（光学工程专业论文）掺铒及铒镱共掺al2o3薄膜材料荧光特性的理论研究.pdf

大连理工大学硕士学垃论文 摘要 光透信器件的集成化是现代光通信的发展方向。工作于1 5 3 衄光通信窗口的掺铒 集成光波导放大器( ( e d w a ) 是继掺铒光纤放大器( ( e d e a ) 、半导体光放大器之后的又一新 型光放大器，近年来引起人们极大的兴趣。掺铒光波导放大器具有损耗低、单位长度增 益高、体积小、成本低、噪声系数低、很小的极化相关性，便于集成等特点。它能够非 常容易地与隔离器、相位阵列波导、分插复用器、调制器、光开关等损耗器件集成在同 一慕片上，从蔼制成多种光透信集成宥源器磐。 作为光波导放大器的基础，对掺铒薄膜材料的发光特性的研究就显得尤为重要。研 究表明d 在越2 0 3 薄膜基质材料中具肖较大的溶解度，可进行离淋度的掺杂，在短距离 内获得较大的增益。 本文介绍了掺铒光波导放大器的基本原理和历史发展过程，近年来的研究成果，以 及该器件的特点和应用。论文介绍了以a 1 3 0 2 作为基质的掺铒光波导敦大器的优点，理 论上研究了掺铒及铒镱共掺a 1 2 0 3 薄膜材料荧光特性。针对9 8 0 n m 泵浦波长给出了具体 的速率方程，进行掺铒光致发光特性理论计算，得到荧光强度和反转粒予数对泵浦强度 和掺铒浓度的依赖关系。在确定的掺铒浓度下，随泵浦光强的增加荧光强度反转粒子数 均趋于饱和。丽在一定的泵浦强度下，随掺铒浓度的增加，荧光强度单调增加，掰反转 粒子数赠有一极值，存在一最优的掺铒浓度。同时对激发态吸收和合作上转换对发光特 性的影响，进行了分析和讨论。 研究了铒镱共掺技术对光波导材料荧光特性豹改善，给出尽前考虑较全匿豹一套铒 镱共掺系统的速率方程。理论表明，镱的共掺杂提高了铒l _ 5 3 1 j = m 的荧光强度，计算出 对威不同l 搀镱浓度，荧光强度藉铒浓度韵关系以及荧光强度与镱掺杂浓度的关系。镱的 共掺杂，大犬降低了实现粒子数反转的闽值泵浦强度。 铒镱共掺a 1 2 0 3 光波导放大器较好地解决了高掺铒浓度时铒离子的浓度猝灭效应、 合作上转换薄问题，提高了单位长度的增益，鞭此具有广阔的应用前景。 关键词：掺褂光波导放大器；荧光强度；速率方程；台作上转换：激发态吸收 掺铒及辑镱共掺a i ：o j 薄膜材料荧光特性豹理论研究 t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fp 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 so f e rd o p e da n d y b - e rc o - - d o p e da 1 2 0 3f i l mm a t e r i a l s a b s tr a o t i n t e g r a t i o no fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e v i c e si st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 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 ri san o v e lo p t i c a la m p l i f i e ra f t e r e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e ra n ds e m i c o n d u c t o rw a v e g u i d e sa m p l i f i e r i th a sa t t r a c t e dag r e a t a t t e n t i o nf o rg a i na t1 5 3 t m 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 rh a ss e v e r a la d v a n t a g em e r i t s ，s u c ha sl o w - l o s s ，h i g h g a i n ，s m a l ls i z e ，l o wc o s t , s m a l ln o i s ef i g u r e ，s m a l lp o l a r i z a t i o nr e l a t i v i t y i tc a nb ee a s i l y i n t e g r a t e dw i t hi s o l a t o r s ，a r r a y - w a v e g u i d eg r a t i n g s , m u l t i p l e x e r s ，m o d u l a t o r s , s w i t c h e se t ci n a l lo p t i c a lc h i p 髓ep a p e ri n t r o d u c e se 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 ra n dd o p e dy t t e r b i u mc o - d o p e d w a v e g u i d ea m p l i f i e r s ，p r i n c i p l e ，t l a ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no ft h ed e v i c e ，f o r9 8 0n n l p u m pw a v e l e n g t h , r a t ee q u a t i o n sa r ef o u n d e dc o n s i d e r i n gt h ee x c i t e d - s t a t ea b s o r p t i o na n d c o o p e r a t i v eu p c o n v e r s i o nb a s e d0 1 1f _ x - d o p e da n dy b 也c o d o p e d d 2 0 3f i l mm a t e r i a l s p h o t o l u m i n e s e e n c ea n dp o p u l a t i o ni n v e r s i o no fe r b i u mi sc a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y y t t e r b i u ma n de r b i u mc o - d o p e dt e c h n i c a li m p r o v e sf l u o r e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n d p o p u l a t i o ni n v e r s i o no fo p t i c a lw a v e g u i d em a t e r i a l r a t ee q u a t i o n so fy t t e r b i u ma n d e r b i u m c o - d o p e ds y s t e ma r ef o u n d e d t h ed e p e n d e n c eo fp h o t o l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t yo nd i f f e r e n t y ba n de rc o n c e n t r a t i o ni ss h o w n y b d o p e di m p r o v e sp 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 a n dg r e a t l yr e d u c e st h r e s h o l dp u m pi n t e n s i t yf o rp o p u l a t i o ni n v e r s i o n y b e r c o - d o p e da 1 2 0 3w a v e g u i d ea m p l i f i e rh a ss o l v e de r b i u mi o nc o n c e n t r a t i o n q u e n c h i n g a t h i g he r b i u mc o n c e n t r a t i o ne n h a n c e dt h eu n i tl e n g t hg a i na n dw i d e n e d a p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：e r - d o p e dw a v e g u i d ea m p l i f i e r ，p h o t o l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t y , r a t ee q u a t i o n s ， c o o p e r a t i v eu p c o n v e r s i o n ，e x c i t e ds t a t ea b s o r p t i o n i l - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写的研究成栗，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贯献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论立作者及指导教师完全工解“夫连理工大学硕士。博士学位论文版 权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子舨，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和蜒编学位论文。 作者签名： 导师签名：李：亟鼠一 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 选题的科学依据和意义 在光纤通信网络中，由于光纤内的损耗和色散，使得光信号的幅度越来越小，使长 距离光纤通信受到限制，目前光纤损耗的典型值在1 3 p x n 波段为0 3 5 d b 。因此传统的光 纤长途传输系统需要每隔一定的距离就增加一个再生中继器以保证信号的质量。这种再 生中继器的基本功能是进行光电光转换，并在光信号转变为电信号时进行再 生、整形和定时处理，恢复信号的形状和幅度，然后再转换为光信号，沿光纤线路继续 传输，这种方式有许多缺点。首先，通信设备很复杂，系统的稳定性和可靠性不高，特 别是在多信道光纤通信系统中更为突出；其次，信号容易失真，影响通信质量；最后， 传输容量受到一定的限制。多年来，人们一直在探索去掉光电光转换过程，直 接在光路上进行放大，即用一个全光传输型中继器代替光电光转换中继器，经 过多年的努力，现已发明了几种光放大器。 目前光放大器主要有三类1 1 】：半导体光放大器( s o a ) 、掺稀土类光放大器( r e o a ) 、 非线性效应光放大器( f l 认) 。 1 半导体激光放大器 半导体激光放大器( s o a ) 是由半导体材料制成的，是根据1 9 5 4 年t o w n s 提出的 感应发射的原理制成的，如果将半导体激光器两端的反射镜去除，即变成没有反馈的半导 体行波光放大器，它能适合不同波长的光放大。半导体激光光放大器( s o a ) 8 0 年代后 取得了重大的进展。半导体放大的增益实现是借助电驱动。按其工作方式分为谐振式 放大器( f p a ) 和行波式放大器( t w l a ) 两种。谐振式放大器( s o a ) 的工作波长 区为1 3 0 0 1 6 0 0 r i m 。将具有不同增益谱中心的半导体光放大器串接，等效增益谱将是各 个放大器增益谱的叠加，可以获得较大光波长范围内的平坦的增益( 其不平坦度小于 0 5 d b ) 。另外它还有体积小、功耗低等优点。 谐振式放大器( s o a ) 缺点有以下几个方面：1 、与光纤耦合时耦合损耗大，整体 增益效果小；2 、在平行于激活层的极化波( t e 波) 与激光器激活层直角饷极化波竹m 波) 之间的增益效果不一样，故要研究对半导体激光放大器的光入射方法；3 、噪音特 性和失真特性较大。所以，在光通信中应用范围较窄。 2 非线性光纤放大器 受激拉曼散射( s r s ) 和受激布里渊散射( s b s ) 光纤放大器同属非线性光纤放大 器1 2 】，它们是利用强的光源对光纤进行激发，使光纤产生非线性效应而出现拉曼或布里 掺铒及铒镱共掺蛳薄膜材料荧光特性的理论研究 渊散射，在这种受激发的一段光纤的传输过程中得到放大。它的主要缺点是需要大功率 的半导体激光器作抽运源( 约0 5 - - l w ) 。 3 掺稀土类光放大器 掺稀土类光放丈器中典型的是掺铒光纤放大器( e d f a ) 和掺铒光波导放大器 ( e i ) w a ) 。掺铒光纤放大器( d f a ) 是最成熟的掺稀土元素光纤放大器，目前已经 实用化。它是将铒( 戡) 这种稀土元素注入到纤芯中，形成一种特殊豹光纤，在抽运光 的作用下可直接对某一波长的光信号进行放大。掺铒光纤放大器具有增益高、噪声低、 饱和输出功率大、增益特性与光的偏搌态无关、串音小、频带宽、容易与传输光纤耦舍， 稳定性高等一系列特点p 刊，可分别作为前级放大、末级放大、中继放大，广泛应用于 长距离通信，海底通信，光纤孤子通信系统和光纤复用系统中，因此受到高度重视。 掺锤光纤放大器虽然具有高增益，低噪声等一系列优点，但其固有的缺点，如增益 谱在3 0 n m 有用的波长范围内不均匀，需使用均衡技术来克服( 达到3 d b 以内) ；特别 是放大器增益光纤长度在6 0 - - - 1 5 0 m 左右，不利于集成讫，极大的局限了它的应用范藿。 因而掺铒光波导放大器的研究逐渐受到人们的重视。 在光通信的发展过程中，掺铒光纤放大器( e d 乳q 的发明是光纤技术自低损耗石英光 纤问世后的又一个里程碑，也是光纤器件从无源器件发展到有源器件的重大突破。虽然 掺铒光纤放大器的高增益、低噪声等优点在光波传输系统中发挥着举足轻重的作用，。但 是在未来的全光通信系统中，因其体积大、无法小型化、集成化，所以掺锊光波导放大 器的研究逐渐受到人们的重视。与掺铒光纤放大器( e d f a ) 相比，光波导放大器 ( e d w a ) 巽寄损耗低、单位长度增益离、体积小、成本低、噪声系数羝、很小的 极化相关性以及不存在通道间的串扰等特点。可用作末端放大器、前置放大器、在线放 大器、功率放大器以及光纤到家( 咖和光纤到路边( f r r c ) l 硼络中的无损分路器等。它 在城域网、本地接入网中将有很好的市场前景，在长途主干网中也将具有一席之地。在 军事航空航天领域，适用予野战光通信的在线放大器，军用光纤传感器、光纤陀螺的末 端放大器、蔫置放大器以及光控相控阵雷达中的光无损分路器等。 随着数字通信业务量的持续增长，未来宽带通信将是全光通信已成为共识，与电通 信的发展相似，光遵信将向小型化、集成化方向发展。光波导放大器具簿在短光路上提 供高增益的能力，其许多固有的优势，如阵列集成，与无源器件的进一步集成均来源于 此，这为厂家设计紧凑的放大器提供了更大的灵活性。凭借这些优势，e d w a 将在光通 信颁域发挥越来越丈的作用。 近年来，世界上一些光电子制造商，如t e e mp h o t o n i c s ( m e y 1 a n ，f r a n c e ) ，n k t i n t e g r a t i o n ( d e n m a r k ) ，i n p l a n ep h o t o n i e s ( s o u t hp l a i n f i e l d ，u s a ) ，w a v e g u i d e 大连理工大学硕士研究生学位论文 s o l u t i o n s ( c h a r l o t t e ，u s a ) 等针对光通信网络中的应用，开发了多种的e d w a 产品。目前 来看，现有的e d w a 产品主要应用在以下方面： 1 e d w a 的多波长放大 e r 3 + 在整个转换带宽上增益高、低噪声指数的特性使e d w a 适合作为光通信系统中 的宽带放大器，o f c 0 1 中报道了d w d m 非循环传输系统中使用e d w a 同时对8 个 不同波长0 d l m 信号放大得到了1 4 d b m 输出，其中每个波长承载3 5 个6 m h z 、6 4 q u 讧( 积 分幅度调制) 信号，共传输了1 7 5 k i n ，系统中e d w a 长9 6 c m ，采用前后两个1 2 5 r o w 9 8 0 n m l d 进行双向泵浦，整个放大系统无源时总损耗2 5 d b ，其中包括波导损耗 1 4 d b c m ，两端各0 2 d b 的光纤耦合损耗和0 2 d b 波分复用器损耗以及0 5 d b 的隔离器 损耗，增益峰位于1 5 3 5 n m ，在1 5 3 0 1 5 6 0 r i m 波段增益均超过9 d b ，而噪声指数全部低 于6 d b 。 e d w a 放大带宽较宽的特性使其适合作为d w d m 系统中的第一级放大器，先对所 有波长的信号进行总放大，通过波分复用器解复用后在对每个波长信号分别通过e d w 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的效果。事实上，已经有 人将上述的功能集成在同一基片上，这就是阵列型e r 3 7 舯3 + 共掺玻璃波导放大器 ( e d w aa r r a y ) 。 2 阵列型e r 3 - 厂y b 3 + 共掺玻璃波导放大器 e d w aa r r a y 将多个e d w a 集成在同一个基片上，这种集成度更高、结构更加紧 凑的放大器非常适合城域网入网和c a t v 应用。典型的e d w aa r r a y 内含8 个e d w a ， 封装尺寸仅为2 2 x1 3 5 1 7 c m 3 ，其中包括泵浦光信号光复用器、光电二极管输出检 测耦和系统、p i n 激光二极管等。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，这样就会带来一系列的好处，如可以降低对多波长光交叉连接和光开 关制作种中功率分配地控制精度的要求。 3 基于e d w a 的1 n 合分波集成放大器 为了适合光通信系统中的实际应用，将合分波器与e d w a 集成在一起，制作出了 基于e d w a 的1 n 合分波集成放大器。 这种放大器由泵浦激光器( 含t e c 制冷器) 、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，其中1 n 合分波器有功率 型和波长型两种。典型的，如1 x 4 、1 8 型合分波集成放大器，可分别将4 路或8 路 信号光放大后，复用到单根光纤输出；也可以先将单根光纤输出的信号光放大，解复用 后耦合到多路光纤输出。 掺铒及铒镱共掺a h o ，薄膜材料荧光特性的理论研究 综上述可以看出，e d w a 的应用非常灵活，在特定的应用途径下可以和隔离器、相 位阵列波导、分插复用器、调制器、光开关等损耗器件集成在同一基片上，从而可以制 作成多种光通信用集成有源器件。这顺应了光通信向小型化、集成化方向发展的趋势。 1 2 光波导放大器 光波导放大器是9 0 年代初出现的一种新型的集成光学器件，它是继半导体光放大 器、光纤放大器之后又一个新型光放大器。 研制1 5 3 t t m e d w a 或y e d w a 是目前光有源器件研究的热点，它体积小，制造成 本低，性能稳定可靠，便于集成。e d w a 是继e d f a 和半导体激光放大器( s 0 i a ) 研制 成来一种很有发展前途的光放大器。e d w a 结构紧凑、尺寸小巧、单位长度增益高，适 合于有限空间内的灵活应用。e d w a 非常容易与任何损耗器件集成在同一基片上，如隔 离器、相位阵列波导、波分复用器、调制器、光开关、光交叉连接器等，从而为集成光 路引进多种有源无源器件。把这些功能集成在一起可以消除器件对接问题，提高器件的 可靠性，使很多光学功能在一块芯片中无损耗的完成。如图1 1 为一波分复用器、放大 器、分光器集成在一起的例子。其中为了在微小芯片上集成，波导放大器刻成环绕状的 几何结构，以增加波导长度，产生足够的增益。 图1 1 与波分复用器( w d m ) 、分光器( s p l ) 集成的波导放大器示意图 f i g 1 1 s e h e m a t i co f a l le r d o p e dw a v e g u i d ea m p l i f l e r ( e d w a ) i n t e g r a t e dw i t h w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l f i p l e x e r s ( w d m s ) a n das p l i t t e r ( s p l ) 一4 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 光波导放大器一般由5 个部分组成：增益介质、激励光源( 即泵浦源) 、耦合器( 用 于信号光与泵浦光的耦合) 、以及为了防止光敖大器引起- 振荡的光隔离器( 仅让光在一 个方向上通过的部件) ，如图1 2 所示。封装时常将增益介质波导、耦合器与泵浦源及 外围电路一起封装形成光波导放大器模块。特殊波长的信号光和泵浦光经过光耦合器进 入光纤后，通过波导光纤对接耦合模块进入波导，在波导中信号光、泵浦光与增益介 质相互作用，使信号光得到增强( 放大) ，傲大的信号光经过输出模块耦合出波导而进 入光纤，经过隔离器后得到信号光输出。 u vm 、w 输入的光耦 掺e r o g r - y b ) 人餮信号光人 合器 玻璃波导 ill l l i ，7 0 互 i ： 0 7 激励 能源 图1 - 2 光波导放大器的构成 f i g 1 2 w a v e g u i d ea m p l i f i e r sc o n s t i t u t e 输出 1 3 光放大器的基本原理 光放大器的工作原理是基于信号光、泵浦光与物质( 即增益介质) 的相互作用。在 通常状态下，增益介质中的原子( 或离子) 处于最低的能级( 设能量为e 1 ) ，这时原子( 或 离子) 的状态叫做基态。当一定波长的光照射物体时，物体中的某些原子( 或离子) 能 够从入射光子中吸收能量，从基态跃迁到较高的能级，设各能级的能量分别为e 2 ，e 3 ， 日，且e 1 e 2 式中助为小信号增益，i s 为饱和光强，g ( d 称为大信号或饱和增益系数。 1 4 影响e d w a 增益的因素 1 e r 离子的浓度和光波导放大器结构 铒离子的掺杂浓度对e d w a 的特性有显著的影响。对某种基质材料来说存在一个 最佳浓度，浓度过高或过低均不利于形成激光放大。若掺杂浓度过低，在掺杂离子总有 效数少于入射光子的部位，激发态有可能被耗尽，所以光信号的放大受限于可被利用的 有限的离子数目。反之，若掺杂过多，则会出现两种情况：其一是出现所谓浓度遏制问题， 即高浓度掺杂时，相邻的铒离子之间会出现一种非辐射交叉弛豫过程( 上转换) ；另一个 问题是，高掺杂将会导致聚合物基质中产生结晶现象，这对光放大是不利的，会导致放 大噪声性能恶化。因此，在增益于噪声之间要进行折中，对聚合物基质中掺铒离子掺杂 浓度的优化是e d w a 的重要课题之一。 光波导放大器结构( 几何参数和物理参数) 对e d w a 的特性也有很大的影响【7 9 1 。通 过优化e d w a 的结构，提高抽运光、信号光光场分布之间以及它们和铒离子浓度分布 之间的重叠，可提高放大器的增益。 2 协同上转换效应1 1 0 】( c u c ) 为了确保光波导器件的紧凑性和在较短长度上获得足够的光增益e d w a 中e r 元素 的浓度应尽量高，一般情况下e r 的浓度为0 1 1 a t 。如此高的e r 浓度使得e r 3 + 粒子间 的距离变得很小，从而产生严重的离子聚集或称”团簇”现象。这种对感应引起的浓度猝 灭降低了给定泵浦功率下激发态铒离子的比例。c u c 效应主要与掺杂浓度有关，掺杂 浓度越高，c u c 作用越明显。还和泵浦功率有关，由于合作上转换需要两个处于激发 态的离子，因此在低泵浦水平下这种情况并不明显，但随泵浦强度的增加，这种效应也 会增加，从而降低了泵浦效率和信号光的增益。 大连理工大学硕士研究生学位论文 3 激发态吸收【n 1 ( e s a ) 这个过程与信号光和抽运光都有关系，它才呶影响到信号增益，一啼耐壬影响到抽运效 率。 高能级离子吸收泵浦光子或信号光子后跃迁到更高的能级上，即使最终回到4 1 1 抱 能级，但是这个光子的能量通过热辐射或其它波长的自发发射损耗掉。所以两个泵浦光 子仅产生一个亚稳态离子，损失了一个光子的能量。如果在这个过程中某个高能级的离 子通过辐射直接返回基态，两个泵浦光子就都损失了。e s a 过程与泵浦强度有关，泵浦 强度越大，e s a 跃迁速率越大。激发态吸收降低了泵浦效率。激发态吸收限制了e d w a 的最高抽运功率，从而使单端抽运的放大器存在一个最大长度。 4 抽运波长 e d w a 的抽运波长可以是9 8 0 r i m 或者1 4 8 0 h m 。波长为1 4 8 0 a m 的抽运光形成一个 准三能级系统，而且抽运光波长与信号光波长相近，模场重叠很好，而且散射损耗低， 但由于该抽运光会产生波长为1 4 8 0 a m 的受激发射，这种效应限制了粒子数的反转的程 度。波长为9 8 0 n m 的情况下，受激的e r 3 + 发生无辐射跃迁( 到第一激发态) ，抽运光产生 的受激发射很弱，故一般采用9 8 0 r i m 的抽运光。 5 激发迁移和非辐射猝灭 激发迁移和非辐射猝灭是掺e 一波导中的两种能量转移过程：一个处于激发态的 e ，可以将其能量传递给附近的另一个基态e 一，或者与非辐射淬灭位置相互藕合，前 者不会降低e r 3 + 的个数，后者则会降低放大器增益。比如。o h 的伸缩震动与e 一从第 一激发态到基态的跃迁产生共振。研究表明e 一的荧光寿命与掺饵基质中的氢氧根有关。 当基质中e d + 的浓度较高时，这种效应会更加明显，使抽运功率降低。因此掺铒材料的 制作过程中，应注意不引入与e 一相互藕合的杂质或缺陷。 6 模式重叠 为了优化放大器的特性，信号光和抽运光的模场分布应该与e r 3 + 浓度分布重合。对 于折射率差值较小的波导，可能有一部分光在没有掺杂的包层材料内传播，降低了单位 长度的增益。 7 波导损耗 波导损耗来源于光的吸收和散射。为了得到净增益，必需用受激辐射补偿波导内部 信号的损耗，此外抽运光的散射也会降低放大器的增益。因此，为了提高单位长度波导 的增益，降低波导损耗是十分重要的。 掺铒及铒镱共掺a 1 2 0 a 薄膜材料荧光特性的理论研究 1 5 掺铒光波导放大器及薄膜材料的的国内外研究进展 首例掺稀土元素的有源光波导( 平面光波导) 器件是在1 9 7 2 年用溅射技术制作的掺 钕【1 2 】激光器。1 9 8 3 年，e n n e n 等人【1 3 】首次提出了稀土元素铒离子发出的1 5 3um 波段 的光具有很大的潜在应用价值。从此以后，掺铒光波导材料的研究不断广泛深入。 1 9 9 1 年，日本的k i t a g a w a 等人1 1 4 】首次在硅衬底上用火焰脱水沉积法制作出掺铒平 板波导激光器；加拿大的h o n l 【柚e n 【1 5 】等人用离子交换法获得了掺铒磷酸盐单模玻璃光 波导放大器，在1 5 51 t1 1 1 波长附近单位长度的增益为2 d b c m 。 1 9 9 2 年7 月，美国贝尔实验室的s h m u l o v i c h 1 6 】等人在硅基片上制成了1 5 5 | lm 波段的掺铒光波导放大器，在2 4 c m 长的器件上获得的增益正好补偿器件的损耗，观察 到的净增益为o 。 1 9 9 3 年1 月，日本的k i t a g a w a 【1 7 】等人制作了4 7 c m 长的掺铒( 含镱( y b 3 切光波导放 大器，在4 0 m w 功率泵浦下，得到1 3 7 d b 净增益；美国的n y k o l a k 1 8 l 等人在氧化硅衬 底上制作出掺铒薄膜光波导放大器，在4 c m 长的器件上获得了1 5 d b 的增益。 1 9 9 6 年，美国a t & t 实验室的r u b y 等人【1 9 】制作出了闽值功率为8 1 0 i i l w 、净增 益为3 7 - 4 5 d b 的掺铒平面光波导放大器。 1 9 9 6 年，p o l m a n 等人首次报道了小尺寸硅基底舢2 0 3 光波导放大器； 1 9 9 7 年，美籍华人c h e n g c h u nl i 等人【冽锘i j 作了1 t o m 长恻参铒光波导放大器，其 净增益7 2 d b 。 1 9 9 8 年，法国的b a r b i e r 2 1 】等人制作了8 6 c m 长的掺e r 3 + y b 3 + 的玻璃光波导放大器， 净增益为”d b 。 1 9 9 8 年，谢大韬等人用凝胶法合成掺铒硅酸盐玻璃，室温测得1 5 靴m 波段的荧光 ：蚯 旧o 2 0 0 0 年2 月，韩国的c h o i 2 2 等人制作了掺e r 3 + a n + 的玻璃光波导放大器，在2 0 m w 的泵浦( 泵浦波长9 8 0 n m ) 功率下获得了5 d b 的增益。 2 0 0 1 年p g k i k 和a p o l m a n l 2 3 1 采用离子注入方法将铒和硅同时掺入二氧化硅中， 发现纳米硅的存在使饵离子荧光谱强度得到了较大的增强。 2 0 0 2 年，中国香港城市大学的s f w 0 n g 【2 4 】等人用a g + l i + 离子交换制作了铒镱共掺 磷酸盐玻璃波导，用9 8 0 n m 光泵浦，在1 2 0 m w 的泵浦光功率作用下，得到了3 3 d b e m 的小信号净增益；同年，荷兰的l h s l o o f f 等人【捌开始尝试掺杂有机聚合物材料制作面 积1 6 m m 2 、长度1 5 c m 的掺铒光波导放大器。理论表明，在1 4 8 0 r i m 波长抽运功率 5 0 m w ，获得1 2 d b 增益。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 0 0 3 年，a s u a r c z g a r c i a 等人利用脉冲激光沉积了镱铒共掺三氧化二铝薄膜，讨 论了离子间的距离对铒离子在1 5 9 m 波段发光的影响； 2 0 0 3 年，意大利的j o s e 2 6 】等人用离子交换方法在e r 3 1 m 3 + 共掺磷酸盐玻璃基质上 制作出了光波导放大器和激光器，激光器的最大输出功率约1 7 m w ，放大器的最大内增 益约1 1 3 d b ，信号光波长为1 5 3 4 m 。香港城市大学的u u 等人1 2 7 】用聚焦质子柬辐射法 在e r 3 + 产共掺磷酸盐玻璃上制作出掩埋波导，在9 0 r o w 泵浦功率下，j 生1 5 3 4 也m 波 长处获得了1 3 d b c m 的小信号净增益。 2 0 0 4 年，k i m f f l os o l e h m a i n e n z 8 j 等人在硅基上制作了掺铒a 1 2 0 3 波导，在3 9 c m 长 的波导上面得到了6 d b 的增益；同年香港城市大学w h w o n 等人研制成功e ? + - y b 3 + 共 掺的有机聚合物光波导放大器，掺杂e p o x y n o v o l a kr e s i n ( e n r ) 聚合物材料f 正式名为 n a n a o t m s u 82 0 0 0 ) ，采用电子束直接写入方法制作通道波导，在9 8 0 n m 波长加载抽 运光功率1 1 0 m w ，在1 8 m m 长的多模通道波导中获得增益高达1 3 d b 。 2 0 0 5 年香港城市大学的w h w o n g 2 9 】等人采用紫外光直接写入的方式制作出 e r 3 * y b 3 + 共掺的有机聚合物光波导放大器，在9 7 5 n m 波长加载抽运功率1 8 0 r o w ，在 2 0 m m 器件上获得了1 6 5 d b 的光增益。 在国内，1 9 9 9 年，南开大学的宋峰【3 0 】等人利用k i g r e 公司提供的e 一) 3 + 共掺磷 酸盐玻璃作为激光介质，在1 5 4i im 附近得到了1 0 2 m w 的激光输出；同年，北京理工 大学的陈淑芬f 3 1 】等人进行了有关掺铒铌酸锂光波导放大器的理论研究。 2 0 0 0 年，中国科学院上海光学精密机械研究所的张龙【3 2 】等人对磷酸盐e r 玻璃的荧 光特性作了实验研究，实验表明磷酸盐e r 玻璃是理想的1 5 | lm 光波导放大器基质玻璃 材料。 2 0 0 1 年，大连理工大学的巢明【3 3 】等人在国家自然科学基金的资助下进行了有关掺 铒灿2 0 3 光波导放大器的理论研究；同年，中国科学院上海光机所的柳祝平等人进行了 有关e r 3 + y b 3 + 共掺磷酸盐玻璃材料方面的研究，成功制作出了适合于离子交换的 e ? * y b 3 + 共掺磷酸盐玻璃材料；与此同时，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 的牛春晖等人对掺e r 磷酸盐玻璃中红外发光特性进行了实验研究，实验表明磷酸盐铒 玻璃是理想的1 5pm 光波导放大器基质玻璃材料。 2 0 0 2 年，中国科学院上海光机所的柳祝平i 列等人进行了有关l d 泵浦的e p 二) 3 + 共掺磷酸盐玻璃材料激光性质方面的研究：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 的郑杰等人对离子交换铒掺杂磷酸盐玻璃波导特性进行了研究，所用玻璃是美国k i g r e 公司的，实验表明离子交换过程对材料的发光过程没有大的不良影响。 掺铒及铒镱共掺a b 0 3 薄膜材料荧光特性的理论研究 2 0 0 4 年上海交通大学的慕桓1 3 5 】等人利用中国科学院上海光机所生长的e r 3 + v b 3 + 共 掺磷酸盐玻璃材料进行了离子交换波导制作的实验研究。 2 0 0 5 年，李成仁、宋琦等人研究了非均匀掺杂波导放大器的增益特性，并随后成功 制备了镱铒非均匀掺杂三氧化二铝薄膜； 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 掺铒ai 。0 。薄膜材料的荧光特性 2 1 铒离子的能级结构及掺铒光波导放大器的基本原理 2 1 1 铒离子的能级结构 稀土元素是很好的发光材料，它们的发光特性主要和它们的原子结构相关，特别是 和它们的原子外层电子结构有关。镧系稀土元素铒f e r ) 的原子序数为6 8 ，原子质量为 1 6 7 2 6 ，原子半径2 4 5 a ，离子半径为o 8 8 1 a , 其电子组态为 g s ae s a 0 g b 0 奇 矗 击 4 g 9 2 4 g n 龙i _ l l i _ _ _ i i _ 2 h 眈 砭 4 耽 z h l l 门- _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ - i _ _ - i _ 一 4 s 3 尼一 参勃 4 l 妮 4 1 1 1 尼 3 6 0 n m 3 8 0 n m 4 0 0 n m 4 5 0 n m 4 9 0 n m 5 3 0 n m 5 5 0 n m 4 8 0 n m 5 0 0 n m 5 5 0 n m 6 3 0 a m 7 1 5 n m 7 9 0 n m 8 5 0 n m 6 5 0 n m l1 4 0 n m 8 0 0 r i m 9 8 0 r i m 1 6 8 0 n m 2 7 0 0 衄 图2 1e r 舢的斯塔克能级分裂示意图 g s a 和e s a 分别代表来自于基态和第一激发态的吸收跃迁波长 f i g 2 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no ft h es t a r k - s p l i te e n e r g y l e v e l s g s aa n de s a r e s p e c t i v e l yd e n o t ec o r r e s p o n d i n gt r a n s i t i o nw a v e l e n g t h so ft h eg r o u n ds t a t ea n dt h e f i r s te x c i t e ds t a t ea b s o r p t i o n 弧。i。丝 加 托 他 8 4 掺铒及铒镱共掺a 1 2 0 3 薄膜材料荧光特性的理论研究 l s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 1 0 4 s 2 4 p 6 4 d 1 0 4 f 1 2 5 s 2 5 p 6 6 s 2 ，价电子组态为4 f 1 2 6 s 2 ，在发生化学反应时e r 原子容易失4 f 电子，相应的电子排布是4 s 2 4 p 6 4 d 1 0 4 f 1 1 5 s 2 5 p 6 ，e r 的外层电子结构由5 s 和5 p 电子层组成，+ 离子具有不完全4 f 内电子壳层，它的4 f 电子被提升到5 d 轨道 上，形成4 f 1 1 6 s 2 5 d 1 的价电态。h u n d 定则决定e r 的4 f 1 1 的基态光谱是4 1 9 ，自旋轨道相 互作用将4 i 项分裂成四个多重态，它们分别为j = 1 5 2 、1 3 2 、1 1 2 、9 2 ，酣+ 离子其第 一激发态4 1 1 3 2 至基态4 1 1 北的能级差为0 8 e v ，对应波长为1 5 3l lm ，正是光通信处于最 低损耗窗口所在的波长。但是由于4 f 组态内各种状态的宇称相同，这种电偶极跃迁在 纯e r 3 + 中是禁戒的。当e 一掺入其它的基质中时，由于载体场的奇次场作用，晶体场将 对e 一能级的位置产生微扰，自旋一轨道多重态分裂成一系列s t a r k 能级，破坏了选择 定