲的纯弯m 损耗和过渡损耗以及分支耦合损耗的特点，得出结构函 玻璃光波导磅分器理论技术及其光学特性研究 中文摘要 数、导函数和曲率函数的边界条件，并推导出一个新的结构函数，并与正弦函 数、余弦函数结构以及直线结构进行比较，结果表明新函数结构设计较好，并 由此函数得出优化的1 4 路光路图。 本论文还详细地介绍玻璃光波导功分器的制作 ：艺过程。首先采用b p m 软 件设计波导光路图案，并制作出具有l o , u m 和2 0 u m 的两种线宽1x 4 母版，加工 出基底玻璃板为3 5 1 5 x 0 5 c m 3 。然后按照工艺在玻璃板一面镀上l 3 “厚度 的钛膜，依照母版模型剥掩钛膜的基底玻璃板进行光刻，得到理想对称s 形状 的钛膜窗口。存5 3 0 。c 交换温度下，把基底玻璃板放在含有t 1 2 s 0 4 熔盐中，经 过1 0 到2 0 小时的离子交换，一块低损耗s 型多模光波导功分器形成。接着经 过研磨、抛光等工艺制作出体积小、操作方便、性能稳定、光损伤小和与光纤 匹配的光功分器样品。 最后还对玻璃光波导功分器的光学参数进行测试。在用0 6 3 2 8 m 氦氖激光 为光源下，对光功分器在1x 4 分支处的六个不同传输段进行切片分析，发现玻 璃波导交换处的干涉环形状从半圆形到半椭圆形，最后再到半圆形变化，并得 到其归一化的浓度分布曲线与x 和y 方向的关系。在氦氖激光输入下，不仅清 楚地看到光在波导中的传输路径，而且得到光波导功分器的一个输入端和四个 输出端的近场强度分布，与理论结果完全符合。为了与光纤传输匹配，还在 1 2 0 - 1 7 叽m 连续波段内，测试光功分器的插入损耗分却曲线，发现在 1 4 8 】5 距m 之间，四个输出端损耗几乎相同，其中还得到t e 和t m 模满足低 损耗的光波段也在该范围内。在1 ，5 5 , u r n 作为光输入时，光功分器的耦合效率高 达9 5 ( 小于损耗o 3 d b ) 和传输损耗为o 2 5 d b e m 。分光比是t e 为2 4 ：2 5 ：2 5 ：2 6 和t m 为2 5 ：2 4 ：2 5 ：2 6 ，基本上为光均分。从而说明离子交换技术是制作光通信 玻璃克波导功分器理论、技术及其光学特性研究 中王摘要 是制作光通信器件的个有效技术。 总之，经过对玻璃光波导功分器的离子交换理论、制作技术及其光学特忤 的研究，提出一种提高光功分器质量可行方案，得到具有操作简便、与光纤匹 配好、稳定可靠、高质量、易集成和损耗低的离子交换波导光功分器。 关键词：离了交换波导，s 型光功分器，近高斯函数分却，损耗，分光比 作者：周自刚 指导教师：刘德森教授 t h es t u d y o f t h e o r ya n dt e c h n o l o g y o f g l a s so p t i c a lw a v e g u i d ep o w e rs p l i n e ra n d i t sp r o p e r t i e s a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h cr e s e a r c ha d v a n c e so fg l a s sw a v e g u i d e sb yt h ei o n e x c h a n g e t e c h n i q u ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h et 1 + 一n a + i o n sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n t o n so fa l li o n sf o rw a v e g u i d e s a n dt h e n ，t h ei n d u s t r yp r o s p e c t ，s t r u c t u r e ，t e c h n i q u e t a r g e ta n dk e yt e c h n i q u eo ft h eo p t i c a lp o w e rs p l i t t e ra r er e p o r t e d ，a n dt h en e 、, v t y p e s p l i t t e rw i t ht h em i n i a t u r e ，h i g h q u a l i t y ，a r r a y a n di n t e g r a t i o ni s a r i s i n g s ot h e e s s e n t i a l i t ya n di m p o r t a n c eo fs t u d y i n gg l a s sw a v e g u i d es p l i t t e r si sp u tf o r w a r d i nt h et h e o r ys e c t i o n o ft h et h e s i s ，t h ei o n e x c h a n g ep r o c e s so ft h eo p t i c a w a v e g u i d ea n di t sm i c r o c o s m i cm e c h a n i s ma r es t u d i e d t h ed i f f u s i n gd y n a m i c so ft i + a n dn a + i o ne x c h a n g ei sa n a l y z e d t h es t r e s s e sc r e a t e db yt h ee x c h a n g eo fi o n sw i t h d i f f e r e n tr a d i ic a u s et h er e f r a c t i v ei n d e xc h a n g e ，b yt h ee x p e r i m e n t ，t h es t r e s si s r e l a t e dt ot h er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l eo fi o n e x c h a n g ew a v e g u i d e ，w h i c hi sn o tu s e d f o rt h ew a v e g u i d e so ft h et i + i o ne x c h a n g ei ns o d i u mg l a s sb yt h ef i c kl a wf o n l yt h e i o n i cp o l a r i z a b i l i t ya n dm o l a rv o l u m e ) i nt h ec a s eo ft h a l l i u mf o rs o d i u m ，t h ei n d e x c h a n g ei si n d u c e dm a i n l yb yt h r e em a j o rp h y s i c a lc h a n g e s ：i o n i cp o l a r i z a b i l i t y ，m o l a r v o l u m e ，a n ds t r e s s i ti sd e t e r m i n e db yw k bm e t h o da n db e s tf i t si n t ot h e ”i m p r o v e d ” g a u s sf u n c t i o n t h em o d ef i e l dd i s t r i b u t i o ni nt e om o d eo ft h eg r a d e di n d e xw a v e g u i d ei s a n a l y z e db ym e a n so ft w o - d i m e n s i o nv e c t o rw k b m e t h o da n ds i m u l t a n e o u s l ye x c i t e d b yp l a n a rl i g h tw a v ew h e nt h en u m e r i c a ls o l u t i o nc a r r i e do u tb yac o m p u t e ra n dt h e g h t f i e l dt r a n s m i s s i o n h a sb e e ns t a b l e ，t h i sd e m o n s t r a t e st h a tt h em o d eo ft h e w a v e g u i d ei so n l yr e l a t e dt ot h es t r u c t u r eo fw a v e g u i d ea n dw a v e l e n g t ho fl i g h tw a v e v t h e s t u d y o f t h e o r ，y ，a n d t e c h n o 1 o ，g 。y o f g ，1 a s so p t i c a lw a v e g u i d ep o w e rs p l i t t e ra n di t sp r o p e r t i e s a b s t r a c t t h er e s u l t sa r ev i s u a la n da c c u r a t e ，a n dc a nb eq u i c k l yo b t a i n e d t h e ya r ec o n s i s t e n t w i t ht h er e s u l t so b t a i n e dw i t ha n a l y t i cm e t h o d a n das y m m e t r i cb u r i e dc h a n n e w a v c g u i d es p l i t t e ri sg o tb yas i m p l em e t h o da b o u tc u t - o f fm o d e s t h ed e s i g ni si n t r o d u c e db yu t i l i z i n gt h eb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ( b p m ) w h i c hp r o v i d e sa ne x a m p l eo fh o wt oc r e a t e ，s i m u l a t e ，a n da n a l y z et h eo p t i c a w a v e g u i d ep o w e rs p l i t t e r f r o mt h es y m m e t r i ca n da s y m m e t r i cs - j u n c t i o nd e v i c e a n o v e ll o wl o s ss p l i t t e ri sd e s i g n e d t h i sp a p e rs h o w st h ed e s i g np r o j e c to fo p t i c a l p o w e rs p l i t t e r ，a n dg i v e st h ef a c t o r sw h i c hl e a dt ob e n d i n gl o s sf a c i l i t y c o n s i d e r e d t h ep u r eb e n d i n gl o s s ，t r a n s i t i o nl o s sa n db r a n c h i n gl o s s ，t h i sp a p e rg i v e st h ec o n f i n e c o n d i t i o n ，d i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n tc o n d i t i o na n dc u r v a t u r ec o n d i t i o n ，a n ds h o wa n e w s t r u c t u r ef u n c t i o n ，c o m p a r e dw i t hs i n u s o i da n dc o s i n ea n dl i n e t h ep r o c e s s e so fd e s i g na n df a b r i c a t i o no ft h eg l a s sw a v e g u i d ea r ei n t r o d u c e di n d e t a i l i nt h i sp a p e r f i r s t l y t h ew i n d o w sw i d t h so ft h e1x 4l i g h tp a t ha l e1o 岸a n d 2 叫聊b yb p ms o f t w a r e ，r e s p e c t i v e l y a n dag l a s ss u b s t r a t e ( 35 1 5x 0 5 c m 3 j i s f a b r i c a t e di no u rl a b o r a t o r y s e c o n d l y ，t h es u b s t r a t ei sw e l lp o l i s h e da n dc a r e f u l l y c l e a n e d o n t oi tt h et h i n 3 p mt i t a n i u ml a y e ri se v a p o r a t e di nah i g hv a c u u mc h a m b e r t h e nt h e ss h a p eo p e nw i n d o wi se t c h e db yas t a n d a r dp h o t o l i t h o g r a p h i cp r o c e s s t h i r d l y ，t h et h e r m a ld i f f u s i o np r o c e s s i s p e r f o r m e di nt h et h a l l i u ms u l p h a t em o l t e n b a t hr t l 2 8 0 4 ) a tat e m p e r a t u r e5 3 0 a f t e rt h et i m eb e t w e e n10a n d2 0h o u r s ，a l o w l o s sm u l t i m o d eo p t i c a lw a v e g u i d ei sp r o d u c e d l a s t l y ，a f t e rw e l lp o l i s h e da n d c a r e f u l l yb u f f e d ，ag l a s sw a v e g u i d es p l i t t e r ，w h i c h i ss m a l l ，s i m p l e s t a b l ea n dl o w l o s s ，i sa c c o m p l i s h e d v t h e s t u d yo f t h e o r ya n dt e c h n o l o g y o f g l a s so p t i c a lw a v e g , u i d ep o w e rs p l i t t e ra n di t sp r o p e r t i e s a b s t r a c t f i n e l y ，t h eo p t i c a le x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r so ft h ew a v e g u i d es p l i t t e ra r ct e s t e d a to6 3 2 8 1 mh e n el a s e r t h ei n d e xc h a n g ec o n t o u rp r o f i l e so ft h es i xm e n t i o n e d p r o c e s s e sa r er e p o r t e d t h ei n t e r f e r e n c ef r i n g es h a p eo ft h es a m ei n d e xp r o f i l e i s c h a n g e d f r o mah e m i c i r c u l a rt o h e m i e l l i p t i c a la n df i n e l yt oh e m i c i r c u l a rc u r v e b e l o wt h es u r f a c a a n dt h en o r m a l i z e dd i f l u s e dc o n c e n “a t i o n si nt h e 工一a n d y - d i r e c t i o n so fw a v e g u i d eo nt h e s a m ea x e sa r es h o w e d t h en e a r f i e l di n t e n s i t y p a t t e r n so fo n ei n p u ta n df o u ro u t p u t so ft h e 1 4s p l i t t e ra n di t sl i g h tp a t ha r e o b t a i n e da th e n el a s e r i tr e s u l t si nt h ec o r r e l a t i o no ft h ei n d e xp r o f i l ew i t ht h e d i f f u s i o nt h e o r y i nt h e1 2 1 弘mw a v e l e n g t hr e g i o n ，t h ep o w e rs h o w sac r o s sp o w e r r a i o ，b u ti n1 4 8 1 5 趴m ，t h ec r o s sp o w e rl o s s e so ff o u ro u t p u t sa r es a m e ，a n dt h e l o s s e so ft h et ea n dt ma r ea l s os a m eam u l t i m o d ew a v e g u i d ei sp r o d u c e d a t 1 5 5 mw i t hac o u p l i n ge f f i c i e n c yb e t t e rt h a n9 5 ( 1 e s st h a no 3 d b ) a n dp r o p a g a t i o n l o s s e sl o w e rt h a no 2 5 d b c mt h es p l i t t i n gr a t i oi s2 4 ：2 5 ：2 5 ：2 6f o r t h et ea n d 2 5 ：2 4 ：2 5 ：2 6f o rt h et mp o l a r i z a t i o n s ot h ei o n e x c h a n g et e c h n o l o g yi sn o wt h eb a s i s f o rt e l e c o mc o m p o n e n t i nw o r d ，b yt h e s t u d yo ft h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fw a v e g u i d es p l i t t e r a n di t s p r o p e r t i e s ，af e a s i b i l i t y i sm a n a g e dt of a b r i c a t er e l a t i v e l ys i m p l ea n dc h e a p f i b e r c o m p a t i b l e ，r e l i a b l e ，h i g h q u a l i t y ，c o m p a c t ，l o w l o s si o ne x c h a n g ew a v e g u i d e s k e y w o r d s ：t i + 一n a + i o n e x c h a n g ew a v e g u i d e ，1x 4s - j u n c t i o ns p l i t t e r , i m p r o v e d g a u s sf u n c t i o n ，l o s s ，s p l i t t i n gr a t i o v w r i t t e nb yz i g a n gz h o u s u p e r v i s e db yp r o fd e s e nl i u 飞7 8 1 2 6 5 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其它个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学 位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 研究生签名：弘日 期： 2 0 0 5 4 1 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子 文件，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文件的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 苏州大学学位办办理。 研究生签名： 盔1 鱼兰2 日期： 导师签名：。垫过! 露日期： 2 0 0 5 4 1 2 0 0 5 4 1 玻璃光波导功分器理论技术及其光学特性研究第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 集成光学是研究介质薄膜中的光学现象，以及光学元器件集成化的- i 3 学科。它 是在激光技术发展过程中，由于光通信、光学信息处理等方面的需要，而逐步形成和 发展起来的。它要解决的实质问题，是获得具有不同功能、不同集成度的集成光路， 以实现光学信息处理系统的集成化和微小型化。因为光波波长比波长最短的无线电波 还要短四个数量级，冈而它具有更大的传递信息和处理信息的能力。然而传统的光学 系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难，不能适应光电子技术发展的需要。 采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成 光路，是解决原有光学系统问题的种途径。这样的器件具有体积小、性能稳定可靠、 效率高、功耗低、使用方便等优点。集成光学的理论问题，主要是介质波导理论，它 有助于人们深入了解波导中光学现象的物理本质，并用于光波导、器件和光学回路的 研究设计。而集成光路不一定需要在一个衬底上集成所有光学元件，很多应用是有限 几种元件的集成，甚至在一个衬底上做同种元件的集成( 单功能集成) 。已经出现光 学元件和电学元件之间的集成。集成光学今后发展的方向之一就是从平面的二维结构 向三维结构丌拓，发展为三维集成光学，比如今后可能出现光、电、声、磁元件在一 起的三维集成元件。 集成光学器件的主要制备工艺柬源于集成电路的微加工技术。但由于材料和器件 结构有很大差异，除了如掩膜板制作、光刻、真空镀膜、溅射沉积和干法刻蚀等常规 工艺外，已开发了许多适合于集成光学器件的微加工工艺。例如d f b 光栅制备技术， 制作l i n b 0 3 波导的t i 扩散和质子交换技术，以及制作玻璃波导的离子交换技术等等。 其中离子交换技术是最早研究的光波导制备技术之一，也最有希望制备出传输损耗低 和实际应用中所需折射率分布的波导，是制备玻璃光波导的重要手段之一。因此，离 子交换技术在科学研究和工业生产中越来越为人们所采用。 在集成光学领域中，对光进行功率分配不但是集成光路的最基本功能之一，而且 在一些复杂的有源、无源器件 如干涉仪、光f 关等) 中，也有极为，“泛的应用。光 玻璃光波导功分器理论技术及其光学特性研究 第一章绪论 的功率分配以往主要通过y 一分支器或基于耦合模理论的光耦合来实现，但这些器什 部具有损耗大、集成度低、制作容限小、与光纤匹配较差等缺点。近年来，随着多模 干涉理论的提出，基于这一原理的光耦合器件( 包括功分器) 也以其较好的性能得到 定范围内的发展，在光的功率分配、波分复用以及光的调制等领域得到广泛的应用。 但是以上这类器件虽然) 以很方便的对功率等分( 可为任意整数) ，但是其制作上 艺较复杂、成本昂贵，而且器件容易损伤，适应坏境较差。基于以上考虑，本文采取 一种用离子交换方法制作掩埋式波导功分器，并对其特性进行研究。 1 2 离子交换玻璃波导研究现状 离子交换技术最早被用来制造彩色玻璃和增强玻璃表面强度，在欧洲已经发展了 一个多世纪。早在1 9 6 4 年，通过对玻璃中的碱性阳离子扩散特性的研究i 2 j ，给出了 各种阳离子在熔体和玻璃中的流量公式，这为以后利用离子交换技术制备光波导提供 了坚实的理论基础。自从1 9 7 2 年l z a w a 和n a k a g o m e l 3 1 首次报道了用硼硅盐玻璃浸入 在铊硝酸盐熔体中，使t 1 + 与玻璃中的n a + 、k + 离子交换，在表面形成高折射率层， 然后再换用n a n 0 3 、k n o ，为熔体，在电场作用下，获得一个掩埋于表面以下的5 肇 的波导层。这次报道首开离子交换技术应用于制作光波导的先河。后来，g i a l l o r e n z i l 4 j 等人又研究了交换离子对所形成的玻璃波导的特性。】9 7 7 年，c h a t t i e r 等人1 5 】制作了 深度为2 0 0 “m 的掩埋波导。1 9 8 4 年，o k u d a 等人6 1 利用离子交换后的掩埋式光波导 成功制作出了光分路器。1 9 8 5 年，f i n d a h l y 等人1 7 1 在分析对称的掩埋式单模条形波导 时认为，在表面不规则程度为光波长的十倍以下时，掩埋式波导的辐射功率损耗要比 非掩埋式的波导小个数量级。从那时起，人们做了大量的工作，来研究离子交换工 艺和工艺状态对波导特性的影响，研究各种阳离子对之问，不同成分的玻璃和刚离子 源之间的相互作用关系，以便提出制作实用器件的有效方法。 1 9 8 7 年，r a m a s w a m y 和s r i v a s t a v a l l i 将前入的工作做了概括的总结，认为离子交 换平衡是控制着波导表面折射率变化大小的主要影响因素之一，并证明了利用稀释 a g n o j 熔液的浓度，来达到控制。a , g + - n a + 离子交换的过程，可以制作出低损耗、匹 配光纤模分布的掩埋波导。并对二次离子交换方法作了深入的研究。玻璃光波导通常 选用的会属阳离子有两种：一种足选用离子半径比n a + 离子半径人的金属阳离子， 2 玻璃光波导功分器理论、技术履其光学特性研究 第一章绪论 通过改变玻璃表面的张力，从而增大玻璃表面的折射率，如：l i + ；另一种是选用较 高极化率的离子，如：a g + 、k t 、c s + 等。表1 1 给出儿种常见交换离子半径及电 极化率等参数。研究玻璃中的交换与扩散机理是很重要的，因为扩散机理决定着器件 参数。 如今，离子交换、射频溅射和电子束沉积已成为制作玻璃波导的常用方法，其中， 利用离子交换技术研制出有无源波导器件( 例如分支波导、频分复用器等) ，有工艺 简单、造价低、稳定可靠和耐腐蚀等优点，尤其在加入了紫外光刻等技术之后，人们 便可以得到高质量、低损耗的掩埋分支波导。 其中离子交换玻璃波导主要有两种类型：一是聚焦型掩埋半圆形波导，常用的方 法是热扩散离子交换法在氰化物玻璃基片上制作出的波导掩埋于玻璃表面卜，形成半 圆形，这样不仅具有聚焦光斑，还使传输损耗减小，色散降低，能够更好的与光纤兼 容：二是掩埋式圆形或椭圆形波导，常用的方法是电场辅助热扩散型离子交换法 ( f a i e f i e l d a s s i s t e di o n e x c h a n g e d ) 。用f a i e 在氧化物玻璃基片上制作出的波导掩 埋于玻璃表面下形成圆形或椭圆形，这样可以保证波导稳定不受损伤，并使其性能得 到优化，这种波导具有更低的传输损耗和偏振相关性，可以支持限定的模式，能够更 好的与光纤兼容。 表l1 离子交换光波导离子比较早期结果 t i +o ，1 4 9 k +013 3 a g + 0 1 2 6 l r00 6 5 c s + 0 1 6 5 c u + 0 0 9 4 t l i n 0 3 + k n 0 3 + n a n 0 3 5 3 0 0 0 0 1 - 0 i k n 0 ， a g n 0 3 l i 2 s 0 4 + k 2 s 0 4 c j n o ， 3 6 5 2 2 5 2 7 0 5 2 0 ，6 2 0 5 2 0 对于n a + 而点离子半径为o 0 9 5 n m ，极化率为o 4 3 】o _ 3 5 8 0 ”c 00 0 8 01 3 0 0 1 2 o 0 3 耋 w 叫 忙 化 他 k n 州 e 1 | 薹 ：| ：薹 ：蚕 洲 洲 洲 僦 i 驰 埘 忉 玻璃光波导功分嚣理论、技术及其光学特性研究第一章绪论 存离子交换技术领域中，人们在a g + n a + 、k + n a + 、l i + - n a + 、c s + n a + 等离子交 换技术方面进行了大量的研究，并取得许多重要进展l ，但是在实际工作中，每种阳 离子都有自己的优缺点。例如：a g + 离子非常易还原成会属，易着色，阵能不稳定， 并且交换进玻璃后，浓度较大，损耗较高，其表面折射率变化较大f a nz0 1 3 ) 。l i + 离子很容易结合到玻璃网格中去，但是制备出的波导折射率变化较小，这样制作波导 就需要较长时间，因此它只是适合制作单模波导。对于价格昂贵的c s + 而吉，其折射 率变化为o 0 4 ，且损耗较低f o 4 d b c m ) ，但使用c s + 离子交换进行交换时，其缺点 是坩埚必须是用特殊材料制作( 如铂) ，这样就提高了实验费用。而c u + 离子交换制 备光波导，具有非线性光学和蓝绿发光性，很少用于光通信无源器件中。铊在气态时 有毒，但是处于液态和固态的价态时却没有毒性，不汉可以使波导区的折射率变化 相对较大( a n 。o 1 ) ，而目损耗也较合理( 0 3 d b c m ) 。由于大离子铊在熔盐中交换速 度慢，客观上可以通过热扩散和加电场控制交换区域，适合于制作多模和单模波导器 件。 1 3 光功分器的发展状况 世界经济的高速发展必然要求信息也要高速沟通，因此发展高性能、高速率、高 容量的信息高速公路已成为今后世界各国竞相研究和发展的战略目标。光纤通信是信 息传输网络和信息高速公路的主体和骨架，这一技术的进展总是与基础光器件的进步 紧密联结在一起的，而且也会进一步促进光器件技术和产业的发展。 光功率分配器在光通信系统、光纤用户网、光纤c a t v 、光无源网络( p o n ) 、 光局域网等领域中被广泛应用，它常常用来实现对光路连接、光信号传输方向控制、 光信号功率分配、各器件之间的耦合控制等。因此，在光接入网使用无源光器件中， 光功率分配器和波分复用器最为重要，r 茂j , j 无源光接入网( p o n ) 的核心f 。加l 。 国际电信联盟( i t u ) 将光耦合器( 包括光功率分配器，简称光功分器，以下同) 定义为“具有集成化、多功能的部件”。它的发展大致可分为三个阶段j i l j ：2 0 世纪8 0 年代，为了探讨制造光耦合器的工艺方法，各种结构和制作方法应运而生；9 0 年代， 各孝孛结构和工艺的优缺点逐渐分明，形成以玻璃、晶体、半导体和有机物为主要材料， 4 玻璃光波导功分器理论、技术及其光学特性研究第一章绪论 以x 型、y 型、星形和树形等为主要结构的局面；2 0 世纪末2 1 世纪初，为适应光纤 接入网和局域网的要求，光功率分配器进入了第三个发展阶段。客观要求新一代光功 分器具有体积小、耗损低、重量轻、可靠性高、易集成以及性能价格比最佳。 1 3 1 产业前景 光功分器是光通信要快速发展中不可缺少的光无源器件。随着光通信技术的e 速 发展，特别是耦合器和波分复用器( w d m ) 的。泛应用，世界范围内对光功分器的 需求量大大增加。德酱d e u t s h et e l e c o m 公司的o p a l 9 4 工程( f t t c 型式) 中，5 0 万用户共用了1 万只祸合器( 其中四分之一为光功分器) ，平均每5 0 户需要一个。1 9 9 3 年1 9 9 9 年，美国市场上的光功率分配器销售量以1 5 的速度增长n i 。美国f l e c k 公 司在1 9 9 9 年前，全球光纤用户网的用户数将超过】亿。市调公一 e l e c t r o n i c a s t 统计 1 1 3 1 ，2 0 0 1 年，全球光功分器市场规模约为6 亿2 千万美，_ t ，在2 0 0 5 年，这个数字将 会达到】8 亿美元，而预计2 0 1 0 年将增加到2 8 亿美元。e l e c t r o n i c a s t 公司总裁 s t e p h e nm o n t g o m e r y 表示，高效能传输系统如光纤放大器、d w d m 与o a d m 门渐普 及的因素，是驱使全光功率分配器市场消耗量不断成长的主要原因。光功分器可在各 种不同格式中让组件得以使用在不同的应用中，例如长途海底网络、用户回路网络、 有线电视网络、测试仪器与传感器中。目前在欧洲地区发展光功率分配器的主导国家 包括德国、英国、法国和意大利。 日本是世界上最大的光功率分配器生产基地。1 9 9 7 年其市场值达1 0 亿日元，比 1 9 9 4 年增长了4 5 7 ，2 0 0 1 年达到了2 l 亿只元。据通产省新统计，只本的光功分器 的产量在2 0 0 1 年的前半年达4 4 3 万只，比2 0 0 0 年同月增长了5 0 。浚国主要采用 离子交换技术生产，约占光功分器销售总值的5 0 以上，市场前景非常乐观，主要是 有成本低、易集成、性能稳定等优点。i 司时也是世界上唯一的国家采用离子交换技术 生产光功分器打入国际市场。山台湾光电子工业及技术发展协会( p i d a ) 的凋查显 示：台湾有近1 0 家制造商生产各种功分器，每月可生产8 万只，占世界总产量的6 7 。 我国光纤无源器件的发展与国外相比，大约晚5 到1 0 年。当前，我国光纤无源器 件市场主要是连接器、光功分器、滤波器和光丌关的市场还很小。随着光纤局域网的 5 玻璃光波导功分器理论、技术及其光学特性研究 第一幸绪论 不断发展，特别是北京、上海、广州、深圳和武、议等地区通信网络的逐步光纤化，从 而我国近年对光功分器等无源器件的需求量不断增加。1 9 8 9 年光功分器在全国的实 际用量非常小，还不到1 0 0 0 只，而到1 9 9 4 年就达到超过1 0 力| 只，2 0 0 2 年已超过7 0 万只，2 0 0 5 年达到1 3 0 万只。所以，光功率分配器产业在我国蕴含着巨大的市场前 景。1 9 9 5 年至2 0 0 0 年的生产量、统计销售量和实际销售量见表1 ，2 1 “】。 表1 2 光功率分配器的生产量乖俐j 售最 表1 2 中统计生产量和统计销售量是原邮电部和信息产业部每年对一些主要生产 厂家统计的结果。在我国仅光纤c a t v 网的发展更是惊人，从目前的趋势预测，本世 纪初，c a t v 用户数将达到2 亿左右。 我图在光无源器件方面研制和生产的单位已逐渐增多，如福州的华科公司、康顺 公司，已成为国际上的主要供应商，在世界上打晌了品牌。上海和平公司、厦门安特 公司占领了国内光功分器、波分复用器的主要市场。业内人士指出，目前常规的光纤 连接器、光功分器等产品供大于求，价格竞争激烈。2 0 0 0 年困内无源器件的总产值 估计在1 0 亿人民币。预计今后几年的年增长率在5 0 以上。2 0 0 5 年达到1 0 0 亿元左 右的总产值，并将在一些核心技术上取得突破1 1 5 i 。但是国内至目前为止，由于技术原 因还未有家采用自己专利技术生产光功分器，这是国内一大宅白。 1 3 2 结构 i 3 2 1 光功分器分类 光功分器制作方式主要有烧结式( f u s e ) 、微光学式( m i c r oo p t i c s ) 、光波导式 ( w a v eg u i d e ) 三种8 1 。烧结方式的制作法，是将两条光纤并在一起烧融拉伸，使纤 芯聚台超，以达光耦合作用，而其中最重要的生产l 殳备是融烧机。但是不易集成、 分路少、不易调节光的功率分配等缺点限制了进一步发展。微光学式方法是将光讯号 6 玻璃光波导功分器理论、技术度其光学特性研究 第一章绪论 通过渐变折射率透镜( g r i nl e n s ) ，经过扩大及平行后，再用滤波器( f i t t e r ) 过滤光汛 号，让所要的光波长通过，不需要的光波刚反射，至于通过的光波最后再经渐变折射 率透镜( g r i nl e n s ) 聚焦、耦合于输出的光纤，但该方法光对准效率差，不易集成。 而波导式是目前最为流行的制作方法，宵半导体( 如g a a s ) 、晶体( 光子晶体等) 、 聚合物和玻璃( 主要是s i 0 2 ) 四种作为基底材料，有溅刺沉积、外延法、离子交换 法等制作方法，其中目前采用最多的方法是离子交换法。 光功分器从结构上分为y 型、x 型、星形和树形叫种类型。 y 型光功分器又有多模和单模、光纤和波导、对称和非对称之分，如图1 1 所示。 就是一种对称、多模波导y 型光功分器。 一 二二喜薹霎 2 ) 端口组态的功率分配器系列，它是光纤c a t v 等技术中的重要器件。尽管光功率均分的树形分配器是标准器件，其关键参数同星形 分配器一样，也是插入损耗和均匀性等。 1 3 2 2 未来的光功率分配器 光功分器的整体形状有两大类，一类是熔融拉锥型，另一种就是波导型光功分器。 如图1 2 所示是种波导型光功分器结构。 在迅速膨胀的光功分器市场中，波导型多路数的树形及星形分配器将变得越来越 重要，这是光功分器用量最大的各种光纤网络用户数的增多+ “i 。为适应这种情况，一 方面需要能获得大功率的光源，另一方面要不断在增加分配器路数的同时，进一步降 7 玻璃光波导功分器理论、技术及其光学特| 研究第一章绪论 低附加损耗、减小器件体积、并提高使用可靠性。为此新一代光功分器必定是以体积 小、耗损低、重量轻、i j 靠性高、易集成以及性能价格比最佳出现。目前