專利名稱：一種低損耗碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光器件、集成光學(xué)領(lǐng)域，涉及光波導(dǎo)的制備方法，具體是一種低損耗碲酸鹽 玻璃平面光波導(dǎo)的制作方法。
背景技術(shù)：
碲酸鹽玻璃因具有高折射率，低熔點(diǎn)，良好的可見-紅外透過性(0.35~6pm)，高介電常 數(shù)，良好的熱學(xué)化學(xué)穩(wěn)定性，低聲子能量( 780cm")，非線性和高發(fā)射帶寬等特性而備受關(guān) 注，由于具有良好的光學(xué)，熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，碲酸鹽玻璃是一種潛在的極具應(yīng)用前景的光學(xué) 材料，例如可以用它來制作光波導(dǎo)器件，超高速光開關(guān)，激光基質(zhì)材料，寬帶摻鉺碲基光纖 放大器(EDTFA)和光通信系統(tǒng)中的波分復(fù)用放大器等。
玻璃基光波導(dǎo)的制作可由多種不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在諸多的技術(shù)中，離子交換技術(shù)是被認(rèn) 為是制作玻璃基光波導(dǎo)的重要技術(shù)手段，這歸因于其操作靈活，工藝簡單，穩(wěn)定可靠，高效 率和成本低廉?，F(xiàn)代全光波分復(fù)用和密集波分復(fù)用通信系統(tǒng)的日益復(fù)雜，人們對集成光學(xué)器 件倍感興趣，平面光波導(dǎo)被認(rèn)為是光通信，傳感器等相關(guān)領(lǐng)域中處理光信號的重要器件。
目前，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其它數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的速發(fā)展，現(xiàn)在用于波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing)技術(shù)傳輸系統(tǒng)的摻鉺石英基光纖放大器(EDFA)放大的C波段 (1530-1565 nm)己不能滿足高速大容量通訊傳輸要求。因此為了獲得帶寬寬、增益平坦的光 纖放大器，尋找新型光纖放大器的增益介質(zhì)己成為當(dāng)務(wù)之急。近年來出現(xiàn)了多種稀土慘雜新 基質(zhì)材料的光纖放大器，特別是摻ErS+離子的碲酸鹽玻璃基質(zhì)光纖在實(shí)現(xiàn)超寬帶通信方面顯 示出了廣闊的應(yīng)用前景。
1997年，日本NTT公司首次報(bào)道了摻鉺碲基光纖放大器(EDTFA)的增益和噪聲特性， 并指出EDTFA是一種寬帶光纖放大器。摻鉺碲化物玻璃光纖放大器，可提供大約90 nm (1530 -1620 nm)的放大增益帶寬，增益特性平坦，頻帶向長波長一側(cè)移動(dòng)，同時(shí)覆蓋1550 nm和 1580 nm放大區(qū)域，增益為20 dB以上，并可將上限波長擴(kuò)大至1634 nm。 1997年摻鉺碲酸 鹽玻璃的光纖的損耗為3 dB/m，到1998年減少到0.5 dB/m， 1999年又減為0.05 dB/m，現(xiàn)在 的損耗則為0.02dB/m甚至更低。到目前為止NTT公司已有商品化的EDTFA模塊出售。
平板光波導(dǎo)是集成光學(xué)器件的基礎(chǔ)組成部分，且制作成本低廉而且易于集成，可用作通
訊設(shè)備中的信號放大器和高速激光信號處理器，將會在城域接入網(wǎng)和局域接入網(wǎng)中得到廣泛
應(yīng)用。但到目前為止，所報(bào)道的碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)其傳輸損耗很大，離平面光波導(dǎo)器件的應(yīng)用要求相距較遠(yuǎn)。
2001年，美國Arizona大學(xué)的Y. Ding等首次報(bào)道了經(jīng)Ag+-Na+離子交換的摻鉺碲酸鹽玻 璃光波導(dǎo)。他們采用組分為15Na20-25WO3~60TeO2-lEr2O3 (摩爾比)的摻鉺碲酸鹽玻璃， 以2AgNOr49NaN0349KN03 (wt%)為交換源，制作出了單模和多模的Ag+-Na+離子交換 光波導(dǎo)。玻璃在330 'C下交換34小時(shí)后，玻璃表面腐蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重。
2006年，巴西的V. A. G. Rivera等采用組分為55NaN0343KN03-2AgN03 (wt%)的離 子交換源，在260 °C下，通過Ag+-Na+離子交換6小時(shí)，制作了組分為 75TeO2-2GeO2-10Na2O-12ZnO-lEr203 (摩爾比)的摻鉺鍺碲酸鹽玻璃光波導(dǎo)。其傳輸損耗在 632.8 nm， 1305 nm， 1536 nm波長下傳輸損耗分別為28.66 dB/cm， 17.52 dB/cm， 11.07 dB/cm。
2007年，日本岡山大學(xué)(Okayama University)的Shinichi Sakida等，使用組分為 49.5NaNO349.5KNO3-1.0AgNO3 (摩爾比)離子交換源，通過Ag+-Na+離子交換制作了組分 為12Na20-35W03-53Te02-lEr203 (摩爾比)的慘鉺碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)，并對碲酸鹽玻 璃平面光波導(dǎo)的折射率分布、擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散深度和傳輸損耗等特性進(jìn)行了研究，所制作的 光波導(dǎo)的傳輸損耗在473 nm， 632.8 nm， 983.1 nm， 1548 nm波長下分別在8.56 dB/cm, 4.88 dB/cm， 9.22 dB/cm， 11.29 dB/cm以上，其傳輸損耗雖有所降低，但仍然很大，不能實(shí)際應(yīng) 用。
現(xiàn)有的經(jīng)Ag+-Na+離子交換方法制作的碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)，傳輸損耗較高，限制了 碲酸鹽玻璃在光電子器件中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低損耗碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)的制作 方法。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下
一種低損耗碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于采用摩爾組分為
10~20Na2O-30~40WO3-50TeO2 的碲酸鹽玻璃，配制摩爾組分為 45~75KN03-25~55CsN03-lAgN03的硝酸鹽混合物為離子交換源，碲酸鹽玻璃與離子交換源 經(jīng)八§+-!^+交換后制得碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)。
進(jìn)一步的，所述碲酸鹽玻璃的摩爾組分為mNa20- (50-m) WO3-50TeO2， m=10~20。
進(jìn)一步的，硝酸鹽混合物的摩爾組分為nKNO廣(100-n) CsN03-lAgN03， n=45 75。
進(jìn)一步的，Ag+-Na+交換的溫度為250~285 °C。離子交換所需溫度,需滿足兩個(gè)條件 (1)不低于離子交換源的熔點(diǎn)，(2)不高于碲酸鹽玻璃的轉(zhuǎn)變溫度。溫度高使離子交換的速率增加，但做出來的波導(dǎo)傳輸損耗也會相應(yīng)變大，所以最好是采用較低的溫度交換相對長的 時(shí)間。
進(jìn)一步的，Ag+-Na+交換的時(shí)間為l~10h。
經(jīng)傳輸損耗測試表明，本發(fā)明制備的光波導(dǎo)在632.8 nm波長下?lián)p耗低于1 dB/cm，在1539 nm波長下傳輸損耗低于L5 dB/cm，比現(xiàn)有的光波導(dǎo)的傳輸損耗要低得多，為發(fā)展碲酸鹽玻 璃有源、無源波導(dǎo)器件開拓了一條可行的途徑，使制作稀土摻雜的碲酸鹽玻璃波導(dǎo)放大器成 為可能。
本發(fā)明工藝簡單，成本低廉，可制作出低傳輸損耗的碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)。


圖1是實(shí)施例1制備的光波導(dǎo)的模式圖。
圖2是實(shí)施例1制備的光波導(dǎo)在632.8 nm下的折射率分布曲線。 圖3是實(shí)施例1制備的光波導(dǎo)的傳輸損耗曲線。 圖4是實(shí)施例2制備的光波導(dǎo)的模式圖。
圖5是實(shí)施例2制備的光波導(dǎo)在632.8 nm下的折射率分布曲線。 圖6是實(shí)施例3制備的光波導(dǎo)的模式圖。
圖7是實(shí)施例3制備的光波導(dǎo)在632.8 nm下的折射率分布曲線。 圖8是實(shí)施例4制備的光波導(dǎo)的模式圖。
圖9是實(shí)施例4制備的光波導(dǎo)在632.8 nm下的折射率分布曲線。 圖10是實(shí)施例4制備的光波導(dǎo)的傳輸損耗曲線。 圖11是實(shí)施例5制備的光波導(dǎo)的模式圖。
圖12是實(shí)施例5制備的光波導(dǎo)在632.8 nm下的折射率分布曲線。 圖13是實(shí)施例5制備的光波導(dǎo)的傳輸損耗曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
采用摩爾組分為10~20Na2O-30~40WO3-50TeO2的碲酸鹽玻璃，配制摩爾組分為 45~75KN03-25~55CsN03-lAgN03的硝酸鹽混合物為離子交換源，把離子交換源在真空干燥 箱中干燥數(shù)小時(shí)。然后把離子交換源和已經(jīng)拋光好的碲酸鹽玻璃同時(shí)放到電熱爐里一起加熱， 開始時(shí)，玻璃和離子交換源是分開裝的，玻璃用一個(gè)坩堝裝著，離子交換源用另外一個(gè)坩堝 裝著，待加熱到離子交換所需溫度時(shí)，把玻璃放進(jìn)離子交換源中進(jìn)行Ag+-Na+離子交換，若 干時(shí)間后把玻璃取出放回原來盛放玻璃的坩堝中，然后關(guān)掉電熱爐電源，待電熱爐自然冷卻 到室溫后將玻璃取出沖洗干凈，然后測試。實(shí)施例l
采用摩爾組分為5Na2O-35WO3-50TeO2的碲酸鹽玻璃，在摩爾組分為 75KN03-25CsN03-lAgN03的離子交換源中在285 。C經(jīng)Ag+-Na+離子交換3 h制作了碲酸鹽 光波導(dǎo)，采用棱鏡耦合技術(shù)測得光波導(dǎo)的模式(見圖l)，并利用IWKB方法算得光波導(dǎo)的折 射率分布(見圖2)。根據(jù)折射率分布圖，可算得Ag+-Na+離子交換的有效擴(kuò)散深度為1.0751 [im，波導(dǎo)的折射率變化值為0.1022，采用散射光測量法測得在632.8 nm和1539 nm波長波 導(dǎo)傳輸損耗分別為0.74 dB/cm和1.30 dB/cm (見圖3 )。
實(shí)施例2
采用摩爾組分為15Na2O-35WO3-50TeO2的碲酸鹽玻璃，在摩爾組分為 45KNO3-55CsNO3_lAgNO3離子交換源中在280°C經(jīng)Ag+_Na+離子交換4h制作了碲酸鹽光波 導(dǎo)，采用棱鏡耦合技術(shù)測得光波導(dǎo)的模式(見圖4)，并利用IWKB方法算得光波導(dǎo)的折射率 分布(見圖5)。根據(jù)折射率分布圖，可算得Ag+-Na+離子交換的有效擴(kuò)散深度為1.0351 pm， 波導(dǎo)的折射率變化值為0.1062，采用散射光測量法測得在632.8 nm波長波導(dǎo)的傳輸損耗為 0.86 dB/cm，在1539 nm波長傳輸損耗為1.34 dB/cm。
實(shí)施例3
采用摩爾組分為15Na20-35W03-50TeO2的碲酸鹽玻璃，在摩爾組分為 60KNCV40CsNO3-lAgN03的離子交換源中在260 。C經(jīng)Ag+-Na+離子交換9 h制作了碲酸鹽 光波導(dǎo)，采用棱鏡耦合技術(shù)測得光波導(dǎo)的模式(見圖6)，并利用IWKB方法算得光波導(dǎo)的折 射率分布(見圖7)。根據(jù)折射率分布圖，可算得八§+->^+離子交換的有效擴(kuò)散深度為1.0569 pm，波導(dǎo)的折射率變化值為0.1056，采用散射光測量法測得在632.8 nm波長下波導(dǎo)的傳輸損 耗為0.91 dB/cm，在1539 nm波長下傳輸損耗為1.41 dB/cm。
實(shí)施例4
采用摩爾組分為10Na2O40W03-50TeO2的碲酸鹽玻璃，在摩爾組分為 75KN03-25CsN03-lAgN03的離子交換源中在280 。C經(jīng)Ag+-Na+離子交換10 h制作了碲酸鹽 光波導(dǎo)，采用棱鏡耦合技術(shù)測得光波導(dǎo)的模式(見圖8)，并利用IWKB方法算得光波導(dǎo)的折 射率分布(見圖9)。根據(jù)折射率分布圖，可算得八8+->^+離子交換的有效擴(kuò)散深度為1.0145 pm，波導(dǎo)的折射率變化值為0.0849，釆用散射光測量法測得在632.8 nm和1539 nm波長波 導(dǎo)傳輸損耗分別為為1.07dB/cm和L10dB/cm (見圖10)。
實(shí)施例5
采用摩爾組分為 20Na2O-30WO3-50TeO2的碲酸鹽玻璃，在組分為 75KN03-25CsN03-lAgN03的離子交換源在280 。C經(jīng)Ag+-Na+離子交換1 h制作了碲酸鹽光波導(dǎo)，采用棱鏡耦合技術(shù)測得光波導(dǎo)的模式(見圖11)，并利用IWKB方法算得光波導(dǎo)的折 射率分布(見圖12)。根據(jù)折射率分布圖，可算得八§+->^+離子交換的有效擴(kuò)散深度為1.2108 pm，波導(dǎo)的折射率變化值為0.1059，采用散射光測量法測得在632.8 nm和1539 nm波長波 導(dǎo)傳輸損耗分別為為1.04dB/cm和1.08dB/cm (見圖13)。
權(quán)利要求
1、一種低損耗碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于采用摩爾組分為10～20Na2O-30～40WO3-50TeO2的碲酸鹽玻璃，配制摩爾組分為45～75KNO3-25～55CsNO3-1AgNO3的硝酸鹽混合物為離子交換源，碲酸鹽玻璃與離子交換源經(jīng)Ag+-Na+交換后制得碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低損耗碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于所述 碲酸鹽玻璃的摩爾組分為mNa20- (50-m) WO3-50TeO2， m=10~20。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低損耗碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于硝酸鹽混合物的摩爾組分為nKNO廣(100-n) CsN03-lAgN03， n=45~75。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的低損耗碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于 Ag+-Na+交換的溫度為250~285 'C。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的低損耗碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于 Ag、Na+交換的時(shí)間為1 ~10 h 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低損耗碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于采用摩爾組分為10～20Na₂O-30～40WO₃-50TeO₂的碲酸鹽玻璃，配制摩爾組分為45～75KNO₃-25～55CsNO₃-1AgNO₃的硝酸鹽混合物為離子交換源，碲酸鹽玻璃與離子交換源經(jīng)Ag⁺-Na⁺交換后制得碲酸鹽玻璃平面光波導(dǎo)。本發(fā)明工藝簡單，成本低廉。經(jīng)傳輸損耗測試表明，本發(fā)明制備的光波導(dǎo)在632.8nm波長下?lián)p耗低于1dB/cm，在1539nm波長下傳輸損耗低于1.5dB/cm，比現(xiàn)有的光波導(dǎo)的傳輸損耗要低得多，為發(fā)展碲酸鹽玻璃有源、無源波導(dǎo)器件開拓了一條可行的途徑。
文檔編號G02B6/134GK101609181SQ20091004123
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日
發(fā)明者滿石清, 炘 黃 申請人:暨南大學(xué)