[发明专利]有机-无机复合型掺铒平面光波导放大器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及有机-无机复合型光波导放大器及其制备方法，具体涉及采用新型有机聚合物材料为光波导包层，采用油酸表面修饰的LaF₃:Er，Yb纳米颗粒掺杂的有机—无机杂化材料为芯层的复合型嵌入掺铒平面条形光波导放大器及其制备方法。

背景技术

掺铒平面光波导放大器(EDWA)是一种重要的光子学元件，它是光通信密集波分复用(DWDM)传输系统的重要组成部分，可以和调制器、光开关、阵列波导光栅、隔离器等任何有损耗的器件集成在一起，补偿光传输过程中的各类损耗，这一关键技术的解决将会使芯片间的光互连和光集成取得突破性进展。

掺铒光纤放大器(EDFA)是光纤通信史上最重要的发明之一，其长度一般为几米至几十米，这在长距离通信中毫无问题；但在未来的光纤到户(FTTH)的短距离传输中，EDFA的应用就有一定的困难。同时，在光通信系统中，为了保证光信号的传送，不可避免的要使用一些光学器件如复用/解复用器、分束器和光开关等，这些器件都存在着一定的损耗，如不加以补偿，必将大大降低信号的传送距离，因此也要对信号加以放大增强。光通讯网络中还需要一种能在城域网和接入网的特定节点上按需给出特定增益量的放大器，这种放大器必须价格低廉，维护成本低，并能充分利用现有的光纤带宽资源，而且能扩容。鉴于在平面光子集成中无法应用EDFA，因此迫切需要研制平面光波导放大器(EDWA)来同时满足上述需求。EDWA是一种紧凑、可靠、易于集成、低成本的光放大器，其稀土掺杂(如Er³⁺)浓度比EDFA高100倍左右(为10²⁶m^-3)，几厘米到十几厘米的长度就可实现10dB以上的增益(但过高的掺杂浓度会使泵浦效率下降)。相对EDFA，EDWA具有尺寸小、成本低的优点；相对半导体光放大器(SOA))，EDWA有噪声指数低、偏振相关性低、无通道串扰的优点。EDWA产品可以单波长放大也可以多波长放大，可以单向泵浦也可以双向泵浦；可以在同一基片上集成多个EDWA，形成EDWA阵列，实现在DWDM系统中多波长增益的动态调节。目前，按照铒离子的掺杂基质不同，EDWA器件可分为以下三种类型：

1、在SiO₂、Al₂O₃、Y₂O₃、ZrO₂等氧化物陶瓷、磷酸盐、硅酸盐以及LiNbO₃晶体等无机基质材料中掺杂Er³⁺，制备无机EDWA。制备工艺一般采用离子交换、离子注入、分子束外延、物理气相淀积、火焰水解淀积以及等离子体化学气相淀积等。目前对无机EDWA的研究较为成熟，增益可达4dB/cm。但其制备工艺较复杂，制备成本高，波导芯区和包层区的折射率改变量小，且器件与硅基材料不是很相容，在平面光子集成的应用中有困难。

2、将Er³⁺离子与有机配体形成配合物，溶解在有机聚合物材料中制备有机EDWA。同传统的无机光波导材料相比，有机聚合物光波导的加工工艺比无机光波导简单、价格低廉，只须通过室温旋涂和光刻等工艺就可以制备出功能复杂的光电集成器件，并且折射率差易于调整，制备的器件轻巧、机械性能好，因而适用于制备高密度集成器件，基于这些原因，聚合物材料使得光电子技术的应用更加广泛。但由于Er³⁺盐类在聚合物中溶解度低，使得Er³⁺的掺杂浓度较难达到器件放大性能的要求，并且由于聚合物中存在大量C-H、O-H高能振动基团，易于Er³⁺发生振动耦合，从而降低Er³⁺在激发态能级上的寿命。由于这些较难克服的缺点，目前国内外利用聚合物材料制备EDWA的研究大都处于材料制备阶段，相关器件的报道极少。

3、在进行铒配合物材料研究的同时，科研人员也在努力制备用于波导放大器的有机-无机复合型材料。这类材料综合了无机和有机材料二者的优点，如材料的发光寿命较一般聚合物基质大大提高，可达毫秒量级，器件的制备工艺较无机EDWA简单且制备成本低廉，受到人们的极大关注。然而，目前国内外关于掺铒有机-无机复合型EDWA的报道尚属空白，大部分的研究集中在材料制备阶段。

本发明采用LaF₃:Er，Yb纳米颗粒掺杂的有机-无机杂化材料制备的有机-无机复合型光波导放大器，是针对有机EDWA和无机EDWA的不足提出来的一种新型光波导放大器，能够有效弥补上述两种EDWA的缺点，可望在平面光子集成中得到产业化应用。

发明内容