專利名稱：漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明述及一種漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器及其制備方法，屬于光纖通 信技術(shù)和納米材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
作為光纖通信系統(tǒng)的核心器件，光纖放大器一直是該領(lǐng)域的研究熱點，現(xiàn)有的光 纖放大器主要包括稀土摻雜光纖放大器和半導(dǎo)體光放大器。隨著光纖通信容量的日益增 大，上述兩類光放大器日漸顯出各自的局限性。稀土摻雜光纖放大器存在放大寬帶窄、使用 光纖長、增益波段固定等不足；半導(dǎo)體光放大器存在溫度穩(wěn)定性差、噪聲大、存在偏振相關(guān) 性、需要復(fù)雜的光纖-波導(dǎo)耦合工藝等不足。因此，在未來高速、密集波分復(fù)用光纖通信系 統(tǒng)中，需要能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶寬、快速響應(yīng)的光纖放大器?；诎雽?dǎo)體量子點作為有源介質(zhì)實現(xiàn) 光放大，可以獲得大于IOOnm的放大帶寬，利用量子尺寸效應(yīng)可以調(diào)節(jié)對光放大波段，從而 可以實現(xiàn)覆蓋850nm、1310nm以及1550nm全部光纖通信波段。目前，半導(dǎo)體量子點光纖放大器主要有兩種制備技術(shù)，一種是基于改進化學(xué)氣相 沉積技術(shù)，它直接將半導(dǎo)體量子點材料摻入到石英光纖中(Pramod R. Watekar, 1537 nm Emission Upon 980 nm Pumping in PbSe Quantum Dots Doped Optical Fiber, OFC/ NF0EC，2008)，然而，這種應(yīng)用于光纖放大器的量子點摻雜光纖制備工藝中存在量子點材料 易于高溫分解、尺寸和分散性難于控制等問題。另一種是基于光纖耦合器與量子點相結(jié)合 的光纖放大器(中國發(fā)明專利，申請?zhí)枮?00610116368. X)，這種放大器存在的問題是對于 光纖耦合器的分光比設(shè)計比較嚴(yán)格，而且涂覆材料很容易影響其分光比，因此，需要復(fù)雜的 設(shè)計過程以及嚴(yán)格控制的制備工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有光纖放大器的不足，提出一種漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子 點光纖放大器及其制備方法，該放大器具有放大帶寬大、光放大波段易調(diào)節(jié)、光放大效率 高、全光纖結(jié)構(gòu)、放大光纖尺寸短等優(yōu)點，可用于長距離、大容量、高速率的通信系統(tǒng)，光接 入網(wǎng)，光纖CATV網(wǎng)，F(xiàn)TTH和光纖傳感等領(lǐng)域。為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器，包括一個泵浦光源、一個信號光源、一個波 分復(fù)用器和一個光纖放大器，所述泵浦光源和信號光源分別通過光纖連接波分復(fù)用器的兩 個輸入端，波分復(fù)用器的輸出端連接光纖放大器的輸入端，其特征在于所述光纖放大器是 一段錐形光纖，該錐形光纖表面涂覆一層半導(dǎo)體量子點薄膜層，所述的量子點薄膜層材料 折射率低于錐形光纖的材料折射率，從而使在錐形光纖中傳輸?shù)墓獠芡ㄟ^漸逝波激發(fā)半 導(dǎo)體量子點薄膜層釋放出光子，實現(xiàn)信號光放大。所述的量子點薄膜層為硫化鉛PbS摻雜溶膠-凝膠薄膜，其中的硫化鉛PbS溶膠 為PbS摻雜的二氧化硅溶膠。
—種漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器制備方法，用于制備根據(jù)權(quán)利要求1所 述的漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器，其特征在于制備工藝特點如下
(1)錐形光纖的制作對單模光纖進行加熱，基于熔融拉錐工藝?yán)瞥慑F形光纖；
(2)制備半導(dǎo)體量子點材料
①采用溶膠-凝膠工藝制備摻有甲基的二氧化硅溶膠。以正硅酸四乙酯和甲基三乙 氧基硅烷為前軀體，在酸性環(huán)境下進行水解縮聚反應(yīng)。具體工藝是將正硅酸四乙酯、甲基三 乙氧基硅烷、乙醇、鹽酸水溶液混合，其具體配比為正硅酸四乙酯/甲基三乙氧基硅烷/乙 醇=1/4/8，鹽酸水溶液濃度為0. 04mol/L。利用恒溫磁力攪拌器攪拌混合溶液，采用油浴保 持反應(yīng)溫度50攝氏度，反應(yīng)時間Mh，反應(yīng)后得到無色澄清的溶膠。②在上述制備的二氧化硅溶膠中，利用膠體化學(xué)工藝制備PbS量子點。將乙酸鉛 溶入到甲醇中，滴入乙酸作為催化劑，加入三巰基丙基三甲氧基硅烷硅烷偶聯(lián)劑作為表面 活性劑，具體配比為乙酸鉛/甲醇/乙酸/三巰基丙基三甲氧基硅烷=1:100:3. 5:0. 5，由 此獲得鉛鹽溶液。然后，將該溶液逐步滴加至二氧化硅溶膠中，利用磁力攪拌使其均勻混 合。之后，以硫代乙酰胺提供硫源，溶解于甲醇溶劑中，并將其逐步滴加至含有鉛離子的二 氧化硅溶膠中，其中，鉛和硫的摩爾比為1 :1。在滴加過程中，可以觀察到溶液顏色由淺黃 色逐漸變?yōu)槌燃t色、紅色、最終變?yōu)樯罴t棕色，這說明在二氧化硅溶膠中逐步有PbS生成。③為了獲得粒子均勻分散的量子點摻雜材料，將PbS摻雜的二氧化硅溶膠放入 高速離心機中進行離心,離心速度為lOOOOrpm，離心時間15min。(3)制備的半導(dǎo)體量子點材料
制備光纖放大器將步驟中得到的錐形光纖通過浸漬提拉法使步驟中得到的半導(dǎo)體量 子點材料涂覆于錐形光纖的錐形區(qū)域表面。(4)制成漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器把泵浦光源和信號光源分別通過 光纖連接波分復(fù)用器的兩個輸入端，波分復(fù)用器的輸出端連接光纖放大器的輸入端，光纖 放大器的輸出端即光信號放大端。本發(fā)明的工作原理半導(dǎo)體量子點的尺寸小于該半導(dǎo)體的波爾半徑，具有顯著的 量子尺寸效應(yīng)，一方面費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)分裂為分立能級，電子和空穴 被限制在幾何尺寸不大的位能阱中，使分裂的電子態(tài)量子化，自由電子在單位面積上的濃 度大于非納米級尺寸的自由電子濃度，提高受激輻射光子的概率，另一方面，由于量子尺寸 效應(yīng)，還會增大半導(dǎo)體的有效禁帶寬度，通過改變制備的條件，控制PbS顆粒的尺寸，從而 控制放大光纖的工作波長。泵浦光源(1)所輸出的泵浦光波和信號光源(2)所輸出的信號光波通過波分復(fù)用 器(3)合波后，輸入到錐形光纖(5)中，由于錐形光纖具有非常細的直徑，泵浦光波和信號 光波都將有漸逝波場滲透到半導(dǎo)體量子點薄膜層(6)中，泵浦光具有較高的能量，基于受激 吸收原理，可以將半導(dǎo)體量子點載流子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，同時，基于受激輻射原理，信號 光波漸逝波場誘發(fā)導(dǎo)帶上的載流子受激輻射，使載流子重新回到價帶，同時釋放出與信號 光的頻率、相位以及傳輸方向完全相同的光子，從而實現(xiàn)信號光的放大。與現(xiàn)在的光纖放大器相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點
(1)以半導(dǎo)體量子點作為光增益物質(zhì)，具有輻射光譜范圍寬的優(yōu)點，能夠光纖通信系統(tǒng) 的波分復(fù)用能力；此外，基于量子尺寸效應(yīng)，放大器的增益波段靈活可調(diào)，選擇不同尺寸的量子點可以覆蓋850nm、1310nm和1550nm光纖通信波段。(2)基于常規(guī)單模/多模光纖實現(xiàn)半導(dǎo)體量子點光放大器，具有全光纖結(jié)構(gòu)，能直 接用于光纖通信系統(tǒng)中，不存在任何接入耦合問題。(3)光與增益介質(zhì)之間通過漸逝波的方式相互作用，與常規(guī)的EDFA和SOA相比，摻 雜對信號光所產(chǎn)生的散射損耗大大減小，有利于提高放大器效率。(4)相對于平面集成量子點光放大器，具有成本低、偏振相關(guān)性小、無需復(fù)雜的平 面工藝、封裝工藝及芯片與光纖耦合技術(shù)等。


圖1為本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為涂覆半導(dǎo)體量子點薄膜的錐形光纖示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施進一步說明
實施例一參見圖1，本漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器，包括一個980nm波長的 泵浦光源1、一個1310nm信號光源2、和一個980/1310nm波分復(fù)用器3、單模錐形光纖5和 硫化鉛PbS摻雜溶膠-凝膠薄膜6組成。所述的泵浦光源1、一個信號光源2、一個波分復(fù) 用器3和一個光纖放大器4，所述泵浦光源1和信號光源2分別通過光纖連接波分復(fù)用器3 的兩個輸入端，波分復(fù)用器3的輸出端連接光纖放大器4的輸入端。所述光纖放大器4是 一段錐形光纖5，該錐形光纖5表面涂覆一層半導(dǎo)體量子點薄膜層6，所述的量子點薄膜層6 材料折射率低于錐形光纖5的材料折射率，從而使在錐形光纖5中傳輸?shù)墓獠芡ㄟ^漸逝 波激發(fā)半導(dǎo)體量子點薄膜層6釋放出光子，實現(xiàn)信號光放大。實施例二
參見圖1和圖2，本漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器的制備方法；制備工藝步驟如
下
(1)錐形光纖5的制作，采用氫氧焰或二氧化碳激光作為熱源，對不同單模光纖進行加 熱，基于熔融拉錐工藝?yán)贫?，錐形區(qū)域長度約為1. 6厘米。(2)采用溶膠-凝膠工藝結(jié)合膠體化學(xué)工藝制備半導(dǎo)體量子點材料，具體操作步 驟為
I采用溶膠-凝膠工藝制備摻有甲基的二氧化硅溶膠。以正硅酸四乙酯和甲基三乙 氧基硅烷為前軀體，在酸性環(huán)境下進行水解縮聚反應(yīng)。具體工藝是將正硅酸四乙酯、甲基三 乙氧基硅烷、乙醇、鹽酸水溶液混合，其具體配比為正硅酸四乙酯/甲基三乙氧基硅烷/乙 醇=1/4/8，鹽酸水溶液濃度為0. 04mol/L。利用恒溫磁力攪拌器攪拌混合溶液，采用油浴保 持反應(yīng)溫度50攝氏度，反應(yīng)時間Mh，反應(yīng)后得到無色澄清的溶膠。②在上述制備的二氧化硅溶膠中，利用膠體化學(xué)工藝制備PbS量子點。將乙酸 鉛溶入到甲醇中，滴入乙酸作為催化劑，加入三巰基丙基三甲氧基硅烷硅烷偶聯(lián)劑作為表 面活性劑，具體配比為乙酸鉛/甲醇/乙酸/三巰基丙基三甲氧基硅烷=1 100:3. 5:0. 5， 由此獲得鉛鹽溶液。然后，將該溶液逐步滴加至二氧化硅溶膠中，利用磁力攪拌使其均勻混 合。之后，以硫代乙酰胺提供硫源，溶解于甲醇溶劑中，并將其逐步滴加至含有鉛離子的二 氧化硅溶膠中，其中，鉛和硫的摩爾比為1 :1。在滴加過程中，可以觀察到溶液顏色由淺黃色逐漸變?yōu)槌燃t色、紅色、最終變?yōu)樯罴t棕色，這說明在二氧化硅溶膠中逐步有PbS生成。③為了獲得粒子均勻分散的量子點摻雜材料，將PbS摻雜的二氧化硅溶膠放入 高速離心機中進行離心,離心速度為lOOOOrpm，離心時間15min。(3)制備半導(dǎo)體量子點涂覆錐形光纖通過浸漬提拉法將量子點材料均勻涂覆于 錐形光纖5錐形區(qū)域表面，之后利用烘箱對薄膜進行退火以提高其穩(wěn)定性。薄膜的厚度可 以通過提拉的速度、涂覆的層數(shù)等參數(shù)進行控制。(4)制備光纖放大器參見圖1，把泵浦光源(1)與信號光源(2)通過波分復(fù)用器 (3)與漸逝波激發(fā)量子點放大光纖的輸入端(7)相連接，此時在漸逝波激發(fā)量子點放大光纖 得輸出端(8)即得到光放大信號。本發(fā)明作為光纖放大器，適用于長距離、大容量、高速率的通信系統(tǒng)，光接入網(wǎng)，光 纖CATV網(wǎng)，F(xiàn)TTH和光纖傳感等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器，包括一個泵浦光源(1)、一個信號光源 (2 )、一個波分復(fù)用器(3 )和一個光纖放大器(4 )，所述泵浦光源(1)和信號光源(2 )分別通 過光纖連接波分復(fù)用器(3)的兩個輸入端，波分復(fù)用器(3)的輸出端連接光纖放大器(4)的 輸入端，其特征在于所述光纖放大器(4 )是一段錐形光纖(5 )，該錐形光纖(5 )表面涂覆一 層半導(dǎo)體量子點薄膜層(6)，所述的量子點薄膜層(6)材料折射率低于錐形光纖(5)的材料 折射率，從而使在錐形光纖(5)中傳輸?shù)墓獠芡ㄟ^漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點薄膜層(6) 釋放出光子，實現(xiàn)信號光放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器，其特征在于所述的量 子點薄膜層(6)為硫化鉛PbS摻雜溶膠-凝膠薄膜，其中的硫化鉛PbS溶膠為PbS摻雜的 二氧化硅溶膠。
3.—種漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器制備方法，用于制備根據(jù)權(quán)利要求1所述 的漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器，其特征在于制備工藝特點如下A.錐形光纖(5)的制作對單模光纖進行加熱，基于熔融拉錐工藝?yán)瞥慑F形光纖；B.制備的半導(dǎo)體量子點材料B-1.采用溶膠-凝膠工藝制備摻有甲基的二氧化硅溶膠，以正硅酸四乙酯和甲基三乙 氧基硅烷為前軀體，在酸性環(huán)境下進行水解縮聚反應(yīng)，具體工藝是將正硅酸四乙酯、甲基 三乙氧基硅烷、乙醇、鹽酸水溶液混合，其具體配比為正硅酸四乙酯/甲基三乙氧基硅烷/ 乙醇=1/4/8，鹽酸水溶液濃度為0. 04mol/L，利用恒溫磁力攪拌器攪拌混合溶液，采用油浴 保持反應(yīng)溫度50攝氏度，反應(yīng)時間Mh，反應(yīng)后得到無色澄清的溶膠；B-2.在上述制備的二氧化硅溶膠中，利用膠體化學(xué)工藝制備PbS量子點，將乙酸鉛溶 入到甲醇中，滴入乙酸作為催化劑，加入三巰基丙基三甲氧基硅烷硅烷偶聯(lián)劑作為表面活 性劑，具體配比為乙酸鉛/甲醇/乙酸/三巰基丙基三甲氧基硅烷=1:100:3. 5:0. 5，由此 獲得鉛鹽溶液，然后，將該溶液逐步滴加至二氧化硅溶膠中，利用磁力攪拌使其均勻混合； 之后，以硫代乙酰胺提供硫源，溶解于甲醇溶劑中，并將其逐步滴加至含有鉛離子的二氧化 硅溶膠中，其中，鉛和硫的摩爾比為1 :1 ；在滴加過程中，可以觀察到溶液顏色由淺黃色逐 漸變?yōu)槌燃t色、紅色、最終變?yōu)樯罴t棕色，這說明在二氧化硅溶膠中逐步有PbS生成；B-3.為了獲得粒子均勻分散的量子點摻雜材料，將PbS摻雜的二氧化硅溶膠放入高速 離心機中進行離心，離心速度為lOOOOrpm，離心時間15min ；C.制備的半導(dǎo)體量子點材料制備光纖放大器(4)將步驟A中得到的錐形光纖(5) 通過浸漬提拉法使步驟(2)中得到的半導(dǎo)體量子點材料涂覆于錐形光纖(5)的錐形區(qū)域表D.制成漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器把泵浦光源(1)和信號光源(2)分別通 過光纖連接波分復(fù)用器(3)的兩個輸入端，波分復(fù)用器(3)的輸出端連接光纖放大器(4)的 輸入端(7)，光纖放大器(4)的輸出端(8)即光信號放大端。
全文摘要
本發(fā)明述及一種漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點光纖放大器及其制備方法。它包括一個泵浦光源、一個信號光源、一個波分復(fù)用器和一個光纖放大器，所述泵浦光源和信號光源分別通過光纖連接波分復(fù)用器的兩個輸入端，波分復(fù)用器的輸出端連接光纖放大器的輸入端。所述光纖放大器是一段錐形光纖，該錐形光纖表面涂覆一層半導(dǎo)體量子點薄膜，所述的量子點薄膜材料折射率低于錐形光纖的材料折射率，從而使在錐形光纖中傳輸?shù)墓獠芡ㄟ^漸逝波激發(fā)半導(dǎo)體量子點薄膜層釋放出光子，實現(xiàn)信號光放大。本發(fā)明制備方法簡單，且實現(xiàn)了寬光譜，價格低，體積小，能廣泛應(yīng)用于長距離、大容量、高速率的通信系統(tǒng)，接入網(wǎng)，光纖CATV網(wǎng)，F(xiàn)TTH和光纖傳感的光信號放大等領(lǐng)域。
文檔編號G02B6/02GK102096272SQ20101061655
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者劉倫剛, 龐拂飛, 曾祥龍, 王廷云, 邢潔雯, 郭海潤 申請人:上海大學(xué)