（凝聚态物理专业论文）稀土共掺杂al2o3薄膜发光性能及其结构的研究.pdf

原创性声明 1 4 嗍i i l i i y 17 4 10 7 9 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期： 上海大学理学硕士学位论文 稀土共掺杂a 1 2 0 3 薄膜发光性能及其 结构的研究 姓名：麦丽丽 导师：徐飞副教授 学科专业：凝聚态物理 上海大学理学院 2 0 10 年6 月 上海人学硕j j 学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o rt h ed e g r e e o fm a s t e ri ns c i e n c e s t r u c t u r a la n d o p t i c a lp r o p e r t i e so f r a r e - - e a r t hc o d o p e d a i z 0 3t h i nf i l m s m d c a n d i d a t e ：l i l im a i s u p e r v i s o r ：f e ix u m a j o r ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s c o l l e g eo fs c i e n c e s ，s h a n g h a iu n i v e r s i t y j u n e ，2 0 1 0 1 v 1 - 海大学硕士学位论文 摘要 纳米晶硅( s i n c ) 被认为是e r 的有效宽带光敏化剂之一。s i n c 在可见光区 有非常宽的宽带吸收，其吸收截面是e r 的一万多倍。当e r 掺入s i n c 中，其激 发截面可达7 x 1 0 椰c l t l 2 。掺e r 硅的p l 效率明显提高，如3 x 1 0 2 0 e r c m 3 掺入纳米 硅的光致发光( p l ) 强度比掺入s i 0 2 增强2 个数量级。实现硅有效光发射是朝 着硅基光电集成发展的关键一步。近十多年来，掺铒硅被认为是获得硅基高效发 光最有希望的途径之一。e ，从第一激发态4 1 1 3 忍跃迁到基态4 1 1 5 2 时发射能量为 0 8e v 的光子，相应的波长为1 5 4 岫。这是一个十分重要的通讯波长，此波长 对于光纤通讯石英玻璃具有最小的光吸收，在光通讯技术的发展中起了巨大的作 用。 本文主要研究了利用磁控溅射制备的稀土( e r ，t m ) 共掺杂三氧化二铝薄膜 的结构、电学和光学性能及利用此技术制备的掺铒多层膜结构及其发光特性。研 究的中心就是利用磁控溅射技术、合成稀土( e r ，t m ) 共掺杂a 1 2 0 3 薄膜，以期获 得红外宽带高效发光，为光通讯1 4 1 7l a m 范围宽带平面光放大器件的研制提供 实验和理论依据。围绕这个中心，将在以下四个方面开展研究工作：i ，优化实 验工艺路线以提高光致发光( p l ) 的发光响应的研究；i i ，光敏化剂对发光性 能的影响的研究；i i i ，薄膜结构，光学和电学特性的研究；，发光机理的研究。 需要解决的关键问题在于获得如何实现高效宽带发光和1 4 1 7l a m 范围宽带发 光特性。具体地，我们开展了两个研究内容的工作，即( 1 ) 稀土( e r ，t m ) 共掺杂a 1 2 0 3 薄膜的发光特性；( 2 ) 敏化剂纳米硅( s i n c ) 对稀土共掺杂a 1 2 0 3 薄膜的发光性能的 影响。 本文第一章主要是研究背景的介绍。对工作在长波段范围1 5 7 0 1 6 2 0n n l 掺 铒光纤放大器研究的同时，对掺t m 光纤放大t d f a 用作短波长区域( 1 4 5 0 1 5 2 0 n m ) 的光放大也在技术考虑范围之内。为了要满足更宽的带宽需求，充分利用 1 4 1 7g m 硅基光纤的低损耗带，其中之一的解决方法就是开发1 4 1 7l a m 的红 外宽带。由于e ，的发光峰是在1 5 3 0n n l 右右，而t m ”的发光峰是分别在1 4 6 0n n l 和1 8 0 0n n l ，那么通过( e r t m ) 共掺就可以获得更大的带宽，以便满足现在光通 讯对带宽的需求。 第二、三章主要集中在掺铒富硅三氧化二铝的制备过程及其结构、电学和光 v 上海大学硕士学位论文 学性能的研究。与s i 0 2 对比，a 1 2 0 3 作为基质材料是一种很有前景的材料，a 1 2 0 3 的有相对高的折射率( n 1 6 ) ，与包层s i 0 2 的折射率差n o 2 ，这样就能很好 的起到光约束的作用。a 1 2 0 3 与e r 2 0 3 品格结构相似，这就使得a 1 2 0 3 作为基质 材料能实现铒离子的高浓度掺杂。由于纳米硅的形成明显提高了吸收截面和降低 了非辐射退激发几率，掺铒富硅三氧化二铝发光薄膜中1 5 4 岬光发射信号明显 增强且温度淬灭不明显。掺铒富硅三氧化二铝发光薄膜中1 5 4 岫光发射与e r 在薄膜中存在形式( 固溶、偏析和沉淀) 和纳米硅有关。能被有效激活的e r 以 固溶的形式存在，偏析和沉淀的e r 没有光学活性。 第四章的主要内容就是讨论在e r 3 + 掺杂富硅a 1 2 0 3 薄膜中，s i n c 与e r 3 + 之 间的能量转移。在激光泵浦作用下，掺铒富硅三氧化二铝中纳米硅产生的激子与 铒产生强耦合得到证实，铒主要的激活过程是通过纳米硅产生的激子的a u g e r 过程把能量传递给e r 3 + ，激发态e r 3 + 辐射跃迁从而产生1 5 4p m 光发射。 第五章同样用了磁控溅射的方法制备了出( e r t m ) 共掺a 1 2 0 3 发光薄膜。研 究了其发光特性，初步探讨了其发光机理。在前一章中研究( e r ：s i ) ：a 1 2 0 3 薄膜基 础上，我们初步掌握了制备薄膜的实验参数及制备条件。这一章主要内容就是通 过对薄膜光致发光变温行为的研究，揭示e r ，t m 之间复杂的能量转移过程。 最后，我们总结了采用磁控溅射的方法制备( e r ：s i ) ：a 1 2 0 3 薄膜和( e r ：t m ) ： a 1 2 0 3 薄膜样品。通过退火的方法来优化薄膜光致发光性能及其分析薄膜结构变 化对发光性能的影响。 关键词：掺铒硅，磁控溅射，纳米硅，光致发光，宽带敏化剂 v l 上海大学硕上学位论文 a b s t r a c t s in a n o c r y s m l ( s i - n c ) a se f f i c i e n tb r o a d b a n ds e n s i t i z e r sf o re r 3 + s i - n ci nt h ev i s i b l er e g i o n h a sav e r yw i d eb r o a d b a n da b s o r p t i o n ，t h ea b s o r p t i o nc r o s ss e c t i o ni st h et e nt h o u s a n dt i m e sm o r e t h a ne r t h ee r 3 + i o n si n c o r p o r a t ei n t os i - n c ，i t se x c i t a t i o nc r o s ss e c t i o nu pt o7 x10 1 7 c m 2 t h e p h o t o l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c yo fe r - d o p e ds i l i c o nm a r k e d l yi m p r o v e d t h ea c h i e v e m e n to f e f f i c i e n tl i g h te m i s s i o nf r o ms i l i c o ni sac r u c i a ls t e pt o w a r d sr e a l i z a t i o no fs i l i c o n b a s e d o p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t i o n i nt h e s el a s tt e ny e a r s ，e r b i u md o p i n go fs i l i c o nh a sb e e nr e c o g n i z e da s o n eo fp r o m i s i n ga n da t t r a c t i v ea p p r o a c h e s m o r e o v e r , t h et r a n s i t i o nf r o mt h ef i r s te x c i t e ds t a t et o t h eg r o u n ds t a t ei ne ，o c c u r sa ta ne n e r g yo fo 8 e v , c o r r e s p o n d i n gt oaw a v e l e n g t ho f1 5 4l a m t h i si sa ni m p o r t a n tt e l e c o m m u n i c a t i o nw a v e l e n g t hs i n c es t a n d a r ds i l i c a - b a s e do p t i c a lf i b e r sh a v e t h e i rm a x i m u mt r a n s p a r e n c ya tt h i sw a v e l e n g t h t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h em i c r o s t r u c t m a l ，e l e c t r o n i ca n do p t i c a l p r o p e r t i e so f e r b i u m s i l i c o n - c o d o p e da 1 2 0 3 ( ( e r s i ) ：a 1 2 0 3 ) t h i nf i l mw h i c hs y n t h e s i z e db ym a g n e t r o n s p u t t e r i n g i no r d e r t of u l l yu t i l i z et h e1 4 - 1 7t t ml o w - l o a s sb a n do fs i l i c a - b a s e do p t i c a lf i b e r s ，w e c o m b i n a t es t r o n gb e a mi o ni m p l a n t a t i o nw i t hm a g n e t r o ns p u t t e r i n gt e c h n i q u e s ，s y n t h e s i so fr a r e e a r t h ( e r , t m ) c o d o p e da 1 2 0 3t h i nf i l m a r o u n dt h i ss t u d yc e n t e r , t h er e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w ： i ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s si no r d e rt oe n h a n c et h ep h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) ； i i ，t h ep h o t o s e n s i t i z i n ga g e n th a v ea ni n f l u e n c eo nt h ep h o t o l u m i n e s c e n c e ；i i i ，t h es t r u c t u r e ， o p t i c a la n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h i nf i l m s ；i v ，l u m i n e s c e n c em e c h a n i s m ；s p e c i f i c a l l y ， w ec a r r i e do u tt h r e ea s p e c to ft h ew o r ka sf o l l o w s ：t h eo p t i c a lp r o p e r t yo ft h er a r ee a r t h ( e r t i n ) c o d o p e da 1 2 0 3t h i nf i l m ；l h ei n f l u e n c eo fs e n s i t i z e rs i - n co nr a r ee a r t hc o d o p c da 1 2 0 3 t h i nf i l m p a r tio ft h i st h e s i si st h ei n t r o d u c t i o no ft h ef i b e rc o m m u n i c a t i o nb a c k g r o u n d a sar e s u l t o fr a p i di n c r e a s ei ni n f o r m a t i o nt r a f f i ct h e r ei sad e m a n df o rb r o a d b a n do p t i c a la m p l i f i c a t i o n b e y o n gt h ec o n v e n t i o n a l b a n do f15 3 0 16 0 0n m ( c + lb a n d ) d e v e l o p e db ye r b i u m d o p e d a m p l i f i e r s i no r d e rt of u l l yu t i l i z et h e1 4 1 7p ml o w - l o s sb a n do fs i l i c a - b a s e do p t i c a lf i b e r s ，t h e b a n d sa t14 4 0 15 3 0n m ( sb a n d ) a n d16 2 5 16 7 5n m ( ub a n d ) a r eb e i n ge x p l o r e d t h u l i u mi sa p r o m i s i n ga sac o m p l e m e n tt oe r 3 + d u et oi t se m i s s i o nb a n d sa r o u n d1 4 1 5 岬a n d1 6 1 8p m t h e r e f o r et h et md o p i n ga n de r - t md o p i n gh a v eb e e ns t u d i e df o rm a t e r i a l ss u i t a b l eb o t hf o rf i b e r v i l 上海人学硕一 ：学位论文 a n dt h i nf i l md e v i c e s p a r t ，o ft h i st h e s i sd i s c u s s e st h ep r e p a r i n gp r o c e s sa n dt h ee l e c t r i c a la n do p t i c a l p r o p e r t i e so ft h e ( e r , s i ) ：a 1 2 0 3t h i nf i l m o nt h ec o n t r a s to ft h em a t r i xm a t e r i a lo fs i 0 2a n da 1 2 0 3 ， h i g h l i g h tt h ea d v a n t a g e so fa 1 2 0 3a s t h em a t r i xm a t e r i a l a 1 2 0 3a st h ee ，- d o p e dp l a n a r w a v e g u i d e sm a t r i xm a t e r i a lt h a tc a l le n h a n c et h ed i s p e r s i o no fe ，a n dt h e ni n c r e a s et h e l u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c y a 1 2 0 3s h o w sar e l a t i v eh i g hi n d e xo fr e f r a c t i o n ( n 1 6 ) t h a ty i e l d st oa h i g hi n d e xc o n t r a s tw i t ht h es i 0 2c l a d d i n gl a y e r ( a n 一0 2 ) i ns i l i c a o ns i l i c o nd e v i c e s t h i sh i 曲 c o n t r a s ta l l o w sah i g hc o n f i n e m e n to ft h eg u i d e dl i g h t ，w h i c hm a k e ss m a l ld e v i c e ss t r u c t u r e s p o s s i b l e f u r t h e r m o r e ，i n t e g r a t i o no fa m o r p h o u sa 1 2 0 3o ns i l i c a - o n s i l i c o nd e v i c e sh a sb e e n d e m o n s t r a t e df o rp a s s i v ea sw e l la sf o re r - d o p e dd e v i c e s f u r t h e r m o r e ，t h es i m i l a r i t yi nv a l e n c y a n dl a t t i c ec o n s t a n t sb e t w e e na 1 2 0 3a n de r 2 0 3m a ya l l o wf o ri n c o r p o r a t i o no fh i g hc o n c e n t r a t i o n o fe ri nt h ea 1 2 0 3c r y s t a ls t r u c t u r e n e v e r t h e l e s st oo u rk n o w l e d g ee rd o p i n go fa 1 2 0 3c o n t a i n i n g s i - n c sw a sr a r e l ys t u d i e d p a r ti vd i s c u s s e st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h el i g h te m i s s i o na r o u n d1 5 4p mr e l a t e dt oe r a n dt h el i g h te m i s s i o ni nv i s i b l er e g i o no f ( e r ，s i ) ：a 1 2 0 3 ，i nw h i c hs i - n ca r ee m b e d d e d t h e e x p e r i m e n t a le v i d e n c e sm i g h ts u p p o r tt h em o d e l o fs t r o n gc o u p l i n gb e t w e e ne x c i t o n sa n de ri o n s i n a 1 2 0 3t h i n f i l m s c o n t a i n i n gs i - n cp r e p a r e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g c o r r e s p o n d i n g m e c h e n i s m so ft h el i g h te m i s s i o na r o u n d1 5 4 “mr e l a t e dt oe rh a v eb e e nd i s c u s s e d p a r tvf o c u s e so nt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h ee r - t m - c o d o p e da 1 2 0 3t h i nf i l m b a s e do n t h ep r e v i o u sc h a p t e rs t u d y i n gt h e ( e r , s i ) ：a 1 2 0 3t h i nf i l m ，w eh a v ep r e l i m i n a r yg r a s p e dt h e e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s t h et m 3 + a n de ，e n e r g yt r a n s f e rp r o c e s s e sa n dt h ei n f l u e n c eo ft m ” o nt h el u m i n e s c e n c ep r o p e r t i e sh a v eb e e nu n d e r s t o o d i ns u m m a r y , ( e r , s i ) ：a 1 2 0 3f i l mh a sb e e ns y n t h e s i z e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g i no r d e rt o i m p r o v et h ep lr e s p o n s eo fe ，t h en u m b e ra n dd i s t r i b u t i o no fs i - n ca n de ，i o n ss h o u l db e c o n t r o l l e db ya n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ed e s i g no fs t r u c t u r e k e y w o r d s ： e r b i u md o p e d s i l i c o n ，m a g n e t r o n s p u t t e r i n g ，s i l i c o nn a n o c r y s t a l s ， p h o t o l u m i n e s c e n c e ，b r o a d b a n ds e n s i t i z e r v i l l 上海大学硕十学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 选题的背景、目的和意义1 1 1 1 光纤通信的发展历程1 1 1 2 光纤通信的原理与优点2 1 1 3 光放人器在光纤通信中的应用2 1 2 稀土能级跃迁4 1 3 光放火机制5 1 4 基质材料的介绍9 1 5 本论文主要的研究方向1 0 第二章样品制备和表征方法1 1 2 1 样品制备：l l 2 1 1 磁控溅射原理1 l 2 1 2 磁控溅射系统1 2 2 1 3 实验方法1 3 2 2 表征方法1 4 2 2 1 x 射线衍射( x r d ) 1 4 2 2 2 拉曼分析( r a m a n ) 1 4 2 2 3 光致发光( p l ) 测量1 5 第三章( e r ，s i ) 共掺杂a 1 2 0 3 多层膜结构和发光性能的研究1 6 3 1 实验过程1 6 3 2 结果与讨论1 7 3 3 本章结论2 2 第四章( e r s i ) 共掺杂a 1 2 0 3 多层膜中能量转移的研究2 3 4 1 实验过程2 3 4 2 结果与讨论2 3 4 3 本章结论2 7 第五章( e r ，t m ) 共掺杂a 1 2 0 3 发光性能的研究2 8 i x j ：海大学硕士学位论文 5 1 实验过程2 8 5 2 结果与讨论j 2 8 5 3 本章总结3 2 第六章结论3 4 参考文献3 6 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文4 3 作者在攻读硕士学位期间参加的项目4 4 致谢5 0 x 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景、目的和意义 1 1 1 光纤通信的发展历程 硅基微电子芯片在信息高技术领域几乎无处不在，成为信息化社会的重要支 柱。现在硅平面器件已逐渐趋向其物理极限，进一步发展要求概念上的突破。与 此同时，光学技术在原有电子学统治的领域愈来愈显得重要。光通讯巨大的带宽， 使得以高于电子学技术极限的几个数量级的速率传输与处理数据成为可能【l 】。现 在，1 0g b s 比特率的数据传输系统已经很普遍。而更高的比特率( 如4 0g b s 和1 0 1 2 s ) 的传输系统正在研究中。 2 0 世纪9 0 年代后，光纤通信成为一个发展迅速、技术更新快、新技术不断 出现的技术领域【2 捌。把光子作为信息的载体是2 0 世纪术一项划时代的技术，此 后光纤开始逐步代替电缆和微波来传递信息，使得信息的传输发生了重大变革 1 4 1 。光纤的发明，引起了通信技术的一场革命，是构成2 1 世纪即将到来的信息 社会的一大要素。 1 9 6 6 年出生在中国上海的英籍华人高锟，发表论文光频介质纤维表面波 导【5 j ，提出用石英玻璃纤维( 光纤) 传送光信号来进行通信，可实现长距离、 大容量通信。在1 9 7 0 年，研制出损耗为2 0d b k m 的光纤。据说康宁公司花费3 0 0 0 万美元，得到3 0 米光纤样品，认为非常值得。这一突破，引起整个通信界的震 动，世界发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。1 9 7 6 年，美国贝尔实验室 在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第一条实用化的光纤通信线路，速率为4 5 m b s ，采用的是多模光纤，光源用的是发光二极管( l e d ) ，波长是o 8 5l a m 的红 外光【5 】。在上世纪7 0 年代术，大容量的单模光纤和长寿命的半导体激光器研制 成功。光纤通信系统丌始显示出长距离、大容量无比的优越性。按理论计算：就 光纤通信常用波长1 31 a m 和1 5 5 岬波长窗口的容量至少有2 5 0 0 0g h z 。 卜海大学硕上学位论文 1 1 2 光纤通信的原理与优点 光纤通信是各种电信号对光波进行调制后，通过光纤进行传输的通信方式。 光纤通信不同于有线电通信，后者是利用金属媒体传输信号，光纤通信则是利用 透明的光纤传输光波，其频率范围相差很大。一般通信电缆最高使用频率约9 2 4 m h z ( 1 0 6 h z ) ，光纤工作频率在1 0 1 4 1 0 1 5h z 之间【6 】。光纤通信最主要的优点是： ( 1 ) 容量大。光纤工作频率比目自仃电缆使用的工作频率高出8 - 9 个数量级，故所 开发的容量很大。( 2 ) 衰减小。光纤每公罩衰减比目前容量最大的通信同轴电缆 的每公里衰减要低一个数量级以上。( 3 ) 体积小，重量轻。同时有利于施工和运 输。( 4 ) 防干扰性能好。光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电 磁脉冲能力也很强，保密性好。( 5 ) 节约有色金属。一般通信电缆要耗用大量的 铜、铝或铅等有色金属。光纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家节约大量 有色金属。( 6 ) 成本低。目前市场上各种电缆金属材料价格不断上涨，而光纤价 格却有所下降。这为光纤通信得到迅速发展创造了重要的前提条件。光纤通信首 先应用于市内电话局之间的光纤中继线路，继而广泛地用于长途干线网上，成为 宽带通信的基础。光纤通信尤其适用于国家之间大容量、远距离的通信，包括国 内沿海通信和国际间长距离海底光纤通信系统。目前，各国还在进一步研究、开 发用于广大用户接入网上的光纤通信系统。随着光纤放大器、光波分复用技术、 光弧子通信技术、光电集成和光集成等许多新技术不断取得进展，光纤通信将会 得到更快的发展。 1 1 3 光放大器在光纤通信中的应用 光信号在光纤中传输时，光纤的损耗会导致光功率的衰减。对于长距离的传 输，光信号有可能低于光检测器的响应能力，甚至导致系统的性能恶化，如波形 失真、误码率增大等。为了达到数百千米的传输距离，信号的光功率必须每隔一 定的距离进行提升。光放大是恢复被衰减的光信号，从而延长信息源与目的地之 间传输距离的关键器件。 在上世纪8 0 年代木，光放大器已经研发出来了。主要是基于稀土离子等活 性元素的掺杂。特别地，e r 离子在光通讯技术开发中起着重要作用。其在激光 2 上海人学顾一 ：学位论文 器和放大器中作为光增益媒介。这是因为e ，从第一激发态4 1 1 3 2 跃迁到基态4 1 1 5 2 时发射能量为0 8e v 的光子，相应的波长为1 5 4g m 。这是一个标准的通讯波长， 此波长对于光纤通讯石英玻璃具有最小的光吸收，在光通讯技术的发展中起了巨 大的作用【7 1 。现如今，中长距的光通讯已经建立。下一步将进入局城光互联，即 光纤到户( f i b e r - t o t h e h o m eo rf t l m ) 技术。为了使这个成为现实，建立局域 光信号处理是关健。这就要求开发平面光集成电路，能够在单个芯片上实现光的 产生、引导、开关和放大等功能。其中，平面放大器是平面光集成电路中重要的 元件。它能用于耦合损失、波导损失或分光器能量分离的补偿。直到现在，对于 这种平面工艺的许多材料和器件模型仍处在开发阶段。 光通讯中，掺铒光纤放大器( e rd o p e df i b e ra m p l i f i e ro re d f a ) 目前己广 泛应用于光通讯领域，但其只能利用到1 5 3 0 1 6 2 5n n l 即国际电联i t u 标准中的 c 和l 带范围的波长资源。如下图是e d f a 的结构示意图1 1 。 图1 1 掺铒光纤放人器结构示意图 然而，随着光通讯容量的增大，随之需要带宽的增加，其它s - b a n d ( 1 4 5 0 1 5 2 0 n m ) 、x s - b a n d ( 1 2 7 0 1 4 5 0n m ) 和x l b a n d ( 1 6 1 0 1 7 0 0n m ) 也在光通讯中逐渐得 到应用。为了在单一器件上实现1 4 1 7 “m 整个通讯波段的有效发光与光放大， 其它稀土离子的引入足可能实现的，虽然其离子之f b j 的能量输运过程和发光机理 仍然不太清楚。例如，t m 掺杂材料，能用于开发1 8 2 0g m 范围的激光材料和 s - b a n d 的放大器，j 下好弥补了e d f a 所无法放大的频带。这个s 带放大器，是 利用激发念吸收获得第三和第一激发态的粒子数反转，3 i - 1 4 3 f 4 之间跃迁产生 卜海火学硕上学位论文 1 4 6p m 波长的光子。其泵浦机制比e r 更加复杂。t m 掺杂光纤的泵浦机制中， 有单波长泵浦或双波长泵浦。1 2 0 0n l n 或1 5 5 0 1 6 5 0n n l 和1 3 8 0n l n 1 4 0 0n l n 泵浦- 源常被使用。通常，双波长泵浦更加有效。例o 1 ( e r ，t m ) 共掺杂材料在1 6 0 0 2 1 0 0 n l l 波长范围有宽带发射。这样，可作为宽带光放大器的增益媒介。因此，( e r , t m ) 共掺杂光纤放大器也许是有前途的波导材料，用于增加在1 4 1 7i t m 光通讯系统 的传输能力。最近，j h s h i n 等报道了在( e r t m ) 共掺杂富硅二氧化硅中纳米硅 的光敏化效应【1 0 1 。研究表明，从受激的e r 到受激的t m 发生显著的能量转移， 引起e r 淬灭和t m 离子上转换到第三激发态。上转换的t m 离子发射出比e r 稍 微短的波长，这样提供光放大的第三带。 1 2 稀土能级跃迁 e r 离子在光通讯技术开发中起着重要作用。其在激光器和放大器中作为光 增益媒介。从第一激发态4 1 1 3 2 到基态4 1 1 5 陀之间电偶极跃迁原属禁戒的，它们之 间能量问距约为o 8 le v ，相应的波长为1 5 4 岬。这是一个标准的通讯波长，此 波长对于光纤通讯石英玻璃具有最小的光吸收，在光通讯技术的发展中起了巨大 的作用。当e r 掺入基质材料中，必然处于某种对称的晶体场中。在周围晶体场 的作用下，自旋轨道多重态分裂成一系列s t a r k 能级，这时选择定则可能破坏， 发生4 1 1 3 2 _ 4 i l5 亿辐射跃迁，产生一系列丰富的谱线，谱线的个数和强度同发光 中心所处的晶体场密切相关。值得注意，光子吸收激发截面非常小，一般为1 0 。2 1 c i r l 2 数量级。如果足够多的e r 在第一激发态发生粒子数反转，则可实现光放大。 如图1 2 所示，e r 3 + 离子的能级跃迁图。 图1 2e ，离子的能级跃迁图 4 放大后 的信号光 i5 5 0 n m 上海人学硕士学位论文 掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤中掺杂离子在泵浦光的作用下，形成粒子数 反转，从而对入射光信号提供光增益，对于波长为9 8 0n m 的泵浦源，掺铒光纤 相当于一个三能级的系统。铒离子通过受激吸收入射波长为9 8 0n n l 的光子能量， 从基态4 1 1 5 2 跃迁到4 i l l 陀能级，由于4 i l l 2 能级到4 1 1 3 2 能级的弛豫时间很短，4 i i l 2 能级上的粒子很快跃迁到4 1 1 3 2 能级，4 i l l 陀能级上的粒子数基本上可认为是零。 4 in 3 t 2 能级到4 in 5 尼能级的弛豫时间较长，为m s 量级，是一个亚稳态。当有波长 15 5 0n n l 左右的信号光子输入时，4 1 1 3 尼能级的粒子受激辐射向4 1 1 5 尼能级跃迁，产 生与入射光子同频、同相、同方向的光子。结果入射光子就得到光放大。 t m ”离子在扩充带宽方面起着非常重要的作用，那是因为t m 3 + 离子的3 h 4 能级向3 f 4 能级跃迁发射1 4 6 5i l n l 波长的光。此外，t m 3 + 离子的第一激发念3 f 4 跃迁到基态3 h 6 时发射波长为1 8 0 0n m 【i l 】，如图1 3 示。使得e r ，t m 共掺薄膜获 得1 4 1 7g m 的高效发光成为可能。 2 0 o o h 西 囊 山1 0 o 嚣i芟 8i 囊 s a ，： 一 ；曩1 q 娄；童 o 盘 专， t m 弘 图1 3t m 3 + 离子的能级跃迁图 ，f 2 j 心 h 1 3 光放大机制 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，其强度逐渐减弱，光纤对光波产 生衰减作用，常称为光纤的损耗。光纤的结构包括纤芯、包层和保护套。纤芯： 折射率较高，用来传递光；包层：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；保 护套：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。自光纤问世以来，人们在降低光纤 5 上海人学硕士学位论文 损耗方面做了大量的工作，第二和第三通信窗口都是低损耗通信窗口。在第二通 信窗i z l ( 中心在1 3 1 “m 处附近) s t f ( 标准通信光纤) 呈现了甚低的大约0 3 5 d b k m 的色散和传输损耗。而d s f ( 色散位移光纤) 的使用可在第三通信窗口( 中 心在1 5 5 u r n 附近) 移动零色散点，其光纤的传输损耗可低至0 2d b k m 以下，这 个数量级已经接近了光纤损耗的理论极限【1 2 】。如图1 4 ，光纤衰减图损耗谱【13 1 。 图1 4 光纤的衰减图 光在长距离的输运中保持一定强度，需要将光放大。首先，跃迁分辐射跃迁 和非辐射跃迁两种，其中辐射跃迁引起发光，而非辐射跃迁不发光。而光泵浦会 引起受激吸收，受激辐射则引起光放大。而自发辐射就会产生噪声。获得光放大 的基本条件就是产生粒子数反转( 上能级的粒子数比下能级的多) 。如1 5 图： 之前之后 h v 。e 光泵浦 e ，一 删一岛 ( 受激吸收)e 。 h v 5 一e 。 光放大 e 。 2 h v v 朋 ( 受激发射) o 黜 噪声产生，h v ( 自发辐射) 一枷 图1 5 受激吸收、受激辐射和自发辐射 6 衰减鑫章1fl 上海火学硕士学位论文 光放大器的出现可视为光纤通信发展史上的重要里程碑。在光放大器出现之 前光纤通信的中继器无一例外地采用光电光变换方式，导致通信系统复杂化进 而导致系统的效率降低、造价提高及其它一些问题的出现。因此长期以来，人们 一直致力于全光型中继器，即无需光电和电光转换的直接光放大式中继器的研 制，即光纤放大器。光放大器可用来补偿由于分配传输或插入部件的损耗所造成 的信号衰减。光器件是光通信系统的核心，不仅影响通信系统的性能，还对整个 系统的成本有极大的影响，光器件的研制和市场化一直是光通信技术发展的重 点。而光放大器是实现光中继器的关键，它的增益、平坦增益宽度、噪声系数等 对d w d m 有很大的影响。e d f a ( 掺铒光纤放大器) 可以满足c 波段的波分复用 要求，但随着光通信系统的工作波长向l 波段和s 波段扩展，必须研制新型的 光放大器。新型e d f a 可以覆盖l 波段，利用光纤非线性喇曼效应进行光放大 的喇曼放大器可以在l 和s 波段具有很好的平坦增益和较小的噪声系数，但增 益小。因此，宽带e d f a 和喇曼放大器组合使用将是一种发展趋势。 我们主要研究的是掺稀土类光放大器。为了扩展带宽，使放大器可以满足 c + l + s 波段的波分复用要求，我们先前致力于研究e d f a 逐渐向e t d f a 方面发 展。 光学泵浦这个术语指的是，在原子或分子系统中，用共振或接近共振的光激 发与各种衰变过程相结合，以产生大量非平衡粒子数差值的一般技术【1 4 】。理论 上，在低泵浦功率下粒子数反转就能实现。然而，由于存在限制增益因数，如激 发念吸收( e s a ) 和协同上转换( c u c ) 效应【1 5 】，如1 6 图所示：协同上转换过 程：e r 离子间的距离较短时，任何两个相邻的处在4 1 1 3 2 激发态的e r 离子就会相 互作用，进行能量传递，发生离子上转换。其中一个离子把能量传递给另一个离 子而反回基态4 1 1 5 2 ，而得到能量的离子则跃迁到更高的能级4 1 9 2 ，处于4 1 9 2 上的 离子通过声子发射迅速弛豫返回到能级处于4 1 1 3 腔上，结果导致一个激发态离子 所得到的能量转化为热能，这就降低了量子转化效率。激发态吸收：处于激发态 的e r 离子吸收光子能量从而跃迁到更高能级。 7 e 海大学硕士学位论文 图1 6 ( a ) 铒的斯塔克分裂能级图；( b ) 协同上转换过程；( c ) 和( d ) 激发态吸收过程。 为了实现反转，需要增加泵浦功率。而要在短距离内实现净增益，高浓度 e r 掺杂是需要的。同时，由