玻璃基光波导离子交换技术的研究

摘要

本文主要面向用于生产玻璃波导的离子交换技术的研究和实验.文章首先较为全面地介绍了离子交换基本理论.包括离子交换的机理、产生折射率变化的原因、以及相关的生产条件和相关参数的影响.然后在较为详细地介绍一些基本的数学分析方法的基础上,建立了具有针对性的离子交换理论模型,并给出了根据掺杂离子的浓度模拟波导光学属性的方法.本文的实验工作主要集中在利用K<'+>/Na<'+>离子对的交换研究方面.以光学级BK7玻璃作为反应基片,首先通过K<'+>-Na<'+>一次离子交换反应形成离子交换波导的基础结构.然后利用电场辅助热处理过程和Na<'+>-K<'+>二次离子交换过程对波导的结构进行优化,以实现更理想的波导性能.本文对所用实验工艺过程进行了详细介绍,对制备的平板波导和沟道波导样品分别进行了光学特性测试和离子浓度测试.利用这些实验数据对建立的离子交换模型进行了分析,得到了较为满意的结果.本文希望在理论和实践相结合的基础上,对本文研究所涉及的一次离子交换、二次离子交换及电场辅助的离子交换波导的热处理过程的特点和用途进行比较和分析,建立一套分析离子交换相关反应过程及参数同波导的光学特性之间关系的分析方法.最后给出了一套在本文研究条件下合理的工艺过程参数.

目录

摘要

第一章前言

1.1引言 集成光学的产生和发展

1.2玻璃集成光学

1.3离子交换玻璃集成光学

1.4本论文的研究范围

参考文献(Reference)

第二章熔盐离子交换

2.1引言

2.1.1熔盐离子交换法的历史和用途

2.1.2研究的现状

2.2离子交换的物理和化学性质

2.2.1玻璃中离子的电导率

2.2.2离子交换的驱动机制

2.2.3熔盐离子交换的材料和条件

2.3实验条件和过程参数

2.3.1实验设备

2.3.2反应过程

2.3.3多步反应过程

2.3.4波导的后处理过程

2.4波导的属性

2.4.1折射率变化和掺杂离子浓度的关系

2.4.2折射率变化分布

参考文献(Reference)

第三章玻璃离子交换波导的理论分析

3.1离子交换过程的模拟

3.1.1离子在玻璃中的扩散和迁移

3.1.2离子源和玻璃界面处的反应平衡和动力学

3.1.3反应方程的一维解：平板波导的制造

3.1.4反应方程的二维解：沟道波导的制造

3.2离子交换产生的折射率变化

3.3离子交换波导中的光传输模拟

3.3.1光波导的模式属性

3.3.2平板波导的WKB分析法

3.3.3求解波导模式的方法

3.3.4光线传输法(BPM)

3.4本文所做的理论研究

3.4.1掺杂离子浓度的分布

3.4.2波导的光学特性模拟

参考文献(Reference)

第四章实验工艺流程

4.1 工艺流程

4.1.1工艺中的清洗流程

4.1.2铝膜的淀积流程

4.1.3光刻流程

4.1.4湿法刻蚀掩模图形

4.1.5器件端面抛光

4.2多步离子交换过程

4.2.1离子交换反应过程

4.2.2电场辅助热处理过程

4.3实际工艺中需要注意的问题

参考文献(Reference)

第五章实验结果与分析结论

5.1光波导的光学性能测试

5.1.1光波导的光学性能测试系统

5.1.2波导的光学测试结果及分析

5.2离子浓度分布的直接测量

5.2.1扫描电子显微镜的工作原理

5.2.2样品的离子浓度测试结果与结论讨论

5.3实验结果的综合讨论

第六章总结

致谢