[发明专利]稀土掺杂硫系(卤)薄膜材料、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于光通讯技术和激光医学技术领域，特别涉及一种稀土离子共同掺杂的硫系(卤)薄膜材料、其脉冲激光沉积的薄膜生长方法及近红外波段的光学应用。也属于稀土掺杂光放大材料和激光材料领域。

背景技术

近年来，宽带光纤放大器和密集波分复用(DWDM)技术已广泛应用到大容量、高速度、长距离的光纤通信中，以满足用户对带宽日益增长的需求。因此，研制结构简单、成本低廉的小型化宽带波导型光放大器是目前实现全光通信的核心技术之一。国内外所研究的光放大器大多集中在工作于1.55 μm波段的掺铒石英光纤放大器(EDFA)上，并已取得巨大的商业利益。然而，其带宽不大的局限性促使人们不断研制带宽更宽的超宽带光纤放大器或光波导放大器。最近，无水峰的石英光纤已研制成功，它在1.2至1.7 μm整个波段均具有较低的损耗。所以研制工作在整个光纤低损耗通信窗口的宽带光波导放大器对显著提高光纤网络的通信容量具有非常重要的意义，同时也是DWDM技术发展的关键。

通常由于在光纤低损耗的近红外波段所对应的稀土离子发射上能级和最近邻下能级间的能隙较小，使得这些近红外发射在高声子能量的母体材料中发射较弱，甚至淬灭，能级寿命短，量子效率低，所以需要寻找具有较大折射率、受激发射截面大、低声子能量、较高稀土离子溶解度和优异透红外性能等特征的母体材料。在这方面，硫系和硫卤玻璃均具备这些特点而使得这类材料称为高增益光纤放大器或光波导放大器的理想候选材料。一般认为，硫卤玻璃是硫系玻璃的一种，故本发明中所涉及到的硫卤玻璃和薄膜表示成为硫系(卤)玻璃和薄膜的形式。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高质量的稀土掺杂硫系(卤)薄膜材料、其脉冲激光沉积的制备方法及近红外光学的应用。该薄膜兼顾了无定形硫系(卤)半导体薄膜，是多种稀土离子的优异的母体材料，尤其是对于锗镓基系统的硫系材料，其稀土离子的溶解度更高。另外也兼顾了硫系玻璃材料具有较低的声子能、较高的折射率和优异的热学稳定性及透可见-红外光的性能。

本发明的技术方案是：一种稀土掺杂的硫系(卤)薄膜材料，其特征在于在锗镓基的硫系(卤)薄膜中共同掺杂两种稀土离子，即三价稀土离子铥Tm³⁺和镝Dy³⁺；所述的薄膜材料是无定形的；形成近红外多波段发射特征的光学有源薄膜材料；其薄膜材料的化学组成与其玻璃块体靶材保持一致，玻璃基础靶材的组成为：GeS₂: 72 mol%；Ga₂S₃: 18 mol%；CdI₂: 10 mol%，且Tm³⁺和Dy³⁺的掺杂浓度为玻璃基础靶材重量比的1.0 ± 0.2wt%和0.4 ± 0.1wt%。

本发明是在锗镓基的硫系(卤)薄膜中掺杂两种稀土离子而形成的近红外多波段发射的光学有源薄膜材料。该薄膜系统的设计兼顾了无定形硫系(卤)半导体薄膜是多种稀土离子的优异的母体材料，尤其是对于锗镓基系统的硫系材料，其稀土离子的溶解度更高。另外也兼顾了硫系玻璃材料具有较低的声子能、较高的折射率和优异的热学稳定性及透可见-红外光的性能。

本发明所指的硫系(卤)薄膜材料是用三价稀土离子Tm³⁺和Dy³⁺共同掺杂的。其薄膜材料的化学组成与其玻璃块体靶材保持良好的一致性，化学组成除了Ge、Ga、S、Cd、I、Tm、Dy元素外，还有少量的氧和碳元素；所采集的拉曼光谱也与玻璃块体靶材基本一致。玻璃靶材的组成为：GeS₂: 72 mol%；Ga₂S₃: 18 mol%；CdI₂: 10 mol%；Tm³⁺和Dy³⁺的掺杂浓度（可以相应的高纯稀土硫化物原料掺入）分别为1.0 wt%和0.4 wt%。其中GeS₂用来作为玻璃形成体，Ga₂S₃作为网络中间体是用来提高稀土离子的掺入量和分散性的，CdI₂用来调节玻璃的可见光学性质。故该薄膜是锗镓基的硫系(卤)薄膜。所制备的薄膜是无定形的，厚度约为700 ± 100 nm，表面的平均粗糙度约为1 nm。

薄膜的制备方法是脉冲激光沉积法，包括如下步骤：