Дипломная (вкр): Исследование спектрально–кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+

Исследование спектрально–кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

Исследование спектрально - кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+

Работу выполнил

Булгаков Вадим Юрьевич

Научный руководитель

канд. физ.-мат. наук, доцент

Е. В. Строганова

Краснодар 2015

Реферат

Выпуская квалификационная работа 44 с., 12 рис., 5 табл., 15 источников.

ОПТИЧЕСКАЯ МАТРИЦА, СПЕКТРЫ ЛЮМИНИСЦЕНЦИИ, СПЕКТРАЛЬНО - КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ИОНЫ Er3+

Объектом исследования данной дипломной работы являются матрицы оптических волокон легированных ионами Er3+.

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.

Процессы сегрегации и преципитации эрбиевой примеси имеют место и при росте слоев c-Si:Er эпитаксиальными методами. Авторами [5] наблюдалось формирование фазы силицида в слоях с-Si:Er, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (температура роста 700°C) при концентрациях эрбиевой примеси превышающих 2⋅1018 см-3. Как и в случае ионной имплантации, значительное влияние на процесс встраивания примеси эрбия в кремниевый слой здесь оказывает дополнительное солегирование слоев примесями и выбор условий эпитаксиального роста.

Положение иона Er3+ в решетке кремния. Несмотря на значительный прогресс в понимании путей увеличения люминесцентной эффективности структур c-Si:Er, в настоящее время отсутствует полное представление о микроскопической структуре оптически активных центров иона Er3+, вносящих вклад в люминесцентный отклик. Было установлено, что интенсивность сигнала ФЛ эрбия в кремнии, полученном методом Чохральского (CZ-Si), по меньшей мере, на порядок величины превышает сигнал ФЛ в с-Si, полученном методом зонной плавки (FZ-Si), концентрация кислорода в котором, как известно на два порядка ниже. Как показали исследования структур методом EXAFS (метод анализа протяжённой тонкой структуры рентгеновских спектров поглощения), комплексы эрбия, внедренного в CZ-Si, аналогичны по конфигурации оксиду эрбия, Er2O3, при этом в материале FZ-Si преобладает конфигурация силицидного типа ErSi2 с 12 атомами кремния в окружении редкоземельного иона . Отсюда считалось, что оптически активные центры Er в с-Si, эффективно излучающие на длине волны 1.54 мкм, представляют lсобой высоко симметричные комплексы Er-O с шестикратно координированной связью с ближайшими кислородными соседями (рисунок).

Образцы c- Si, имплантированные эрбием и кислородом с высокими дозами (концентрации Er и O в однородном профиле распределения 1·1019 и 1·1020 см-3, соответственно), при разных процедурах отжига. Авторы показали, что в аморфном слое, сразу после имплантации, эрбий координирован с 6 атомами Si, последующий отжиг при температуре 620ºС изменяет локальное окружение редкоземельной примеси, увеличивая содержание кислорода, и на стадии отжига при температуре 900ºС происходит полное формирование кислородной оболочки атомов эрбия, атом эрбия становится координированным с 5 атомами O в ближайшем окружении. Изменение ближайшего окружения атомов Er приводит, как показали авторы, к структурным изменениям в спектрах ФЛ.

Рисунок 3 - Схематическое представление структуры оптически активных и неактивных центров иона Er3+ в кремнии

Результаты теоретического расчета показывают, что наиболее энергетически выгодным из возможных положений иона Er3+в решетке кремния является положение внедрения с тетраэдрической симметрией кристаллического поля . В этой конфигурации эрбий вносит лишь незначительные искажения в кристаллическую решетку, не приводя к разрыву связей Si Si. Предполагается, что четыре тетраэдрически координированных атома Si смещаются примерно на 0.16Å от исходного положения, при этом длина связи Er-Si составляет 2.48Å. Шесть последующих октаэдрически координированных атомов кремния смещаются на 0.04Å с длиной связи Er-Si - 2.73 Å.

Анализ структур с-Si:Er методом обратного Резерфордовского рассеяния (ОРР) показал, что при высоких концентрациях Er в с-Si преобладающая часть редкоземельных ионов занимает положение внедрения и лишь незначительная их часть (~4%) находится в положении замещения в решетке кремния [10]. В тоже время высказывалось предположение о том, что именно эта часть редкоземельной примеси в положении замещения в решетке кремния ответственна за сигнал ФЛ в c-Si:Er структурах. Здесь нужно отметить также возможность внедрения Er в гексагональные междоузлия в решетке Si (по данным ОРР, Er локализуется в центре канала <110>), однако в этом случае ион Er3+ является оптически не активным, формируя, как предполагается, комплекс ErSi2.