專利名稱：基于摻釹磷酸鹽玻璃溝道光波導(dǎo)的離子交換技術(shù)條件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于摻釹磷酸鹽玻璃溝道光波導(dǎo)的離子交換技術(shù)條件，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及光波 導(dǎo)技術(shù)。
背景技術(shù)：
摻釹磷酸鹽玻璃在高功率運(yùn)行條件下具有很好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，而且磷酸鹽玻 璃的聲子能量適中、對釹離子溶解度高、釹離子在其中的光譜性能好、非線性系數(shù)小，使得 摻釹磷酸鹽玻璃已經(jīng)成為使用最廣的激光玻璃介質(zhì)之一，己在激光核聚變、中小能量器件、 波導(dǎo)激光器和光纖通訊上獲得重要的應(yīng)用。光波導(dǎo)激光器與放大器都是新型的光通信用激光 器件，國外已經(jīng)大量報道了在各種摻釹激光材料上用不同工藝制作的光波導(dǎo)放大器和激光器， 而國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究還處于起步階段。但是由于它們具有半導(dǎo)體激光器和常用光纖放大器、 半導(dǎo)體放大器不能比擬的許多優(yōu)點，在未來光通信與光集成中取代后者巳是必然。
離子交換技術(shù)具有工藝簡單、易操作、成本低廉、能夠制作復(fù)雜的玻璃光波導(dǎo)等優(yōu)點， 在光通信、光傳感器及其他需要對光信號進(jìn)行處理和控制的領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，已成 為制作玻璃光波導(dǎo)的首選方案。離子交換工藝在玻璃基片上制作光波導(dǎo)的基本原理是以融 鹽中(或金屬膜電解形成)的陽離子A+與玻璃中的陽離子B+在特定的條件下進(jìn)行離子交換。
陽離子A+進(jìn)入玻璃表面以后，在自身濃度梯度的作用下向玻璃內(nèi)部擴(kuò)散，形成陽離子A+擴(kuò)散 層。由于A+比B+具有更高的極化率，或者因具有更小的離子半徑而使玻璃的局部結(jié)構(gòu)變得更 加致密，因而對玻璃的折射率有更大的貢獻(xiàn)，所以擴(kuò)散層的折射率較基片玻璃的折射率增大， 成為波導(dǎo)芯層。采用離子交換技術(shù)制作的玻璃基集成光學(xué)器件具有損耗低，易于摻雜高濃度 稀土離子，與光纖的光學(xué)特性匹配，耦合損耗小，環(huán)境穩(wěn)定性好，易于與其他光電子元件集 成等特性。
在制作波導(dǎo)型光器件中，經(jīng)常用到而又比較容易制作的是掩埋型光波導(dǎo)。制作掩埋型光 波導(dǎo)，提高光波導(dǎo)模場的對稱性，是降低光波導(dǎo)器件的傳輸損耗的關(guān)鍵所在。從溝道波導(dǎo)的 理論分析可以知道，在工作波長和波導(dǎo)其它參數(shù)不變的情況下，波導(dǎo)中的導(dǎo)模數(shù)是與波導(dǎo)深 度成正比關(guān)系的?？紤]到進(jìn)行實驗的首要目標(biāo)是要使波導(dǎo)能夠通光，因而如果要增大實驗成 功的幾率的話，就需要選用能夠增加波導(dǎo)交換深度的工藝條件。

發(fā)明內(nèi)容
'本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是如何采用特定條件下的離子交換技術(shù)在摻釹磷酸鹽玻璃材 料上制作溝道型光波導(dǎo)，并以此為基礎(chǔ)制造能夠單模運(yùn)行、傳輸損耗低的摻釹磷酸鹽光波導(dǎo) 激光器和光波導(dǎo)放大器。
根據(jù)摻釹磷酸鹽玻璃材料中所含離子的濃度關(guān)系(lC〉Na+〉Li')并結(jié)合離子交換理論中各 種離子交換導(dǎo)致的玻璃材料折射率變化情況，配制由Ag肌和KN03摩爾濃度比為9: 100組成 的混合融鹽，并進(jìn)行融鹽脫水后混合均勻。采用此組分及濃度配比，結(jié)合離子交換技術(shù)，更 容易形成溝道型波導(dǎo)。
離子交換可以視作兩種或兩種以上離子之間的相互擴(kuò)散。離子交換使折射率增加或減小， 由以下兩個因素所致。第一個因素與交換離子的原子大小尺寸有關(guān)。如果用Li+代替Na+或K+ 這樣的大離子，玻璃網(wǎng)格在小離子的周圍發(fā)生潰坍，產(chǎn)生相當(dāng)密集的結(jié)構(gòu)，具有高的折射率； 如果使用大離子替代小離子，網(wǎng)格膨脹，產(chǎn)生稀疏結(jié)構(gòu)，得到較低的折射率。第二個因素是 考慮電子位移極化率。如果用Tl+、 Cs\ Ag+、 Rb+或K+，這種電子位移極化率較大的離子替換 了Na+這種電子位移極化率較小的離子，折射率就會增加。針對一般摻釹磷酸鹽玻璃材料中含 有比較多的K+離子，其次是Na+和Li+。如果交換中使用Ag+、 K+和Na+，那么就會發(fā)生如下復(fù) 雜的離子交換Ag+o (K+、 Na+、 Li+)， KV+ (Na+、 Li+)， Na+++Li+，如附圖1所示。采用 AgN03和KN03的混合融鹽進(jìn)行離子交換實驗，將會發(fā)生如下離子交換Ag+o (K+、 Na+、 Li+)， (Na+、 Li+)，如附圖2所示。根據(jù)離子交換理論Ag+oK+、 Ag+oNa+、 Ag+oLi+、 K+o Na+、Li+的離子交換都會使玻璃材料的折射率增加，因而總的交換效果也會使交換區(qū)的 折射率增加，進(jìn)而形成波導(dǎo)，如附圖3所示。
考慮到摻釹磷酸鹽融鹽的組分及濃度配比，根據(jù)離子交換理論，在35(TC條件下交換時 間為25分鐘，交換出l個模式的波導(dǎo)。采用短的離子交換時間，可以盡可能的減少交換過程 中高溫、融鹽、及其他因素對基片表面結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而提高光波導(dǎo)的質(zhì)量。
影響單模波導(dǎo)的形成及性能的因素分析-
(1)融鹽質(zhì)量的影響離子交換用的融鹽一般為純度99.8%左右的分析純，融鹽中含有 其他的雜質(zhì)和離子，這些雜質(zhì)或離子在與基片進(jìn)行離子交換時有可能對基片造成損傷。采用 含雜質(zhì)更少、純度更高的優(yōu)級純?nèi)邴}進(jìn)行離子交換，不僅交換后雜質(zhì)的量減少，而且交換后 的基片表面質(zhì)量也有了很大的改善。
'(2)融鹽脫水及混合純的AgN(V性質(zhì)是比較穩(wěn)定的，在避光的干燥處保存一般不會發(fā) 生潮解。而認(rèn)03則具有比較強(qiáng)的吸水性，盡管放于干燥處保存，它仍會發(fā)生潮解。采用融鹽真空脫水法，只對用量多又易潮解的KN03進(jìn)行脫水。再將AgN03放入脫水后的處于融融狀態(tài) 的KN03中，使之充分融合一段時間，以達(dá)到均勻混合的目的。
'本發(fā)明的有益效果
1、 配制出AgN03和認(rèn)03摩爾濃度比為9: 100的高Ag濃度混合融鹽，適當(dāng)提高交換離子 濃度，縮短離子交換時間，減少交換過程中融鹽、高溫等其他因素對基片的影響，大大提高 了光波導(dǎo)質(zhì)量。
2、 針對摻釹磷酸鹽材料的特性，重新配制交換用融鹽的組分及濃度，采用高純度的AgNO, 和腦03融鹽，在提高交換離子濃度的同時可以縮短交換時間，盡可能的降低交換過程中融鹽 對基片表面的影響，從而可以交換出高質(zhì)量的光波導(dǎo)。
3、 控制離子交換時間，使得剛好能交換出具有更低傳輸損耗的單模波導(dǎo)，單模光波導(dǎo)放 大器或激光器有更加優(yōu)良的性能。
'本發(fā)明的應(yīng)用價值單模慘釹磷酸鹽玻璃光波導(dǎo)激光器和放大器，在高功率陣列式激光 器及放大器、高速寬帶光通信及軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。


圖l Ag+、 K+和Na+混合融鹽與玻璃基片中離子交換示意圖，其中，1為石英坩堝，2為 融鹽，3為折射率，4為基片。
圖2 Ag+和K+混合融鹽與摻釹磷酸鹽玻璃材料的的離子交換示意圖，其中，1為石英坩 堝，2為融鹽，3為折射率，4為基片。
圖3溝道波導(dǎo)制作工藝示意圖，5為去除光刻膠的基片；6為鋁膜；7為波導(dǎo)區(qū)；8為
離f交換；9為去除鋁膜形成波導(dǎo)。
權(quán)利要求
1、基于摻釹磷酸鹽玻璃溝道光波導(dǎo)的離子交換技術(shù)條件，包括離子交換所用混合融鹽組份、配比濃度，并經(jīng)融鹽脫水處理后均勻混合而成，和采用混合融鹽進(jìn)行離子交換過程中的時間，其特征在于，混合融鹽配比成份及濃度和交換時間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于摻釹磷酸鹽玻璃溝道光波導(dǎo)的離子交換技術(shù)條件，其特征 在于，所述混合融鹽組成成份為硝酸銀(AgN03)和硝酸鉀(KN03)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2所述的基于慘釹磷酸鹽玻璃溝道光波導(dǎo)的離子交換技術(shù)條件，其特 征在于，所述混合融鹽采用含雜質(zhì)更少、純度更高的優(yōu)級純?nèi)邴}。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2所述的基于摻釹磷酸鹽玻璃溝道光波導(dǎo)的離子交換技術(shù)條件，其特 征在于，所述混合融鹽AgN03和KN03以摩爾濃度比為9:100配比。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于摻釹磷酸鹽玻璃溝道光波導(dǎo)的離子交換技術(shù)條件，其特征 在于，所述混合融鹽須經(jīng)過融鹽真空脫水法脫水處理后均勻混合而成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于摻釹磷酸鹽玻璃溝道光波導(dǎo)的離子交換技術(shù)條件，其特征 在于，所述混合融鹽離子交換溫度精確控制在35(TC左右。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于摻釹磷酸鹽玻璃溝道光波導(dǎo)的離子交換技術(shù)條件，其特征 在于，所述混合融鹽離子交換時間精確控制在25分鐘。
全文摘要
基于摻釹磷酸鹽玻璃溝道光波導(dǎo)的離子交換技術(shù)條件，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及光波導(dǎo)技術(shù)。其離子交換融鹽采用由AgNO₃和KNO₃摩爾濃度比為9∶100所組成的混合融鹽經(jīng)脫水后均勻混合而成；其離子交換時間是在350℃條件下交換25分鐘。本發(fā)明提供的離子交換條件，針對摻釹磷酸鹽材料的特性，重新配制交換用融鹽的組分及濃度，采用高純度的AgNO₃和KNO₃融鹽，適當(dāng)提高交換離子濃度，進(jìn)而縮短交換時間，以盡可能的降低交換過程中融鹽對基片表面的影響，進(jìn)而提高光波導(dǎo)的質(zhì)量。
文檔編號G02B6/13GK101561533SQ20091005941
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者劉永智, 勇 周, 張曉霞, 張金令 申請人:電子科技大學(xué)