（光学工程专业论文）掺铒al2o3薄膜制备工艺、光波导增益特性的理论与实验研究.pdf

掺铒a 1 2 0 3 蓐膜削备工艺、光波导增益特性的理论与实验研宽 摘要 掺铒光波导放大器不仅可以在全光通信网络的发展中发挥重要的作用，而且也将在 光电子集成的研究中发挥重要的作用。 本文探索了掺铒、镱铒共掺a 1 2 0 3 薄膜和硅酸盐玻璃的制备工艺，对掺铒、镱铒共 掺a 1 2 0 3 光波导放大器增益特性进行了理论和实验研究，主要内容包括以下几个方面： 1 用有限元法、传输方程和速率方程，数值模拟了脊形掺铒a 1 2 0 3 光波导放大器净增益 与掺铒浓度、波导长度、泵浦功率和信号功率的关系。计算结果为有源光波导器件的 优化设计，提供了理论依据。讨论了光波导器件出现的侧蚀对放大器净增益的影响。 2 首次分析了多级脊形掺铒a 1 2 0 3 光波导放大器级联的净增益特性。级联放大系统中， 不仅存在第一类净增益亏损，也可能出现第二类净增益亏损。净增益亏损与光波导掺 铒浓度、输入信号强度有关。掺铒浓度越高、信号功率越强，净增益亏损越大。 3 探索了制备掺铒、镱铒共掺a 1 2 0 3 薄膜的三种工艺方法。其中，首次采用中频磁控溅 射同步沉积法制备了镱铒共掺a 1 2 0 3 薄膜，和首次采用微波等离子体磁控溅射同步沉 积法制备了掺铒a 1 2 0 3 薄膜。研究了各工艺参数对薄膜质量的影响，并进行了参数优 化。制备的薄膜掺杂浓度均匀、致密、粗糙度小、折射率高。 4 测量了掺铒、镱铒共掺a 1 2 0 3 薄膜光致发光强度与掺铒浓度、镱铒掺杂比、泵浦功率 和退火温度的关系，并给予定性的解释。镱铒共掺a 1 2 0 3 薄膜的镱铒最佳浓度比为9 ：l 。 退火温度的不同，影响了a 1 2 0 ，薄膜的相结构，导致了光致发光强度的变化。 5 给出掺铒、镱铒共掺硅酸栽玻璃的制作工艺，分析了它们的光致发光特性和吸收谱。 测量了掺铒、镱铒共掺硅酸盐体块玻璃级联时的光致发光特性。实验结果证明级联系 统中存在着净增益亏损，测量结果与数值模拟计算相吻合。 6 制作了矩形镱铒共掺a 1 2 0 3 光波导放大器。信号光被调制为l h z 正弦波时，在6 8 m w 功率泵浦下，光波导放大器的总净增益为8 4 4 d b ，单位长度的净增益为3 7 7 d b c m 。 光波导放大器的净增益随泵浦功率近似线性增长，阈值功率为1 8 m w 。 7 测量了掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃丝的净增益特性。1 0 0 m w 泵浦功率下，单位长度 的净增益分别为1 9 6 d b c m 和3 0 7 d b c m ；最佳长度分别为4 5 c m 和2 5 c m 。 关键词：镱铒共掺a 1 2 0 3 光波导放大器；薄膜制备；光致发光特性：净增益特性；数值 模拟；级联：掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃 a b s t r a c t e r b i u m - d o p e dw a v e g u i d ea m p l i f i e r s ( e d w a ) h a v e a l li m p o r t a n ti n f l u e n c en o t o n l yo nt h e d e v e l o p m e n to ft h ea l lo p t i c a ln e t ( a o n ) ，b u ta l s oo nt h er e s e a r c ho fo p t i c s - e l e c t r o n i c s i n t e g r a t ec i r c u i t ( o e i c ) i nt h i st h e s i s ，f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so fa 1 2 0 3f i l m sa n ds i l i c a t eg l a s sw i t he rd o p a n to r y b ：e rc o d o p a n tw e r e e x p l o r e d t h eg a i n c h a r a c t e r i s t i c so f e r - d o p e d o ry b ：e r c o d o p e da 1 2 0 3 w a v e g u i d ea m p l i f i e r sw e r et h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h em a i nw o r k sa r e o u t l i n e da sf o l l o w s ： 1 t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h en e tg a i no ft h er i be r - d o p e da 1 2 0 3w a v e g u i d ea m p l i f i e r sa n d c o n c e n t r a t i o n s ，l e n g t h s ，p u m pp o w e r a n ds i g n a lp o w e rw a s n u m e r i c a l l ys i m u l a t e db yu s i n g o ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h er a t ee q u a t i o n sa n dt h et r a n s m i s s i o ne q u a t i o n s t h e r e s u l t sw i l lb eo f p o w e r f u lh e l pf o ro p t i m u md e s i g no fa c t i v ew a v e g u i d ed e v i c e s a tt h e s a m et i m e ，t h ee f f e c to nt h en e tg a i no fe d w a s b ys i d e - s c u p l t u r ew a s a l s od i s c u s s e d 2 t h en e tg a i nc h a r a c t e r i s t i c so f m u l t i - s t a g e sr i ba 1 2 0 3e d w a si ns e r i e sw e r ef i r s t l ya n a l y z e d i ns e r i e ss y s t e m ，t h e r em u s tb et h en e tg a i nl o s so ft h ef i r s tk i n da n dt h e r em a yb et h en e t g a i nl o s so f t h es e c o n dk i n d t h en e tg a i nl o s sh a sr e l a t i o nt oe r - d o p e dc o n c e n t r a t i o na n d i n p u ts i g n a lp o w e r t h eh i g h e re r - d o p e dc o n c e n t r a t i o ni s ，t h es e v e r e rt h en e tg a i nl o s si s t h es t r o n g e rt h es i g n a lp o w e r i s ，t h es e v e r e rt h en e tg a i nl o s si s 3 t h ee r - d o p e do ry b ：e r c o d o p e da 1 2 0 sf i l m sh a v eb e e np r e p a r e db yt h r e ek i n d so f t e c l m i q u e y b ：e rc o d o p e da 1 2 0 3 f i l m sa n de r - d o p e da 1 2 0 3f i l m sw e r e f i r s t l yf a b r i c a t e db y t h em e d i u mf r e q u e n c ym a g n e t r o ns y n c h r o n o u ss p u t t e r i n ga n dt h em i c r o w a v ep l a s m a m a g n e t r o ns y n c h r o n o u ss p u t t e r i n g ，r e s p e c t i v e l y t h ee f f e c to f a l lp a r a m e t e r so nq u a l i t yo f t h ef i l m sw a s e x p l o r e d ，a n dd e p o s i t i o nt e c h n i q u e sw e r eo p t i m i z e d t h ef i l m so b t a i n e dh a v e m a n ye x c e l l e n c e s ，s u c h a su n i f o r mc o n c e n t r a t i o nd o p a n t ，d e n s es t r u c t u r e ，l o ws u r f a c e r o u g h n e s s ，h i g h r e f r a c t i v ei n d e x ，a n ds oo n 4 t h er e l a t i o n s h i pa m o n g p h o t o l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t yo fe r - d o p e d o ry b ：e rc o d o p e da 1 2 0 3 f i l m sa n de r - c o n c e n t r a t i o n s ，y b ：e rc o n c e n t r a t i o nr a t i o ，p u m pp o w e r , a n n e a lt e m p e r a t u r e w a sm e a s u r e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ee x p l a i n e dq u a l i t a t i v e l y t h eo p t i m u my b ：e r r a t i oo ft h ey b ：e rc o d o p e da 1 2 0 3f i l m si s9 ：1 t h ed i f f e r e n c eo fp h a s es t r u c t u r e so ft h e c r y s t a l f i l m su n d e rd i f f e r e n ta n n e a lt e m p e r a t u r el e a d t o v a r i e t yo fp h o t o l u m i n e s c e n c e i n t e n s i t y 5 f a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so fe r - d o p e do ry b ：e rc o d o p e ds i l i c a t eg l a s sw e r ei n t r o d u c e d t h e p h o t o l u m i n e s c e n c e c h a r a c t e r i s t i c sa n da b s o r p t i o ns p e c t r ao f t h es a m p l e sw e r ea n a l y z e d w e a s s u r et h a tt h e r ea r et h en e tg a i nl o s si ns e r i e ss y s t e mf r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fg a i n c h a r a c t e r i s t i c so ft w oe r d o p e d o rt w oy b ：e rc o d o p e ds i l i c a t eb u l kg l a s ss a m p l e si ns e r i e s t h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t h c a l c u l a t i o nd a t a 6 t h er e c t a n g l ey b ：e rc o d o p e da 1 2 0 sw a v e g u i d ea m p l i f i e rw a sf i r s t l y f a b r i c a t e d w h e n s i g n a lw a s m o d u l a t e dt o1 h zs i n u s o i d a lw a v e ，t h et o t a ln e tg a i no f t h ew a v e g u i d ea m p l i f i e r i s8 4 4 d b ，a n dt h en e tg a i na tu n i tl e n g t hi s3 ，7 7 d b c mp u m p e d u n d e r6 8 m w t h en e tg a i n o ft h ew a v e g u i d ea m p l i f i e ri n c r e a s e sa p p r o x i m a t e l yl i n e a ra sp u m pp o w e r w a si n c r e a s e d t h r e s h o l dp u m pp o w e r i s18 m w 7 t h en e tg a i nc h a r a c t e r i s t i c so fe r d o p e do ry b ：e rc o - d o p e ds i l i c a t eg l a s st h r e a t sw e r e m e a s u r e d u n d e r10 0 m wp u m pp o w e r ，t h en e tg a i n sa t u n i tl e n g t ha r e1 9 6 d b c ma n d 3 0 7 d b c m t h eo p t i m u ml e n g t h sa r e4 5 c ma n d2 5 c m ，r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：y b ：e rc o - d o p e dw a v e g u i d ea m p l i f i e r s ；f a b r i c a t i o n o ff i l m s ；p h o t o l u m i n e 。 s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c s ；n e tg a i nc h a r a c t e r i s t i c s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s e r i e s ； e r - d o p e d o ry b ：e rg o d o p e ds i l i c a t eg l a s s 1 1 1 本镰题是在 1 国家自然科学基金1 9 9 8 - 2 0 0 1 年面上项目“高增益集成掺铒a 1 2 0 3 光波导 放大器的应用基础研究”( 6 9 7 8 7 0 0 1 ) ( 己结题) 2 国家自然科学基金2 0 0 0 - 2 0 0 3 年重大项目“光通信用s i 0 2 s i 、a 1 2 0 3 s i 类 有源、无源波导器件的应用基础研究”( 6 9 8 8 9 7 0 1 ) ( 已结题，被国家基金 委评为优秀项目) 3 辽宁省科学技术厅2 0 0 2 - 2 0 0 5 年项目“非平衡磁控溅射方法沉积掺铒 a 1 2 0 3 薄膜”( 2 0 0 2 2 1 1 0 ) 4 辽宁省教育厅2 0 0 2 - 2 0 0 5 年项目“e r ：y b 共掺杂光波导放大器级联特性的 理论研究与检测”( 2 0 2 1 2 3 1 9 8 ) 5 大连市科学技术局2 0 0 1 - 2 0 0 4 年项目“电子回旋共振微波等离子体溅射沉 积掺铒a 1 2 0 3 薄膜” 资助下羌成的 博f 论文第一章：绪论 1 绪论 1 1 选题的科学依据和意义 光纤通信频带宽，信息容量大。例如，在1 4 5 9 m 1 6 5 1 a m 波长范围内，光纤带宽为 2 5 t h z ，意味着用一根光纤仅需1 秒左右的时间内即可将古今中外的文字材料传送完。 如此巨大的带宽，是取之不尽、用之不竭的资源。再者，光纤的损耗低、重量轻、抗干 扰性好和材料资源丰富等显著优势，也拉动了光纤通信的迅猛发展。1 9 8 3 年，美、德、 日、法、英等国就已先后宣布：长途通信干线方面将不再敷设电缆，而采用光缆。至今， 光纤通信已遍及长途干线、海底通信、局域网、有线电视等领域。 w o w 钸圊m 受哥群 w 0 w d f j b e r ddd mm 趣固岖盈卜辞 m f i b e r m 图1 1光电光中继通信示意圈 f i g i 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o m m u n i c a t i o n w o r k i n ga to e - or e l a ym o d e 虽然，光纤损耗已接近降至其理论临界值，无中继传输距离大大增长，但在超k 距 离的信号传输过程中仍需对光信号进行中继放大。早期的中继放大形式如图1 1 所示。 前端光纤传来的多信道光信号经解波分复用器( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 将每个波长的光信号分开，各自进行光电变换( o i e ：o p t i c a l ，e l e c t r o n i c ) 。分别对每个信 道的电信号放大后，再经电光变换( e o ：e l e c t r o n i c o p t i c a l ) 将电信号转换为光信号， 并由w d m 重新整合，送给后端光纤传输。 w f q ：圜f 皇， w dd mm 图1 2 全光中继通信示意图 f i g1 2 s c h e m a t i c d i a g r a mo f c o m m u n i c a t i o nw o r k i n g a ta l lo p t i c a lr e l a ym o d e 博l 论文第一章：绪论 图1 1 所示光中继放大模式不仅浪费了许多硬件资源，而且信号传输系统的稳定性 和可靠性也不能得到很好地保证。1 9 8 6 年，m e a t s 等人研制出掺铒光纤放大器f e d f a ： e r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 。目前，掺铒光纤放大器已应用于光纤通信的中继放大中， 如图2 所示，使光纤通信朝全光网络( a o n ：a l l o p t i c a l n e t ) 通信系统迈出了峰实的步。 铒是镧系稀土元素，原子序数6 8 ，电子排布为l s 22 s 22 p 6a s 23 p 63 d l o4 s 24 p 6 4 d l o4 f 1 2 5 s 25 p 6 6 s 2 。其中，6 s 的两个电子和4 f 的一个电子易失去，成为三价的铒离子，相应的电 子排布变为ls 2 2 s 2 2 p 63 s 23 p 63 d 1 0 4 s 2 4 p 6 4 d 0 4 15 s 25 p 6 。 4 i l l 2 4 1 1 3 2 图1 39 8 0 n m 泵浦下e r 3 + 能级跃迁简图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f e n e r g yl e v e lo f o p t i c a lt r a n s i t i o n sf o re r 3 + p u m p e d b y9 8 0 n m 掺铒光纤的光放大原理如图1 - 3 所示。在9 8 0 n m 激光器泵浦下，三价铒离子由基念 4 i 眦跃迁至第二激发态4 i l l ，2 ，无辐射跃迁后回到4 1 1 3 2 。由于4 1 1 3 ，2 能级寿命较长( 8 m s 左 右) ，铒离子的亚稳态4 1 1 3 ，2 与基态4 i l5 ，2 间形成粒子数反转，且其能级差对应着1 5 3 1 a m 的 波长，是通信光纤的最低损耗窗1 3 之一。当1 , 5 3 1 a m 光信号耦合到掺铒光纤放大器时，引 起亚稳态上铒粒子的受激发射，输入的光信号被放大。 掺铒光纤放大器具有以下优点：( 1 ) 与传输光纤结构相同，使掺铒光纤放大器与传 输光纤的熔接损耗小，整体增益高，不易自激；( 2 ) 有1 4 t h z 的宽频带特性，超高速 数字传输和宽频带模拟传输的使用范围广；( 3 ) 铒原子内4 f 电子在外层电子的良好屏蔽 中，使发光过程受外界和晶体内部的干扰非常小，本身噪声低；( 4 ) 光的非线性成分小； ( 5 ) 温度特性好。 遗憾的是，掺铒光纤放大器固有的缺点，如增益谱在3 0 n m 有用的波长范围内不均 博： 论文第一章：绪论 匀，需使用均衡技术来克服( 达到3 d b 以内) ；特别是掺铒光纤放大器的长度在6 0 t 5 0 m 左右，不利于集成化，极大地局限了它的应用范围。 p u m d 幽1 , 4 集成平面光波导放大器示意图 f i g 1 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f p l a n a ri n t e g r a t e dw a v e g u i d ea m p l i f i e r 1 9 9 6 年，h o v e n 2 1 等人成功制作了4 e m 长的掺铒a 1 2 0 3 光波导放大器，获得2 3 d b 的 净增益，如图1 4 所示。这一研究成果引发了世界各国科学家和相关商业公司对掺铒光 波导放大器( e d w a ：e r b i u m d o p e dw a v e g u i d ea m p l i f i e r ) 的极大兴趣叫】。 掺铒光波导放大器具有噪声系数低、极化相关性小和通道间串扰弱等优点。由于掺 铒光波导放大器中可以掺杂高浓度的铒离子，因此能够在微小的芯片面积上获得高的光 信号增益。可以预见，掺铒光波导放大器将与波分复用器、光滤波器、光探测器和激光 器等有源、无源器件集成在同一个芯片中，组成高效的光电集成器件。因此说，掺铒光 波导放大器所具有的优良性能，不仅是拉动光纤通信进一步发展到城域网，包括光纤到 户( f t t h ：f i b e rt ot h eh o m e ) 的动力源泉，同时，也将是光电子集成( o e i c ：o p t i c s e l e c t r o n i c si n t e g r a t ec i r c u i o 研究的基础。 综上所述，掺铒光波导放大器的研究对光纤通信和光电一体化发展具有重要的意义。 1 2 掺铒光波导放大器研究的国内外进展 1 2 1 国外进展 1 9 6 4 年，s n i t z e r 等人1 6 1 发现光纤中掺杂少量稀土元素作为激活介质，可制成光纤放 大器，1 9 8 3 年，e n n e n 7 i 提出稀土元素在半导体器件中的潜在应用，特别是e r 3 + 离子发出 的i 5 4 1 a m 波段光谱，对应着通信光纤的最低损耗窗口，吸引了科学家的广泛关注。 博1 论立第一章：绪论 1 9 9 1 年，m i c h e l 等人f8 j 发现硅基质中共掺e r 和o 、n 等轻元素，热退火处理后，o 、 n 等原子聚集在e ，+ 离子周围形成了e r - o 或e r - n 复合体发光中心，提高了e r 3 + 离子的发 光效率。m i n i s c a l c o 等人【9 】分别在s i 0 2 中掺铒、共掺g e a i p 、共掺e r - a i p ，获得2 0 r a n 、 2 4 n m 、4 3 r i m 半值宽度的荧光谱。b e n t o n t l o l 将能量5 2 5 m e v 的铒离子注入到s i 材料中， 掺杂浓度达l 1 0 喝c m 3 。高温退火后，e r 3 + 进入s i 的格点位置，受到激活。研究表明， 退火湿度对铒离子的激活效果有显著的影响。 1 9 9 3 年，e f e o g u 在s i 和s i g e 合金的分子束外延法( m b e ) 生长中，同步将较低 能量的e r 3 + 离子掺入，最佳浓度已达2 1 0 增c m 3 。7 7 k 温度下，观测到1 5 肛m 处e r 计电 致发光光谱( e l ) 。p o l m a n l l 2 用固相外延生长技术在6 0 0 。c 下生长a s i ：e r 。由于e r 在无 定型a s i 中的溶解度比单晶硅中高得多，9 0 0 。c 退火后，在6 0 n m 薄层得到激活浓度高达 1 0 2 0 e r a 3 的e r 3 + 离子掺入。h o v e n 等人1 3 j 用射频磁控溅射法在6 m 厚的s i 0 2 薄膜上沉积 了一层6 0 0n l 厚的a 1 2 0 3 薄膜，用8 0 0k e v 能量注入铒。在5 1 4 5 n m 激光器泵浦下，室 温测到1 5 3 9 m 波长的光致发光光谱。光学损耗下降到o 3 5 d b c m 。 1 9 9 4 年，b a h t a t 等人1 1 4 1 用溶胶凝胶法在t i 0 2 平面波导中掺入铒，获得1 , 5 3 1 a m 的光 致发光峰。1 9 9 5 年，h o v e n 等人1 1 5 】利用低压化学气相外延法( l p c v d ) 生长了无定型 s i 0 2 薄膜，再用离子注入法掺铒，提高了铒的发光效率。 1 9 9 6 年，h o v e n 等人f 2 l 用射频磁控溅射法，首先在s i 0 2 薄膜上沉积了一层a 1 2 0 3 薄 膜，再用1 0 0 k e v1 5 m e v 的能量注入铒，并用离子束刻蚀薄膜成脊形波导。在1 4 8 肛m 的半导体激光器泵浦下( 9 m w ) ，4 e m 长的光波导获得了2 3 d b 的净增益。文章中同时给 出了相关的铒离子能级截面参数、材料浓度参数、铒离子能级的上转换系数以及波导的 结构参数。s e m a 等人1 1 6 】用a r f 准分子脉冲激光器交替照射a 1 2 0 3 靶和e r 靶，在硅基上 沉积掺铒a 1 2 0 3 薄膜。调解脉冲激光器照在铒靶的次数来改变薄膜的掺铒浓度。 1 9 9 7 年，y a n 等人1 1 7 1 通过射频磁控溅射在s i 0 2 上沉积了一层磷酸盐薄膜。这种多组 分薄膜( 包括e r 2 0 3 、a 1 2 0 3 、n a 2 0 3 、l a 2 0 3 和p 2 0 5 ) 刻成脊形波导后，用9 8 0 n m 半导体 激光器输出的2 1 m w 功率泵浦，获得4 1 d b 的净增益。b e n a t s o u 等人【1 8 】用溶胶凝胶法制 备了e r ：a 1 2 0 3 一s i 0 2 薄膜，用8 0 0 r i m 半导体激光器泵浦得到4 7 r i m 半值宽度的光致发光光 谱，并观察到较强的5 4 8 n m 和6 5 5 n m 的上转换荧光。 1 9 9 8 年，c h r y s s o u 等人用增强等离子体化学气相沉积法( p e c v d ) 制备了掺铒 a 1 2 0 3 薄膜。l a z a r o u k 等人【2 0 】在s i 基上用射频磁控溅射法沉积了e r - a i 共掺杂薄膜，并 4 博卜睦艾筘一章：绪论 用电化学的方法对薄膜进行阳极化处理。室温下，不退火肘在1 5 5 9 i n 波段也获得较强的 光致发光光谱。这与已有文献报道的薄膜要在8 0 0 4 c 左右热退火才能在室温f 获得较好 的1 5 5 1 x m 波段的光致发光光谱有很大不同。 1 9 9 9 年，s t e p l k h o v a 等人【2 l 】用电化学方法制备了多孔硅并同步共掺铒、和制备多孔 硅后用离予注入法掺入铒等方法，制备了两种掺铒薄膜。详细说明了薄膜错位、膜损伤、 热应力对光致发光特性的影响，讨论了与多孔硅错位相联系的光致发光谱线d 线系列。 s o u s a 等人 2 2 】研究了e r ：y b 共掺情况下，利用e r 3 + 合作上转换效应，分别在4 1 8n m 、9 8 0 n m 波长激光器泵浦下观察到红光、绿光及红外荧光。l a n z e r s t o r f e r l 2 3 1 研究了用脉冲激光器在 不同沉积参数和不同沉积材料时掺铒硅酸盐玻璃膜的制作工艺。y e a t m a n i ”j 用硅钛铝混 合材料作为基质，溶胶凝胶法制备了掺铒薄膜，并刻蚀成光波导。薄膜的掺铒浓度高达 1 1 1 0 2 0 c m 3 ，铒离子亚稳态寿命大于8 m s ，相对增益大于1d b c m 。 2 0 0 0 年，k o z a n e c k i 等人【2 5 】将e r ：y b 共掺于s i 0 2 膜中，实验证明y b 3 + 离子是高效的 敏化剂，增大了e r 3 十的光致发光强度。通过数值模拟计算，当共掺浓度为( 2 - 4 ) 1 0 2 0 c m 3 时，y b e r 最佳浓度比为0 5 2 。x i a n g 等人1 2 6 1 用溶胶凝胶法制备共掺g e 0 2 和a 1 2 0 3 的 掺铒硅基薄膜，并刻蚀成平面光波导。2 0 层的平面光波导，t e o 模传输损耗为1 6d b c m ， t m o 模传输损耗为2 2 d b c m 。 2 0 0 1 年，s e o 等人通过测量三价铒离子发光特性研究了掺铒富硅氧化硅中激发态 铒离子的耦合及其动力学特性。l s h i i 等人1 2 8 1 用同步加速器作为x 射线源，并通过铒对x 射线吸收的精细结构，分析了掺铒氧化锌薄膜中的光激活中心的局部结构和光激活过程。 h a 等人【2 圳研究了掺铒s f s i 0 2 超品格的硅厚度对光致发光性质的影响，发现硅层厚度由 6 r i m 减至单层硅时。e r 3 + 光致发光强度增强一个量级以上。 2 0 0 2 年，k o m u m 等人【3 0 l 制备了锐钛矿结构的掺铒t i 0 2 薄膜，可见光和红外光区域均 观察到铒的光致发光光谱，其中室温下红外主峰在1 5 3 i t m ，邻近处还有许多次峰。h a n 等 人f 孔l 研究了由电子回旋共振增强型等离子体化学气相沉积制各的微晶硅敏化的掺铒波导 放大器，得到1 4 d b c m 的增益，单位长度的净增益达到7 d b c m 。s t r o h h 6 f e r 等人 3 2 1 发现掺 铒硼硅酸赫由于敏化剂银的存在，其发光强度显著增强。原因是n a + , - - ，a g + 离子交换使在 4 8 8 m n 波长泵浦下的铒受激吸收系数提高7 0 倍。 2 0 0 3 年，k i k 等人【3 3 1 用两种方法制备掺铒a 1 2 0 3 薄膜：一种是将铒离子汴入到已沉积 好的a 1 2 0 3 薄膜中；另一种是通过e r 2 0 3 a 1 2 0 3 靶同时被磁控溅射到基质上。虽然两种薄膜 博t 论立第一章：绪论 的掺铒浓度近似相等，但在1 4 8 9 m 的激光器泵浦下，第二种方法制备的薄膜能够观察到 较强的、由能级4 s 3 ，2 发射出的绿光，表明二级合作上转换作用明显。z a n a t t a 3 4 1 研究了不同 半导体基质材料中发生的铒离子光致发光强度由温度诱导产生的猝灭现象，给出了晶体、 非晶体的实验曲线。结果表明猝灭温度强烈依赖于光学带隙和半导体基质材料的原子结 构，声子频率的影响因子较小。s e o 等人口5 1 观测到富硅氧化硅中铒铥共掺相互作用产生的 宽带红外谱( 1 5 - 2 0 i t m ) ，由于e ，的4 1 1 3 ，2 能级上的粒子能量转移到铥的3 h 4 能级上的粒子， 导致铒发光强度的减目b 。p a r k 等人【3 6 用有机配位子理论研究证明薄膜存在着间接激发，导 致中心波长为1 5 3 p m 、半值宽度大的光致发光光谱。s t r o h h o f e r 等人i h 测量了e r ：y b 共掺 氧化铝光波导的吸收谱和发射谱，给出铒、镱的吸收截面和发射截面，研究了光波导中镱、 铒能量的转移系数。 与此同时，掺铒光波导放大器件的优化设计和铒离子发光的内在机理等理论研究也在 迅速地发展。1 9 9 3 年到1 9 9 5 年，p a s q u a l e 等人o 。】发表了一系列文章，用有限元方法( f e m ： f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 分析矩形和脊形掺铒光波导放大器内部的电磁场分布，数值模拟了 放大器净增益与掺铒浓度、波导长度和泵浦功率等的关系，分析了合作上转换、激发态吸 收和交叉驰豫【4 1 1 等非线性效应对净增益的影响。1 9 9 8 年，s h o o s h t r a i 等人 4 2 1 给出镱铒共掺 光波导放大器镱铒间的能量的转化方式和速率方程，并数值模拟了矩形镱铒共掺光波导放 大器的净增益特性。2 0 0 0 年，b a r b e r o 4 3 1 分析了多模光波导的发射截面、吸收截面和增益 特性。2 0 0 1 年s e l l e r i 等人 4 4 1 用有限元法详尽地讨论了脊形光波导的场分和。2 0 0 2 年，l o w e 等人【4 5 】用线理论( t h em e t h o do f l i n e ) 优化设计了光波导放大器的整体布局，讨论了不同沟道 结构曲率半径与面积之间的关系。 1 2 2 国内进展 1 9 9 8 年，谢大韬等人m 】用凝胶法合成掺铒硅酸盐玻璃，室温测得1 ，5 5 9 m 波段的荧 光谱。掺铒浓度为o 5 w t 时，光致发光强度最大。雷红兵等人【47 j 用离子注入法在单晶硅 中进行e r 、o 、c 0 2 共掺杂，热退火后，发现e r 、c 0 2 共掺比e r 、0 共掺的光致发光强 度大两倍。万均等人【4 8 荆用分子束外延法生长了掺铒富氧硅( s i o 。) 薄膜。 1 9 9 9 年，雷红兵等人h 9 1 、陈维德等人用p e c v d 法生长富硅氧化硅，用离子注入 法注入铒。测量结果表明：掺铒富硅氧化硅薄膜的激发功率要比掺铒硅强两倍；1 5 3 9 m 光致发光强度不依赖于泵浦光强和所处的环境温度：氧含量对铒离子发光有一定影响。 2 0 0 0 年，雷红兵等人提出了掺铒硅光致发光激子传递能量模型，建立了发光动力 6 障上论史第一章：绪论 学速率方程，证明铒离子束缚激子复合体的热离化和激发态铒离子能量反j 甸传递是引起 铒离子发光温度猝灭的主要原因。陈维德等人【5 2 】采用等离子化学气相沉积方法，改变s i l l 。 和n z o 的流量比割备含有不同浓度的a - s i ：h ，o 薄膜。异了离子注入法掺铒，详细研究了 a - s i ：h ，o 薄膜微结构对光致发光强度的影响。 2 0 0 2 年，秦冠仕等人刚研究了9 7 8 n m 泵浦时y b n 、e r 3 + 共掺z a p l ( z n f ，a 1 f 、p b f ， l i f ) 多晶和玻璃中的上转换发光性质，观察到强烈的绿色、红色和紫色 = 转换发光。杨 建虎等人垆4 l 研究了碲酸盐玻璃中e r 3 + 离子的荧光谱、上转换性质和y b h 离子对e r + 光谱 性质的影响。毛艳丽等人1 5 5 3 计算了y b 3 + 离子和e r 3 + 离子间的能量传递效率和系数，测量 不同温度下y b ”离子在磷酸盐玻璃中的吸收光谱，并依据低温下的吸收光谱和荧光谱确 定了y b ”离子在磷酸盐玻璃中的能级结构。柳祝平等 5 6 j 根据掺铒磷酸豁玻璃的吸收光谱， 利用j u d d o f e l t 理论计算了强度参数q t ( t = 2 ，4 ，6 ) 下、e r 3 + 离子的4 i t 3 ，2 i l5 ，2 能级跃迁振子 强度、自发辐射几率等光谱参数，并用m c c u m b e r 理论计算了e r ”离子的受激发射截面。 2 0 0 3 年，杨建虎等人【57 i 研究了掺铒铋酸盐玻璃的吸收、荧光谱性质及热稳定性能。 戴能利等人h8 l 讨论了不同掺镱浓度下，镱铒共掺s i 0 2 一a 1 2 0 3 l a 2 0 3 玻璃的吸收光谱、荧 光光谱和y b 弦离子2 f 记的能级寿命。张德宝等人f 5 聊讨论了掺铒铝硅酸赫玻璃中o h 1 浓 度与荧光寿命、绿色上转换发光强度与泵浦光功率的关系。陈海燕等人【6 0 1 用e r 3 + 一y b 3 + 共 掺磷酸盐玻璃设计了放大器，讨论了放大器的最佳长度及镱铒掺杂比对增盏的影哟， 纵观上述文献，掺铒光波导放大器的研究主要集中于四个方面：( 1 ) 薄膜制备工艺 探索。包括离子注入、磁控溅射、脉冲激光沉积和溶胶一凝胶法等方法；( 2 ) 基质材料选 择。分析了铒在s i 、s i o 。、a 1 2 0 3 、t i 0 2 、硅酸盐、碲酸盐和铋酸盐等基质中的发光特性； ( 3 ) 共掺杂研究。包括敏化剂镱、铥和银等在铒离子光致发光中的作用：( 4 ) 铒离子发 光机理的理论研究和光波导放大器增益特性的数值模拟。如晶体微观结构、合作上转换 对铒离子光致发光特性的影响，建立了激发态铒离子耦合及其动力学模型。( 5 ) 掺铒光 波导放大器增益特性的研究。主要以玻璃和氧化铝为基质，以脊形和矩形截面为主。 大连理工大学课题组，在掺铒、镱铒共掺a l 舳3 薄膜制备、光波导放大器增益特性 的数值模拟和镱铒共掺a 1 2 0 3 光波导放大器增益特性的测量等方面，作了大量工作1 5 , $ 1 - 7 4 】。 虽然国外已有掺铒光波导放大器产品问世，如美国的n o r t h s t a r 光予公司、法国的 ! t e e m 光子公司等先后推出商业化产品，增益在1 0 d b 2 0 d b 之间，但性能、参数并非十 分理想。功能比较单一。目前，掺铒光波导放大器研究仍主要聚焦在上述四个方面。特 博l 论史第一章：绪论 别是在国内，掺铒光波导放大器研究起步较晚，许多基础工作还有待 二进行深入的探索。 掺铒光波导放大器所具有的显著优势，已赢得众多商家的青睐。加速埘掺铒光波导放火 器的研究，势在必行。 1 3 本论文的主要内容 论文的第一章扼要论述了光波导放大器研究的国内外进展。 论文的第二章，用有限元方法分析脊形掺铒a 1 2 0 3 光波导放大器内部的电磁场分布， 速率方程求解三价铒离子五能级系统的粒子数分布，结合信号光和泵浦光的传输方程， 数值模拟了： ( i ) 单级掺铒a i z 0 3 光波导放大器的净增益特性。计算中，考虑了双向的放大自发 辐射、用b e s s e l 分稚替代文献中g a u s s 分稚求解各单元的入射总场。讨论了掺铒光波导 放大器参数的优化设计，如最佳掺铒浓度、最佳波导长度等。详细分析了掺铒光波导放 大器净增益与泵浦功率、信号功率的关系。 ( 2 ) 多级脊形掺铒a 1 2 0 3 光波导放大器级联时净增益特性。定义了第一类净增益亏 损、第二类净增益亏损，讨论了它们与掺铒浓度和光波导放大器排列方式的关系。 ( 3 ) 光波导在刻蚀过程中出现的侧蚀和倒角对净增益的影响。 论文的第三章，介绍了三种硅基掺铒、镱铒共掺a 1 2 0 3 薄膜的制备工艺( 微波等离 子体磁控溅射沉积法、中频磁控溅射沉积法、熔胶一凝胶法) ，探索了工艺参数对薄膜质 量的影响。制备的薄膜致密、均匀。测量了各种薄膜的光致发光特性，中一t l , 波长在1 5 3 9 m 1 5 4 p _ m 之间，半值宽度在4 5 6 0 n m 范围内。铒的最佳掺杂浓度为1 4 a t 左右，镱铒掺 杂浓度的最佳比率为9 ：1 。同时讨论了掺铒、镱铒共掺a 1 2 0 3 薄膜光致发光强度与退火温 度、泵浦功率的关系。 论文的第四章，介绍了掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃的制作工艺，测量了玻璃样品的 光致发光特性和两级级联时的光谱特性。结果表明：掺铒硅酸盐玻璃的最佳泵浦波长为 9 8 1 6 n m ，镱铒共掺硅酸盐玻璃的最佳泵浦波长为9 7 2 1 n m 。两级掺铒硅酸盐玻璃级联时， 光致发光强度不仅与样品的掺铒浓度有关，而且还与样品的排列方式有关，实验结果与 第二章的数值模拟相吻合。 论文的第五章，用镱铒共掺a h 0 3 薄膜刻蚀成直线沟道、矩形截面( 1 0 p m 1 0 4 1 a m ) 的光波导放大