Поступило в редакцию: Ноябрь 2024

УДК 547.97:535.8+541.147

Fluorine Notes, 2024, 157, 7-8

ФТОРИДНЫЕ НАНОКРИСТАЛЛЫ NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺ ДЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛНОВОДНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО С-ДИАПАЗОНА

К.В. Хайдуков, П.А. Демина, И.О. Горячук, В.И. Соколов

НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия

Аннотация: Синтезированы фторидные нанокристаллы β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺ в размерном диапазоне 40-50 нм, обладающие интенсивной фотолюминесценцией в телекоммуникационном С - диапазоне длин волн λ= 1550 ± 30 нм при накачке ИК излучением с λ= 980 нм. Разработан метод введения нанокристаллов в полимерную матрицу в высокой концентрации. С использованием полученного композитного материала изготовлены волноводные усилители оптического излучения для С - диапазона спектра. Полученное усиление на длине волны λ= 1532 нм составило 19 дБ при длине волновода 15 мм.

Ключевые слова: фторидные нанокристаллы, редкоземельные элементы, фотолюминесценция, волноводные оптические усилители.

Введение

Фторидные нанокристаллы (NaYF₄, NaLuF₄, etc.), легированные ионами иттербия и эрбия, перспективны для создания компактных волноводных усилителей, работающих в телекоммуникационном С - диапазоне спектра вблизи 1550 нм. Для этого нанокристаллы вводятся в полимерную матрицу в высокой концентрации и полученный композитный материал используется для формирования одномодовых оптических волноводов [1-6]. Волноводные усилители могут использоваться, например, в высокоскоростных оптических шинах передачи данных для микропроцессорных вычислительных устройств на печатных платах [7]. Методом термического разложения трифторацетатов редкоземельных элементов и натрия в смеси олеиновой кислоты и 1-октадецена нами были синтезированы нанокристаллы β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺ в размерном диапазоне 40-50 нм с инертной оболочкой из оксида кремния. Наночастицы были введены в фоторезист SU-8 в концентрации 40%, который использовался для формирования волноводов. При накачке ИК излучением 980 нм усиление на длине волны λ= 1532 нм в волноводе длиной 15 мм составило 19 дБ.

Экспериментальный раздел

Для синтеза фторидных нанокристаллов β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺ использовались коммерческие реактивы: оксиды иттрия, иттербия, эрбия, карбонат натрия, олеиновая кислота 90%, 1-октадецен 90% (Sigma-Aldrich) и трифторуксусная кислота 99% (PanReac). Нанокристаллы были синтезированы по методике, описанной нами в работе [7]. Концентрация Er³⁺ в матрице β-NaYF₄ составляла 2%. На рисунке 1а представлена фотография синтезированных наночастиц, полученная с использованием TEM электронного микроскопа, а на рисунке 1б - спектр их фотолюминесценции (ФЛ) в даун-конверсии, возбуждаемой ИК излучением 980 нм. Интенсивная полоса ФЛ с центром вблизи 1532 нм шириной 74 нм обусловлена переходами ⁴I_13/2 →⁴I_15/2 в ионах Er³⁺. Структурная диагностика полученных нанокристаллов, проведенная на рентгеновском дифрактометре Rigaku Miniflex600 (Cu, λ= 1.54184 Å), показала, что они имеют гексагональную β- фазу кристаллической решетки.

Рисунок 1. (а) TEM фотография синтезированных фторидных нанокристаллов β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺. (б) Спектр ФЛ нанокристаллов при накачке ИК излучением 980 нм. На вставке приведена упрощенная система энергетических уровней иттербия и эрбия.

Синтезированные наночастицы β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺ были введены в фоторезистивный материал SU-8 в концентрации 40%. Полученный композитный материал использовался для формирования одномодовых оптических волноводов на подложке из кремния с термически выращенным оксидным слоем методом УФ фотолитографии (длина волны 365 нм). Ширина и толщина волновода составляли 6 х 6 мкм. На рисунке 2 показана измеренная зависимость коэффициента усиления оптического сигнала на длине волны 1532 нм в волноводе длиной 15 мм от мощности излучения накачки с λ= 980 нм. Как следует из рисунка 2, достигнутый коэффициент усиления составляет 19 дБ.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента усиления (Gain) оптического сигнала на длине волны 1532 нм в волноводном усилителе длиной 15 мм от мощности излучения накачки P_pump с длиной волны 980 нм.

Заключение

Продемонстрирована возможность создания компактных волноводных усилителей для телекоммуникационного С - диапазона длин волн вблизи 1550 нм на основе фторидных нанокристаллов β-NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺ с оболочкой из оксида кремния, введенных в фоторезист SU-8. Полученное усиление на длине волны 1532 нм в волноводе длиной 15 мм составило 19 дБ. Синтезированные нанокристаллы NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺ также перспективны для создания волноводных лазеров с распределенной обратной связью.

Благодарности

Работа проведена в рамках выполнения государственного задания НИЦ «Курчатовский институт».

Литература

1. Y. Fu, T. Sun, J. Li, Y. Tang, Y. Yang, S. Tao, F. Wang, D. Zhang, G. Qin, Z. Jia, D. Zhao, W. Qin, (S+C)-band polymer waveguide amplifier based on Tm³⁺ and Er³⁺ layer-doped core-shell nanoparticles, Optics Letters, 2023, 48(2), 391.
2. X. Liu, M. Zhang, G. Hu, Gain Enhancement of the Optical Waveguide Amplifier Based on NaYF₄/NaLuF₄: Yb, Er NPs-PMMA Integrated with a Si₃N₄ Slot, Nanomaterials, 2022, 12, 2937.
3. T. Sun, Y. Fu, X. Zhang, J. Yan, F. Wang, D. Zhang, Gain enhancement of polymer waveguide amplifier based on NaYF₄: Er³⁺, Yb³⁺ nanocrystals using backward pump scheme, Optics Communications, 2021, 488, 126723.
4. H. Gao, H. Li, G.F.R. Chen, P. Xing, M.C. Tan, D.T.H. Tan, 3D printed and spiral lithographically patterned erbium‑doped polymer micro-waveguide amplifiers, Scientific Reports, 2021, 11, 21292.
5. Z. Zhou, J. Xue, B. Zhang, C. Wang, X. Yang, W. Fan, L. Ying, Z. Zheng, Y. Xie, Y. Wu, X. Yang, D. Zhang, Optical gain based on NaYF₄: Er, Yb nanoparticles-doped polymer waveguide under convenient LED pumping, Appl. Phys. Lett, 2021, 118, 173301.
6. Y. Yang, F. Wang, S. Ma, M. Zhou, Y. Lang, G. Qin, D. Zhang, W. Qin, D. Zhao, X. Zhang, Great enhancement of relative gain in polymer waveguide amplifier using NaYF₄/NaLuF₄:Yb,Er‑PMMA nanocomposite as gain media, Polymer, 2020, 188, 122104.
7. В.И. Соколов, И.М. Ашарчук, И.О. Горячук, С.И. Молчанова, Синтез фторидных микро- и нанокристаллов NaYF₄/Yb/Tm, NaYF₄/Yb/Er и их характеризация методами УФ оптической микроскопии, Fluorine Notes, 2021, 6(139), 7-8.

Статья рекомендована к публикации членом редколлегии к.х.н. О.В. Брызгаловой

Fluorine Notes, 2024, 157, 7-8