Wymiana jonowa w szkle i jej zastosowania w technologii wybranych elementów biernych optyki zintegrowanej

ZESZYTY N A U K O W E

PO LITECH NIK I ŚLĄSKIEJ

T % 3 3 /0 i

Marek BŁAHUT

W YMIANA JONOWA W SZKLE

I JEJ ZASTOSOWANIA W TECHNOLOGII

W YBRANYCH ELEMENTÓW BIERNYCH

OPTYKI ZINTEGROWANEJ

PO L IT E C H N IK A ŚLĄSK A ZESZYTY NAUKOWE

Marek BŁAHUT

WYMIANA JONOWA W SZKLE

I JEJ ZASTOSOWANIA W TECHNOLOGII WYBRANYCH ELEMENTÓW BIERNYCH OPTYKI ZINTEGROWANEJ

GLIWICE 2002

OPINIODAWCY Dr. hab. inż. Sergiusz Patela Prof. dr hab. inż. Mieczysław Szustakowski

KOLEGIUM REDAKCYJNE

REDAKTOR NACZELNY — Prof. dr hab. Zygmunt Kleszczewski REDAKTOR DZIAŁU — Dr inż. Piotr Gawron

SEKRETARZ REDAKCJI — Mgr Elżbieta Leśko

REDAKCJA

Mgr Aleksandra Kłobuszowska

REDAKCJA TECHNICZNA AlicjaNowacka

Wydano za zgodą Rektora Politechniki Śląskiej

PL ISSN 0072-470X

W ydawnictwo Politechniki Śląskiej ul. Akadem icka 5, 44-100 Gliwice

tel./fax (0 prefiks 32) 237-13-81

Dział Sprzedaży i Reklamy (0 prefiks 32) 237-18-48

www.polsl.gliwice.pl/alma.mater/wps.html w y d a w n ictw o @ p o lsl.g liw ice.p l

Nakł. 100+50 Ark. wyd. 10 Ark. druk. 8,625 Papier offset. 70x100,80 g

Oddano do druku 01.08.2002 r. Podpisano do druku 01.08.2002 r. Druk ukończono w sierpniu 2002 r.

Zam. 229/02

Fotokopie, druk i oprawę

wykonano w Zakładzie Graficznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach, ul. Kujawska 1

SPIS TREŚCI

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ... 7

WSTĘP... 9

1. PODSTAWY WYMIANY JONOWEJ W SZKLE... 13

1.1. Zależność zmian współczynnika załamania od koncentracji... 14

1.2. Dwójłomność profili refrakcyjnych... 15

1.3. Jony domieszek... 17

1.3.1. Wymiana Ag+ - Na+... 19

1.3.2. Wymiana K+ - Na+... 20

1.3.3. Światłowody domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich... 21

1.4. Podłoża szklane... 22

1.5. Stanowisko technologiczne do wymiany jonów... 24

1.6. Kryteria wyboru technologii wymiany jonowej... 26

2. MODELOWANIE PROCESÓW WYMIANY JONOWEJ... 28

2.1. Dyfuzja dwuskładnikowa... 29

2.1.1. Dyfuzyjne falowody planarne... 30

2.1.2. Dyfuzyjne falowody paskowe... 31

2.1.3. Badania dyfuzji dwuskładnikowej w wybranych typach szkieł...34

2.2. Wymiana w obecności zewnętrznego pola elektrycznego... 36

2.3. Wygrzewanie...42

2.4. Światłowodowe struktury zagrzebane... 44

2.4.1. Światłowody zagrzebane w procesie dwustopniowej dyfuzji termicznej.... 45

2.4.2. Światłowody zagrzebane w procesie elektrodyfuzji... 49

3. METODY PROJEKTOWANIA I ANALIZY FALOWODÓW GRADIENTOWYCH I UKŁADÓW OPTYKI ZINTEGROWANEJ...52

3.1. Propagacja fali świetlnej w falowodach gradientowych... 52

3.2. Metoda WKB... 54

3.3. Metoda efektywnego współczynnika załamania...56

3.4. Metoda propagacji wiązki BPM... 58

3.4.1. Intuicyjne wyjaśnienie metody propagacji wiązki... 59

3.4.2. Formalizm metody BPM...61

3.4.3. Zastosowanie metody BPM do analizy struktur otrzymanych drogą wymiany jonowej... 63

4

4. PODSTAWOWE ELEMENTY UKŁADÓW OPTYKI ZINTEGROWANEJ -

PROJEKTOWANIE, WYTWARZANIE I ANALIZA...66

4.1. Światłowody paskowe... 67

4.2. Rozgałęziacze światłowodowe NxM... 71

4.3. Gradientowe mikrosoczewki planarne... 74

5. ZASTOSOWANIE WYMIANY JONOWEJ W TECHNOLOGII INTERFEROMETRÓW PLANARNYCH...77

5.1. Interferometr Macha-Zehndera...■... 77

5.2. Interferometr różnicowy... 81

5.2.1. Interferometr różnicowy jako refraktometr... 83

5.2.2. Interferometr różnicowy jako przetwornik akustyczny...85

6. ZASTOSOWANIE WYMIANY JONOWEJ W TECHNOLOGII WIELOMODOWYCH STRUKTUR INTERFERENCYJNYCH (MMI)... 88

6.1. Efekty samoobrazowania w falowodach gradientowych... 90

6.1.1. Porównanie sekcji MMI otrzymanych w wymianie K+ - Na+ i Ag+ - Na+.. 96

6.2. Eksperymentalne badania interferencji pól modowych w falowodach gradientowych... 97

6.2.1. Stanowisko pomiarowe... 97

6.2.2. Symulacje numeryczne propagacji pola w badanych strukturach MMI.... 100

6.2.3. Eksperymentalne obrazy interferencji pól modowych... 101

6.3. Elementy optyki zintegrowanej na bazie struktur MMI...104

6.3.1. Rozgałęziacze światłowodowe lx N ... 104

6.3.2. Interferometr Macha-Zehndera... 107

6.3.3. Rozgałęziacze światłowodowe o dowolnym podziale sygnału na wyjściu... 108

6.3.3.1. Rozgałęziacz światłowodowy z falowodem wielomodowym sprzęgającym sekcje MMI... . 113

6.3.4. Tolerancja struktur MMI na zmianę geometrii i parametrów procesu technologicznego... 114

PODSUMOWANIE... 119

PODZIĘKOWANIA...122

LITERATURA...123

STRESZCZENIE. 137

CONTENTS

SPECIFICATION OF SIGNIFICANT DENOTATIONS...7

INTRODUCTION...9

1. FUNDAMENTALS OF ION EXCHANGE IN GLASS... 13

1.1. Dependence of refractive index changes on the concentration...14

1.2. Birefringence of refractive index profiles...15

1.3. Dopant ions...17

1.3.1. Ag+ - Na+ ion exchange...19

1.3.2 .K+ - Na+ ion exchange... 20

1.3.3. Lightguides doped by rare earth elements... 21

1.4. Glass substrate... 22

1.5. Technological stand for ion-exchange...24

1.6. Criteria of the choice o f ion exchange technology... 26

2. MODELLING OF ION EXCHAGE PR O C ESS... 28

2.1. Two-component diffusion...29

2.1.1. Diffusion planar waveguide...30

2.1.2. Diffusion channel waveguide...31

2.1.3. Investigations of two-component diffusion in selected types of glass 34 2.2. Ion exchange in the presence of external electric field... 36

2.3. Heating...42

2.4. Buried waveguide structures... 44

2.4.1. Lightguides buried in the two-step thermal diffusion... 45

2.4.2. Lightguides buried in the electrodiffusion process... 49

3. METHODS OF DESIGNING AND ANALYSIS OF GRADIENT WAVE GUIDES AND SYSTEMS OF INTEGRATED OPTICS...52

3.1. Light wave propagation in gradient index waveguides... 52

3.2. WKB method... 54

3.3. Effective refractive index method... 56

3.4. Beam propagation m ethod...58

3.4.1. Intuitive explanation of beam propagation method...59

3.4.2. Formalism of beam propagation method...61

3.4.3. The application of BPM for the analysis of structures made by ion exchange...63

6

4. BASIC PASSIVE ELEMENTS OF INTEGRATED OPTICS STRUCTURES -

DESIGN, FABRICATION, ANALYSIS...66

4.1. Channel waveguides... 67

4.2. Lightguide splitters NxM...71

4.2. Gradient planar microlenses... 74

5. APPLICATION OF ION EXCHANGE IN THE TECHNOLOGY OF PLANAR INTERFEROMETERS... 77

5.1. Mach-Zehnder interferometer... 77

5.2. Difference interferometer... 81

5.2.1. Difference interferometer as a refractometer...83

5.2.2. Difference interferometer as an acoustical transducer... 85

6. ION EXCHANGE APPLICATION IN THE TECHNOLOGY OF MULTIMODE INTERFERENCE STRUCTURES (MMI)...88

6.1. Selfimaging effects in gradient waveguides...90

6.1.1. The comparison of MMI sections made by K+ - Na+ and Ag+ - Na+ ion exchange... 96

6.2. Experimental investigations of mode fields interference in gradient waveguides.. 97

6.2.1. Experimental stand... 97

6.2.2. Numerical simulations of the field propagation in examined MMI structures... 100

6.2.3. Experimental patterns of mode field interference...101

6.3. Integrated optics elements on the base of MMI structures... 104

6.3.1. Lightguide splitters lx N ... 104

6.3.2. Mach-Zehnder interferometer...107

6.3.3. Lightguides splitters with the arbitrary power division at the output 108 6.3.3.1. Lightguide splitter with multimode waveguide coupling MMI sections...113

6.3.4. The tolerance of MMI structures of geometry and technological parameters changes... 114

SUMMARY... 119

ACKNOWLEDGEMENTS... 122

LITERATURE...123

ABSTRACT... 137

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

x

- współrzędna, kierunek równoległy do płaszczyzny podłoża

y -

współrzędna, kierunek prostopadły do płaszczyzny podłoża

z -

współrzędna, kierunek propagacji fali

n(x,y,z)

- współczynnik załamania

X

- długość fali świetlnej

0)

- częstotliwość fali świetlnej

k0 -

wektor falowy w próżni TE - polaryzacja TE

TM - polaryzacja TM

Ro -

refrakcja molowa

o

- naprężenie

S

- dwójłomność modowa

c(x,y,z) -

koncentracja domieszek

ct

- koncentracja równowagowa

nb

- współczynnik załamania podłoża szklanego

An -

maksymalna zmiana współczynnika załamania

AnT

e - maksymalna zmiana współczynnika załamania dla polaryzacji TE

AnT

m - maksymalna zmiana współczynnika załamania dla polaryzacji TM Da - współczynnik dyfuzji jonów (a)

H

a - ruchliwość jonów (a)

T

- temperatura

tD

- czas dyfuzji

t, -

czas wygrzewania

tz

- czas zagrzebywania

(D tD) m -

głębokość dyfuzji _/a - strumień jonów (a)

A/a - unormowana koncentracja jonów (a)

w, W

- szerokość okna maski

E0 -

zewnętrzne pole elektryczne w procesie elektrodyfuzji

s -

szybkość wymiany powierzchniowej

E -

wektor pola elektrycznego fali elektromagnetycznej

B

- wektor pola magnetycznego fali elektromagnetycznej

0 - faza

n

eff - efektywny współczynnik załamania

<Pnm(x,y) - funkcja falowa (n,m) modu

1 -

moc optyczna

nc

- współczynnik załamania pokrycia dielektrycznego cnm - współczynniki pobudzenia modów

L z

- droga zdudnień modów zerowego i pierwszego rzędu L3dB - droga propagacji dla obrazów dwukrotnych

8

WSTĘP

Podstawowym celem stawianym optyce zintegrowanej jest technologia wielofunkcyjnych urządzeń i układów zintegrowanych do przetwarzania, przechowywania i transmisji informacji dla częstotliwości w zakresie optycznym. Te elementy optyczne mogą pracować niezależnie lub w układach sprzężonych z liniami telekomunikacyjnych włókien optycznych. Układy optyki zintegrowanej, zużywające porównywalną ilość energii do swoich mikroelektronicznych analogów, przewyższają je zdecydowanie w zakresie szybkości odpowiedzi, pasma pracy i stabilności. Układy optyki zintegrowanej cechują wszystkie zalety technologii planarnej - małe rozmiary, możliwość upakowania na pojedynczym podłożu dużej ilości zintegrowanych elementów optycznych, łatwość produkcji masowej, niskie koszty, powtarzalność, wytrzymałość i niezawodność.

Podstawowym elementem zintegrowanych układów optycznych są falowody planarne. Łącząc warstwy światłowodowe otrzymane z różnych materiałów i kształtując je w odpowiedniej konfiguracji można wytwarzać elementy i obwody optyki zintegrowanej zdolne do realizacji bardzo różnorodnych operacji związanych z wiązką świetlną. W porównaniu do klasycznych układów optyki trójwymiarowej planarne układy optyki zintegrowanej wykazują unikalne własności związane z falowodowym charakterem propagacji fali optycznej. I tak na przykład, falowody planarne charakteryzuje dyskretne widmo modów falowodowych. Zmiana rozmiarów geometrycznych falowodu jest równoważna zmianie efektywnego współczynnika załamania modów falowodowych dla tej samej długości fali.

Planarne struktury światłowodowe wytwarzane są w różnych systemach materiałowych - półprzewodzących i dielektrycznych, krystalicznych i amorficznych. W tabeli 1 zestawiono wg [1] podstawowe rodzaje stosowanych materiałów i ich najważniejsze własności dla układów optyki zintegrowanej, takie jak tłumienność materiałową własności aktywne, odporność mechaniczną i termiczną stabilność charakterystyk optycznych i spektralnych, możliwość sprzęgania z włóknami optycznymi, łatwość wytwarzania materiału podłoża oraz wytwarzania w tym podłożu światłowodów, zakres spektralny pracy i możliwość integrowania różnych elementów funkcjonalnych (źródło, odbiornik, elementy aktywne i pasywne) na pojedynczym podłożu.

Kryształy półprzewodnikowe grupy AnBVI i AnIBv, jak pokazuje tabela 1, zajmują pierwsze miejsce w wielu ważnych dla zastosowań charakterystykach.

Są to jedyne materiały, w których możliwa jest pełna integracja monolityczna,

10 W stęp

tj. integracja na pojedynczym podłożu lasera i fotodiody z pasywnymi elementami optycznymi. Istotną wadą tych materiałów ograniczającą ich zastosowania w technologii elementów pasywnych jest duża tłumienność materiałowa i związana z dużym współczynnikiem załamania niska efektywność sprzęgania z telekomunikacyjnymi włóknami optycznymi.

Kryształy dielektryczne mają bardzo dobre własności aktywne, umożliwiające efektywne przeprowadzanie modulacji, odchylania i przełączania sygnału optycznego, konwersję częstotliwości. I tak na przykład, na bazie niobianu litu wytwarza się bardzo efektywne urządzenia akustooptyczne i elektrooptyczne o bardzo różnych możliwościach aplikacyjnych. Na bazie fosforanu tytanylowo-

Tabela 1 Materiały stosowane w optyce zintegrowanej i ich podstawowe własności wg [1]

M ate ria ły T łu m ie n ie m a te ri ało w e W ła sn o śc i a kt yw n e O d p o rn o ść m ec ha ni cz na ch em ic zn a , sta bi ln oś ć te r m ic zn a S ta bi ln ość ch a r a k te r y st y k S p rz ęg a n ie z w łó kn am i o nt y cz ny m i Ł a tw o ść w y tw a r za n ie p od ło ży / lu b falow od ów Z a k re s w id m o w y K os zt w ytw ar zan ia M o żl iw o ść in te g ra cj i n a p oj ed yn cz ym podłożu

Kryształy

półprzewodnikowe grupy AU 1 BV i AnBVI (GaAs, InP, ZnSe, CdS)

TT ^{++ + ++ —} ++/++ IR 0 TT

Kryształy dielektryczne (LiNb03, K T i0 P 0 4)

0 ^{++ +}

^-

^- -/+ IR, V TT i

Związki organiczne 0 + — — + +/+ IR, V i i i i

Szkła beztlenkowe: TT ⁺ 0 ^{+ —} +/— IR i i

Szkła tlenkowe i i 0 ^{++ ++ ++ ++/++ UY-IR} i i i

(+ ) - dobry, (-) - zły, (o) - średni, (T) - wysoki, (i) ^{- niski}

W stęp ¹¹

potasowego możliwe jest wytwarzanie bardzo efektywnych nieliniowych konwerterów długości fali. Jednakże takie czynniki, jak niska jednorodność tych materiałów, niewystarczająca powtarzalność i stabilność ich charakterystyk oraz wysokie koszty wytwarzania ograniczają szerokie zastosowania kryształów dielektrycznych w optyce zintegrowanej.

Niezależnym kierunkiem rozwoju optyki zintegrowanej jest technologia wykorzystująca do wytwarzania struktur światłowodowych szkła nieorganiczne.

O rozwoju tej technologii decydują następujące własności szkieł: jednorodność, wysoka powtarzalność i stabilność charakterystyk światłowodowych, niska tłumienność optyczna, niskie koszty, prosta technologia syntezy szkła i produkcji światłowodów. Możliwość zmiany ich składu chemicznego i struktury pozwala na swobodne kształtowanie ich własności światłowodowych.

Umożliwia to wytwarzanie różnorodnych elementów światłowodowych o charakterystykach w szerokim zakresie optycznym

(n=

1.47-5-2.6) i spektralnym (A=0.2+17 |im).

Najbardziej rozpowszechnioną technologią wytwarzania gradientowych struktur światłowodowych w szkle jest wymiana jonowa. Pierwsze prace przedstawiające zastosowanie wymiany jonowej w technologii światłowodów planarnych pochodzą z początków lat 1970 [2, 3]. Prawdziwym impulsem dla rozwoju technologii wymiany jonowej stał się postęp w latach 1980 techniki światłowodowej opartej na włóknach optycznych i zastosowania światłowodów w telekomunikacji, sensorach optycznych, optyce obrazowej [4]. Powstała związana z tym potrzeba opracowania tanich, o małej stratności, optycznych elementów biernych w celu realizacji wszystkich rodzajów funkcji przenoszenia sygnału pomiędzy włóknami. Pojawiają się prace wykorzystujące wymianę jonową w nowych rozwiązaniach sprzęgaczy i rozgałęziaczy światłowodowych [5-11], sprzęgaczy kierunkowych [12-13], multi/demultiplekserów na różne długości fali [14-17], w układach ze zwielokrotnieniem długości fali WDM.

Domieszkowanie światłowodów szklanych pierwiastkami ziem rzadkich umożliwia wytwarzanie źródeł (wzmacniaczy) światła połączonych ze strukturą falowodową [18-22]. Stosując wymianę jonową w szkle neodymowym otrzymano wzmacniacze i laser dla długości fali 1.06 |

⁰

.m i 1.3 |J.m [20]. Na wymianie jonowej oparta jest rozwijająca się intensywnie technologia światłowodowych czujników fazowych, polaryzacyjnych oraz czujników plazmonowych w zastosowaniach chemicznych, biologiczno-medycznych i do pomiaru podstawowych wielkości fizycznych [23-52]. Rozwój tych technologii wpływa na prace podstawowe z zakresu wymiany jonowej [53-59], przyczyniając się do rozwoju nowych technik wymiany [58-60], nowych metod pomiarowych i metod analizy teoretycznej [61-72].

W pracach przeglądowych [73-81] omówiono obszernie zagadnienia technologii

wymiany jonowej w szkłach, modelowania procesów wymiany, technik

pomiarowych i zastosowań wymiany jonowej w technologii elementów optyki

12 W stęp

g ra d ie n to w e j i c z u jn ik ó w ś w ia tło w o d o w y c h , w ty m p ra c e z re a liz o w a n e w Z a k ła d z ie O p t o e le k t r o n ik i In s ty tu tu F iz y k i P o lite c h n ik i Ś lą s k ie j.

C e le m m o n o g r a f ii je s t p rz e d s ta w ie n ie ró ż n y c h a s p e k tó w z a g a d n ie ń d o ty c z ą c y c h p r o je k to w a n ia , w y tw a r z a n ia i a n a liz y e le m e n tó w o p t y k i z in te g ro w a n e j w y k o r z y s tu ją c y c h te c h n o lo g ię w y m ia n y jo n o w e j. P ra c a p r z y b liż a p ro b le m y d o ty c z ą c e t e c h n o lo g ii fa lo w o d ó w je d n o i d w u w y m ia r o w y c h o o k re ś lo n y c h p r o f ila c h ro z k ła d u w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia i w ła s n o ś c ia c h o p ty c z n y c h , z a g a d n ie n ia d o ty c z ą c e p r o je k to w a n ia i w y tw a r z a n ia fa lo w o d ó w p a s k o w y c h p ro s ty c h i z a k r z y w io n y c h o ra z s p rz ę g a n ia ś w ia t ło w o d ó w p a s k o w y c h z w łó k n a m i o p ty c z n y m i, te c h n o lo g ii ro z g a łę z ia c z y ś w ia tło w o d o w y c h i in te r fe r o m e tr ó w . O b s z e rn ie o m ó w io n o n o w ą , in te n s y w n ie r o z w ija ją c ą się te c h n o lo g ię w ie lo m o d o w y c h s tr u k tu r in te r fe r e n c y jn y c h ( M M I ) , k tó r y c h zasada d z ia ła n ia o p a rta je s t n a z ja w is k u in te r fe r e n c ji p ó l m o d o w y c h w ś w ia tło w o d z ie tw o r z ą c y m w ie lo m o d o w ą s e k c ję in te rfe re n c y jn ą .

W ro z d z ia ła c h 1, 2 p rz e d s ta w io n o p o d s ta w y w y m ia n y jo n o w e j w s z k le . O p is a n o z ja w is k a to w a rz y s z ą c e w y m ia n ie jo n o w e j o ra z o k re ś lo n o w p ły w w y b o r u j o n ó w d o m ie s z e k i p o d ło ż y s z k la n y c h . O m ó w io n o p o d s ta w y m o d e lo w a n ia g r a d ie n to w y c h r o z k ła d ó w w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia w p ro c e s ie d y f u z ji te r m ic z n e j, e le k tr o d y f u z ji, w y g rz e w a n ia , z a g rz e b y w a n ia w p ro c e s ie d y f u z ji te r m ic z n e j i z a g rz e b y w a n ia e le k tr o d y fu z y jn e g o . P rz e d y s k u to w a n o r ó w n ie ż k r y t e r ia w y b o r u te c h n o lo g ii w y m ia n y jo n o w e j.

W ro z d z ia le 3 m o n o g r a f ii z a w a rto m e to d y a n a liz y w ła s n o ś c i o p ty c z n y c h f a lo w o d ó w g r a d ie n to w y c h p la n a r n y c h i p a s k o w y c h o ra z m e to d y a n a liz y i p r o je k to w a n ia e le m e n tó w o p t y k i z in te g ro w a n e j.

W ro z d z ia le 4 o m ó w io n o z a g a d n ie n ia d o ty c z ą c e p r o je k to w a n ia , w y tw a r z a n ia i a n a liz y p o d s ta w o w y c h e le m e n tó w b ie rn y c h u k ła d ó w o p ty k i z in te g ro w a n e j w y k o n a n y c h m e to d ą w y m ia n y j o n ó w - fa lo w o d ó w p a s k o w y c h p ro s ty c h i z a k r z y w io n y c h , je d n o - i w ie lo m o d o w y c h ro z g a łę z ia c z y ś w ia tło w o d o w y c h l x N i N x M o ra z m ik r o s o c z e w e k p la n a rn y c h .

W ro z d z ia le 5 p r z e d s ta w io n o p r z y k ła d y b a rd z ie j z a a w a n s o w a n y c h z a s to s o w a ń m e to d y w y m ia n y jo n o w e j, w te c h n o lo g ii in te r fe r o m e tr ó w p la n a r n y c h - M a c h a - Z e h n d e ra i ró ż n ic o w e g o , w y k o r z y s ty w a n y c h w u k ła d a c h d o p rz e tw a rz a n ia s y g n a łó w o p ty c z n y c h i w u k ła d a c h c z u jn ik ó w fa z o w y c h .

W ro z d z ia le

6

p rz e d s ta w io n o w ła s n o ś c i w ie lo m o d o w y c h s tr u k tu r in te r fe r e n c y jn y c h w y k o n a n y c h n a b a z ie fa lo w o d ó w g ra d ie n to w y c h o ra z te c h n o lo g ię i b a d a n ia o p ty m a liz a c y jn e ro z g a łę z ia c z y ś w ia tło w o d o w y c h l x N w y k o n a n y c h w k o n f ig u r a c ji s y m e try c z n e j i a s y m e try c z n e j. O p is a n o m o d e l w y k o n a n e g o w t e c h n o lo g ii M M I ro z g a łę z ia c z a o d o w o ln y m s to s u n k u s y g n a łu n a w y jś c iu , p ra c u ją c e g o w k o n fig u r a c ji in te rfe ro m e tru M a c h a -Z e h n d e ra .

1. PODSTAWY WYMIANY JONOWEJ W SZKLE

D o g ru p y m a te r ia łó w n a jc z ę ś c ie j w y k o r z y s ty w a n y c h w o p ty c e z in te g ro w a n e j n a le ż ą s z k ła tle n k o w e ze w z g lę d u n a ic h n is k ą cenę, d o s k o n a łą p rz e z ro c z y s to ś ć , w y s o k ą o d p o rn o ś ć n a z n is z c z e n ia o p ty c z n e i s w o b o d ę w k s z ta łto w a n iu fo r m y i r o z m ia r ó w . W ś ró d n ic h n a jw a ż n ie js z e są s z k ła k r z e m io n k o w e i k rz e m ia n o w e b a z u ją c e n a S i 0 2. P o d s ta w o w e s k ła d n ik i s z k ła m o ż n a j e p o d z ie lić n a tr z y ro d z a je :

• tle n k i w ię ź b o tw ó r c z e - tw o rz ą c e p o d s ta w o w ą s tru k tu rę s z k ła ,

• m o d y f ik a t o r y , n a jc z ę ś c ie j tle n k i m e ta li a lk a lic z n y c h N a

2

^{0 , K}

2

0 , C a O - n a d a ją c e s z k łu o k re ś lo n e w ła s n o ś c i fiz y c z n e ,

• t le n k i p o ś re d n ie , k tó r e m o g ą d z ia ła ć d w o ja k o - ja k o s k ła d n ik i w ię ź b o tw ó r c z e i ja k o m o d y fik a to r y .

R ó ż n ic e m ię d z y n im i w y ra ż a się c z ę s to p o p rz e z w a rto ś ć e n e rg ii w ią z a n ia p o je d y n c z e g o a to m u z tle n e m . T le n k i o n a jw ię k s z e j e n e rg ii w ią z a ń , 5 0 0 >

E ( k J /m o l) > 3 4 0 , s ta n o w ią s k ła d n ik i w ię ź b o tw ó rc z e s z k ła . E n e rg ia w ią z a ń m o d y f ik a t o r ó w s ie c i je s t z n a c z n ie m n ie js z a , 2 5 0 > E (k J /m o l)> 4 0 . T le n k i p o ś re d n ie m a ją e n e rg ie w ią z a ń o d 3 4 0 ^-2 5 0 ( k J /m o l) [8 2 ]. R o la , j a k ą p e łn i k a ż d y tle n e k w s tru k tu rz e , o k re ś la w ła s n o ś c i fiz y c z n e s z k ła . J o n y m o d y f ik a t o r ó w s ie c i, s ła b ie j z w ią z a n e ze s tr u k tu rą m a te ria łu , m o g ą b y ć w y m ie n ia n e z in n y m i jo n a m i o te j sam ej w a rto ś c io w o ś c i, le c z in n y c h w ła s n o ś c ia c h fiz y c z n y c h . W y p ro w a d z e n ie ze s z k ła p e w n e j lic z b y jo n ó w m o d y f ik a t o r a i z a s tą p ie n ie ic h in n y m i jo n a m i m e ta li (z w a n y c h d a le j d o m ie s z k ą ) u m o ż liw ia w y tw o r z e n ie lo k a ln y c h z m ia n w ła ś c iw o ś c i o p ty c z n y c h s z k ła w o b s z a rz e p r z y p o w ie r z c h n io w y m . O p is a n a te c h n o lo g ia n o s i n a z w ę w y m ia n y jo n o w e j. S z c z e g ó ln ie w a ż n y o b s z a r z a s to s o w a ń w y m ia n y jo n o w e j d o ty c z y u k ła d ó w o p t y k i z in te g ro w a n e j w y k o n a n y c h m o n o lity c z n ie n a p o d ło ż o w e j p ły tc e s z k la n e j.

P ro c e s y te c h n o lo g ic z n e re a liz u ją c e w y m ia n ę jo n o w ą w s z k le są p rz e p ro w a d z a n e n a jc z ę ś c ie j z w y k o r z y s ta n ie m c ie k ły c h ź ró d e ł d o m ie s z k i (s to p io n e a z o ta n y d la te m p e ra tu r n iż s z y c h i c h lo r k i d la te m p e ra tu r w y s o k ic h ) . W s tę p n e w p ro w a d z e n ie d o m ie s z k i d o s z k ła d o k o n y w a n e b y ć m o ż e w p ro c e s ie d y f u z ji c z y s to te r m ic z n e j, j a k te ż w o b e c n o ś c i z e w n ę trz n e g o p o la e le k try c z n e g o (e le k tr o d y fu z ja ) . P o c z ą tk o w y r o z k ła d d o m ie s z k i w s z k le i w y n ik a ją c y z n ie g o ro z k ła d w s p ó łc z y n n ik a N a ła m a n ia m o ż e b y ć n a s tę p n ie m o d y f ik o w a n y w p ro c e s a c h w tó r n y c h , ta k ic h j a k d y fu z ja , e le k tr o d y fu z ja lu b w y g rz e w a n ie . Z a s to s o w a n ie w

14 1. Podstaw y w ym iany jonow ej

p ro c e s a c h w tó r n y c h ź r ó d e ł j o n ó w d o m ie s z e k o b n iż a ją c y c h w s p ó łc z y n n ik z a ła m a n ia u m o ż liw ia w y k o n y w a n ie s tr u k tu r tz w . ś w ia tło w o d ó w z a g rz e b a n y c h , d la k tó r y c h m a k s im u m w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia je s t p rz e s u n ię te p o d p o w ie r z c h n ię p o d ło ż a s z k la n e g o .

1.1. Zależność zmian współczynnika załamania od koncentracji

W p ro w a d z o n e d o s z k ła j o n y d o m ie s z k i z a jm u ją w s tr u k tu rz e s z k ła m ie js c a o p u s z c z o n e p rz e z j o n y m o d y fik a to r a . W e fe k c ie w y m ia n y ty c h jo n ó w s tru k tu ra s z k ła p o z o s ta je n ie z m ie n io n a . Z m ia n ie u le g a ją w ła ś c iw o ś c i o p ty c z n e s z k ła b ę d ą ce e fe k te m o d m ie n n y c h p o la r y z o w a ln o ś c i e le k try c z n y c h w y m ie n io n y c h jo n ó w , r ó ż n ic y ic h w ie lk o ś c i (p r o m ie n i jo n o w y c h ) o ra z p o w s ta ją c y c h n a p rę ż e ń m e c h a n ic z n y c h . Is tn ie je m e to d a e m p iry c z n a , k tó r a w ią ż e w s p ó łc z y n n ik z a ła m a n ia s z k ła z je g o s k ła d e m tle n k o w y m , o p a rta na z a le ż n o ś c i G la d s to n e - D a le ’ a [8 3 ]. M e to d a ta o k re ś la w a rto ś ć w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia i w ła s n o ś c i s p e k tra ln e s z k ła , ja k o fu n k c je je g o s k ła d n ik ó w m o le k u la r n y c h . S k ła d n ik a m i t y m i s ą g łó w n ie tle n k i, o p is y w a n e r e la c ją M mO n, g d z ie M je s t s k ła d n ik ie m w y b ra n e g o tle n k u . W s p ó łc z y n n ik z a ła m a n ia s z k ła

nb

d la d a n e j d łu g o ś c i fa li A w y ra ż a się z a p o m o c ą r e f r a k c ji je g o s k ła d n ik ó w [8 3 ]:

D ^ a M ’ ^ M

n.

= l + - ° - = l + — " = --- n n

M

g d z ie

R0

je s t r e f r a k c ją m o lo w ą , V

0

je s t o b ję to ś c ią m o lo w ą ,

NM

je s t lic z b ą m o li j o n ó w M n a m o l a to m ó w tle n u ,

aM

je s t s ta łą r e f r a k c ji s k ła d n ik a M d la d łu g o ś c i f a l i

X

, c M je s t s ta łą o b ję to ś c i d la tle n k u M . P a ra m e try

a M,,

c M i

C

w y z n a c z a n e s ą e k s p e ry m e n ta ln ie .

W w y n ik u w y m ia n y jo n o w e j n a s tę p u je z m ia n a w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia s z k ła :

, x , , * o + Z ( y ) ■ &R

" ( 3 0 =

1

^{+ - — - - ( 1 . 2 )}

y 0 + X ( y ) ■ AV

g d z ie

x (y

) j e st u ła m k ie m jo n ó w , b ę d ą c y c h n a tu r a ln y m i s k ła d n ik a m i s z k ła , z a s tą p io n y c h p rz e z j o n y d o m ie s z k i ( w ie lk o ś ć ta je s t f u n k c ją g łę b o k o ś c i y ) ,

AR

ⁱ

AV

o z n a c z a ją o d p o w ie d n io m o lo w e z m ia n y o b ję to ś c i i r e f r a k c ji s p o w o d o w a n e w y m ia n ą jo n ó w . O d e jm u ją c o d ( 1 .2 ) ró w n a n ie (1 .1 ) i z a k ła d a ją c

A V « V 0

o tr z y m u je s ię z m ia n ę w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia A

n

w w y n ik u w y m ia n y jo n ó w :

1. Podstaw y w ym iany jonow ej 15

P ie r w s z y s k ła d n ik w y ra ż e n ia (1 .3 ) je s t p r z y c z y n k ie m w n o s z o n y m p rz e z ró ż n ic ę p o la r y z o w a ln o ś c i w y m ie n ia n y c h jo n ó w . D r u g i n a to m ia s t je s t e fe k te m z m ia n y o b ję to ś c i s z k ła s p o w o d o w a n e j r ó ż n ic ą p ro m ie n i jo n o w y c h . W y ra ż e n ie (1 .2 ) p o z w a la tr a k to w a ć g lo b a ln ą z m ia n ę w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia ja k o l in io w ą fu n k c ję k o n c e n tr a c ji w p ro w a d z o n e j d o m ie s z k i

c(x,y,z):

An(x,y,z) ~ c(x,y,z)

(1 .4 )

W s p ó łc z y n n ik p ro p o r c jo n a ln o ś c i z a le ż y o d d łu g o ś c i i p o la r y z a c ji fa li. Z a ło ż e n ie to s ta n o w i p o d s ta w ę m o d e lo w a n ia z m ia n w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia u z y s k iw a n y c h w p ro c e s ie w y m ia n y jo n o w e j w s z k le .

1.2. Dwójłomność profili refrakcyjnych

P ro c e s w y m ia n y jo n o w e j n ie t y lk o z m ie n ia w s p ó łc z y n n ik z a ła m a n ia na p o w ie r z c h n i s z k ła , le c z ta k ż e z m ie n ia in n e sta łe m a te ria ło w e . P o p rz e z w y m ia n ę jo n o w ą z m ie n ia się o b ję to ś ć o b s z a ru p rz y p o w ie r z c h n io w e g o (ró w n a n ie (1 .3 )), z w ią z a n e g o z p o z o s ta łą c z ę ś c ią s z k ła . Z m n ie js z e n ie lu b z w ię k s z e n ie o b ję to ś c i g e n e ru je n a p rę ż e n ia ś c is k a ją c e lu b ro z c ią g a ją c e [7 3 , 8 4 -8 7 ].

W p r z y p a d k u p ro w a d z e n ia w y m ia n y jo n o w e j n a c a łe j p o w ie r z c h n i s z k ła , stan n a p rę ż e ń n a p o w ie r z c h n i s z k ła je s t je d n o r o d n y i iz o tr o p o w y w p ła s z c z y ź n ie p o d ło ż a

(z)

i r ó w n y z e ro d la k ie r u n k u p ro s to p a d łe g o

(y)

- k ie r u n k u s w o b o d n e g o ro z s z e rz a n ia się s z k ła (ry s .

1

^.

1

^):

Oyy—0 , <7XX — crzz — o*o ( ł * ^ )

D la fa lo w o d ó w w y k o n a n y c h d ro g ą s e le k ty w n e j w y m ia n y jo n o w e j p rz e z o k n o ( f a lo w o d ó w p a s k o w y c h ) re la c je te są b a rd z ie j s k o m p lik o w a n e , p o n ie w a ż n ie z e ru je się s k ła d o w a n a p rę ż e ń

a yy,

a s k ła d o w a crxx r ó ż n i się o d cr2Z. N a p rę ż e n ia n a k ie r u n k u

y

p o w o d u ją w y p ię tr z e n ia lu b z a p a d n ię c ie p o w ie rz c h n i w ś w ia tło w o d a c h p a s k o w y c h . E fe k t y te s ą re je s tro w a n e p rz e z s k a n o w a n ie p o w ie r z c h n i p r ó b k i z a p o m o c ą p r o f ilo m e t r ó w e le k tro m e c h a n ic z n y c h [8 4 ].

N a p rę ż e n ia m e c h a n ic z n e p o w o d u ją a n iz o tro p ię w ła s n o ś c i o p ty c z n y c h s z k ła . D la fa li e le k tro m a g n e ty c z n e j, o p o la r y z a c ji r ó w n o le g łe j || (p ro s to p a d łe j _L) d o k ie r u n k u n a p rę ż e ń

a ,

w s p ó łc z y n n ik z a ła m a n ia je s t o d p o w ie d n io r ó w n y :

Rys. 1.1. Geometria wymiany jonowej Fig. 1.1. Geometry o fio n exchange

«11 = nb + An\\

«

1

=

nb + An± ( 1.6)

16 1. P odstaw y w ym iany jonow ej

g d z ie

nb

je s t w s p ó łc z y n n ik ie m z a ła m a n ia je d n o r o d n e g o s z k ła b e z n a p rę ż e ń . D la m a ły c h n a p rę ż e ń z m ia n y w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia

An\\

i

An±

s ą p ro p o r c jo n a ln e d o n a p rę ż e n ia

a.

W s p ó łc z y n n ik i z w ią z a n e z ty m e fe k te m , n a z y w a n e s ta ły m i e la s to o p ty c z n y m i, z d e fin io w a n e s ą n a s tę p u ją c o :

^ n \\ ^ d n.

C ' = l o ■ C > - * ■ (L 7>

D la fa l ro z c h o d z ą c y c h s ię w k ie r u n k u

z,

o p o la r y z a c ji r ó w n o le g łe j d o p o w ie r z c h n i p o d ło ż a - tz w . p o la ry z a c ja T E i p ro s to p a d łe j - p o la ry z a c ja T M , z a le ż n o ś ć w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia o d n a p rę ż e ń o p is u ją r ó w n a n ia [

86

] :

A

n\.E —nTE ~ n b —C l + C 2 '(Oyy

+ (7 ZZ) (

1

-

8

)

^TM

=

nTM ~ nb ~ C \

^{y y} ■*"

^2

^{X X} tz

)

(1 -9 )

O d e jm u ją c o b a ró w n a n ia s tro n a m i o tr z y m u je m y r ó w n a n ie d e fin iu ją c e d w ó jło m n o ś ć m o d o w ą <

5

^:

< 5 = A - A n £ = ( C j - C

2

) - ( c t w - < r „ ) (

1

.

10

) D la p r z y p a d k u f a lo w o d ó w p la n a r n y c h

{ o yy

= U ,

o ^ =<Ja

= c

0

0 0 ) o tr z y m u je s ię :

A < ) ( y ) = ( C

1

+ C

2

) - c r

0

( y )

&nm ( y ) = no

^{+ 2 - C}

2

-C T o (y ) (

1

^.

11

⁾

S ( y ) = A n ^

- A

n%

= ( C

2

- C , ) - a

0

( y )

C a łk o w it a z m ia n a w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia

An(c>

je s t s u m ą a lg e b r a ic z n ą z m ia n w n o s z o n y c h p rz e z z m ia n ę p o la r y z o w a ln o ś c i e le k try c z n e j i o b ję to ś c i m o lo w e j

An

o ra z z m ia n w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia

An<s>

in d u k o w a n y c h p rz e z n a p rę ż e n ia [ 9 0 ] :

An(TcE)(y ) = A n (y) + A n £ ( y )

A n t i ( y ) = A n (y) + A n % (y )

( L 1 2 ) P ie r w s z y s k ła d n ik w ( 1 .1 2 ) je s t n ie z a le ż n y o d p o la r y z a c ji i o p is u je z g o d n ie z ( 1 .3 ) e fe k ty w y n ik a ją c e z e z m ia n y w ła s n o ś c i fiz y c z n y c h w p ro w a d z a n y c h jo n ó w . N a p o d s ta w ie ró w n a ń (1 .1 2 ) m o ż n a o k r e ś lić u d z ia ł n a p rę ż e ń w k s z ta łto w a n iu p r o f i l i r e fr a k c y jn y c h , k t ó r y d la n ie k tó r y c h p ro c e s ó w w y m ia n y jo n o w e j m o ż e d o c h o d z ić d o k ilk u d z ie s ię c iu p ro c e n t [8 9 ].

1. Podstaw y w ym iany jonow ej 17

1.3. Jony domieszek

W p ro c e s ie w y m ia n y s to s u je się jo n y m e ta li a lk a lic z n y c h - L i + [7 5 , 9 0 ], K + [7 3 - 8 1 , 8 4 -8 5 , 9 1 ], R b + [9 2 ] , C s + [9 2 - 9 4 ] o ra z in n e jo n y je d n o w a rto ś c io w e , j a k A g + [3 , 7 3 -8 1 , 9 5 - 9 6 ], C u + [9 7 - 9 8 ] i T l + [2 , 9 9 -1 0 2 ].

J a k o ź ró d ła d o m ie s z e k p o w s z e c h n ie s to s o w a n e są ro z to p io n e s o le o d p o w ie d n ie g o p ie rw ia s tk a . Ź r ó d ła ta k ie z a p e w n ia ją iz o te rm ic z n o ś ć p ro c e s u w y m ia n y jo n o w e j - e w e n tu a ln e g ra d ie n ty te m p e ra tu r w z d łu ż d łu g o ś c i p r ó b k i i p rz y p a d k o w e flu k tu a c je te m p e ra tu ry w z d łu ż p o w ie r z c h n i p r ó b k i są w y r ó w n y w a n e p rz e z p rą d y k o n w e k c y jn e . Z a b e z p ie c z a ją r ó w n ie ż p ró b k ę p rz e d s z k o d liw y m i w p ły w a m i c z y n n ik ó w z e w n ę trz n y c h . S to s o w a n e w ty m c e lu s o le p o w in n y c e c h o w a ć n a s tę p u ją c e w ła s n o ś c i:

• te m p e ra tu ra to p n ie n ia n iż s z a o d te m p e ra tu ry to p n ie n ia s z k ła ,

• w y s o k a c z y s to ś ć ,

• d u ż a s ta b iln o ś ć te r m ic z n a w te m p e ra tu rz e p ro c e s u ,

• o b o ję tn o ś ć c h e m ic z n a w s to s u n k u d o m a te ria łu p o d ło ż a i ty g la ,

• m a ła e n e rg ia d y s o c ja c ji c h e m ic z n e j,

• n ie to k s y c z n o ś ć , o d p o rn o ś ć n a u tle n ia n ie w w y s o k ie j te m p e ra tu rz e .

W y m a g a n ia te n a jle p ie j s p e łn ia ją a z o ta n y , k tó re n a s k u te k s w o ic h w ła s n o ś c i u tle n ia ją c y c h z a b e z p ie c z a ją p o n a d to p o w ie rz c h n ię s z k ła p rz e d d e g ra d a c ją i u tle n ia ją m e ta lic z n e z a n ie c z y s z c z e n ia b ę d ą ce n a p o w ie r z c h n i p r ó b k i. W a d ą ty c h s o li są s to s u n k o w o n is k ie te m p e ra tu ry ro z k ła d u . D la te g o te ż , w p rz y p a d k a c h g d y p ro c e s w y m ia n y m u s i z a c h o d z ić w w y s o k ic h te m p e ra tu ra c h , s to s o w a n e są in n e s o le - s ia rc z a n y i c h lo r k i.

D la m e ta li ( A g , C u ) s to s o w a n e są ró w n ie ż ź ró d ła w p o s ta c i c ie n k ie j w a r s tw y m e ta lic z n e j [5 8 ,9 7 -9 8 ]. W y m ia n a w y k o r z y s tu ją c a c ie n k ie w a r s tw y m e ta lic z n e m u s i p rz e b ie g a ć w o b e c n o ś c i p o la e le k try c z n e g o , p o n ie w a ż e n e rg ia te r m ic z n a j o n ó w ty c h m e ta li je s t z b y t m a ła , a b y p o k o n a ć b a rie rę p o te n c ja łu e le k tro c h e m ic z n e g o p o m ię d z y w a r s tw ą m e ta lic z n ą i s z k łe m [1 0 3 ]. W o d ró ż n ie n iu o d ź ró d e ł c ie k ły c h , ź ró d ła w p o s ta c i w a r s tw y m e ta lic z n e j m a ją c h a ra k te r ź r ó d ła o g ra n ic z o n e g o . P ro w a d z ą c p ro c e s w y m ia n y d o s ta te c z n ie d łu g o , d o w y c z e rp a n ia ź ró d ła jo n ó w , m o ż n a w te n s p o só b u z y s k a ć w p o je d y n c z y m p ro c e s ie w y m ia n y tz w . ś w ia tło w o d y z a g rz e b a n e [9 6 , 1 0 4 ].

W ta b e li 1.1 p rz e d s ta w io n o , w g [7 6 ], w a rto ś c i p o la ry z o w a ln o ś c i e le k try c z n e j i p ro m ie n ie jo n o w e d o m ie s z e k n a jc z ę ś c ie j s to s o w a n y c h w p ro c e s a c h w y m ia n y jo n o w e j, w p o ró w n a n iu z s o d e m tra k to w a n y m ja k o g łó w n y s k ła d n ik

m o d y f ik u ją c y s z k ło o ra z u z y s k a n e w w y m ia n ie m a k s y m a ln e z m ia n y w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia . W ta b e li 1.1 u m ie s z c z o n o r ó w n ie ż s to s o w a n e

18 1. Podstaw y w ym iany jonow ej

n a jc z ę ś c ie j ź r ó d ła d o m ie s z e k - ic h te m p e ra tu r y to p n ie n ia i ro z k ła d u , k tó re o g r a n ic z a ją te m p e ra tu r y p ro c e s u w y m ia n y .

P ro c e s w y m ia n y L i + - N a + z a c h o d z i b a rd z o s z y b k o i j u ż p o k i lk u m in u ta c h d y f u z j i o s ią g a się o b s z a ry z m ia n w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia rz ę d u k ilk u d z ie s ię c iu

| jm , z m a k s y m a ln ą z m ia n ą w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia A n ~ 0 .0 1 5 [9 0 ]. Z m ia n a w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia w y n ik a p rz e d e w s z y s tk im z d u ż y c h r ó ż n ic p r o m ie n i jo n o w y c h ( p o la r y z o w a ln o ś ć j o n ó w lit u je s t b a rd z o m a ła ). R ó w n o c z e ś n ie , w z w ią z k u z t ą ró ż n ic ą , o b s e rw u je s ię k o la p s s ie c io w y i p ę k a n ie w a r s tw p o w ie r z c h n io w y c h , d e g ra d u ją c e w ła s n o ś c i o p ty c z n e p o d ło ż a s z k la n e g o [

75

^].

P o p ra w ę w ła s n o ś c i o p ty c z n y c h o b s z a ru p o w ie r z c h n io w e g o m o ż n a o s ią g n ą ć s to s u ją c ja k o ź r ó d ło j o n ó w lit u m ie s z a n in ę L i

2

^{S 0}

4

^{i K}

2

S 0 4. W p ro c e s ie ty m j o n y p o ta s u i l it u d y fu n d u ją ró w n o c z e ś n ie . S z y b k ie j o n y lit u m ig r u ją g łę b ie j, p o d c z a s g d y p o w o ln e j o n y p o ta s u p o z o s ta ją w o b s z a rz e p r z y p o w ie r z c h n io w y m p o p r a w ia ją c s tr u k tu rę s z k ła i lik w id u ją c n a p rę ż e n ia [1 0 5 ]. O trz y m y w a n e ś w ia t ło w o d y s ą je d n a k m a ło s ta b iln e te r m ic z n ie i z a s to s o w a n ie te j w y m ia n y w o p ty c e z in te g ro w a n e j je s t n ie w ie lk ie .

J o n y T l +, j a k p o k a z u je ta b e la 1.1, m a ją n a jw ię k s z ą p o la ry z o w a ln o ś ć i d u ż e w a rto ś c i p r o m ie n i jo n o w y c h . W y m ia n a T l + - N a + z a c h o d z i b a rd z o w o ln o d a ją c d u ż e z m ia n y w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia

An~0A5

i m a łe tłu m ie n ie m a te ria ło w e

< 0 .5 d B /c m . S to s u ją c w m ie js c e a z o ta n u m ie s z a n in ę s ia rc z a n ó w (3 0 % T1

2

S 0 4, 3 0 % K

2

^{S 0}

4

i 4 0 % Z n S 0 4) m o ż n a z w ię k s z y ć te m p e ra tu rę w y m ia n y d o 6 0 0 ° C i o d p o w ie d n io s z y b k o ś ć w y m ia n y jo n o w e j, p o z w a la ją c ą o s ią g a ć o b s z a ry z m ia n w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia rz ę d u k ilk u d z ie s ię c iu |J.m w c z a s ie k i lk u g o d z in .

Tabela 1.1 Jony modyfikatorów wg [76]

Jon

Polaryzo­

walność [xlO '30 m3]

Promień jonowy [x l 0 10 m]

An Sól

Temperatura topnienia

°C

Temperatura rozkładu

°C

Li+ 0.03 0.68 0.015 LiN0 3 264 600

- . ... Na+ ' 0.43 ' 0.95

^.

NaN0 3 307 380

Ag+ 2.40 1.26 0.22 AgN0 3 212 444

K+ 1.33 1.33 0.01 KN0 3 334 334

Tl+ 5.20 1.49 0.15 T1N0 3 206 430

Rb+ 1.98 1.49 0.015 RbN0 3 310

-

Cs+ 3.34 1.65 0.03 CsN0 3 414

-

1. Podstaw y w ym iany jonow ej 19

Z a s a d n ic z ą w a d ą w y m ia n y jo n o w e j T l + - N a + je s t d u ż a to k s y c z n o ś ć z w ią z k ó w c h e m ic z n y c h ta lu p o w o d u ją c a , że w y m ia n a ta m a w te c h n o lo g ii u k ła d ó w o p ty k i z in te g ro w a n e j m n ie js z e z n a c z e n ie . W y ją te k s ta n o w ią tu ta j z a s to s o w a n ia w y m ia n y T l +- N a + w te c h n o lo g ii m ik ro s o c z e w e k p la n a rn y c h [9 9 - 1 0 1 ] ( o m ó w io n y c h w r o z d z ia le 4 .3 ) i p rę to w y c h s o c z e w e k c y lin d r y c z n y c h [1 0 2 ].

W y m ia n y j o n ó w o p a rte n a C s +, R b + z a c h o d z ą b a rd z o p o w o li i d a ją n ie w ie lk ie z m ia n y w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia o d p o w ie d n io 0 .0 3 i 0 .0 1 5 . Z e w z g lę d u na d u ż ą to k s y c z n o ś ć s o li ce zu i r u b id u i ic h s iln e re a g o w a n ie z w ię k s z o ś c ią m a te r ia łó w , s to s o w a n ie ty c h jo n ó w je s t o g ra n ic z o n e .

W ś ró d j o n ó w w y m ie n io n y c h w ta b e li 1.1, n a jw ię k s z e z n a c z e n ie d la u k ła d ó w o p t y k i z in te g ro w a n e j m a ją p ro c e s y w y m ia n y jo n o w e j A g + - N a + i K + - N a +.

1.3.1. Wymiana A g+ - Na+

W y m ia n a A g + - N a + je s t n a jb a rd z ie j p o p u la r n ą te c h n ik ą w y m ia n y jo n o w e j.

W y m ia n a jo n ó w z a c h o d z i s to s u n k o w o s z y b k o , n a w e t d la n is k ic h te m p e ra tu r ( 2 2 0 ° C -s- 3 0 0 ° C ) . M a k s y m a ln a z m ia n a w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia je s t rz ę d u 0.1 d la s o d o w o - w a p n io w e g o [9 5 ] i o s ią g a w a rto ś ć 0 .2 2 d la s z k ła T iF

6

[1 0 6 ]. W p ro c e s ie w y m ia n y w y k o r z y s tu je się n a jc z ę ś c ie j c ie k łe ź ró d ła d o m ie s z k i w p o s ta c i s to p io n y c h s o li A g N 0

3

d la te m p e ra tu r < 4 0 0 ° C lu b A g C l d la s z y b k ic h

p ro c e s ó w w y m ia n y i te m p e ra tu r o g ra n ic z o n y c h je d y n ie te m p e ra tu rą m ię k ­

n ię c ia s z k ła [1 0 7 ].

P o d s ta w o w ą w a d ą w y m ia n y s re b ro -s ó d je s t te n d e n c ja d o r e d u k c ji w p ro c e s ie te c h n o lo g ic z n y m jo n ó w A g + d o s re b ra a to m o w e g o i je g o a g lo m e ra c ji w c e n tra b a rw n e [9 5 ]. P o w o d u je to w z ro s t s tra t p ro p a g a c ji z w ią z a n y c h z a b s o rp c ją i ro z p ra s z a n ie m na k o lo id a ln y c h c z ą s te c z ­ k a c h sre b ra . S tra ty p ro p a g a c ji z a le ż ą s iln ie od

y, №

Rys. 1.2. Profile rozkładu współczynnika załamania dla fa l TE i TM w szkle BK-7. Wymiana Ag*-Na*

Z roztworu AgNC>3

Fig. 1.2. Refractive index profiles fo r TE and TM waves in BK-7 glass. Ag+-Na+ ion exchange from the AgNC>3 solution

d łu g o ś c i f a li o s ią g a ją c m a k s im u m d la d łu g o ś c i re z o n a n s o w e j A - 0 . 4 | im i s iln ie m a le ją d la b lis k ie j p o d c z e rw ie n i. S tra ty p r o ­ p a g a c ji d la fa lo w o d ó w

2 0 1. P odstaw y w ym iany jonow ej

o tr z y m a n y c h w w ie lo s to p n io w y c h p ro c e s a c h w y m ia n y A g + - N a +, d la d łu g o ś c i p o w y ż e j 0 .8 u rn w y n o s iły p o n iż e j 0 .2 d B /c m [1 0 8 - 1 0 9 ].

W a d ą w y m ia n y A g + - N a + je s t r ó w n ie ż n is k a s ta b iln o ś ć te r m ic z n a i ś w ia tło tr w a ło ś ć [

1

].

D u ż e z m ia n y w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia n a p o z io m ie 0.1 m o g ą b y ć n ie k o rz y s tn e d la z a s to s o w a ń w y m ia n y A g +- N a + w te c h n o lo g ii ś w ia t ło w o d ó w je d n o m o d o w y c h . M o ż n a j e o b n iż y ć w y k o r z y s tu ją c w ie lo s to p n io w e p ro c e s y w y m ia n y jo n o w e j, o p is a n e w r o z d z ia le

2

, a lb o p ro w a d z ą c w y m ia n ę z m ie s z a n in y s o li A g N 0

3

/ N a N 0

3

lu b A g N 0

3

/ K N Ó 3. R o z c ie ń c z e n ie a z o ta n u s re b ra p o w o d u je o b n iż e n ie k o n c e n tr a c ji s re b ra w k ą p ie li, w p ły w a ją c ró w n o c z e ś n ie n a z m ia n y w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia , te m p e ra tu rę to p n ie n ia m ie s z a n in y s o li i s z y b k o ś ć p ro c e s u w y m ia n y . N a ry s . 1.2 p rz e d s ta w io n o , d la p r z y k ła d u , p r o f ile ro z k ła d u w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia d la fa l T E i T M o tr z y m a n e w w y n ik u w y m ia n y A g + - N a + z r o z t w o r u 0 .0 0 1 5 5 % A g N 0

3

^w

N a N 0 3, w c z a s ie 1.5 h i te m p e ra tu rz e 3 8 5 ° C . P ro c e s b y ł b a rd z o s z y b k i, a p o c z ą tk o w a w a rto ś ć w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia

An~0.\

o b n iż y ła się d o w a rto ś c i 0 .0 1 2 . R ó ż n ic e r o z k ła d ó w d la fa l T E i T M s ą n ie z n a c z n e i m ie s z c z ą się w g ra n ic a c h b łę d ó w p o m ia r o w y c h .

O b o k ź r ó d e ł c ie k ły c h s to s o w a n e są r ó w n ie ż ź r ó d ła w p o s ta c i w a r s tw y m e ta lic z n e j A g n a n ie s io n e j m e to d ą n a p a ro w a n ia p r ó ż n io w e g o n a p o d ło ż a s z k la n e , z w y k le p o k r y t ą d o d a tk o w ą w a rs tw a m e ta lic z n ą n p . A u , w c e lu z a p o b ie ż e n ia u tle n ia n ia s re b ra . W ty m w y p a d k u w y m ia n a jo n o w a m u s i p rz e b ie g a ć w o b e c n o ś c i z e w n ę trz n e g o p o la e le k try c z n e g o [5 8 ]. J e d n ą z z a le t te j w y m ia n y je s t b r a k z ja w is k a w y tr ą c a n ia się s re b ra m e ta lic z n e g o i w y n ik a ją c a stąd n is k a tłu m ie n n o ś ć w y n o s z ą c a - 0 . 5 d B /c m . C e n n a je s t r ó w n ie ż m o ż liw o ś ć k s z ta łto w a n ia w p ro c e s ie je d n o s to p n io w y m p r o f il i z a g rz e b a n y c h , o w ie lk o ś c i z m ia n w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia k o n tr o lo w a n e j c z a s e m p ro c e s u [1 0 4 ].

O b s e rw o w a n a d la w y m ia n y A g + - N a + d w ó jło m n o ś ć m o d o w a

8

( r ó w n a n ie ( 1 .1 0 ) ) je s t n ie w ie lk a i w y n o s i -

-0.04-AnTE

[8 9 ]. U d z ia ł n a p rę ż e ń w k s z ta łto w a n iu p r o f ilu re fr a k c y jn e g o je s t w z w ią z k u z ty m n ie z n a c z n y i c z ę s to m o ż n a g o p o m in ą ć .

1.3.2. Wymiana K* - N a+

Ś w ia tło w o d y o tr z y m y w a n e d ro g ą w y m ia n y jo n ó w K +- N a + c h a ra k te ry z u ją się m a ły m tłu m ie n ie m m a te r ia ło w y m , p o n iż e j 0 .5 d B /c m w c a ły m z a k re s ie w id z ia ln y m i w p o d c z e r w ie n i, o ra z d u ż ą s ta b iln o ś c ią te r m ic z n ą . W y m ia n a jo n ó w z a c h o d z i s to s u n k o w o w o ln o - o k o ło k ilk a d z ie s ią t ra z y w o ln ie j n iż w p r z y p a d k u w y m ia n y A g + - N a +, a m a ła z m ia n a w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia A n ~ 0 .0 1 w y r ó ż n ia te n p ro c e s w te c h n o lo g ii ś w ia t ło w o d ó w je d n o m o d o w y c h . P ro ce s K +- N a + p o p r a w ia r ó w n ie ż o g ó ln e w ła s n o ś c i fiz y c z n e s z k ła - m ik r o tw a r d o ś ć , w y tr z y m a ło ś ć m e c h a n ic z n ą i o p ty c z n ą [

1

].

1. Podstaw y w ym iany jon o w ej 21

N a ry s . 1.3 p rz e d s ta w io n o p r o f ile ro z k ła d u w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia d la p o la r y z a c ji T E i T M o trz y m a n e w p ro c e s ie d y f u z ji jo n ó w p o ta s u d o s z k ła B K - 7 , w te m p e ra tu rz e 4 0 0 ° C i w c z a s ie rD= 1 6 5 h [5 3 ].

W y z n a c z o n y w s p ó łc z y n n ik d y f u z ji w y n o s ił d la o b u p r o f il i 2 .1 8 ( im

2

/h , n a to m ia s t m a k s im a ro z k ła d u na p o w ie r z c h n i są o d p o w ie d n io ró w n e z\nTE = 0 .0 0 9 5 ,

AnTM =

0 .0 1 1 7 . O b s e rw o w a n e z n a c z n e ró ż n ic e r o z k ła d ó w w s p ó łc z y n n ik a z a ­ ła m a n ia d la o b u o rto g o n a ln y c h p o la ry z a c ji, w y n ik a ją z a n iz o tr o p ii n a p rę ż e ń p o w s ta ­ ły c h p o d c z a s p ro c e s u te c h n o lo g ic z n e g o . U d z ia ł n a ­ p rę ż e ń w k s z ta łto w a n iu w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia je s t is to tn y - w s z k le B K - 7 w y n o s i o n o d p o w ie d n io 3 0 % d la fa l T E i 4 0 % d la fa l T M [8 9 ]. O b s e rw o w a n a d la te j w y m ia n y d w ó jło m n o ś ć m o d o w a 5 je s t z n a c z n a i w y n o s i ~ - 0 .1 4 - 4 «t e-

W ie lk o ś ć d w ó jło m n o ś c i m o d o w e j, j a k p o k a z a n o w [2 4 - 2 5 ], z a le ż y o d cza su te m p e ra tu r y i p ro c e s u . D w ó jło m n o ś ć m o d o w ą m o ż n a o b n iż y ć p ro w a d z ą c d y fu z ję z r o z t w o r ó w s o li K N 0

3

[2 5 ], a lb o w y k o r z y s tu ją c tz w . p o d w ó jn ą w y m ia n ę jo n o w ą [6 0 ] . P o d w ó jn ą w y m ia n ę jo n o w ą - w y m ia n a w p ie rw s z e j k o le jn o ś c i jo n ó w p o ta s u , a w d ru g ie j jo n ó w sre b ra , w y k o r z y s tu je się do f o r m o w a n ia fa lo w o d ó w d w u rd z e n io w y c h . F a lo w o d y ta k ie łą c z ą z a le ty o b u p ro c e s ó w w y m ia n y jo n o w e j - n is k ie s tra ty w z a k re s ie w id z ia ln y m , d o b re p ro w a d z e n ie m o d ó w o ra z s z e ro k i z a k re s p ra c y je d n o m o d o w e j. P ro s ty m o d e l d o b rz e o p is u ją c y p o d w ó jn ą w y m ia n ę jo n o w ą w s z k le z o s ta ł z a p ro p o n o w a n y p rz e z P. A u g e r a i S .I. N a ja f i [5 9 ].

1.3.3. Światłowody domieszkowane pierwiastkam i ziem rzadkich

W p ra c a c h [1 8 - 2 2 , 1 1 0 -1 1 3 ] z a p ro p o n o w a n o d o m ie s z k o w a n ie s z k la n y c h ś w ia t ło w o d ó w p ie r w ia s tk a m i z ie m rz a d k ic h ( g łó w n ie e rb e m ) w c e lu w y tw o r z e n ia ź r ó d e ł ś w ia tła p o łą c z o n y c h ze s tr u k tu rą fa lo w o d o w ą . B a d a n o d w ie k o n fig u r a c je fa lo w o d o w e . W p ie rw s z y m p rz y p a d k u w y m ia n ę jo n o w ą p ro w a d z o n o w s z k le d o m ie s z k o w a n y m p ie r w ia s tk a m i z ie m rz a d k ic h

y-

Rys. 1.3. Profile rozkładu współczynnika załamania dla fa l TE i TM w szkle BK-7, ■ -fale TM,

□ -fale TE; wymiana K* - Na+

Fig. 1.3. Profiles o f refractive index fo r TE and TM waves in BK-7 glass, ■ - TM waves, □ -

TE waves; K* - N a+ ion exchange

2 2 1. P odstaw y w ym iany jonow ej

m o d y f ik u ją c w ła s n o ś c i o p ty c z n e p o d ło ż a . D ru g a k o n fig u r a c ja b y ła s tr u k tu r ą z ło ż o n ą z fa lo w o d u o trz y m a n e g o d ro g ą w y m ia n y jo n o w e j w n ie d o m ie s z k o w a n y m s z k le i p ł y t k i s z k la n e j z d o m ie s z k ą , k tó r a je s t p rz y c is k a n a d o p o d ło ż a fa lo w o d o w e g o . P rz y o d p o w ie d n io d o b ra n y c h w s p ó łc z y n n ik a c h z a ła m a n ia i p a ra m e tra c h p ro c e s u te c h n o lo g ic z n e g o u z y s k u je się o k o ło 5 0 % tr a n s fe r e n e rg ii d o s z k ła d o m ie s z k o w a n e g o

S to s u ją c w y m ia n ę jo n o w ą w s z k le n e o d y m o w y m o tr z y m a n o w z m a c n ia c z e i la s e r d la d łu g o ś c i f a l i 1 .0 6 |

0

,m i 1.3 | im (w z m o c n ie n ie o k o ło 15 d B ) [2 1 ].

1.4. Podłoża szklane

W ła s n o ś c i o p ty c z n e ś w ia t ło w o d ó w o tr z y m a n y c h p o d c z a s w y m ia n y jo n o w e j z a le ż ą o d z a s to s o w a n e g o p ro c e s u w y m ia n y i s z k ła , k tó r y m w y k o n u je m y fa lo w o d y . D o b ó r o d p o w ie d n ie g o m a te ria łu p o d ło ż a w d u ż y m s to p n iu d e c y d u je 0 w ie lk o ś c i z m ia n w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia , s z y b k o ś c i p ro c e s u d y f u z ji, p r o f ilu ro z k ła d u w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia i t łu m ie n iu m a te r ia ło w y m .

S z k ła s to s o w a n e w p ro c e s ie w y m ia n y jo n ó w ja k o p o d ło ż a u k ła d ó w o p ty k i z in te g ro w a n e j p o w in n y s p e łn ia ć n a s tę p u ją c e w y m a g a n ia :

• d o b re w ła s n o ś c i o p ty c z n e - w y s o k ą je d n o r o d n o ś ć i m a łe tłu m ie n ie w z a k re s ie s to s o w a n y c h d łu g o ś c i fa li. D la w y m ia n y A g +- N a + b a rd z o w a ż n y je s t b r a k w ic h s k ła d z ie n ie p o ż ą d a n y c h tle n k ó w ż e la z a i a rse n u ,

• w y s o k ą o d p o rn o ś ć c h e m ic z n ą n a s to s o w a n e s to p io n e s o le ,

• w y s o k ie w s p ó łc z y n n ik i d y f u z ji w y m ie n ia n y c h j o n ó w ~

10

"

10

H-

10‘8

c m

2

/s.

D u ż a p rę d k o ś ć w y m ia n y j o n ó w p o z w a la n a o b n iż e n ie te m p e ra tu r y p ro c e s u i cz a s u k o n ta k tu p o w ie r z c h n i s z k ła ze s to p io n y m i s o la m i,

• s k ła d c h e m ic z n y s z k ła p o w in ie n g w a ra n to w a ć o d p o w ie d n io d u ż e z m ia n y w s p ó łc z y n n ik a z a ła m a n ia ( / I w - l O ^ l O ' 1). Is to tn a je s t tu z w ła s z c z a o d p o w ie d n io d u ż a z a w a rto ś ć j o n ó w m o d y fik a to r a N a +.

W te c h n o lo g ii w ię k s z o ś c i e le m e n tó w o p ty k i z in te g ro w a n e j w y tw a r z a n y c h m e to d ą w y m ia n y jo n o w e j w y k o r z y s tu je się ja k o p o d ło ż a s z k ła o g ó ln ie d o s tę p n e n a r y n k u . S z k ła te p o s ia d a ją d o b re w ła s n o ś c i fiz y k o c h e m ic z n e , a m a s o w a p r o d u k c ja w p ły w a n a ic h n is k i k o s z t. W ta b e li 1.2 p rz e d s ta w io n o s k ła d c h e m ic z n y s z k ie ł n a jc z ę ś c ie j u ż y w a n y c h . P rz y k a ż d y m s z k le p o d a n o r ó w n ie ż o d p o w ie d n ie o d n o ś n ik i lite r a tu r o w e , p o n ie w a ż s k ła d c h e m ic z n y s z k ie ł m o ż e się r ó ż n ić n ie z n a c z n ie , n a w e t d la ty c h d o s tę p n y c h n a r y n k u ( r ó w n ie ż p u b lik o w a n e d a n e n ie z a w s z e s ą ze s o b ą z g o d n e ). R ó ż n ic e w s k ła d z ie n ie s ą je d n a k d u ż e , c o w id a ć n a p r z y k ła d z ie trz e c h p ie rw s z y c h s z k ie ł w ta b e li

1

^.

2

, p o p u la r n y c h s z k ie łe k m ik r o s k o p o w y c h . D z ię k i d u ż e j z a w a rto ś c i jo n ó w N a +, ła tw e g o d o s tę p u 1 n is k ic h k o s z tó w s ą o n e w y k o r z y s ty w a n e w w ię k s z o ś c i la b o r a to r ió w . R ó w n ie p o p u la rn e s ą w y s o k ie j ja k o ś c i b o ro k r z e m o w e s z k ła o p ty c z n e : S c h o t t a B K - 7 i

Skład chemiczny i współczynniki załamanianiektórychszkieł stosowanychjakopodłożaw wymianiejonowej

1. P o d s ta w y w y m ia n y jo n o w e j 23

-Ci

£

i t f -

* b s W■ g g «—•

% & F 5 p

OO 4.0 i

13.0 1 i

CO

^{i 1 1 i}

1.474 (na)

B 1664 Corning [76] 68.3 9.9 8.0 III 1 1 i VI

1

_■

CO

1.5152

270 Schott [76] 73.49 2.61 12.65

1 6.65 2.30 2.30

1 1 1 i

" À

gf.-, /-2 X

O Oi—« 65 os ■ i

(N

^{1 1}

7 (ZnO) 3 (TiOz) 1.522

BK-7 Schott [76] 70.36 9.55 7.05 11.35 0.31 100 0.28 0.43 m

o©

100 90 1.515

Fisher Brand GlassSlide [128]

CN

<N

r-> 14.31 1.20 1

6.40 4.30 0.34 1 i 1

0.34 1.511

Chance Propper select[76] 73.24 I 14.07

OO 1

6.45 OO

o 1.46 I

0.34

Os

600 1.511

Fisher Premium [129] Z'ZL 14.3

CN

₁

6.4

CN

T-H <N

1-H I 1 i 3.5 1.512

-s

* r

♦a o •

*a w ü ?

O

N

53

qa Z

o

_O

_N

05 CaO MgO O

< BaO m

o

C/2

9,

faV

Inne składniki Wsp. załamania dla X=0.633 (im