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

论文摘要

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一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1534 nm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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光纤通信与集成光学
• 1.2 玻璃基质光波导器件
• 1.3 离子交换技术制备光波导的研究综述
• 1.3.1 离子交换技术研究的历史回顾
• 1.3.2 离子交换技术的典型成果和最新动态
• 1.4 本论文的主要工作和各章节安排
• 参考文献
• 第二章 离子交换技术的原理和基础
• 2.1 离子交换的基本原理
• 2.2 离子交换波导器件的制备工艺
• 2.2.1 一维平面波导的离子交换
• 2.2.2 二维条波导的离子交换
• 2.3 离子交换过程的理论基础
• 2.3.1 扩散方程的一般形式
• 2.3.2 一维扩散方程的求解
• 2.3.3 二维扩散方程的求解
• 2.4 一维渐变折射率波导的模式分析
• 2.4.1 WKB近似和分析转移矩阵（ATM）方法
• 2.4.2 m线测量法和反WKB近似
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 稀土掺杂有源光波导的增益特性及数值模拟
• 3.1 稀土掺杂玻璃的发光机理
• 3.1.1 增益放大的基本原理
• 3.1.2 稀土离子的跃迁机制
• 3.2 材料的非辐射跃迁对增益的影响
• 3.3 增益介质的速率—传输方程理论
• 3.3.1 铒镱共掺体系的速率方程
• 3.3.2 能量传输方程
• 3.3.3 泵浦光平和信号光光强分布重叠因子对增益的影响
• 3.4 数值模拟结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 玻璃基铒镱共掺波导放大器和无损分束器的研制
• 4.1 研究背景及意义介绍
• 4.1.1 选题的意义
• 4.1.2 离子交换EDWA研究的历史回顾
• 4.2 平面波导的制备和一维渐变折射率分布的表征
• 4.3 半导体光刻工艺和二维条波导的制备
• 4.3.1 半导体光刻工艺
• 4.3.2 二次离子交换和端面抛光
• 4.4 二维折射率分布及模场分布的理论分析
• 4.4.1 二维扩散方程的有限元法求解
• 4.4.2 二维条波导模场的数值模拟
• 4.5 器件的增益性质测量
• 4.5.1 EYDWA器件
• 4.5.2 Y型无损分束器件
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 离子交换技术制备低损耗硅基二氧化硅光波导
• 5.1 研究背景及意义介绍
• 5.1.1 硅基二氧化硅技术与离子交换技术相结合的意义
• 5.1.2 溶胶-凝胶玻璃光波导研究简介
• 5.2 可交换硅基二氧化硅薄膜的制备
• 5.2.1 溶胶的配制
• 5.2.2 多层膜制备技术
• 5.3 离子交换平面波导的性质研究
• 5.3.1 离子交换薄膜的折射率分布
• 5.3.2 平面波导的传输损耗研究
• 5.4 二维条波导的制备和光学性质测量
• 5.4.1 二维波导折射率分布的研究
• 5.4.2 二维波导损耗特性的研究
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 离子交换硅基二氧化硅波导光放大器的研制
• 6.1 研究背景及意义
• 6.2 饵镱共掺硅基二氧化硅薄膜的制备和荧光性质
• 6.3 波导光放大器的研制和性能测量
• 6.3.1 波导损耗性质的测量
• 6.3.2 波导模场性质的测量
• 6.3.3 波导增益特性的测量
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 对本论文工作的总结
• 7.2 下一步的工作
• 后记
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢