玻璃中Na+/K+离子交换定向耦合器的短波长波段（700-900 nm）色散特性研究及其在自由空间光通信中的应用

本研究针对自由空间光通信中短波长波段（700-900 nm）的器件需求，通过Na+/K+离子交换玻璃制备定向耦合器，系统分析了其色散特性与反常模态耦合现象，为集成量子态生成器件等提供了关键工艺参数，填补了该波段器件设计的空白。

　　

在自由空间光通信领域，700-900 nm短波长波段因其优越的大气传输特性和与硅基探测器的兼容性，成为地面与卫星间量子通信的理想选择。然而，该波段集成光学器件的色散特性研究长期缺失，特别是基于离子交换玻璃的定向耦合器（Directional Coupler, DC）——这类构成分束器、量子态生成器等核心器件的基础元件，其波长依赖性直接影响器件性能。传统Ag⁺/Na⁺离子交换体系的研究已较成熟，但Na⁺/K⁺体系在该波段的异常色散行为尚未揭示，制约了器件设计的精准度。

为解决这一问题，来自圣地亚哥德孔波斯特拉大学的研究团队在《Optical Materials》发表论文，通过制备16种不同参数的Na⁺/K⁺离子交换玻璃定向耦合器芯片，首次系统表征了700-900 nm波段的耦合系数色散曲线。研究发现，该体系存在反常的模态耦合色散现象——表面折射率色散低于衬底，这一发现颠覆了传统认知。基于实验数据建立的二阶多项式模型，成功指导了量子态生成器件的工艺参数设计，为自由空间量子通信芯片开发提供了关键技术支撑。

研究采用双阶段离子交换工艺（波导形成+掩埋）制备单模波导，通过光刻掩模设计实现耦合长度（l_c=0.5-2 mm）和波导间距（d_c=3-7.5 μm）的组合。采用多波长光源测量模态场分布、耦合损耗及传播损耗，提取出耦合系数κ与波长的定量关系。

集成器件设计需求
研究首先明确了同步定向耦合器（β相同）在经典/量子通信中的核心地位，其传输矩阵特性可实现1×N分束、量子态制备等功能。以量子态生成器为例，需精确控制耦合区长度与波长关系，凸显色散研究必要性。

制备与表征
通过优化盐浓度、温度、交换时间等参数，获得单模传输特性。实验发现，耦合系数κ随波长变化呈现非线性特征，通过拟合得到经验公式：p=29.337-69.501λ+42.996λ²，q=10.900-27.314λ+17.481λ²（λ单位为μm）。反常色散源于Na⁺/K⁺交换波导独特的折射率分布特性。

器件参数设计
基于色散模型，可逆向推导任意波长下的工艺参数。以量子态生成器为例，在800 nm处需采用l_c=1.2 mm、d_c=4.5 μm的渐变耦合器结构，其功率分配比误差<3%。

该研究不仅揭示了Na⁺/K⁺离子交换玻璃在短波段的特殊色散规律，更建立了从基础参数到器件设计的完整方法论。其提出的二阶多项式模型可直接应用于各类集成光学器件开发，显著提升设计效率。尤为重要的是，该工作为自由空间量子通信芯片的国产化提供了关键技术路线，对应对未来量子计算威胁下的安全通信需求具有战略意义。研究团队特别致谢Giancarlo C. Righini教授在离子交换玻璃光子学领域的开创性贡献。