（物理电子学专业论文）离子交换玻璃光波导及其应用的研究.pdf

摘要 本论文来自于国家自然科学基金资助项目。该项目主要任务是研制e r y b 共 掺磷酸盐玻璃波导激光器。这种全固态小型激光器可以作为无线光通信系统、大 气测量系统中的光源，具有广泛的应用前景。 本论文主要从理论和实验方面，研究了离子交换玻璃光波导的原理、制作及 其应用，在此基础上重点对波导光放大器和波导激光器进行了数值分析和优化设 计，并提出几种新型波导激光器的初步构想。具体工作如下： 1 综述了离子交换玻璃光波导的发展现状：对其原理及各种制作工艺等进行了 归纳总结：介绍了西功共掺玻璃波导光放大器及激光器的制备、优势、局 限及其应用。 2 从离子交换光波导的制作工艺出发，建立制作参数与光波导折射率分布之间 的理论模型，并分别对两种光波导的折射率分布进行了模拟计算结果与文 献一致。 3 使用有限元法对玻璃光波导中的模场分布进行理论计算，分析了不同波长在 特定光波导中的模场分布，并对光波导进行优化设计。 4 分析了光纤波导直接对准耦合系统，利用光纤波导直接对准耦合理论比较 了几种直接对准耦合系统，以各后续实验选择。 5 用两种方法分析了掺铒玻璃波导光放大器( e d w a ) 的性能。首先，使用全 矢量有限元方法计算了e d w a 的空间模场分布，从而计算了e d w a 的增益和 放大的自发辐射光谱( a s e ) ，并对脊形、条形和平板波导光放大器进行了 分析和比较，结果表明条形波导光放大器综合性能最好。之后，在一定的简 化条件下，研究了重迭因子对e d w a 性能的影响，发现只要提高泵浦光与 西。掺杂分布之| 8 的重迭因子就可以降低e d w a 的泵浦阂值。 6 完善了d 砀共掺波导激光器理论模型，对d 功共掺玻璃波导激光器进行 了详尽的优化设计。 7 ，建立起全套离子交换实验系统：制备了盐浴法k + 一n a + 离子交换平板光波 导，详细介绍了制作步骤和实验结果。 关键词：离子交换，d 乃共掺磷酸盐玻璃，波导光放大器，波导激光器，有限 元法 a b s t r a c t t h i sw o r ki ss u p p o n e db yn a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a t h eo b j e c ti st o r e s e a r c ha n d d e v e l o p e r y bc o d o p e dp h o s p h a t eg l a s sw a v e g u i d el a s e r s t h es m a l la l l s o l i d s t a t el a s e r sc a nb eu s e da so p t i c a ls o u r c e si nw i r e l e s s o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n a n da i r - m e a s l l r es y s t e m s t h e r ew i l lh a v eb r o a d e n p r o m i s i n ga p p l i c a t i o no n t h e m c h a r a c t e r i z a t i o no f i o n - e x c h a n g e dg l a s so p t i c a lw a v e g u i d e s a r ec o n c e m e d t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y , a l s os u m m a r i z e d a r et h e i ra p p l i c a t i o n si nt h i sp a p e r a f t e r w a r d ，e r y bc o d o p e dg l a s sw a v e g u i d ea m p l i f i e r sa n dl a s e r sa r en u m e r i c a l a n a l y z e da n do p t i m i z e d s e v e r a la d v a n c e dw a v e g u i d el a s e r sa r ed e s i g n e da tt h el a s t t h er e s e a r c hf i n d i n g sa n di n n o v a t i o n so f t h i sw o r ka r ed e s c r i b e di nb r i e f a sf o l l o w s 1 m o s to ft h e d e v e l o p m e n t si n c l u d i n gp r o g r e s s ，f a b r i c a t i o n ，m o d e l i n g ，a n d w a v e g u i d ep e r f o r m a n c e o n i o n e x c h a n g e dg l a s so p t i c a lw a v e g u i d e s a r e s u m m a r i z e dt h e p r i n c i p l e s t r t l c t u r e a n dt h ef a b r i c a t i o n p r o c e s s o fe r 厂、b c o d o p e dg l a s sw a v e g u i d ea m p l i f i e r s ( e d w a ) a n dl a s e r sa r ei n t r o d u c e d ，a l o n g w i t ht h e i ra d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n s 2 t h er e l a t i o nb e t w e e nr e f r a c t i v ei n d e xa n df a b r i c a t i o ni sf o u n d e du p w h i c hi s b a s e do nt h em e t h o df o rf a b r i c a t i o no fi o n - e x c h a n g e dg l a s sw a v e g u i d e s 3 t h em o d er e f r a c t i v ei n d e xa n dm o d ef i e l dd i s t r i b u t i o na td i f f e r e n tw a v e l e n g t ho f i o n - e x c h a n g e dg l a s sw a v e g u i d e s a r ea n a l y z e dw i 也s c a l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d s 41 1 1 et h e o r ya n d e x p e r i m e n to f t h ed i r e c tc o u p l i n go f o p t i c a lf i b e r sa n dw a v e g u i d e s a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l 5 e d w aa r ea n a l y z e db yt w om e t l l o d s f i r s t l y , t h ef u l l v e c t o r i a lf i n i t ee l e m e n ti s u s e dt oa c c o u n tf o rt 1 1 ee f f e c to fs p a t i a lm o d ed i s t r i b u t i o n sa n db o t hg a i na n d a m p l i f i e ds p o n t a n e o u s e m i s s i o n s p e c t r a a r e c o m p u t e d n u m e r i c a lr e s u l t s a r e r e p o r t e dr e g a r d i n gr i b c h a n n e ia n dt h i n f i l m e d w a r e s u l t si n d i c a t et h et h e c h a n n e le d r ah a v et h eb e s ts y n t h e t i c a lp e r f o r r n a n c e s e c o n d l y ，e d w aa r e s t u d i e du s i n go v e r l a p p i n gf a c t o r sm e t h o d s ac o n c l u s i o ni so b t a i n e dt h a tt h r e s h o l d c a nb ed e c r e a s e do n l yb yi n c r e a s i n gt h eo v e r l a p p i n gf a c t o rb e t w e e nt h ep u m pa n d e r d o p e dd i s t r i b u t i o n 6 1 1 1 em o d e lf o rp r e d i c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe r y bc o d o p e dw a v e g u i d el a s e r s a r e d e v e l o p e d e “y bp h o s p h a t eg l a s sw a v e g u i d e l a s e r sa r e d e s i g n e d a n d o p t i m i z e d f a b r i c a t i o na n da l i g n m e n t t o l e r a n c ea n a l y s i sa r ea l s op r e s e n t e d 7 t h ew h o l ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi ss e tu p ，i n c l u d i n gs e v e r a lf a b r i c a t i o ne q u i p m e n t s o f g l a s so p t i c a lw a v e g u i d e s k + n a + i o n - e x c h a n g e dp l a n a rg l a s so p t i c a l w a v e g u i d e s a r ef a b r i c a t e d k e yw o r d s ：i o n - e x c h a n g e d ，e r y bc o 。d o p e dp h o s p h a t eg l a s s ，w a v e g u i d ea m p l i f i e r s ， w a v e g u i d el a s e r s ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁生盘堂或其他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。 学位论文作者签名刁贺鼎签字日期： 加，年，2 ，月故厂同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫垄盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段僳存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名八句征w 导师签名彻天戮 签字同期：跏矿p 年，矿月诉签字日期：y 。o 年j d 月o f 日 绪论 绪论 近年来，随着集成光学迅速发展，人们对于光波导的研究越来越深入。光波 导对于集成光学有重要意义，在通讯、数据处理、计算机自动控制等方面均有广 泛的应用前景。 在众多种类的光波导中，以玻璃为衬底的光波导使用十分广泛。玻璃光波导 的折射率与光纤很接近，适宜与光纤的耦合。选择合适的工艺，可以制得低损耗、 能承受高功率密度的玻璃光波导。而且，玻璃得价格相当低廉。如今，玻璃光波 导已经成为在光通信、光传感以及其他相关领域中对光信号进行处理的最优选择 方案之一。使用无掺杂的玻璃衬底制成的玻璃光波导可以用来制作无源集成光学 器件，目前已经出现多种产品，如功率分束器、偏振分束器、定向耦合器、波导 调制器等。当使用掺杂有半导体材料或是稀土元素如铒、镱等的玻璃做衬底时， 可以制作出各种有源玻璃光波导器件，如波导放大器和波导激光器等。无源玻璃 光波导器件和有源玻璃光波导器件也可以很容易的集成在一起，从而在单片衬底 上集成更多的功能，使集成光学器件向着体积更小、集成度更高的目标发展。 本论文来源于国家自然科学基金项目“高功率d ，功共掺玻璃连续波导激光 器的研究”。本论文作为上述自然科学基金项目的第一步，主要做了前期理论计 算和初步实验研究工作。本文分别从离子交换玻璃光波导发展综述、玻璃光波导 的制作与特性分析、光纤波导耦合、玻璃波导光放大器和激光器等五个方面进 行了论述。 一、离子交换玻璃光波导及其应用的历史概况 目前制作玻璃光波导的工艺主要有五种，分别是离子注入法 o 1 1 o 2 1 ( i o n i m p l a n t e d ) 、r f 溅射，等离子体增强化学汽相沉积法 o 3 1 ( c v d + m e ) 、 火焰水解涂覆法f 0 4 l o5 l ( f h d + e d e ) 、复合波导和溶胶凝胶技术田6 i o7 1 ( s o l g e l ) 和离子交换技术】【0 9 l ( i o n e x c h a n g e d ) 。 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。r f 溅射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。复合波导和溶胶凝胶技术 的研究还处于初期，尚不成熟。离子交换技术工艺简单，易操作，成本低廉，能 够制作复杂的玻璃光波导，目前己成为制作玻璃光波导的首选方案。 事实上，在一个多世纪前，离子交换技术已被用于制作彩色玻璃，近年来， 绪论 离子交换技术引起了人们极大的关注，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 第一次报道了在含有氧化钠、氧化钾的磷酸盐 玻璃衬底上用n + 一+ 离子交换技术制作玻璃光波导o1 0 1 。随后，对离子交换过 程的原理与交换条件与工艺的研究逐渐展开。人们研究了不同的离子交换技术， 并使用不同的交换离子对和不同的玻璃组份来制作实用的光波导器件。以适合制 作光纤兼容单模玻璃光波导的k + n a + 离子交换为例，1 9 7 3 年，g i a l l o r e n z i 等首 先发表了关于这种交换制作玻璃光波导的研究成果”。接下来的时间里，通过 k + _ n a + 离子交换在碱石灰玻璃f o 1 2 1 、b k 7 玻璃3 1 、p y r e x 玻璃4 1 、磷酸盐玻璃 o r s 、半导体掺杂玻璃 o a 6 中制作单模光波导的研究被连续报道。随着对这种交 换的深入研究，人们相继发现了k + n a + 离子交换过程中的应力折射率变化效应 和双折射现象，并对此提出了相应的解释7 司“1 。接下来，m i l i o u 等于1 9 8 9 年 通过两步离子交换技术在b k 7 制作成功了掩埋型k + n a + 离子交换玻璃光波导， 其损耗已降至0 5 d b c m t o - 2 2 1 。 利用玻璃光波导制作集成光学器件的工作也卓有成效。无源玻璃光波导器件 方面，人们已经制作成多种基于玻璃光波导的器件，包括波分复用解复用器 ( w d m ) 、功率分束器、强t m 偏振分束器等。1 9 8 7 年，c o m i n g 公司首先宣 都制作成功单模双向w d m ( 工作于o 6 3 l a w n 和o 7 9 脚) o 2 3 1 。1 9 9 0 年，g o t o 等人利用基于离子交换玻璃光波导的y 分支w d m 上实现了1 3z 肋和1 5 5 a n 的 复用，解复用 0 2 4 l 。基于离子交换玻璃光波导的l x n 型功率分束器【0 2 5 1 和孤t m 偏振分束器由y i p 和b e t t s 等人分别于1 9 8 4 年和1 9 9 0 年第一次实现1 0 ”l 。 不仅如此，人们还建立起了离子交换玻璃光波导的理论模型，可以通过工艺 参数对将来制作的光波导的特性如折射率分布、模场分布、损耗等进行模拟和预 测，从而指导各种光波导器件的制作。科学家还将不同的数学方法应用于分析光 波导的特性，目前常用的计算方法主要有四种，分别是有效折射率法【o ”j 、有限 差分法 o , 2 8 ( f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d f d m ) 、光束传播法1 0 2 9 03 4 1 ( b e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d b p m ) 和有限元法i o “”1 ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d f e m ) 。其中有限元法可以用来计算任意截面形状的光波导，而仅需给定光波的 波长和相应的折射率分布，并且可以同时求出准陋模( 或准t m 模) 所有模式 的传播常数和模场分布。近年来又发展起来有限元光束传播法f 0 姗4 1 l 与全矢量有 限元光束传播法 o4 2 1 ，这种方法能够用来精确分析具有任意弯曲形状的光波导， 从而使得光器件的设计更加容易。 有限元法已经越来越多的应用于光波导的特性分析中，如国内很多研究人员 绪论 使用此方法对l i n b o ，光波导特性进行数值分析，而由于国内对离子交换光波导 的研究处于起步阶段，所以使用此方法分析离子交换玻璃光波导特性的报道尚不 多见。 实际应用波导时除了需要考虑波导本身特性如折射率分布、模场分布、损耗 等因素之外，还应该使波导与外部光学元件尽量匹配，从而使其性能达到极致， 为此人们做了很多努力。特别是波导作为各种集成光学器件的基础，必将与灵活 的光纤连接起来才能发挥最大的效能，因此，波导与单模光纤的耦合也是实现光 集成的关键之一。 按照波导与光纤之间是否存在光学元件，可将耦合方式分为两种，即直接耦 合和间接耦合。直接耦合结构简单、耦合效率较高；间接耦合结构复杂，虽然可 能得到比直接耦合更高的效率，但是其代价过高【04 3 1 。因而直接耦合更多得受到 国内外众多学者的关注，我们也倾向于采用光纤波导直接耦合的方式。 事实上，国内外文献报道较多的是光纤与l i n b o ：光波导耦合的研究。而光 纤玻璃光波导之间的耦合效率要高的多，有报道在e r y b 共掺磷酸盐玻璃波导 光放大器中，光纤与光波导之间的耦合效率高达8 4 t o “】。 正由于d 砀共掺玻璃光波导的上述突出的优点，人们很快制成了工作在 1 5 5 0 n m 光通信波段的d 砀共掺玻璃波导光放大器( e d w a ) ，该放大器是继 掺铒光纤放大器( e d f a ) 、半导体激光放大器( s o a ) 研制成功以来又一种具 有发展前途的光放大器。e d w a 制造成本低、单位长度增益高、结构紧凑、尺寸 小巧，很适合于有限空i a j 内的灵活应用；另外，e d w a 功能集成简便经济，它能 够非常容易的与任何损耗器件集成在一起。 o f c 0 1 中报道了在密集波分复用( d w d m ) 非循环传输系统中使用e d w a 同时对8 个不同波长0 d b m 信号放大得到了+ 1 4 d b m 输出，其中每个波长承载3 5 个6 m 阮、6 4 q a m ( 正交幅度调制) 信号，共传输了1 7 5 k m o 4 5 1 。为了适合光 通信系统中的实际应用，已经有人将上述的功能集成在同一基片上，这就是阵列 型d 乃共掺玻璃波导放大器( e d w aa r r a y ) 。若将合，分波器与e d w a 集成在 一起，就可以制作出基于e d w a 的l n 合分波集成放大器。有文献报道，用 这种方法制作的l 8 型合分波集成放大器小信号( - 1 5d b m ) 增益达到1 0 拈， 0 d b 损耗带宽1 5 3 0 1 5 6 0 n m ，噪声指数小于6 d b 【0 4 “。 国外p a s q u a l e 和f e d e r i g h i 等人在e d 删的数值分析方面做了深入研究【0 4 ”， 最新的文献均采用了全矢量有限元方法：而国内的报道尚少，只有电子科技大学 陈海燕等人采用重迭因子的方法做了一定的工作一4 ，而应用有限元法的分析尚 未见到。 近年来，玻璃波导激光器的理论和实验也有很大的进展。所谓的波导激光器 绪论 是指腔中结合有沟道波导的光泵固体激光器。其激光基质一般为掺杂有稀土离子 的玻璃、y a g 或是l i n b 0 3 晶体：而泵浦源一般采用半导体激光器l d 或l d 阵列。 波导激光器适用于传感、标记、生物医学、通信等领域的小型相干光源。 玻璃波导激光器有如下一些优点：l 、制作成本低，因为其制作参数的容差 比较大；2 、在较宽波段内波长可调谐；3 、具有内在的低相对强度噪声；4 、激 光线宽窄，波导激光器能在很小的波导模式尺寸中达到很高的增益，很容易实现 单纵模输出；5 、玻璃波导激光器的光束分布和数值孔径与光纤匹配性很好：6 、 波导激光器单位长度的增益值很高，结构紧凑。掺稀土元素的玻璃用于通信或人 眼安全方面的波导激光器一般使用d 功共掺。这种掺杂对9 8 0 n ml d 的泵浦光 有很好的吸收，输出1 5 4 0 r i m 的激光。 由于具有上述众多优点，目前国外d 功共掺玻璃波导激光器的研制取得了 重大成就，其中已报道的最大输出功率已达到1 7 0 m w ，这是使用6 1 0 m w 单模 氩离子激光泵浦2 2 c ，l 长的e r y b 共掺玻璃波导得到的，其阐值约为2 3 m w ， 斜率效率2 8 1 0 4 9 。另外，采用l d 泵浦的d 码共掺玻璃波导激光器也得到了 相当的效率，已经有人通过7 0 所的l d 泵浦4 3 研m 长的波导得到了2 2 m w 的 激光输出，其阙值为4 5 m w ，斜率效率1 0 6 o 5 0 l ；在另外一篇报道中则得到了 1 6 m w 的输出，其斜率效率高达2 7 i 。”j 。 二、论文结构和研究成果 本论文的主要内容涉及上述自然科学基金项目的前期理论和初步实验研究 工作。本文从理论上对离子交换玻璃光波导进行了较为全面的分析，这对光波导 的制作和特性分析提供了理论基础；我们置备了全套离子交换玻璃光波导的制作 设备，包括激光玻璃衬底、恒温炉、多种离子交换源、清洗设备和光谱仪、示波 器、功率计等，接下来制作了e r y b 共掺平板玻璃光波导，研究了光纤- 波导直 接对准耦合，并使用有限元法对光波导的特性做了具体的研究。在此基础之上， 我们运用多种方法对e r y b 共掺玻璃波导光放大器和激光器进行了数值模拟，并 提出了相应的设计方案。 本文分为三大部分，共五章。 第一部分，包括第一章和第二章，主要针对离子交换玻璃光波导的制各和特 性分析展开论述。 首先我们对离子交换玻璃光波导的原理、制作工艺等进行了总结，对不同的 离子对交换形成光波导的结果进行简单的介绍：分析了离子交换时的离子平衡对 玻璃光波导表面折射率变化的影响；给出了离子交换制备光波导中折射率变化的 绪论 理论模型，其中考虑了由于离子置换导致的表面变形、应力和双折射等因素；对 平面光波导和条形光波导折射率分布均适用的二维扩散方程也做了描述：同时还 简单介绍了辅助电场离子交换法制备的表面和掩埋光波导的特性，以及制作条形 光波导时掩膜版下的边扩散、空间电荷效应和二价碱离子的影响；并对三种离子 对交换制作单模玻璃光波导进行了比较。 然后介绍了课题选中的盐浴法k + n a + 离子交换的制作和特性分析。其中制 作部分详细描述了盐浴法k + n a + 离子交换的步骤和实验结果，分析了实验中存 在的问题：接下来分别针对平板光波导和条形光波导，从离子交换光波导的制作 工艺出发，建立制作参数与光波导折射率分布之阃的理论模型，并分别对两种光 波导进行模拟。然后使用有限元法对两种光波导中的模场进行理论计算，分析不 同波长在特定光波导中的模场分布，并对光波导进行优化设计。 第二部分( 第三章) 篇幅较少，主要分析了光纤波导直接对准耦合系统， 先给出了光纤一波导直接对准耦合的理论，然后介绍了几种具体的直接对准耦合 系统方案，备以后实验选择。 第三部分由第四章和第五章组成，这两章分别论述了d 砀共掺玻璃波导光 放大器( e d 辟么) 和激光器的数值模拟的方法及结果。 第四章中先对e d w a 做了较为全面的介绍，包括d 砀共掺玻璃波导光放大 器的制各、优势和局限及其应用等：然后通过对均匀三能级系统的麦克斯韦方程 组和传输速率方程数值求解分析了e d w a ，使用全矢量有限元方法计算了 e d 阡么的空间模场分布，并且在基于求解标准速率方程和传输方程的原理下使用 龙格库塔迭代算法计算了e d w a 的增益和放大的自发辐射光谱( a s e ) ，并对基 于脊形、条形和薄膜波导的e d 黝进行了分析和比较：接下来在一定的简化条件 下，用重迭因子的方法对e d w a 的性能作简要分析。 第五章首先提出一种d ，乃共掺波导激光器理论模型来精确的预测连续和 脉冲波导激光器的性能；然后讨论了波导激光器设计方案和几种新型波导激光器 的初步构想。 本论文作为离子交换玻璃光波导领域的基础性研究，将对后续的工作有一定 的指引作用。但由于课题涉及的知识面较广，目前只完成了一些初步实验，尚有 很多问题需要进一步深入研究。文中肯定有很多不当之处望各位专家批评指正。 第一章离子交换玻璃光波导 第一章离子交换玻璃光波导 近年来，用于制作彩色玻璃的离子交换技术得到了广泛的关注，因为它可以 改变玻璃的表面机制属性，尤其是可以制作出波导区域。如今，玻璃光波导已经 成为在光通信、光传感以及其他相关领域中对光信号进行处理的最优选择方案之 一。玻璃光波导组件的重要性在于它可以与光纤兼容，成本低，传输损耗低，以 及容易集成在系统中等方面。 1 9 7 2 年，i z a w a 和n a k a g o m e 第一次报道了玻璃光波导的制作l ，他们是使 用n + 离子和硅酸盐玻璃中含有的 枷和足+ 离子进行交换制得的。随后，对离子 交换过程的原理与交换条件与工艺的研究逐渐展开。不同的交换离子对和不同的 玻璃组份被应用于制作各种实用的光波导器件。本章主要介绍离子交换过程的参 数和波导特性之间的联系，其中重点放在使用不同的交换离子对和玻璃组份制作 单模光波导时的异同。以上的题目设计到多种学科的知识，在此只能给出尽可能 完整的论述。 本章的结构如下，第一节简单的介绍一下不同的离子对交换形成光波导的结 果。其中离子交换包括盐浴法和薄膜扩散法两种。第二节解释了玻璃表面的离子 平衡是如何影响离子扩散边界条件的，这种平衡决定了玻璃光波导表面折射率的 变化。第三节给出了离子交换制备光波导中折射率变化的理论模型，其中还考虑 了由于离子置换导致的表面变形、应力和双折射等。在第四节，给出了对平面光 波导和条形光波导折射率分布都适用的二维扩散方程。同时还考虑了辅助电场离 子交换法制备的表面和掩埋光波导的特性。这一节还介绍了制作条形光波导时掩 膜版下的边扩散、空间电荷效应和二价碱离子的影响。第五节着重介绍了单模光 波导的一些优化和制作过程。最后，介绍了此领域最新的发展情况。 第一节离子交换过程 制各玻璃光波导的离子交换法还可以分为两种，分别是盐浴法离子交换和薄 膜扩散离子交换，下面对二者进行简要的论述。 1 1 盐浴法离子交换 自从i z a w a 和n a k a g o m e 第一次报道了使用熔融的硝酸盐进行t i + - n a + 交换 制作玻璃光波导以来，盐浴法被大量的应用于玻璃光波导的制作。人们研究了一 些离子交换对的情况。大多数情况下是玻璃衬底中的矿被其他的一种离子置 一6 第章离子交换玻璃光波导 换，如c s + 、r b + 、l i + 、k + 、a g + 或是t + 等 1 2 q 4 。另外还有其他形式的交换 研究被报道，如c s + - k + 交换等堕5 1 。表i - i i 列出了不同的离子交换源与n a t 交 换的条件、离子交换源存械式j 玻璃衬底、所得到的折射率变化量( 幽) 以 及各离子的极化强度和半径等? ： 表l - 1 - 1不同离子与n a + 交换形成光波导特性简表 离子离子极化玻璃衬底 交换源形式交换温血 参 交换半径强度 度( c )考 源 ( a 。)( a 0 3 )文 献 乃+1 4 95 2硅酸硼玻 t i n 0 3 + i g v 0 3 + n a n 0 3 5 3 00 0 0 1 0 11 璃 世+1 3 31 3 3碱石灰玻 剧d 33 6 50 ，0 0 82 璃 a g + j2 62 4硅酸铝玻 a g n 0 3 2 2 5 2 7 00 1 33 璃 l i *0 6 50 0 3碱石灰玻 l i 2 s 0 4 + k 2 s 0 4 5 2 0 6 2 0o ，0 1 24 璃 r 6 +1 4 91 9 8碱石灰玻 r b n 0 3 5 2 0o 0 156 璃 c p1 6 533 4碱石灰玻c s n 0 35 2 000 36 璃 c r1 6 53 3 4b g g 2 1 c s n 0 3 4 - c s c 4 3 500 4 3 5 + 注：n a + 离子半径为o 9 5 4 。，偏振( 极化) o 4 3 a 。3 + c s 一k + 离子交换 在这些单价离子中，每一种都有其优缺点。具体来说，死+ 有毒，但是用纷 交换得到的光波导的折射率增量可以高达0 1 ，非常适合做多模光波导，而且其 损耗也相当低，约为0 1d b c - m h i 。对于a g + 交换来说，如果进入玻璃的a g + 浓 度过大，一g + 很容易还原成金属a g 原子，从而引入过多的损耗l i - 7 】；但是使用a g + 交换制作的光波导表面折射率增量可以达到o 1 3 。对于上述两种离子来说，可以 使用稀释的盐熔融液进行交换来制取单模光波掣。8 1 。足+ 离子很容易与玻璃成分 结合，但是由于其扩散系数很小，所得的折射率变化也非常小( ( 0 。0 1 ) ，所以为 了得到合适的光波导就需要很长的扩散时间，岸+ n a + 离子交换光波导的传输损 第一章离子交换玻璃光波导 耗很小，但是它为双折射型的【2 1 。l i + 离子在玻璃中的迁移率很高，所以在几分 钟之内就可以制得与光纤兼容的多模光波导。这斡光波导最大折射率增量约为 o 0 1 5 ，但是迄今为止降低其损耗的研究未见明