一种光波导放大器及其制备方法与流程

1.本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种光波导放大器及其制备方法。


背景技术：

2.信号光在光纤内传输时存在一定的损耗和色散，严重限制了信号光的传输距离。为了保证信号光的传输质量，需要对信号光进行放大增强，典型的光放大器有半导体光放大器、光纤放大器以及光波导放大器等类型。半导体光放大器结构简单，工艺成熟，但最大的弱点是与光纤的耦合损耗太大，噪声及串扰较大且易受环境温度影响，因此稳定性较差。光纤放大器抗干扰能力强，耦合损耗较低，但光纤放大器过长，不利于实现装置小型化、集成化。光波导放大器改善了上述两种光放大器的不足，因而受到了广泛的关注。
3.光波导放大器利用稀土元素铒er
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在泵浦光的作用下发生受激辐射，实现对信号光的放大。为了提高放大器的增益，需要有足够多的激活的er
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来吸收泵浦光能量，要求掺入的er
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浓度足够高，但是对于较高的er
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掺杂浓度而言容易形成团簇，增强合作上转换、激发态吸收和交叉弛豫等效应，增益效果反而会下降。因此，如何提高er
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的掺杂浓度而不发生团簇效应是研究光波导放大器的难点和重点。
4.目前掺er
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光波导放大器的制作方法有离子交换法，磁控溅射沉积，溶胶凝胶法，粒子注入法等，然而大多操作复杂，成本较高，无法有效控制波导的形状和尺寸，批量生产时难以保证各个产品的稳定性。cn101710223a公开了一种光波导放大器的制备方法，该技术方案基于钇y离子半径和铒er离子半径比较接近，y2sio5和er2sio5晶体结构也类似，采用y离子共同加入可以使er离子得到均匀的分散，进而采用溶胶-凝胶法制备er
xy2-x
sio5化合物，通过优化er离子和y离子的浓度，使1.53μm的发光效率达到最大。该技术方案在保证高的铒离子浓度的情况下又使铒有充分的分散，但无法有效控制波导的形状和尺寸，还存在改进空间。
5.cn104765219b公开了一种铒掺杂铌酸锂光波导放大器的制备方法，利用铒掺杂铌酸锂作为增益介质；使用磷离子辐照的方法，在铒掺杂铌酸锂晶体表面，制作光波导结构；对该光波导的两个端面进行镀膜处理，选择特定波长对光信号进行放大；同时将泵浦光与信号光耦合进光波导内，实现光信号放大。该技术方案使用磷离子辐照，并没有能够有效提高er
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的掺杂浓度。
6.综述所述，现有技术仍缺乏一种生产稳定的光波导放大器制备方法。


技术实现要素：

7.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了提供一种基于多孔玻璃的光波导放大器及其制备方法，旨在利用多孔玻璃的特性提高er
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的掺杂浓度，抑制er
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的团簇效应，并利用新方法提升光波导放大器制备的稳定性。
8.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光波导放大器的制备方法，包括如下步骤：
9.(1)将衬底加工形成凹槽，所述衬底为具有三维连通纳米级孔道结构的多孔玻璃；
10.(2)将铒盐溶液转印到凹槽底部，使铒离子扩散到多孔玻璃的内部形成掺铒波导；
11.(3)将掺铒波导进行沉积使得掺铒波导被沉积材料密封，沉积材料与所述多孔玻璃的材质相同，沉积后烧结，即可获得光波导放大器。
12.作为优选，所述铒盐溶液的铒离子浓度为0.18-0.35mol/l。
13.作为优选，所述转印是通过利用聚氨酯丙烯酸酯印章或聚二甲基硅氧烷印章以转印的方式将铒盐溶液转印到凹槽底部区域。
14.作为优选，所述衬底的纳米级孔道结构的直径为0.4nm-30nm，所述烧结的温度为1150-1300℃。
15.作为优选，所述凹槽为长方体形，所述凹槽沿长方体形的长度方向形成贯穿通道，所述凹槽的宽度为5-6微米，高度为6-7微米。
16.作为优选，所述沉积为磁控溅射或等离子体增强型化学气相沉积。
17.作为优选，所述多孔玻璃为二氧化硅多孔玻璃，优选为通过热分相法制备的石英纳米多孔玻璃，具体为将二氧化硅、硼酸盐和碳酸钠混合均匀后加热熔融，成型、退火、分相和酸处理后即可石英纳米多孔玻璃。
18.作为优选，所述凹槽通过如下方法加工：将压印基材通过电子束刻蚀为t字型压印模板，然后加热衬底的预先设定部分使其软化，最后将t字型压印模板压在软化后的衬底的预先设定部分，得到凹槽。
19.按照本发明的另一方面，提供了一种所述的光波导放大器的制备方法制备而成的光波导放大器。
20.作为优选，所述光波导放大器的掺铒波导为一字型、平行型、单边分叉型、双边分叉型或s折叠型。
21.本发明的有益效果有：
22.(1)本技术旨在利用多孔玻璃的特性提高er
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的掺杂浓度，抑制er
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的团簇效应，多孔玻璃的空气孔道可以将er
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分离，避免了相邻er
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间的非辐射交叉驰豫过程，且多孔玻璃孔道内含有大量的非桥氧，可有效抑制团簇，因此用多孔玻璃制作的光波导放大器可有效抑制浓度猝灭的发生。实现er3 的高浓度掺杂，有效提高光波导放大器的增益和泵浦效率，实现超宽频带的放大。
23.(2)多孔玻璃具有分布均匀的纳米级空气孔道，比表面积远大于常规玻璃，比表面积高达250-350平方米/克，可以吸附更多的稀土离子er
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，实现er
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的高浓度掺杂，多孔玻璃经过烧结步骤后，比常规玻璃机械强度更高，不易破裂，且耐高温，有效提高光波导放大器的增益和泵浦效率，实现超宽频带的放大。
24.(3)本发明使用t字型压印模板压出凹槽，可以保证每次的凹槽结构尺寸保持一致，有利于保持光波导放大器的稳定性，且模板可重复使用，降低了加工成本，提高了加工效率，通过改变压印模板突出部分的形状可以制备不同形状的光波导，通过控制凹槽尺寸的方式可实现对波导尺寸的控制。
25.(4)本发明使用等离子体增强型化学气相沉积的方法沉积二氧化硅颗粒，对多孔玻璃无损伤，有效降低了光波导放大器的噪声，而且利用沉积二氧化硅颗粒的方式对波导进行埋藏，相对于传统的离子交换等方法，对波导的直接处理步骤少，有效提高了波导结构
和分布的稳定性和均匀性。
附图说明
26.图1是本发明所述的多孔玻璃示意图；
27.图2是本发明所述的t字型压印模板结构示意图；
28.图3是图2的主视图；
29.图4是图1的主视图；
30.图5是图4的主视图；
31.图6是图5的主视图；
32.图7是图6的主视图；
33.图8是烧结成型的光波导放大器示意图；
34.图9是一字型光波导放大器俯视图；
35.图10是平行型光波导放大器俯视图；
36.图11是单边分叉型光波导放大器俯视图；
37.图12是双边分叉型光波导放大器俯视图；
38.图13是s折叠型光波导放大器俯视图。
39.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：多孔玻璃1、t字型压印模板2、长方体凸起3、多孔玻璃被加热部分4、凹槽5、er
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溶液6、掺er
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波导7、二氧化硅颗粒8、光波导放大器9。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
41.实施例
42.实施例1
43.一种光波导放大器，如图1-8所示，通过以下方法制备而成：
44.步骤s1：取用长宽高分别为2厘米、2厘米、1.5毫米的长方体多孔玻璃1作为衬底，所述多孔玻璃1具有三维连通纳米级孔道结构，内部空气孔的直径为0.4纳米；所述多孔玻璃为通过热分相法制备的石英纳米多孔玻璃，具体为准确称取7mol二氧化硅、1.25mol四硼酸钠、0.5mol碳酸钠放入坩埚混合均匀，经过熔融、成型、退火、分相和酸处理操作后，用去离子水反复冲洗，晾干后在380℃下烘干，得到石英纳米多孔玻璃。
45.步骤s2：利用电子束刻蚀的方法在材质为硅的衬底上加工出t字型压印模板2，t字型压印模板2有一个长方体凸起3，长方体凸起3的长宽高分别为3厘米、5微米、8微米。
46.步骤s3：从正面用激光照射加热长方体多孔玻璃1上方的中间部分，使多孔玻璃被加热部分4软化。
47.步骤s4：将t字型压印模板2压在软化后的多孔玻璃被加热部分4，得到截面为长方形的凹槽5，凹槽5的长宽高分别为2厘米、5微米、6微米。
48.步骤s5：利用聚氨酯丙烯酸酯印章以微接触转印的方式将浓度为0.18mol/l的er
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溶液6分三次转印到凹槽底部区域，使er
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扩散到多孔玻璃的内部，形成截面为椭圆形的掺er
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波导7，波导的长轴长为7.2微米，短轴长为5.5微米，且er
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均匀分布。
49.步骤s6：椭圆形的掺er
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波导7形成后，利用磁控溅射的方法在掺er
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波导7上方沉积一层疏松的二氧化硅颗粒8，二氧化硅颗粒8将掺er
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波导7密封，然后在1150℃下对整个结构进行烧结，得到成型的长方体玻璃光波导放大器9，其长宽高分别为2厘米、2厘米、3毫米，截面为椭圆形的掺er
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波导位于光波导放大器的中心部位。
50.本发明通过步骤s2制备不同形状的压印模板，可制备出一字型，平行型，单边分叉型，双边分叉型，s折叠型的掺er
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波导，有利于针对性设计不同波导形状的光波导放大器，改善放大器的性能。
51.其中，图9是一字型光波导放大器俯视图；图10是平行型光波导放大器俯视图；图11是单边分叉型光波导放大器俯视图；图12是双边分叉型光波导放大器俯视图；图13是s折叠型光波导放大器俯视图。
52.实施例2-6与实施例1的主要不同之处，er
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溶液浓度、多孔玻璃的内部空气孔直径、烧结温度等参数不同，具体如表1所示。
53.测试实施例
54.光波导性能进行检测，测试方法为：泵浦源采用输出波长976nm的半导体激光器，将激光打入实施例1-6制备的光波导内，然后用perkin elmer lambda 750s光谱仪对1450nm到1650nm波段的相对增益进行测量。
55.测量结果如表1所示。
56.表1实施例的参数表和测试结果表
[0057][0058][0059]
分析表1的数据可知，本发明以多孔玻璃为基础制作光波导放大器，信号光和泵浦光从波导的一侧进入，er
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在泵浦光的作用下发生受激辐射，从而实现对信号光的放大，而且所述铒盐溶液的浓度为0.18-0.35mol/l，纳米级孔道结构的直径为0.4nm-30nm，所述烧结的温度为1150-1300℃，更容易增强了对信号光的放大作用。由于孔径更小的多孔玻璃可以实现er
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的高浓度掺杂，从而可以有效提高光波导的增益性能。
[0060]
总之，本发明利用多孔玻璃的特性提高er
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的掺杂浓度，抑制er
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的团簇效应，并利用新方法提升光波导放大器制备的稳定性。
[0061]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。