一种低损耗碲酸盐玻璃平面光波导的制作方法

专利名称：一种低损耗碲酸盐玻璃平面光波导的制作方法
技术领域：
本发明属于光器件、集成光学领域，涉及光波导的制备方法，具体是一种低损耗碲酸盐 玻璃平面光波导的制作方法。
背景技术：
碲酸盐玻璃因具有高折射率，低熔点，良好的可见-红外透过性(0.35~6pm)，高介电常 数，良好的热学化学稳定性，低声子能量( 780cm")，非线性和高发射带宽等特性而备受关 注，由于具有良好的光学，热学和电学性质，碲酸盐玻璃是一种潜在的极具应用前景的光学 材料，例如可以用它来制作光波导器件，超高速光开关，激光基质材料，宽带掺铒碲基光纤 放大器(EDTFA)和光通信系统中的波分复用放大器等。
玻璃基光波导的制作可由多种不同的技术实现。在诸多的技术中，离子交换技术是被认 为是制作玻璃基光波导的重要技术手段，这归因于其操作灵活，工艺简单，稳定可靠，高效 率和成本低廉。现代全光波分复用和密集波分复用通信系统的日益复杂，人们对集成光学器 件倍感兴趣，平面光波导被认为是光通信，传感器等相关领域中处理光信号的重要器件。
目前，随着计算机网络及其它数据传输服务的速发展，现在用于波分复用(Wavelength Division Multiplexing)技术传输系统的掺铒石英基光纤放大器(EDFA)放大的C波段 (1530-1565 nm)己不能满足高速大容量通讯传输要求。因此为了获得带宽宽、增益平坦的光 纤放大器，寻找新型光纤放大器的增益介质己成为当务之急。近年来出现了多种稀土惨杂新 基质材料的光纤放大器，特别是掺ErS+离子的碲酸盐玻璃基质光纤在实现超宽带通信方面显 示出了广阔的应用前景。
1997年，日本NTT公司首次报道了掺铒碲基光纤放大器(EDTFA)的增益和噪声特性， 并指出EDTFA是一种宽带光纤放大器。掺铒碲化物玻璃光纤放大器，可提供大约90 nm (1530 -1620 nm)的放大增益带宽，增益特性平坦，频带向长波长一侧移动，同时覆盖1550 nm和 1580 nm放大区域，增益为20 dB以上，并可将上限波长扩大至1634 nm。 1997年掺铒碲酸 盐玻璃的光纤的损耗为3 dB/m，到1998年减少到0.5 dB/m， 1999年又减为0.05 dB/m，现在 的损耗则为0.02dB/m甚至更低。到目前为止NTT公司已有商品化的EDTFA模块出售。
平板光波导是集成光学器件的基础组成部分，且制作成本低廉而且易于集成，可用作通
讯设备中的信号放大器和高速激光信号处理器，将会在城域接入网和局域接入网中得到广泛
应用。但到目前为止，所报道的碲酸盐玻璃平面光波导其传输损耗很大，离平面光波导器件的应用要求相距较远。
2001年，美国Arizona大学的Y. Ding等首次报道了经Ag+-Na+离子交换的掺铒碲酸盐玻 璃光波导。他们采用组分为15Na20-25WO3~60TeO2-lEr2O3 (摩尔比)的掺铒碲酸盐玻璃， 以2AgNOr49NaN0349KN03 (wt%)为交换源，制作出了单模和多模的Ag+-Na+离子交换 光波导。玻璃在330 'C下交换34小时后，玻璃表面腐蚀现象非常严重。
2006年，巴西的V. A. G. Rivera等采用组分为55NaN0343KN03-2AgN03 (wt%)的离 子交换源，在260 °C下，通过Ag+-Na+离子交换6小时，制作了组分为 75TeO2-2GeO2-10Na2O-12ZnO-lEr203 (摩尔比)的掺铒锗碲酸盐玻璃光波导。其传输损耗在 632.8 nm， 1305 nm， 1536 nm波长下传输损耗分别为28.66 dB/cm， 17.52 dB/cm， 11.07 dB/cm。
2007年，日本冈山大学(Okayama University)的Shinichi Sakida等，使用组分为 49.5NaNO349.5KNO3-1.0AgNO3 (摩尔比)离子交换源，通过Ag+-Na+离子交换制作了组分 为12Na20-35W03-53Te02-lEr203 (摩尔比)的惨铒碲酸盐玻璃平面光波导，并对碲酸盐玻 璃平面光波导的折射率分布、扩散系数，扩散深度和传输损耗等特性进行了研究，所制作的 光波导的传输损耗在473 nm， 632.8 nm， 983.1 nm， 1548 nm波长下分别在8.56 dB/cm, 4.88 dB/cm， 9.22 dB/cm， 11.29 dB/cm以上，其传输损耗虽有所降低，但仍然很大，不能实际应 用。
现有的经Ag+-Na+离子交换方法制作的碲酸盐玻璃平面光波导，传输损耗较高，限制了 碲酸盐玻璃在光电子器件中的应用。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种低损耗碲酸盐玻璃平面光波导的制作 方法。
实现本发明目的的技术方案如下
一种低损耗碲酸盐玻璃平面光波导的制作方法，其特征在于采用摩尔组分为
10~20Na2O-30~40WO3-50TeO2 的碲酸盐玻璃，配制摩尔组分为 45~75KN03-25~55CsN03-lAgN03的硝酸盐混合物为离子交换源，碲酸盐玻璃与离子交换源 经八§+-!^+交换后制得碲酸盐玻璃平面光波导。
进一步的，所述碲酸盐玻璃的摩尔组分为mNa20- (50-m) WO3-50TeO2， m=10~20。
进一步的，硝酸盐混合物的摩尔组分为nKNO广(100-n) CsN03-lAgN03， n=45 75。
进一步的，Ag+-Na+交换的温度为250~285 °C。离子交换所需温度,需满足两个条件 (1)不低于离子交换源的熔点，(2)不高于碲酸盐玻璃的转变温度。温度高使离子交换的速率增加，但做出来的波导传输损耗也会相应变大，所以最好是采用较低的温度交换相对长的 时间。
进一步的，Ag+-Na+交换的时间为l~10h。
经传输损耗测试表明，本发明制备的光波导在632.8 nm波长下损耗低于1 dB/cm，在1539 nm波长下传输损耗低于L5 dB/cm，比现有的光波导的传输损耗要低得多，为发展碲酸盐玻 璃有源、无源波导器件开拓了一条可行的途径，使制作稀土掺杂的碲酸盐玻璃波导放大器成 为可能。
本发明工艺简单，成本低廉，可制作出低传输损耗的碲酸盐玻璃平面光波导。


图1是实施例1制备的光波导的模式图。
图2是实施例1制备的光波导在632.8 nm下的折射率分布曲线。 图3是实施例1制备的光波导的传输损耗曲线。 图4是实施例2制备的光波导的模式图。
图5是实施例2制备的光波导在632.8 nm下的折射率分布曲线。 图6是实施例3制备的光波导的模式图。
图7是实施例3制备的光波导在632.8 nm下的折射率分布曲线。 图8是实施例4制备的光波导的模式图。
图9是实施例4制备的光波导在632.8 nm下的折射率分布曲线。 图10是实施例4制备的光波导的传输损耗曲线。 图11是实施例5制备的光波导的模式图。
图12是实施例5制备的光波导在632.8 nm下的折射率分布曲线。 图13是实施例5制备的光波导的传输损耗曲线。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
采用摩尔组分为10~20Na2O-30~40WO3-50TeO2的碲酸盐玻璃，配制摩尔组分为 45~75KN03-25~55CsN03-lAgN03的硝酸盐混合物为离子交换源，把离子交换源在真空干燥 箱中干燥数小时。然后把离子交换源和已经抛光好的碲酸盐玻璃同时放到电热炉里一起加热， 开始时，玻璃和离子交换源是分开装的，玻璃用一个坩埚装着，离子交换源用另外一个坩埚 装着，待加热到离子交换所需温度时，把玻璃放进离子交换源中进行Ag+-Na+离子交换，若 干时间后把玻璃取出放回原来盛放玻璃的坩埚中，然后关掉电热炉电源，待电热炉自然冷却 到室温后将玻璃取出冲洗干净，然后测试。实施例l
采用摩尔组分为5Na2O-35WO3-50TeO2的碲酸盐玻璃，在摩尔组分为 75KN03-25CsN03-lAgN03的离子交换源中在285 。C经Ag+-Na+离子交换3 h制作了碲酸盐 光波导，采用棱镜耦合技术测得光波导的模式(见图l)，并利用IWKB方法算得光波导的折 射率分布(见图2)。根据折射率分布图，可算得Ag+-Na+离子交换的有效扩散深度为1.0751 [im，波导的折射率变化值为0.1022，采用散射光测量法测得在632.8 nm和1539 nm波长波 导传输损耗分别为0.74 dB/cm和1.30 dB/cm (见图3 )。
实施例2
采用摩尔组分为15Na2O-35WO3-50TeO2的碲酸盐玻璃，在摩尔组分为 45KNO3-55CsNO3_lAgNO3离子交换源中在280°C经Ag+_Na+离子交换4h制作了碲酸盐光波 导，采用棱镜耦合技术测得光波导的模式(见图4)，并利用IWKB方法算得光波导的折射率 分布(见图5)。根据折射率分布图，可算得Ag+-Na+离子交换的有效扩散深度为1.0351 pm， 波导的折射率变化值为0.1062，采用散射光测量法测得在632.8 nm波长波导的传输损耗为 0.86 dB/cm，在1539 nm波长传输损耗为1.34 dB/cm。
实施例3
采用摩尔组分为15Na20-35W03-50TeO2的碲酸盐玻璃，在摩尔组分为 60KNCV40CsNO3-lAgN03的离子交换源中在260 。C经Ag+-Na+离子交换9 h制作了碲酸盐 光波导，采用棱镜耦合技术测得光波导的模式(见图6)，并利用IWKB方法算得光波导的折 射率分布(见图7)。根据折射率分布图，可算得八§+->^+离子交换的有效扩散深度为1.0569 pm，波导的折射率变化值为0.1056，采用散射光测量法测得在632.8 nm波长下波导的传输损 耗为0.91 dB/cm，在1539 nm波长下传输损耗为1.41 dB/cm。
实施例4
采用摩尔组分为10Na2O40W03-50TeO2的碲酸盐玻璃，在摩尔组分为 75KN03-25CsN03-lAgN03的离子交换源中在280 。C经Ag+-Na+离子交换10 h制作了碲酸盐 光波导，采用棱镜耦合技术测得光波导的模式(见图8)，并利用IWKB方法算得光波导的折 射率分布(见图9)。根据折射率分布图，可算得八8+->^+离子交换的有效扩散深度为1.0145 pm，波导的折射率变化值为0.0849，釆用散射光测量法测得在632.8 nm和1539 nm波长波 导传输损耗分别为为1.07dB/cm和L10dB/cm (见图10)。
实施例5
采用摩尔组分为 20Na2O-30WO3-50TeO2的碲酸盐玻璃，在组分为 75KN03-25CsN03-lAgN03的离子交换源在280 。C经Ag+-Na+离子交换1 h制作了碲酸盐光波导，采用棱镜耦合技术测得光波导的模式(见图11)，并利用IWKB方法算得光波导的折 射率分布(见图12)。根据折射率分布图，可算得八§+->^+离子交换的有效扩散深度为1.2108 pm，波导的折射率变化值为0.1059，采用散射光测量法测得在632.8 nm和1539 nm波长波 导传输损耗分别为为1.04dB/cm和1.08dB/cm (见图13)。
权利要求
1、一种低损耗碲酸盐玻璃平面光波导的制作方法，其特征在于采用摩尔组分为10～20Na2O-30～40WO3-50TeO2的碲酸盐玻璃，配制摩尔组分为45～75KNO3-25～55CsNO3-1AgNO3的硝酸盐混合物为离子交换源，碲酸盐玻璃与离子交换源经Ag+-Na+交换后制得碲酸盐玻璃平面光波导。
2、 根据权利要求1所述的低损耗碲酸盐玻璃平面光波导的制作方法，其特征在于所述 碲酸盐玻璃的摩尔组分为mNa20- (50-m) WO3-50TeO2， m=10~20。
3、 根据权利要求1或2所述的低损耗碲酸盐玻璃平面光波导的制作方法，其特征在于硝酸盐混合物的摩尔组分为nKNO广(100-n) CsN03-lAgN03， n=45~75。
4、 根据权利要求3所述的低损耗碲酸盐玻璃平面光波导的制作方法，其特征在于 Ag+-Na+交换的温度为250~285 'C。
5、 根据权利要求4所述的低损耗碲酸盐玻璃平面光波导的制作方法，其特征在于 Ag、Na+交换的时间为1 ~10 h 。
全文摘要
本发明公开了一种低损耗碲酸盐玻璃平面光波导的制作方法，其特征在于采用摩尔组分为10～20Na₂O-30～40WO₃-50TeO₂的碲酸盐玻璃，配制摩尔组分为45～75KNO₃-25～55CsNO₃-1AgNO₃的硝酸盐混合物为离子交换源，碲酸盐玻璃与离子交换源经Ag⁺-Na⁺交换后制得碲酸盐玻璃平面光波导。本发明工艺简单，成本低廉。经传输损耗测试表明，本发明制备的光波导在632.8nm波长下损耗低于1dB/cm，在1539nm波长下传输损耗低于1.5dB/cm，比现有的光波导的传输损耗要低得多，为发展碲酸盐玻璃有源、无源波导器件开拓了一条可行的途径。
文档编号G02B6/134GK101609181SQ20091004123
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者满石清, 炘 黄 申请人:暨南大学