玻璃基离子交换工艺及波导器件的研究

摘要

玻璃基离子交换技术是制作平面光波回路(Planar Lightwave Circuit，PLC)型器件的重要技术之一，它可以广泛应用于制作PLC型光分路器、光放大器以及波分复用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)等光网络核心器件。在光纤到户(Fiber To The Home，FTTH)全球扩展的时代，玻璃基离子交换技术具有重要的研究意义和应用价值。
　　 论文结合了玻璃离子交换技术的理论和工艺，在技术向产业化的转化过程中，首先提出了具有工艺指导意义的电场辅助离子交换模型；接着基于该模型构建了银钠离子交换工艺的分析方法，改进了工艺过程；最后，基于工艺分析方法实现了玻璃基离子交换单模波导及光分路器的制作，器件的指标满足同类相关产品的标准，并建立了以新模型为核心的玻璃基离子交换型光器件的工艺分析体系。
　　 1.电场辅助离子交换模型
　　 论文通过对经典的离子交换模型的分析，研究了经典的电场辅助离子交换模型--恒电压模型的近似条件。实验发现，由于电场辅助离子交换模型中存在的电致热效应(电场引起的焦耳热效应)，恒电压模型存在误差。论文在模型分析中提取了电荷密度通量作为特征参量，建立了热无关的电场辅助离子交换模型，通过实验比较了经典模型与新模型的工艺容差，验证了新模型对工艺的良好表征；并通过后续实验进一步拓展了新模型对任意过程的电场辅助离子交换的广泛适用性.该模型对实际工艺的过程控制以及参数调整具有重要的指导意义。
　　 2.银钠离子交换工艺的分析方法及改进
　　 玻璃基离子交换技术中最实用的技术之一是银钠离子交换技术，它包含热离子交换和电场辅助离子交换，其中，电场辅助离子交换的过程控制是玻璃基离子交换技术的关键。基于电荷密度通量模型，论文总结并提出了电场辅助离子交换的工艺分析方法，有效地控制了交换过程，为波导及器件制作提供了指导方案，为改善制作工艺的稳定性和一致性奠定了基础。同时热离子交换和电场辅助离子交换在光器件制作工艺上分别具有各自的瓶颈，诸如“银线”、热不均匀性以及熔盐浑浊等问题。针对这些问题，论文进行了深入的分析，有针对性地提出了解决方案，并通过实验对各种方案做出了恰当的评价。
　　 3.基于新工艺分析方法的波导及光分路器的制作
　　 根据离子交换的特殊需要，论文针对性地设计并熔制了适合于离子交换的玻璃材料。基于新的玻璃材料，论文采用工艺分析方法选择了合适的工艺参数，制备得到了传输损耗0.1dB/cm，与单模光纤耦合损耗在0.2至0.3dB的单模波导，大大降低了波导的附加损耗，为高性能光器件的设计制作提供了参考依据。同时，论文采用弯曲优化的倾斜Y分支型的光分路器的设计，结合波导制作的工艺分析体系，以及批量的重复性实验以及标准的产品化测试，得到插入损耗典型值为10.3dB，均匀性典型值为0.67dB，老化前后的插入损耗变化在0.1dB以内的1×8光分路器，器件各项指标均符合Bellcore GR-1209标准。基于以上工作，论文总结了可向产业化转变的玻璃基离子交换型光器件的制作工艺体系，为研发光分路器芯片以及同类新型光器件产品提供了重要的参考依据。
　　 通过以上内容的研究，论文以电致热效应为起点，提出了电荷密度通量模型，使电场辅助离子交换的工艺过程具有稳定性和多样性，大大增加了波导器件制作的可控性和灵活性。同时，论文基于新模型的指导，改进了电场辅助离子交换工艺；为工艺制作瓶颈提出了有效的解决方案，增加了工艺容差。最后，论文基于模型的指导和工艺的总结，制备得到了低损耗的单模波导，实现了高性能光分路器的批量制作，为玻璃基光器件的制作构建了一个较为完整的工艺分析体系，为我国自主研发玻璃基集成光学芯片开辟了道路。