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铒镱共掺聚合物平面光波导放大器的研究

作　者: 李彤
导　师: 张大明
学　校: 吉林大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 铒镱共掺光波导放大器聚合物数值模拟有机配合物
分类号: TN252
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

掺铒光波导放大器(EDWA)能够有效地补偿光信号的损耗,具有增益高、体积小、结构紧凑、便于集成、成本低的优势,是具有相当发展需求和前景的新型通信器件。聚合物波导材料制备的EDWA工艺简单、成本低,材料种类多样,折射率差易于调整,制作的器件轻巧、机械性能好,适用于制作高密度集成器件,是近年来受到重视的一个新的研究热点。本文对铒镱共掺有机聚合物光波导放大器进行了研究。首先对光放大技术的发展、EDWA的产生及国内外研究进展进行了介绍,指出了聚合物材料在用于制作光波导放大器上的优势。研究了EDWA的工作原理与基本结构、引入敏化剂镱离子的意义、光波导设计、Judd-Ofelt理论及对EDWA增益特性的模拟。合成并表征了三种铒配合物,分析其光谱特性、热稳定性。制备了铒的有机配合物及其掺杂的P(MMA-GMA)聚合物材料,分析其光谱特性。针对材料设计单模波导结构并模拟放大器的增益特性,讨论了放大器增益特性的影响因素。采用铝掩模光刻结合反应离子刻蚀技术制备铒配合物掺杂的P(MMA-GMA)聚合物光波导,利用实验室构建的光波导近场光斑测试系统与增益测试系统对光波导进行测试,获得了两种波导结构的近场输出光斑,并在泵浦光(980 nm,133mW)激励下,在15mm长,截面尺寸8μm×4μm的矩形光波导器件上观测到了信号光(1550 nm,2mW) 0.7dB的增益。最后,分析信号的放大现象微弱且不稳定的原因,指出下一步要着重解决的问题和方法。本论文在有机聚合物光波导放大器的材料合成与表征、器件的结构设计、理论模拟、工艺制备及性能测试方面做了一些研究工作,为研制高性能、实用化的有机聚合物平面光波导放大器奠定了基础。

全文目录

内容提要  5-8
第一章绪论  8-18
  1.1 光放大器发展背景、分类与应用意义  8-10
    1.1.1 光放大器的产生  8-9
    1.1.2 光放大器的分类  9-10
  1.2 掺铒光波导放大器的分类  10-14
    1.2.1 掺铒无机光波导放大器  10-11
    1.2.2 掺铒有机聚合物光波导放大器  11-13
    1.2.3 掺铒聚合物光波导放大器的优点  13-14
  1.3 掺铒光波导放大器的研究进展  14-17
    1.3.1 无机光波导放大器的研究进展  14-16
    1.3.2 有机聚合物光波导放大器的研究进展  16-17
  1.4 本论文的主要工作  17-18
第二章掺铒光波导放大器的理论分析与数值模拟  18-30
  2.1 掺铒光波导放大器的工作原理  18-21
    2.1.1 铒的电子结构、能级结构及跃迁特性  18-19
    2.1.2 掺铒光波导放大器的信号放大原理  19
    2.1.3 掺铒光波导放大器的基本结构  19-20
    2.1.4 铒镱共掺光波导放大器的原理  20-21
  2.2 光波导设计的基本理论  21-23
    2.2.1 三层平板波导的本征方程  21-22
    2.2.2 有效折射率法设计单模矩形波导  22-23
  2.3 Judd-Ofelt 理论的介绍  23-26
    2.3.1 Judd-Ofelt 理论  24
    2.3.2 Judd-Ofelt 参数的计算  24-25
    2.3.3 材料发光性能一些重要参数的计算  25-26
  2.4 Er-Yb 共掺光波导放大器的数值模型  26-30
    2.4.1 粒子数速率方程  26-27
    2.4.2 前向泵浦条件下光功率传输方程  27-28
    2.4.3 重叠积分方法简化方程  28-30
第三章铒配合物掺杂的有机聚合物材料的制备  30-42
  3.1 铒配合物的合成与表征  30-35
    3.1.1 ErCl_3·6H_2O 固体的制备  30
    3.1.2 有机配合物的合成  30-32
    3.1.3 配合物的表征  32-35
  3.2 铒配合物掺杂P(MMA-GMA)聚合物的制备  35-36
    3.2.1 基质材料P(MMA-GMA)的合成  35
    3.2.2 铒配合物掺杂的P(MMA-GMA)的合成  35
    3.2.3 铒掺杂浓度的计算  35-36
  3.3 铒配合物及其掺杂P(MMA-GMA)聚合物的光谱特性  36-42
    3.3.1 紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)吸收光谱  36-37
    3.3.2 Judd-Ofelt 参数分析  37-39
    3.3.3 荧光光谱  39-40
    3.3.4 X 射线光电子能谱分析  40-42
第四章铒镱共掺聚合物光波导放大器的制备  42-57
  4.1 聚合物薄膜折射率和厚度的测量  42-43
  4.2 光波导设计与增益特性模拟  43-48
    4.2.1 单模矩形波导的设计  43-44
    4.2.2 重叠积分因子的计算  44-45
    4.2.3 铒镱共掺聚合物光波导放大器增益特性的数值模拟  45-48
  4.3 聚合物光波导放大器的制备  48-52
    4.3.1 矩形波导的制备工艺  49-50
    4.3.2 矩形波导的结构和形貌  50-51
    4.3.3 倒脊形波导的制备  51-52
    4.3.4 倒脊形波导的结构和形貌  52
  4.4 光波导近场光斑的测试  52-54
  4.5 增益测试结果及讨论  54-57
    4.5.1 增益测试系统  54-55
    4.5.2 增益测试结果及讨论  55-57
第五章总结  57-60
  5.1 主要内容及结论  57-58
  5.2 工作展望  58-60
参考文献  60-67
攻读硕士学位期间发表的论文  67-68
致谢  68-69
摘要  69-71
ABSTRACT  71-73

铒镱共掺聚合物平面光波导放大器的研究

内容摘要

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