摘要
光波导放大器是平面光子集成中的重要器件之一，用于补偿光信号传输过程中的衰减。为了与目前光纤通信的低损耗窗口相匹配，光波导放大器的研究多从C波段展开。与此同时，塑料光纤通信和可见光通信也正在飞速发展，对应其低损耗窗口的可见光波导放大器也亟需研究和发展。工作在C波段和可见光波段的光波导放大器正逐渐成为石英光纤通信系统和塑料光纤通信系统的重要核心器件，发展易于集成的高性能光波导放大器是目前该领域的前沿热点问题。稀土离子的光致发光效应为光波导放大器的研制提供了一种有效的方式，稀土掺杂的聚合物光波导放大器与无机光波导放大器相比具有工艺简单、折射率差易于调整、成本低、易于硅基集成等众多优点，若能研制出高性能的聚合物光波导放大器并实现产业化，可大大促进平面光子集成技术领域的发展。但是目前稀土掺杂的聚合物光波导放大器仍存在损耗较大且难以实现净增益的问题。其主要原因一是无机稀土离子难以在聚合物中实现高浓度掺杂；二是目前已报道的聚合物光波导放大器多使用物理掺杂的方式将稀土纳米晶分散在聚合物中，纳米晶易出现团聚现象，引起稀土离子浓度猝灭，使发光强度大大降低，同时导致传输损耗增加。针对稀土掺杂聚合物光波导放大器中存在的这些难题，本论文采用自主合成的NaYF4:Er3+,Yb3+纳米晶，利用其在976nm泵浦光激发下在1.53μm和0.53μm的发光特性，从材料设计合成、器件结构优化、波导工艺制备及泵浦方式改进等方面系统研究了两种工作波长的聚合物光波导放大器，开展的主要创新性工作如下： 1.采用高温热分解法通过优化纳米晶的合成条件获得了粒径均一、发光强度高的NaYF4:Er3+,Yb3+纳米晶，将其掺入SU8聚合物中作为增益介质，设计制备了1.53μm的聚合物光波导放大器。建立了铒镱共掺系统的七能级模型，基于有限差分法设计优化了波导的结构尺寸，对器件增益特性和噪声特性进行了模拟分析，分析对比了正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦三种泵浦方案的增益特性。根据模拟结果设计并制备了光波导放大器，测试得到器件传输损耗约为3.8dB/cm，其中吸收损耗为0.6dB/cm，器件耦合损耗约为7.7dB/侧。使用976nm泵浦光激发，测试得到正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦时器件的增益分别为12.3dB、12.6dB和13.8dB。 2.基于NaYF4:Er3+,Yb3+纳米晶材料，实现了976nm泵浦光激发下0.53μm的聚合物光波导放大器。论文建立了铒、镱离子的九能级模型，结合原子速率方程和光功率传输方程模拟分析了0.53μm可见光光波导放大器的增益特性，设计并制备了倒脊型的光波导放大器，测试得到波导的传输损耗约为2.6dB/cm，耦合损耗约为8.4dB/侧。当信号光功率为0.1mW时，在976nm双向泵浦激发下，在0.8cm长的波导上获得了4.4dB的相对增益，取得了在绿光波导放大器领域的突破性进展。 3.为了提高纳米晶在聚合物中的分散性，减小纳米晶的团聚现象，本论文将合成的NaYF4:Er3+,Yb3+纳米晶与有机单体MMA共聚合制备了NaYF4:Er3+,Yb3+NCs-PMMA复合聚合物。基于这种复合聚合物，提出了一种以低损耗SU8聚合物作为波导芯层，二氧化硅为下包层，NaYF4:Er3+,Yb3+NCs-PMMA复合物聚合物作为上包层的波导放大器结构，该结构利用包层中的增益介质材料实现对信号光的放大，可以有效减小信号光的传输损耗。论文分析讨论了光波导放大器的增益性能，设计并制备了器件，测试得到器件的传输损耗约为2.8dB/cm，其中吸收损耗为0.5dB/cm，器件耦合损耗约为5.4dB/侧。当976nm双向泵浦激发时，长度为2.4cm的器件在1520nm～1570nm波长范围内相对增益均大于10dB，在1530nm处增益最大为17.2dB。论文合成的NaYF4:Er3+,Yb3+NCs-PMMA复合聚合物可以有效提高纳米晶在聚合物中的掺杂浓度，同时可解决纳米粒子在聚合物中易团聚和稳定性差等问题，结合本论文提出的波导结构有效提高了器件的增益，降低了波导损耗，为进一步提高聚合物光波导放大器的性能提供了新的研究思路。
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