可实现净增益输出的掺铒硫系光波导关键问题研究

Online amplification of the signals, which is a key component to solve low conversion efficiency in all optical nonlinear process, is becoming hot in investigating integration technology of photonic chip based on chalcogenide glasses. Currently no net-gain is reported in Er-doped chalcogenide waveguide due to the low Er-doping concentration, difficulties in purifying the glasses containing Ga, the rough side wall in the waveguide structure, and so on. In this proposal, we will elucidate the local chemical environment of Er ions and the dynamics process of the energy transferring between the ions in Er-doped Ge-S glasses. We will optimize the glass compositions with high Er doping concentration and employ an innovative approach to purify the glasses. We will prepare waveguide using hot-embossing in order to avoid the surface roughness induced by any kinds of etching. We aim at achieving chalcogenide waveguide with low optical loss and high Er doping concentration, finally realizing net-gain of the amplifier. The success of the project will form a solid base to create all optical ultrafast devices based on chalcogenide glasses, and possible lasing in mid infrared region as well.

信号的在线放大技术是解决全光非线性过程中低转换效率问题的关键，也是硫系光子芯片单片集成技术研究的新动向。但掺铒的硫系光波导技术目前存在着无净增益输出的瓶颈问题，追溯其根本原因为铒离子掺杂浓度低、含镓的硫系玻璃提纯困难和铒离子难以被刻蚀而引起波导侧壁粗糙等问题没有得到解决或改进，本项目以铒掺杂的Ge-S系统为研究切入点，拟阐明铒离子周围局域环境以及离子间能量转移的动力学过程，优化获得高铒离子溶解度的玻璃组分，并采用分步提纯法实现对高熔点、低蒸汽压的含镓硫系玻璃的提纯，采用热压印法制备掺铒硫系光波导解决铒离子难以被刻蚀而引起侧壁粗糙的问题，最终获得低损耗和高铒离子掺杂的硫系玻璃光波，从而实现放大器的净增益输出。本项目的实施为推动硫系玻璃在超快全光信息处理集成器件上的应用提供坚实的支撑，也为稀土掺杂硫系玻璃在红外激光输出或放大提供科学的理论基础和实验数据。

本项目通过研究Ge-S(Se)基硫系材料光学特性和热稳定性，优选出同时满足良好光学性能和高热稳定性的基质材料。研究Er3+掺杂Ge23.5Ga11.5Se65和Ge23.5Ga11.5Se65玻璃陶瓷的发光特性，优化出有良好荧光特性及较长的荧光寿命的玻璃组分。通过X射线吸收精细结构谱和透射电子显微镜来分析Er3+的局域环境，阐释稀土离子Er3+溶解度与硫系玻璃组分和结构的关系，从而指导优化掺铒的硫系玻璃的组分配比以及其中Er3+的溶解度，提高玻璃样品的发光强度，达到后续光波导净增益输出的目的。利用磁控溅射法等制备掺铒Ge-Ga-S薄膜，但未见明显荧光，结合干法刻蚀最终制备出低损耗脊型光波导，但未见波导增益输出。主要内容为以下三部分：.1、研究获得的平均配位数分别为2.62和2.4的Ge-Ga-S和Ge-Sb-Se高热稳定薄膜。研究了Er3+掺杂Ge23.5Ga11.5Se65玻璃及其玻璃陶瓷的发光特性，发现其荧光强度和寿命均在~1wt% Er3+浓度附近达到最大值。在对其进行热处理后，发现有β-Ga2Se3晶粒产生，其在1.54μm处的荧光强度增大近4倍，4I13/2能级平均寿命提升约0.57ms。同时对Er3+掺杂Ge20Ga5Sb10Se65进行研究，发现当Er3+含量为1.1wt%时荧光最强，其4I13/2能级处荧光寿命为2.2ms，热处理后其2.7μm处的荧光强度增加7倍。.2、通过对Ge23.5Ga11.5Se65-Er3+的X射线吸收精细结构谱的分析表明，掺铒浓度和微晶化处理对Ga和Er的局域结构几乎没有影响。通过透射电子显微镜对Ge20Ga10S70-1.0wt%Er3+玻璃陶瓷进行研究，发现Ga2S3晶相均匀分布在整个非晶区域，尺寸大小约50nm，其中Er3+分布主要和Ga2S3晶体有关，Er3+没有存在于晶体内部，而是以Ga-Er或者Ga-S-Er的形式存在于Ga2S3的晶体表面。.3、采用磁控溅射，激光脉冲沉积，离子注人法等制备掺铒Ge-Ga-S薄膜，但未见明显荧光。随后结合紫外曝光技术和干法刻蚀，制备获得包层为Ge11.5As24Se64.5薄膜，传输层为As40Se60薄膜的低损耗波导。通过光场模拟优化出脊高为3μm，脊宽分别为2、4、8μm的波导结构，通过截断法测试这三种波导，其对应的传输损耗分别为2.56、1.47、1.4 dB/cm。