[發(fā)明專利]一種光波導(dǎo)放大器的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910237301.5
• 申請日: 2009-11-12
• 公開（公告）號: CN101710223A
• 公開（公告）日: 2010-05-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王興軍;周治平;王磊;郭瑞民
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G02F1/39
• 分類號: G02F1/39
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 胡小永

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光通信技術(shù)中有源光放大器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鉺釔 硅酸鹽無機(jī)化合物材料，用這種材料制備的光波導(dǎo)放大器可以獲得 10dB/mm以上的凈增益。

背景技術(shù)

目前，將光子技術(shù)和微電子技術(shù)集合起來，以實(shí)現(xiàn)硅基光電集成 為目標(biāo)的硅光子學(xué)成為世界光電子學(xué)領(lǐng)域十分熱門的前沿科學(xué)。硅光 子學(xué)元器件包括光源、光波導(dǎo)、光子晶體、光開關(guān)、光放大器、光調(diào) 制器和光探測器等。其中，光放大器能夠把衰減的光信號放大，是光 通訊領(lǐng)域的重要元器件之一。上世紀(jì)80年代末，基于稀土鉺(Er)離子 摻雜的摻鉺光纖放大器EDFA(Erbium-doped?Fiber?Amplifier)被研發(fā) 出來，它的誕生是光纖通信領(lǐng)域革命性的突破，它使長距離、大 容量、高速率的光纖通信成為可能。這是因?yàn)镋r離子從第一激發(fā) 態(tài)⁴I_13/2躍遷到基態(tài)⁴I_15/2時(shí)發(fā)射能量為0.8eV的光子，相應(yīng)的波長為 1.53μm，恰好是光纖通訊用石英玻璃光纖的最小光吸收窗口。為了解 決EDFA無法和其他光子學(xué)元器件平面集成的問題，人們又發(fā)明了摻 鉺光波導(dǎo)放大器EDWA(Erbium-doped?Waveguide?Amplifier)，EDWA 是在一個(gè)制造成本較低的平面基體上完成的，EDWA中Er離子濃度 比EDFA中高出1-2個(gè)量級，可以獲得更高的光增益。目前報(bào)道的最 好結(jié)果是韓國Shin教授研究小組發(fā)表在Applied?Physics?Letters?79卷 4568頁的關(guān)于摻Er富硅氧化硅(Er?doped?silicon?rich?silicon?oxide (SRSO))的結(jié)果《Optical?gain?at?1.54μm?in?erbium-doped?silicon nanocluster?sensitized?waveguide》，它的Er離子最高摻雜濃度達(dá)到10²⁰ions/cm³，在1cm長的波導(dǎo)中獲得了4dB的光增益，但這與硅光子學(xué) 集成要求在mm尺度下獲得10dB以上增益仍有不小差距。摻Er離子 光波導(dǎo)放大器的光增益公式為：G_(dB)＝4.43×(σ_absN₂-σ_emN₁)ΓL，其中， σ_abs為吸收截面，σ_em為受激發(fā)射截面，Γ為光限制因子，L為光波導(dǎo) 長度，N₁和N₂分別為處于基態(tài)和激發(fā)態(tài)的Er離子數(shù)目。在足夠強(qiáng)的 泵浦功率下，發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，處于基態(tài)的Er離子(N)全部躍遷至激 發(fā)態(tài)，同時(shí)根據(jù)Einstein的受激發(fā)射理論，σ_abs和σ_em的值相同，公式 可寫為：G_(dB)＝4.43×(σ_absN)ΓL，由式可知，有效提高Er離子濃度可 實(shí)現(xiàn)在小尺寸波導(dǎo)中獲得較高增益。日本木村忠正教授發(fā)現(xiàn)了一種 Er₂SiO₅化合物，發(fā)表在Applied?Physics?Letters?85卷4343頁 《Self-assembled?infrared-luminescent?Er-Si-O?crystallites?on?silicon》， 這種化合物結(jié)構(gòu)中Er離子是化合物的陽離子，而不再是作為雜質(zhì)摻 雜進(jìn)去的。與以前摻雜方法相比，成功將Er離子濃度提高了2個(gè)數(shù) 量級，達(dá)到2×10²²ions/cm³，而且由于Er離子是固溶在化合物中的， 減少了Er離子之間的團(tuán)聚現(xiàn)象，獲得了較強(qiáng)室溫光致發(fā)光。盡管 Er₂SiO₅得到了較強(qiáng)的室溫發(fā)光，但Er離子濃度高達(dá)2×10²²ions/cm³， Er離子之間的距離比較近，合作上轉(zhuǎn)換很容易發(fā)生，導(dǎo)致熒光的猝 滅。因此采用一種有效的陽離子固溶到Er₂SiO₅材料中，在保證高Er 離子濃度的情況下，又使Er離子充分分散，從而制備出毫米甚至微 米尺度下10dB以上的凈增益的光波導(dǎo)放大器成為當(dāng)前需要解決的問 題。

發(fā)明內(nèi)容