掺铒纳米晶与聚合物键合比例对光波导放大器增益性质的影响

唐迎; 李俊; 符越吾; 赵丹; 秦伟平

doi:10.37188/CJL.20220381

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

掺铒纳米晶与聚合物键合比例对光波导放大器增益性质的影响

器件制备及器件物理 | 更新时间：2023-05-10

- 掺铒纳米晶与聚合物键合比例对光波导放大器增益性质的影响
  增强出版
- Effect of Bonding Ratio of Erbium-doped Nanocrystals to Polymers on Gain Properties of Optical Waveguide Amplifier
- 发光学报 2023年44卷第4期页码：678-684
- 作者机构：
  
  吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室，吉林长春　130012
- 作者简介：
  
  [ "唐迎（1997-），女，安徽池州人，硕士研究生，2020年于蚌埠学院获得学士学位，主要从事稀土掺杂聚合物光波导放大器的研究。E⁃mail: tandying@163.com" ]
  [ "赵丹（1975-），女，吉林长春人，博士，教授，2005年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事稀土掺杂聚合物光波导放大器的研究。E⁃mail： dzhao@jlu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2021YFB2800502);国家自然科学基金(U22A2085;61875071)
- DOI：10.37188/CJL.20220381
  中图分类号： TN256;O482.31
- 纸质出版日期：2023-04-05，
  
  收稿日期：2022-10-31，
  
  修回日期：2022-11-16，
扫描看全文
唐迎,李俊,符越吾等.掺铒纳米晶与聚合物键合比例对光波导放大器增益性质的影响[J].发光学报,2023,44(04):678-684.

TANG Ying,LI Jun,FU Yuewu,et al.Effect of Bonding Ratio of Erbium-doped Nanocrystals to Polymers on Gain Properties of Optical Waveguide Amplifier[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(04):678-684.
唐迎,李俊,符越吾等.掺铒纳米晶与聚合物键合比例对光波导放大器增益性质的影响[J].发光学报,2023,44(04):678-684. DOI： 10.37188/CJL.20220381.

TANG Ying,LI Jun,FU Yuewu,et al.Effect of Bonding Ratio of Erbium-doped Nanocrystals to Polymers on Gain Properties of Optical Waveguide Amplifier[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(04):678-684. DOI： 10.37188/CJL.20220381.

摘要

将掺铒纳米晶与甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体共聚获得的复合聚合物可用作聚合物光波导放大器的增益介质。器件的增益性能与复合聚合物中的纳米粒子浓度密切相关。本文利用高温热分解法成功制备了尺寸均匀的β⁃NaLu

50%

30%

∶18%Yb

，2%Er

纳米晶。纳米晶尺寸约16 nm，表面修饰有不饱和基团，因此可以与MMA共聚合得到纳米粒子⁃聚甲基丙烯酸甲酯（NPs⁃PMMA）纳米复合材料。通过将纳米粒子的掺杂浓度分别调整为0.1，0.15，0.25 mmol，制备了三组不同键合比例的复合聚合物。下转换发射光谱和透过光谱测试分析表明，随着键合的纳米晶浓度升高，复合聚合物发光强度逐渐提高，但近红外区的光透过率略微下降。使用这三组复合聚合物材料制备的倒脊型光波导放大器，在1 550 nm处，器件的相对增益分别为3，3.46，5.61 dB，插入损耗分别为19.20，25.00，26.53 dB。该结果说明，虽然高掺杂浓度的稀土纳米晶造成了散射损耗增加，却有效地提高了增益介质在C波段的发光强度和器件的相对增益。在本文实验中，增加纳米晶浓度带来的增益提高优于散射损耗的增加。

Abstract

The nanocomposite， which is synthesized by copolymerizing erbium-doped nanocrystals and methyl methacrylate （MMA） monomer， can be used as the gain media to fabricate a polymer-based optical waveguide amplifier. The gain performance of this type device is closely related to the concentration of nanocrystals in the nanocomposite. In this paper， the uniform β-NaLu

50%

30%

∶18%Yb

，2%Er

nanocrystals were successfully synthesized by the thermal decomposition method. The nanocrystals were about 16 nm and modified with unsaturated ligands on their surfaces. Therefore， the nanocrystals could be copolymerized with MMA to form nanoparticles-polymethyl methacrylate （NPs-PMMA） nanocomposite. Three groups of nanocomposites with different bonding ratios were prepared by adjusting the doping concentrations of nanoparticles to 0.1， 0.15， 0.25 mmol， respectively. The down-conversion emission and transmission spectra showed that with the increase of the bonding nanocrystal concentration， the luminescence intensity of the nanocomposites increased gradually， but the light transmittance in the near infrared region decreased slightly. A series of embedded waveguide amplifiers were fabricated based on these three nanocomposites. At 1 550 nm， the relative gains of these devices were 3.00， 3.46， 5.61 dB， and the insertion losses were 19.20， 25.00， 26.53 dB， respectively. The results showed that even the scattering loss raised with the increase of nanocrystal concentration， the luminescence intensity of the gain media still enhanced and the relative gain improved in the series of devices in the C-band. In the experiment of this paper， increasing the concentration of the nanocrystals results in an advantage of the gain improvement over the scattering loss increase.

关键词

掺铒纳米晶复合聚合物键合比例光波导放大器

Keywords

erbium-doped nanocrystalscomposite polymerbonding ratiooptical waveguide amplifier

references

WONG W H， CHAN K S， PUN E Y B. Ultraviolet direct printing of rare-earth-doped polymer waveguide amplifiers ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2005， 87（1）： 011103-1-3. doi: 10.1063/1.1968422http://dx.doi.org/10.1063/1.1968422

YE H Q， LI Z， PENG Y， et al. Organo-erbium systems for optical amplification at telecommunications wavelengths ［J］. Nat. Mater.， 2014， 13（4）： 382-386. doi: 10.1038/nmat3910http://dx.doi.org/10.1038/nmat3910

QIN G S， YAMASHITA T， ARAI Y， et al. 22 dB all-fiber green amplifier using Er3+-doped fluoride fiber ［J］. Opt. Commun.， 2007， 279（2）： 298-302. doi: 10.1016/j.optcom.2007.07.032http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2007.07.032

MUSA S， VAN WEERDEN H J， YAU T H， et al. Characteristics of Er-doped Al2O3 thin films deposited by reactive co-sputtering ［J］. IEEE J. Quantum Electron.， 2000， 36（9）： 1089-1097. doi: 10.1109/3.863962http://dx.doi.org/10.1109/3.863962

LIU A S， RONG H S， PANICCIA M， et al. Net optical gain in a low loss silicon-on-insulator waveguide by stimulated Raman scattering ［J］. Opt. Express， 2004， 12（18）： 4261-4268. doi: 10.1364/opex.12.004261http://dx.doi.org/10.1364/opex.12.004261

WANG Y， GUO X Y， LIU S S， et al. Controllable synthesis of β-NaLuF4∶Yb3+，Er3+ nanocrystals and their application in polymer-based optical waveguide amplifiers ［J］. J. Fluorine Chem.， 2015， 175： 125-128. doi: 10.1016/j.jfluchem.2015.04.006http://dx.doi.org/10.1016/j.jfluchem.2015.04.006

YANG Y， WANG F， MA S T， et al. Great enhancement of relative gain in polymer waveguide amplifier using NaYF4/NaLuF4∶Yb，Er-PMMA nanocomposite as gain media ［J］. Polymer， 2020， 188： 122104-1-8. doi: 10.1016/j.polymer.2019.122104http://dx.doi.org/10.1016/j.polymer.2019.122104

ZHAI X S， LI J， LIU S S， et al. Enhancement of 1.53 μm emission band in NaYF4∶Er3+，Yb3+，Ce3+ nanocrystals for polymer-based optical waveguide amplifiers ［J］. Opt. Mater. Express， 2013， 3（2）： 270-277. doi: 10.1364/OME.3.000270http://dx.doi.org/10.1364/OME.3.000270

ZHANG M L， ZHANG W W， WANG F， et al. High-gain polymer optical waveguide amplifiers based on core-shell NaYF4/NaLuF4∶Yb3+，Er3+ NPs-PMMA covalent-linking nanocomposites ［J］. Sci. Rep.， 2016， 6： 36729-1-8. doi: 10.1038/srep36729http://dx.doi.org/10.1038/srep36729

ZHANG D L， CHEN B， HUA P R， et al. Diffusion characteristics study of locally Er-doped noncongruent， Li-deficient Ti∶Er∶LiNbO3 strip waveguide ［J］. J. Mater. Res.， 2011， 26（23）： 2924-2930. doi: 10.1557/jmr.2011.389http://dx.doi.org/10.1557/jmr.2011.389

LEI K L， CHOW C F， TSANG K C， et al. Long aliphatic chain coated rare-earth nanocrystal as polymer-based optical waveguide amplifiers ［J］. J. Mater. Chem.， 2010， 20（35）： 7526-7529. doi: 10.1039/c0jm00706dhttp://dx.doi.org/10.1039/c0jm00706d

LIU X Y， CHEN X， ZHAI X S， et al. NaYF4 nanocrystals with intense 1 530 nm fluorescence for polymer optical waveguide amplifiers ［J］. J. Nanosci. Nanotechnol.， 2014， 14（5）： 3499-3502. doi: 10.1166/jnn.2014.7974http://dx.doi.org/10.1166/jnn.2014.7974

CHEN C， ZHANG D， LI T， et al. Erbium-ytterbium codoped waveguide amplifier fabricated with solution-processable complex ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2009， 94（4）： 041119-1-3. doi: 10.1063/1.3077152http://dx.doi.org/10.1063/1.3077152

CHEN C， ZHANG D， LI T， et al. Demonstration of optical gain at 1 550 nm in erbium-ytterbium co-doped polymer waveguide amplifier ［J］. J. Nanosci. Nanotechnol.， 2010， 10（3）： 1947-1950. doi: 10.1166/jnn.2010.2055http://dx.doi.org/10.1166/jnn.2010.2055

BOYER J C， JOHNSON N J J， VAN VEGGEL F C J M. Upconverting lanthanide-doped NaYF4-PMMA polymer composites prepared by in situ polymerization ［J］. Chem. Mater.， 2009， 21（10）： 2010-2012. doi: 10.1021/cm900756hhttp://dx.doi.org/10.1021/cm900756h

付作岭，董晓睿，盛天琦，等. 纳米晶体中稀土离子的发光性质及其变化机理研究［J］. 中国光学， 2015， 8（1）： 139-146. doi: 10.3788/co.20150801.0139http://dx.doi.org/10.3788/co.20150801.0139

FU Z L， DONG X R， SHENG T Q， et al. Luminescene properties and various mechanisms of rare earth ions in the nanocrystals ［J］. Chin. Opt.， 2015， 8（1）： 139-146. （in Chinese）. doi: 10.3788/co.20150801.0139http://dx.doi.org/10.3788/co.20150801.0139

ZHANG D， DONG Y H， LI D G， et al. Growth regularity and phase diagrams of NaLu0.795-xYxF4 upconversion nanocrystals synthesized by automatic nanomaterial synthesizer ［J］. Nano Res.， 2021， 14（12）： 4760-4767. doi: 10.1007/s12274-021-3420-1http://dx.doi.org/10.1007/s12274-021-3420-1

李彤，张美玲，王菲，等. 键合型掺铒纳米晶-聚合物波导放大器的制备［J］. 中国光学， 2017， 10（2）： 219-225. doi: 10.3788/co.20171002.0219http://dx.doi.org/10.3788/co.20171002.0219

LI T， ZHANG M L， WANG F， et al. Fabrication of optical waveguide amplifiers based on bonding-type NaYF4∶Er nanoparticles-polymer ［J］. Chin. Opt.， 2017， 10（2）： 219-225. （in Chinese）. doi: 10.3788/co.20171002.0219http://dx.doi.org/10.3788/co.20171002.0219

WANG T J， ZHAO D， ZHANG M L， et al. Optical waveguide amplifiers based on NaYF4∶Er3+，Yb3+ NPs-PMMA covalent-linking nanocomposites ［J］. Opt. Mater. Express， 2015， 5（3）： 469-478. doi: 10.1364/ome.5.000469http://dx.doi.org/10.1364/ome.5.000469

张培培，郎言波，郭俊杰，等. 利用共价键镶嵌上转换纳米晶制备发光NaYF4-PMMA纳米复合聚合物［J］. 发光学报， 2016， 37（8）： 919-926. doi: 10.3788/fgxb20163708.0919http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20163708.0919

ZHANG P P， LANG Y B， GUO J J， et al. Up-conversion NaYF4-PMMA nanocomposites prepared by copolymerization ［J］. Chin. J. Lumin.， 2016， 37（8）： 919-926. （in Chinese）. doi: 10.3788/fgxb20163708.0919http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20163708.0919

浏览量

178

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于KMnF₃:Yb³⁺,Er³⁺纳米晶的红光聚合物平面光波导放大器