光通信用自聚焦透镜的制备

　　1　引　言

　　自聚焦透镜是一种折射率沿径向变化的圆柱状光学元件[1]。这种透镜内部距中心轴r处的折射率Nr可用式(1)[2]表示:

　　Nr = N0sech(gr), (1)

　　其中:

　　N0———棒透镜中心轴上折射率;

　　g———折射率分布常数。

　　由于这种透镜内部折射率的梯度分布特征,从透镜端面入射的光线在透镜内部将沿正弦曲线传播。将适当长度的GRIN棒用于光学系统,便可实现一定的功能[3-8](聚焦、准直、成像等)。由于这种GRIN棒内部的折射率变化可以调节,当它用于复杂的光学系统时,可以减少系统中光学元件的数量,在某些场合可以代替非球面光学元件。此外这种光学元件的几何形状简单,容易进行光学加工,且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。因此GRIN棒透镜已经被越来越多地应用于光学系统,尤其是在光纤通信领域中[9]。其中自聚焦透镜用于光纤之间的连接、隔离、定向耦合,波分复用/解复用器件以及光开关等显示出独特的优势。

　　离子交换法是制备自聚焦透镜最为常用的方法,它具有成本低和容易控制等优点,被广泛地用于光通信用自聚焦透镜的制作[10-12]。美国的Rochester大学光学研究所和日本的NSG(NipponSheet Glass)公司已经采用这种方法研制并开发出了光通信用自聚焦透镜光学元件。

　　本文描述了利用Tl+/K+离子交换工艺制备光通信用自聚焦透镜的工艺和性能测试结果。

　　2　基本理论

　　离子交换法制备梯度折射率材料的基本原理如图1所示。用熔盐中的对折射率贡献较小的离子部分替换基础玻璃中对折射率贡献较大的离子,使这两种离子在玻璃中的浓度形成一定的梯度,而在玻璃中产生折射率梯度。一价金属离子在玻璃中具有最大的迁移能力,在离子交换过程中起关键作用。

　　在梯度折射率光学元件的制备过程中,为了获得较高的折射率变化值ΔN,基础玻璃中必须具有足够的高极化率离子(Tl+, Cs+, Ag+等),而用于离子交换的熔盐应含有K+或Na+。

　　3　基础玻璃配方实验

　　为满足光通信用自聚焦透镜的要求,基础玻璃配方必须符合如下条件:

　　·符合设计要求的光学性能(折射率,光吸收等);

　　·合理的熔制温度,以及高温下合适的粘度;

　　·满足成型所要求的料性;

　　·较高的离子交换系数;

　　·高温及常温下的足够的化学稳定性。考虑到上述条件,本实验中所用的基础玻璃配方如表1。

　　玻璃的折射率N(λ=0.6328μm)为1.6070,

　　玻璃转变温度为460℃。

　　玻璃熔炼在电阻加热炉中进行,熔炼温度为1250℃,澄清温度为1350℃。