鄒林兒，張 澤，沈 云，傅繼武

（南昌大學 物理系，江西 南昌 330031）

針對導波光學、光波導技術(shù)與理論等課程教學內(nèi)容，在光電信息科學與工程本科專業(yè)和光學類碩士研究生專業(yè)中開展相關(guān)實驗項目是非常重要的實驗教學環(huán)節(jié)。在光通信和光學非線性信息處理等領(lǐng)域集成化方向發(fā)展的進程中，制備平面光波導并開發(fā)新型波導光子器件[1-2]是必備專業(yè)實驗技能，而離子交換技術(shù)是制備光波導的主要方法。上世紀70 年代初，Izawa 等[3]提出利用離子交換技術(shù)制備玻璃基光波導后，離子交換技術(shù)歷經(jīng)后續(xù)幾十年的發(fā)展，成為制作集成光學器件的主流技術(shù)[4-5]。離子交換技術(shù)具有制作工藝簡單、易操作和成本低的優(yōu)點，且制備的玻璃波導傳輸損耗低、折射率及模場分布與光纖模式匹配良好、易集成，在光通信、光傳感等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用[6]。為了讓學生深入了解離子交換技術(shù)制備波導的過程和掌握波導參數(shù)的測量方法，培養(yǎng)學生綜合運用知識進行創(chuàng)新實踐的能力[7]，本文結(jié)合科研工作，搭建了基于離子交換技術(shù)制備平面光波導的綜合設(shè)計性實驗平臺，用于本科生的科研訓練綜合性專業(yè)實驗和碩士研究生專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學。

1 離子交換技術(shù)原理

離子交換技術(shù)所制備的光波導一般為漸變型光波導，具有傳輸損耗低的特點。離子交換過程實質(zhì)上是離子擴散過程，在制作平面波導過程中，離子交換在整個玻璃基的表面發(fā)生。如不引入輔助電場對擴散的作用，其擴散方程[8]為：

其中：C是熔鹽A 離子的歸一化濃度；DA是A 離子電導率；α=1-M，M=DA/DB，M 為自擴散系數(shù)之比，DB為玻璃基B 離子電導率；右式中第一項表示離子源A 離子濃度梯度對擴散的作用，第二項表示內(nèi)建電場對擴散遷移的作用。在二元離子交換機制下波導制備過程中，一般M＜ 1。在交換過程中，波導中的離子源A 離子濃度C是隨時間變化的。

2 BK7 玻璃基平面光波導的制備實驗

本實驗采用Ag+-Na+離子交換制備光波導，所需要的熔鹽是分析純等級的AgNO3和KNO3。需要的器具有：熱交換爐（帶溫控功能）、坩堝、BK7 玻璃基片、基片夾具、真空干燥箱和清洗儀器等。其中，熱交換爐加熱溫度應(yīng)至少能到500 ℃，坩堝材料使用耐腐蝕的石英玻璃，根據(jù)需要光波導尺寸可自行設(shè)計?？紤]到玻璃基片兩面要充分進行交換，需設(shè)計專門夾具，使得玻璃基片豎立擺放。

制備步驟：

（1）玻璃基片準備和清洗。在實驗采用BK7 玻璃為基片，其兩面要做拋光處理，讓基片表面無擦痕和針眼之類的缺陷?；逑词潜ＷC離子交換過程中形成波導質(zhì)量好壞的一個重要環(huán)節(jié)。清洗的主要目的是除掉基片表面污染物，如殘留固體雜質(zhì)、離子或者油污等雜質(zhì)?；逑赐ㄟ^破壞基片和污染物間的吸附鍵而不會破壞基片本身。破壞吸附鍵的能量可以用溶劑發(fā)生化學反應(yīng)實現(xiàn)，也可以用機械擦洗（包括手工擦洗和超聲波攪動）等方法達到。

（2）熔鹽干燥處理和按摩爾數(shù)比混合。熔鹽具有強吸水性，特別是KNO3長期暴露在空氣中會有較強的酸性，對玻璃基片表面會造成一定的損害。因此，交換前先將熔鹽放置在真空干燥箱進行干燥處理，干燥條件是溫度l10 ℃、真空度0.06 Mpa 以下，干燥5 h。注意將熔鹽和坩堝一起進行干燥。按摩爾數(shù)比計算熔鹽的用量，用電子天平稱量，混合一起倒入坩堝。

（3）離子交換。事先將熱交換爐開啟，升溫至設(shè)定的交換溫度，要注意的是交換溫度一定要高于熔鹽的熔化溫度，以保證熔鹽充分融化，在此期間，可以放入待交換的玻璃基片進行預(yù)熱處理。然后將干燥好的熔鹽放入交換爐中加熱使其熔化半小時左右，讓熔鹽充分融化，這時可用鑷子夾取預(yù)熱好的基片放入盛熔鹽的坩堝中進行離子交換，交換條件按照實驗設(shè)計進行。

（4）波導樣品取出。交換結(jié)束、斷電后，用鑷子將玻璃波導片取出放置到爐門口處的石英玻璃皿中，讓其自然冷卻到室溫；然后，用清水清洗波導表面殘留的熔鹽。

3 平面光波導參數(shù)測試

3.1 棱鏡耦合法測量光波導有效折射率

棱鏡耦合法用于測量光波導有效折射率參數(shù)，測量實驗裝置和耦合原理示意圖見圖1。激光束經(jīng)分光鏡、偏振器和透鏡后，聚焦進入棱鏡耦合系統(tǒng)。棱鏡耦合系統(tǒng)是由棱鏡、空氣間隙和平面光波導組成的，并放置在由步進電機控制的角度儀平臺上。激光束進入棱鏡后，在棱鏡底部發(fā)生全反射，在空氣間隙中產(chǎn)生消逝場。由于空氣間隙層很薄，約為激光波長的幾分之一，因此消逝場的尾部能到達空氣-導波層界面。因反射作用，在空氣-導波層界面形成一相反的消逝場。正是由于這兩個相反方向的消逝場的相互作用，使得入射光耦合進導波層，這一過程也稱為光學隧道效應(yīng)，是可逆過程。

圖1 棱鏡耦合法實驗裝置及棱鏡耦合原理示意圖

強非對稱漸變型波導的模式方程為

式中，k0=2π/λ，n(x)是導波層折射率，xm和Nm分別表示第m階導波模式的轉(zhuǎn)折點和有效折射率，m=0，1，??? 。

在弱耦合條件下，波導與棱鏡間耦合模式可看成自由波導的微擾方程，可知只有滿足相位匹配條件下才能發(fā)生耦合效應(yīng)，即為

式（3）也稱為同步條件，np是棱鏡折射率，φ稱為同步角。實驗中當滿足同步條件，部分光束能量耦合到導波層，導致探測器2 獲得的光能瞬間降低，此時由角度儀測量耦合角θm。再利用折射定律和棱鏡底角α三角關(guān)系計算同步角φ，結(jié)合式（3）可計算導模的有效折射率Nm為

在本實驗中，采用He-Ne 激光光束通過棱鏡耦合到離子交換的平面波導上，調(diào)整耦合角激勵起導模，可在波導平面觀察到光傳輸線的散射光，如圖2(a)所示。同時，因?qū)嶋H波導存在折射率微擾，產(chǎn)生光散射，使得這個導模的部分能量被耦合成其他導模，這些導模將以不同的方向耦合出棱鏡，在棱鏡另一側(cè)面的觀察屏可看到一組亮線，是導波模式的精彩顯示，稱為M-line，如圖2(b)所示。

圖2 傳輸線和M-line

測量時應(yīng)注意：

（1）根據(jù)理論分析，為了使由式（4）求得的導模有效折射率更加接近真實值，應(yīng)調(diào)節(jié)夾波導片夾具的壓力，使其滿足弱耦合條件，即要求耦合間隙調(diào)節(jié)得適當；

（2）夾好的待測波導片放在帶有平臺的角度儀的分度盤中心處；

（3）射入棱鏡底的光斑位置（耦合點）應(yīng)接近等腰棱鏡底的中心，以便在轉(zhuǎn)動分度盤時保持光斑位置基本穩(wěn)定；

（4）用于聚焦激光的透鏡焦距要長些，以使耦合點光斑不致于太?。?/p>

（5）設(shè)計棱鏡時，對于給定的棱鏡的折射率np要高于導波層的折射率，并應(yīng)考慮到能測量所有導模的有效折射率；同時要適當選擇棱鏡底角α，以避免耦合角θm取接近于零值。

3.2 逆WKB 法

絕大多數(shù)漸變型光波導的折射率分布只能用近似方法或數(shù)值方法進行求解。在近似方法中，逆WKB方法[9]具有物理圖像清晰、分析簡單等特點，因此被廣泛應(yīng)用于計算漸變型波導的折射率分布。改進后逆WKB 方法[10]只需要3 個模式就可以較精確擬合折射率分布曲線。

基本思路[11]：折射率分布是一條平滑曲線，利用牛頓插值公式對棱鏡耦合法實際測量的光波導有效折射率N0，N1，???，Nm-1進行插值擴展，建立多項式N(m)，可計算得到表面折射率n0=N(-0.75)。在此基礎(chǔ)上，可通過用測量得到的有效折射率ni=Ni-1，由式（5）遞歸推導模深度xi，則折射率分布曲線n(x)由（x0，n0）、（x1，n1）、…、（xm，nm）擬合確定。

3.3 實驗結(jié)果與分析

結(jié)合科研工作需要，本文實驗探索Ag+-Na+離子交換因素對制備BK7 玻璃基平面光波導的影響，為以后優(yōu)化制備條形光波導或集成光子器件提供實驗數(shù)據(jù)。影響制備光波導的主要因素是熔鹽中Ag+質(zhì)量分數(shù)、交換溫度和交換時間等。

（1）Ag+質(zhì)量分數(shù)影響。實驗設(shè)計為：交換溫度T為350 ℃，交換時間t為2 h，Ag+質(zhì)量分數(shù)分別為3%和5%。兩種不同的Ag+質(zhì)量分數(shù)下制備出光波導的有效折射率情況見表1。圖3 是用逆WKB 法計算擬合得到的折射率分布曲線。實驗結(jié)果可知，在交換溫度和時間一定的條件下，熔鹽中Ag+質(zhì)量分數(shù)增加引起擴散深度增大，從而使得波導能夠承載更多的導模。因此，可以通過改變?nèi)埯}中Ag+的含量，來改變波導模式數(shù)和擴散深度。

表1 不同Ag+質(zhì)量分數(shù)，TE 偏振模式下實驗測得的有效折射率Nm

圖3 不同Ag+質(zhì)量分數(shù)下光波導折射率分布曲線

（2）交換溫度影響。AgNO3熔點為212 ℃，沸點為444 ℃；KNO3熔點為334 ℃，沸點為400 ℃。因此交換溫度設(shè)置為340～380 ℃最為合適。實驗設(shè)計為：Ag+質(zhì)量分數(shù)為3%，交換時間為3 h，交換溫度分別為340 和350 ℃。表2 是在不同交換溫度下實驗測得波導的有效折射率情況。圖4 是計算擬合得到的波導折射率分布曲線，表明交換溫度對波導的影響不明顯。

表2 不同交換溫度，TE 偏振模式下實驗測得的有效折射率Nm

圖4 不同交換溫度下光波導折射率分布曲線

（3）交換時間影響。實驗設(shè)計為：交換溫度為350 ℃，Ag+質(zhì)量分數(shù)為3%，交換時間分別為2 和3 h。表3 是在不同交換時間下實驗測得波導的有效折射率，圖5 是計算擬合得到的波導折射率分布曲線。表明交換時間對折射率的影響很小，隨交換時間增加，擴散深度加深。另外，圖5 還顯示出玻璃基與熔鹽之間的離子交換過程尚未達到飽和狀態(tài)，因此隨著交換時間的延長，離子交換后玻璃中擴散深度可能會繼續(xù)增加，直至飽和狀態(tài)。

表3 不同交換時間，TE 偏振模式下實驗測得的有效折射率Nm

圖5 不同交換時間下光波導折射率分布曲線

實驗結(jié)果表明，Ag+質(zhì)量分數(shù)主要影響波導的模式數(shù)和擴散深度，一定范圍內(nèi)的交換溫度對波導的特性幾乎沒有影響，而交換時間主要與波導的擴散深度有關(guān)。

4 結(jié)語

本文結(jié)合科研工作需要，同時面向教學需要設(shè)計了離子交換技術(shù)制備平面光波導開放綜合性實驗教學項目[12]。該實驗取得了良好的教學效果，提高了學生參與科研訓練課程積極性，增強了學生對科研的興趣。同時，該實驗有很好的科研應(yīng)用性，能培養(yǎng)和啟發(fā)學生創(chuàng)新性思維。在此實驗基礎(chǔ)上，可以考慮進一步優(yōu)化制備單模光波導，結(jié)合掩膜版制備集成光子器件，利用摻雜玻璃基制備波導光放大器等，這將為學生開展相關(guān)科研工作打下良好的實驗基礎(chǔ)，并提供科研平臺。