Er/Yb共掺氧化物薄膜的光致荧光特性、结构特征及相关优化理论分析

论文摘要

随着光纤通信和集成光电子学的迅速发展,掺铒光波导放大器已成为了光纤通信与光电子学领域研究和应用的热点。Er3+离子具有独特的光学性质,1.53μm发光波长对应于石英光纤的最低损耗窗口,并且发光波长受外界条件影响很小。这些发光特性使其在光纤通讯和光电集成领域有着广阔的应用前景,使得Er掺杂材料成为硅基光电集成的研究重点。 本论文围绕“Er/Yb共掺氧化物薄膜的光致荧光特性、结构特征及相关优化理论分析”这一课题开展了一系列研究工作。主要内容包括采用射频磁控溅射技术制备不同基质的氧化物薄膜,系统地研究了不同退火温度下氧化物薄膜的晶体结构和光致荧光光谱,探讨了薄膜晶体结构变化对Er3+荧光光谱的影响及其内在的物理机制;利用Er3+、Yb3+离子各能级粒子数速率方程的稳态解对掺Er及Er/Yb共掺Al2O3光波导放大器光学性能进行理论计算。有关氧化物薄膜基质的晶体结构对Er3+离子荧光特性的影响,国内外至今未见有关报道。本论文工作取得的主要研究结果如下: 1.采用射频磁控溅射技术,制备了不同Yb掺杂浓度的Er/Yb共掺Al2O3薄膜,探讨了薄膜制备过程中Er、Yb成分比例控制的可靠性及Yb的掺杂浓度对Er/Yb共掺Al2O3薄膜室温光致荧光谱强度及峰形的影响。对Yb/Er掺杂比为4:1的Er/Yb共掺Al2O3薄膜进行不同温度的退火处理,对不同温度退火后的薄膜的晶体结构和荧光光谱特性进行了系统分析,研究了光致荧光光谱强度和形状与微观结构之间的联系。首次提出,基质的结构相变导致了Er3+离子荧光光谱从宽谱形状向多峰形状的转变,从材料的微观结构角度出发探讨了结构相变导致荧光光谱谱形变化的根本原因所在。 2.同时,采用射频磁控溅射技术制备了Er/Yb共掺ZnO、TiO2薄膜,通过不同退火温度下薄膜的XRD衍射和光致荧光光谱的系统分析,探讨了薄膜晶体结构变化对光致荧光特性的影响。对Er/Yb共掺ZnO薄膜而言,在整个退火温度范围内光致荧光光谱形状未发生改变,都表现为敏锐的多峰结构,这说明Er3+离子在ZnO和Zn2SiO4中的局域环境非常相似。在高温情况下,一些侧峰的出现是由Er-Yb-Si-O相生成引起。而在Er/Yb共掺TiO2薄膜中,Er-Yb-Ti-O相的生成使薄膜的光致荧光光谱由宽谱特征转变为多峰特征。通过对Er/Yb共掺ZnO、TiO2薄膜晶体结构和光致荧光光谱的研究,进一步证实了第三章中提出的薄膜晶体结构对荧光光谱谱形有显著影响的结论。 3.通过Er3+离子各能级速率方程的稳态解,研究了Er3+离子的光学性能随泵浦功率的变化情况以及Er掺杂浓度对光波导放大器光学增益的影响。研究结果表明,对于固定的泵浦功率而言,都存在一个最佳Er掺杂浓度使光波导放大器的光学增益达到最大值。因此,所谓的最佳Er、Yb掺杂浓度是相对的,它受波导的设计因素,如波导截面耦合的面积因

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 掺铒光波导放大器的研究背景
• 1.1.1 光纤通信
• 1.1.2 掺铒光纤放大器
• 1.1.3 光集成
• 1.1.4 掺铒光波导放大器（EDWA）
• 1.2 EDWA和掺Er薄膜研究现状
• 1.2.1 EDWA研究现状
• 1.2.2 掺Er薄膜研究现状
• 1.3 掺Er薄膜制备工艺
• 1.3.1 离子注入法
• 1.3.2 溶胶—凝胶法（Sol-Gel）
• 1.3.3 射频磁控溅射技术（Radio-frequency Magnetron Sputtering）
• 1.3.4 等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）
• 1.3.5 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.4 本论文研究目的及主要内容
• 3+光谱理论和薄膜制备工艺研究'>2 Er³⁺光谱理论和薄膜制备工艺研究
• 2.1 镧系元素简介
• 2.1.1 稀土元素发展史
• 2.1.2 镧系元素电子层结构和能级
• 3+光谱理论'>2.2 Er³⁺光谱理论
• 2.2.1 受激吸收、受激发射、自发辐射和非辐射跃迁
• 3+之间能量传递机制'>2.2.2 Er³⁺之间能量传递机制
• 3+、Yb³⁺之间能量传递机制'>2.2.3 Er³⁺、Yb³⁺之间能量传递机制
• 3+与声子的能量传递'>2.2.4 Er³⁺与声子的能量传递
• 3+各能级粒子数速率方程'>2.2.5 Er³⁺各能级粒子数速率方程
• 3+离子荧光线形'>2.2.6 Er³⁺离子荧光线形
• 3+荧光的影响'>2.2.7 退火处理对Er³⁺荧光的影响
• 2.3 射频磁控溅射制备光学薄膜的工艺研究
• 2.3.1 射频磁控溅射技术
• 2O₃薄膜的沉积速率'>2.3.2 射频磁控溅射技术制备掺Er-Al₂O₃薄膜的沉积速率
• 2.3.3 放电条件对射频磁控溅射成膜空间中等离子体成分的影响
• 2O₃薄膜的结构与荧光特性'>3 Er／Yb共掺Al₂O₃薄膜的结构与荧光特性
• 2O₃薄膜荧光光谱的影响'>3.1 Er／Yb掺入比例对Er／Yb共掺Al₂O₃薄膜荧光光谱的影响
• 2O₃薄膜的制备与分析方法'>3.1.1 Er／Yb共掺Al₂O₃薄膜的制备与分析方法
• 2O₃薄膜成份分析'>3.1.2 Er／Yb共掺Al₂O₃薄膜成份分析
• 2O₃薄膜荧光特性的影响'>3.1.3 Yb掺杂浓度对Er／Yb共掺Al₂O₃薄膜荧光特性的影响
• 2O₃薄膜荧光特性的影响'>3.2 退火温度对Er／Yb共掺Al₂O₃薄膜荧光特性的影响
• 2O₃薄膜的制备与分析方法'>3.2.1 Er／Yb共掺Al₂O₃薄膜的制备与分析方法
• 2O₃薄膜的荧光特性'>3.2.2 Er／Yb共掺Al₂O₃薄膜的荧光特性
• 2O₃薄膜的微观结构'>3.2.3 Er／Yb共掺Al₂O₃薄膜的微观结构
• 3.2.4 退火温度对薄膜光损耗的影响
• 3.2.5 退火温度对薄膜折射率的影响
• 3.3 本章小结
• 2薄膜的结构与荧光特性'>4 Er／Yb共掺ZnO、TiO₂薄膜的结构与荧光特性
• 4.1 Er／Yb共掺ZnO薄膜
• 4.1.1 Er／Yb共掺ZnO薄膜的制备
• 4.1.2 Er／Yb共掺ZnO薄膜的结构特征
• 4.1.3 Er／Yb共掺ZnO薄膜的光致荧光特征
• 2薄膜'>4.2 Er／Yb共掺TiO₂薄膜
• 2薄膜的制备与表征'>4.2.1 Er／Yb共掺TiO₂薄膜的制备与表征
• 2薄膜的晶体结构'>4.2.2 Er／Yb共掺TiO₂薄膜的晶体结构
• 2薄膜的光学性能'>4.2.3 Er／Yb共掺TiO₂薄膜的光学性能
• 4.3 本章小结
• 3+及Er³⁺／Yb³⁺共掺Al₂O₃光波导放大器光学特性的理论分析'>5 掺Er³⁺及Er³⁺／Yb³⁺共掺Al₂O₃光波导放大器光学特性的理论分析
• 3+-Al₂O₃光波导放大器光学性能计算'>5.1 掺Er³⁺-Al₂O₃光波导放大器光学性能计算
• 3+-Al₂O₃光波导放大器光学性能计算'>5.1.1 1480nm泵浦激发下掺Er³⁺-Al₂O₃光波导放大器光学性能计算
• 3+-Al₂O₃光波导放大器光学性能计算'>5.1.2 980nm泵浦激发下掺Er³⁺-Al₂O₃光波导放大器光学性能计算
• 3+／Yb³⁺共掺Al₂O₃光波导放大器光学性能计算'>5.2 Er³⁺／Yb³⁺共掺Al₂O₃光波导放大器光学性能计算
• 3+／Yb³⁺共掺Al₂O₃光波导放大器增益计算模型'>5.2.1 980nm泵浦激发下Er³⁺／Yb³⁺共掺Al₂O₃光波导放大器增益计算模型
• 3+／Yb³⁺共掺Al₂O₃光波导放大器增益的影响'>5.2.2 波导设计因素对Er³⁺／Yb³⁺共掺Al₂O₃光波导放大器增益的影响
• 3+／Yb³⁺共掺Al₂O₃光波导放大器增益的影响'>5.2.3 波导质量因素对Er³⁺／Yb³⁺共掺Al₂O₃光波导放大器增益的影响
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书