一种外加电场辅助离子交换装置 技术领域 ：
本发明属于集成光波导的技术领域， 是一种高效、 稳定、 均匀和可控地制备集成光 波导的装置， 特别涉及一种外加电场辅助离子交换装置。 背景技术 ：
随着光电子技术的发展， 应用于光通信中的需要各种传输信号， 客观上要求高集 成、 微型化、 掩埋式的光子器件出现， 而其中光波导器件就是适应光通信的需要而产生和发 展起来的光子器件。其基本思想是在同一块衬底的表面上， 用折射率易变的材料制作光波 导， 并以此为基础再制作阵列激光器、 调制器等。通过这种集成化， 可以实现光学系统的微 型化、 稳定性、 易集成和均匀化的目的。
在集成光学有源和无源光子器件的制备中， 采用各种方法制备， 但是较简单、 成本 低的一种方法是离子交换法。但此方法需要实验控制， 在自然情况下制作时间太长 ( 一般 在 24 小时以上 )。
在有外加电场辅助情况下， 热离子交换就不仅取决于离子的自扩散系数， 还会受 + 到外加电场的影响。 在离子交换过程中， 熔盐中的 Na 离子通过扩散作用进入到 K9 玻璃中， + K9 玻璃中的 Cs 离子扩散出来， 每种离子的通量可用以下表达式 ：
式中 为离子的摩尔流量 (mol/m2.s)，为 Cs 离子电化学迁移率 (m2/V.s)，为 Cs 离子在 K9 玻璃中的浓度 (mol/m3)， 为外电场强度 (V/cm)。
因此， 在现代光学领域中， 一种加电场离子交换装置正起着越来越重要的作用。发明内容 ：
本发明所要解决的技术问题是 ：
1、 交换后退火过程中， K9 玻璃和熔盐能很好的分离， 从而避免熔盐在凝固过程中 挤压 K9 玻璃表面， 导致交换区域破碎 ；
2、 在不用任何附属物的情况下， 使负电极与 K9 玻璃接触稳定 ；
3、 保证装置在交换过程中熔盐不会流入负电极， 导致电路短路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 ：
一种外加电场辅助离子交换装置， 包括内陶瓷、 外陶瓷、 陶瓷棒、 陶瓷片和交换 K9 玻璃片 ； 所述外陶瓷用于盛放交换所使用的熔盐 ； 所述内陶瓷、 所述陶瓷片、 所述交换 K9 玻 璃片依次固定叠合在一起 ； 所述内陶瓷与所述陶瓷棒固定连接， 通过所述陶瓷棒将所述内 陶瓷悬挂于外陶瓷内 ； 所述内陶瓷底部和所述陶瓷片均设置一通孔， 用于固定负电极， 所述 负电极通过所述陶瓷片的通孔与所述交换 K9 玻璃镀镍膜的一面紧密接触。
所述的离子交换装置， 所述两个通孔是同心设置。所述的离子交换装置， 采用高温胶将所述内陶瓷、 所述陶瓷片、 所述交换 K9 玻璃 片依次粘合在一起。
所述的离子交换装置， 陶瓷片尺寸仅为 20×20mm2。
所述的离子交换装置， 外陶瓷长宽高尺寸为 75×75×50mm3， 内陶瓷长宽高尺寸为 3 50×40×25mm 。
所述的离子交换装置， 所述内陶瓷底部的通孔直径为 5mm， 所述陶瓷片的通孔孔径 为 10mm。
在国内， 现有的制作光波导的实验条件还是只能停留在熔融离子自然交换的水 平； 为了解决形成波导时间长、 掩埋深度难控制和波导区域不均匀等问题， 本发明采用新方 法提供了一种实验装置， 可以加快离子交换速度， 从而缩短实验时间 ( 一般在 30 分钟内 )， 从而达到提高生产效率的目的。
本发明的有益效果是 ： 减少各类波导制作时间、 易控制波导区域掩埋深度和形状、 能确定波导区域折射率分布和保证波导区域均匀稳定等优点。 附图说明 ： 图 1 是外加电场辅助离子交换装置电路原理示意图 ；
图 2 是外加电场辅助离子交换装置剖视图 ；
图 3 是图 2 对应部位的局部放大图 ；
图 4 是外加电场辅助离子交换装置俯视图 ；
附图符号说明 ： 1 负电极， 2 正电极， 3 陶瓷棒， 4 外陶瓷， 5 内陶瓷， 6 交换 K9 玻璃 片， 7 陶瓷片， 8 钛膜， 9 镍膜， 10 内陶瓷底部通孔， 11 陶瓷片通孔， 12CsNO3 与 NaNO3 熔盐， 13 美国红魔王耐高温结构胶层 ( 又名 538℃耐高温胶 )， 14 陶瓷棒导线孔。
具体实施方式 ：
以下结合附图和具体实施例， 对本发明进行详细说明。
实施例 1
如图 1 所示， 是本发明外加电场辅助离子交换装置电路原理示意图， 参考图 2， 电 容 C 等效为交换 K9 玻璃片 6 ； 电源电压范围为 0-80V ； 量程为 300μA 的电流表 A 可检测到 高温下电路是否短路 ； 电阻 R 起到保护电源的作用。
本实施例提供一种外加电场辅助离子交换装置， 如图 2 所示， 包括内陶瓷 5、 外陶 瓷 4、 陶瓷棒 3、 陶瓷片 7 和交换 K9 玻璃片 6 ； 所述外陶瓷 4 用于盛放交换所使用的熔盐 ； 所 述内陶瓷 5、 所述陶瓷片 7、 所述交换 K9 玻璃片 6 依次固定叠合在一起， 例如采用高温胶粘 合在一起， 优选的， 如图 3 所示， 采用美国红魔王耐高温结构胶 ( 又名 538℃耐高温胶 ) 层 13 粘合 ； 所述内陶瓷 5 与所述陶瓷棒 3 固定连接， 通过所述陶瓷棒 3 将所述内陶瓷 5 悬挂 于外陶瓷 4 内 ； 所述内陶瓷 4 底部和所述陶瓷片 7 分别设置一通孔 10 和通孔 11， 用于将负 电极 1 容置其中， 固定负电极 1， 所述负电极 1 通过所述陶瓷片 7 的通孔 10 与所述交换 K9 玻璃 6 镀镍膜 9 的一面紧密接触。
本发明装置的使用方法为 ： 对交换 K9 玻璃片进行镀膜和光刻。 采用离子溅射技术 N 在交换区域镀上钛膜 8 后， 用紫外线光刻法在区域上形成 1×2 (N 为任意自然数 ) 分支的交换区域， 本实施例中 N 为 2， 如图 2 和图 3 所示， 钛膜 8 中形成了 4 个分支的交换窗口。对 2 交换 K9 玻璃片一面中心 5×5mm 区域内镀上镍膜， 形成负电极区域。将打孔的陶瓷片用高 温胶粘合在内陶瓷底部， 使负电极镍片从内陶瓷孔中穿出， 并固定在陶瓷片的小孔处。 将交 换 K9 玻璃片用高温胶粘合在陶瓷片上， 使负电极的镍片与交换 K9 玻璃片的镍膜接触紧密。 按照电路原理图 1 将电路连接好， 将电压设置好。在外陶瓷中放入一定量的交换熔盐， 将内 外陶瓷分别放入高温炉中 ( 分开放置 )， 初设温度为 200℃。随后以 40℃为梯度， 逐次升高 温度。 当温度升到 500℃左右时， 熔盐熔化， 利用陶瓷棒将内陶瓷悬挂在外陶瓷顶部， 使交换 K9 玻璃片浸没在熔盐中。打开开关， 在加电场情况下进行离子交换， 观察电流表是否偏转。 在交换 30 分钟后， 将内陶瓷从外陶瓷中拿出， 放在高温炉中， 进行退火处理。以 40℃为梯 度， 逐次降低温度至 200℃后， 关闭高温炉开关， 使其自然降温至室温。
例如， 本发明装置中内陶瓷 5 和外陶瓷 4 均采用纯度为 99.99％ Al2O3 材料制作， 其中外陶瓷 ( 长宽高 75×75×50mm3) 用于盛放交换所使用的熔盐， 例如 CsNO3 与 NaNO3 混 3 合熔盐 12 ； 将内陶瓷 ( 长宽高 50×40×25mm ) 底部挖一直径为 5mm 的小孔， 这样就能保证 镍导线顺利穿过小孔， 与交换 K9 玻璃片接触。
内陶瓷通过与陶瓷棒固定粘合， 悬挂于外陶瓷上。 这样可以保证交换结束后， 熔盐 和 K9 玻璃能迅速分开， 从而解决交换后， 退火过程中由于熔盐的冷却凝固， 将粘合在其上 的交换 K9 玻璃片挤压破碎的问题。然后将一块打孔 ( 直径为 10mm) 的陶瓷片用高温胶粘 合在内陶瓷底部， 且保证其密封性很好。之所以选择直径为 5mm， 是考虑到陶瓷片尺寸仅为 2 20×20mm ， 若孔太大会导致 K9 玻璃更易破裂。其次， 用电源负极 ( 镍片和导线 ) 穿过内陶 瓷底部， 让负电极的镍片充满整个陶瓷片的圆孔空间， 使其与交换 K9 玻璃片接触紧密。再 将交换 K9 玻璃片用高温胶粘合在陶瓷片上， 通过挤压， 让交换 K9 玻璃片与镍片紧密接触， 让交换 K9 玻璃片的交换区域向下， 镀镍膜 9 向上。 最后将电源正极从外陶瓷的熔盐中引出， 在交换 K9 玻璃片上形成上表面为负极， 下表面为正极的电场， 而此时的交换 K9 玻璃片在电 路中起到了类似电容的作用。 将此装置放入高温炉中， 以 40℃为温度梯度逐次上升， 最后确 定 500℃左右为交换温度。在此设计中， 只要熔盐不流入陶瓷片的圆孔， 就不会造成电路的 短路， 因此我们把圆孔尺寸设定在最小的范围。所用电源为 0-80v 的可调直流电源， 通过分 别连接大量程的可调电阻箱和 300μA 的电流表， 可以对电路起到保护作用， 同时也能及时 观察到电路是否短路。
实施例 2
与实施例 1 不同的是， 优选的， 所述两个通孔 10 和 11 同心设置。
应当理解的是， 对本领域普通技术人员来说， 可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。