基于BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶掺杂的聚合物光波导放大器

张美玲，尹 姣，张永玲，王艳双，曲春阳，赵 丹，王 菲

(吉林大学a.集成光电子学国家重点联合实验室;b.吉林省光通信用聚合物波导器件工程实验室;c.电子科学与工程学院，长春130012)

0 引 言

镧系元素掺杂的材料，具有显著的发光性能，已经被广泛应用于光学器件中［1-3］。其中镧系元素中Er3+的能级4I13/2→4I15/2的跃迁所对应的波长(1.53 μm)恰好与光纤低损耗窗口相匹配，因此受到越来越多的关注［4，5］。目前，掺铒光纤放大器(EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier)已经在长距离通信系统中实现了商用化。EDFA中的光纤长度一般为几米至几十米，这在长途干线网和城域网等长距离通信系统中应用毫无问题，但因在平面光子集成中EDFA无法应用，使其应用范围受到局限。近年来，越来越多的科研工作者致力于EDWA的研究［6，7］。它是掺铒光纤放大器的微型化产物，是集成光路产业发展的重要成果。它具有结构紧凑，易于与其他光波导器件(如光开关、分束器、延迟线)集成等优点［8-12］。无机基质EDWA已有商品化器件，但制备工艺复杂，设备昂贵，且不易于与硅基光子器件集成。硅基聚合物EDWA与其相比，具有价格低廉、制备工艺简单、折射率易调节和易于集成(尤其是与硅基聚合物光波导器件集成)等优点，在平面光子集成方面具有良好的应用前景［13-15］。目前，国际上对聚合物EDWA的研究仍处于基础阶段。文献［16］最早报道使用有机无机杂化材料制作光波导放大器，在工作波长1 550 nm下，获得了0.55 dB的相对增益。Wong等［17］制备了Er3+-Yb3+共掺的SU-82000光波导放大器，在18 mm长的多模波导中获得13 dB的小信号相对增益。Zhang等［18］用油酸修饰的LaF3∶Yb3+，Er3+纳米颗粒，掺入到配制的有机-无机杂化材料中，制备出相对增益为5 dB的有机-无机杂化平面光波导放大器。LEI等［19］合成了油酸包覆的铒镱共掺NaYF4纳米颗粒，以千分之一的质量比掺入KMBR，将其制成波导，工作波长为1 535 nm时，在1.6 cm长的器件上获得了7.5 dB的相对增益。

笔者合成了一种BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶材料，该材料在1.53 μm具有很强的发光能力。将其掺杂在SU-8聚合物中作为光波导放大器的芯层，用光刻、显影等传统半导体工艺制作光波导放大器并对其增益性能进行了测试。

1 BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶的制备

笔者采用的BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶是通过高温热分解法合成［20］制备。将0.5 mmol稀土硬脂酸盐放入100 mL容积的三颈圆底烧瓶中，再加入5 mL十八烯和15 mL的油酸。磁力搅拌混合液，通5 min氩气保护，并持续搅拌。将溶液缓慢加热到100℃保持10 min后，再将温度提升至150℃加热30 min，除去残留于瓶中的水与氧气，关闭加热，再冷却至室温。将0.6 mmol的Ba(OH)2和3 mmol的NH4F加入至10 mL的甲醇中，将此溶液缓慢滴入溶有稀土盐的有机溶液中，用搅拌子低速搅拌1 h。把混合溶剂加热到50℃，计时30 min。甲醇完全蒸发后，再把反应置于氩气的保护下，迅速升温至300℃，高温加热1 h后自然冷却到室温即得到溶有BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶的有机溶液。将溶液取出，使用乙醇离心反复洗涤。保留离心后的粉末，用烘箱烘干得到纯净的纳米晶。将制备好的纳米颗粒粉末溶于乙醇溶剂，沉积于铜网上，使用透射电子显微镜观察表面形貌。图1为在60 000倍显微镜下观察的BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶TEM(Transmission Electron Microscope)图像，图1中可见纳米晶大小均匀，合成的纳米晶分布均匀，没有明显团聚现象，平均粒径大小约为13 nm。

为了表征BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶的近红外发射特性，笔者测试了材料的近红外发射谱。图2为BaYF5∶Yb3+，Er3+纳米晶的红外发射谱线，其峰值强度出现在1 530 nm附近，荧光半高宽约50 nm。

图1 BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶的TEM照片Fig.1 A TEM image of the BaLuF5∶Yb3+，Er3+nanocrystals

图2 980 nm泵浦光激发下BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶的近红外发射谱Fig.2 Room-temperature PL spectra under excitation at 980 nm of the BaLuF5∶Yb3+，Er3+nanocrystals

笔者对制备的材料样品进行了 X射线衍射(XRD:X-Ray Diffraction)测试，与标准卡(JCPDS NO.85-1149)对比，可以证实材料为BaLuF5。图3即为BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶的XRD图谱。

图3 BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶的XRD 图谱Fig.3 XRD patterns of the BaLuF5∶Yb3+，Er3+nanocrystals

2 聚合物光波导放大器的制备及测试

将合成的0.015 g BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶溶于0.368 g氯仿中，超声搅拌3 h，使纳米晶分散均匀形成溶液。将溶液以1∶5重量比掺入SU-8 2005型紫化固化胶中，纳米晶在聚合物中的质量比为0.65%，避光超声1 h，作为聚合物光波导放大器的有源芯层。合成的BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶表面被油酸包覆修饰，能提高纳米晶在聚合物中的分散性，有效避免纳米晶在聚合物波导中产生团聚现象。聚合物光波导放大器的工艺流程如图4所示。首先，依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗表面长有二氧化硅的硅衬底;设置转速为3 000 r/min，旋涂时间为20 s，均匀旋涂一层5 μm厚的芯层聚合物，在加热板上分3段阶梯升温至90℃，加热20 min，再阶梯降至室温;将芯层薄膜在紫外光下曝光，将曝光后的器件放于加热板上，阶梯升温至90℃，保持10 min，使BaLuF5纳米颗粒掺杂SU-8薄膜的曝光区域交联，然后自然冷却至室温;在SU-8专用显影液中进行显影，出现清晰可辨波导后，旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA:Polymethylmethacrylate)聚合物作为上包层，放入烘箱，设定温度为120℃，固化2 h，完成光波导放大器的制备。

图4 BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶掺杂SU-8聚合物光波导放大器的工艺流程Fig.4 The fabricating process of the BaLu F5∶Yb3+，Er3+nanocrystals doped into SU-8 polymer waveguide amplifiers

图5为未旋涂上包层时波导端面的SEM照片，波导尺寸为5×9 μm，侧壁光滑陡直，形貌良好，表明纳米晶的掺杂并未影响波导的形貌。

笔者将解理后的器件放在光波导耦合测试系统中进行性能测试。测试中采用的信号光光源为1 535 nm(Santec TSL-210可调谐激光器，波长调谐范围1 510 nm～1 590 nm)，泵浦激光光源为980 nm。将待测波导芯片固定于测试台上，通过五维微调架调整光纤与波导的相对位置，利用波导芯片上方的CCD(Charge-Coupled Device)观察波导，微调输入光纤使信号光和泵浦光通过980/1 550 nm单模波分复用器(WDM:Wavelength-Division Multiplexing)耦合进波导芯层中。输出信号光被红外探测器(HAMAMATSU PHOTONICS K K 7290A)接收，并显示在监视器上。图6为光波导放大器在信号光波长为1 530 nm、输入功率为0.1 mW、波导长1.1 cm时获得的输出光斑，图6中显示光斑清晰明亮，波导的通光性能良好。将输出光信号通过单模光纤耦合到功率计中，测得波导插入损耗为21.8 dB。

图5 SU-8矩形波导截面的SEM照片Fig.5 A SEM micrograph of the rectangular waveguide cross section

图6 光波导放大器在1 530 nm波长的输出光斑Fig.6 Output signal pattern of the polymer waveguide amplifier at 1 530 nm

在此基础上，对器件的增益特性进行了测试，图7为搭建的光波导耦合测试系统。通过五维精密微调架调整波导与输入输出光纤的相对位置，使之获得最大耦合效率。输出信号光由光纤耦合进光谱分析仪(ANDO AQ-6315A)中，测试信号光的输出光谱。测试时信号光波长设为1 530 nm，测试不同泵浦光功率下波导的输出功率PS-out。计算相对增益［21］

其中Ps-out为未加泵浦光时的输出信号光功率，为加入泵浦光后的输出信号光功率。

笔者测试了当输入信号光波长为1 530 nm，信号光功率不同时光波导放大器的相对增益随泵浦光功率的变化曲线(见图8)。图8中显示，随着泵浦光功率的增加，光波导放大器的相对增益逐渐增加。在泵浦光功率一定时，信号光功率越小，所获得的相对增益越大。

图7 光波导耦合测试系统Fig.7 Schematic of the experimental setup for the optical gain measurement

图8 BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶掺杂SU-8聚合物光波导放大器的增益特性曲线Fig.8 The relative gain curves of the polymer waveguide amplifiers based on BaLuF5∶Yb3+，Er3+nanocrystals

3 结语

笔者合成了一种BaLuF5∶Yb3+，Er3+纳米晶材料，对纳米晶的粒径、晶体结构及发射谱进行了表征。测试表明，纳米颗粒的平均粒径为13 nm;且该纳米晶在1 530 nm处具有较强的发射，荧光半高宽为50 nm。将纳米颗粒掺入SU-8紫外固化胶中作为有源芯层，使用光刻显影等传统半导体工艺，在表面长有二氧化硅的硅衬底上制备出聚合物光波导放大器。实验结果表明，在980 nm波长，泵浦光功率为280 mW时，在长度为1.1 cm的光波导放大器上，波长为1 530 nm的信号光，在信号光功率为0.1 mW时获得了3.95 dB的相对增益。

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