一种面向（S+C+L）波段的聚合物基光波导放大器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种面向(S+C+L)波段的聚合物基光波导放大器及其制备方法，属于聚合物光波导器件的制备技术领域，本发明专利技术通过制备掺杂Er

【技术实现步骤摘要】
一种面向(S+C+L)波段的聚合物基光波导放大器及其制备方法


[0001]本专利技术属于聚合物光波导器件的制备
，具体涉及一种面向(S+C+L)波段的聚合物基光波导放大器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着5G、物联网、人工智能等技术的发展，通信带宽和容量需求激增。光放大器可对光通信系统中的信号光功率损耗进行补偿，是一种被广泛应用在光通信技术中的重要光学器件。光波导放大器是继光纤放大器之后发展起来的可用于集成系统的新型光放大器。稀土掺杂光波导放大器是利用镧系稀土离子的光致发光效应，利用泵浦光作为激励，实现对信号光的放大。利用不同种类的稀土离子作为发光中心制备的光波导放大器可以实现各个光通信波段的光放大，并易于与多种光波导器件相集成，因此在集成光通信系统中有重要的应用。
[0003]利用镧系发光中心离子掺杂的纳米晶来实现光波导的放大功能是制备有机光波导放大器的一个主要手段。镧系稀土离子的发光主要来源于它们丰富的4f电子能级跃迁，光谱可覆盖从紫外到红外波段，这为设计制备宽带光放大器提供了非常有利的条件。
[0004]目前现有的有机光波导放大器主要利用铒离子(Er
3+
)的4I
13/2
→4I
15/2
跃迁，实现在C+L波段的光放大。随着通信带宽需求的增长，光放大器的工作带宽也要与之相匹配，需要从(C+L)波段向短波长(S+C+L)波段拓展。然而，能否实现覆盖波段的宽带光通信，还依赖于能否研制出可实用的宽带光放大器。在光放大器中实现S波段的光放大，可利用铥离子(Tm
3+
)的3H4→3F4跃迁。传统的光放大技术采用S波段和(C+L)波段两种光放大器协同工作来拓展带宽。尚未有工作波长覆盖(S+C+L)波段的光放大器的相关报道。研究人员首先探索将Er
3+
/Tm
3+
这两种稀土离子共掺杂在纳米晶中，实现其宽带发光，进而制备超宽带(S+C+L)波段光放大器。然而，在Er
3+
/Tm
3+
这两种共掺杂体系中不可避免地存在着多种发光活性离子之间的能量传递、激发态能级布居的竞争以及发光再吸收问题。这些问题直接导致光放大器的S带增益过小以及宽带增益不平坦，因此难以实用。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的宽带聚合物波导放大器S带增益过小以及宽带增益不平坦等问题，本专利技术提供了一种面向(S+C+L)波段的聚合物基光波导放大器及其制备方法，本专利技术通过制备掺杂Er
3+
/Tm
3+
这两种发光中心离子的核
‑
壳稀土纳米粒子及惰性层，并调控Er
3+
/Tm
3+
掺杂位置及掺杂比例、调控生长阻隔层厚度等技术手段调谐纳米粒子超宽带发光光谱；然后利用上述稀土纳米粒子制备聚合物增益材料，增益介质半高全可达117nm，进而利用这类增益材料制备光波导放大器，使光波导放大器的工作波长范围从单一的S波段或(C+L)波段拓展至(S+C+L)波段，利用本方法制备的宽带聚合物光波导放大器，在1450nm
‑
1580nm波段均可获得光放大增益，且增益平坦，在1460nm
‑
1575nm波段的相对增益可达6
‑
8dB。
[0006]本专利技术的一种面向(S+C+L)波段的聚合物基光波导放大器的制备方法的原理如下：
[0007]通过构建纳米粒子的核
‑
壳结构、将Er
3+
/Tm
3+
这两种稀土离子分别掺杂在不同核
‑
壳中，并通过制备惰性阻隔层，解决这两种发光活性离子之间的能量传递导致铥离子发光强度弱的问题，在同一纳米粒子中实现超宽带(S+C+L)波段发射光谱展宽，进而获得可实现超宽带(S+C+L)波段宽带光放大功能的聚合物光波导放大器。
[0008]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0009]一种面向(S+C+L)波段的聚合物基光波导放大器的制备方法，具体包括如下步骤：
[0010]步骤一：制备掺杂Er
3+
，Tm
3+
两种发光中心离子的核
‑
壳稀土纳米粒子，将二者掺杂在不同壳层中，并加入阻隔层；并通过调控Er
3+
/Tm
3+
掺杂位置及掺杂比例、调控生长阻隔层厚度，使Er
3+
，Tm
3+
两种发光中心离子在近红外区的发射波长在1460nm
‑
1570nm实现较平坦的宽带发光，半高全宽达117nm；
[0011]步骤二：通过物理掺杂或化学键合的方法将步骤一制备的掺杂Er
3+
，Tm
3+
两种发光中心离子的核
‑
壳稀土纳米粒子掺杂在聚合基质中制备成具有宽带发光性质的聚合物增益介质；
[0012]步骤三：利用步骤二得到的宽带聚合物增益介质作为芯层，从而制备光波导放大器，通过调整搭载基质、烘烤温度、曝光时间的方式进行芯层折射率的调整。
[0013]进一步地，步骤一具体包括如下内容：
[0014]A1：利用水热法、高温热解法或沉淀法制备核
‑
多壳层型稀土纳米粒子MREF4，其中，RE为稀土元素，M为碱金属；
[0015]A2：将发光中心离子Er
3+
、Tm
3+
分别掺杂在核、壳不同位置；
[0016]将发光中心离子Er
3+
、Tm
3+
掺杂在核、壳的不同位置，并共掺杂敏化剂离子Yb
3+
，以及上转换猝灭剂离子或其它可增强发光中心离子在(S+C+L)波段发光的离子，包括Ce
3+
、Pr
3+
、Nd
3+
、Ho
3+
、Eu
3+
或Tb
3+
离子；
[0017]A3：在Er
3+
、Tm
3+
离子掺杂的壳层中包覆中间阻隔层，该阻隔层包括但不限于：MREF4(其中，RE为稀土元素，M为碱金属)、SiO2、TiO2等；
[0018]A4：调控Er
3+
、Tm
3+
离子的掺杂位置及掺杂比例、调控生长阻隔层厚度，使Er
3+
在波长为1.53μm处的发射峰及Tm
3+
在波长为1.48μm处的发射峰光谱强度相匹配，在同一稀土纳米粒子中形成覆盖1.45μm
‑
1.57μm的宽光谱，实现光谱展宽，且在(S+C+L)波段光谱平坦，为宽带光放大器在(S+C+L)波段均能获得增益奠定基础。
[0019]进一步地，步骤A2中，发光中心离子的浓度定义为：每种发光中心离子的物质的量/稀土纳米粒子中稀土元素的总本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向(S+C+L)波段的聚合物基光波导放大器的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一：制备掺杂Er
3+
，Tm
3+
两种发光中心离子的核
‑
壳稀土纳米粒子，将二者掺杂在不同壳层中，并加入阻隔层；并通过调控Er
3+
/Tm
3+
掺杂位置及掺杂比例、调控生长阻隔层厚度，使Er
3+
，Tm
3+
两种发光中心离子在近红外区的发射波长在1460nm
‑
1570nm实现较平坦的宽带发光，半高全宽达117nm；步骤二：通过物理掺杂或化学键合的方法将步骤一制备的掺杂Er
3+
，Tm
3+
两种发光中心离子的核
‑
壳稀土纳米粒子掺杂在聚合基质中制备成具有宽带发光性质的聚合物增益介质；步骤三：利用步骤二得到的宽带聚合物增益介质作为芯层，从而制备光波导放大器，通过调整搭载基质、烘烤温度、曝光时间的方式进行芯层折射率的调整。2.如权利要求1所述的一种面向(S+C+L)波段的聚合物基光波导放大器的制备方法，其特征在于，步骤一具体包括如下内容：A1：利用水热法、高温热解法或沉淀法制备核
‑
多壳层型稀土纳米粒子MREF4，其中，RE为稀土元素，M为碱金属；A2：将发光中心离子Er
3+
、Tm
3+
分别掺杂在核、壳不同位置；将发光中心离子Er
3+
、Tm
3+
掺杂在核、壳的不同位置，并共掺杂敏化剂离子Yb
3+
，以及上转换猝灭剂离子或其它可增强发光中心离子在(S+C+L)波段发光的离子，包括Ce
3+
、Pr
3+
、Nd
3+
、Ho
3+
、Eu
3+
或Tb
3+
离子；A3：在Er
3+
、Tm
3+
离子掺杂的壳层中包覆中间阻隔层；A4：调控Er
3+
、Tm
3+
离子的掺杂位置及掺杂比例、调控生长阻隔层厚度，使Er
3+
在波长为1.53μm处的发射峰及Tm
3+
在波长为1.48μm处的发射峰光谱强度相匹配，在同一稀土纳米粒子中形成覆盖1.45μm
‑
1.57μm的宽光谱，实现光谱展宽，且在(S+C+L)波段光谱平坦，为宽带光放大器在(S+C+L)波段均能获得增益奠定基础。3.如权利要求2所述的一种面向(S+C+L)波段的聚合物基光波导放大器的制备方法，其特征在于，步骤A2中，发光中心离子的浓度定义为：每种发光中心离子的物质的量/稀土纳米粒子中稀土元素的总物质的量，范围为0％
‑
2％；发光中心离子的总浓度定义为：所有种类发光中心离子浓度之和，范围不超过4％，敏化剂离子的浓度定义为：敏化剂离子的物质的量/稀土纳米粒子中稀土元素的总物质的量，具体为20％；且发光中心离子的总浓度与敏化...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丹，裴震，符越吾，秦伟平，王菲，秦冠仕，贾志旭，孟凡超，李俊，唐迎，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：