Введение к работе
Актуальность темы
В последнее время всё большую актуальность приобретают работы в области планарных оптических интегральных систем на основе кварцевого стекла. Оптические интегральные схемы потенциально имеют ряд преимуществ перед волоконными. Устройства на их основе имеют меньшие размеры, технология их изготовления более универсальна, в ней меньше доля ручного труда, их стоимость ниже. Выбор силикатной основы обеспечивает эффективную, с малыми потерями стыковку интегрально-оптических волноводов со стандартными волоконными световодами.
Для реализации активных устройств в таких системах необходимо уменьшить оптическую длину волноводного лазера или усилителя по сравнению с аналогичным волоконным устройством, по крайней мере, на порядок. Это возможно, если увеличить во столько же раз концентрацию активных ионов в сетке стекла без значительного ухудшения усилительных свойств среды. Однако оксиды наиболее часто используемых в стекле активных ионов (эрбий, иттербий) имеют слабую растворимость в сетке Si02. Вследствие этого с ростом их концентрации в стекле возникает тенденция к образованию кластеров, обогащенных данным элементом. Кластеризация негативно сказывается на усилительных свойствах активной среды, так как ведет к снижению эффективности работы конечного устройства. На сегодняшний момент максимальная концентрация активатора в волоконных лазерах и усилителях, не приводящая к потере эффективности, составляет лишь-0.01 ат.%.
Для решения задачи увеличения концентрации активных ионов на первый план выходят низкотемпературные методы синтеза стёкол. В отличие от стёкол, прошедших стадию плавления, в результате которой стирается вся предыстория их получения, свойства стёкол, полученных низкотемпературными методами, сильно зависят от условий их синтеза.
Настоящая диссертационная работа посвящена вопросам получения высоколегированных эрбием силикатных стекол низкотемпературным плазмохимическим методом и экспериментальному исследованию люминесцентных характеристик ионов Ег3+ в них. К началу данной диссертационной работы методы получения и свойства аморфных материалов этого типа были не изучены.
Цель диссертации состоит в: (1) исследовании влияния условий низкотемпературного плазмохимического синтеза на люминесцентные свойства ионов Ег3+ в аморфных силикатных матрицах с добавками фтора, фосфора, алюминия, германия, калия, азота; (2) исследовании концентрационных характеристик эффективности люминесценции эрбия и влияния проплавлення материала на эти характеристики; (3) оценке полученных низкотемпературным плазмохимическим синтезом активных силикатных композитов как потенциальных оптических материалов для активных устройств интегральной оптики.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Исследовано влияние условий низкотемпературного синтеза на люминесцентные свойства ионов Ег3+ в силикатном стекле и проведено сравнение со стёклами, прошедшими стадию плавления при концентрациях эрбия до 1.5 ат.%.
Предложена модель, на основе которой рассмотрено влияние температурных условий плазмохимического осаждения на однородность распределения эрбия в объеме синтезируемого материала и эффективность возбуждения люминесценции ионов Ег3+.
Впервые получен силикатный композит, в котором локальное окружение практически всех ионов Ег3+ является упорядоченным, но при этом этот композит не является керамикой.
Достоверность полученных результатов подтверждается их воспроизводимостью, а также применением современных экспериментальных спектроскопических методов исследования.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Результаты исследований оптических свойств высоколегированных эрбием силикатных стёкол, полученных низкотемпературным плазмохимическим методом, показывают, что данные стёкла могут быть использованы при реализации активных устройств в интегральной оптике. При этом длина таких устройств составит лишь единицы сантиметров.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
Методом низкотемпературного плазмохимического осаждения возможно получение высоколегированных эрбием (более 1 ат.%) силикатов с подавленной кластеризацией ионов активатора в матрице аморфного материала.
Низкотемпературный синтез позволяет сформировать вокруг ионов Ег + наиболее энергетически выгодные анионные окружения, чем обусловлены отличные от плавленых стёкол люминесцентные свойства эрбия в этих аморфных материалах.
Показано, что в аморфных силикатах, полученных методом плазмохимического осаждения, квантовая эффективность люминесценции основного лазерного перехода ионов Ег3+ (4Іп/2—*4Іі5/г) монотонно возрастает с ростом концентрации фосфора.
4. обнаружено, что присутствие галогена в аморфном неплавленом
силикатном композите способствует формированию упорядоченной
структуры в ближайшем анионном окружении ионов эрбия. Эта структура
существенно модифицирует люминесцентные свойства Ег3+ и делает их
нехарактерными для силикатных стёкол.
Публикации
Материалы диссертации изложены в 7 публикациях, включая 1 статью в отечественном рецензируемом периодическом журнале (ЖТФ), 3 статьи в зарубежных рецензируемых периодических журналах, тезисы 2-х докладов на международных конференциях, 1 препринт Научного Центра Волоконной Оптики РАН.
Апробация работы
Результаты работы были представлены на: международной конференции по микроэлектронике (NGC2002), 2002, Москва, Россия; XX международном конгрессе по стеклу (ICG'2004), 2004, Киото, Япония; международной конференция по волоконно-оптической связи (OFC2004), Лос-Анджелес, США; а также неоднократно докладывались на семинарах НЦВО РАН.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы из 79 наименований, содержит 111 страниц, 33 рисунка и 6 таблиц.
