Выдержка из текста работы
Целью данной работы является исследование спектрально — кинетических свойств матриц на основе ионов Er3+. Получение спектров поглощения и люминесценции с помощью лабораторного комплекса на основе монохроматора МДР-204.
В ходе исследований были получены спектры поглощения и люминесценции, а также проведен анализ полученных данных, на основании, которого были сделаны выводы о взаимодействиях, возникающих в исследуемых материалах, которые определяют спектральные характеристики активированных лазерных сред.
Введение
спектральный люминесцентный кремний матрица
На сегодняшний день оптические волокна легированные ионами Er3+ широко используются в качестве активной среды для волоконно-оптических усилителей EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Данный тип усилителей является неотъемлемой частью современных волоконно-оптических систем передачи информации, но в виду того что системы волнового уплотнения каналов постоянно развиваются, а скорости передачи увеличиваются, возникает ряд проблем, препятствующих развитию волоконных усилителей данного типа. В основном данные проблемы носят материаловедческий характер, так как ряд выходных параметров усилителей EDFA, таких как коэффициент усиления и равномерность полосы усиления, зависят от химического состава активной среды.
Решение этих задач невозможно без ответа на фундаментальные вопросы физики активированных сред, легированных примесями редкоземельных элементов, такие, как: вопрос о положении в кристаллической решетке исходного материала и микроскопической структуре оптически активного центра редкоземельного иона; вопрос о взаимодействии редкоземельных ионов с другими примесями и их влиянии на оптическую активность редкоземельных ионов, вопрос об энергетической структуре оптически активного центра, а также вопросы, касающиеся механизмов и процессов возбуждения и девозбуждения редкоземельной примеси в твердотельных матрицах.
Актуальность данной темы состоит в том, что существует множество материалов, которые могут быть использованы для создания активной среды волоконных лазеров и усилителей. Такое разнообразие вызвано уникальными свойствами иона Er3+, которые позволяют добиваться усиления света на длине волны в районе 1,5 мкм.
Целью данной работы является изучение спектрально — кинетических свойств оптических матриц на основе Er3+.
При этом существенно важным является решение следующих задач:
изучить основные процессы и явления, определяющие спектры активированных лазерных сред;
изучить принципы получения спектральных характеристик матриц на основе ионов Er3+;
провести экспериментальные измерения спектров поглощения и люминесценции;
проанализировать полученные экспериментальные данные.
1/ Материалы для эрбиевых волоконных усилителей
Собственно усилительной средой усилителя является эрбиевое волокно — волоконный световод с примесями ионов эрбия.
Изготавливаются такие световоды теми же методами, что и световоды для передачи информации, с добавлением промежуточной операции пропитки не проплавленного материала сердцевины раствором солей эрбия либо операции легирования ионами эрбия из газовой фазы непосредственно в процессе осаждения сердцевины (см., например [6]). Волноводные параметры эрбиевого волоконного световода делают сходными с параметрами световодов, используемых для передачи информации, в целях
уменьшения потерь на соединения. Принципиальным является выбор легирующих добавок, формирующих сердцевину активного световода, а также подбор концентрации ионов эрбия. Различные добавки в кварцевое стекло изменяют характер штарковского расщепления уровней энергии ионов эрбия. В свою очередь это приводит к изменению спектров поглощения и излучения.
Концентрация ионов эрбия в сердцевине оптического волокна фактически определяет его длину, используемую в усилителе при заданных уровнях сигнала и накачки. Верхний предел концентрации активных ионов
определяется возникновением эффекта кооперативной ап-конверсии. Это
явление состоит в том. что при большой концентрации активных ионов возможно образование кластеров, состоящих из двух и более ионов эрбия.
Когда эти ионы оказываются в возбужденном состоянии, происходит
обмен энергиями, в результате чего один из них переходит в состояние с еще более высокой энергией, а второй — безызлучательно релаксирует на основной уровень. Таким образом, часть ионов эрбия поглощает излучение усиленного сигнала, снижая эффективность усилителя.
Другое направление исследований в области расширения полосы силения эрбиевых усилителей, а также увеличения концентрации ионов эрбия связано с поиском других (не силикатных) стеклообразующих матриц для сердцевины волокна. Так в последнее время появился значительный интерес к фосфатным, теллуритным и фторидным стеклам.
Рисунок 1 — Спектры поглощения силикатного (кривая 1), фосфатного (кривая 2) и теллуритного (кривая 3) стекла, легированного ионами эрбия
Ширина спектра люминесценции у фосфатных стекол близка к силикатным.
Здесь выигрыша у этих материалов по сравнению с силикатными матрицами нет. Тем не менее, увеличение концентрации эрбия в фосфатных стеклах не приводит к заметному образованию эрбиевых кластеров, как это имеет место в силикатных стеклах. Поэтому фосфатные стекла имеют более низкие коэффициенты нелинейного ап-конверсионного тушения люминесценции по сравнению с силикатными стеклами. Это позволяет реализовать в фосфатных стеклах более высокие концентрации ионов эрбия без заметного концентрационного тушения, по сравнению с силикатными стеклами. Однако, на сегодняшний день технология вытяжки оптических волокон из фосфатных стекол пока еще не совершенна, что сдерживает их использование для эрбиевых волоконных усилителей. Высококонцентрированные фосфатные стекла, легированные эрбием и иттербием, нашли свое применение при разработке планарных волноводных усилителей. Ионы эрбия в теллуритных и фторидных стеклах имеют самые
широкие полосы люминесценции и. соответственно усиления. Следующие два рисунка иллюстрируют эту особенность. На рисунке 2 показаны спектры поглощения ионов эрбия для силикатных, фосфатных и теллуритных стекол.
Несмотря на привлекательность теллуритных н фторидных матриц, они пока не находят широкого использования в волоконных оптических усилителях в виду сложной технологии вытяжки волокна.
Рисунок 2 — Спектры усиления силикатного стекла, легированного
алюминием, и фторидного стекла
.1 Методы получения и люминесцентные свойства легированного эрбием монокристаллического кремния
Методы внедрения Er в с-Si. Как известно, эрбий имеет достаточно низкую растворимость в кремнии. Оцениваемое по аналогии с переходными металлами, значение равновесной растворимости эрбия в кремнии не превышает 1016 см-3 , что делает практически невозможным использование равновесных методик, таких, как, например, термическая диффузия, для получения структур с высоким уровнем легирования. В настоящее время для создания структур с-Si:Er широко используются неравновесные, либо квазиравновесные методы роста. В литературе сообщалось об использовании методов ионной имплантации, молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), плазмо-химического осаждения из газовой фазы (PECVD), ионно-лучевой эпитаксии и лазерного легирования для получения структур с-Si:Er.
Наиболее распространенным способом формирования структур с-Si:Er является метод ионной имплантации, широко используемый в современной технологии интегральных схем. Основными проблемами здесь являются проблемы встраивания редкоземельной примеси в кремниевый слой, имеющие место при процессах рекристаллизации ионноимплантированных слоев, и, как следствие, проблемы получения слоев с высоким уровнем легирования. В самых первых работах отмечалось, что концентрационный
предел, обусловленный началом формирования преципитатов Er в ионно-имплантированных слоях c-Si, составляет ~1018 см-3 . Формирование преципитатной фазы наблюдалось в слоях, имплантированных ионами Er с энергиями 500 кэВ и отожженных при температуре 900°С. Отсюда вывод о том, что растворимость Er в кремнии при 900°C не превышает 1.3·1018 см-3. В то же время, последующие исследования показали, что при определенных условиях имплантации, солегировании другими примесями и соответствующем выборе условий отжига, с помощью имплантационных методик удается получать слои с-Si:Er с концентрацией примеси эрбия ~1020 см-3. Значительную роль здесь играет примесь кислорода . Для получения слоев с высокой концентрацией оптически активной примеси, как правило, используются высокие дозы имплантации, превышающие порог аморфизации кремния. Как показали исследования, перераспределение примеси эрбия в процессе последующей твердофазной рекристаллизации ионно-имплантированного слоя сопровождается сегрегацией примеси на перемещающейся границе аморфный/кристаллический слой. При прохождении границы, Er частично выталкивается в аморфную фазу и частично внедряется в кристалл, с максимумом, растущим на перемещающейся границе в случае слабой встраиваемости Er. Этот процесс зависит как от скорости перемещения границы, так и диффузионной способности эрбия. При достижении критической концентрации происходит срыв процесса твердофазной кристаллизации с образованием планарных дефектов типа двойников. Значение критической концентрации зависит от температуры отжига и уменьшается от 1.2·1020 см-3 при 600°С до 6·1019 см-3 при 900°С . Значительная часть примеси в этом случае встраивается в слой в форме Er или Er-S преципитатных комплексов. Решающее воздействие, как на внедрение, так и кристаллическое совершенство слоев оказывает кислород. Введение кислорода резко изменяет сегрегационный процесс, при этом большая концентрация эрбия остается встроенной в рекристаллизованный слой. Было показано, что при соимплантации Er и O в соотношении 1:10 можно внедрить в с-Si до 1020 Er/см3 . Предполагается, что кислород тормозит скорость перемещения границы аморфный/кристаллический слой и уменьшает диффузионную способность эрбия за счет формирования Er-O комплексов, другой возможный механизм влияния кислорода связан с уменьшением плотности ловушек Er3+ в аморфном слое. Сильное взаимодействие ионов эрбия с кислородом проявляется в увеличении эффективной растворимости эрбия в кремнии и подавлении сегрегационных процессов, имеющих место при твердофазной эпитаксии и росте структур методами молекулярно-лучевой эпитаксии . К аналогичному результату приводит также дополнительное легирование ионно-имплантированных слоев Si:Er фтором, влияние которого, как показали авторы [6], проявляется в уменьшении диффузионной активности эрбия в процессе твердофазной рекристаллизации, уменьшении уровня дефектов и улучшении кристаллического совершенства рекристаллизованных слоев с-Si:Er.
