專利名稱：離子交換法制作光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
離子交換法制作光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)，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)：
在當(dāng)今實(shí)際應(yīng)用的光通信系統(tǒng)中，主要采用1550nni和1310nm的光傳送信號(hào)。這是因?yàn)?550nm的光在石英光纖中具有最低的損耗系數(shù)，而1310nm的光則具有零色散系數(shù)。因此，工作于1310nm和1550nm波長(zhǎng)附近的光放大器受到了人們的廣泛關(guān)注和大量研究。由于應(yīng)用領(lǐng)域的局限性和波長(zhǎng)的特殊性，人們對(duì)工作在1054nm波長(zhǎng)附近的光放大器的研究相對(duì)較少。
光波導(dǎo)放大器是90年代初出現(xiàn)的又一種新型光放大器,與其它類型的光放大器相比,光波導(dǎo)放大器具有以下優(yōu)點(diǎn)制造成本低、單位長(zhǎng)度增益高、結(jié)構(gòu)緊湊、易于與其它光學(xué)器件集成、可以在同一襯底上提供無源和有源光路。在迅彈發(fā)展的通信系統(tǒng)的巨大需求推動(dòng)下，摻鉺光波導(dǎo)放大器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商用化。而工作于1054nra波長(zhǎng)附近的光放大器隨著自由空間光通信和激光核聚變的發(fā)展，受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，其中研究得最多的兩類器件便是光波導(dǎo)型的放大器和光纖型的放大器。
一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、操作方便，并且已被廣泛采用的制作光波導(dǎo)的常用方法是當(dāng)玻璃材料浸在硝酸銀或硝酸鉈融鹽中時(shí)，由于銀離子或鉈離子與玻璃中的鈉離子發(fā)生交換，在玻璃的表面折射率會(huì)發(fā)射相當(dāng)大的改變，形成光波導(dǎo)。按照Zachariaron的理論，可將玻璃的結(jié)構(gòu)理解為一些不規(guī)則的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)格修飾離子與網(wǎng)格的結(jié)合是不牢固的，很容易在網(wǎng)格之間發(fā)生遷移，與溶液或融鹽中的一價(jià)堿離子在玻璃表面發(fā)生交換。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。而離子交換使折射率增加或減小，折射率是形成波導(dǎo)的關(guān)鍵條件。而是離子交換的哪些因素，又是怎樣來影響折射率的增加和減小的，這些都是離子交換法制作光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)，需要我們的仔細(xì)研究，并運(yùn)用到實(shí)踐中來指導(dǎo)光波導(dǎo)的制作。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)玻璃材料浸在硝酸銀或硝酸鉈融鹽中時(shí)，由于銀離子或鉈離子與玻璃中的鈉離子發(fā)生交換，在玻璃的表面折射率會(huì)發(fā)射相當(dāng)大的改變，形成光波導(dǎo)。這是一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、操作方便的制作光波導(dǎo)的常用方法，已被廣泛采用。
按照Zachariaron的理論，可將玻璃的結(jié)構(gòu)理解為一些不規(guī)則的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。以硅酸鹽玻璃為例，其基本骨架是二氧化硅(Si02)，硅原子和氧原子按硅氧四面體的方式相互結(jié)合。在硅氧四面體中，硅的電價(jià)已經(jīng)飽和了，而氧能夠同時(shí)與兩個(gè)硅連接在一起。因此，硅酸鹽玻璃就是以硅氧四面體為基本結(jié)構(gòu)單元，相互間以頂角上的氧原子連接在一起的空間配位網(wǎng)，故硅氧四面體又稱為網(wǎng)絡(luò)生成體。若玻璃中還含有另一些氧化物，它們的氧離子將參加配位網(wǎng)結(jié)構(gòu)，金屬離子則無確定位置，占據(jù)著網(wǎng)格間的空位。這些氧化物稱為網(wǎng)絡(luò)修飾劑。例如，氧化鈉的作用是使兩個(gè)Si02四面體之間形成的一個(gè)橋聯(lián)氧離子被兩個(gè)非橋聯(lián)氧離子所代替，造成玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)的局部中斷，同時(shí)，鈉離子占據(jù)在非橋聯(lián)氧離子附近的網(wǎng)格間隙中。
由于網(wǎng)格修飾離子與網(wǎng)格的結(jié)合是不牢固的，很容易在網(wǎng)格之間發(fā)生遷移，與溶液或融鹽中的一價(jià)堿離子在玻璃表面發(fā)生交換。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(gè)因素所致。而這兩個(gè)因素構(gòu)成了本發(fā)明離子交換法制作光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)的主要內(nèi)容，其具體可表述為-
1. 折射率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。
2. 與電子位移極化率有關(guān)
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(huì)增加。附錄l列出了一些離子的電子極化率、離子半徑、能與Na+交換改變玻璃折射率的一價(jià)離子融鹽的熔點(diǎn)和分解溫度，以及折射率的增加值。
一價(jià)堿性離子Li+、 Tl+、 Cs+、 Ag+、 Rb+和K+與玻璃中的Na+交換，都可以提高玻璃的折射率。(1) Li+^Na+離子交換(如附圖l所示)Li+oNa+交換使玻璃折射率增大的原因，不是由于Li+的電子極化率，而是因?yàn)長(zhǎng)i+比
Na+小，在玻璃中產(chǎn)生相當(dāng)密集的結(jié)構(gòu)。這種方法產(chǎn)生的折射率增加值較小(〈0.015)，適宜于制作單模波導(dǎo)，也可勉強(qiáng)用來制作大數(shù)值孔徑的多模波導(dǎo)。由于Li+的尺寸小，它在玻璃中的擴(kuò)散相當(dāng)快，因而可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)制成較厚的多模波導(dǎo)。但是，因?yàn)椴Ａе芯W(wǎng)格結(jié)構(gòu)的潰坍，光波導(dǎo)的損耗是較大的。
(2) Cs+， Rb+^Na+離子交換(如附圖2所示)
由于Cs+、 Rb+的電子極化率比Na+大，當(dāng)它們與玻璃中的Na+交換后，可以提高折射率。在520'C下使用CsN03融鹽使堿石灰玻璃發(fā)生Cs+^Na+交換，可制成平面型玻璃波導(dǎo)。由于Cs+的離子半徑大，擴(kuò)散得較慢，制作一個(gè)8um深的波導(dǎo)需要37小時(shí)(52(TC)， A『0.03，損耗為ldB.cm-l。 Rb+oNa+交換也可制作平面玻璃波導(dǎo)，An=0.015。
(3) Ag+oNa+離子交換(如附圖3所示)Ag+比Na+大一些，但是Ag+電子極化率比Na+大得多，這個(gè)時(shí)候電子極化率的影響是主要的因素，于是得到的折射率增加值也很大(在堿石灰玻璃中為0. 09， TiF6玻璃中為0. 22)。Ag+與玻璃中的Na+即使在較低的溫度下也能很好地交換， 一般的交換溫度為22(T30(TC，由于Na+和Ag+之間的相互擴(kuò)散很強(qiáng)，因而擴(kuò)散數(shù)個(gè)小時(shí)就可以得到模數(shù)相當(dāng)多的多模波導(dǎo)。


圖l Li+融鹽與磷酸鹽玻璃材料的的離子交換，其中，l為熔鹽中的Li+; 2為磷酸鹽基
片中的Na+; 3為含1^+的熔鹽；4為磷酸鹽基片表面的折射率變化；5為石英干鍋；6為磷
酸鹽基片。
圖2 Cs+或者Rb+融鹽與磷酸鹽玻璃材料的的離子交換，其中，1為熔鹽中的Cs+或者Rb+;2為磷酸鹽基片中的Na+; 3為含Cs+或者Rb+的熔鹽；4為磷酸鹽基片表面的折射率變化；5為石英干鍋；6為磷酸鹽基片。
圖3 Ag+融鹽與磷酸鹽玻璃材料的的離子交換，其中，l為熔鹽中的Ag+; 2為磷酸鹽基片中的Na+; 3為含Ag+的熔鹽；4為磷酸鹽基片表面的折射率變化；5為石英干鍋；6為磷酸
鹽基片。
權(quán)利要求
1、在使用離子交換法制作光波導(dǎo)的過程中，折射率是形成波導(dǎo)的關(guān)鍵條件。而離子交換法制作光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)的核心內(nèi)容就是闡述了是離子交換中的哪些因素以及這些因素又是怎樣來影響折射率的增加和減小的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子交換法制作光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)，其特征在于，其應(yīng)用場(chǎng)合主要是以下被廣泛采用的制作光波導(dǎo)的方法當(dāng)玻璃材料浸在含有一價(jià)堿離子的溶液或融鹽中時(shí)，由于一價(jià)堿離子與玻璃中的鈉離子發(fā)生交換，在玻璃的表面折射率會(huì)發(fā)射相當(dāng)大的改變，從而形成光波導(dǎo)。該理論基礎(chǔ)就是對(duì)該方法中的離子交換具有理論指導(dǎo)作用。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子交換法制作光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)，其特征在于，按照Zachariaron的理論，可將玻璃的結(jié)構(gòu)理解為一些不規(guī)則的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于網(wǎng)格修飾離子與網(wǎng)格的結(jié)合是不牢固的，很容易在網(wǎng)格之間發(fā)生遷移，與溶液或融鹽中的一價(jià)堿離子在玻璃表面發(fā)生交換。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。而離子交換使折射率增加或減小。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3所述的離子交換法制作光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)，其特征在于使用了以下理論作為離子交換法制作光波導(dǎo)過程中折射率增加或減小的判據(jù)1) 折射率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。2) 與電子位移極化率有關(guān)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(huì)增加。
全文摘要
離子交換法制作光波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及光波導(dǎo)技術(shù)。在使用離子交換法制作光波導(dǎo)的過程中，折射率是形成波導(dǎo)的關(guān)鍵條件。該理論的核心內(nèi)容就是闡述了是離子交換中的哪些因素以及這些因素又是怎樣來影響折射率的增加和減小的。其具體內(nèi)容主要有以下兩點(diǎn)1.折射率與交換離子的原子大小尺寸有關(guān)；2.與電子位移極化率有關(guān)。本發(fā)明可應(yīng)用在離子交換法制作光波導(dǎo)上，可以避免傳統(tǒng)的通過大量的試驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)合適的用于離子交換的離子，在理論的指導(dǎo)下可以避免一些方向性的錯(cuò)誤，節(jié)約試驗(yàn)的次數(shù)，從而達(dá)到降低成本的目的。同時(shí)還可以根據(jù)該理論的指導(dǎo)，擴(kuò)展離子的選擇范圍，為找到更好的融鹽配置打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G02B6/134GK101561534SQ200910059418
公開日2009年10月21日 申請(qǐng)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, 張曉霞, 張金令, 陳沛然 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)