Применение редкоземельных элементов в квантовой электронике

ПРИМЕНЕНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ И.И. Стройков

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор А.М. Скворцов

Проведен обзор использования редкоземельных элементов в современной квантовой электронике. Рассмотрены вопросы поглощения энергии атомами эрбия и последующего вынужденного излучения энергии в эрбиевых волоконных усилителях. Приведены наиболее перспективные направления исследований применения эрбия и иттербия, связанных, прежде всего, с передачей информации и лазерной техникой.

Введение

Полупроводниковые материалы, легированные редкоземельными элементами, в частности эрбием и иттербием, представляют большой интерес. На сегодняшний день существует несколько наиболее перспективных направлений исследований использования этих элементов в электронной технике. Свойства редкоземельных материалов дают возможность создать эффективные излучатели на длине волны 1.54 мкм, лежащей в области максимальной прозрачности кварцевых волоконных световодов. В данной статье будет рассмотрено применение эрбия и иттербия в лазерной и оптоволоконной технике.

Основная часть

Хорошо известно, что через каждые 50-100 км волоконно-оптического тракта происходит ослабление оптического сигнала на 10-20 дБ, что требует его восстановления. В настоящее время для волоконно-оптических систем связи разработаны три типа оптических усилителей: полупроводниковые оптические усилители, эрбиевые волоконные усилители и рамановские волоконные усилители.

Самым распространенным в настоящее время являются эрбиевые волоконные усилители. Главным образом это определяется спектром люминесценции ионов эрбия, лежащим в области длин волн А,=1.54 мкм - области минимальных потерь современных кварцевых световодов.

Эффективность оптоэлектронных приборов на основе полупроводниковой матрицы, легированной эрбием, будет определяться, в первую очередь, эффективностью передачи энергии от носителей заряда матрицы во внутреннюю 4Г-оболочку иона эрбия. Такая передача энергии в полупроводнике происходит за счет кулоновского взаимодействия между свободными носителями заряда (электронами и дырками) и сильно локализованными 4Г-электронами, основное состояние которых находится ниже валентной зоны примерно на 10 эВ [1].

Эрбиевый волоконный усилитель характеризуется следующими основными параметрами:

• коэффициентом линейного усиления (усиления при малом входном сигнале);

• мощностью насыщения;

• спектральной полосой насыщения;

• рабочей длиной волны;

• эффективностью оптического преобразования и мощностью накачки.

Оптическая накачка эрбиевых волоконных усилителей осуществляется, как правило, в высокоэффективные полосы поглощения эрбия на длинах волн ^=980 нм и ^=1480 нм. Для накачки используются полупроводниковые лазеры, излучающие на соответствующих длинах волн мощности порядка нескольких ватт. При этом эффективность оптического преобразования может достигнуть 50-60% [2].

Принцип работы эрбиевых волоконных усилителей основан на явлении усиления света при вынужденном излучении. Это то же явление, которое обеспечивает возникновение генерации в лазерах. Возможность усиления света в световодах, легированных ионами эрбия, обуславливается схемой уровней энергии данного редкоземельного элемента, представленной в упрощенном виде на рис. 1.

Рис. 1. Упрощенная схема уровней энергии ионов эрбия (Бг3+) в кварцевом стекле [3]

Усиление света в эрбиевом усилителе происходит благодаря переходу между уровнями 2-1 (411з/2-4115/г). Каждый из этих уровней расщеплен на ряд подуровней из-за взаимодействия ионов эрбия с внутрикристаллическим полем кварцевого стекла. Под действием накачки за счет поглощения фотонов накачки ионы эрбия переходят из основного состояния (уровень 1) в верхнее возбужденное состояние (уровень з), которое является короткоживущим (время жизни т3 =1 мкс), и за счет процессов релаксации переходят в долгоживущее состояние (на метастабильный уровень 2). Термин «метаста-бильный» означает, что время пребывания иона эрбия на этом уровне энергии относительно велико. Поэтому число ионов, находящихся на уровне 2, при соответствующей мощности накачки может превышать число ионов на уровне 1. Уровень 1 называется основным состоянием, так как в отсутствие накачки практически все ионы эрбия находятся на этом энергетическом уровне. Доля частиц, находящихся на остальных уровнях, в отсутствие накачки мала.

Число ионов в единице объема, находящихся на некотором уровне энергии, называется населенностью этого уровня энергии. В отсутствие накачки населенность основного уровня энергии вещества максимальна, населенности всех остальных уровней энергии быстро уменьшаются с увеличением энергии уровня. Состояние среды, при котором населенность некоторого более высокого уровня энергии иона превышает населенность некоторого нижележащего уровня, является очень необычным и получило название состояния с инверсией населенностей.

Если в среду с инверсией населенности попадает излучение с энергией фотона, совпадающей с энергией перехода из метастабильного состояния в основное, то с большой вероятностью происходит переход иона с метастабильного уровня 2 на основной уровень 1 с одновременным рождением еще одного фотона. Увеличение числа фотонов при их взаимодействии с ионами эрбия означает, что происходит усиление света, распространяющегося в среде с инверсией населенности.

Не все ионы эрбия находятся в метастабильном состоянии и обеспечивают усиление. Часть ионов находится на уровне 1, и эти ионы, взаимодействуя с фотонами, энергия которых совпадает с энергией перехода, эффективно их поглощают, переходя на

уровень 2. При этом спектр усиления ионов эрбия практически совпадает со спектром поглощения. Если количество ионов, находящихся на уровне 2, меньше числа ионов, находящихся на основном уровне 1, то наблюдается поглощение. Именно поэтому необходимым условием усиления света является создание инверсии населенностей между двумя рабочими уровнями энергии 2 и 1. Для создания инверсии населенностей в эр-биевом усилителе необходимо перевести примерно половину ионов эрбия на метаста-бильный уровень 2. Мощность накачки оптического усилителя, при которой населенность уровней 1 и 2 равны, называется пороговой мощностью.

1500 1550 длина волны, н.м

Рис. 2. Спектральная зависимость усиления поглощения эрбиевого волокна при разных значениях относительной населенности метастабильного уровня энергии. Нижняя кривая - населенность 0%, верхняя кривая - населенность 100%. Кривые проведены для населенности, изменяющейся с шагом 10% [3]

При мощности накачки ниже пороговой наблюдается не усиление, а поглощение светового сигнала. На рис. 2 представлены спектры поглощения/усиления при различных значениях относительной населенности уровня 2, определяемой уровнем мощности накачки. Нижняя кривая, наблюдающаяся в отсутствии накачки (все частицы находятся в основном состоянии, населенность уровня 2 равно 0%), соответствует «отрицательному усилению», т.е. поглощению во всем рабочем спектральном диапазоне. По мере увеличения мощности накачки все большее число активных ионов переходит в возбужденное состояние. Это приводит, как видно из рисунка, сначала к уменьшению коэффициента поглощения, а затем к усилению света. Отметим также, что спектр усиления несколько сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения. Следовательно, для усиления в длинноволновой части спектра требуется меньшее значение инверсии.

При отсутствии усиливаемого сигнала ионы эрбия переходят в основное состояние самопроизвольно, излучая фотоны с энергией, соответствующей данному переходу, т.е. появляется спонтанное излучение.

В рабочем режиме при наличии усиливаемого сигнала часть возбужденных ионов переходит в основное состояние спонтанно, приводя к появлению усиленного спонтанного излучения. Усиленное спонтанное излучение является основным источником шумов, а также ограничивает коэффициент усиления, особенно в случае слабого сигнала.

Изготовление эрбиевых световодов производится теми же методами, что и световодов для передачи информации, с добавлением промежуточной операции пропитки непроплавленного материала сердцевины раствором солей эрбия либо операции легирования ионами эрбия из газовой фазы непосредственно в процессе осаждения сердцевины.

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. На рис. 3 представлены спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле, легированном наиболее часто применяемыми в технологии волоконных световодов добавками.

Рис. 3. Спектры излучения ионов эрбия в кварцевом стекле с различными добавками [3]

Из представленных данных видно, что наиболее широкий спектр излучения (а, значит, и спектр усиления), составляющий около 40 нм по полувысоте, достигается при использовании в качестве добавки алюминия.

Концентрация ионов эрбия в сердцевине оптического волокна определяет длину волновода, используемую в усилителе при заданных уровнях сигнала и накачки. На практике она составляет 10-1019 см-3, что обеспечивает длину используемого активного световода от нескольких единиц до нескольких десятков метров [3].

Чтобы получить структуру с высокой концентрацией ионов эрбия и одновременно с высокой квантовой эффективностью усиления, необходимо каким-то образом преодолеть термодинамические ограничения на взаимную растворимость окислов. Выход из положения был найден благодаря применению плазмохимии для синтеза стекол. В этом методе молекулы окислов образуются в газовой фазе в результате плазмохимиче-ских реакций, а стекло формируется осаждением молекул из газовой фазы на сравнительно холодную твердую поверхность, так что возможность перемещения ионов эрбия в объеме стекла затруднена. При отсутствии жидкой фазы затруднена возможность образования кластеров, наличие которых соответствует минимуму свободной энергии системы и поэтому является неизбежным в термодинамически равновесных условиях синтеза [4].

В связи с тем, что интенсивность люминесценции зависит от концентрации ионов редкоземельного элемента, представляется интересным совместная имплантация ионов эрбия и электрически неактивных примесей (С, О, К, Р), приводящая к увеличению интенсивности фотолюминесценции [5].

Установлено, что эрбиевая люминесценция значительно увеличивается, если одновременно с эрбием в кремний имплантируется кислород с концентрацией, превышающей концентрацию эрбия на порядок. В этом случае образуется комплекс эрбия, окруженного кислородом, которому соответствует донорный уровень с энергией связи Бв = 150-200 МэВ.

1.5

1.52 1 54 1.56 1.55 1.6

длина волны, мкм

При поглощении света (в относительно слабо легированном эрбием (1017 см-3) и кислородом кремнии) образуются свободные экситоны, время жизни которых в кристаллическом кремнии порядка 10 мкс. Свободный экситон имеет большую вероятность быть захваченным на нейтральный донорный центр, образованный эрбиевым комплексом. Оже-возбуждение 4Г-оболочки иона эрбия Бг3- происходит при рекомбинации связанного экситона; избыток энергии передается электрону, уже находящемуся на нейтральном донорном центре, в результате чего он выбрасывается в зону проводимости (рис. 4, а, где ББ - свободный экситон, ВБ - связанный экситон, ББг - донорный уровень эрбиевого компелекса).

Рис. 4. а - схема экситонного механизма возбуждения иона эрбия. РБ - свободный экситон, ВБ - связанный экситон, йБг - донорный уровень эрбиевого комплекса; Ь - схема оже-процесса возбуждения иона эрбия при рекомбинации электрона, находящегося на донорном уровне эрбиевого комплекса, с дыркой из валентной зоны.

Избыточная энергия передается либо третьему телу (на схеме - электрону из зоны проводимости), либо локальным фононам эрбиевого комплекса [1]

В более сильном легированном эрбием (> 1018 см-3) и кислородом кремнии возбуждение эрбия происходит при оже-рекомбинации электрона, захваченного на донорный уровень эрбиевого комплекса, с дыркой, находящейся в валентной зоне. В этом оже-процессе избыточная энергия передается локальным фотонам эрбиевого центра или третьему телу (электрону или дырке), если оно находится на небольшом расстоянии от эрбиевого центра (рис. 4, Ь).

Основным препятствием к созданию высокоэффективных светодиодов на длину волны 1.54 мкм на основе кремния, легированного эрбием, является температурное гашение люминесценции. Оно может быть обусловлено как ослаблением эффективности возбуждения, так и безызлучательным девозбуждением ионов эрбия. Различие между этими процессами может быть выявлено по исследованию температурной зависимости времени жизни иона эрбия в возбужденном состоянии: в первом случае время жизни не будет зависеть от температуры, во втором оно должно уменьшаться с ростом температуры.

Основной процесс девозбуждения иона эрбия - это передача энергии 4Г - электрона, находящегося на возбужденном уровне, свободному носителю тока (рис. 5, а). Этот процесс не имеет энергии активации и должен приводить к температурно-независимому девозбуждению.

Девозбуждение иона эрбия может происходить за счет рождения электронно-дырочной пары (электрон может рождаться как на донорном уровне эрбиевого комплекса, так и в зоне проводимости) (рис. 5, Ь). Этот процесс обратен оже-рекомбинации

эрбия при рекомбинации электрона, связанного на донорном уровне эрбия, с дыркой валентной зоны [1].

Также хотелось бы отметить, что иттербий-эрбиевые волоконные усилители имеют ряд достоинств по сравнению с обычными эрбиевыми усилителями. Концентрация ионов эрбия в жиле УЬ-Бг световода может быть порядка 1019 см-3 и выше без заметного снижения энергетической эффективности работы усилителя. Кроме того, иттербий за счет безызлучательного переноса возбуждения эффективно передает энергию эрбию. Ионы иттербия имеют широкую линию поглощения от 850 до 1100 нм. Для накачки таких усилителей используются многомодовые полупроводниковые лазерные диоды (ТпОаЛв) с выходной мощность более 1В.

Рис. 5. а - схема девозбуждения иона эрбия при его взаимодействии со свободным носителем тока (электроном из зоны проводимости); Ь - схема девозбуждения иона

эрбия при захвате электрона из валентной зоны на донорный уровень эрбиевого комплекса, АБ - энергия, заимствуемая от решетки и определяющая энергию активации процесса девозбуждения [1]

Другой, наиболее перспективный путь применения редкоземельных элементов -это непосредственно использование их в лазерах. Лазеры на эрбиевом стекле благодаря своей способности излучать в безопасном для зрения спектральном диапазоне (1.54 мкм) находят все более широкое применение.

Импульсно-периодический режим работы лазера предполагает возможность реализации высокой мощности генерации и, как следствие, значительное тепловыделение в активном элементе, которое приводит к ряду негативных последствий, например, к возникновению наведенной тепловой линзы, а также к механическим напряжениям, вызывающим ограничение предельной мощности накачки из-за разрушения активного элемента. Это заставляет искать компромисс при выборе концентраций активаторов.

Основной сенсибилизатор люминесценции ионов эрбия - ионы иттербия. Для полного излучения лампы накачки в стекло вводят ионы хрома, которые имеют широкие полосы поглощения с максимумами на 450 и 660 нм (рис. 6). С учетом этого был разработано хром-иттербий-эрбиевое стекло ЛГС-ХЧ с пониженной концентрацией ионов хрома (7-1018 см-3), предназначенное для использования в импульсно-периодических лазерных системах. Термооптическая константа стекла W была минимизирована и составляла 1.2-10"6 К-1. Для компенсации потерь из-за снижения концентрации ионов хрома была увеличена концентрация ионов иттербия. Спектр поглощения стекла при концентрации ионов эрбия 1019 см-3 представлен на рис. 6 [6].

к

10

Л

J

0.5

о

400 500 iOO 7: Ю 800 900 А

Рис. 6. Спектр поглощения стекла ЛГС-ХЧ [6]

Также необходимо отметить, что возможно формирование режима стабильного периодического излучения волоконных лазеров, а именно, что колебания волоконного иттербий-эрбиевого лазера могут быть синхронизированы внешним импульсно-периодическим излучением полупроводникового лазера, длина волны которого близка к волне излучения волоконного лазера в режиме свободной генерации [7].

В работе на примере эрбия и иттербия были рассмотрены наиболее интересные и перспективные направления в использовании редкоземельных элементов в квантовой электронике. Выделены два направления - применение Ег и УЬ для усиления оптических сигналов в волоконных усилителях, а также изготовление стекол на основе эрбия и иттербия для лазеров. Из приведенного материала видно, что применение эрбия основано на его особенности иметь спектр люминесценции ионов в области длин волн А=1.54 мкм. Использование же иттербия вместе с эрбием объясняется его свойством передавать энергию эрбию за счет безызлучательного переноса возбуждения.

1. Бреслер М.С., Грегоркевич Т., Гусев О.Б., Соболев Н.А., Теруков Е.И., Захарче-ня Б.П., Яссиевич И.Н. Механизмы возбуждения и температурного гашения люминесценции ионов эрбия в кристаллическом и аморфном кремнии. // ФТТ. 1999. Т. 41. В. 5. С. 851-855.

2. Егоров Ф.А., Потапов В.Т. Усилители оптических сигналов в ВОЛС. // Фотон-Экспресс. 2000. № 21. С. 9-12.

3. Куков А.С., Наний О.Е. Эрбиевые волоконно-оптические усилители. // Lightwave RE. 2003. № 1. С. 14-19.

4. Голант К.М. Плазмохимическая технология решает новые задачи волоконной оптики и оптоэлектроники. // Фотон-Экспресс. 2004. № 6. С. 41-42.

5. Александров О.В., Захарьин А.О., Николаев Ю.А., Соболев Н.А. Влияние электрически неактивных примесей на образование донорных центров в слоях кремния, имплантированных эрбием. // ФТТ. 2000. Т 34. В. 5. С. 526-529.

6. Азынев А.А., Бышевская-Конопко Л.О., Воробьев И.Л., Садовский П.И., Сергеев С.Н. Оптимизация параметров накачки импульсно-периодического эрбиевого лазера. // Квантовая электроника. 2001. № 10. С. 861-863.

7. Белотицкий В.И., Петров М.П. Кольцевой волоконный лазер с синхронизированными релаксационными колебаниями. // ЖТФ, 1999. Т 25. № 2. С. 24-28.

Заключение

Литература