專利名稱：非線性硫鹵玻璃光波導(dǎo)及其離子交換制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種以無機(jī)玻璃為載體的光波導(dǎo)，尤其涉及一種硫鹵玻璃和以硫鹵玻璃為載體的光波導(dǎo)及其制備方法。
光波導(dǎo)是大量光信號(hào)快速傳輸?shù)妮d體，也是微光學(xué)線路中集成光學(xué)的基體，光波導(dǎo)在光纖通信，集成光學(xué)，變折射率光學(xué)和光纖傳感領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著光通信，光計(jì)算，光信息處理的發(fā)展，全光型的信息處理器件越來越引起人們的研究興趣，如光控光開關(guān)，光雙穩(wěn)態(tài)器件，光邏輯門，光放大器，波分復(fù)用器，光纖激光器等，其中許多器件是構(gòu)筑在非線性光波導(dǎo)基礎(chǔ)之上的?？梢灶A(yù)料，下一階段以光子器件為基礎(chǔ)的光子技術(shù)將具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)潛力，其中非線性光導(dǎo)波器件與技術(shù)無疑將發(fā)揮重要作用。
光波導(dǎo)是以非線性光學(xué)材料為載體的，因此，非線性光學(xué)材料的優(yōu)劣將直接影響光波導(dǎo)的性能。非線性光學(xué)材料一般分為晶體材料、玻璃材料和高分子材料三種，一般可采用下式來衡量材料的優(yōu)劣W＝κ0Δn’/α0τ式中W----非線性光學(xué)材料品質(zhì)系數(shù)κ0----比例系數(shù)α0----線性吸收系數(shù)
τ-------響應(yīng)時(shí)間Δn’----非線性折射率變化從式(1)中可以看出，全光器件品質(zhì)因數(shù)的提高，必須同時(shí)使非線性折射率變化Δn’增大、線性吸收系數(shù)α0降低以及響應(yīng)時(shí)間減少才能實(shí)現(xiàn)。
目前，多數(shù)非線性光波導(dǎo)都采用半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體材料的帶隙共振光學(xué)非線性很強(qiáng)，導(dǎo)致較大的Δn’。這對(duì)于工作在帶隙共振的半導(dǎo)體材料很不利，若避開共振區(qū)，則會(huì)導(dǎo)致非線性的下降；當(dāng)采用有機(jī)高分子材料和玻璃材料為載體時(shí)，則可避開吸收峰，有機(jī)高分子材料的主要缺點(diǎn)是光損傷閾值較低，有待于進(jìn)一步解決；玻璃材料，尤其是硫系鹵化物玻璃(簡稱硫鹵玻璃)則克服了上述諸多材料的缺點(diǎn)，同時(shí)具有高的三階非線性系數(shù)，短的響應(yīng)時(shí)間和低的損耗，此外，玻璃性質(zhì)穩(wěn)定，透過范圍寬，易于加工，成本低，是制備非線性光波導(dǎo)的優(yōu)良材料，作為新興非線性材料，越來越多地引起人們的注意。而目前的玻璃光波導(dǎo)主要是以氧化物玻璃為基玻璃與硝酸鹽的熔鹽進(jìn)行離子交換進(jìn)行制備的，氧化物玻璃的非線性系數(shù)較低，因而主要用于線性光學(xué)器件的制備。
綜上所述，應(yīng)盡快研究開發(fā)一種具有高三價(jià)非線性系數(shù)的無機(jī)玻璃為載體的非線性光波導(dǎo)，以滿足飛速發(fā)展的信息技術(shù)的需要。
本發(fā)明的目的之一在于提供一種具有高三價(jià)非線性系數(shù)的硫鹵玻璃；本發(fā)明的目的之二在于提供一種具有高三價(jià)非線性系數(shù)的硫鹵玻璃為載體的非線性光波導(dǎo)；
本發(fā)明的目的之三在于公開一種采用特殊熔鹽通過離子交換制備以硫鹵玻璃為載體的非線性光波導(dǎo)的方法。
本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的研究發(fā)現(xiàn)，硫系玻璃的非線性系數(shù)遠(yuǎn)大于普通氧化物玻璃和氟化物玻璃，是制備非線性光波導(dǎo)的優(yōu)良材料，但由于大部分硫系玻璃的透過范圍只在2-20μm內(nèi)，而一般通信窗口在0.98、1.31和1.55μm附近，因此硫系玻璃難以直接用作非線性光波導(dǎo)材料。氟化物玻璃的損耗最低，但其化學(xué)穩(wěn)定性差，容易受到環(huán)境的侵蝕而影響工作性能。本發(fā)明在硫系玻璃中加入鹵化物，使之形成一種新型的硫鹵玻璃系統(tǒng)--GeS2-Ga2S3-Y(Y為KCl、KBr、KI、AgBr或AgI中的一種)，由于加入了鹵化物后，使該玻璃具有硫系玻璃和鹵化物玻璃的基本優(yōu)點(diǎn)，并在一定程度上抑制了二者的弱點(diǎn)。所說的玻璃不僅具有寬廣的透光范圍(0.42～11.5μm)，較好的物理化學(xué)性質(zhì)，而且含有一價(jià)金屬離子，使之能成為可通過離子交換制備非線性光波導(dǎo)的優(yōu)良材料。
根據(jù)上述構(gòu)思，本發(fā)明提出如下的技術(shù)方案本發(fā)明所說的非線性硫鹵玻璃的化學(xué)結(jié)構(gòu)如下所示GeS2-Ga2S3-Y其中Y為KCl、KBr、KI、AgBr或AgI中的一種；其組成比為GeS2-Ga2S370％～90％Y30％～10％
以上為摩爾百分比。
所說的玻璃的透光范圍相當(dāng)寬，包括可見光和紅外兩個(gè)區(qū)域(0.42-11.5μm)，透過率高達(dá)80％以上(厚度3mm)，損耗低，非線性折射率變化Δn’高達(dá)2.0-2.5，非線性效果明顯，非線性極化系數(shù)χ在10-11-10-12esu范圍內(nèi)，物理化學(xué)性質(zhì)良好，是一種優(yōu)良的非線性光波導(dǎo)材料。
玻璃的熔制采用傳統(tǒng)的石英安瓿真空密封高溫(950-110℃)熔融法，這是一種常規(guī)的方法，在許多專利和文獻(xiàn)中均有闡述，本發(fā)明不再贅述。Cl、Br和I可分別選自KCl、KBr或KI；Ag可分別選自AgBr或AgI。
上述硫鹵玻璃可以用于制備非線性光波導(dǎo)。
所說的光波導(dǎo)，以上述的硫鹵玻璃為載體，其有效擴(kuò)散系數(shù)為0.05×10-10cm2S-1～700×10-10cm2S-1，折射率差Δn為0.001-0.04，交換深度為1μm～1000μm。
所說的光波導(dǎo)亦是這樣制備的將上述的硫鹵玻璃置于交換器中，在惰性氣體的保護(hù)下與有機(jī)熔鹽進(jìn)行離子交換反應(yīng)，所說的有機(jī)熔鹽為具有一價(jià)堿金屬陽離子，如Na+、K+、Ag+、Cs+、Rb+等的有機(jī)鹽如檸檬酸鹽、硬脂酸鹽、油酸鹽或棕櫚酸鹽等中的一種或一種以上，所說的有機(jī)鹽中的陽離子與玻璃中的Ag或K分別進(jìn)行Na+-K+、Na+-Ag+、K+-Ag+、Cs+-K+、Rb+-K+、Rb+-Ag+、Cs+-Ag+進(jìn)行離子交換，獲得所說的非線性光波導(dǎo)。
交換時(shí)間為1小時(shí)-80小時(shí)，溫度為210℃-310℃，溫度過高，將導(dǎo)致玻璃內(nèi)部的結(jié)構(gòu)松馳，使由于離子交換而產(chǎn)生的折射率差消失；而溫度太低則會(huì)使離子交換的擴(kuò)散系數(shù)太小，而使離子交換反應(yīng)難以進(jìn)行。因此，優(yōu)選的溫度為230℃～290℃。
通過調(diào)節(jié)交換時(shí)間可控制交換深度，交換深度可以達(dá)到8-1200μm，折射率差Δn在0.001-0.04之間。也可以進(jìn)行二次離子交換來制備掩埋式光波導(dǎo)。
本發(fā)明光波導(dǎo)的最大優(yōu)點(diǎn)在于成本低，工藝簡單，光波導(dǎo)的非線性現(xiàn)象明顯，與光纖偶合容易，光波透過范圍寬，光波導(dǎo)應(yīng)用范圍廣，是一種大量光信號(hào)快速傳輸和微光學(xué)線路中集成光學(xué)的優(yōu)良載體。
下面將通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的有關(guān)內(nèi)容作進(jìn)一步的說明，但實(shí)施例并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1將直徑為12mm，厚度為4mm的50GeS2-25Ga2S3-25AgI玻璃和100ml油酸鉀熔鹽，置于交換器中，在270℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下，進(jìn)行K+-Ag+離子交換，交換時(shí)間為30小時(shí)，得到的K+離子交換深度為256μm，有效擴(kuò)散系數(shù)為60.7×10-10cm2S-1，折射率差Δn為0.02。
實(shí)施例2將直徑為12mm，厚度為4mm的60GeS2-20Ga2S3-20AgI玻璃和100ml檸檬酸鉀熔鹽，置于交換器中，在270℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下，進(jìn)行K+-Ag+離子交換，交換時(shí)間為10小時(shí)，得到的K+離子交換深度為205μm，折射率差Δn為0.01。
實(shí)施例3將直徑為12mm，厚度為4mm的50GeS2-40Ga2S3-10KI玻璃和100ml油酸銫熔鹽，置于交換器中，在270℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下，進(jìn)行Cs+-Kg+離子交換，交換時(shí)間為30小時(shí)，得到的Cs+離子交換深度為9μm，折射率差Δn為0.03。
實(shí)施例4將直徑為12mm，厚度為4mm的50GeS2-25Ga2S3-25KI玻璃和油酸鉀與油酸銫的混合熔鹽(1∶1，重量比)，置于交換器中，在270℃氮?dú)獗Ｗo(hù)的環(huán)境中，進(jìn)行Cs+-Kg+離子交換，交換時(shí)間為30小時(shí)，得到的Cs+離子交換深度為8μm，折射率差Δn為0.02。
權(quán)利要求
1.一種非線性硫鹵玻璃，其特征在于具有如下所示的結(jié)構(gòu)通式GeS2-Ga2S3-Y其中Y為KCl、KBr、KI、AgBr或AgI中的一種；其組成比為GeS2-Ga2S370％～90％Y 30％～10％以上為摩爾百分比。
2.一種非線性硫鹵玻璃光波導(dǎo)，其特征在于以硫鹵玻璃為載體，折射率差Δn為0.001-0.04，所說的硫鹵玻璃的結(jié)構(gòu)通式如下所示GeS2-Ga2S3-Y其中Y為KCl、KBr、KI、AgBr或AgI中的一種；其組成比為GeS2-Ga2S370％～90％Y 30％～10％以上為摩爾百分比。
3.如權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)的離子交換制備方法，將所說的的硫鹵玻璃置于交換器中，在惰性氣體的保護(hù)下與有機(jī)熔鹽進(jìn)行離子交換反應(yīng)，獲得所說的非線性光波導(dǎo)，其特征在于所說的有機(jī)熔鹽為具有一價(jià)堿金屬陽離子的有機(jī)鹽；交換時(shí)間為1小時(shí)～80小時(shí)；溫度為210℃-310℃。
4.如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)的離子交換制備方法，其特征在于所說的有機(jī)鹽為Na+、K+、Ag+、Cs+、Rb+的有機(jī)鹽。
5.如權(quán)利要求4所述的光波導(dǎo)的離子交換制備方法，其特征在于所說的有機(jī)鹽為Na+、K+、Ag+、Cs+、Rb+的檸檬酸鹽、硬脂酸鹽、油酸鹽或棕櫚酸鹽中的一種或一種以上。
6.如權(quán)利要求3所述的光波導(dǎo)的離子交換制備方法，其特征在于優(yōu)選的溫度為230℃～290℃。
7.如權(quán)利要求5所述的光波導(dǎo)的離子交換制備方法，其特征在于優(yōu)選的溫度為230℃～290℃。
8.如權(quán)利要求6所述的光波導(dǎo)的離子交換制備方法，其特征在于優(yōu)選的溫度為230℃～290℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非線性硫鹵玻璃光波導(dǎo)及其離子交換制備方法。所說的光波導(dǎo)以具有高三價(jià)非線性系數(shù)的硫鹵玻璃為載體、采用特殊熔鹽通過離子交換進(jìn)行制備的,折射率差Δn為0.001—0.04,是一種大量光信號(hào)快速傳輸和微光學(xué)線路中集成光學(xué)的優(yōu)良載體,具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C03C3/32GK1253121SQ9912402
公開日2000年5月17日 申請(qǐng)日期1999年11月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月18日
發(fā)明者陳瑋, 王德強(qiáng), 程繼健 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)