納米晶體量子點光纖及光纖放大器的製作方法
2023-06-11 18:45:31 1
專利名稱：納米晶體量子點光纖及光纖放大器的製作方法
技術領域：
本發明屬於光電子技術領域，為一種光通訊器件，尤其是一種光纖及光纖放大器。
背景技術：
傳統的光纖放大器是摻天然稀土元素(例如鉺、銩、鐿等)的光纖放大器。由於其具有寬帶寬、高增益、低噪聲等特點，在密集波分復用全光網通訊中已經是一個關鍵器件。目前，研究和應用最多的是摻鉺光纖放大器(EDFAs)。為了增加光纖放大器的平坦增益和帶寬，人們使用了許多不同的方法，例如將傳統波帶(C-band)和長波帶(L-band)雙纖芯摻鉺光纖串接起來，可獲得超帶寬、增益平坦的放大器。這種新型放大器在1515-1620nm區間的平坦增益為15dB，在C波帶(1515-1555nm)之間的增益變化為1.3dB，在L波帶(1562-1620nm)之間是1.5dB，噪聲譜在整個波帶上是4.5-4.8dB。這些平坦增益和帶寬指標，基本代表了目前EDFAs的最好水平，也基本代表了EDFAs所能達到的極限。
雖然天然元素摻雜以及串接技術等使光纖放大器性能得到了極大的提高，但是，由於天然元素的輻射(吸收)譜波長及譜寬是恆定的，因此，它的平坦增益、寬帶、噪聲等重要指標都受到了限制，無法進一步提高。近年來，人工納米晶體材料(量子點)領域有許多新的發展。量子點是準零維納米材料，它由少量的原子所構成。量子點三個維度的尺寸都在幾十納米以下，其內部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子效應特別明顯。量子點中低的態密度、能級的尖銳化以及三維受限運動，導致類似原子的不連續電子能階結構，使其電學性能和光學性能與宏觀相比有顯著變化，也使得半導體量子點在生命科學、醫藥、功能材料、催化、磁介質、光電子器件等許多方面具有極為廣闊的應用前景。
在人工納米晶體材料中，對通訊光纖而言，有的具備了良好的、甚或是理想的吸收和輻射譜。其中PbSe、CdSe、CdTe和CdS等量子點的輻射和吸收譜幾乎覆蓋了從465-2340nm的寬廣的波帶。此外，在製備人工納米晶體材料時，可通過人工調控納米晶體的尺度來調控量子阱的寬度，從而達到調控吸收峰和輻射峰的波長位置以及譜的全寬半高(FWHM)。通過不同類型的摻雜或不同的尺度大小，還可整體移動吸收和輻射譜。
發明內容為了突破傳統的摻鉺光纖及摻鉺光纖放大器的增益、寬帶和噪聲等關鍵指標的限制，本發明提供一種能夠明顯改善光纖放大器性能的納米晶體量子點光纖，以及高平坦增益、寬帶寬、噪聲極低的量子點光纖放大器。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種納米晶體量子點光纖，包括纖芯、包層，所述的光纖採用半導體納米晶體作為摻雜物，所述的半導體納米晶體的濃度為(0.6～5.0)×1024m-3；該半導體納米晶體直徑為1.9～9nm，在可見和紅外波段的輻射和吸收覆蓋465～2340nm的波帶。
所述的納米晶體量子點光纖，所述的半導體納米晶體為以下之一(1)、PbSe量子點；(2)、CdSe量子點；(3)、CdTe量子點；(4)、CdS量子點。其中優選的半導體納米晶體為PbSe量子點，所述的半導體納米晶體的濃度為(0.6～3.0)×1024m-3；所述的半導體納米晶體直徑為4.5～9nm。當選擇的半導體納米晶體為CdSe量子點時，所述的半導體納米晶體的濃度為(0.6～3.0)×1024m-3；所述的半導體納米晶體直徑為1.9～6.7nm。
一種納米晶體量子點光纖放大器，包括泵浦光源、輸入光纖耦合器、量子點光纖、輸出光纖耦合器，所述的量子點光纖採用半導體納米晶體作為摻雜物，所述的半導體納米晶體的濃度為(0.6～5.0)×1024m-3；該半導體納米晶體直徑為1.9～9nm，在可見和紅外波段的輻射和吸收覆蓋465～2340nm的波帶，光纖長度為10～60米，光纖纖芯半徑為2～6μm，纖芯與包層的折射率差為0.005～0.01，泵浦波長為400～2300nm，泵浦功率為10～200mW。
進一步，可選用的半導體納米晶體為以下之一(1)、PbSe量子點；(2)、CdTe量子點；(3)、CdSe量子點；(4)、CdS量子點。
更進一步，優選PbSe量子點納米晶體量子點光纖，所述的半導體納米晶體的PbSe量子點濃度為(0.6～3.0)×1024m-3；所述的半導體納米晶體直徑為4.5～9nm；光纖長度為13.3～23.5米，光纖纖芯半徑為3.1～5.1μm，纖芯與包層的折射差為0.0053～0.0073，泵浦波長為1433.7～1483.7nm，泵浦功率為25～75mW。
在人工納米晶體材料中，對通訊光纖而言，有的具備了良好的、甚或是理想的吸收和輻射譜。其中，PbSe、CdSe、CdTe和CdS等量子點的吸收和輻射譜幾乎覆蓋了從465-2340nm的寬廣的波帶。此外，在製備人工納米晶體材料時，可通過人工調控納米晶體的尺度來調控量子阱的寬度，從而達到調控吸收峰和輻射峰的波長位置以及譜的全寬半高(FWHM)。通過不同類型的摻雜或不同的尺度大小，還可整體移動吸收和輻射譜。採用摻半導體納米晶體的量子點光纖，以及由該量子點光纖構成的量子點光纖放大器。所述的半導體納米晶體優選以下之一(1)PbSe量子點；(2)CdSe量子點。
所述的PbSe量子點納米晶體具有如下特徵之一(1)直徑約4.5nm，輻射峰位於1200±100nm，第一吸收峰位於1100±100nm，輻射(吸收)譜全寬半高為100～200nm；(2)直徑約5nm，輻射峰位於1400±100nm，第一吸收峰位於1310±100nm，輻射(吸收)譜全寬半高為100～200nm；(3)直徑約5.5nm，輻射峰位於1630±100nm，第一吸收峰位於1550±100nm，輻射(吸收)譜全寬半高為100～200nm；(4)直徑約7nm，輻射峰位於1810±100nm，第一吸收峰位於1750±100nm，輻射(吸收)譜全寬半高為100～200nm；(5)直徑約8nm，輻射峰位於1950±100nm，第一吸收峰位於1900±100nm，輻射(吸收)譜全寬半高為100～200nm；(6)直徑約9nm，輻射峰位於2340±100nm，第一吸收峰位於2300±100nm，輻射(吸收)譜全寬半高為100～200nm。
所述的CdSe量子點納米晶體具有如下特徵之一(1)直徑約1.9nm，輻射峰位於465±10mm，第一吸收峰位於445±10nm，分子量0.015mg/nmol；(2)直徑約2.1nm，輻射峰位於500±10nm，第一吸收峰位於480±10nm，分子量0.021mg/nmol；(3)直徑約2.4nm，輻射峰位於520±10nm，第一吸收峰位於510±10nm，分子量0.029mg/nmol；(4)直徑約2.7nm，輻射峰位於545±10nm，第一吸收峰位於530±10nm，分子量0.042mg/nmol；(5)直徑約3.2nm，輻射峰位於570±10nm，第一吸收峰位於560±10nm，分子量0.070mg/nmol；(6)直徑約4.0nm，輻射峰位於595±10nm，第一吸收峰位於585±10nm，分子量0.13mg/nmol；(7)直徑約5.2nm，輻射峰位於618±10nm，第一吸收峰位於610±10nm，分子量0.29mg/nmol；(8)直徑約6.7nm，輻射峰位於640±10nm，第一吸收峰位於634±10nm，分子量0.67mg/nmol；所述的半導體納米晶體量子點光纖，摻PbSe或CdSe量子點的濃度為(0.6～3.0)×1024m-3；所述的納米晶體量子點光纖放大器包括泵浦光源、輸入光纖耦合器、量子點光纖、輸出光纖耦合器，其中光纖長度為10～60米，光纖纖芯半徑為2～6μm，纖芯與包層的折射率差為0.005～0.01，泵浦波長為400～2300nm，泵浦功率為10～200mW。
本發明的有益效果主要表現在不採用傳統的天然元素(例如鉺)作為光纖的摻雜物，而採用人工納米晶體PbSe和CdSe量子點作為光纖的摻雜物，由此構成量子點光纖。由該量子點光纖可組成量子點光纖放大器。與傳統的摻鉺光纖放大器相比，該量子點光纖放大器具有高平坦增益、寬帶寬、噪聲極低等突出優點。
具體實施方式
實施例1一種半導體納米晶體量子點光纖放大器。採用其中一種PbSe量子點為光纖摻雜物，其直徑為5.5nm，輻射峰位於1630nm，第一吸收峰位於1550nm，輻射(吸收)譜全寬半高為150，摻雜濃度為1.0×1024m-3；所述的納米晶體量子點光纖放大器包括泵浦光源、輸入光纖耦合器、量子點光纖、輸出光纖耦合器，其中光纖長度為18.3米，光纖纖芯半徑為4.1μm，纖芯與包層的折射率差為0.0063，泵浦波長為1458.7nm，泵浦功率為50mW。
人們已經測量得到了所述的半導體納米晶體PbSe量子點的吸收和輻射譜的相對值。對於吸收截面的絕對值，可通過Beer-Lambert定律計算得到PbSe量子點位於第一吸收峰處的吸收能力為A＝εC＝1600ΔED3CL，其中C(mol/L)為摩爾濃度，L(m)為記錄吸收譜的輻射路徑長度，ε(L/mol.m)為每摩爾量子點的消光係數，ΔE(ev)為輻射光子能，D(nm)為量子點的直徑。相應地，吸收截面的峰值為a=A/Lnq,]]>其中nq(m-3)為PbSe量子點粒子數密度，它可由濃度及每個量子點的質量計算得到。由於PbSe顆粒的直徑(～5.5nm)比Er3+離子大很多，並且濃度很高，一般可達到2.5mg/mL，因此，PbSe量子點吸收截面峰值比通常的鉺離子Er3+的截面高出約2～3個量級。
在1400-1800nm之間的通訊波帶內，所述PbSe量子點的吸收和輻射譜具有單峰的特點。可採用二能級模型來描述QDFA。對於軸對稱光纖，在纖芯中傳播的頻率為vk的信號及泵浦光功率方程為dPk(z)dz=ukek0aik(r)n2(r,z)[Pk(z)+mhvkvk]2rdr-ukak0aik(r)n1(r,z)Pk(z)2rdr-uklkPk(z)---(1)]]>其中σek(σak)是輻射(吸收)截面，ik是歸一化橫模強度，n1，2是量子點的下上能級粒子數密度，lk是光纖損失(包括散射損失、洩漏出纖芯的損失等等)，Δvk是有效噪聲帶寬，mhvΔvk是自發輻射的貢獻。光可沿前向(uk＝+1)或後向(uk＝-1)傳播，對於自發輻射的噪聲功率，m＝2；對於信號和泵浦功率，m＝0。注意到上式為對頻率vk，一般需研究一個波帶，因而，需對系列分立頻率進行研究。上式第一項為輻射及噪聲對光功率的增加，第二項為光功率的吸收，第三項為光纖損失。
上能級的粒子數密度方程為dn2dt=kPkikakhvkn1-kPkikekhvkn2-n2,---(2)]]>其中τ是上能級壽命，對所有的頻率進行求和。在穩態近似下，n2(r,z)=EqkakhvkPk(z)ik(r)1+kak+ekhvkPk(z)ik(r),---(3)]]>其中總密度nq＝n1+n2，它可由量子點的濃度以及每量子點的質量等數據確定。
為了便於與目前通用的EDFAs進行比較，可將纖芯與包層的折射率差Δn和纖芯半徑a設成與通用的朗訊公司的產品相同。當單模光強分布ik一定時，上述方程經過簡化歸併，放大器的增益Gs及帶寬Δ最終可以表示為光纖長度Lf、泵浦波長λp和上能級壽命τ這樣三個參數的函數，即Gs=10logPoutPin=F(Lf,p,),---(4)]]>或 Δ＝F′(Lf，λp，τ)， (4』)其中帶寬可為通常定義的-3dB帶寬。
弱導近似和信號為單模的條件應當滿足。頻率vk的單模光強分布ik可採用零階貝塞耳函數。由於信號增益與輸入信號功率成反比，與泵浦功率成正比，因此，只需以一組信號功率和泵浦功率為例即可。這裡，設輸入泵浦功率Pp＝50mW，輸入信號功率水平Ps＝-30dBm。信號由一系列波長組成，可設波長最短的信號與泵浦波長間隔D，即信號波長分布為從λp+D到1750nm。波長(包括信號和泵浦)採用掃描的方式，範圍可從1450nm到1750nm，間隔可為1nm。
僅僅有量子點的截面等數據，仍舊無法預計QDFAs的性能。這是由於我們事先無法預知光纖長度Lf、放大器的泵浦波長λp以及壽命τ到底多少才能構成一個良好的QDFA，而這些參量對放大器的特性又至關重要，因此，需要對Lf，λp，τ進行優化。可採用近年來發展比較快的全局優化的遺傳算法。具體如下首先，由隨機函數產生三個參量Lf，λp，τ的隨機值，經編碼後數值求解方程(1)-(4)，獲得增益帶寬，即「目標函數」值。然後，應用逆方法，即從目標函數出發，由遺傳算法，通過全局搜索，反向獲得在該目標函數值時所需的三個參量(即基因)。對由基因組成的染色體，根據目標函數值的大小進行優劣排序，淘汰差的一半的染色體，留下好一半的染色體。對留下的染色體進行基因交叉，形成新的一半的染色體(子染色體)。子染色體與前留下的一半的染色體組成新一代的染色體，重新進行排隊。染色體基因發生機率很小的突變。之後，進入下一代循環。經過數十代循環之後，直至所有的染色體都趨向於一個最佳值為止。這時，所獲得的三個參量Lf，λp，τ即為最佳參量，即在這三個參數下，該QDFA具有最大的增益帶寬。為了兼顧增益和帶寬，遺傳算法中的目標函數可定義為fobj＝Gs+γΔ，其中γ權重因子。調整γ子，可根據需要獲得不同的增益帶寬的組合。
本發明提供的QDFA具有高平坦增益、寬帶寬以及噪聲極低等特點。例如，增益為35.9dB時具有帶寬45nm；或增益為40.5dB時具有帶寬18nm，同時，它們的噪聲譜都接近3dB的量子極限。增益和帶寬可根據需要進行調整。但增益增加時，帶寬減小；或帶寬增加時，增益減小。噪聲譜則始終維持在3.01dB的水平上。
與通常典型的單級EDFAs約30dB增益、25nm帶寬及4dB噪聲譜的技術指標相比較，這裡QDFA的增益提高了～10dB，帶寬增加了～20nm，噪聲譜降低了～1dB。增益、帶寬和噪聲指標同時提高，是本發明的QDFA的突出優點。
對於納米晶體PbSe等量子點的來源，國內外已有生產。對小批量樣品，量子點如何摻入光纖中，可採用真空壓力差吸取或其它方式，將量子點納米晶體吸入光子晶體空芯光纖(Photonic Crystal HollowFiber)中。光子晶體空芯光纖已有現成的產品，例如著名的美國CorningInc.公司等。對於大規模生產，可考慮類似於摻鉺、摻鐿的方式，也可直接將納米晶體生成在纖芯中。
實施例2本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體的摻雜濃度為5.0×1024m-3，PbSe量子點直徑約為4.5nm，輻射峰位於1200nm，第一吸收峰位於1100nm。
實施例3本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體的摻雜濃度為3.0×1024m-3，PbSe量子點直徑約為4.5nm，輻射峰位於1200nm，第一吸收峰位於1100nm。
實施例4本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為摻雜濃度為2.0×1024m-3，本實施例的半導體納米晶體PbSe量子點直徑約為5nm，輻射峰位於1400nm，第一吸收峰位於1310nm。
實施例5本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為摻雜濃度為0.85×1024m-3，本實施例的半導體納米晶體PbSe量子點直徑約為7nm，輻射峰位於1810nm，第一吸收峰位於1750nm。
實施例6本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為摻雜濃度為0.7×1024m-3，本實施例的半導體納米晶體PbSe量子點直徑約為8nm，輻射峰位於1950nm，第一吸收峰位於1900nm。
實施例7本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為摻雜濃度為0.6×1024m-3，本實施例的半導體納米晶體PbSe量子點直徑約為9nm，輻射峰位於2340nm，第一吸收峰位於2300nm。
實施例8本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體為CdSe量子點，摻雜濃度為3.0×1024m-3；直徑約1.9nm，輻射峰位於465nm，第一吸收峰位於445nm，分子量0.015mg/nmol。
實施例9本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體為CdSe量子點，摻雜濃度為5.0×1024m-3；直徑約1.9nm，輻射峰位於465nm，第一吸收峰位於445nm，分子量0.015mg/nmol。
實施例10本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體為CdSe量子點，摻雜濃度為2.5×1024m-3；直徑約2.1nm，輻射峰位於500nm，第一吸收峰位於480nm，分子量0.021mg/nmol。
實施例11本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體為CdSe量子點，，摻雜濃度為2.0×1024m-3；直徑約2.4nm，輻射峰位於520nm，第一吸收峰位於510nm，分子量0.029mg/nmol。
實施例12本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體為CdSe量子點，摻雜濃度為1.5×1024m-3；直徑約2.7nm，輻射峰位於545nm，第一吸收峰位於530nm，分子量0.042mg/nmol。
實施例13本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體為CdSe量子點，摻雜濃度為1.0×1024m-3；直徑約3.2nm，輻射峰位於570nm，第一吸收峰位於560nm，分子量0.070mg/nmol。
實施例14本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體為CdSe量子點，摻雜濃度為0.8×1024m-3；直徑約4.0nm，輻射峰位於595nm，第一吸收峰位於585nm，分子量0.13mg/nmol。
實施例15
本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體為CdSe量子點，摻雜濃度為0.7×1024m-3；直徑約5.2nm，輻射峰位於618nm，第一吸收峰位於610nm，分子量0.29mg/nmol。
實施例16本實施例的基本結構、工作原理與實施例1基本相同，區別點為本實施例的半導體納米晶體為CdSe量子點，摻雜濃度為0.6×1024m-3；直徑約6.7nm，輻射峰位於640nm，第一吸收峰位於634nm，分子量0.67mg/nmol。
權利要求
1.一種納米晶體量子點光纖，包括纖芯、包層，其特徵在於所述的光纖採用半導體納米晶體作為摻雜物，所述的半導體納米晶體的濃度為(0.6～5.0)×1024m-3；該半導體納米晶體直徑為1.9～9nm，在可見和紅外波段的輻射和吸收覆蓋465～2340nm的波帶。
2.如權利要求1所述的納米晶體量子點光纖，其特徵在於所述的半導體納米晶體為以下之一(1)、PbSe量子點；(2)、CdSe量子點；(3)、CdTe量子點；(4)、CdS量子點。
3.如權利要求2所述的納米晶體量子點光纖，其特徵在於所述的半導體納米晶體為PbSe量子點。
4.如權利要求3所述的納米晶體量子點光纖，其特徵在於所述的半導體納米晶體的濃度為(0.6～3.0)×1024m-3；所述的半導體納米晶體直徑為4.5～9nm。
5.如權利要求2所述的納米晶體量子點光纖，其特徵在於所述的半導體納米晶體為CdSe量子點。
6.如權利要求5所述的納米晶體量子點光纖，其特徵在於所述的半導體納米晶體的濃度為(0.6～3.0)×1024m-3；所述的半導體納米晶體直徑為1.9～6.7nm。
7.一種納米晶體量子點光纖放大器，包括泵浦光源、輸入光纖耦合器、量子點光纖、輸出光纖耦合器，其特徵在於所述的量子點光纖採用半導體納米晶體作為摻雜物，所述的半導體納米晶體的濃度為(0.6～5.0)×1024m-3；該半導體納米晶體直徑為1.9～9nm，在可見和紅外波段的輻射和吸收覆蓋465～2340nm的波帶，光纖長度為10～60米，光纖纖芯半徑為2～6μm，纖芯與包層的折射率差為0.005～0.01，泵浦波長為400～2300nm，泵浦功率為10～200mW。
8.如權利要求7所述的納米晶體量子點光纖放大器，其特徵在於半導體納米晶體為以下之一(1)、PbSe量子點；(2)、CdSe量子點；(3)、CdTe量子點；(4)、CdS量子點。
9.如權利要求8所述的納米晶體量子點光纖放大器，其特徵在於所述的半導體納米晶體為PbSe量子點。
10.如權利要求9所述的納米晶體量子點光纖放大器，其特徵在於所述的半導體納米晶體的濃度為(0.6～3.0)×1024m-3；所述的半導體納米晶體直徑為4.5～9nm；光纖長度為13.3～23.5米，光纖纖芯半徑為3.1～5.1μm，纖芯與包層的折射差為0.0053～0.0073，泵浦波長為1433.7～1483.7nm，泵浦功率25～75mW。
全文摘要
本發明提供一種納米晶體量子點光纖以及量子點光纖放大器。不採用傳統的天然元素(例如鉺)作為光纖的摻雜物，而採用人工納米晶體PbSe和CdSe量子點作為光纖的摻雜物，構成量子點光纖。由該量子點光纖以及泵浦光源、輸入光纖耦合器和輸出光纖耦合器等，可組成量子點光纖放大器。與傳統的摻鉺光纖放大器相比，該量子點光纖放大器具有高平坦增益、寬帶寬、噪聲極低等突出優點。
文檔編號G02B6/13GK1664633SQ200510049180
公開日2005年9月7日 申請日期2005年3月4日 優先權日2005年3月4日
發明者程成 申請人:浙江工業大學, 程成