CN101459311A - 一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料 - Google Patents
一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光通信技术中有源光放大器技术领域,涉及一种含铒/镱稀土离子的聚合物材料,这种聚合物材料可用于制备有机光波导放大器。本发明利用有机配体与聚合物良好的相容性,通过化学键合作用将稀土离子均匀分布于聚合物基质中,既防止稀土发生聚集导致荧光自淬灭,又提高了稀土金属的含量,得到的聚合物材料具有光学性质优良的特点。包括制备有聚合活性的稀土铒/镱有机配合物,通过溶液聚合方式制备聚合物材料,及聚合物材料的折射率调节等三个步骤。该聚合物材料可完全满足掺铒有机波导放大器制作工艺的要求,采用该聚合物材料制成的铒/镱光波导放大器可与任何损耗器件集成,对于突破有机光波导聚合物材料吸收损耗较大的瓶颈有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术中有源光放大器技术领域,具体涉及一种含铒/镱稀土离子的聚合物材料,这种聚合物材料可用于制备有机光波导放大器。
背景技术
在光通信系统中,为了实现光信号的远距离传送,不可避免地要使用一些光学器件,如:复用/解复用器、分束器和光开关等,这些器件都存在着一定的光损耗,必须对信号加以放大增强,来保证光信号的长距离传送;另外光通讯网络中还需要一种能在城域网和接入网的特定节点上按需给出特定增益量的放大器。因此迫切需要研制平面光波导放大器(EDWA)来同时满足上述要求。与现有的无机合成光通讯用光纤放大器相比,有机光波导放大器EDWA具有尺寸小、成本低、制作工艺简单、易于加工和获得集成等突出优点,成为近年光通讯领域的研究热点。
三价稀土铒离子由于在光通讯工作波长近红外波段(1.54μm)具有发光特性,使其在信息传输和光通讯领域显示出潜在的研究和应用价值。传统的这种信号放大器材料多是无机材料,并且制作器件的加工工艺复杂,仪器成本高。目前制备有机聚合物EDWA材料,主要集中在将铒配合物掺杂于聚合物基质中,但是由于结构上的差异,稀土配合物溶解性较低,与聚合物基质的相容性较差,易发生相分离,影响材料的发光及光学性能;另外,稀土配合物在基质材料中分散性欠佳,使荧光分子之间发生淬灭,导致有效荧光分子比例减少,会引起荧光强度降低,荧光寿命下降。因此,制备何种类型稀土配合物,如何将稀土配合物引入到聚合物基质中,制备稀土含量高、发光性质优良的近红外荧光材料是当前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光波导放大器的含铒和镱稀土离子的聚合物材料。
本发明首先是合成具有聚合活性并且有近红外发光功能的稀土铒/镱有机配合物。利用有机化合物与稀土铒离子的配位作用,将具有聚合反应活性基团的有机配体引入到配合物的化学结构中,制备了具有聚合活性的小分子铒/镱有机配合物。为了在波长976nm泵浦光激发下获得在近红外波段(1.54μm)较强的发射,同时将稀土镱离子引入到配合物的化学结构中,通过实验调整铒镱稀土离子的比例为最佳值,提高稀土配合物在波长980nm处的吸收,以增强配合物在近红外波段的发射。再将溶解性良好的第二配体引入到配合物的化学结构中,即可获得结构稳定和热性能良好、溶解性优异且有聚合活性的稀土铒/镱有机配合物。
其次将具有聚合活性的稀土铒/镱有机配合物与其它单体(如苯乙烯St、甲基丙烯酸环氧丙酯GMA等)进行共聚,制备了成膜性质良好且光学透明的聚合物材料,并获得了该种材料在近红外波段1.54μm的荧光发射。同时通过加入环氧树脂等聚合物来调节聚合物材料的折射率,制备了一种含铒/镱稀土离子的聚合物材料,并将该种有机材料进行了器件化的初步研究。该种材料由于具有良好的近红外发光性质,可以用于制备有机光波导放大器器件。
本发明所述的聚合物材料具有制备方法简单、操作方便的优点。聚合物材料稀土含量高,在近红外波段发光性质优良。由于稀土配合物中有机配体的存在,很好地解决了稀土离子与聚合物基质相容性差、易发生相区分离、稀土含量少等缺点,铒配合物在聚合物材料中的质量比可达25%。同时稀土配合物含有聚合活性的分子,可以同有机单体进行共聚,形成高分子聚合物。在该种聚合物材料中,通过高分子链段作用,有效地分散了稀土配合物,降低了因稀土聚集导致的荧光自淬灭。另外,本发明将镱离子引入到稀土有机配合物中,由于镱离子是一种很好的泵浦吸收敏化剂,可以将吸收的泵浦光能量转移给铒离子,因此有效地增加铒离子的泵浦吸收效率,提高了铒离子的近红外荧光发射。
本发明所述的含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其是由如下方法制备的:包括制备有聚合活性的稀土铒/镱有机配合物,通过溶液聚合方式制备聚合物材料,及聚合物材料的折射率调节等三个步骤,其步骤为:
A、将β—二酮化合物、协同作用配体、含双键的有机羧酸单体以摩尔比1~4:0~3:1溶解在溶剂中,配成0.001~0.5M溶液;然后用氢氧化钠溶液调节pH值为6~9,在氮气保护、45~80℃温度条件下搅拌,再向其中缓慢滴加铒金属盐和镱金属盐的醇溶液,每毫升溶剂中稀土元素的用量为0.001~0.5mmol,铒离子和镱离子摩尔比为1:0.5~10;最后在20~80℃搅拌12~48小时,将得到的固态沉淀过滤、洗涤、干燥后即为含有双键的稀土配合物单体;
B、采用溶液聚合的方法,将含有双键的稀土配合物单体在有机溶剂中溶解,每毫升有机溶剂中稀土配合物的质量含量为0.001~0.50g,再向其中加入铒离子质量5~100倍的聚合单体,加入聚合单体质量1‰~5‰的引发剂,然后在20~80℃下,通氮气搅拌反应4~8小时,得到透明聚合物溶液;
C、向聚合物溶液中加入聚合物质量1‰~50‰的交联剂和聚合物质量1%~50%的环氧树脂,搅拌均匀,采用旋转抛涂法在硅片基底上旋涂成膜,于20~60℃固化制成聚合物的膜层材料,即得到用于光波导放大器的铒/
镱聚合物有机材料,其折光指数为1.35~1.70。
进一步地,上述方法的步骤A中,β—二酮化合物是噻吩甲酰三氟丙酮(TTA)、三氟乙酰丙酮(TFA)、二苯甲酰甲烷(DBM)、苯甲酰丙酮(BA)或乙酰丙酮(AcAc)中的一种或两种;
上述方法的步骤A中,协同作用配体是联吡啶(bipy)、1,10—菲咯啉(phen)或8—羟基喹啉(oxin);
上述方法的步骤A中,含端基双键的有机羧酸单体是甲基丙烯酸(MA)、丙烯酸(HA)、乙烯基苯甲酸(VPA)、3—丁烯酸(3-TEHA)或2,3—二甲基丙烯酸(2,3-BMHA);.
上述方法的步骤A中,溶剂是甲醇、乙醇、异丙醇或水中的一种或两种;
上述方法的步骤A中,铒金属盐和镱金属盐的醇溶液是铒金属盐和镱金属盐的甲醇、乙醇或异丙醇溶液;进一步地,金属盐是氯化物或硝酸盐;
上述方法的步骤B中,有机溶剂是丙酮、二甲基亚砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)或乙酸乙酯中的一种或两种;
上述方法的步骤B中,聚合单体是甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸羟基乙酯(HEMA)、醋酸乙烯酯(VAc)、丙烯腈(AN)、氟代苯乙烯(F-PS)或苯乙烯(PS)中的一种或两种;
上述方法的步骤B中,引发剂是偶氮二异丁腈(AIBN)或过氧化二苯甲酰(BPO);
上述方法的步骤C中,交联剂是丁二烯(BV/)、二乙烯基苯(BVP)或二甲基咪唑,其用量为步骤B所得聚合物质量的5‰~20‰;
上述方法的步骤C中,环氧树脂是E12环氧树脂、E44环氧树脂、GF-630环氧树脂、GF98环氧树脂、GF113环氧树脂、双酚A型环氧树脂或环氧618,其用量为聚合物质量的1%~40%。
附图说明
图1:本发明制备的聚合物材料(实施例1)在近红外波段(1.54μm)的荧光发射谱图;
图2:本发明制备的聚合物材料(实施例1)的DSC曲线;
图3:本发明制备的聚合物材料(实施例1)的TGA曲线;
图4:本发明制备的聚合物材料(实施例1)在可见-近红外波段的吸收光谱;
图5:本发明制备的聚合物材料(实施例1)的原子力显微镜照片。
如图1所示,说明了本发明制备的聚合物在光通讯的最低损耗窗口(1.54μm)处具有优异的荧光性质,有利于将这种材料应用于制作有机光波导放大器器件。
从图2所示的聚合物DSC曲线可以看出,本发明制备的聚合物材料的玻璃化转变温度Tg为122℃,说明该种材料具有较好的热稳定性能,适用于制备光波导器件。
图3所示,本发明制备的聚合物材料的分解温度为351℃。这是由于交联反应使聚合物具有了一定的交联度,形成了三维的交联网状结构,起到了稳定高分子链运动的作用,从而表现出较高的玻璃化转变温度和热分解温度。在制备光波导器件的应用中,一方面提高了材料膜层的热稳定性,避免了多层膜的层间互溶,另一方面聚合物这种三维的交联网状结构避免了基团在成膜过程中沿聚合物链段取向,从而降低了材料的双折射率。
图4所示,样品的制备方法是将聚合物的DMF溶液置于1cm厚的比色皿中。图中显示出典型稀土Er3+的特征吸收,最强的为基态4I15/2→激发态2H11/2的吸收。并且在980nm处具有较明显的吸收,且具有较宽的吸收范围。980nm处较强的吸收对应着稀土镱离子Yb3+的特征吸收。说明本发明实现了在聚合物材料中引入稀土镱离子使其在光通信泵浦光980nm处增强吸收这一设计思想。
图5所示,由于材料的成膜性质是制备器件的重要条件。所以,我们采用旋转抛涂法制备了本发明聚合物的膜层材料,在硅衬底上分别旋涂并固化膜层。用原子力显微镜观察旋涂固化后的膜层表面形貌,照片说明其表面起伏在10μm×10μm的范围内仅为0.83nm左右,材料均匀无分相,表面起伏较小,可以用于器件的制备。
具体实施方式
实施例1:
1.具有聚合活性的稀土铒/镱有机配合物(Er0.3Yb0.7(TTA)2phenMA,二噻吩甲酰三氟丙酮·1,10—菲咯啉·甲基丙烯酸合铒(III)镱(III))的制备
(1)取2mmol噻吩甲酰三氟丙酮(TTA)、1mmol 1,10—菲咯啉(phen)、1mmol甲基丙烯酸(MA)溶解于20ml乙醇中,用1M NaOH水溶液调节PH值为7.5;通氮气在65℃下搅拌;
(2)将0.3mmol ErCl3和0.7mmol YbCl3用20ml乙醇溶解,再将混合溶液缓慢滴加到体系中,在55℃下搅拌24h,得到固体沉淀。将沉淀过滤并用乙醇洗涤3次,在50℃下加热真空干燥得到产物为稀土配合物单体,即得Er0.3Yb0.7(TTA)2phenMA约0.61g。
2.聚合物材料的制备
(1)采用溶液聚合方法,在500ml四口瓶上安装搅拌器、回流冷凝管、温度计和N2保护装置,加入Er0.3Yb0.7(TTA)2phenMA 0.61g(0.7mmol),苯乙烯11.8g(0.11mol),偶氮二异丁腈0.03g,DMF 8.50ml,在60℃条件下反应6小时得到聚合物溶液21.8ml,其中聚合物为12.4g;
(2)在所得聚合物溶液中,加入3.1g环氧618和0.06g二甲基咪唑,用DMF配制成28ml溶液,搅拌均匀,采用旋转抛涂法在硅片基底上旋涂成膜,于50℃固化制成聚合物的膜层材料,即得到用于制备有机波导器件的聚合物材料。产物的折射率为1.501。
实施例2:
1.具有聚合活性的稀土铒/镱有机配合物(Er0.5Yb0.5(DBM)2MA二二苯甲酰甲烷·甲基丙烯酸合铒(III)镱(III))的制备
(1)取2mmol DBM、1mmol MA溶解于20ml异丙醇和水混合溶剂中,用1MNaOH溶液调节PH值为7;通氮气在65℃下搅拌;
(2)将0.5mmol ErCl3和0.5mmol YbCl3用20ml异丙醇溶解,再将混合溶液缓慢滴加到体系中,60℃下搅拌24h,得到固体沉淀。将沉淀抽滤并用乙醇洗涤3次,50℃下加热真空干燥得到产物为稀土有机配合物单体,即得Er0.5Yb0.5(DBM)2MA约0.54g。
2.聚合物材料的制备
(1)采用溶液聚合方法,在500ml四口瓶上安装搅拌器、回流冷凝管、温度计和N2保护装置,加入Er0.5Yb0.5(DBM)2MA 0.62g(0.7mmol),苯乙烯11.8g(0.11mol),过氧化二苯甲酰BPO 0.03g,DMSO 7.9ml,在70℃条件下反应7h得到聚合物溶液21.0ml,其中聚合物为12.5g;
(2)在所得聚合物溶液中,加入3.8g E12环氧树脂和0.06g二甲基咪唑,用DMF配制成30ml溶液,搅拌均匀,采用旋转抛涂法在硅片基底上旋涂成膜,于50℃固化制成聚合物的膜层材料,即得到用于制备有机波导器件的聚合物材料。产物的折射率为1.510。
Claims (11)
1、一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其由包含如下步骤的方法制备:
A、将β—二酮化合物、协同作用配体、含双键的有机羧酸单体以摩尔比1~4:0~3:1溶解在溶剂中,配成0.001~0.5M溶液;然后用氢氧化钠溶液调节pH值为6~9,在氮气保护、45~80℃温度条件下搅拌,再向其中缓慢滴加铒金属盐和镱金属盐的醇溶液,每毫升溶剂中稀土元素的用量为0.001~0.5mmol,铒离子和镱离子摩尔比为1:0.5~10;最后在20~80℃搅拌12~48小时,将得到的固态沉淀过滤、洗涤、干燥后即为含有双键的稀土配合物单体;
B、采用溶液聚合的方法,将含有双键的稀土配合物单体在有机溶剂中溶解,每毫升有机溶剂中稀土配合物的质量含量为0.001~0.50g,再向其中加入铒离子质量5~100倍的聚合单体,加入聚合单体质量1‰~5‰的引发剂,然后在20~80℃下,通氮气搅拌反应4~8小时,得到透明聚合物溶液;
C、向聚合物溶液中加入聚合物质量1‰~50‰的交联剂和聚合物质量1%~50%的环氧树脂,搅拌均匀,采用旋转抛涂法在硅片基底上旋涂成膜,于20~60℃固化制成聚合物膜层,即为含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其折光指数为1.35~1.70。
2、如权利要求1所述的一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其特征在于:步骤A中,β—二酮化合物是噻吩甲酰三氟丙酮、三氟乙酰丙酮、二苯甲酰甲烷、苯甲酰丙酮或乙酰丙酮中的一种或两种。
3、如权利要求1所述的一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其特征在于:步骤A中,协同作用配体是联吡啶、1,10—菲咯啉或8—羟基喹啉。
4、如权利要求1所述的一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其特征在于:步骤A中,含端基双键的有机羧酸单体是甲基丙烯酸、丙烯酸、乙烯基苯甲酸、3—丁烯酸或2,3—二甲基丙烯酸。
5、如权利要求1所述的一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其特征在于:步骤A中,溶剂是甲醇、乙醇、异丙醇或水中的一种或两种。
6、如权利要求1所述的一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其特征在于:铒金属盐和镱金属盐的醇溶液是铒金属盐和镱金属盐的甲醇、乙醇或异丙醇溶液。
7、如权利要求1所述的一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其特征在于:步骤B中,有机溶剂是丙酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、N,N-二甲基乙酰胺或乙酸乙酯中的一种或两种。
8、如权利要求1所述的一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其特征在于:步骤B中,聚合单体是甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟基乙酯、醋酸乙烯酯、丙烯腈、氟代苯乙烯或苯乙烯中的一种或两种。
9、如权利要求1所述的一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其特征在于:步骤B中,引发剂是偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰。
10、如权利要求1所述的一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其特征在于:步骤C中,交联剂是丁二烯、二乙烯基苯或二甲基咪唑,其用量为步骤B所得聚合物质量的5‰~20‰。
11、如权利要求1所述的一种含铒/镱稀土离子的聚合物有机光波导放大器材料,其特征在于:上述方法的步骤C中,环氧树脂是E12环氧树脂、E44环氧树脂、GF-630环氧树脂、GF98环氧树脂、GF113环氧树脂、双酚A型环氧树脂或环氧618,其用量为聚合物质量的1%~40%。
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