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邓文渊硕士论文 掺e r 材料发射特性的研究中文摘要 摘要 本论文主要研究了硼硅酸盐稀土玻璃和s i n 。o ，薄膜材料中e r 3 + 的可见和近红外发光的性质，主要内容和得到的结果如下： 1 通过变化玻璃的配料组分，合成了含a l 和w 的硼硅酸盐玻 璃系列样品。测量了样品的吸收光谱，在9 7 8 n m l d 低功率激发下， 均观测到了系列玻璃样品中e r ”的1 5um 近红外发射，在4 8 8 n m a r + 激光激发下，观测到了可见区发光。 2 利用j - o 理论分别拟合了硼硅酸盐玻璃中e r 3 + 的j - o 参数， 得到了er 的辐射跃迁几率、辐射寿命和分支比等数据，并利用分支 比讨论了5 5 0 n m 、6 6 0 n m 和8 0 0 n m 发光。 3 利用m c c u m b e r 理论计算了四种玻璃样品( 1 5 a l y 、1 0 a i y 、 5 a 1 y 、和0 a i y b ) 中e r 3 十的1 5pm 的受激发射截面。得到的受激发 射截面值分别为0 5 5 2 8 1 0 - 2 0 c m 2 ( 15 a 1 y ) 、0 3 9 8 7 1 0 - 2 0 c m 2 ( 1 0 a 1 y ) 、0 38 0 8 1 0 - 2 0 c m 2 f 5 a 1 y ) 、0 3 1 2 4 1 0 - 2 0 c m 2 ( 0 a 1 y b ) 。同时计算了受 激发射截面的有效带宽分别为7 5 ，3 n m ( 15 a 1 y ) 、7 0 9 n m ( 1 0 a 1 y ) 、 7 0 1 n m ( 5 a 1 y ) 、6 1 5 n m ( 0 a 1 y o ) 。这些数据表明所制备的硼硅酸盐稀 土玻璃有望成为良好的掺e r ”的1 5pm 宽带发射的光放大器基质材 料。 4 测量了玻璃中e r ”的1 5um 近红外发射的变温光谱，利用简 化模型得到了e r ”的4 i l3 ，2 能级高能s t a r k 劈裂态的光谱。讨论了4 i l 玳 能级电子布局随测量温度的变化以及不同s t a r k 劈裂态电子向下辐射 跃迁的特性。 5 讨论了玻璃组分对e r 3 十的9 8 0 n m 和1 5 “m 带的吸收截面、1 5 um 发射光谱和受激发射截面和j - o 参数的影响。发现增大a 1 2 0 3 的 配比含量能增大、1 ，5um 受激发射截面的有效带宽、9 8 0 n m 和1 5u l e t 吸收带的吸收截面。 6 利用溅射法首次制备了掺er h 的s i n 。o ，薄膜材料。在 4 8 8 n m a r + 激光激发下，观测到了e r 的1 5um 近红外和可见光发射。 通过比较不同退火温度和时间样品的两者发光变化的不同，发现两者 的激发机理不同。通过比较不同样品的5 2 5 n m 和55 0 n m 发射强度比 值随退火条件的变化以及这两个发光的积分强度的变温拟合结果说 明退火对不同能级的辐射跃迁几率的影响不同。 关键词：掺e r 玻璃，近红外宽带发射，变温光谱，j - o 计算 - i 邓文渊硕士论文掺e r 材料戋射特性的司 宅 a b s t r a c t a b s t r a e t i nt h i st h e s i s ，r e c e n t r e s e a r c ho ft h e e r 3 + d o p e d l u m i n e s c e n c e m a t e r i a l sa sw e l la si t sa p p l i c a t i o n si sr e v i e w e d ，t h em a i np r o b l e m si n t h i sa r e aa r e i d e n t i f i e d ，r e l a t e dt h e o r i e s a b o u tl u m i n e s c e n c eo fr a r e e a r t hi o n sa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h en e a ri n f r a r e da n dv i s i b l el u m i n e s c e n c eo fe r ”一d o p e db o r o s i l i c a t eg l a ss e sa n ds i l i c o no x y n i t r i d ef i l m sh a v e b e e ns t u d i e di nd e t a i l e d ，t h em a i nc o n t e n ta n di m p o r t a n tr e s u l t so ft h is t h es i sa r ea sf o l l o w i n g ： as e r i e so f e r 3 + d o p e d b o r bs i l i c a t e g l a s s e s w e r e p r e p a r e db y v a r y i n g t h e c o m p o s i t i o n a b s o r p t i o ns p e c t r a o ff o u r g l a s s e sw e r e m e a s u r e d 1 5 1 u m i n e s c e n c eu n d e rt h ee x c i t a t i o no fa 9 7 8 r i ml da n d v i s i b l el u m i n e s c e n c ew i t h a4 8 8 a r + l a s e rw e r eo bs e r v e d t h ej - o i n t e n s i t yp a r a m e t e r s o ft h eg l a s s e sw e r ed e t e r m i n e df r o mt h ee x p e r i - m e n t a l l y m e a s u r e d a b s o r p t i o ns p e c t r au s i n g j u d d o f e l t t h e o r y ， r e s p 、e c t i v e l y t h e n t h er a d i a t i v et r a n s i t i o n sp r o b a b i l i t ya 、r a d i a t i v e 1 i f e t i m ea n db r a n c h i n gr a t i oo fr a d i a t i v et r a n s i t i o n so fe r + i n t h es e g l a s s e sw e r e o b t a i n e d ，u s i n g t h e b r a n c h i n gr a t i o ，t h e e m i s s i o no f 55 0 n m 、6 6 0 n ma n d8 0 0 n t ow e r ed i s c u s s e d t h es t i m u l a t e de m i s s i o nc r os ss e c t i o n so fe r 3 + a t1 5um i nt h e s e g l a s s e s w e r ec a l c u l a t e d a c e ( ，r d i n g t om c c u m b e rt h e o r y t h e y a r e o 5 5 2 8 1 0 2 0 c m 2 ( 15 a 1 y ) 、0 3 9 8 7 1 0 2 0 c m 2 ( 10 a i y ) 、o 3 8 0 8 1 0 2 。c m 2 ( 5 a 1 y ) a n d0 3 1 2 4 x1 0 2 0 c m 2 ( o a i y b ) t h ee f f e c t i v eb a n dw i d t h o fe r 3 + a t1 5pma r e7 5 n m ( 1 5 a 1 y ) 、7 0 ，9 n m ( 10 a 1 y ) 、7 0 1 n m ( 5 a 1 y ) a n d6 1 6 n m ( 0 a 1 y b ) a b o w er e s u l t s i n d i c a t e dt h e s ee r ”一b or o s i l i c a t e g l a s s e sa r et h ep r o m i s i n gm a t e r i a l s f o rb r o a d b a n de m i s s i o na m p l i f i e r s f o r1 5um 1 51 - tme m i s s i o n s p e c t r a o ft h e e r ”d o p e dg l a s s e s a td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sw e r em e a s u r e d ，a n dt h e s p e c t r a o f h i g h l e v e l s t a r k s u b l e v e l o f4 i l 3 2 l e v e lw e r eo b t a i n e du s i n ga s i m p l i f i e d m o d e l t h e d e p e n d e n c eo ft h ee l e c t r o ni n4 1 1 3 2 l e v e lo nt h em e a s u r e dt e m p e r a t u r e a n dt h er a d i a t i v et r a n s i t i o np r o p e r t yo fd i f f e r e n ts t a r ks u b - l e v e lw e r e d i s c u s s e d t h ei n f l u e n c eo fg l a s s e sc o m p o s i t i o no na b s or p t i o na t9 8 0 n m a n d 1 5um 、1 5pms t i m u l a t e de m i s s i o nc r o s ss e c t i o na n dj - 0i n t e n s i t y 一一 邓文渊硕士论文掺e r 材料袅射特性的研究a b s t r a c t p a r a m e t e r sw e r ed i s c u s s e d i tw a sf o u n dt h a tt h e ya l li n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s i n go fa 1 2 0 3c o n t e n t f i l m so fe r 3 + - d o p e ds i l i c o no x y n i t r i d ew e r ep r e p a r e du s i n gr f c o - s p u t t e rt e c h n o l o g y u n d e r t h ee x c i t a t i o no f4 8 8 a r + l a s e r ，e m i s s i o na t 1 5uma n di nt h ev i s i b l er a n g ew e r eo b t a i n e d t h ed i f f e r e n c e so ft h e e m i s s i o ni n t e n s i t yo na n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e sw e r eo bs e r v e d f o rt h e s et w or a n g e ，w h i c hi n d i c a t e dt h e d i f f e r e n c e si nt h eb u m p i n g m e c h a n i s m s c o m p a r i n go ft h e r a t i oo f5 5 0 n me m i s s i o ni n t e n s i t yt o 5 2 5 n mi n s a m p l e s a n n e a l e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e a n dt i m e s ，t h e r es u l t so b t a i n e df r o maf i t o ft t i e i n t e g r a t e di n t e n s i t y f o rt h e s et w o e m i s s i o ni n d i c a t e dt h ec h a n g e o fr a d i a t i v et r a n s i t i o n p r o b a b i l i t y a t d i f f e r e n te n e r g y1 e v e la r ed i f f e r e n t k e y w o r d s ：e r d o p e dm a t e r i a l ，n e a ri n f r a r e dl u m i n e s c e n c e ，t e m p e r a t u r e r e l a t e ds p e c t r a ，j - op a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n m 第一章 绪论 第一章绪论 很早以来光就让人着迷，光使我们能看见令人振奋的彩虹、激动 人心的日出和日落、五颜六色的花鸟虫鱼，光让这个世界丰富多彩。 如今，人类社会正在从上世纪5 0 年代开始的信息时代进入网络 时代，网络逐步取代电脑成为信息社会的技术核心。这一革命性的变 化使现代通信技术成为以信息高速公路为目标的信息技术体系中的 主导和基质。而在这其中光通信的发展起了举足轻重的作用。现在， 全世界范围内正在掀起发展第三代通信网一全光通信网的潮流。因 此j 人们称2 1 世纪是光的世纪。 发光是物体内部将以某种方式吸收的能量转换为光辐射的过程。 发光学的内容包括物体发光的条件、过程、和规律，发光材料和器件 的设计原理、制备和应用，以及光和物质相互作用等基本物理现象。 发光物理及某材料科学在信息、能源、材料、航空航天、生命科学和 环境科学技术领域中的应用必将促进光电子产业的迅猛发展，而应用 的热点则在光通信领域，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经 济和科技持续发展都起着举足轻重的推动作用。 光通信的发展，离不开产生光源的激光技术和传输光源的光纤技 术的发展。稀土离子由于具有丰富的能级，其4 f 电子在不同能级之 间的跃迁发光被广泛地应用于激光和发光材料中，在发光显示和激光 工业中占有十分重要的地位，一直受到广泛的关注 1 一1 0 。 在稀土离子中，e r ”具有十分丰富的能级，可以被5 1 4 n m 、5 3 2 n m 、 6 6 7 n m 、8 0 0 n m 、9 8 0 n m 和1 4 8 0 n m 等许多光频激励。其输出的1 5 5 pm ( 4 i 。一4 i ；，：) 和1 7 3um ( 4 s3 ，2 4 i 。) 对人的眼睛安全，在大气中 的传输性好，对战场硝烟的穿透能力强，不易被敌人探测，照射军事 目标的对比度较大，在军事中有着很重要的作用；而输出的2 9 4 um ( 4 i 。一4 i 。：) 则可被h ：o o h 一等分子吸收，在激光手术、表皮脱水和 生物工程中有特别的应用 1 l 一15 。 最重要的是，由4 i 。：一4 1 w 。辐射跃迁的1 5 5um 波长发光正好 对应于石英光纤的最小色散波长，即第三光通信窗口，在现代通信中 有着极端的重要性。从上世纪9 0 年代开始系统应用研究以来，掺e r 光纤由于具有高增益、高功率和宽带宽等优良光放大特性，取得了极 大的成功。掺e r 光纤放大器( e d f a ) 已经成为光通信长途骨干网和 局域网的核心部分，导致了光纤通信技术的巨大变革，极大的推动了 邓文渊硕士论文掺e r 材料岩；射特性研究 现代通信的发展 1 6 - 2 0 。 然而，随着网络时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。互联 网、高速数据、图像和无线等新的通信业务正在突飞猛进地快速增长， 当前，话音业务量- 以每年l o 的速度增加、数据业务量以每年8 0 的 速度上升，且增长速度还在增大，建设高速大容量的宽带综合业务网 已成为现代信息技术发展的必然趋势。因此，作为目前光通信核心器 件，e d f a 研究的主要的方向是追求具有更大1 5um 平坦增益带宽谱 的介质材料以及实现向集成光学方向发展的集成化、微型化目标 2 卜2 2 。 此外，利用上转换效应，在掺e r 材料中实现高效的可见光发光 和激光也吸引了相当的关注和研究 23 。下面我们将对掺e r 发光和 激光材料及其主要应用作简要的介绍。 第一节掺e r 发光和激光材料 1 1 掺e r 发光和激光晶体 最早用于掺e r 发光和激光材料的是各种晶体。晶体材料具有固 定的晶体结构，晶体结构具有周期性，晶体中e r 离子的光谱性质与 所处的晶场环境密切相关。在掺杂晶体研究上主要是遵循阳离子与 e r ”的离子半径、电负性接近，价态尽可能相同，物理化学性能稳定 和能方便的生长出光学均匀性好的大尺寸晶体等原则。在掺杂晶体 中，氧化物和复合氧化物基质晶体由于熔点高、硬度大、物理化学性 能稳定，不需要电荷补偿，是研制最多、应用最广的类基质晶体。 如氧化物中的a 1 。0 。、y ：0 。、l a ：0 。、g d 。0 。等晶体，复合氧化物中的y ；a 1 ；0 。 ( y a g ) 、y 。s c ：g d 。0 。( y s g g ) g d3 a 1 j 0 。：等晶体，其中实现了高效的e r ： y a g 激光，e - 0 转换效率高达1 2 ，而利用c r ”敏化的e r ，c r ：y s g g 激光晶体具有低得多的泵浦闽值和更高的e - 0 效率 2 4 。近年来随着 纳米研究的兴起，在纳米a 1 。0 。、y 。0 ，、l a 。0 。、g d ：0 。晶体中掺e r 发光 特性的研究引起了研究人员很大的兴趣。此外，在光子集成研究中， 在非线形光学晶体l i n b o 。、l i t a o 。中掺e r 发光的研究也受到了一定 的关注。 1 2 掺e r 发光和激光玻璃 尽管在玻璃中e r 离子的一些发光性能不如在晶体中的好( 如受 激发射截面较低等) 。但利用热成型和冷加工工艺可制得各种不同大 小尺寸和形状的玻璃，灵活性比晶体大，既可以拉成直径小至微米的 光学纤维，又可以制成几厘米直径和几米长的棒或直径高达4 6 c m 的 2 - 第一章 绪论 圆盘a 掺e r 玻璃的性质和组分可按要求在很大范围内变化，制造工 艺成熟、e r 掺杂浓度高，发射和吸收谱宽，使掺e r 玻璃在红外固体 激光器、光纤激光器和放大器、上转换激光器及光波导等领域得到广 泛的研究和发展 2 4 。 e r 掺杂的发光和光学玻璃的基质主要有氧化物、氟化物玻璃或 氟氧化物，近几年由于掺e r 玻璃研究的热潮，还发展了硫属化合物 基质玻璃。这三大类玻璃的一个重要不同是它们的最大声子能量明显 不同，依次是氧化物 氟化物 硫属化合物。尽管氧化物玻璃的声子能 量都比较大，但由于氧化物玻璃有着更高的玻璃转换温度，更好的化 学稳定性和机械性能，氧化物玻璃是研究得最多的且种类也是最多 的，包括硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐、锗酸盐、碲酸盐和铋酸盐等。 研究得最早的是硅酸盐玻璃，其化学稳定性好，机械和热机械性 能优越，制造工艺成熟，在1 9 6 5 年s n i t z e r 和w o o d c o c k 就用硅酸盐 玻璃实现了e r3 + 的1 5 4um 激光。硅酸盐激光玻璃适宜于工业生产， 己广泛应用于各种重复频率不高的中、小型激光器件。其中，掺e r ” 石英光纤作为一种特殊类型的硅酸盐玻璃，得到了极大的发展，如今， e d f a 已经成为现代通信系统的核心关键器件。围绕着增大光纤中e r 3 + 的掺杂浓度，以石英为主要组分掺入a l 。0 。和p 。0s 的研究成为近期硅 基玻璃研究的主要方向。硅酸盐玻璃的缺点是在硅酸盐玻璃中掺杂 e r 浓度增高时将由于离子团簇导致浓度猝灭，此外，硅酸盐玻璃的 熔炼温度较高，受到污染的程度较大。 与硅酸盐相比，磷酸盐玻璃的声子能量较小，e r 3 一的4 i ，一能级的 协作上转换系数较低，e r ”在磷酸盐玻璃中受激发射截面较高、荧光 寿命长、不易发生荧光猝灭、上转换强度较弱，更为重要的是对e r ” 的溶解度较高，这些优点使磷酸盐玻璃成为掺e r “离子平面波导放大 器的首选基质材料。现在已有许多用磷酸盐玻璃制作光纤和平板波导 器件的研究报道。目前的研究方向是提高磷酸盐玻璃的玻璃转变温 度、进一步提高e r 离子的溶解度及其化学稳定性 25 。 硼酸盐玻璃是大部分稀土光学玻璃的基质，研究得比较充分，是 具有重要实用价值的一类特种光学玻璃，其最大特点是具有熔点低、 易制各、稀土离子的溶解度大等优点。e r ”和y b “共掺的硼酸盐玻璃 中y b ”在9 8 0 h i l l 的吸收系数及其向e p ”转移能量的速度都比较大，大 于磷酸盐和硅酸盐的。但是由于硼酸盐基质和e r ”相互作用很强，使 得e r “的发射寿命很短，使它不适合作掺e r ”激光玻璃的基质。 很早就知道碲酸盐具有很好的成玻能力、好的抗析晶和耐潮湿的 - 3 一 邓文渊硕士论文 掺e r 材料趣射特性研究 能力。其声子能量较小：约为7 8 0 c m ，折射率大于1 9 ，稀土离子 在碲酸盐中的溶解度大于5 0 0 0 p p m 。这些优点使其成为掺e r 的较理 想的基质材料。但直到1 9 9 7 年才由m o r i 和y a m a d a 分别报道了平坦 增益大于7 0 n m ，覆盖15 3 0 n m 到1 6 0 0 n m 波长范围的掺e r 的t e o 。光纤， 在1 4 8 0 h m 波长激光泵浦下增益达到5 0 d b 。但是与硅酸盐相比，碲酸 盐的热稳定性仍然不够理想使得光纤的拉制比较困难，此外，其本征 的最小损耗不在1 5um 波长。因此，现在掺e r 碲酸盐玻璃成为1 5 um 宽带发射材料研究的热点，已有商业化的掺e r 光纤放大器产品 面世，目前研究主要集中于通过改变组分提高热稳定性及使最小损耗 波长减小 6 。 以重金属氧化铋为主要组分形成的铋酸盐玻璃也是1 5um 宽带 发射材料研究的一个热点。掺e r 铋酸盐玻璃是由日本的t a n a b e 在 2 0 0 0 年首先报道的，在b i 。o 。一b ? 0 。一s i 0 ：的玻璃体系中e r 的1 5 4um 发射半高宽达到7 5v i m 、具有较大的发射截面并且化学性质稳定。最 近，香港的m a n 等人报道了在j kz 0 7 0 b i ：0 。一25 g a ：0 。玻璃中得到 e r ”的1 5um 发射半高宽达到8 5 n m 。该玻璃具有良好的化学稳定性、 宽的透明区域、高的折射率和密度，是一种具有良好发展前景的基质 材料 2 ，4 。 氟化物玻璃由于它的低声子能量和高上转换效率，使得它在上转 换光纤激光、光纤放大器和显示方面有着重要的应用。氟化物玻璃具 有较强的离子健性，基质对激活离子的作用较小，发光量子效率较高， 激活离子的发光特性与离子晶体中较接近。在上转换发光中研究得较 多的是氟锆酸盐，它是一种超低损耗红外光纤材料，在中红外区具有 高的透过率。其中简称为z b l a n 的氟锆酸盐玻璃引起了极大注意，已 经被制备成上转换光纤和激光产品。但是氟化物玻璃的机械强度、化 学稳定性及激光损伤阈值低，易损伤，易潮解。这些缺点制约了氟化 物玻璃的应用，因此，结合了氟化物和氧化物玻璃优点的氟氧化物玻 璃正成为氟化物玻璃研究发展的方向。 硫属化合物玻璃是由硫族元素s 、s e 、t e 和其他元素如g e 、a s 和s b 形成的稳定玻璃。硫属化合物玻璃具有较宽的玻璃形成区域， 好的化学和机械稳定性，易于制成低损耗的光纤。高折射率、低声子 能量( 3 0 0 - 4 0 0 c m “) 、宽的红外透过率、宽的泵浦吸收带及强的光 致暗化现象将使硫属化合物玻璃成为e r 光纤激光和放大器的新的基 质体系 2 6 。 4 第一章 绪论 1 3 掺e r 硅基发光材料 以硅材料为基础的集成电路已成为发展计算机、通信和自动控制 等信息技术的关键。随着信息技术的日益发展，对信息的传递速度， 存储能力、处理功能提出更高要求。但s i 集成电路受到器件尺寸和 s i 中电子运动速度的限制。如果能够在硅基片中引入光电子技术， 用光波代替电子作为信息载体，则可以大大的提高信息传输速度和处 理能力，使电子计算机、通信、和显示等信息技术发展至一个全新的 阶段。但是由于硅是间接带隙的半导体其发光效率很低，寻找一种高 效的硅基发光材料和器件是实现光电子集成的关键。e r l + 的1 5 4um 波长发光正好位于光通信的最小窗口，掺e r ”硅基发光材料研究正是 在这种背景下进行的 2 7 。 早在1 9 8 3 年美国的e n n e n 等人首次通过离子注入的方法在2 0 k 时获得了掺e f3 + 硅的1 5 4um 光致发光，随后通过分子柬外延的方法 在7 7 k 时获得了1 5 4 um 的电致发光，该发光管的量子效率估计为5 1 0 。然而，制作室温下高效发光的掺e r3 。硅器件却难于实现，存 在以下几个原因：其一，e r3 + 在硅中低的固溶度阻止了高浓度e r ”掺 杂；其二，强的非辐射衰减机制导致发光从7 7 k 到室温时衰减了三个 数量级，而且室温下的发光几乎测不到，其三，e r 在硅中的辐射寿 命在l m s 的量级，不可能直接调制输出频率高于l k h z 的光信号。其 中第二个原因是由于e r ”的强施主行为，每掺杂一个e r “可以产生一 个自由电子，使得非辐射的俄歇消激发过程变得强烈，从而降低了发 光效率 2 8 2 9 。 为了提高室温发光效率，人们进行了一系列的研究 3 0 3 2 ，主 要从研究不同的基质材料中e r ”的发光特性着手，先后探索过s i 。n ，、 氢化非晶硅、多孔硅、纳米硅、富硅氧化硅等基质材料，得到了一些 实验上和理论上有意义的结果。在理论上，首先发现了，当硅中共掺 入氧后，发光强度得到较大的提高。认为0 与e r 形成e r - 0 复合体， 在复合体中配位原子氧对e r ”发光增强有如下集中可能作用：1 ) e r 0 复合体通过使电子一空穴对复合，将能量传递给4 f 电子激发到高能 级：2 ) 电负性强的氧原子可以从e r ”中获得电子，使e r ”形成光学 激活所必需的4 f “电子组态：3 ) 氧离子所形成的配位场加到e r3 + 上 能打破e r ”电子态的反对称态，使得相反宇称态能够混合，原孤立原 子下禁戒的偶极跃迁被解除禁戒，4 ) 配位原子由于原子半径小，e r 0 形成的局域化复合体可以增加e r ”的溶解度，使激活e r ”浓度增加。 其次，人们发现提高基质材料带隙，可以使俄歇反向能虽传递效率显 一5 邓，：渊硕士台文掺e r 材料发射特性研究 著下降第三，人们发现纳米硅的存在能显著增强e r3 + 的发光。这主 要是由于纳米硅可以吸收泵浦能量，并将无辐射复合能量快速地传递 给邻近的铒离子，从而使铒离子的泵浦激发效率提高了几个数量级。 第四，适合制备掺e r ”硅基发光材料的方法有：离子注入法、化学气 相沉积法、分子束外延和磁控溅射法等，不同制备方法对材料发光有 明显的影响。 在实验上，l9 9 4 年z h e n g 等人采用高能离子注入e r ，成功地实现了 室温掺e r 硅发光；l9 9 6 年，】i f ic h e l 等人利用c m o s 工艺在同一硅芯 片上成功地制各了一个与掺e r 硅发光管相串联的m o s f e t 驱动器的电 路，说明掺e r 硅发光管是可以与s i 超大规模集成电路( v l s i ) 集成 在一起；1 9 9 7 年，k i m e r l in g 等人采用标准集成电路工艺在s o i ( s i o n ir l s u l a t e r ) 上将侧面光发射的掺e r 硅发光管与硅波导集成 在一起，这意味着在芯片上实现光互连的愿望是可以实现的；1 9 9 8 年，n e u f e l d 等人采用分子束外延方法在掺铒s i s i g e 波导中实现了 e r 离子的i j 4 室温发光：】9 9 9 年，z h a o 等人在s i 片上的掺e r 含 纳米硅的s i 0 ：波导中实现了超荧光发射 3 3 3 6 。2 0 0 1 年瑞典的d u 等人在s i s i g e s i ：e r ：o 晶体管发光器件中实现e r 的1 5um 室温强 发射，2 0 0 2 年韩国的h a n 等人在掺e r 富硅s i 0 2 波导实现光放大。 第二节掺e r 发光和激光材料的应用 2 1 掺e r 光纤放大器( e d f a s ) 2 卜2 2 ，3 7 e d f a 是掺e r 发光和激光材料应用最成功的方面。e d f a 主要由泵 浦光源、光耦合器、光隔离器及掺铒光纤等组成。泵浦光源一般使用 9 8 0r i m 或14 8 0 n m 的半导体激光器，其作用是产生激发掺铒光纤的强 激光。光耦合器的作用是将信号光和泵浦光合在一起，一般采用波分 复用器来实现。光隔离器的作用是抑制光反射，让信号光只从一个方 向通过，以确保光放大器工作稳定。掺铒光纤是一段用e r 高浓度掺 杂的2 0 米左右长的光纤，光放大功能主要是由它来实现的。e d f a 的 实现光放大的简要原理如图卜l ，当较弱的信号光与较强的泵浦光经 耦合器一起输入到掺e r 光纤中时，泵浦光激活掺铒光纤的铒离予， 在信号光子感应下，铒离子产生受激辐射，跃迁到基态，将一模样 的光子注入进信号光中，以实现放大作用。 - 6 第一章爿 论 在没有光激励时，铒离子处于最低能级4 i t jz 上。用泵浦光激发时， 铒离子吸收泵浦光能量跃迁到高能级，当用9 8 0 n m 泵浦光激发时， 铒离子跃迁到4 i 2 能级，然后快速的无辐射弛豫到4 1 1 3 2 能级；当用 1 4 8 0 n m 泵浦光激发时，铒离子直接跃迁到4 i l3 2 能级。当泵浦光较强 时，可以使得4 i l3 2 能级上的铒离子数目大于基态4 i i5 2 上的铒离子数 目，达到粒子数反转分布，从而可以实现15 5 0 n m 光信号的放大。 图1 2 掺铒光纤的工作原理 e d f a 按其内部的泵浦方式分为三种结构：同向泵浦、反向泵浦、 双向泵浦。 ( 1 ) 同向泵浦：这是一种信号光和泵浦光从掺铒光纤的同一方向注 入的结构，也称前向泵浦。 ( 2 ) 反向泵浦：这是一种信号光和泵浦光从两个不同的方向注入进 掺铒光纤的结构。也称后向泵浦。 7 邓文渊硕士啼 文掺e r 材料裳射特性研究 盟目日圣因曰瞀舅豳器刨 皿母美尹 弋台黼，黼燃 m匪】 游励波长1 4 8 u m 或0 9 8 u m 1 3 双向泵浦结构 线路放大器 ( a ) 严叶j 1 l 臣 e d f a ( b ) ( d ) 图1 4e d f a 的基本应用形式 8 一 第一章绪论 ( 3 ) 双向泵浦：这是同向和反向同时泵浦的一种结构。图1 3 给出 了其中的双向泵浦示意图。 掺铒光纤放大器的工作与传送信号的调制方式、传送信号的种 类、以及传送速度均无关系，所以可以用于多种场合。其基本应用形 式有如下四种： ( 1 ) 在线放大 在线放大是指将e d f a 直接插入到光纤传输链路中对信号进行中 继放大的应用形式，见图1 4 ( a ) 。这种应用形式可广泛用于长途通 信、海底越洋通信等领域，一般工作于饱和区。 ( 2 ) 功率放大 功率放大是指将e d f a 放在发射光源之后对信号进行放大的应用 形式，见图1 4 ( b ) 。主要功能是补偿无源光器件的损耗和提高发送 光功率，应工作于深饱和区，必要时可使用双泵源，以便提高发送功 率，延长传输距离。 ( 3 ) 前置放大 前置放大是指将e d f a 放在光接受机的前面，见图1 4 ( c ) 。其 目的是提高光接受机的接受灵敏渡，一般工作于小信号状态。 ( 4 ) l a n 放大 l a n 放大是将e d f a 放在光纤局域网络中用作分配补偿放大 器，以便增加光节点的数目，为更多的用户服务，见l 一4 ( d ) 图。 宽带特性是e d f a 最重要的特性，第一代普通型e d f a 带宽达 1 2 n m ，第二代宽带e d f a 采用铝基e d f 和增益均衡技术，带宽达 35 n m ，新一代超宽带型的e d f a 采用碲基e d f 和增益均衡技术，带 宽达8 0 n m 。如此高的带宽使其非常适用于放大超短脉冲、w d m 多 信道信号及模拟光信号。e d f a 的宽带放大特性可同时放大多路信号， 只要多信道的总带宽( 包括每路信号带宽和各信道间的隔离带宽之 和) 小于放大器带宽。因此，e d f a 亦非常适用于波分复用( w d m ) 或光频分复用光通信系统中。目前，“掺铒光纤放大器( e d f a ) + 密 集波分复用( d w d m ) + 非零色散光纤( n e d s f ) + 光子集成( p i c ) ” 正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术潮流。 2 2 掺e r 波导放大器( e d w a ) 【13 ，3 8 - 4 8 】 虽然光通信得到了极大地发展，光通信在通信领域的主导地位已 经确立，但光通信的发展还处于初级阶段，仍需要不断发展完善，特 别是在接入网、城域网和局域网等发展较快的领域。与电通信的发展 相似，未来光通信发展的主要方向之一是向小型化和集成化方向发 - 9 邓文渊司e 士论文掺e r 材料发射特性研究 展。e d w a 正是顺应了这一光通信未来发展的要求，克服e d f a 在这方 面的不足而发展起来的。 e d w a 实现光放大的基本原理与e d f a 是一样的，但是与e d f a 相比， e d w a 具有制造成本低、单位长度增益高、结构紧凑、尺寸小巧、能 适合于有限空间内的灵活应用以及实现功能集成等优点和特点。这使 得e d w a 具有与e d f a 不同的一些特点。 目前，e d w a 具有以下三种应用形式： ( 1 ) e d w a 的多波长放大 与e d f a 一样，由于具有高增益、低噪声指数特性，e d w a 同样适 合于作为光通信系统中的宽带放大器，对多路波长信号进行放大。一 般、e d w a 适合作为d w d m 系统中的第1 级放大器，先对所有波长进行总 放大，通过波分复用器解复用后再使波长信号分别通过e d f a 放大， 这样可以动态调节不同波长的放大效率来达到精确平坦效果。典型结 构如图卜5 所示， e d w a 图卜5e d w a 多波长放大结构 ( 2 ) e d w aa r r a y 将多个e d w a 集成在同一基片上，以使集成度更高、结构更加紧 凑。这种形式突出的体现了e d w a 的优点，非常适合于城域网、接入 网和c a t v 的应用。典型的e d w aa r t a y 内含8 个e d w a ，封装尺寸仅 为2 2 c m 1 3 5 c i n 1 7 c m ，其中包括泵浦光信号光复用器，光电输 出检测耦合系统和p i n 激光二极管。这种放大器可以更方便地实现 d w d m 系统中多波长增益的动态调节，这样会带来一系列的好处，如 可以降低对多波长光交叉连接和分光开关制作中光功率分配的控制 精度的要求。 ( 3 ) e d w a 的l n 合分波集成放大器 由泵浦激光器、泵浦信号光复用器、输出滤波器、光电二极 管输出检测耦合系统及1 n 合，分波器等部分组成，见图1 6 。其中有 功率型和波长型两种，典型的如1 4 、18 型合分波集成放大器。可分 1 0 第一章 绪论 别将4 路或8 路信号光放大器后复用后耦合到多路光纤输出。 目前，这种放大器是将两种不同功能的玻璃器件粘合在一起制 成的。如无源区( 1 n 合s t 波器部分) 采用硅酸盐玻璃制作，使损耗 信号光 输入 放大的 信号光 输出 图1 - 6 基于e d w a 的1 n 合分波集成放大器 最小，有源放大区( e d w a 部分) 采用波导，使激光增益最大。 在实际应用中，以上几种形式的e d w a 可以混合使用以达到最优 效果，从而可以把特定场合所需的功能集成在一起，这种灵活应用的 特点使e d w a 在城域网接入网、c a t v 等光通信领域发挥其特有的作 用。 第三节掺铒发光材料研究面临的问题及本论文的的工作 当前，由于i r l te r n e t 技术的快速发展，使得人们对信息的需求 前所未有的强烈，导致信息流量的爆炸。为了解决由此形成的信息流 通的瓶颈问题，急切要求以密集波分复用( d w d 】1 1 ) 为核心技术的光通 信向实现更大传输带宽和更高传输速率的目标发展。因此，虽然用于 光通信的掺铒材料取得了很大的发展，但仍面临着两个问题：一是实 现更大带宽的1 5 5 儿如带发射，二是与硅基集成实现小型化、集成化。 近年来e r ”的1 5 5um 宽带发射已经取得了一些令人鼓舞的成 绩。1 9 9 7 年，m o r i 和y a m a d a 在掺e r ”的t e 02 光纤中实现大于7 0 n m 平坦增益，覆盖1 5 3 0 n m 到16 0 0 n m 波长范围 6 3 。日本的t a n a b e 在 2 0 0 0 年在b i 。o 。一b ：0 。一s i 0 。的玻璃体系中实现e r ”的1 5 4um 发射半高 宽达到7 5 n m 2 。香港的m a n 等人在5 k ：0 7 0 b i ：0 。一2 5 g a 。o 。玻璃中 实现e r “的1 5 t lj 】1 发射半高宽达到8 5 n m 4 。这些材料都成为1 。5h m 宽带发射材料研究的热点，受到人们极大的关注，但这些玻璃体系 都存在着诸如热稳定性、化学稳定性差等问题。 继续寻找性能更加稳定、e r ”的溶解能力更强以及能与光波导制 邓文渊硕士论文 掺e r 材料发射特性研究 各技术相适应的宽带发射基质材料体系，具有理论和现实的重大意 义。此外，对e r ”离子光谱展宽机制的研究还很少，继续深入研究e r s + 光谱展宽的机理同样具有重要的实际意义。 另一方面，为了解决现代s i 集成电路技术受到器件尺寸和s i 中 电子运动速度限制，难以满足信息技术目益发展对信息传递速度、存 储能力、处理功能提出的更高要求，需要在硅技术中引入光电子技术， 用光波代替电子作为信息载体，实现光电子集成。寻找一种高效的硅 基发光材料和器件是实现光电子集成的关键。由于e r ”的1 5um 发 光波长正好位于光通信的最小损耗窗口，研究e r3 在各种硅材料中的 发射特性成为当前硅基发光材料和器件研究的一个热点 2 7 。 1 以b 。0 。一s i 0 。体系为基质的稀土光学玻璃具有高折射率低色散、材 料均匀性好、化学稳定性和热稳定性高、制备工艺成熟等优点 4 1 。 掺e r “硼硅酸盐玻璃的浓度猝灭、团簇效应小，与离子交换波导制备 技术能很好地相适应，是掺e r3 + 光波导放大器的理想基质体系。 s i n 。0 。作为一种重要的硅基材料，兼有s i ，n 。良好的化学惰性和低 化学渗透性以及s i 0 ：良好的绝缘特性。制备s i nx ov 可以使用与硅平 面工艺完全相容的技术制备，而且随制各条件的不同，材料的折射率 可以在很宽范围内变化，在集成光电子材料领域中有着重要的应用前 景 4 2 。 本论文主要对掺e r l 硼硅酸盐玻璃体系和s i n 。0 ，介质材料分别进 行了制备和光谱性质的研究。首先系统地研究了在硼硅酸盐玻璃中 e r ”的近红外及可见发射性质及发光机制，利用j _ 0 理论计算了e r ” 在硼硅酸盐玻璃中的一些重要光谱参数，利用m c c u m b e r 理论得到了 e r ”在硼硅酸盐玻璃中的受激发射截面，利用简化模型得到并分析了 e r ”的4 i 。能级的高能态s t a r k 子能级的光谱，讨论了硼硅酸赫中玻 璃组分对e r3 + 发射特性的影响。其次，利用溅射法在硅衬底上制备了 掺e r ”的s i n 。01 薄膜材料，研究了在不同温度下退火样品的可见及红 外发光p l 谱，讨论了退火显著增强e r3 + 发光及退火对可见和红外发 光不同的影响机理，研究了e r ”可见发光的变温p l 谱， 本论文工作丰富了稀离子的光谱性质研究，获得了一些重要的 光学参数，得到了一些有意义的结果，为进一步研究硼硅酸盐稀土玻 璃中e r ”的发射特性提供了思路；丰富了掺e r ”硅基发光材料研究的 对象，通过研究退火对发光的影响，加深了对e r 3 + 在硅化合物体系中 发光机理的