離子注入摻Er富硅氧化硅材料研究.pdf

1、Er3+在石英基體材料中受激光致發(fā)光的波長(zhǎng)大約是1540nm，這個(gè)波長(zhǎng)是石英光纖的最小損耗窗口，因而是以石英光纖為基礎(chǔ)的光通訊的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)之一。摻鉺光纖放大器(EDFA)作為獲得光增益的媒質(zhì)是光纖通訊系統(tǒng)中極其重要的組成部分。當(dāng)前正在快速發(fā)展的城域網(wǎng)(MAN)、局域網(wǎng)(LAN)以及光纖到戶(FTTH)等系統(tǒng)中對(duì)波分復(fù)用(WDM)/密集波分復(fù)用(DWDM)光信號(hào)能量衰減的補(bǔ)償需要可集成的緊湊型、低成本摻鉺光波導(dǎo)放大器(EDWA)。然而，Er

2、3+在體硅中具有固溶度低和發(fā)光強(qiáng)度溫度淬滅強(qiáng)的缺點(diǎn)，難以達(dá)到設(shè)計(jì)光波導(dǎo)放大器的要求。一種新穎的敏化發(fā)光技術(shù)使獲得室溫高效硅基摻鉺發(fā)光成為可能。在摻鉺的SiO2中形成Si-nc，利用Si-nc對(duì)Er3+的敏化作用可以提高Er3+對(duì)泵浦光的有效吸收截面；利用Si-nc帶隙和Er3+躍遷能量之間較大的不匹配可以抑制溫度淬滅效應(yīng)。 本文利用離子注入方法制備了富硅氧化硅(SRSO)和摻鉺富硅氧化硅(ErSRSO)材料，研究了材料微觀結(jié)構(gòu)和

3、Er的化學(xué)狀態(tài)隨退火溫度的演變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明注入SiO2的富余Si原子經(jīng)歷了偏析集聚形成a-Si納米顆粒繼而在更高溫度轉(zhuǎn)變成nc-Si的演化過(guò)程；在900℃以上溫度退火，形成非晶SiOx層包覆nc-Si的殼層結(jié)構(gòu)；約900℃退火，形成具有光學(xué)活性的Er-O發(fā)光中心。 研究了富硅氧化硅和摻鉺富硅氧化硅的光致發(fā)光特性以及退火對(duì)他們的影響。結(jié)果表明Er3+的出現(xiàn)和濃度升高都對(duì)Si-nc的光致發(fā)光有淬熄作用，證實(shí)了Si-nc與Er3+強(qiáng)

4、耦合模型的正確性；發(fā)現(xiàn)殼層結(jié)構(gòu)中殘余非晶硅層是激發(fā)態(tài)Er離子非輻射去激發(fā)的通道之一，由此引起的能量背遷移是Er離子光致發(fā)光在T＞150K溫度淬滅的主要因素。 考慮到Er3+通過(guò)Si-nc間接被激發(fā)的過(guò)程，我們對(duì)描述激發(fā)態(tài)Er3+的速率方程進(jìn)行了改寫。與SiO2中Er3+直接被激發(fā)不同，從ErSRSO系統(tǒng)速率方程的解中得到1/TriseФ是非線性關(guān)系，并被實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到我們所制備ErSRSO材料中Er3+的有

5、效吸收截面為σeff=(9.73土0.06)×10-17cm2，比在SiO2中Er離子直接吸收泵浦光的吸收截而大4個(gè)量級(jí)。 根據(jù)Si-nc與Er3+之間的相互作用特點(diǎn)，類似于稀土元素共摻雜(如Yb和Er)系統(tǒng)的能量傳遞過(guò)程，我們利用Forster模型關(guān)于偶極-偶極共振相互作用的理論對(duì)Si-nc與Er3+的耦合機(jī)制和能量傳遞過(guò)程進(jìn)行了研究。根據(jù)摻鉺和不摻鉺Si-nc光致發(fā)光強(qiáng)度衰減之間的關(guān)系和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推導(dǎo)出Si-nc與Er3+離