铒铥共掺杂的钛扩散铌酸锂光波导及相关材料的研究

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1、＾＂？＾７中国第－臟代大学ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＩＴＹＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文一级学科光学工程：学科专业：光学工程作者姓名：Ｍ善指导教师：张德龙教授天津大学研究生院２０１７年５月铒铥共掺杂的钛扩散铌酸锂光波导及相关材料的研究3+3+StudyonEr/Tmco-dopedTi:LiNbO3waveguidesandrelatedmaterial一级学科：光学工程学科专业：光学工程研究生：孙文宝指导教师：张德龙教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年五月摘要铒铥掺杂的钛扩

2、散光波导的成功制备不但能够融合波导中铒离子和铥离子的光谱特性而且还使波导由于掺杂了铥离子而具有了抗光折变特性，促进了工作在S+C+L通信波段的放大器和激光器的发展。本文的主要工作是制备铒铥离子掺杂的钛扩散光波导，并对制备后的波导进行表征。本研究的具体工作内容如下：1．研究了铒铥离子共扩散铌酸锂晶体的生长特性得出以下结论：铒铥离子共扩散进入铌酸锂晶片中没有改变晶体中氧化锂的组分，晶体中锂组分改变与扩散温度有关；铒铥共扩样片中铒和铥离子具有相似的扩散系数，该扩散系数与铒或铥单扩时相同，而且没有表现出明显的各向异性；铒铥离子在铌酸锂晶体中各自的溶解度随着初始

3、铒铥金属膜的变化而变化，但是铒铥离子在铌酸锂晶体中总溶解度与单扩铒或铥的溶解度相同。2．研究了铒铥离子共扩散/掺杂铌酸锂晶片中的晶相、离子分布以及光谱特性：X射线单晶衍射结果显示铒铥离子已进入到了铌酸锂的晶格中且没有改变晶体的结构；铒铥离子在晶体中的分布服从高斯函数形式，总扩散深度是21.5µm，铒铥离子在晶片表面的浓度分别为0.42±0.02、0.44±0.02mol%；铒铥离子在共扩晶体中的光谱特性没有发生改变各自保持独立状态，共扩散/掺杂使铒铥离子在1.5µm附近的发射光谱得到了融合，光谱宽度多达150nm，为980nm和795nm激光泵浦下的S

4、+C+L宽带激光器和放大器的成功研制提供了理论依据。3．研究了组分对铒掺杂以及铒镁共掺杂铌酸锂晶体发射和吸收截面的影响结果显示：铒掺杂样品中随铒离子浓度的增加，发射/吸收截面有减小的趋势；增加晶体中的氧化锂组分铒离子的发射/吸收截面又有变大的趋势，当锂组分接近于近化学计量比时发射/吸收截面不再发生变化；铒镁离子共掺杂晶体中的发射和吸收截面随镁离子的浓度增加而增加；掺杂、组分对发射和吸收截面的影响与晶体中铒离子的分布占位有关。4．制备了Z切Y传和X切Z传的铒铥共掺杂钛扩散波导并对波导性能203进行表征：铒、铥离子的表面浓度分别为0.81/0.83×10a

5、tom/cm（Z切）和2030.82/0.84×10atom/cm（X切）；1.547µm光下的近场模式表明，两波导都能够支持TE或TM的单模传输；较低的铥离子掺杂浓度(0.43mol%)使得980nm光泵浦下的Z切铒、铥波导与单铒掺杂的波导相比具有部分的抗光折变性能；受3铥离子掺杂浓度低以及H4能级粒子数少的影响，795nm光泵浦下1450nm小信号光增强因子很小，最大只有0.21dB/cm(Z切)，0.51dB/cm(X切)；最后对980Inm、1480nm光泵浦下的1547nm及795nm光泵浦下的1450nm信号光进行了数值模拟，获得了泵浦光和

6、信号光的演化规律，为以后铒铥共掺杂的钛扩散波导放大器以及激光器的制备提供了理论上的指导。5．在X切铌酸锂晶片上制备了Y传输铒锆共掺杂钛扩散波导并研究了波导的抗光折变特性：二次离子质谱表明钛离子在宽度方向上服从误差和函数分布，深度方向上服从高斯函数分布，铒离子和锆离子在深度方向上呈现出高斯函数分布并且完全覆盖了钛离子的分布；980nm光泵浦下，1547nm小信号光随泵浦功率的增加展现出了稳定的信号增益并且没有观察到光折变效应；泵浦功率为120mw时获得了1.1dB/cm的净增益。该研究为铒铥共掺杂钛扩散波导抗光折变性能的提高提供了借鉴。本论文的创新点主要

7、包括以下几点：(1)率先在缺锂铌酸锂晶片上制备出铒铥共扩散的掺杂晶片并对掺杂晶片的光谱特性进行了系统的研究。(2)首次采用缺锂VTE、铒铥共掺杂、钛内扩散相结合的方法制备铒铥掺杂钛扩散波导并研究了铥离子的抗光折变性能。(3)首次使用795nm激光泵浦波导中的铒铥掺杂离子，并对1450nm小信号光的信号增强因子进行了测量。(4)首次制备出铒锆共掺杂的钛扩散波导，并对波导的抗光折变性能进行了研究，为集成光学的发展提供了一个良好的平台。关键词：铒铥共掺杂，钛扩散，铌酸锂波导，放大器IIABSTRACTTherealizationofTi:Er:Tm:LNop

8、ticalwaveguidenotonlyallowsthecombinationofthee