（凝聚态物理专业论文）低损耗玻璃基光功分器的研制.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 弓，i 、姨歹督 日期：加。j 口 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：弧兜春 导师签名：日期： 力、s ；口 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文首先详细地介绍了玻璃基离子交换过程和形成光波导的微观机理，分 析离子交换的扩散动力学，导出离子扩散方程。其次，重点对光功分器的弯曲 传输路径进行了优化，分析适合弯曲低损耗的边界条件，从而推导出一个符合 低弯曲损耗的九次幂函数，利用m a t l a b 模拟计算，弯曲损耗有了进一步降低， 最后设计了一个1 4 光功分器模板。实验上，本文对特性玻璃进行研磨抛光制 成基底，利用高真空镀膜机对玻璃基底镀钛膜( 1 0 0 n m 左右) ，经过光刻、腐蚀 工艺产生一个离子交换的窗口，利用c s + 一n a + 在5 3 0 的电阻炉下进行7 0 d , 时的 离子交换，制作出一个l 4 玻璃光功分器。通过显微镜观察离子交换区域近似 半圆形，通过雅明干涉法测量了光功分器折射率干涉图样；同时也测量了光功 分器的插入损耗，可以降低n o 3 d b 。 关键词：光波导离子交换低损耗插入损耗 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，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 f1x 4o p t i c a ls p l i t t e r a r ei n t r o d u c e di n d e t a i l s f i r s t l y ，w e o b t a i nad i f f u s i o ne q u a t i o na f t e rt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u ti o n e x c h a n g e s e c o n d l y ，w ef o c u so nt h ed e s i g no ft h e o p t i c a lw a v e g u i d eb e n ds t r u c t u r ei no r d e rt oi m p r o v eb e n d i n gl o s s s o ，t h es o u r c e o fb e n d i n gl o s sa n dt r a n s i t i o nl o s so fo p t i c a lw a v e g u i d ei sa n a l y z e d ，a n dw e o b t a i nan i n e p o w e rf u n c t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec u r v e so ft h en i n e p o w e r f u n c t i o ni st h em o s ts m o o t ha n dl o wb e n d i n gl o s su n d e rt h eh e l po fm a t l a b l a s t l y , t h eo p t i m i z e dr o u t e o ft h e1x 4o p t i c a l s p l i t t e r i sd e s i g n e d i nt h e e x p e r i m e n t ，a f t e rt h ee x c h a n g eo f7 0h o u r s ，w ep r o d u c ea1x 4o p t i c a lp o w e r s p l i t t e ru n d e rt h et e m p e r a t u r eo f5 30 t h ed i f f u s i o na d u m b r a t i o ni st h e a p p r o x i m a t es e m i - c i r c u l a rb yt h em i c r o s c o p e ，w em e a s u r et h er e f r a c t i v ei n d e x d i s t r i b u t i o nb yt h ey am i n gi n t e r f e r o m e t e r a n dg e tt h e0 3 d bo fi n s e r t i o n1 0 s s k e yw o r d s ：o p t i c a lw a v e g u i d e s ；i o n - - e x c h a n g e ；l o wl o s s ；i n s e r t i o n l o s s 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 目录 1 绪论1 1 1 集成光学的研究现状1 1 2光波导的介绍2 1 3 光功分器的发展3 1 4 本论文的目的和论文结构4 1 4 1 论文的目的4 1 4 2 论文的主要内容4 2 离子交换理论分析5 2 1玻璃基光波导5 2 1 1玻璃基的选择5 2 1 2 光波导理论5 2 2 离子交换基本扩散定律7 2 2 1交换原理7 2 2 2 扩散机理9 2 3 铯离子特性1 5 3低弯曲损耗光功分器路径设计17 3 1低弯曲损耗1 4 光功分器模板设计17 3 1 1 弯曲损耗理论分析1 7 3 1 2 低损耗优化路线设计1 8 3 2 路线模拟和损耗计算2 1 3 2 1m a t l a b 模拟路线和损耗21 3 2 2 优化路线模拟( b p m ) 一2 3 3 2 2 1b p m 软件介绍2 3 3 2 2 2 软件模拟光波导2 3 4 玻璃基光功分器的工艺制作2 6 4 1实验所需条件和实验步骤2 6 4 21 4 光功分器模板的制作2 7 4 3光功分器的制作工艺2 7 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 4 3 1玻璃基板的制备2 7 4 3 2 玻璃切割2 8 4 3 3玻璃划片2 9 4 3 4 玻璃研磨抛光3 0 4 3 5玻璃基底镀钛膜3 2 4 3 5 1高真空镀膜机实验仪器3 2 4 3 5 2 掩钛膜的制备具体实验步骤3 2 4 3 5 3掩钛膜厚度测量3 4 4 3 6 光刻3 6 4 3 7 离子交换3 9 5 光波导特性测量与分析4 2 5 1 折射率分布的测量4 2 5 2 光波导对准系统场测试4 5 5 3插入损耗测试4 7 结j 沧5 0 致j 射5 2 参考文献5 3 附录5 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果6 0 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1集成光学的研究现状 光信息科学技术是近4 0 年发展起来的一门新兴学科，它是在全息术、 光学传递函数和激光的基础上，从传统的、经典的波动光学中脱颖而出的。 如今光信息不再仅仅限于用光强、振幅或透过率的空间分布来描述光学图像， 也像电子信息那样用频率的分布和变化来描述光学图像，这为光信息处理开 辟了广阔的应用前景。与其他形态的信号处理相比，光学信息处理具有高度 并行、大容量的特点。随着光信息理论体系己日趋成熟，信息光学己渗透到 科学的诸多领域，成为信息科学的重要分支，得到越来越多的广泛应用。 随着光通信技术的不断发展进步，集成光学器件已经广泛应用于光纤通信技 术、光学信息处理、光计算机技术等领域，并且存在着巨大的潜力。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一门学科【2 3 ”。集成 光学是由于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，人们开始希望光学系统能像集成电路一样实 现光路集成而发展起来的学科。上世纪6 0 年代末，随着微波、激光、半导体、 薄膜光学和集成电路理论与技术的迅速发展，逐渐形成了集成光学的雏形。 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，因而它具有更大的传递信 息和处理信息的能力。随着信息高科技时代的到来，在集成光学自身理论、 材料、工艺、器件及应用等诸方面飞速发展的同时，又不断地从光学、激光、 微电子学、光电子学、通讯、薄膜技术等相关学科的发展中汲取丰富的营养， 使得集成光学日益充满活力和生机，成为2 1 世纪诸多新兴边缘学科中一颗耀 眼的新星旧引 ，。集成光学应用广泛，主要应用于通信与光网络、光子计算机、 光信息处理器、光传感器等，。围绕新型集成光学器件的结构设计、功能模 拟与特性、参数的计算等是目前集成光学理论研究的个热点。设计结构更 为合理、性能更加完善的集成光学器件，是集成光学器件得以发展的必备环 节。而对器件特性参数的计算与分析，又有利于新型集成光学器件的设计。 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一种途径。这样的器件具有性能 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 稳定可靠、体积小、功耗低、效率高、使用方便等优点阳，。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，并进一步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 维结构开拓，发展为三维集成光学，比如今后可能出现声、光、磁、电元件 在一起的三维集成元件n ”。 1 2 光波导的介绍 光波导是集成光学器件的基础，是大量光信号快速传输的载体。光波导 由光透明介质( 如石英玻璃) 构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导 的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光 波局限在波导及其周围有限区域内传播。现代应用的光频的波长介于 0 8 1 6 微米之间。实用光波导有光导纤维、薄膜波导、带状波导3 类。 光导纤维的一个传输特性是衰减很小、频带很宽、抗电磁干扰，主要用 于通信；光导纤维的另一传输特性是对外界的温度和压力等因素敏感， 因而可制成光导纤维传感器，用于测量温度、压力、声场等物理量。薄 膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件，如激光器、 调制器和光耦合器等。根据光波导结构的不同，可以将光波导分为圆柱型、 通道型和平面型；根据光波导横截面中折射率分布的不同，可以将光波导分 为阶跃型和渐变型( 抛物线型、高斯型、指数型、余误差函数型、线性型) 。 通道型波导又可分为脊型、埋入型、加载型和电压感应型。其中埋入型波导 也称掩埋式波导，是指衬底中接近表面的地方有一层高折射率区域的波导。 掩埋式波导的表面光滑且损耗较低，当在波导表面加载所需要的控制电极时， 很容易构成光调制器、光开关等，。有多种不同的方法可以用来在玻璃上制 作波导，大致可以分为以下五类n “：溅射法、化学气相沉积法、溶胶一凝胶覆 盖法、离子注入法和离子交换法。溅射法、化学气相沉积法与溶胶一凝胶覆盖 法制备的波导折射率是阶跃型分布的，而离子注入法和离子交换法制备的波 导折射率是渐变型的。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3光功分器的发展 光功分器全称光功率分配器，是一种将一路输入光信号能量分成两路或 多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路光信号能量合成一路 输出，此时可也称为合路器( 一个光功分器的输出端口之间应保证一定的隔 离度) 。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，成为无源 光接入网( p o n ) 的核心“。作为光网络的关键器件，光功率分配器的研究 因此具有重要的意义。 表卜1 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。 表卜1光功率分配器的生产量和销售量 t a b i e1 _ - 1t h eo p t i c a ip o w e rs p ii t t e rp r o d u c t i o na n ds a i e s 光功分器从结构上分为y 型、星形、x 型和树形。作为本文重点研究的y 型功分器又可以分为单模和多模、波导和光纤、对称和非对称。如图1 1 是 y 型功分器模型。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 图卜1y 型1x4 光功分器 f i g 1 1 t h ey 一1x 4o p t i c a ip o w e rs p ii t t e r 1 4本论文的目的和论文结构 1 4 1 论文的目的 本论文是在导师申请的四川省教育厅科技项目( 0 6 z d l 0 2 0 ) 铯离子交换 波导s 型耦合器的光特性研究为基础而进行的，并结合实验室的条件，论 文的目的着重在以下几个方面： 1 从理论上分析离子交换扩散方程 2 设计出低损耗的s 弯曲路线 3 运用离子交换方法制作出低损耗1 4 光功分器 4 对光功分器参数进行测试分析 1 。4 2 论文的主要内容 本文是在传统k + 一n a + 离子交换制作光波导的基础上提出来的，主要注重 传输路径的设计和工艺试验。内容包括以下几章。 第一章分析光通信、集成光学的发展背景，介绍光功分器的应用价值和发 展状况。 第二章理论上详细分析离子交换扩散方程，介绍铯离子所具有的特性。 第三章对弯曲损耗进行理论分析，以此为基础进行低弯曲路径损耗的设计 第四章1x 4 玻璃基光功分器的制作，注重每步实验仪器的操作和参数的选 择。 第五章对研制的光功分器进行测量和分析。利用雅敏干涉法测折射率，用 波导测试系统测量损耗等。 第六章结论，对提出的理论、技术以及实验工艺进行总体评判。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 2 离子交换理论分析 2 1玻璃基光波导 2 1 1玻璃基的选择 玻璃、半导体和l i n b o 。是光电子领域中的三大材料体系。玻璃是一种非 常重要的集成光学基片材料，因为它具有相对低廉的价格，出色的透明度， 高的光损坏阈值，可制成实用化的大尺寸基片，机械强度高等优势。由于玻 璃基片是一种无定形材料，因而在玻璃上易于生产非极化依赖的器件。另外， 用在集成光学中的玻璃的折射率与光纤的非常接近，所以玻璃波导和光纤之 间的耦合损耗相对于其他材料的波导的损耗小很多。因此玻璃也成为制作光 波导的必然首先材料，本文所涉及到的离子交换理论和实验也全部是以玻璃 基底为基础。 2 1 2 光波导理论 在玻璃基集成光学器件的制作中，离子交换工艺应用已经越来越广泛。 在各种离子交换技术中，k + 一n a + 和a g + 一n a + 交换是两种最常见的离子交换技 术，这两种技术可谓各有利弊。本论文使用c s + 与n a + 进行交换，试图将两种 离子优势优势互补，从而制作出性能较好的光波导。 目前制作玻璃光波导的工艺主要有五种：离子交换技术h ( io n e x c h a n g e d ) 、复合波导和溶胶凝胶技术7 川( s o g e l ) 、离子注入法 m 州( i o n - i m p l a n t e d ) 、火焰水解涂覆法心川2 2 ，( f h d + r i e ) 和等离子体增强化 学汽相沉积法，( c v d + r i e ) 。复合波导和溶胶凝胶技术的研究还处于初期，尚 不成熟。离子注入法制作光波导的过程耗时很长，需要昂贵的设备，而且不 能制作大尺寸的复杂器件。离子交换技术工艺简单，易操作，成本低廉，能 够制作复杂的玻璃基光波导。等离子体增强化学汽相沉积法制作的玻璃光波 导损耗较大，需要对衬底进行加热或在高温下退火，其制作周期也很长。火 焰水解涂覆法的制作过程中需要维持非常高的温度，对设备要求很高。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、低损耗的掩埋式分支波导。离子交换技术是 目前生产玻璃集成光学器件时使用最广泛的技术。离子交换玻璃光波导器件 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 以其损耗小、折射率及模场分布与光纤匹配良好、光损伤小、制作工艺简单、 成本低、便于集成等优点而在众多形式，如光纤型、t i 扩l i n b o 。波导型、i i i v 族半导体波导型等集成光学无源器件中显示出了独具特色的生命力心“。 离子交换技术起先被用来制造彩色玻璃和增强玻璃的表面强度，在欧洲 已经发展了一个多世纪n “。后来，离子交换技术引起了人们极大关注，不仅 它可以提高玻璃的表面机制属性，更重要的是它能够在玻璃中制作出各种光 波导，如平板光波导、条形光波导、掩埋型光波导等。1 9 7 2 年l z a w a 和 n a k a g o m e z 副首次报道了利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，然后再换用硝酸钠等为熔体， 在电场的作用下，获得一个掩埋于表面以下的5 0 微米的波导层，这次报道首 开离子交换技术应用于制作光波导的先河。1 9 7 3 年，g i a l l o r e n z i 牡刚等人又研 究了交换离子对所形成的玻璃波导的特性，发表了大量关于这种交换制作玻 璃光波导的研究成果。1 9 7 7 年，c h a r t i e l - 等人弛7 怫0 作了深度为2 0 0 微米的掩埋 波导。1 9 8 4 年，o k u d a 等人妇引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 等人旧引在分析对称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 非掩埋式的波导小一个数量级。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 b 町将前人的 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 。熔液的浓度来达到控铝i j a g + 一 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。接 下来，m 儿i o u 等于1 9 8 9 年通过两步离子交换技术在b k ，制作成功了掩埋型k + 一n a + 离子交换玻璃光波导，其损耗己降至0 5 d b c m ，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金属阳离子有两种：一种是选用 离子半径比n a + 离子半径大的金属阳离子，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：c s + 、 a g + 、k + 等。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。 离子交换玻璃基光波导主要有两种类型：一是聚焦型掩埋半圆形光波导， 常用的方法是热扩散离子交换法在氧化物玻璃基片上制作波导掩埋于玻璃表 面下，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， 并与光纤兼容；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 ef 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 玻璃基片上制作波导掩埋于玻璃表面下形成圆形或椭圆形，保证波导稳定不 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 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。一般离子交换制作光波导分 两次离子交换。一次离子交换后波导区域是近似半圆形，形成的光波导区域 是在玻璃基的表面，如果不进行二次离子交换，一次离子交换得到的波导， 对光信号传输中各方向传输会有差异，会产生光信号插入损耗增大，使光信 号容易外泄。一次离子交换波导图形见图2 一l 。 因此，本文推行了两步离子交换。如下图2 2 ，得到的波导区域是近似 圆形，优点是：1 ，波导是掩埋在玻璃基底内部的，如此可以带来许多便利， 如：对准、插入等。2 ，对光信号的传输高保真，近似圆形传输场周围的同性， 会对信号保存高保真状态。 图2 - 2两步离子形成的圆形波导区域 2 2离子交换基本扩散定律 2 2 1交换原理 在离子交换过程中，玻璃中的一种离子( 通常是n a + ) 被另一种或几种半 径更大或具有更高极化率的离子所取代，常用的替代离子有c s + 、a g + 、k + 、 。一。- 。- - 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ - 一 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 t 1 + 、l i + 、c u + 等。离子交换过程可以是一个纯粹的热反应过程，也可以使用 外加电场加速这一过程。离子交换的离子源有熔融盐和金属薄膜两种形式。 二者最大的差别在于后者没有离子，交换不能在金属膜与玻璃之间进行，因 此这种离子交换必须需辅以外加电场发生电化学反应以产生金属离子。采用 熔盐离子交换时，首先要根据要求选择玻璃基片，玻璃基片一般采用富含n a 。0 的光学玻璃如s o d a l i m e 、b k 7 、p y r e x 、c o r n i n g 等，然后采用光刻的方法， 刻蚀出所需要的光波导形状，不形成波导的部分需用掩模覆盖，掩模有金属 掩模和非金属掩模。常用的金属掩模材料有钛、铝等，非金属掩模材料有s i o z 、 s i3 n 4 等m 1 。 离子交换引起折射率的变化主要与交换离子的半径、电子位移极化率和 玻璃中的残余应力有关汹，。交换离子半径的不同会引起玻璃内部晶体结构发 生变化，如果以半径较小的离子取代玻璃中半径较大的离子，玻璃网格会在 小离子周围溃塌，形成更加致密的结构，折射率增大；反之，玻璃网络结构 会扩张，玻璃结构变得松弛，玻璃折射率降低。若用电子位移极化率大的离 子取代玻璃中电子位移极化率较小的离子，玻璃的折射率增大，例如，k * - n a + 离子交换就属于这种情况；反之，玻璃折射率降低。离子交换过程中的温度 一般都低于玻璃的转变温度，由于交换离子半径的差异而使玻璃中产生的应 力很难被完全消除，实验结果表明旧引b ”，折射率的改变部分是因为这种应力。 离子交换有以下两种基本驱动机制：( 1 ) 热驱动机制：在足够高的温度下， 玻璃中存在的热扰动和离子的非零迁移率：( 2 ) 电场辅助机制：穿过玻璃基片 引起离子流的电势差。 热离子交换可以这样理解：一种含有a + 离子的玻璃基片浸入一种熔盐溶 液中，这种熔盐含有一种与a + 离子的化学性质较为类似的离子，此处可以称 为b + 离子。在玻璃一熔盐界面处，两种离子的初始浓度迅速地从一定的值降 为零。无论是在熔盐里还是玻璃里，处于非平衡状态下的a + 离子和b + 离子之 间几乎总是可以非常好的相互交换。因此，在界面处的扰动产生了随机碰撞 时，一个b + 离子取代了一个a + 离子，并且这一过程逐渐地从界面向基片内部 扩展。当然，在熔盐中的a + 离子相对于玻璃中的b + 离子可以更加迅速地离开 界面( 而进入熔盐内部后即可忽略不计了) 。而进入到玻璃中的b + 离子只能缓 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 慢地在玻璃移动，最后到达距离玻璃表面非常近的薄层中。这一过程在较高 温度下会被明显地加速，一方面因为在较高温度下会有更强烈的热扰动，发 生碰撞取代反应的几率更大。另一方面由于发生了这些离子运动，玻璃的网 络结构变得不那么坚固。下图2 - 3 显示熔盐和玻璃内部离子排布结构。 ll 幽d 目新 g h s s 27 螺彬身。一f ，簟 一 磋苏瓣冀：? i j _ 之 ”篝，”：一乞纺酝 妒耘j 霜v 毒7 | 2 冀 嘞 图2 - 3熔盐和玻璃内部离子排布 f i g 2 - 3 t h em o i t e ds ai ta n dg i a s s 2 2 2扩散机理 扩散定律是由德国物理学家a f i c k 提出，故又称为菲克( f i c k ) 定律， 其中包括f i c k 第一定律和第二定律。第一定律应用于稳态扩散，即扩散过程 中各处的浓度及浓度梯度不随时间变化；第二定律应用于非稳态扩散，即扩 散过程中各处的浓度及浓度梯度随时间发生变化b “。 f ic k 第一定律是a f ic k 于1 8 5 5 年通过实验导出的。在f ic k 第一定律 中指出，在稳态扩散过程中，单位时间内流过垂直于扩散方向上的单位截面 积的扩散流量( 通量) j 与浓度梯度v c 成正比： o j = 一d v c( 2 1 ) 式中，了表示扩散流量密度，单位是剧回或原子数( 垅2 s ) ；d 是扩散系数， 它表示单位浓度梯度条件下，单位时间单位横截面上通过的物质流量，d 的 单位是所：居；c 是扩散物质的浓度，其单位是k g m 3 或原子数所3 。式中的负 号表示物质沿着浓度降低的方向扩散。对于各向同性的材料，d 是与方向无 关的标量；在非立方对称的各向异性材料中，d 为二阶张量。第一定律仅用 于稳态扩散，但实际上稳态扩散的情况很少见，大部分属于非稳态扩散，这 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 就要应用到f i c k 第二定律。 在非稳态扩散过程中，f i c k 第二定律的表达式为： 害：一v j + ：v ( d v c ) ( 2 2 ) 仞 式中t 为时间。这个方程不能直接应用，必须结合具体的边界条件和初始条 件，才能求出积分解。若刃与浓度无关，叫做扩散系数。则f ic k 第二定律的 表达式可写为 丝：坷了：厕：c( 2 3 ) 协 扩散机制指扩散原子移动的具体方式。目前人们还不能直接观察到原子 的移动方式，但提出了几种扩散模型| s 7 】空位、直接交换、环形交换、推填、 挤列、间隙。固态物质中，每一温度下都存在一定平衡浓度的空位，温度越 高，平衡空位浓度越大。空位给原子的迁移提供了一个方便的途径，可以使 旁边的原子很容易地迁移到空位上，同时使新空位在新的节点上出现。大多 数情况下，原子是借助空位机制扩散的。一价碱离子在玻璃中的扩散主要是 空位和推填机制，高温时以空位机制为主【3 “，低温时以推填机制为主。目前 还缺少完整的理论描述二价和高价离子的扩散。 影响扩散的因素有物质结构、浓度、缺陷、温度、化学成分、应力等， 其中温度是影响扩散系数的最主要因素。在一定条件下，扩散系数可用下式 表示n 6 1 ： 生 d = d o e r ， ( 2 - 4 ) 式中，d o 为扩散常数，q 为扩散激活能，r 为气体常数，丁为热力学温度。 风与9 和丁无关，决定于固体物质的成分与结构。 根据二元扩散理论，玻璃内总离子流由两部分组成：来自熔盐的掺杂离 子a + ( 熔盐中参与交换的主要离子) 流和玻璃内参与交换的网络外体离子b + ( 玻璃中参与交换的主要离子一般为n a + ) 流。因为阳离子比阴离子的扩散 系数要大很多，所以在离子交换体系中一般只考虑阳离子的自扩散。如果在 电场辅助离子交换过程中，离子交换过程是离子浓度梯度和电场驱动共同作 西南科技大学硕士研究生学位论文 第11 页 用的结果。为了便于推导，先假设以下涉及的浓度为数量浓度，数量浓度c 与质量浓度c ”的关系为 c ：c r n n a( 2 5 )c = _二一u ， m m ” 式中，n 。是阿伏伽德罗常数，m ”7 是摩尔质量。设c 。为交换前玻璃中n a + 的 总浓度，z 是总离子流密度，d 一与d b 分别是t 温度下a + 和b + 在该玻璃中 扩散系数，c a 和c b 分别是两种离子的浓度，e 为电场，是内建电场和外加电 场之和。 离子在玻璃中的迁移时，扩散离子流密度是，= - d v c ，而由电场e 产生 的漂移离子流密度为训 -4 ，= c t e ( 2 - 6 ) 式中1 2 是离子迁移率。电流密度i = e d ，p 是电子电量。d 与的关系由爱 因斯坦关系引给出： dk t 一= 一 e 实际计算时不能直接应用上式，还应加上一项相关因子f | 4 “，即 d ，k t 一= ， e ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) f 与玻璃的成分有关，其取值范围在o 2 与1 之间1 。把( 2 8 ) 式带入( 2 6 ) 式有 了：d c e e( 2 9 ) 以丁 故在玻璃中的扩散离子流密度分别是 了p 见v c a - _ ld a 倒c a e e - ( 2 1 。) 充= 唧”警 ( 2 _ 离子交换体系中阳离子的移动无疑会引起内部电场的变化，而电场的变 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 化又反过来影响着离子的扩散行为。在扩散开始时，a + 比b + 的迁移速率快， 因此在玻璃中会留下多余的阴离子而形成内建电场，这种内建电场会加快a + 的扩散，同时又会减慢b + 的扩散。当两种离子达到动态平衡时，离子交换可 看成一对一交换的理想情况，此时玻璃中的净电荷为零。玻璃的电中性条件 是 乃+ c b = c o ( 2 1 2 ) v ( c 爿+ c 占) = v c 爿+ v c b = 0 ( 2 1 3 ) 玻璃中总离子流密度为： j o = j 一+ ，b ( 2 1 4 ) 将( 2 1 0 ) 式与( 2 1 1 ) 式带入( 2 1 4 ) 式，并结合( 2 1 2 ) 式和( 2 1 3 ) 式，可以得 到 一e e 一里丛幺二堡! 五 ( 2 1 5 ) 一= - - - - - - 一 一7 以t 巳见+ ( c o 吖) 眈 把( 2 1 5 ) 式带入( 2 1 0 ) 式，有 一+ nv c 爿( 见一d 口) + 厶j a d a v c a + 以毒精意簏 c 4 4 + i c o c 4j 令m ：d 么， - ) b 有 由f i c k 第二定律可得 根据矢量恒等式h 3 ( 2 1 6 ) 不专器等 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 )_ 彳v 斗以 外 矾 一 一彳 i i l l 奶百柏 甜 ，l v 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 v 专m 卅v ) ( 2 - 2 0 ) 将( 2 - 1 7 ) 式带入( 2 1 8 ) 式得到 v j a = ( 一见c 。v c 爿+ c 。m 。元) 。v ( ：赤 + 赤v 。( 一见c o v c a + c a m j o ) 其中v z = 一鲁0 ，对上式进行化简有 ( 2 - 2 1 ) 朽爿= 希+ 幽篙铲2 2 ， 将上式带入( 2 1 8 ) 式得 丝：幺鱼里：刍一一daco(m-1)(vca)2+comvcajo a t c a ( m 一1 ) + c o h ( m 一1 ) + c o - l 令c 月= c 一c o ，c 口= c 占c o ，则c 爿+ c b = 1 坠：幺里：幺一da(m-1)(vca)2+mvcajoco o t c a ( m 一1 ) + 1 c4 ( m - 1 ) + i - 2 - 上式中的厶可e h ( 2 1 4 ) 式给出： 。瓦= j 呻a + j s = 一。爿v 乃一。b v + 兰兰塑兰铲 j q = = 一d 再c a d 再c b + = 号严 ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) = v c 4 ( 一。爿+ 。8 ) + 呈兰薹铲 ( 2 2 5 ) 再将( 2 - 2 5 ) 式带入( 2 2 4 ) 式，有 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 蜥joco=mvcavca(-da+d口)+一ee(daca+dg) = m ( v c a ) 2 ( 一d a + d s ) + m v c a a c 。 = = 8 t d a v 2 c a m v c a p e ( d a c a + 见c b 2 1 ) 、u， 解 星墨! 幺幺堡刍! 彻 c a ( m 1 ) + 1 c a ( m 一1 ) + 1 7 2 ( 2 - 2 6 ) n 订：一 e d av c a 茜 ：孕里：刍 一丛冬一_ 一 ( 2 2 7 ) c a ( m - 1 ) + lc a ( m 一1 ) + 1 、 其中三：e - 4 内+ 三外。对于不加外电场的情况，在达到平衡时了。：0 ，即 v c 爿( 一d a + d b ) + 兰兰蔓量铲= 。 ( 2 2 8 ) 加外电场时，离子交换系统的总离子流对外表现出一定的电流密度f 0 ，即 把上式带入( 2 - 2 4 ) 式，有 z = 型掣 o c a 一 幺里：幺 一些( 丝二! ! ! ! 刍! ：一 西一巴( m 一1 ) + 1 c a ( m 一1 ) + 1 2 令口= 1 一m ，不考虑相关因子，得 e d a 以丁 巴( 可c a e 讣 m - 1 ) + i ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 这便是描述外加电场时交换离子的浓度方程式。 为了表示简洁，把上式的参数简洁化，从而可推出交换离子浓度c 的精确 罄 2 并盘n器 堑研 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 表达式为： o c ：j l lv z c + a ( v c ) 2 一生v cl ( 2 _ 3 2 ) o t1 一口c 1 一a c后r l 式中，d 为a + ( 本文指c s + ) 扩散系数；a 为a + ( c s + ) ( 离子迁移差率；k 为 外加电场；k 为玻尔兹曼常数。 2 3 铯离子特性 采用不同的离子进行交换有不同的结果阳2 1 ：用t l + 交换可以获得很大的折 射率变化，并且交换后的光损耗极低( 9 9 7 ( 薄膜测厚仪) 。 图4 - 9玻璃研磨抛光前后对比 此切割、研磨、抛光过程，理论基础比较简单，但需要长时间的操作才 能熟练的掌握各工艺。例如：划片时注意力度，研磨时不能转度过快。如果 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 2 页 转度过快，会是玻璃温度过高，熔化石蜡，从而造成玻璃基底脱落，同时有 可能会给玻璃基底造成不必要的划痕。抛光时速度要快，不能低于6 0 n m i n ， 转速过低会是抛光效果受影响，形成昏暗区域。 4 3 5玻璃基底镀钛膜 4 3 5 1高真空镀膜机实验仪器 图4 - 1 0高真空镀膜机 f i g 4 1 0 t h ec o a t e r 本实验采用的是z z s 5 0 0 - 2 g 型箱式真空镀膜机，镀膜机必须具备工作条 件：电源：2 2 0 v 3 8 0 v ，5 0 h z ( 总功率约5 0 k w ) 。线制：三相五线制。接地： 接地电阻 图5 12连续光谱输入端的插入损耗分布曲线 fig 5 - 12 t h ec u r v eo fin p u tin gin s e r tio r io s sdis t rib u tio r l 通过上图可以看出插入损耗在波长1 5 0 0 n m 时在0 3 d b 左右，比以往的传 统路径光功分器有了明显的降低。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 0 页 结论 本论文是在导师支持的四川省教育厅科技项目铯离子交换波导s 型耦 合器的光特性研究的背景下进行的，论文主要阐述了玻璃基光功分器发展 现状、离子交换光波导理论、光路低弯曲损耗的优化设计、离子交换工艺以 及光波导特性测试等几个重要环节，在理论和实验上取得了重要进展，对离 子交换玻璃波导功分器的研究和应用具有重要的指导意义。本文在较为详细 地介绍了离子交换玻璃基光波导的基本理论和原理的基础上，论文重点在以 下几个关键问题上进行了深入研究。 1 ) 离子交换扩散基本理论，对f i c k 定律所得方程进行推导。理论分析 其交换过程，研究形成光波导的微观机理，提出在波导形成过程中，交换离 子受到由浓度梯度引起的化学势的作用和受到玻璃基片中交换离子的运动速 度的影响形成内建电场和外电场的作用。从而可推出交换离子浓度c 的精 厂11 确表达式为：箜：旦lv z c + 竺瞪一丝釜v cl ，式中，d 为c s + 扩散系数； 岔1 一a c1 一a ck t j l一 一 口为c s + 离子迁移差率；k 为外加电场；k 为玻尔兹曼常数。方程式具有普 遍性，为以后理论和实验起指导意义。 2 ) 低弯曲损耗路径的设计，以传统的余弦函数和反正弦函数为基础，考 虑波导弯曲损耗和过渡损耗，提出弯曲函数必须为结构函数、导函数和曲率 函数的边界条件，假设弯曲函数为高次幂函数，带入边界条件从而求得一个 九次幂的弯曲函数方程，根据弯曲损耗的公式，利用m a t l a b 编程求得弯曲损 耗比以往的弯曲函数有了明显的降低。同时又利用b p m 软件模拟了1 4 光功 分器的传输，传输效果良好。九次幂函数的提出具有独特性，为以后弯曲路 线设计有重要意义。 3 ) 制作光功分器的实验工艺，从玻璃基底的制作，研磨抛光，玻璃基底 镀钛膜，光刻，腐蚀，离子交换，折射率测量等，实验用到了大量的仪器( 文 中均有介绍) ，也摸索了大量参数，最后制作出一个1x4 变折射率光功分器， 对其性能参数进行测试。波导区形状基本呈现半圆形，初步实现l 4 变折射 率波导功分器的功率均分。得到近场光波导功分器的一个输入端和四个输出 端强度分布，为了与光纤传输匹配，还在1 2 0 0 - 1 7 0 0 n m 间连续变化的光源下， 测试光功分器的插入损耗分布曲线，发现在1 4 8 0 一- - 1 5 8 0 n m 波段，四个输出端 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 1 页 损耗几乎相同并最低。 当然本论文也存在一定的不足之处。一是传输时玻璃基底出现点状散射 斑点，这是由于镀膜精度和材料的纯度不够。二是对光波导性能测量时测量 的参数比较少或不太深入，这也与实验条件有关，仍需进一步的研究。 总之，经过理论、模拟、实验和测试，离子交换光波导功分器在通信领 域中具有可行性。希望通过本论文的研究会给以后光波导研究