稀土掺杂平面光波导放大器是一类重要的光子学元件,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、隔离器、阵列波导光栅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。综述了应用于第二(1.33μm)、第三(1.53μm)标准通信窗口的有机光波导放大器的研究现状,阐述了不同类型材料制备的器件存在的优缺点、制备过程中存在的问题,并对其发展前景进行了展望

张丹

梁旭

汪建斌

郑礼炳

郭东辉

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第 41 卷 第 10 期 激 光 与 红 外 Vol． 41，No． 102011 年 10 月 LASER ＆ INFRARED October，2011文章编号: 1001-5078( 2011) 10-1076-05 ·综述与评论·有机光波导放大器最新进展张 丹1，郑礼炳1，梁 旭2，汪建斌1，郭东辉1( 1． 厦门大学信息科学与技术学院电子工程系，福建 厦门 361005; 2． 厦门微电子集成技术研究中心，福建 厦门 361005)摘 要: 稀土掺杂平面光波导放大器是一类重要的光子学元件，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、隔离器、阵列波导光栅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。综述了应用于第二( 1． 33 μm)、第三( 1． 53 μm) 标准通信窗口的有机光波导放大器的研究现状，阐述了不同类型材料制备的器件存在的优缺点、制备过程中存在的问题，并对其发展前景进行了展望。关键词: 有机光波导放大器; 增益; 研究进展; 铒; 钕中图分类号: TN256 文献标识码: A DOI: 10． 3969 / j． issn． 1001-5078． 2011． 10． 004Research progress on rare-earth-doped polymeroptical waveguide amplifiersZHANG Dan1，ZHENG Li-bing1，LIANG Xu2，WANG Jian-bin1，GUO Dong-hui1( 1． Department of Electronic Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，China;2． Xiamen Micro-electronic Integrated Technology R＆D Center，Xiamen 361005，China)Abstract: Rare-earth-doped waveguide amplifiers have received increasing attention in the past few years due to thesmall size and potential applications to integrate with other optical devices，such as splitters，couplers，and switches． Inthis paper，the progress in research on the rare-earth-doped polymer waveguide amplifiers at 1． 33 μm and 1． 53 μmwavelengths is reviewed． The characteristics for different polymer waveguide amplifiers are discussed．Key words: polymer waveguide amplifier; gain; research progress; erbium; neodymium1 引 言稀土 离 子 ( 如 Pr3 + ，Eu3 + ，Er3 + ，Yb3 + ，Nd3 + ，Cr3 + ，Tm3 + 等) 是理想的发光和光放大活性物质，如铒离子( Er3 + ) 在 1． 53 μm 波长处的近红外发光，对应着第 三 标 准 通 信 窗 口 波 长; 钕 离 子 ( Nd3 + ) 在1． 06 μm 和 1． 33 μm 处 均 有 发 光，特 别 是 在1． 33 μm 的近红外发光是聚合物光纤、平面光波导的最低损耗传输窗口，对应第二标准通信窗口波长［1］。因此，在光集成领域中，掺铒、钕光波导放大器( EDWA、NDWA) 的研究显得格外活跃。采用聚合物材料制备的有机光波导放大器，可以有效弥补无机光波导放大器工艺复杂、折射率改变量小、无法与硅基材料集成的缺点，只须通过室温旋涂和光刻等工艺就可以制作出功能复杂的光电集成器件，并且折射率差易于调整，制作的器件轻巧，适用于制作高密度集成器件，在平面光子集成应用方面前景十分看好。本文综述了有机 EDWA、ND-WA 的研究现状，阐述了不同类型材料制备的器件存在的优缺点，并对其发展前景进行了展望。2 有机光波导放大器的研究进展根据稀土离子掺入的有机基质的不同，有机光波导放大器可分为以下两类:2． 1 基于稀土配合物掺杂的有机光波导放大器2002 年，荷兰研究小组［2］首次将 Er3 + 离子封装基金项目: 福建省自然科学基金项目( No． 2009J15057) 资助。作者简介: 张 丹( 1981 － ) ，女，讲师，主要从事光波导器件的研究。E-mail: zhangdan@ xmu． edu． cn收稿日期: 2011-04-21在半球形笼状有机配合物中，解决了稀土离子在聚合物基质中的溶解性问题，这种将稀土离子形成有机配合物的方法为有机光波导放大器的材料研究提供了新思路。近年来，关于有机光波导放大器的研究大都将稀土配合物材料掺杂在聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 、SU － 8 等聚合物基质中，采用干法刻蚀、电子束写入的方法制备。表 1 为国际上报道的铒、钕配合物掺杂的有机光波导放大器的相关参数。表 1 铒、钕配合物掺杂的有机 EDWA、NDWA 的参数Tab． 1 the gain of Er3 + and Nd3 + complexes doped polymer waveguide amplifiers材 料 稀土离子掺杂含量( ion /cm3 ) 增益( dB /cm) 参考文献Er3 + /Yb3 + in SU － 8 3． 3 × 1019 ion /cm3 7． 2@ 1533 nm ［3］QB-Er in PMMA 3． 57 × 1019 ion /cm3 0． 84@ 1540 nm ［4］Er1． 2Yb0． 8 ( PBa) 6 ( Phen) 2 10． 8 wt% 3． 5@ 1550 nm ［5］Er( DBM) 3 Phen in PMMA-GMA 3 × 1019 ion /cm3 0． 73@ 1550 nm ［6］Nd( HFA) 3，NdCl3·6H2O in PI 3 × 1019 ion /cm3 1@ 1064 nm ［7］Nd( TTA) 3 Phen in 6-FDA 1． 03 × 1020 ion /cm3 5． 7@ 1064 nm ［8］目 前 这 类 有 机 光 波 导 放 大 器 存 在 的 主 要 问题是:( 1) 稀土配合物在聚合物基质中的溶解度较低。稀土离子的掺杂浓度是影响放大器增益的主要因素，从文献报道来看，稀土离子在无机材料中的掺杂浓度可达 1020 /cm －3［9 － 11］，而在聚合物中的该值普遍要少一个数量级( 1019 /cm －3 ) ，不利于增益的获得。2009 年，吉林大学张大明课题组报道的一种铒镱共掺配合物［5］，无需与聚合物基质复合，可直接溶于环戊酮后，蒸干溶剂作为芯层，制备光波导，大大的提高了 Er3 + 离子在波导中的含量。( 2) 亚稳态能级寿命短，发光量子效率低。亚稳态能级寿命的本质是能级存储粒子的能力，较短的亚稳态能级寿命需要牺牲大的泵浦功率将大量基态能级粒子激发到上能级，以达到产生增益的反转粒子数。有机配体及聚合物基质中 C － H，O － H 高能振动基团导致稀土离子激发态的非辐射跃迁，很大程度上影响其能级寿命，在已有的有机光波导放大器器件的报道中，稀土离子的稳态能级寿命大都在几微秒至几十微秒量级［12 － 14］，远小于无机材料中毫秒量级的寿命［15 － 17］。目前，材料学家正积极寻找提高有机材料中稀土离子发光量子效率的方法，取得了一些成绩: Gaetano 等人［18］发现氟、氘和卤素代替 C － H 键的 H 原子有利于减小振动吸收，他们采用氟化配体合成了 Er( F-tpip) 3 材料，Er3 + 离子寿命达到 164 μs; G． A． Kumar 研究小组［19］将 S，I，Se，P等重元素作为 Er3 + 的第一配位，用来构成配合物分子骨架，增强配体刚性，进而减小振动猝灭，使得Er3 + 离子的寿命提高到 3 ms，发光量子效率在 78%以上。( 3) 有机配体( β － 二酮、8 － 羟基喹啉等) 对稀土离子的敏化传能作用在实际应用中不能较好体现。为了提高泵浦效率，挑选与稀土离子激发态能级相匹配的有机配体，使其三重态能级与稀土离子激发态能级进行有效的分子内传能，是光放大材料的研究热点。然而，配体的三重态能级需要紫外 － 可见光激光器激发，在实际应用中，这一波段的光源与 1550 nm，1330 nm 波长信号光的耦合存在一定的困难，目前研制成功的器件均采用980 nm 波长、800 nm 波长的商用激光器直接激发Er3 + ，Nd3 + 离子，有机配体对稀土离子的能量传递作用并未考虑在内。2． 2 基于稀土纳米颗粒掺杂的有机 － 无机复合型光波导放大器这类光波导放大器是将稀土离子的 SiO2，LaF3纳米颗粒，与有机 － 无机杂化材料复合，作为波导的芯 层 材 料，采 用 反 应 离 子 刻 蚀 的 方 法 制 备。SiO2，LaF3 具有低的声子能量、高的热和环境稳定性，用它们作为基质能够有效减少稀土离子的非辐射跃迁，可使亚稳态能级寿命提高至几十微秒至毫秒量级［20 － 22］。同时，对纳米颗粒进行表面有机修饰，可提高其在有机基质中的溶解度，即能确保稀土离子的发光寿命，又能提高掺杂浓度。与稀土配合物掺杂的有机光波导放大器相比，这类光波导放大器的研究起步稍晚，表 2 为国际上报道的稀土纳米颗粒掺杂的有机 － 无机复合型光波7701激 光 与 红 外 No． 10 2011 张 丹等 有机光波导放大器最新进展导放大器相关参数。表 2 纳米颗粒掺杂的 EDWA、NDWA 的参数Tab． 2 the gain of Er3 + and Nd3 + nanoparticlesdoped polymer waveguide amplifiers材 料稀土离子掺杂含量( ion /cm3 )增益( dB /cm)参考文献LaF3 ∶Nd inPMMA or SU － 810 wt% 0． 1@ 1319 nm ［23］LaF3 ∶Er，Yb in MPTS 50 wt% 2． 5@ 1535 nm ［24］LaF3 ∶Er，Yb in SGHM 50 wt% 2． 0@ 1550 nm ［25］这类光波导放大器存在的主要缺点是:( 1) 纳米颗粒的表面效应易造成团簇及浓度猝灭，导致器件的上转换发光。上转换发光是位于激发态能级的稀土离子吸收泵浦光能量向高能级跃迁，将红外光转换成可见光的现象，该现象无助于信号光的放大，应注意优化稀土离子在基质中的掺杂浓度，使其有效分散; 同时尽量提高材料的纯度，减少非故意掺杂带来的猝灭中心对上转换的影响。图1 是当光纤对准 LaF3 ∶ Er，Yb 纳米 颗 粒 掺 杂 的 有机 － 无机复合型光波导放大器时，平板波导部分的上转换发光［26］。图 1 平板波导中的上转换发光Fig． 1 the upconversion luminescence in planar waveguide( 2) 由于 SiO2，LaF3 等无机成分的存在，使得干法刻蚀技术制备矩形波导较为困难。图 2 ( a) 为在表面油酸修饰 LaF3 ∶ Er，Yb 纳米颗粒掺杂的 MPTS材料上经过蒸镀、光刻、显影工艺步骤后的器件表面SEM 照片。由图 2 可见，光刻板上的波导图案已经完好的转移到材料上。然而，经过氧反应离子刻蚀后，器件表面开裂、波导条断裂现象严重，如图 2( b)所示。这主要是由于材料中 LaF3 的大量存在造成的［27］。因此，这类光波导放大器常采用掩埋条形的波导结构，避免直接对导光层材料的刻蚀。这种器件结构也适用于较高浓度的稀土配合物掺杂的有机光波导放大器［28］。图 3 是掩埋条形波导结构的示意图。这种波导结构存在的问题是: 光场在平板波导部分存在泄漏损耗，需要优化波导宽高比及平板波导的厚度减少泄漏损耗。图 3 掩埋条形波导结构示意图Fig． 3 cross section view of embedded waveguide3 前景与展望光波导放大器因其巨大的使用价值在今后一段时间内仍将是光子学领域的持续研究的热点。目前关于有机 EDWA、NDWA 的研究已经突破了前十年材料制备方面的瓶颈，在性能指标方面已有接近无机波导放大器的器件问世，为进一步器件化和集成化奠定了基础。对于有机光波导放大器的进一步研究，可通过挑选震动吸收小的含氟有机配体提高发光量子效8701 激 光 与 红 外 第 41 卷率、优化稀土离子的掺杂浓度降低上转换的影响、优化波导结构减少传输损耗进一步提高器件的增益性能，同时，可考虑和阵列波导光纤光栅、光调制器、光开关等光子器件集成。参考文献:［1］ Wang Huaishan． Preparation and investigation of near-in-frared luminescence properties of organid-inorganic hybridmaterials for optical amplifiers［D］． Hangzhou: Zhejianguniversity of China，2007． ( in Chinese)王怀善． 光放大用有机 － 无机杂化材料的合成与近红外发光特性研究［D］． 杭州: 浙江大学，2007．［2］ L H Slooff，A Polman，M P Oude Wolbers，et al． Opticalproperties of erbium-doped polydentate organic cage com-plexes［J］． J． Appl． Phys，1998，83: 497．［3］ W H 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有机光波导放大器最新进展

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