[发明专利]高掺杂铒离子近化学计量比铌酸锂晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铒离子掺杂的近化学计量比铌酸锂晶体及其制备方法。

背景技术

随着光通信的高速发展，建立全光通信网(即光传输和光信号的发送与接收等过程均由光纤和光子集成器件来完成)成为人们研究热点。目前，已研制出并达到应用化水平的光纤放大器，主要集中在1.54μm的掺铒光纤放大器(EDFA)上。但在光通信领域，EDFA技术仍不能满足迅猛发展的光通讯产业对器件体积、成本和集成化的要求。因此利用光子集成技术研制光通信用光子集成器件是实现全光通信的必由之路。因而科学家们已把注意力集中到更具集成化发展前景的光波导与掺铒光波导放大器(EDWA)技术。而以Er-LiNbO₃晶体为基质材料的波导器件因便于集成、泵浦效率高的特点，备受关注。

选择稀土元素铒，是Er³⁺的内层4f电子从亚稳态能级到基态能级的受激跃迁，能提供光通信窗口波长1.54μm的光放大。由于铒的这种特殊能级结构，使其成为光通信用放大器增益介质的最佳选择。然而，虽然EDWA相较于EDFA改善了体积大，成本高，装配调试要求高等缺点，但是EDWA中的掺Er浓度要比EDFA高几个量级。

在众多基质材料中，如LiNbO₃、SiO₂、Al₂O₃、磷硅玻璃、钠钙硅玻璃、Y₂O₃，将LiNbO₃作为基体材料引起人们广泛的研究兴趣。这是因为：

(1)LiNbO₃晶体是集优良的电光、声光和非线性光学性能于一体的难得激光基质材料，它的多功能性为开辟集成性、微小器件创造充分条件，这是其他几种基质材料所无法比拟的；

(2)芯层与缓冲层、覆盖层(SiO₂)之间的折射率反差较大，导致波导模的高约束低损耗，因而易于实现高效的泵浦和放大；

(3)LiNbO₃晶体自身具有可以调节的Li/Nb比率，这为进行高浓度稀土Er的掺杂提供有利条件，从而在较短的尺寸内得到较高的增益。

(4)大尺寸、高质量、易生长、廉价等特性使得LiNbO₃晶体做为基质材料具有良好的基础。

根据锂空位模型，同成分铌酸锂晶体(Li∶Nb＝0.946∶1)处于缺锂状态，为了电荷平衡，一部分铌离子也进入锂空位，形成反位铌，这时LN的化学结构式可表示为[Li_1-5xV_4xNb_x]NbO₃。因此形成的大量本征缺陷限制了同成分铌酸锂晶体在1.54μm波段的实际应用，降低了其发光强度和寿命。因此近化学计量比铌酸锂晶体及其制备成为人们研究的重点，但是通过铌酸锂晶体的相图分析可知，在化学计量比铌酸锂晶体时生长晶体相对与同成分铌酸锂晶体要难。现有近化学计量比铌酸锂晶体的工艺一般为先生长出同成分铌酸锂晶体(0.946∶1)后，通过气相传输技术(VTE)制备了近化学计量比铌酸锂晶体，但是，目前VTE处理技术对于铌酸锂晶体质量是否有不利的影响还存在着争议，而且两种工艺结合使得制备变得复杂，成本增加。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有掺铒离子近化学计量比铌酸锂晶体的制备工艺复杂，难以得到高掺杂铒离子的近化学计量比铌酸锂晶体的问题，本发明提供了一种高掺杂铒离子近化学计量比铌酸锂晶体及其制备方法，工艺简单地得到具有很好的发光强度和寿命的高掺杂铒离子近化学计量比铌酸锂晶体。

本发明的高掺杂铒离子近化学计量比铌酸锂晶体，是由氧化铒(Er₂O₃)、五氧化二铌和碳酸锂三种原料制成的，其中，碳酸锂和五氧化二铌中锂和铌的摩尔比为1∶1，氧化铒摩尔量占三种原料总摩尔量的1％～2％。