波導(dǎo)制備用鉺鐿摻雜磷酸鹽玻璃的光學(xué)光譜參數(shù)

申 權(quán), 張晶晶, 柳 鳴, 王志強(qiáng), 趙 昕

(1.大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116034; 2.大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院,遼寧大連 116034)

波導(dǎo)制備用鉺鐿摻雜磷酸鹽玻璃的光學(xué)光譜參數(shù)

申 權(quán)1, 張晶晶2, 柳 鳴2, 王志強(qiáng)2, 趙 昕1

(1.大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧大連 116034; 2.大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院,遼寧大連 116034)

制備了一種具有優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性的堿性鋁磷酸鹽玻璃,將該玻璃樣品浸入390℃下的KNO3熔鹽中離子交換2 h后得到了平面波導(dǎo)。有效擴(kuò)散系數(shù)為0.11μm2/min,說明該玻璃實(shí)現(xiàn)了高效的離子交換。通過光譜分析可得,4I13/2→4I15/2能級(jí)躍遷的半高寬和最大發(fā)射截面分別為30 nm和6.80×10-21cm2。結(jié)果表明,當(dāng)4I13/2能級(jí)上Er3+的比例達(dá)到80%時(shí),計(jì)算得到的理論增益可以達(dá)到2.97 dB/cm。

鉺鐿共摻;磷酸鹽玻璃;鉀鈉離子交換;光波導(dǎo)

0 引 言

在過去的數(shù)十年中,光波導(dǎo)作為集成光學(xué)器件里最基礎(chǔ)而不可或缺的部件,受到了越來越多的關(guān)注[1]。以玻璃為基礎(chǔ)的光學(xué)器件與其他技術(shù)相比有很多優(yōu)勢[2],而磷酸鹽玻璃被認(rèn)為是制作波導(dǎo)的優(yōu)異基質(zhì)。熱離子交換法被廣泛地應(yīng)用于制備低損耗波導(dǎo),在制備單模器件時(shí),K+-Na+離子交換法是最常用的方法[3]。

有效擴(kuò)散系數(shù)是衡量離子交換程度的一個(gè)重要參數(shù)。典型載玻片的有效擴(kuò)散系數(shù)約為0.03μm2/min,Corning 0211玻璃的有效擴(kuò)散系數(shù)約為0.1μm2/min[4]。本實(shí)驗(yàn)制備了一種鉺鐿共摻的堿性鋁磷酸鹽玻璃,它具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性,有效擴(kuò)散系數(shù)為0.11μm2/min。當(dāng)4I13/2能級(jí)上Er3+的比例達(dá)到80%時(shí),計(jì)算得到的理論增益可以達(dá)到2.97 dB/cm。

1 試 驗(yàn)

1.1 NMAP玻璃的制備和測量

首先,將高純度的NaPO3、Mg(PO3)2、Al2O3、Al(PO3)3摩爾比為67∶4∶4∶25制成粉末,簡稱NMAP玻璃。另外添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%Er2O3和4.0%Yb2O3?；旌暇鶆蚍旁阢K金坩堝里,在360℃的溫度下預(yù)熱10 h,以去除其中的水分。然后,加熱致1 350℃熔融1 h。再在經(jīng)過預(yù)熱的鋁制模板上淬火。最后在470℃退火爐中下退火3 h,隨爐冷缺至室溫,將玻璃樣品切割和拋光。

經(jīng)阿基米德法測得樣品密度為2.720 g/cm3。經(jīng)計(jì)算,Er3+和Yb3+的數(shù)密度分別為1.616× 1020cm-3和3.137×1020cm-3。使用Metricon 2010棱鏡耦合儀測得樣品在632.8和1 536 nm的折射率為1.518 2和1.504 2。在其他波長下的折射率可以由柯西公式計(jì)算出來,即n=A+ B/λ2,其中A=1.501 3 nm2,B=675 2 nm2。DTA掃描使用WCR-2D差熱分析儀。吸收光譜測量使用Perkin-Elmer Lambda 19雙光束分光光度計(jì),紅外熒光光譜測量使用Jobin Yvon Fluorolog-3分光光度計(jì)。

1.2 平面波導(dǎo)的制備與表征

首先,將純KNO3放入爐中進(jìn)行加熱至熔融狀態(tài)。然后,將玻璃樣品放在熔融的KNO3溶液中,將它們置于390℃的溫度下保溫2 h,即完成了熱離子交換的過程。最后,讓玻璃樣品和KNO3溶液隨爐降至室溫。該平面波導(dǎo)的折射率分布情況由Metricon 2010棱鏡耦合儀測得。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱學(xué)性質(zhì)和離子交換

經(jīng)測定,NMAP玻璃的密度和轉(zhuǎn)變溫度分別為2.72 g/cm3和470℃。圖1為NMAP玻璃的DTA曲線,在圖中沒有觀察到明顯的結(jié)晶峰。其中轉(zhuǎn)變溫度θg為470℃,比離子交換的溫度390℃高80℃左右,這對(duì)于在離子交換的過程中保護(hù)玻璃結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是有利的。

由式(1)計(jì)算NMAP玻璃的有效擴(kuò)散系數(shù)De。

式中:t為擴(kuò)散時(shí)間,min;d為有效擴(kuò)散深度,μm。

De為0.11μm2/min,表明該玻璃實(shí)現(xiàn)了高效的離子交換。

圖1 NMAP玻璃的DTA曲線Fig.1 DTA curve of NMAP glass

2.2 折射率與光譜分析

由Metricon 2010棱鏡耦合儀測得,玻璃樣品在632.8 nm下表面的折射率n0和基質(zhì)的折射率nsub分別為1.526 2和1.518 2,最大的折射率差值為0.008。圖2是樣品在1 536 nm下,反射光的強(qiáng)度與折射率之間的關(guān)系,峰值表示探測到的TE模式,至少觀察到一個(gè)完整的TE模式。這表明NMAP玻璃制備單模波導(dǎo)是可行的。圖3所示為980 nm激發(fā)下的發(fā)射光譜,光譜半高寬為30 nm。圖4為玻璃樣品的吸收光譜。

圖2 1 536 nm光激發(fā)下NMAP玻璃反射光的強(qiáng)度與折射率之間的關(guān)系Fig.2 The relationship of reflected light intensity and refractive index at 1 536 nm laser source

2.3 Judd-Oflet計(jì)算

根據(jù)Judd-Oflet理論,J-O強(qiáng)度參數(shù)Ωt(t= 2,4,6)經(jīng)計(jì)算為5.47×10-20,1.34×10-20, 0.81×10-20cm2,表明Er3+處于一個(gè)強(qiáng)的反演非對(duì)稱和共價(jià)環(huán)境。誤差的均方根δrms為2.79× 10-7,說明這個(gè)計(jì)算過程是可靠的。另外,本NMAP玻璃的Ω4/Ω6為1.65,這個(gè)比值較大,表明該玻璃具有很好的光學(xué)特性。利用J-O參數(shù)和Er3+的約化矩陣元平方,可以分別求得SLJ→S' L'J'自發(fā)輻射躍遷各種參數(shù),計(jì)算結(jié)果列于表1。

圖3 980 nm光激發(fā)下NMAP玻璃在1.535μm處的發(fā)射帶Fig.3 1.535μm emission band of NMAP glass under 980 nm laser

圖4 Er3+/Yb3+共摻NMAP玻璃的吸收光譜Fig.4 Absorption coefficient of Er3+/Yb3+co-doped NMAP glass

表1 NMAP玻璃中Er3+的自發(fā)輻射躍遷參數(shù)Tab.1 Spontaneous transition parameters of Er3+in NMAP glass

2.4 吸收截面與發(fā)射截面

圖5所示為4I13/2?4I15/2能級(jí)躍遷時(shí)對(duì)應(yīng)的吸收和發(fā)射截面。吸收截面通過吸收光譜通過公式(2)得出。

式中:σa(v)為吸收截面,cm2;E(v)為吸收光譜值;N為稀土離子的數(shù)密度,cm-3;d為樣品厚度,mm。

圖5 NMAP玻璃中Er3+的吸收和發(fā)射截面Fig.5 Absorption and emission cross section profiles of Er3+in NMAP glasses

最大吸收截面為1.534μm處的獲得的6.08×10-21cm2。受激發(fā)射截面由吸收截面和發(fā)射光譜通過McCumber關(guān)系式(3)得出

式中;σe(v)為發(fā)射截面,cm2;k是玻爾茲曼常數(shù), 0.695 cm-1/K;h是普朗克常數(shù),6.63× 10-34m2·kg/s。

最大受激發(fā)射截面σem-max為6.80×10-21cm2,大于其他報(bào)道的Er3+摻雜磷酸鹽玻璃,如PYE[5](5.30×10-21cm2),NAPA[6](6.6×10-21cm2), NAP[7](5.58×10-21cm2)。

2.5 增益譜

如果假定全部的Er3+都在基態(tài)4I15/2或者更高的能級(jí)4I13/2上,則增益譜[8]G(λ,p)可以表示為

式中:p為4I13/2能級(jí)上的Er3+所占的比例;N為 Er3+的數(shù)密度,cm-3;L為波導(dǎo)長度,mm。

圖6為NMAP玻璃中Er3+4I13/2→4I15/2能級(jí)躍遷的增益譜(L=1 cm),凈增益隨著離子數(shù)反轉(zhuǎn)比例的增加而變大[9]。在1.53μm光激發(fā)下,當(dāng)4I13/2能級(jí)中受激Er3+的比例分別為0.8和1.0時(shí),理想凈增益為2.97和4.77 d B/cm。

圖6 4I13/2能級(jí)上的Er3+所占不同比例(p)下,4I13/2→4I15/2能級(jí)躍遷的理論增益(L=1 cm)Fig.6 Calculated gain spectra(L=1 cm)of the4I13/2→4I15/2transition emission for various values of population inversion

圖7 Yb3+敏化Er3+能量傳遞示意圖Fig.7 Schematic diagram of energy transfer from Yb3+to Er3+

圖7為能量從鐿離子向鉺離子傳遞的示意圖[10-11]。在樣品中,Yb3+離子起到了敏化劑的作用,將能量傳遞給了周圍的Er3+。與直接泵浦Er3+相比,能量傳遞帶來了更高的Er3+泵浦效率[12]。

3 結(jié) 論

制備的堿性鋁磷酸鹽玻璃具有優(yōu)異的化學(xué)耐用性,并通過熱離子交換法制備了平面波導(dǎo)。波導(dǎo)表面的形狀表明該玻璃具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。Judd-Oflet強(qiáng)度參數(shù)為5.47×10-20cm2,這表明該玻璃中的Er3+處于強(qiáng)的反演非對(duì)稱和共價(jià)環(huán)境。在1.53μm紅外激發(fā)下,當(dāng)4I13/2能級(jí)上Er3+的比例達(dá)到0.8和1.0時(shí),凈增益系數(shù)分別為2.97和4.77 d B/cm?？捎^的理論增益表面使該NMAP玻璃在制備光波導(dǎo)放大器方面具有很大的前景。

[1]CHEN Z H,ZHOU K N,JIANG C.Optimization of pump efficiency of Er3+-Ce3+co-doped fiber amplifier [J].Applied Optics,2010,49(15):2845-2849.

[2]YANG J H,DAI S X,HU L L,et al.Spectroscopic properties and thermal stability of erbium-doped bismuth-based glass for optical amplifier[J].Journal of Applied Physics,2003,93(2):977-983.

[3]雷紅兵,歐海燕,楊沁清,等.平面陣列光學(xué)波導(dǎo)模式特性及其光強(qiáng)傳輸分析[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2000,21 (5):486-490.

[4]NAJAFI S I.Optical behavior of potassium ion-exchanged glass waveguides[J].Applied Optics,1988, 27(17):3728-3731.

[5]SUN J T,ZHANG J H,CHEN B J.Preparation and optical properties of Er3+-doped gadolinium borosilicate glasses[J].Journal of Rare Earths,2005,23 (2):157-161.

[6]FENG Y,CHEN X B,HAO I,et al.Energy transfer and upconversion in Tm3+and Yb3+codoped ZBLAM glass[J].Acta Physica Sinica,1997,46 (12):227-229.

[7]XU X S,MING H,ZHANG Q J.Optical-transition probabilities of Nd3+ions in polymer optical fibers [J].Optics Communications,2001,199(5):369-373.

[8]BROW R K.Nature of alumina in phosphate glass properties of sodium aluminophosphate glass[J]. Journal of the American Ceramic Society,1993,76 (5):913-918.

[9]VALLéS J A.Concentration-dependent optimization of Yb3+/Er3+highly-doped phosphate glass waveguide amplifiers and lasers using a microscopic statistical formalism[J].Optical Materials,2013,35 (7):397-401.

[10]VEASEY D L,FUNK D S,PETERS P M,et al. Yb/Er-codoped and Yb-doped waveguide lasers in phosphate glass[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2000,263(27):369-381.

[11]REDDY A A,BABU S S,PRADEESH K,et al. Optical properties of highly Er3+-doped sodium-aluminium-phosphate glasses for broadband 1.5μm emission[J].Journal of Alloys and Compounds, 2011,509(38):4047-4052.

[12]熊紅紅,陳巧霞,朱超,等.硼酸鑭鈣中三價(jià)銪離子的輻射躍遷參數(shù)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(5): 372-375.

Optical and spectral parameters of Er3+and Yb3+co-doped phosphate glass for waveguide fabrication

SHEN Quan1, ZHANG Jingjing2, LIU Ming2, WANG Zhiqiang2, ZHAO Xin1
(1.School of Information Science and Engineering,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China; 2.School of Textile and Material Engineering,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China)

Alkaline aluminum phosphate glasses were fabricated,and planar waveguide was obtained on Er3+/Yb3+co-doped NMAP glass after submerging the glass sample into the KNO3fused salt under 390℃for 2 h.The effective diffusion coefficient was deduced to 0.11μm2/min,indicating that the ion exchange process was achieved efficiently.According to the spectrum analysis,the full width at half maximum and maximum stimulated emission cross section of4I13/2→4I15/2energy level transition were 30 nm and 6.80×10-21cm2.Results showed that the calculated theoretical gain could achieve 2.97 dB/cm when the ratio of Er3+in4I13/2energy level reached to 80%.

Er3+/Yb3+co-doped;phosphate glass;K+-Na+ion-exchange;optical waveguide

TQ160.5

A

1674-1404(2017)01-0054-04

2015-06-26.

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(L2014226).

申權(quán)(1988-),男,碩士研究生;通信作者:張晶晶(1982-),女,講師,E-mail:zhangjj@dlpu.edu.cn.

申權(quán),張晶晶,柳鳴,王志強(qiáng),趙昕.波導(dǎo)制備用鉺鐿摻雜磷酸鹽玻璃的光學(xué)光譜參數(shù)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,36 (1):54-57.

SHEN Quan,ZHANG Jingjing,LIU Ming,WANG Zhiqiang,ZHAO Xin.Optical and spectral parameters of Er3+and Yb3+co-doped phosphate glass for waveguide fabrication[J].Journal of Dalian Polytechnic University,2017,36(1):54-57.