波导制备用铒镱掺杂磷酸盐玻璃的光学光谱参数

申 权, 张晶晶, 柳 鸣, 王志强, 赵 昕

(1.大连工业大学信息科学与工程学院,辽宁大连 116034; 2.大连工业大学纺织与材料工程学院,辽宁大连 116034)

波导制备用铒镱掺杂磷酸盐玻璃的光学光谱参数

申 权1, 张晶晶2, 柳 鸣2, 王志强2, 赵 昕1

(1.大连工业大学信息科学与工程学院,辽宁大连 116034; 2.大连工业大学纺织与材料工程学院,辽宁大连 116034)

制备了一种具有优异化学稳定性的碱性铝磷酸盐玻璃,将该玻璃样品浸入390℃下的KNO3熔盐中离子交换2 h后得到了平面波导。有效扩散系数为0.11μm2/min,说明该玻璃实现了高效的离子交换。通过光谱分析可得,4I13/2→4I15/2能级跃迁的半高宽和最大发射截面分别为30 nm和6.80×10-21cm2。结果表明,当4I13/2能级上Er3+的比例达到80%时,计算得到的理论增益可以达到2.97 dB/cm。

铒镱共掺;磷酸盐玻璃;钾钠离子交换;光波导

0 引 言

在过去的数十年中,光波导作为集成光学器件里最基础而不可或缺的部件,受到了越来越多的关注[1]。以玻璃为基础的光学器件与其他技术相比有很多优势[2],而磷酸盐玻璃被认为是制作波导的优异基质。热离子交换法被广泛地应用于制备低损耗波导,在制备单模器件时,K+-Na+离子交换法是最常用的方法[3]。

有效扩散系数是衡量离子交换程度的一个重要参数。典型载玻片的有效扩散系数约为0.03μm2/min,Corning 0211玻璃的有效扩散系数约为0.1μm2/min[4]。本实验制备了一种铒镱共掺的碱性铝磷酸盐玻璃,它具有优异的化学稳定性,有效扩散系数为0.11μm2/min。当4I13/2能级上Er3+的比例达到80%时,计算得到的理论增益可以达到2.97 dB/cm。

1 试 验

1.1 NMAP玻璃的制备和测量

首先,将高纯度的NaPO3、Mg(PO3)2、Al2O3、Al(PO3)3摩尔比为67∶4∶4∶25制成粉末,简称NMAP玻璃。另外添加了质量分数为2.0%Er2O3和4.0%Yb2O3。混合均匀放在铂金坩埚里,在360℃的温度下预热10 h,以去除其中的水分。然后,加热致1 350℃熔融1 h。再在经过预热的铝制模板上淬火。最后在470℃退火炉中下退火3 h,随炉冷缺至室温,将玻璃样品切割和抛光。

经阿基米德法测得样品密度为2.720 g/cm3。经计算,Er3+和Yb3+的数密度分别为1.616× 1020cm-3和3.137×1020cm-3。使用Metricon 2010棱镜耦合仪测得样品在632.8和1 536 nm的折射率为1.518 2和1.504 2。在其他波长下的折射率可以由柯西公式计算出来,即n=A+ B/λ2,其中A=1.501 3 nm2,B=675 2 nm2。DTA扫描使用WCR-2D差热分析仪。吸收光谱测量使用Perkin-Elmer Lambda 19双光束分光光度计,红外荧光光谱测量使用Jobin Yvon Fluorolog-3分光光度计。

1.2 平面波导的制备与表征

首先,将纯KNO3放入炉中进行加热至熔融状态。然后,将玻璃样品放在熔融的KNO3溶液中,将它们置于390℃的温度下保温2 h,即完成了热离子交换的过程。最后,让玻璃样品和KNO3溶液随炉降至室温。该平面波导的折射率分布情况由Metricon 2010棱镜耦合仪测得。

2 结果与讨论

2.1 热学性质和离子交换

经测定,NMAP玻璃的密度和转变温度分别为2.72 g/cm3和470℃。图1为NMAP玻璃的DTA曲线,在图中没有观察到明显的结晶峰。其中转变温度θg为470℃,比离子交换的温度390℃高80℃左右,这对于在离子交换的过程中保护玻璃结构的稳定是有利的。

由式(1)计算NMAP玻璃的有效扩散系数De。

式中:t为扩散时间,min;d为有效扩散深度,μm。

De为0.11μm2/min,表明该玻璃实现了高效的离子交换。

图1 NMAP玻璃的DTA曲线Fig.1 DTA curve of NMAP glass

2.2 折射率与光谱分析

由Metricon 2010棱镜耦合仪测得,玻璃样品在632.8 nm下表面的折射率n0和基质的折射率nsub分别为1.526 2和1.518 2,最大的折射率差值为0.008。图2是样品在1 536 nm下,反射光的强度与折射率之间的关系,峰值表示探测到的TE模式,至少观察到一个完整的TE模式。这表明NMAP玻璃制备单模波导是可行的。图3所示为980 nm激发下的发射光谱,光谱半高宽为30 nm。图4为玻璃样品的吸收光谱。

图2 1 536 nm光激发下NMAP玻璃反射光的强度与折射率之间的关系Fig.2 The relationship of reflected light intensity and refractive index at 1 536 nm laser source

2.3 Judd-Oflet计算

根据Judd-Oflet理论,J-O强度参数Ωt(t= 2,4,6)经计算为5.47×10-20,1.34×10-20, 0.81×10-20cm2,表明Er3+处于一个强的反演非对称和共价环境。误差的均方根δrms为2.79× 10-7,说明这个计算过程是可靠的。另外,本NMAP玻璃的Ω4/Ω6为1.65,这个比值较大,表明该玻璃具有很好的光学特性。利用J-O参数和Er3+的约化矩阵元平方,可以分别求得SLJ→S' L'J'自发辐射跃迁各种参数,计算结果列于表1。

图3 980 nm光激发下NMAP玻璃在1.535μm处的发射带Fig.3 1.535μm emission band of NMAP glass under 980 nm laser

图4 Er3+/Yb3+共掺NMAP玻璃的吸收光谱Fig.4 Absorption coefficient of Er3+/Yb3+co-doped NMAP glass

表1 NMAP玻璃中Er3+的自发辐射跃迁参数Tab.1 Spontaneous transition parameters of Er3+in NMAP glass

2.4 吸收截面与发射截面

图5所示为4I13/2↔4I15/2能级跃迁时对应的吸收和发射截面。吸收截面通过吸收光谱通过公式(2)得出。

式中:σa(v)为吸收截面,cm2;E(v)为吸收光谱值;N为稀土离子的数密度,cm-3;d为样品厚度,mm。

图5 NMAP玻璃中Er3+的吸收和发射截面Fig.5 Absorption and emission cross section profiles of Er3+in NMAP glasses

最大吸收截面为1.534μm处的获得的6.08×10-21cm2。受激发射截面由吸收截面和发射光谱通过McCumber关系式(3)得出

式中;σe(v)为发射截面,cm2;k是玻尔兹曼常数, 0.695 cm-1/K;h是普朗克常数,6.63× 10-34m2·kg/s。

最大受激发射截面σem-max为6.80×10-21cm2,大于其他报道的Er3+掺杂磷酸盐玻璃,如PYE[5](5.30×10-21cm2),NAPA[6](6.6×10-21cm2), NAP[7](5.58×10-21cm2)。

2.5 增益谱

如果假定全部的Er3+都在基态4I15/2或者更高的能级4I13/2上,则增益谱[8]G(λ,p)可以表示为

式中:p为4I13/2能级上的Er3+所占的比例;N为 Er3+的数密度,cm-3;L为波导长度,mm。

图6为NMAP玻璃中Er3+4I13/2→4I15/2能级跃迁的增益谱(L=1 cm),净增益随着离子数反转比例的增加而变大[9]。在1.53μm光激发下,当4I13/2能级中受激Er3+的比例分别为0.8和1.0时,理想净增益为2.97和4.77 d B/cm。

图6 4I13/2能级上的Er3+所占不同比例(p)下,4I13/2→4I15/2能级跃迁的理论增益(L=1 cm)Fig.6 Calculated gain spectra(L=1 cm)of the4I13/2→4I15/2transition emission for various values of population inversion

图7 Yb3+敏化Er3+能量传递示意图Fig.7 Schematic diagram of energy transfer from Yb3+to Er3+

图7为能量从镱离子向铒离子传递的示意图[10-11]。在样品中,Yb3+离子起到了敏化剂的作用,将能量传递给了周围的Er3+。与直接泵浦Er3+相比,能量传递带来了更高的Er3+泵浦效率[12]。

3 结 论

制备的碱性铝磷酸盐玻璃具有优异的化学耐用性,并通过热离子交换法制备了平面波导。波导表面的形状表明该玻璃具有优异的化学稳定性。Judd-Oflet强度参数为5.47×10-20cm2,这表明该玻璃中的Er3+处于强的反演非对称和共价环境。在1.53μm红外激发下,当4I13/2能级上Er3+的比例达到0.8和1.0时,净增益系数分别为2.97和4.77 d B/cm。可观的理论增益表面使该NMAP玻璃在制备光波导放大器方面具有很大的前景。

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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.

辽宁省教育厅科学技术研究项目(L2014226).

申权(1988-),男,硕士研究生;通信作者:张晶晶(1982-),女,讲师,E-mail:zhangjj@dlpu.edu.cn.

申权,张晶晶,柳鸣,王志强,赵昕.波导制备用铒镱掺杂磷酸盐玻璃的光学光谱参数[J].大连工业大学学报,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.