基于配体传能机制的有机光波导放大器的基础研究

【摘要】：平面光波导放大器是密集波分复用(DWDM)传输系统的重要组成部分,可对光传输过程中的各类损耗进行补偿和放大,它是集成光子器件中的一个重要元件。随着对平面光子器件性能要求的不断提高,具有尺寸小、易于集成、增益性能稳定的掺钕光波导放大器(Neodymium Doped Waveguide Amplifier:NDWA)与掺销光波导放大器(Erbium Doped Waveguide Amplifier:EDWA)成为人们研究的重点对象。基于钕离子在800nm波长处、铒离子在980nm波长处的本征吸收,传统的NDWA和EDWA分别采用808nm波长和980nm波长的半导体激光器作为泵浦源直接激发稀土离子产生荧光发射。这类泵浦源体积大、成本高、无法实现集成,且直接激发稀土离子所需泵浦功率较大,导致器件端面发热,影响性能稳定性。基于此,本论文提出对具有配体传能机制的有机NDWA和EDWA开展基础研究,这类波导放大器可采用价格低廉、易于集成的蓝紫光LED激发,具有广阔的市场前景,论文开展的主要内容如下:1、制备了两种掺杂钕配合物Nd(DBT)和Nd(DPE)的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)有机薄膜,对这两种薄膜的紫外可见近红外吸收光谱、405nm氘灯和LED激发下的荧光光谱进行了表征;采用Judd-Oflet理论对吸收、发射光谱进行了分析,计算得到,在Nd(DBT)-PMMA和Nd(DPE)-PMMA薄膜中,Nd~(3+)离子能级寿命分别为398.36us和679.82us,实测能级寿命分别为3.4us和3.8us,量子效率为0.85%和0.56%。2、根据实验光谱数据,建立了基于配体与Nd~(3+)离子传能机制的有机NDWA的理论模型,通过Matlab编程,对掺杂Nd(DBT)的PMMA光波导放大器的增益性能进行了数值模拟,讨论了不同参数与器件增益间的关系,结果表明:在405nm LED泵浦下,泵浦功率为50mW,在2cm的器件上得到最大理论增益为3dB;对比了传统的808nm直接泵浦与405nm间接泵浦的增益情况,当器件产生增益时,采用808nm泵浦器件需要27mW的泵浦功率,而采用405nm泵浦只需11mW。3、合成了铒三元配合物Er(TTA)_3(TPPO)_2材料,将其掺杂在PMMA中制成薄膜;测试了Er(TTA)_3(TPPO)_2粉末和Er(TTA)_3(TPPO)_2-PMMA薄膜的紫外可见近红外吸收光谱、350nm和405nm氘灯激发下的荧光光谱;采用Judd-Oflet理论对光谱数据进行了分析,计算得到,在Er(TTA)_3(TPPO)_2-PMMA薄膜中,Er~(3+)离子荧光寿命为12.24ms。4、建立了基于配体与Er~(3+)离子传能机制的有机EDWA的理论模型,通过Matlab编程,对掺杂Er(TTA)_3(TPPO)_2的PMMA光波导放大器的增益性能进行了模拟分析,讨论了不同参数与器件增益间的关系,结果表明:在405nm LED泵浦下,泵浦功率为25mW,在2cm的器件上得到最大理论增益为9.2dB;对比了传统的980nm直接泵浦与405nm间接泵浦的增益情况,当器件产生增益时,采用980nm泵浦器件需要21mW的泵浦功率,而采用405nm泵浦只需4mW。5、研究了钕配合物、铒配合物材料的器件化条件,分别设计并制备了适合材料的嵌入型与脊型光波导,搭建了器件测试系统,获得了信号光在波导输出端的近场光斑。