利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料實現(xiàn)光波導(dǎo)器件光放大的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于上轉(zhuǎn)換發(fā)光及光波導(dǎo)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料作為光栗浦材料制備光波導(dǎo)器件實現(xiàn)光放大的方法。根據(jù)反斯托克斯發(fā)光原理，利用低頻長波長光栗浦上轉(zhuǎn)換材料，發(fā)射高頻短波長的光，進而利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光實現(xiàn)光放大。本發(fā)明可實現(xiàn)紅外光栗浦下紫外、可見、近紅外光頻段的光放大。
【背景技術(shù)】
[0002]多光子上轉(zhuǎn)換發(fā)光是一個反斯托克斯發(fā)光過程。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料可以吸收小能量低頻率長波長的光子，發(fā)射高能量高頻率短波長光子?；谏限D(zhuǎn)換發(fā)光原理的材料和器件在激光、通信、能源、醫(yī)療、軍事、航空航天和人們?nèi)粘Ｉ钪卸加兄种匾膽?yīng)用前景。
[0003]光放大器是新一代光纖通信系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵器件。光放大器解決了光信號衰減對光網(wǎng)絡(luò)傳輸速率與距離的限制，大大促進了全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。由于吸收散射等原因，信號在光纖中存在損耗，需要光放大器對信號光進行放大。稀土元素摻雜的光波導(dǎo)放大器利用光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將栗浦光能量約束在截面積非常小的區(qū)域，從而提高栗浦光功率密度和有效作用長度，實現(xiàn)在工作波長內(nèi)單位長度波導(dǎo)的高信號增益，從而有效地補償其它光波導(dǎo)器件如:波分復(fù)用器、分束器、調(diào)制器、光開關(guān)、隔離器在光傳輸過程中的損耗，為光電子器件的小型化、集成化提供了可行性方案，因而受到廣泛研究。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，使得1280nm到1625nm甚至1700nm都成為光通信的低損耗窗口，帶寬可達到345nm至520nm。聚合物光纖作為短距離通信網(wǎng)絡(luò)的理想傳輸介質(zhì)，其傳輸?shù)墓庑盘柨晌挥诮t外光到可見光頻段。比如在車載系統(tǒng)中，文獻報道用650nm的紅光來傳輸信號。隨著光通信信號光波長的多樣化，光波導(dǎo)放大器需要更寬的帶寬來實現(xiàn)多信道的光放大。目前，光波導(dǎo)放大器都是利用短波長的栗浦光來激發(fā)，實現(xiàn)長波長信號光的增益，即相關(guān)研究都是根據(jù)斯托克斯下轉(zhuǎn)換發(fā)光原理，利用短波長的高能光對摻雜在光波導(dǎo)增益介質(zhì)中的發(fā)光中心離子進行激發(fā)，使其發(fā)射信號光頻段的長波長低能光，實現(xiàn)信號光的增益。特別是對于近紅外、可見波段的光放大，目前都是采用藍紫光以及紫外光作為栗浦光源。栗浦光源成本高且器件在高能光子作用下易于老化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料摻雜作為增益介質(zhì)制備光波導(dǎo)放大器，根據(jù)反斯托克斯上轉(zhuǎn)換發(fā)光原理，利用小能量、低頻率、長波長的光子作為栗浦光源，激發(fā)增益介質(zhì)中的發(fā)光中心離子，使其發(fā)射信號光頻段的短波長光，實現(xiàn)信號光的增益。例如:鉺鐿共摻的稀土納米粒子可在980nm的近紅外激光栗浦下發(fā)射540nm的綠色上轉(zhuǎn)換焚光。將這種納米粒子摻雜在聚合物中制備成增益介質(zhì)，利用此增益介質(zhì)制作光波導(dǎo)放大器，可實現(xiàn)980納米光栗浦，540nm信號光的增益。另外，利用材料的上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性實現(xiàn)光波導(dǎo)器件的光放大，一般可利用紅外或近紅外半導(dǎo)體激光器作為栗浦光源，價格低廉，對光波導(dǎo)器件的光損傷較小。
[0005]本發(fā)明將上轉(zhuǎn)換發(fā)光原理應(yīng)用于光波導(dǎo)放大器技術(shù)領(lǐng)域，目的是利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料作為光栗浦材料制備光波導(dǎo)器件，根據(jù)反斯托克斯發(fā)光原理，提供一種利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光實現(xiàn)光波導(dǎo)器件在紫外、可見、近紅外頻段光放大的新方法。具體步驟如下:
[0006](I)將摻雜敏化劑離子和發(fā)光中心離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料摻雜于有機或無機材料中制備增益介質(zhì)；
[0007](2)利用增益介質(zhì)制備光波導(dǎo)器件，通過不同的栗浦光激發(fā)上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，獲得各頻段的上轉(zhuǎn)換發(fā)光，并在光波導(dǎo)器件中實現(xiàn)光放大。
[0008]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0009]1、制備摻雜敏化劑離子和發(fā)光中心離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料:
[0010]通過將敏化劑離子(可以為Yb3+、Ce' Gd3+等稀土離子或Mn 2+、Pb2+等過渡族金屬離子)和發(fā)光中心離子(可以為Er3+、Tm3+、Nd'Ho'Eu'Tb3+等稀土離子或Mn'Cr'Ru3+等過渡族金屬離子)摻入到基質(zhì)中，制備核-殼結(jié)構(gòu)或非核-殼結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，在同一基質(zhì)中摻雜的敏化劑離子和發(fā)光中心離子不相同。發(fā)光中心離子可通過上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制發(fā)射光放大器信號光頻段的光，以實現(xiàn)信號光增益。例如:Yb3+和Er 3+共摻雜的NaYF 4材料在980nm的紅外光激發(fā)下可發(fā)射中心波長為800nm、650nm、545nm等波長的上轉(zhuǎn)換焚光，因此利用此上轉(zhuǎn)換材料作為增益介質(zhì)制備光波導(dǎo)器件，可實現(xiàn)980nm紅外光激發(fā)的這三個頻段信號光的增益。Yb3+和Tm3+共摻雜的NaLuF4M料在980nm的紅外光激發(fā)下可發(fā)射中心波長為362nm、450nm、479nm和648nm等波長的上轉(zhuǎn)換熒光，因此利用此上轉(zhuǎn)換材料作為增益介質(zhì)制備光波導(dǎo)器件可實現(xiàn)980nm紅外光激發(fā)的這四個頻段信號光的增益。
[0011]上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的基質(zhì)可以包括無機氧化物[RE2O3(其中RE為Y、Sc和鑭系元素，具體的如 Y2O3、La2O3、Lu2O3、Gd2O3、Yb2O3等)或 MgO、CaO、ZnO、T1 2、S12等]、無機氟化物[REF3 (其中RE為Y、Sc和鑭系元素，具體的如YF3、LaF3、LuF3、GaF3、YbF3等)、MREF x (其中M為 L1、Na、K、Ba 等，X = 4 或 5，如 LiREF4 (如 LiYF4' LiLaF4' LiLuF4' LiGdF4^ )、NaREF 4(如NaYF4、NaLaF4、NaLuF4、NaGdF4、恥￥&?4等)、KREF 4 (如 KYF4、KLuF4、KGdF4、1^&?4等)、NaMnF 3、KMnF3^BaREF5 (如:BaYF5、BaLuF5、BaGdF5、BaYbF5等))等]、具有核-殼結(jié)構(gòu)的無機納米粒子[無機氟化物核-殼納米粒子(如MREFX/MRE’ Fx, RE與RE’可以為同種元素或異種元素)、無機氧化物核-殼納米粒子(如RE203/RE’203，RE與RE’可以為同種元素或異種元素；并且，敏化劑離子和發(fā)光中心離子可摻雜到核或殼中)];多組分的無機玻璃如硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、ZBLAN玻璃等等。
[0012]在基質(zhì)材料中摻雜的敏化劑離子和發(fā)光中心離子，當摻雜的基質(zhì)為RE203、REF3,MREFJt，其中摻雜的敏化劑離子的濃度(敏化劑離子的濃度定義為:敏化劑離子的摩爾量/(敏化劑離子的摩爾量+發(fā)光中心離子的摩爾量+基質(zhì)中稀土離子的摩爾量)為0%?50% (敏化劑離子的濃度為0%時，表示不摻雜敏化劑離子)，發(fā)光中心離子的濃度(發(fā)光中心離子的濃度定義為:發(fā)光中心離子的摩爾量/(敏化劑離子的摩爾量+發(fā)光中心離子的摩爾量+稀土納米粒子中稀土離子的摩爾量)為0.01%?30%，且敏化劑離子和發(fā)光中心離子的濃度之和小于50%。若制備核-殼結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，敏化劑離子和發(fā)光中心離子可摻雜到核或殼中，敏化劑離子和發(fā)光中心離子的濃度按照核或殼中的稀土離子量分別進行計算(如實施例2中NaYF4/NaLuF4:18% Yb, 2% Er納米粒子，僅在殼層摻雜敏化劑和發(fā)光中心離子，即為在殼層中摻雜18% Yb, 2% Er，Er的濃度為發(fā)光中心離子Er的摩爾量/發(fā)光中心離子Er的摩爾量+殼層中稀土離子Yb的摩爾量+殼層中稀土離子Lu的摩爾量)。
[0013]當基質(zhì)材料為MgO、CaO、ZnO、T12, S12等時，敏化劑離子的濃度(敏化劑離子的濃度定義為:敏化劑離子的摩爾量/ (敏化劑離子的摩爾量+發(fā)光中心離子的摩爾量+基質(zhì)中陽離子的摩爾量)為0%?50% (敏化劑離子的濃度為0%時，表示不摻雜敏化劑離子)，發(fā)光中心離子的濃度(發(fā)光中心離子的濃度定義為:發(fā)光中心離子的摩爾量/(敏化劑離子的摩爾量+發(fā)光中心離子的摩爾量+基質(zhì)中陽離子的摩爾量)為0.01%?30%。
[0014]敏化劑離子對栗浦光具有較大的吸收系數(shù)并能向發(fā)光中心離子傳遞能量，發(fā)光中心離子可通過上轉(zhuǎn)換發(fā)光基質(zhì)發(fā)射信號光波長的光，以實現(xiàn)利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料獲得信號光增益。
[0015]制備上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的方法可以為固相法、沉淀法、水(溶劑)熱法、高溫熱分解法或微乳液法，制備的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料可以為水(醇)溶或油溶性。
[0016]2.通過物理、化學方法將上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料摻雜于有機或無機材料中制備增益介質(zhì):
[0017]通過共混、熔融、壓片等物理方法或原位生長、原位包覆、溶膠-凝膠、從單體共聚等化學方法將上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料摻雜在有機或無機材料中，將得到的復(fù)合材料作為光放大器的增益介質(zhì)，其中上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的摻雜濃度為1%?100% (如鉺鐿共摻雜的上轉(zhuǎn)換發(fā)光玻璃(ZBLAN:Yb，Er)可直接作為增益介質(zhì)，此時不使用有機或無機材料)。
[0018]無機材料可以為玻璃網(wǎng)絡(luò)材料(如ZBLAN玻璃，K9玻璃等)、凝膠材料(T12凝膠、S1JI膠等)等可用于制備無機光波導(dǎo)增益介質(zhì)基質(zhì)的材料；有機材料可以為環(huán)氧樹脂類材料及其衍生物(如:SU8、氟化SU8等)、聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物