一种宽带聚合物基光波导放大器及其制备方法

1.本发明属于宽带光通信技术领域，具体涉及一种宽带聚合物基光波导放大器及其制备方法。


背景技术：

2.光放大器是一种被广泛应用在光通信网络中的重要光学器件，它可以对光网络中信号光功率的传输损耗进行补偿，进而有效提升光通信的有效距离和传输质量。无论是在光纤放大器还是在光波导放大器中，通过掺杂镧系稀土离子并利用其能级间的辐射跃迁是实现器件光放大功能的主要方法。光波导放大器易于与多种光波导器件相集成，能够更好地适应平面光子集成环境，是一种具有很高研究价值的新型有源光放大器件。
3.稀土掺杂光波导放大器是在波导中掺杂稀土离子形成增益介质，信号光和泵浦光耦合在波导中，稀土离子在泵浦光的作用下受激辐射实现信号光放大。从增益介质材料上光波导放大器可分为无机光波导放大器和聚合物基光波导放大器两大类。无机光波导放大器的研究开展相对较早，制备工艺较成熟，但制备成本高，工艺复杂，制备过程中还存在与硅基基质材料兼容性差等缺点，因此在平面硅基集成应用领域仍存在较大困难。与之相比，聚合物基光波导器件可以通过旋涂，光刻，刻蚀等方式在硅基衬底上进行制备，因此更适合于片上光学器件的集成。
4.传统的稀土掺杂聚合物光波导放大器通常利用一种镧系稀土离子的辐射跃迁来实现光信号的放大。镧系稀土离子的辐射跃迁是4f-4f电子跃迁，受到外面5d和6s电子的屏蔽效应影响，其辐射跃迁一般为锐谱线光发射，且其特征发射峰一般不随基质的变化发生移动，因此，光波导放大器的增益带宽往往有所限制。如掺铒光波导放大器主要利用铒离子(er
3+
)的4i
13/2
→4i
15/2
跃迁，针对c波段光放大；掺铥光波导放大器主要利用铥离子(tm
3+
)的3h4→3f4跃迁，针对s波段光放大。单独掺杂一种具有增益活性的稀土离子制备的光放大器，其在某一波段的增益带宽一般不超过100nm，而且稀土离子的发光峰一般不随基质移动。要使光放大器的增益带宽拓展，就需要多种稀土离子协作发光。如果要对多波段的信号光进行损耗补偿，就需要使用多种与各波段对应的光放大器，这增加了光放大器的使用繁琐程度，同时降低了光网络的传输速率。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供了一种宽带聚合物基光波导放大器及其制备方法，通过构建具有多层核壳结构纳米粒子，将在不同波段具有增益活性的多种稀土离子分别掺杂在不同核-壳结构中，并通过在活性层间制备惰性壳层，以解决多种发光活性离子之间的由于能量传递导致发光强度减弱的问题；在同一纳米粒子中实现不同波段的宽带展宽，进而获得可实现宽带光放大功能的聚合物光波导放大器，以解决现有聚合物光波导放大器增益频段单一的问题。
6.本发明的一种宽带聚合物基光波导放大器的制备方法的原理如下：
7.通过利用两种及以上的镧系发光中心离子共掺杂在稀土纳米材料基质中，通过构建核-壳结构实现稀土纳米粒子的宽带发光；制备在至少两个及以上波段可实现光放大功能的聚合物基光波导放大器，使其增益响应范围大幅度拓宽。本发明的制备方法制备得到的宽带聚合物光波导放大器，可以对多种不同波长信号光进行放大，解除聚合物光波导放大器增益频段单一的限制。
8.本发明通过如下技术方案实现：
9.一种宽带聚合物基光波导放大器的制备方法，具体包括如下步骤：
10.步骤一：制备掺杂多种镧系发光中心离子的多层核-壳稀土纳米粒子，将发光中心离子掺杂在不同壳层中，并加入阻隔层；并通过调控发光中心离子掺杂位置及掺杂比例、调控生长阻隔层厚度，使发光中心离子在多波段实现较平坦的宽带发光；
11.步骤二：通过物理掺杂或化学键合的方法将步骤一制备的掺杂多种镧系发光中心离子的多层核-壳稀土纳米粒子制备成宽带聚合物增益介质；
12.步骤三：利用步骤二得到的宽带聚合物增益介质作为芯层，从而制备光波导放大器，通过调整搭载基质、烘烤温度、曝光时间的方式进行芯层折射率的调整。
13.进一步地，步骤一具体包括如下内容：
14.a1：利用水热法、高温热解法或沉淀法制备核-多壳层型稀土纳米粒子mref4，其中，re为稀土元素,m为碱金属；
15.a2：将多种发光中心离子分别掺杂在核、壳的不同位置；所述发光中心离子包括er
3+
、tm
3+
、pr
3+
、nd
3+
、ho
3+
、eu
3+
或tb
3+
；
16.a3：在不同发光中心离子掺杂的壳层中制备中间阻隔层；
17.a4：调控不同发光中心离子的掺杂位置及掺杂比例、调控生长阻隔层厚度，使各壳层中发光中心离子在其特征发射波段的发射峰强度相匹配，在同一稀土纳米粒子中获得覆盖多波段的宽带发光光谱，且各波段的光谱相对平坦，为宽带光放大器在各波段均能获得增益奠定基础。
18.进一步地，步骤a2中，发光中心离子的浓度定义为：每种发光中心离子的物质的量/稀土纳米粒子中稀土元素的总物质的量，范围为0％-2％；发光中心离子的总浓度定义为：所有种类发光中心离子浓度之和，范围不超过10％，敏化剂离子的浓度定义为：敏化剂离子的物质的量/稀土纳米粒子中稀土元素的总物质的量，具体为20％；且发光中心离子的总浓度与敏化剂离子的浓度之和不超过30％；
19.所述阻隔层的厚度≥3nm，阻隔层为氟化物基质材料或sio2，tio2等氧化物材料。
20.进一步地，步骤二中的物理掺杂方法，具体包括如下内容：
21.b1：将步骤一中制备的稀土纳米粒子在超声分散或高速搅拌下分散在有机溶剂中，得到稀土纳米粒子均匀分散的溶液；
22.b2:将步骤b1中得到的分散液与聚合物光刻胶按质量百分比为10％-30％混合；将混合液超声分散或高速搅拌，得到稀土纳米粒子分散均匀的增益介质。
23.进一步地，步骤b1中所述有机溶剂包括：醇类、酮类、酯类或杂环化合物；所述醇类包括甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇；所述酮类包括丙酮、丁酮或环己酮；所述酯类包括甲酸甲酯、乙酸乙酯、甲酸乙酯或乙酸丁酯；杂环化合物包括呋喃、噻吩、吡咯、噻唑或咪唑；步骤b2中所述聚合物光刻胶包括su-8系列、bpo或bp212。
24.进一步地，步骤二的化学键合方法，具体包括如下内容：
25.c1：将步骤一中制备的稀土纳米粒子分散在溶剂中，加入聚合物单体和引发剂，引发剂的质量为聚合物单体质量的0.01％-1％；
26.c2：通过本体聚合、溶液聚合、悬浮聚合或乳液聚合的方法将纳米粒子聚合在聚合物基质中，得到增益介质；聚合后稀土纳米粒子在聚合物中的掺杂浓度为0.01％-50％。
27.进一步地，步骤c1中，聚合物单体为可发生加聚反应的单体或可发生缩聚反应的单体；所述可发生加聚反应的单体包括
①
带有不饱和双键和三键的单体：如不饱和酸酯类[具体包括：丙烯酸酯及其衍生物(丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、氘代甲基丙烯酸甲酯，氟带甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、乙基丙烯酸乙酯，丙基丙烯酸乙酯等)；丁烯酸酯及其衍生物(丁烯酸甲酯、甲基丁烯酸甲酯、丁烯酸乙酯、甲基丁烯酸乙酯、乙基丁烯酸乙酯，丙基丁烯酸乙酯等)；戊烯酸酯及其衍生物等]；烯类单体[具体包括：乙烯及乙烯基单体(如氯乙烯、乙酸乙烯酯、乙烯基萘、乙烯基吡咯烷酮、乙烯基环氧乙烷、乙烯基环己醇等)、丙烯及丙烯基单体(丙烯腈、丁烯、丁二烯等]；
②
带有环氧基团的单体：甲基丙烯酸环氧丙酯、环氧树脂单体、1,2-环氧丁烷、1,2-环氧-9-癸烯、1,2-环氧庚烷、环氧丙基甲基醚；所述可发生缩聚反应的单体包括酚醛树脂单体(环氧氯丙烷、双酚a)、聚酯、交酯单体等。
[0028]
进一步地，步骤c2中，聚合温度控制在10℃～120℃，聚合时间为0.5小时～48小时，并根据光波导器件制作工艺的变化调整复合聚合物增益介质的聚合度，控制复合聚合物的聚合度为5％-95％。
[0029]
进一步地，步骤三具体包括如下内容：
[0030]
利用步骤二得到的宽带聚合物增益介质作为芯层，通过旋涂、蒸镀、光刻、等离子刻蚀、紫外压印的方式制备矩形波导放大器、倒脊形波导放大器或加载条形波导放大器。
[0031]
与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0032]
1.本发明提出的铒铥共掺宽带聚合物光波导放大器，能够实现1.45μm-1.57μm的宽带放大，弥补了传统聚合物波导放大器放大波长单一的问题；
[0033]
2.本发明提出的铒铥共掺宽带聚合物光波导放大器，能够实现可见光区多波段的放大，弥补了可见光聚合物波导放大器放大波长单一的问题；
[0034]
3.通过改变er
3+
，tm
3+
两种发光中心离子的掺杂比例，可以调控发光光谱谱线的强度；
[0035]
4.波导增益介质可以通过改变掺杂基质，控制加热温度，调整掺杂比例等方式进行与包层折射率差的控制；
[0036]
5.方法重复性高，制备器件长期稳定性好。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0038]
图1：nayf4：tm，yb@nayf4@nayf4：er纳米粒子的结构示意图；
[0039]
图2：利用热分解法制备的稀土nayf4：tm，yb@nayf4@nayf4：er纳米粒子的透射电镜
照片；
[0040]
图3：利用热分解法制备的稀土nayf4：tm，yb@nayf4@nayf4：er纳米粒子的xrd测试结果；
[0041]
图4：利用980nm红外激光器激发nayf4：tm，yb@nayf4@nayf4：er纳米粒子，获得波长1.45μm-1.57μm的宽带发光光谱；
[0042]
图5：利用光刻方法制备矩形光波导放大器的示意图；
[0043]
图6：增益测试结果。
[0044]
图7：nayf4：er，yb@nayf4@nayf4：tm,yb纳米粒子的结构示意图；
[0045]
图8：利用980nm红外激光器激发nayf4：er，yb@nayf4@nayf4：tm,yb纳米粒子的可见光区发射光谱；
[0046]
图9：nayf4：ho，yb@nayf4@nayf4：tm，yb纳米粒子的结构示意图；
[0047]
图10：复合聚合物微观结构示意图；
[0048]
图11：利用刻蚀方法制备倒脊型光波导放大器的示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。本发明的这些实施例仅用来解释说明本发明的具体实施方式，而不是限制本发明的范围。阅读本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书中所限定的范围。
[0050]
下述实施例中利用高温热解法制备稀土离子tm、yb、er、ho等稀土离子掺杂的核壳nayf4纳米粒子，通过物理掺杂方法和化学键合方法制得宽带聚合物增益介质。利用增益介质制备的矩形波导放大器，倒脊型波导放大器，可以利用980nm激光器为泵浦源，在可见光波段，近红外波段展现增益特性。
[0051]
一种宽带聚合物基光波导放大器的制备方法，具体包括如下步骤：
[0052]
步骤一：制备掺杂多种镧系发光中心离子的多层核-壳稀土纳米粒子，将发光中心离子掺杂在不同壳层中，并加入阻隔层；并通过调控发光中心离子掺杂位置及掺杂比例、调控生长阻隔层厚度，使发光中心离子在多波段实现较平坦的宽带发光；具体如下：
[0053]
a1：利用水热法、高温热解法或沉淀法制备核-多壳层型稀土纳米粒子naref4，其中，re为稀土元素；
[0054]
a2：将多种发光中心离子分别掺杂在核、壳的不同位置；所述发光中心离子包括er
3+
、tm
3+
、pr
3+
、nd
3+
、ho
3+
、eu
3+
或tb
3+
；
[0055]
其中，发光中心离子的浓度定义为：每种发光中心离子的物质的量/稀土纳米粒子中稀土元素的总物质的量，范围为0％-2％；发光中心离子的总浓度定义为：所有种类发光中心离子浓度之和，范围不超过10％，敏化剂离子的浓度定义为：敏化剂离子的物质的量/稀土纳米粒子中稀土元素的总物质的量，具体为20％；且发光中心离子的总浓度与敏化剂离子的浓度之和不超过30％；
[0056]
所述阻隔层的厚度≥3nm，阻隔层为氟化物基质材料或sio2，tio2等氧化物材料；
[0057]
a3：在不同发光中心离子掺杂的壳层中制备中间阻隔层；
[0058]
a4：调控不同发光中心离子的掺杂位置及掺杂比例、调控生长阻隔层厚度，使各壳
50％iht-pi 184和50％iht-pi bp等]进行自由基聚合，可在室温(10℃～30℃)下进行；利用热引发剂(烷基过氧化物、烷基过氧化氢物(如异丙苯过氧化氢、叔丁基过氧化氢)、过氧化酯、偶氮二异丁腈、过氧化二酰、过硫酸盐等)进行自由基聚合，应控制聚合温度在50℃～120℃。
[0070]
步骤三：利用步骤二得到的宽带聚合物增益介质作为芯层，通过旋涂、蒸镀、光刻、等离子刻蚀、紫外压印的方式制备矩形波导放大器、倒脊形波导放大器或加载条形波导放大器，并通过调整搭载基质、烘烤温度、曝光时间的方式进行芯层折射率的调整。
[0071]
实施例1
[0072]
本实施例提供了一种宽带聚合物基光波导放大器的制备方法，具体包括如下步骤：
[0073]
(1)利用高温热解法制备nayf4：tm，yb纳米粒子：稀土纳米粒子的基质为氟化物nayf4，敏化剂离子为yb
3+
，发光中心离子为tm
3+
。具体合成步骤如下：取2mmol稀土氯化盐recl3·
6h2o[包括1％ tmcl3·
6h2o，20％ ybcl3·
6h2o，79％ ycl3·
6h2o]，与12ml油酸，30ml十八烯一同加入三口瓶中，实验过程中保持对液体的高速搅拌，并通入氩气作为保护气体。将混合液体加热至160℃保持30min，然后自然冷却至室温。之后将溶有0.296g氟化铵的20ml甲醇溶液，以及溶有0.2g氢氧化钠的10ml甲醇溶液逐滴加入到三口瓶中。滴加完成，将混合溶液升温至58℃保持60min以去除溶液中的甲醇。甲醇去除完全后，将反应体系温度升至305℃并保持60min，随后让液体自然冷却至室温。待反应体系自然冷却到室温后，用过量的无水乙醇沉淀产物，并用无水乙醇、环己烷的混合溶液对产物进行多次洗涤，即得到nayf4:tm，yb纳米粒子。
[0074]
(2)利用高温热解法包覆惰性阻隔层：稀土纳米粒子的基质为氟化物nayf4，不掺杂活性稀土离子。具体合成步骤如下：取2mmol稀土氯化盐ycl3·
6h2o，与12ml油酸，30ml十八烯一同加入三口瓶中，实验过程中保持对液体的高速搅拌，并通入氩气作为保护气体。将混合液体加热至160℃保持30min，然后自然冷却至室温。之后将溶有0.296g氟化铵的20ml甲醇溶液，以及溶有0.2g氢氧化钠的10ml甲醇溶液逐滴加入到三口瓶中。滴加完成，将混合溶液升温至58℃保持60min以去除溶液中的甲醇。将步骤(1)制备的nayf4：tm，yb纳米粒子加入三口瓶中，作为壳层生长的纳米核。甲醇去除完全后，将反应体系温度升至305℃并保持60min，随后让液体自然冷却至室温。待反应体系自然冷却到室温后，用过量的无水乙醇沉淀产物，并用无水乙醇、环己烷的混合溶液对产物进行多次洗涤，即得到nayf4:tm，yb@nayf4纳米粒子。
[0075]
(3)利用高温热解法包覆nayf4：er层：稀土纳米粒子的基质为氟化物nayf4，掺杂稀土离子er
3+
作为发光中心。具体合成步骤如下：取2mmol稀土氯化盐recl3·
6h2o[包括x％ercl3·
6h2o，(100-x)％ycl3·
6h2o]，与12ml油酸，30ml十八烯一同加入三口瓶中，实验过程中保持对液体的高速搅拌，并通入氩气作为保护气体。将混合液体加热至160℃保持30min，然后自然冷却至室温。之后将溶有0.296g氟化铵的20ml甲醇溶液，以及溶有0.2g氢氧化钠的10ml甲醇溶液逐滴加入到三口瓶中。滴加完成，将混合溶液升温至58℃保持60min以去除溶液中的甲醇。将步骤(2)制备的nayf4：tm，yb@nayf4纳米粒子加入三口瓶中，作为壳层生长的纳米核。甲醇去除完全后，将反应体系温度升至305℃并保持60min，随后让液体自然冷却至室温。待反应体系自然冷却到室温后，用过量的无水乙醇沉淀产物，并用无水乙
醇、环己烷的混合溶液对产物进行多次洗涤，即得到nayf4:tm，yb@nayf4@nayf4:er纳米粒子，结构示意图如图1所示，并对纳米粒子的特性表征如图2，图3和图4所示，纳米粒子粒径约22nm，均为六角相，且在980nm的红外泵浦光激发下能够产生随掺杂浓度变化可调的覆盖1.45μm-1.57μm的发射光谱，且发射光谱可通过发光中心离子tm
3+
的掺杂浓度改变进行调控。
[0076]
(4)利用步骤(3)中制备的nayf4:tm，yb@nayf4@nayf4:er纳米粒子与su-8光刻胶掺杂制备增益介质。取洗涤后的稀土纳米粒子0.3mmol，溶于2ml环己烷溶剂中并超声使之分散均匀。取1ml上述溶液，按照质量比1:4与su-8 2002光刻胶融合，避光超声120min得到稀土纳米颗粒分散均匀的光刻胶聚合物增益介质。
[0077]
(5)利用步骤(4)中得到的增益介质制备光波导放大器。利用光刻工艺制备矩形光波导放大器的过程如图5所示。首先，在表面生长有二氧化硅层的硅衬底上，如图5的(a)所示，用3000r/min的转速旋涂30s得到增益介质薄膜，如图5的(b)所示，并阶梯升温至90℃进行前烘30min。然后将带有波导结构的光掩膜版放置于样品表面，如图5的(c)所示，利用光刻机进行紫外曝光4s，再阶梯升温至95℃进行后烘30min。待样品冷却至室温后，利用su-8专用显影液显影，如图5的(d)所示，每次浸泡1s，5-10次后显影完成，得到表面带有矩形波导结构的样品，并150℃坚膜30min,如图5的(e)所示，。最后将聚甲基丙烯酸甲酯以3000r/min的转速旋涂在样品表面，形成器件的上包层，120℃烘烤150min后完成器件的制备,如图5的(f)所示，。光放大器在980nm激光器的泵浦下，获得1.45μm-1.75μm处约3db的相对增益；增益测试结果如图6所示；所述聚合物基光波导放大器在1460nm-1575nm波段的相对增益可达6-8db。
[0078]
实施例2
[0079]
本实施例提供了一种宽带聚合物基光波导放大器的制备方法，具体包括如下步骤：
[0080]
(1)利用高温热解法制备nayf4：er，yb纳米粒子：稀土纳米粒子的基质为氟化物nayf4，敏化剂离子为yb
3+
，发光中心离子为er
3+
。具体合成步骤如下：取2mmol稀土氯化盐recl3·
6h2o[包括2％ ercl3·
6h2o，20％ ybcl3·
6h2o，78％ ycl3·
6h2o]，与12ml油酸，30ml十八烯一同加入三口瓶中，实验过程中保持对液体的高速搅拌，并通入氩气作为保护气体。将混合液体加热至160℃保持30min，然后自然冷却至室温。之后将溶有0.296g氟化铵的20ml甲醇溶液，以及溶有0.2g氢氧化钠的10ml甲醇溶液逐滴加入到三口瓶中。滴加完成，将混合溶液升温至58℃保持60min以去除溶液中的甲醇。甲醇去除完全后，将反应体系温度升至305℃并保持60min，随后让液体自然冷却至室温。待反应体系自然冷却到室温后，用过量的无水乙醇沉淀产物，并用无水乙醇、环己烷的混合溶液对产物进行多次洗涤，即得到nayf4:er，yb纳米粒子。
[0081]
(2)利用高温热解法包覆惰性阻隔层：稀土纳米粒子的基质为氟化物nayf4，不掺杂活性稀土离子。具体合成步骤如下：取2mmol稀土氯化盐ycl3·
6h2o，与12ml油酸，30ml十八烯一同加入三口瓶中，实验过程中保持对液体的高速搅拌，并通入氩气作为保护气体。将混合液体加热至160℃保持30min，然后自然冷却至室温。之后将溶有0.296g氟化铵的20ml甲醇溶液，以及溶有0.2g氢氧化钠的10ml甲醇溶液逐滴加入到三口瓶中。滴加完成，将混合溶液升温至58℃保持60min以去除溶液中的甲醇。将步骤(1)制备的nayf4：er，yb纳米粒子
加入三口瓶中，作为壳层生长的纳米核。甲醇去除完全后，将反应体系温度升至305℃并保持60min，随后让液体自然冷却至室温。待反应体系自然冷却到室温后，用过量的无水乙醇沉淀产物，并用无水乙醇、环己烷的混合溶液对产物进行多次洗涤，即得到nayf4:er，yb@nayf4纳米粒子。
[0082]
(3)利用高温热解法包覆nayf4：tm,yb层：稀土纳米粒子的基质为氟化物nayf4，掺杂稀土离子tm
3+
作为发光中心。具体合成步骤如下：取2mmol稀土氯化盐recl3·
6h2o[包括1％ tmcl3·
6h2o，20％ ybcl3·
6h2o,79％ ycl3·
6h2o]，与12ml油酸，30ml十八烯一同加入三口瓶中，实验过程中保持对液体的高速搅拌，并通入氩气作为保护气体。将混合液体加热至160℃保持30min，然后自然冷却至室温。之后将溶有0.296g氟化铵的20ml甲醇溶液，以及溶有0.2g氢氧化钠的10ml甲醇溶液逐滴加入到三口瓶中。滴加完成，将混合溶液升温至58℃保持60min以去除溶液中的甲醇。将步骤(2)制备的nayf4：er，yb@nayf4纳米粒子加入三口瓶中，作为壳层生长的纳米核。甲醇去除完全后，将反应体系温度升至305℃并保持60min，随后让液体自然冷却至室温。待反应体系自然冷却到室温后，用过量的无水乙醇沉淀产物，并用无水乙醇、环己烷的混合溶液对产物进行多次洗涤，即得到nayf4:er，yb@nayf4@nayf4:tm,yb纳米粒子，其结构示意图如图7所示，其可见光波段的发射光谱如图8所示。
[0083]
(4)利用步骤(3)中制备的nayf4:er，yb@nayf4@nayf4:tm,yb纳米粒子与su-8光刻胶掺杂制备增益介质。取洗涤后的稀土纳米粒子0.3mmol，溶于2ml环己烷溶剂中并超声使之分散均匀。取1ml上述溶液，按照质量比1:4与su-8 2002光刻胶融合，避光超声120min得到稀土纳米颗粒分散均匀的光刻胶聚合物增益介质。
[0084]
(5)利用步骤(4)中得到的增益介质制备光波导放大器。利用光刻工艺制备矩形光波导放大器的过程如图5所示。首先，在表面生长有二氧化硅层的硅衬底上，用3000r/min的转速旋涂30s得到增益介质薄膜，并阶梯升温至90℃进行前烘30min。然后将带有波导结构的光掩膜版放置于样品表面，利用光刻机进行紫外曝光4s，再阶梯升温至95℃进行后烘30min。待样品冷却至室温后，利用su-8专用显影液显影，每次浸泡1s，5-10次后显影完成，得到表面带有矩形波导结构的样品，并150℃坚膜30min。最后将聚甲基丙烯酸甲酯以3000r/min的转速旋涂在样品表面，形成器件的上包层，120℃烘烤150min后完成器件的制备。光放大器在980nm激光器的泵浦下，获得可见光波段0.45μm，0.54μm，0.65μm处约2db的相对增益。
[0085]
实施例3
[0086]
(1)利用高温热解法制备nayf4：ho，yb纳米粒子：稀土纳米粒子的基质为氟化物nayf4，敏化剂离子为yb
3+
，发光中心离子为ho
3+
。具体合成步骤如下：取2mmol稀土氯化盐recl3·
6h2o[包括0.5％ hocl3·
6h2o，20％ ybcl3·
6h2o，79.5％ ycl3·
6h2o]，与12ml油酸，30ml十八烯一同加入三口瓶中，实验过程中保持对液体的高速搅拌，并通入氩气作为保护气体。将混合液体加热至160℃保持30min，然后自然冷却至室温。之后将溶有0.296g氟化铵的20ml甲醇溶液，以及溶有0.2g氢氧化钠的10ml甲醇溶液逐滴加入到三口瓶中。滴加完成，将混合溶液升温至58℃保持60min以去除溶液中的甲醇。甲醇去除完全后，将反应体系温度升至305℃并保持60min，随后让液体自然冷却至室温。待反应体系自然冷却到室温后，用过量的无水乙醇沉淀产物，并用无水乙醇、环己烷的混合溶液对产物进行多次洗涤，即得到nayf4:ho，yb纳米粒子。
[0087]
(2)利用高温热解法包覆惰性阻隔层：稀土纳米粒子的基质为氟化物nayf4，不掺杂活性稀土离子。具体合成步骤如下：取2mmol稀土氯化盐ycl3·
6h2o，与12ml油酸，30ml十八烯一同加入三口瓶中，实验过程中保持对液体的高速搅拌，并通入氩气作为保护气体。将混合液体加热至160℃保持30min，然后自然冷却至室温。之后将溶有0.296g氟化铵的20ml甲醇溶液，以及溶有0.2g氢氧化钠的10ml甲醇溶液逐滴加入到三口瓶中。滴加完成，将混合溶液升温至58℃保持60min以去除溶液中的甲醇。将步骤(1)制备的nayf4：ho，yb纳米粒子加入三口瓶中，作为壳层生长的纳米核。甲醇去除完全后，将反应体系温度升至305℃并保持60min，随后让液体自然冷却至室温。待反应体系自然冷却到室温后，用过量的无水乙醇沉淀产物，并用无水乙醇、环己烷的混合溶液对产物进行多次洗涤，即得到nayf4:ho，yb@nayf4纳米粒子。
[0088]
(3)利用高温热解法包覆nayf4：tm,yb层：稀土纳米粒子的基质为氟化物nayf4，掺杂稀土离子tm
3+
作为发光中心。具体合成步骤如下：取2mmol稀土氯化盐recl3·
6h2o[包括1％ tmcl3·
6h2o，20％ybcl3·
6h2o,79％ ycl3·
6h2o]，与12ml油酸，30ml十八烯一同加入三口瓶中，实验过程中保持对液体的高速搅拌，并通入氩气作为保护气体。将混合液体加热至160℃保持30min，然后自然冷却至室温。之后将溶有0.296g氟化铵的20ml甲醇溶液，以及溶有0.2g氢氧化钠的10ml甲醇溶液逐滴加入到三口瓶中。滴加完成，将混合溶液升温至58℃保持60min以去除溶液中的甲醇。将步骤(2)制备的nayf4：ho，yb@nayf4纳米粒子加入三口瓶中，作为壳层生长的纳米核。甲醇去除完全后，将反应体系温度升至305℃并保持60min，随后让液体自然冷却至室温。待反应体系自然冷却到室温后，用过量的无水乙醇沉淀产物，并用无水乙醇、环己烷的混合溶液对产物进行多次洗涤，即得到nayf4:ho，yb@nayf4@nayf4:tm,yb纳米粒子，其结构示意图如图9所示；
[0089]
(4)利用步骤(3)中制备的nayf4:ho，yb@nayf4@nayf4:tm,yb纳米粒子与甲基丙烯酸甲酯(mma)单体共聚。将10g mma，2ml乙酸丁酯，0.02g偶氮二异丁氰(aibn)低速搅拌混合均匀后，倒入干燥的50ml直二口圆底烧瓶中，利用球形冷凝管作为冷却回流装置，反应过程始终保持均匀搅拌。将反应体系在水浴锅中加热至65℃保持60min完成预聚合。取步骤(1)中得到的纳米粒子0.1mmol，超声分散在4ml乙酸丁酯溶剂中，在预聚合结束时逐滴加入直二口烧瓶中，滴加结束后将温度升高至80℃，保持10min-25min，得到清澈透明的粘稠液体，复合聚合物增益介质制备结束，其微观结构示意图如图10所示。
[0090]
(5)利用步骤(4)中制备的复合聚合物制备光波导放大器,流程如图11所示。首先，如图11的(a)所示，在生长有10μm-15μm厚二氧化硅层的硅衬底上蒸镀一层铝膜，并旋涂bp212光刻胶，如图11的(b)所示，将带有波导结构的光掩膜版覆盖在样品表面，如图11的(c)所示，利用光刻机进行紫外曝光6s，得到带有波导形貌局部曝光的光刻胶层,如图11的(d)所示，用去离子水和氢氧化钠固体配制浓度为0.1mol/l的氢氧化钠水溶液作为显影液，将样品分次浸泡4-6次，每次时间10s，如图11的(e)所示，去除未曝光区域的光刻胶和铝膜，使与波导结构对应的二氧化硅层部分暴露出来。随后通过离子刻蚀，得到二氧化硅凹槽。再利用浓度为0.5mol/l的氢氧化钠水溶液去除残余光刻胶和铝膜，器件的二氧化硅下包层制备完成,如图11的(f)所示，。接着将步骤(2)中制备的复合聚合物以转速3000r/min，时间30s旋涂在二氧化硅表面，形成倒脊形波导芯层结构，并100℃烘烤120min。最后将pmma以3000r/min转速，旋涂30s涂覆在样品表面，120℃烘烤150min后完成器件的制备。光放大器
在980nm激光器的泵浦下，获得0.45μm，0.65μm，1.48μm处约2db的相对增益。
[0091]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0092]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0093]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。