基于NaYF4:Er3+,Yb3+纳米晶的聚合物光波导增益特性研究

本文主要探讨了基于氟钇钠(NaYF4)掺杂 erbium(erbium, Er3+)和ytterbium(ytterbium, Yb3+)纳米晶的聚合物光波导放大器的增益特性。研究采用了NaYF4:18% Yb3+和10% Er3+的纳米晶掺杂于SU-82005聚合物作为核心层，而包层部分则使用了P(MMA-GMA)聚合物。研究者通过理论模拟和计算，首先对纳米晶材料的吸收光谱和荧光光谱进行了深入分析，进而运用Judd-Ofelt理论来计算出相应的光学参数，如Ω2=6.302×10^-20 cm^2, Ω4=0.69×10^-20 cm^2, Ω6=7.572×10^-20 cm^2，这些参数对于理解离子的能级跃迁和非线性效应至关重要。 通过原子速率方程和光功率传输方程的结合，研究人员模拟了波导放大器在1.55微米波长下的增益行为。研究结果显示，增益特性表现出明显的饱和效应，当Er3+离子浓度达到7.5×10^25 m^-3时，最大增益可达到9.7分贝(dB)。这表明在优化的掺杂浓度下，光波导放大器具有良好的增益提升能力。 为了验证理论模型，作者还设计并制作了一款聚合物光波导放大器，具体结构包括NaYF4:Yb3+,Er3+纳米晶掺杂的SU-82005聚合物作为核心层，上下包层分别为SiO2和P(MMA-GMA)聚合物。当抽运光功率为170毫瓦(mW)、信号光功率为0.1毫瓦(mW)，在980纳米(nm)波长下，该器件显示出相对增益的最大值为3.42分贝每厘米(db/cm)。这个数值反映了在实际应用中，这种聚合物光波导放大器具有良好的能量转换效率和空间效率。 这篇研究论文深入探讨了利用纳米晶增强的聚合物光波导放大器的技术潜力，为集成光学器件的设计和制造提供了重要的理论支持和实践指导，对于提高光纤通信系统的信号强度和传输距离具有重要意义。此外，它也为未来基于其他掺杂纳米晶材料的新型光放大器研发提供了新的思路和参考。