掺杂稀土钕离子聚合物光波导放大器的基础研究

摘要

近年来，有机聚合物材料以其独特的性能、低廉的成本受到越来越多的重视。聚合物光电子器件如阵列波导光栅、电光调制器、光开关和光波导放大器等几乎已经涉及了集成光学的各个领域。光波导放大器的原理是利用掺入光波导中的稀土离子在泵浦光作用下产生受激辐射来实现信号光的放大。本论文以三元钕配合物Nd(TTA)3(TPPO)2作为有源材料，制备了硅基聚合物光波导放大器，研究了器件在1060nm波长处的增益特性。所做的具体工作如下:
　　1.合成了三元钕配合物Nd(TTA)3(TPPO)2(HTTA:2-thenoyltrifluoroacetone，TPPO:triphenylphosphine oxide)，将其掺杂到SU-8聚合物中，制备了掺杂均匀、成膜性能良好的Nd(TTA)3(TPPO)2/SU-8聚合物。对其吸收光谱和荧光光谱进行了测量，1060nm波长处荧光半高宽为25啪。
　　2.根据Judd-Ofelt理论，结合吸收光谱和发射光谱，得到了Nd(TTA)3(TPPO)2/SU-8聚合物的吸收截面、发射截面和荧光寿命等发光性能参数;建立了钕离子四能级结构的原子速率方程和光功率传输方程，得到了掺钕聚合物光波导放大器的增益理论模型。理论分析了放大器增益性能随Nd3+离子掺杂浓度、信号光发射截面、泵浦光吸收截面、荧光寿命等参数的变化关系。分析表明;当钕离子掺杂浓度为5.86*1025 m-3，泵浦光波长为808nm、功率为140 mW时，放大器器件在1060nm处可获得4.83 dB/cm的理论增益。
　　3.研究探讨了旋涂、溅射铝掩膜层、光刻、显影、反应离子刻蚀等光波导放大器制备工艺条件，设计并制备了以聚合物Nd(TTA)3(TPPO)2/SU-8材料作为波导芯层材料的光波导放大器器件，表征了器件的形貌。
　　4.搭建了掺钕聚合物光波导放大器的增益测试系统，并对制备的器件进行了性能测试。采用808nm波长激光器泵浦，功率为140mW时，当输入信号光为1060nm波长，功率为0.1 mW时，在波导截面尺寸为4μm×6μm，长为20 mm的器件上获得了4.8 dB增益，即2.4 dB/cm。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 集成光学器件

1．2 光放大技术发展状况

1．3 光放大器的分类及其优缺点

1．4 掺钕光波导放大器的分类

1．5 掺钕光波导放大器的研究进展

1．5．1 无机NDWA研究进展

1．5．2 有机聚合物NDWA研究进展

1．6 本论文的主要工作

第二章 掺杂稀土钕离子聚合物光波导放大器的理论模型

2．1 NDWA工作原理

2．1．1 钕元素的能级结构

2．1．2 掺杂稀土钕离子光波导放大器工作原理

2．2 Judd-Ofelt理论

2．3 吸收截面和发射截面

2．4 NDWA的理论模型

2．4．1 原子速率方程

2．4．2 光功率传输方程

2．4．3 增益特性计算

2．5 小结

第三章 掺杂稀土钕离子聚合物光波导放大器的理论模拟

3．1 掺杂稀土钕离子聚合物光波导放大器的模拟参数

3．2 Nd(TTA)3(TPPO)2掺杂的SU-8聚合物光波导放大器理论模拟

3．3 NDWA在900 nm处的增益模拟

3．4 小结

第四章 掺杂稀土钕离子聚合物光波导放大器的制备与测试

4．1 Nd(TTA)3(TPPO)2／SU-8聚合物的制备

4．1．1 实验试剂与设备

4．1．2 Nd(TTA)3(TPPO)2三元配合物的制备

4．1．3 掺Nd(TTA)3(TPPO)2的SU-8聚合物薄膜制备

4．2 Nd(TTA)3(TPPO)2掺杂的SU-8聚合物光谱特性研究

4．2．1 吸收光谱与发射光谱

4．3 硅基Nd(TTA)3(TPPO)2／SU-8聚合物光波导放大器的制备

4．3．1 聚合物光波导置件的衬底材料

4．3．2 聚合物光波导放大器的制备工艺

4．3．3 Nd(TTA)3(TPPO)2／SU-8光波导放大器的制备工艺

4．4 掺钕光波导放大器增益性能测试

4．4．1 光波导近场光斑测试

4．4．2 增益测试系统

4．5 测试增益结果与分析

4．5．1 增益测试

4．5．2 小信号增益

4．5．3 问置分析

4．6 小结

第五章 总结与展望

5．1 本论文主要内容总结

5．2 前景展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢