一种掺杂PbSe量子点的光纤及其光纤放大器的制作方法

专利名称：：一种掺杂PbSe量子点的光纤及其光纤放大器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种惨杂PbSe量子点的光纤，特别涉及一种多粒度掺杂PbSe量子点的光纤及其光纤通信放大器。二.
背景技术：
：在密集波分复用全光网通讯中，光纤放大器是一个关键器件。在多种光纤放大器中，掺天然稀土元素的光纤放大器，尤其是掺铒光纤放大器(erbium-dopedfiberamplifier,EDFA)，由于其具有带宽较宽、增益较高、噪声较低等特点，已经成为主力光纤放大器。为了增加EDFA的带宽和平坦增益，人们在纤芯中加进了其它元素(例如镱、铥等)，设计了双通道、环形、双向以及多级泵浦等许多不同的结构，使带复杂结构的EDFA达到了相当高的水平(带宽110nm，平坦增益15dB，噪声谱在整个波带上为4.5dB)。此外近年来，作为带宽最宽的Raman光纤放大器也有了比较大的发展，甚至将EDFA与Raman光纤放大器结合起来。现在，人们已经研制出带宽约260nm(12401500nm)的Raman光纤放大器。这些带宽等指标，代表了目前国际上光纤放大器的最好水平，也基本反映了掺天然元素的光纤放大器的极限技术能力。一直以来，人们想尽了许多办法，企图通过设计各种结构(双向、双通道、多级泵浦)、改变掺杂成份(单掺杂、共掺杂)及掺杂比例等等，来提高放大器的带宽和平坦增益。但是，由于天然元素辐射(吸收)谱的波长和波带是固有和无法改变的，因此，尽管人们努力备至，但掺天然元素光纤放大器的带宽和平坦增益等关键指标似乎已经到达极限，它的技术潜力实际已经穷尽。另一方面，值得注意的是近年来人工纳米晶体材料(量子点)发展迅速。量子点是准零维纳米材料，它由少量的原子构成，又称"人造原子"。量子点三个维度的尺寸都在几十纳米以下，其电子的能量在三个维度上都是量子化的，所以量子效应特别明显。量子点低的态密度、能级的尖锐化以及三维受限运动，导致它具有类似原子的不连续电子能阶结构，使其电学性能和光学性能发生显著变化。各种量子化效应，诸如量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应和库仑阻塞效应等都更加显著。这也使得半导体量子点在生命科学、医药、磁介质、单电子器件、存储器以及各种光电器件等方面具有极为广阔的应用前景。对于人工纳米晶体量子点，人们首先想到的是能否用来做成量子点激光器。在国际上，已经有了这方面的报道。例如，美国康奈尔(Cornell)大学与著名的美国Corning公司合作，实验证明在外延生长的III-V族元素的量子点存在光子激射。然而，由于制备的量子点本身的尺度比较大(^10nm)，其约束能几乎与平均热动能相近，激射不稳定，很难通过量子约束来控制激射波长。当纳晶体尺度较小时，量子点尺度的一个小变化就会影响辐射和吸收线宽的变化。这种非均匀展宽制约了光谱跃迁强度，导致量子点激射行为的蜕变，这是量子点激光器目前遇到的一个主要障碍。然而，恰恰相反，量子点热运动导致的非均匀展宽却给光泵浦放大器带来好处。对于光纤通讯而言，希望有宽的、增益谱平坦的、每通道为独立饱和的光纤放大器，量子点谱线的展宽正好可以满足光纤通讯放大器的要求。对于在红外通讯波带，有许多可供选择的不同种类的量子点。对于III-V族化合物，有窄隙半导体晶体InAs、InSb和GaSb等。此外，一些纳米半金属硫化汞(HgS、HgSe和HgTe)及其纳米合金在红外波带也表现出辐射跃迁特性。在IV-VI族化合物中，有PbS和PbSe等纳米晶体。最近，美国EvidentTechnologies公司研制了PbSe、CdTe、CdSe和CdS等量子点，它们的吸收和辐射谱覆盖了4652340nm的宽广的波带，这在以前的技术中是做不到的。目前常用的量子点制备方式是分子束外延自组织生长。在自组织生长过程中，可以通过控制生长条件来控制纳米晶体的生长尺度，使之产生不同波长位置的吸收峰、辐射峰以及不同的全宽半高(FWHM)。通过不同类型的掺杂或不同的尺度大小，还可整体移动吸收和辐射谱等等。这些优越特性是天然元素不具备的。在许多不同种类的半导体纳米晶体(例如PbSe、CdTe、CdSe和CdS等)中，PbSe纳米晶体最具潜力。PbSe量子点是一种胶状的半导体纳米颗粒，直径在4.59nm之间，大致相当于300030000个原子的尺度(Se原子的共价键半径为O.116nm，Pb的原子半径为O.175nrn)。PbSe量子点在红外波段(12002340nm)有强的辐射和吸收峰，其典型的FW匿200nm，比铒离子大了约810倍。对于直径为5.5nm的PbSe量子点，其辐射峰和吸收峰分别位于1630nm与1550nm，正好落在常规的光纤通讯中心波长1550nm附近。基于以上因素，我们选取PbSe纳米晶体。三.
发明内容本发明的第一个目的在于提供一种能够明显改善光纤放大器性能的多粒度掺杂PbSe量子点的光纤。本发明的发明目的是通过以下手段来实现的一种掺杂PbSe量子点的光纤，所述光纤包括纤芯和包层，所述的纤芯采用半导体纳米晶体PbSe量子点作为掺杂物，所述PbSe量子点总浓度为1X10191X1023米—3，所述的掺杂物为27种粒径梯度差值在0.51.2nm之间的量子点，所述的量子点的粒径为3nm9nm。本发明适合任何材料为纤芯背景的光纤，以二氧化硅为光纤纤芯背景应用的较多。本发明所述的某个粒径的量子点是指其中有70%以上的量子点的粒径为所述的粒径数值，如5nm的量子点是指量子点中有70%以上的量子点的粒径是5nm，可能有30%的量子点粒径为5nm±10%X5nm。由于工艺的原因，目前很难做出100%同一粒径的量子点。本发明所述PbSe量子点优选为各粒度浓度相同且空间均匀掺杂。本发明所述掺杂物为57种粒径梯度差值为lnmPbSe量子点。本发明的第二个目的是提供一种波带宽、增益平坦和噪声极低的光纤放大器一种惨杂PbSe量子点的光纤放大器，所述的放大器包括泵浦光源、输入光纤耦合器、掺杂PbSe量子点的光纤、输出光纤耦合器，所述掺杂PbSe量子点的光纤的纤芯采用PbSe量子点作为掺杂物，所述PbSe量子点总浓度为1X10191X1023米—3，所述的掺杂物为27种粒径梯度差值在0.51.2nm之间的量子点，所述的量子点的粒径为3nm9nm;所述的纤芯优选以二氧化硅为背景材料。进一步所述PbSe量子点各粒径的量子点浓度相同，且空间均匀掺杂，所述PbSe量子点光纤长度为0.12m。进一步所述放大器与PbSe量子点光纤的接插为外接式。所述泵浦光源的波长为980士5nm、1480土5nm之一或两种，所述泵浦光源的功率为50mw500mw。更进一步所述的放大器包括包括泵浦光源、输入光纤耦合器、掺杂PbSe量子点的光纤、输出光纤耦合器，所述的泵浦光源波长为980士5nm或1480土5nm，泵浦功率为50mw500mw;所述的PbSe量子点的光纤的纤芯以二氧化硅为背景材料，所述的纤芯采用PbSe量子点作为掺杂物，所述PbSe量子点总浓度为1X10191X1023米—3，所述的掺杂物为27种粒径梯度差值为lnm的量子点，所述的量子点的粒径为3nm9皿，光纤长度为0.12m，各粒径的PbSe量子点浓度相相同，且空间均匀掺杂，所述的放大器与PbSe量子点光纤的接插为外接式。本发明的基本原理对于一定尺寸的量子点，其辐射一吸收截面的FWHM以及其截面的峰值波长是固定和无法改变的。因此，要扩展量子点光纤放大器(Quantumdot-dopedfiberamplifier,QDFA)的带宽，一种可行的方法是采用多掺杂，即采用不同直径(粒度)的量子点掺杂，使它们的辐射一吸收截面相互叠加，形成较宽的FWHM以及较为明显的斯托克斯频移。量子点多掺杂的一个突出的优势是可采用同一个泵浦源，因为量子点虽然直径不同，但它们在短波长区都具有相当大的吸收截面。由于QDFA的带宽增益与FW歷以及斯托克斯频移的大小密切相关，虽然直径大的量子点所辐射的一部分光将会被直径较小的量子点所吸收，但是适当调整各个量子点的掺杂浓度、掺杂数目以及掺杂量子点的直径，可以使某一波长区中的吸收最小而辐射最大，即可以得到增宽了的带宽和较为理想的平坦增益。根据以下的测量或近似①由量子点的辐射-吸收谱可知，量子点可由三能级模型描述；②光纤满足弱导近似，为单模光纤或多模光纤；③泵浦光可与信号光同向或反向，通过数值求解各能级粒子数密度速率方程、不同频率的光的传播方程以及"遗传算法"等优化方法等，可确定多粒度掺杂量子点光纤放大器中一系列关键参量的量值大小，包括掺杂数目、掺杂浓度、直径或粒度分布、光纤长度、泵浦波长以及泵浦功率等。所述量子点光纤放大器具有波带宽(可工作于6^7-Z全波带)、增益平坦(20dB信号增益的平坦带宽(-ldB)可达100nm以上))和噪声极低(噪声系数3.3dB，接近量子极限-3dB)等优越特性。本发明的有益效果主要表现在采用多粒度半导体纳米晶体PbSe量子点作为掺杂物，由此构成掺杂PbSe量子点的光纤。由该多粒度掺杂PbSe量子点的光纤可组成量子点光纤放大器。与传统的光纤放大器相比，该量子点光纤放大器具有高平坦增益、宽带宽、噪声低等突出优点。图1量子点光纤放大器QDFA的具体实施方式示意图四.具体实施例方式实施例14一种半导体纳米晶体量子点光纤放大器。光纤的纤芯采用不同粒度及数目PbSe量子点为光纤掺杂物，每一种量子点的掺杂浓度都为(1.0xl021)/3，且在纤芯中均匀分布；所述的纳米晶体量子点光纤放大器包括泵浦光源、输入光纤耦合器、量子点光纤、输出光纤耦合器，其中光纤长度为0.281.22米，光纤为纤芯直径8^im、在普通光纤纤芯Si02材料中的掺杂。量子点采用外层包覆的量子点，以便保持稳定性;在泵浦波长义,980nm和泵浦功率P^300mW的情况下，表1列出实施例14多粒度掺杂所涉及的参量以及对应的光纤放大器的性能。表中掺杂量子点直径具有尺寸分布，例如5.0表示5.0±0.5nm，在纳米
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，它表示大部分粒子(70%以上)的直径在5.0nm，小部分粒子的直径在土O.5nm的范围之内。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表l多粒度掺杂所涉及的参量以及对应的光纤放大器的性能宽带宽、低噪声的特点。目前的主力光纤放大器EDFA(单光纤，单泵浦和不带复杂结构)的典型参量是-3dB带宽为25dB，增益2025dB，噪声系数4.04.5dB。我们的QDFA比EDFA的带宽增加了很多倍，噪声系数降低了约ldB，增益则变化不大。.图1为QDFA的具体实施方式示意图，其中WSC为波分复用耦合器，量子点光纤为图中带圈的部分。图中未画出放在QDFA前后用于防止光反射的隔离器以及解波分复用耦合器。信号光从左端送入WSC，泵浦光同时送入WSC。在WSC中，信号光被复合并被泵浦后，通过一条光纤耦合至量子点光纤。在量子点光纤中信号光被放大，泵浦光被抑制或减弱，信号光输出至解波分复用耦合器。量子点光纤放大器的光纤为外接式，即将量子点光纤放在QDFA机盒的外边，通过接插口接入。由于可接入不同的量子点光纤，即可有不同掺杂浓度、掺杂数目以及不同长度的量子点光纤等等，因此可有不同性能的QDFA。有的可以作为超宽带放大器，有的可以兼顾增益等等，以便满足波分复用系统中对QDFA的不同要求。权利要求1.一种掺杂PbSe量子点的光纤，所述光纤包括纤芯和包层，其特征在于所述的纤芯采用半导体纳米晶体PbSe量子点作为掺杂物，所述PbSe量子点总浓度为1×1019～1×1023米-3，其特征在于所述的掺杂物为2～7种粒径梯度差值在0.5～1.2nm之间的量子点，所述的量子点的粒径为3nm～9nm。2.权利要求l所述掺杂PbSe量子点的光纤，其特征在于所述PbSe量子点各粒度浓度相同且空间均匀掺杂。3.权利要求2所述掺杂PbSe量子点的光纤，其特征在于所述掺杂物为57种粒径梯度差值为1nmPbSe量子点。4.一种如权利要求1所述的掺杂PbSe量子点的光纤放大器，所述的放大器包括泵浦光源、输入光纤耦合器、掺杂PbSe量子点的光纤、输出光纤耦合器，其特征在于掺杂PbSe量子点的光纤的纤芯采用PbSe量子点作为掺杂物，所述PbSe量子点总浓度为1X10191X1023米—3，所述的掺杂物为27种粒径梯度差值在0.51.2nm之间的量子点，所述的量子点的粒径为3nm9nm。5.权利要求4所述PbSe量子点的光纤放大器，其特征在于所述PbSe量子点各粒径的量子点浓度相同，且空间均匀掺杂。6.权利要求4所述掺杂PbSe量子点光纤的放大器，其特征在于所述PbSe量子点光纤长度为O.12m。7.权利要求4所述PbSe量子点光纤的放大器，其特征在于所述放大器与PbSe量子点光纤的接插为外接式。8.权利要求4所述PbSe量子点光纤放的大器，其特征在于所述泵浦光源的波长为980±5nm、1480±5nm之一或两种。9.权利要求4所述多粒度掺杂PbSe量子点光纤放大器，其特征在于所述泵浦光源的功率为50mw500mw。10.权利要求4所述PbSe量子点光纤放大器，其特征在于所述所述的放大器包括包括泵浦光源、输入光纤耦合器、掺杂PbSe量子点的光纤、输出光纤耦合器，所述的泵浦光源波长为980士5nm或1480士5nm，泵浦功率为50mw500mw;所述的PbSe量子点的光纤的纤芯以二氧化硅为背景材料，所述的纤芯采用PbSe量子点作为掺杂物，所述PbSe量子点总浓度为1X10191X1023米—3，所述的掺杂物为27种粒径梯度差值为1nm的量子点，所述的量子点的粒径为3nm9nm，光纤长度为0.12m，各粒径的PbSe量子点浓度相相同，且空间均匀掺杂，所述的放大器与PbSe量子点光纤的接插为外接式。全文摘要本发明涉及一种掺杂PbSe量子点的光纤，特别涉及一种多粒度掺杂PbSe量子点的光纤及其光纤通信放大器；所述光纤包括纤芯和包层，所述的纤芯采用半导体纳米晶体PbSe量子点作为掺杂物，所述PbSe量子点总浓度为1×10¹⁹～1×10²³米^-3，所述的掺杂物为2～7种粒径梯度差值在0.5～1.2nm之间的量子点，所述的量子点的粒径为3nm～9nm；所述的光纤放大器包括泵浦光源、输入光纤耦合器、掺杂PbSe量子点的光纤、输出光纤耦合器；该量子点光纤放大器具有高平坦增益、宽带宽、噪声低等突出优点。文档编号G02B6/02GK101206281SQ20071016456公开日2008年6月25日申请日期2007年12月7日优先权日2007年12月7日发明者成程申请人:浙江工业大学