1 之江实验室，浙江 杭州 311100
2 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
3 浙江大学材料科学与工程学院，浙江 杭州 310027
4 宁波大学信息科学与工程学院光+X交叉科学与技术研究院，浙江 宁波 315211
飞秒激光直写技术因其精度高、效率高、脉冲持续时间短、峰值功率高且能在多种材料中加工的优点，已被广泛应用于制备各种集成光电器件、光学传感器件。近几年，飞秒激光直写光波导放大器与激光器已经被越来越多的人关注。本文主要介绍飞秒激光直写光波导放大器和激光器的最新研究进展，包括：Type-I型、Type-II型、脊型和可变截面光波导放大器和激光器的波导传输和插入损耗、光放大增益特性，以及波导激光输出特性。最后，对该技术及其相关研究进展进行总结、分析、归纳，并展望该领域未来研究、应用和发展方向。
飞秒激光直写 光波导 波导放大器 波导激光器 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0314003
吉林大学电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点实验室，吉林 长春 130012
将掺铒纳米晶与甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体共聚获得的复合聚合物可用作聚合物光波导放大器的增益介质。器件的增益性能与复合聚合物中的纳米粒子浓度密切相关。本文利用高温热分解法成功制备了尺寸均匀的β?NaLu50%Y30%F4∶18%Yb3+，2%Er3+纳米晶。纳米晶尺寸约16 nm，表面修饰有不饱和基团，因此可以与MMA共聚合得到纳米粒子?聚甲基丙烯酸甲酯（NPs?PMMA）纳米复合材料。通过将纳米粒子的掺杂浓度分别调整为0.1，0.15，0.25 mmol，制备了三组不同键合比例的复合聚合物。下转换发射光谱和透过光谱测试分析表明，随着键合的纳米晶浓度升高，复合聚合物发光强度逐渐提高，但近红外区的光透过率略微下降。使用这三组复合聚合物材料制备的倒脊型光波导放大器，在1 550 nm处，器件的相对增益分别为3，3.46，5.61 dB，插入损耗分别为19.20，25.00，26.53 dB。该结果说明，虽然高掺杂浓度的稀土纳米晶造成了散射损耗增加，却有效地提高了增益介质在C波段的发光强度和器件的相对增益。在本文实验中，增加纳米晶浓度带来的增益提高优于散射损耗的增加。
掺铒纳米晶 复合聚合物 键合比例 光波导放大器 erbium-doped nanocrystals composite polymer bonding ratio optical waveguide amplifier
1 厦门大学电子科学与技术学院（国家示范性微电子学院），福建 厦门 361005
2 黑龙江大学化学化工与材料学院功能无机材料化学教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080
以双齿膦氧化合物4，6-二（二苯基氧膦基）二苯并噻吩（DBTDPO）为中性配体，以噻吩基三氟甲基乙酰丙酮（TTA）为阴离子配体，制备了具有分子内能量传递作用的稀土钕配合物Nd（TTA）3DBTDPO掺杂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶液聚合物材料。采用Ag+-K+离子交换法和一步光刻法，分别制备了基于倏逝波型的BK-7玻璃波导和SU-8聚合物波导。采用成本低廉的发光二极管（LED）替代半导体激光器作为泵浦源，利用有机配体与中心稀土Nd3+离子的分子内能量传递作用，在225 mW 405 nm LED泵浦下，在1.06 μm波长处分别获得了3.6 dB/cm和4.1 dB/cm的光增益。所提出的基于分子内能量传递作用的LED垂直顶泵浦方式能够有效降低器件的商用化成本，有望在平面光子集成领域得到广泛应用。
激光器 波导放大器 钕配合物 1.06 μm 倏逝波 LED泵浦
厦门大学电子科学与技术学院（国家示范性微电子学院），福建 厦门 361005
将铕配合物Eu（DBM）3Phen掺杂在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中作为有源材料，分别采用铝掩膜结合电感耦合等离子体（ICP）刻蚀、一步光刻法制备了脊型和倏逝场型两种掺铕聚合物光波导放大器。采用405 nm蓝紫发光二极管（LED）泵浦，在653 nm波长处分别实现了1.9 dB/cm和1.5 dB/cm的相对增益。对掺杂Eu（DBM）3Phen的PMMA薄膜的紫外吸收、荧光发射以及荧光寿命进行了测量表征。结果表明，有机配体的分子内能量传递作用在LED泵浦下可以实现稀土铕离子由5D0能级到7F3能级的跃迁。
中国激光
2023, 50(2): 3788/CJL220574
吉林大学电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点实验室, 吉林省光通信聚合物波导器件工程实验室, 吉林 长春 130012
制备了NaYF4∶Er3+,Yb3+纳米晶, 表征了纳米晶的形貌, 通过物理掺杂的方式将纳米粒子掺杂到SU-8中作为光波导放大器的芯层材料, 优化了波导放大器的尺寸, 利用旋涂、刻蚀等工艺, 在二氧化硅衬底上制备了光波导放大器。实验中用光漂白法和湿法刻蚀两种方法制备光波导放大器, 分别给出了两种方法制备的器件的结构、工艺流程、光场模拟结果, 并对两种方法制备的器件的放大特性进行了测试。测试结果表明, 当980 nm波长的泵浦光功率为241 mW且1 550 nm波长的信号光功率为0.1 mW时, 使用湿法刻蚀法制备的放大器得到2.7 dB的相对增益。当980 nm波长的泵浦光功率为235 mW且1 550 nm波长的信号光功率为0.1 mW时, 使用光漂白法制备的放大器得到4.5 dB的相对增益。根据以上测试结果, 分析了两种工艺对器件性能的影响。
波导放大器 Yb3+纳米粒子 聚合物 optical waveguide amplifier NaYF4∶Er3+ NaYF4∶Er3+ Yb3+nanocrystals polymer
1 深圳大学 电子科学与技术学院, 广东省微纳光机电工程技术重点实验室, 光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室, 广东 深圳 518060
2 吉林大学 电子科学与工程学院, 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 吉林省光通信用聚合物波导器件工程实验室, 吉林 长春 130012
为了克服主客掺杂型有源材料均匀性和稳定性差的问题, 采用键合掺杂方法, 将高温热解法制备的油酸修饰掺铒氟钇钠纳米晶粒与甲基丙烯酸甲酯发生共聚反应, 形成键合型有源芯层材料。纳米晶粒均匀固定在聚合物分子链上, 抑制了高浓度掺杂时的团聚析出且材料更稳定。纳米粒子在聚合物中的质量百分比达到约1wt%, 具有良好的成膜性, 用原子力显微镜照片观察薄膜表面粗糙度为1.76 nm。用椭偏仪测量薄膜光学性质, 并用柯西色散模型拟合出薄膜折射率随波长的变化关系, 材料在1 550 nm信号光波长的折射率为1.485。设计嵌入式波导结构, 采用有限元方法进行模式分析和计算光场强度分布。采用紫外光刻和感应耦合等离子体刻蚀工艺制备凹槽形下包层, 填充有源材料制备条形波导放大器。实验结果表明, 当1 550 nm信号光功率为0.1 mW, 1 480 nm泵浦光功率为390 mW时, 在1.2 cm长的样品中得到了3.58 dB的信号光相对增益。
光波导放大器 集成光学器件 聚合物 光增益 optical waveguide amplifier integrated optical devices polymer optical gain
集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 吉林大学 电子科学与工程学院, 吉林省光通信用聚合物波导器件工程实验室, 吉林 长春 130012
制作了基于KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米晶材料的工作波长655 nm的聚合物平面光波导放大器。材料的吸收光谱表明, KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米晶在980 nm附近有很强的吸收。在980 nm激光的激发下, 由于Er3+和Mn2+能级之间的能量传递, KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米晶产生了很强的红色上转换发光。根据KMnF3∶Yb3+,Er3+纳米粒子的发光特性, 制备了KMnF3∶Yb3+,Er3+ NCs-PMMA复合材料, 用其作为芯层设计了掩埋形结构光波导放大器, 利用传统的半导体工艺完成器件制备。器件测试结果表明, 当655 nm信号光功率为0.1 mW、980 nm泵浦功率为260 mW时, 器件获得了2.7 dB的相对增益。
纳米粒子 聚合物 光波导放大器 上转换发光 nanocrtstals polymer optical waveguide amplifier upconversion emission
1 深圳大学 电子科学与技术学院， 广东省微纳光机电工程技术重点实验室，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室， 广东 深圳 518060
2 吉林大学 电子科学与工程学院, 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区, 吉林省光通信用聚合物波导器件工程实验室, 吉林 长春 130012
设计了一种高浓度稀土铒掺杂聚合物填充硅狭缝结构的平面光波导放大器(工作波长1 550 nm，泵浦波长1 480 nm)，能够在低泵浦下获得高增益，可以应用于硅基光互联的损耗补偿。通过扫描电镜照片观察发现，合成的铒掺杂聚合物材料具有良好的纳米狭缝填充能力。考虑铒离子的合作上转换和激发态吸收，利用铒离子四能级跃迁模型，建立原子速率方程和光功率传输方程，数值仿真分析了聚合物光学性质、狭缝波导结构参数及信号光泵浦光功率等放大器增益特性的影响因素。这种具有纳米截面尺寸的光波导放大器，获得4.5 dB的信号光相对增益仅需要1.5 mW 的泵浦光，展现了良好的集成光学应用前景。为了进一步提高增益，引入了多层狭缝结构，四层狭缝波导的重叠积分因子比一层狭缝的高42%。
波导放大器 狭缝波导 光电子器件 waveguide amplifier slot waveguide optoelectronic device
吉林大学电子科学与工程学院, 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区,吉林省光通信用聚合物波导器件工程实验室, 吉林长春130012
通过理论模拟和计算对基于氟钇钠(NaYF4)∶镱(Yb3+), 铒(Er3+)纳米晶的聚合物光波导放大器在1.55 mm 处的增益特性进行了研究。分析中采用的波导芯层为NaYF4∶18％Yb3+,10％Er3+纳米晶掺杂的SU-8 2005聚合物，包层为P(MMAGMA)聚合物。通过测试和分析纳米晶材料的吸收光谱和荧光光谱，利用Judd-Ofelt理论计算出了相应的Judd-Ofelt参数：Ω2=6.302×10-20 cm2, Ω4=0.69×10-20 cm2, Ω6=7.572×10-20 cm2。通过求解原子速率方程与光功率传输方程模拟分析了波导放大器在1.55 μm 波长的增益特性，得到的增益曲线具有饱和效应，当Er3+离子浓度为7.5×1025 m-3时获得的最大增益为9.7 dB。以SiO2作为下包层，NaYF4∶Yb3+, Er3+纳米晶掺杂的SU-8 2005聚合物作为芯层，P(MMA-GMA)聚合物作为上包层，制备了聚合物光波导放大器，当波长为980 nm 的抽运光功率为170 mW、信号光功率为0.1 mW 时，器件获得的最大相对增益为3.42 dB/cm。
集成光学器件 光波导放大器 聚合物 光学学报
2015, 35(12): 1213001
吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，吉林省光通信用聚合物波导器件工程实验室，吉林 长春 130012
采用高温热分解法合成了粒径约为10 nm的Li:YF4:Er,Yb纳米晶，将其掺杂入SU-8聚合物作为光波导放大器的有源层。以SiO2作为下包层，P(MMA-GMA)聚合物作为上包层，制备了Li:YF4:Er,Yb纳米晶掺杂SU-8聚合物平面光波导放大器。当980 nm波长抽运光功率为180 mW时，在1535 nm波长处获得了2.3 dB/cm的相对增益率。
光学器件 光波导放大器 Yb纳米晶 聚合物 相对增益
