玻璃基质光波导及其掺铒波导光放大器的离子交换法制备

摘要

为适应城域网、区域网、甚至能够最终实现光纤到户(FTTH)的住宅网的发展需要，低成本、小型化、功能模块化的各种集成光波导功能器件成为现代光通信领域的研究热点。离子交换技术是制备玻璃基质平面波导集成光学器件的一种重要技术，具有成本低、制作工艺简单、所制备的器件光学损耗低等优点，有着非常广泛的应用前景。本论文围绕玻璃基质光波导及其掺铒波导光放大器的离子交换法制备这一课题，在稀土掺杂玻璃体材料离子交换波导光放大器和无损波导光分束器、薄膜离子交换技术及低损耗硅基二氧化硅波导器件和有源离子交换硅基二氧化硅波导光放大器件的制备方面开展了一系列研究工作。
　　取得的主要创新性成果如下：
　　1.将离子交换技术和溶胶-凝胶技术相结合，实现了低损耗硅基二氧化硅光波导和光波导分束器件，条波导的传输损耗为0.5 dB/cm，与标准1550 nm单模光纤的耦合损耗为0.76 dB/端面。这项工作使离子交换技术应用在硅基光波导器件的制备上成为可能，突破了传统离子交换技术只能依靠玻璃体材料的局限性，大大增强了用离子交换技术制备更复杂功能的集成光波导器件的可能性，为离子交换技术在集成光学研究中的进一步应用和发展提供了基础。
　　2.采用稀土掺杂可离子交换的硅基二氧化硅薄膜和离子交换技术制备了铒镱共掺的硅基波导光放大器件，在1558 nm波长处实现了净增益。对器件的增益特性进行了分析。这种全新的掺铒波导放大器制备方法一方面利用了溶胶-凝胶技术可以制备高浓度稀土离子掺杂的硅基二氧化硅薄膜的特点；另一方面也发挥了离子交换技术制备条波导器件低成本且方便可行的优势。从而为掺铒波导光放大器件的制备指出了一条新的可行的工艺路线。
　　3.基于铒镱共掺磷酸盐玻璃体材料，利用热扩散二次离子交换方法制备了在1534nm波长处具有6 dB净增益的波导光放大器件，并用此技术实现了1×2无损波导光分束器件。利用有限元法(FEM)对二维扩散过程以及相应的条波导的折射率分布进行了数值模拟。利用速率方程理论模拟了波导放大器的增益特性，与实验符合得较好。