CN102096272A - 渐逝波激发半导体量子点光纤放大器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明述及一种渐逝波激发半导体量子点光纤放大器及其制备方法。它包括一个泵浦光源、一个信号光源、一个波分复用器和一个光纤放大器，所述泵浦光源和信号光源分别通过光纤连接波分复用器的两个输入端，波分复用器的输出端连接光纤放大器的输入端。所述光纤放大器是一段锥形光纤，该锥形光纤表面涂覆一层半导体量子点薄膜，所述的量子点薄膜材料折射率低于锥形光纤的材料折射率，从而使在锥形光纤中传输的光波能通过渐逝波激发半导体量子点薄膜层释放出光子，实现信号光放大。本发明制备方法简单，且实现了宽光谱，价格低，体积小，能广泛应用于长距离、大容量、高速率的通信系统，接入网，光纤CATV网，FTTH和光纤传感的光信号放大等领域。

Description

渐逝波激发半导体量子点光纤放大器及其制备方法

技术领域

本发明述及一种渐逝波激发半导体量子点光纤放大器及其制备方法，属于光纤通信技术和纳米材料技术领域。

背景技术

作为光纤通信系统的核心器件，光纤放大器一直是该领域的研究热点，现有的光纤放大器主要包括稀土掺杂光纤放大器和半导体光放大器。随着光纤通信容量的日益增大，上述两类光放大器日渐显出各自的局限性。稀土掺杂光纤放大器存在放大宽带窄、使用光纤长、增益波段固定等不足；半导体光放大器存在温度稳定性差、噪声大、存在偏振相关性、需要复杂的光纤-波导耦合工艺等不足。因此，在未来高速、密集波分复用光纤通信系统中，需要能够实现宽带宽、快速响应的光纤放大器。基于半导体量子点作为有源介质实现光放大，可以获得大于100nm的放大带宽，利用量子尺寸效应可以调节对光放大波段，从而可以实现覆盖850nm、1310nm以及1550nm全部光纤通信波段。

目前，半导体量子点光纤放大器主要有两种制备技术，一种是基于改进化学气相沉积技术，它直接将半导体量子点材料掺入到石英光纤中（Pramod R. Watekar，1537 nm Emission Upon 980 nm Pumping in PbSe Quantum Dots Doped Optical Fiber，OFC/NFOEC，2008），然而，这种应用于光纤放大器的量子点掺杂光纤制备工艺中存在量子点材料易于高温分解、尺寸和分散性难于控制等问题。另一种是基于光纤耦合器与量子点相结合的光纤放大器（中国发明专利，申请号为200610116368.X），这种放大器存在的问题是对于光纤耦合器的分光比设计比较严格，而且涂覆材料很容易影响其分光比，因此，需要复杂的设计过程以及严格控制的制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于针对已有光纤放大器的不足，提出一种渐逝波激发半导体量子点光纤放大器及其制备方法，该放大器具有放大带宽大、光放大波段易调节、光放大效率高、全光纤结构、放大光纤尺寸短等优点，可用于长距离、大容量、高速率的通信系统，光接入网，光纤CATV网，FTTH和光纤传感等领域。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种渐逝波激发半导体量子点光纤放大器，包括一个泵浦光源、一个信号光源、一个波分复用器和一个光纤放大器，所述泵浦光源和信号光源分别通过光纤连接波分复用器的两个输入端，波分复用器的输出端连接光纤放大器的输入端，其特征在于：所述光纤放大器是一段锥形光纤，该锥形光纤表面涂覆一层半导体量子点薄膜层，所述的量子点薄膜层材料折射率低于锥形光纤的材料折射率，从而使在锥形光纤中传输的光波能通过渐逝波激发半导体量子点薄膜层释放出光子，实现信号光放大。

所述的量子点薄膜层为硫化铅PbS掺杂溶胶-凝胶薄膜，其中的硫化铅PbS溶胶为PbS掺杂的二氧化硅溶胶。

一种渐逝波激发半导体量子点光纤放大器制备方法，用于制备根据权利要求1所述的渐逝波激发半导体量子点光纤放大器，其特征在于制备工艺特点如下：

（1）锥形光纤的制作：对单模光纤进行加热，基于熔融拉锥工艺拉制成锥形光纤；

（2）制备半导体量子点材料：

① 采用溶胶-凝胶工艺制备掺有甲基的二氧化硅溶胶。以正硅酸四乙酯和甲基三乙氧基硅烷为前躯体，在酸性环境下进行水解缩聚反应。具体工艺是将正硅酸四乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇、盐酸水溶液混合，其具体配比为正硅酸四乙酯/甲基三乙氧基硅烷/乙醇 =1/4/8，盐酸水溶液浓度为0.04mol/L。利用恒温磁力搅拌器搅拌混合溶液，采用油浴保持反应温度50摄氏度，反应时间24h，反应后得到无色澄清的溶胶。

② 在上述制备的二氧化硅溶胶中，利用胶体化学工艺制备PbS量子点。将乙酸铅溶入到甲醇中，滴入乙酸作为催化剂，加入三巯基丙基三甲氧基硅烷硅烷偶联剂作为表面活性剂，具体配比为乙酸铅/甲醇/乙酸/三巯基丙基三甲氧基硅烷= 1:100:3.5:0.5，由此获得铅盐溶液。然后，将该溶液逐步滴加至二氧化硅溶胶中，利用磁力搅拌使其均匀混合。之后，以硫代乙酰胺提供硫源，溶解于甲醇溶剂中，并将其逐步滴加至含有铅离子的二氧化硅溶胶中，其中，铅和硫的摩尔比为1：1。在滴加过程中，可以观察到溶液颜色由浅黄色逐渐变为橙红色、红色、最终变为深红棕色，这说明在二氧化硅溶胶中逐步有PbS生成。

③ 为了获得粒子均匀分散的量子点掺杂材料，将PbS掺杂的二氧化硅溶胶放入高速离心机中进行离心，离心速度为10000rpm，离心时间15min。

（3）制备的半导体量子点材料：

制备光纤放大器：将步骤中得到的锥形光纤通过浸渍提拉法使步骤中得到的半导体量子点材料涂覆于锥形光纤的锥形区域表面。

（4）制成渐逝波激发半导体量子点光纤放大器：把泵浦光源和信号光源分别通过光纤连接波分复用器的两个输入端，波分复用器的输出端连接光纤放大器的输入端，光纤放大器的输出端即光信号放大端。

本发明的工作原理：半导体量子点的尺寸小于该半导体的波尔半径，具有显著的量子尺寸效应，一方面费米能级附近的电子能级由准连续态分裂为分立能级，电子和空穴被限制在几何尺寸不大的位能阱中，使分裂的电子态量子化，自由电子在单位面积上的浓度大于非纳米级尺寸的自由电子浓度，提高受激辐射光子的概率，另一方面，由于量子尺寸效应，还会增大半导体的有效禁带宽度，通过改变制备的条件，控制PbS颗粒的尺寸，从而控制放大光纤的工作波长。

泵浦光源（1）所输出的泵浦光波和信号光源（2）所输出的信号光波通过波分复用器（3）合波后，输入到锥形光纤（5）中，由于锥形光纤具有非常细的直径，泵浦光波和信号光波都将有渐逝波场渗透到半导体量子点薄膜层（6）中，泵浦光具有较高的能量，基于受激吸收原理，可以将半导体量子点载流子从价带激发到导带，同时，基于受激辐射原理，信号光波渐逝波场诱发导带上的载流子受激辐射，使载流子重新回到价带，同时释放出与信号光的频率、相位以及传输方向完全相同的光子，从而实现信号光的放大。

与现在的光纤放大器相比，本发明具有如下优点： 

（1）以半导体量子点作为光增益物质，具有辐射光谱范围宽的优点，能够光纤通信系统的波分复用能力；此外，基于量子尺寸效应，放大器的增益波段灵活可调，选择不同尺寸的量子点可以覆盖850nm、1310nm和1550nm光纤通信波段。

（2）基于常规单模/多模光纤实现半导体量子点光放大器，具有全光纤结构，能直接用于光纤通信系统中，不存在任何接入耦合问题。

（3）光与增益介质之间通过渐逝波的方式相互作用，与常规的EDFA和SOA相比，掺杂对信号光所产生的散射损耗大大减小，有利于提高放大器效率。

（4）相对于平面集成量子点光放大器，具有成本低、偏振相关性小、无需复杂的平面工艺、封装工艺及芯片与光纤耦合技术等。

附图说明：

图1为本发明一个实施例的结构框图；

图2为涂覆半导体量子点薄膜的锥形光纤示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施进一步说明：

实施例一：参见图1，本渐逝波激发半导体量子点光纤放大器，包括一个980nm波长的泵浦光源1、一个1310nm信号光源2、和一个980/1310nm波分复用器3、单模锥形光纤5和硫化铅PbS掺杂溶胶-凝胶薄膜6组成。所述的泵浦光源1、一个信号光源2、一个波分复用器3和一个光纤放大器4，所述泵浦光源1和信号光源2分别通过光纤连接波分复用器3的两个输入端，波分复用器3的输出端连接光纤放大器4的输入端。所述光纤放大器4是一段锥形光纤5，该锥形光纤5表面涂覆一层半导体量子点薄膜层6，所述的量子点薄膜层6材料折射率低于锥形光纤5的材料折射率，从而使在锥形光纤5中传输的光波能通过渐逝波激发半导体量子点薄膜层6释放出光子，实现信号光放大。

实施例二：

参见图1和图2，本渐逝波激发半导体量子点光纤放大器的制备方法；制备工艺步骤如下：

（1）锥形光纤5的制作，采用氢氧焰或二氧化碳激光作为热源，对不同单模光纤进行加热，基于熔融拉锥工艺拉制而成，锥形区域长度约为1.6厘米。

（2）采用溶胶-凝胶工艺结合胶体化学工艺制备半导体量子点材料，具体操作步骤为：

 采用溶胶-凝胶工艺制备掺有甲基的二氧化硅溶胶。以正硅酸四乙酯和甲基三乙氧基硅烷为前躯体，在酸性环境下进行水解缩聚反应。具体工艺是将正硅酸四乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇、盐酸水溶液混合，其具体配比为正硅酸四乙酯/甲基三乙氧基硅烷/乙醇 =1/4/8，盐酸水溶液浓度为0.04mol/L。利用恒温磁力搅拌器搅拌混合溶液，采用油浴保持反应温度50摄氏度，反应时间24h，反应后得到无色澄清的溶胶。

 在上述制备的二氧化硅溶胶中，利用胶体化学工艺制备PbS量子点。将乙酸铅溶入到甲醇中，滴入乙酸作为催化剂，加入三巯基丙基三甲氧基硅烷硅烷偶联剂作为表面活性剂，具体配比为乙酸铅/甲醇/乙酸/三巯基丙基三甲氧基硅烷= 1:100:3.5:0.5，由此获得铅盐溶液。然后，将该溶液逐步滴加至二氧化硅溶胶中，利用磁力搅拌使其均匀混合。之后，以硫代乙酰胺提供硫源，溶解于甲醇溶剂中，并将其逐步滴加至含有铅离子的二氧化硅溶胶中，其中，铅和硫的摩尔比为1：1。在滴加过程中，可以观察到溶液颜色由浅黄色逐渐变为橙红色、红色、最终变为深红棕色，这说明在二氧化硅溶胶中逐步有PbS生成。

 为了获得粒子均匀分散的量子点掺杂材料，将PbS掺杂的二氧化硅溶胶放入高速离心机中进行离心，离心速度为10000rpm，离心时间15min。

（3）制备半导体量子点涂覆锥形光纤：通过浸渍提拉法将量子点材料均匀涂覆于锥形光纤5锥形区域表面，之后利用烘箱对薄膜进行退火以提高其稳定性。薄膜的厚度可以通过提拉的速度、涂覆的层数等参数进行控制。

（4）制备光纤放大器：参见图1，把泵浦光源（1）与信号光源（2）通过波分复用器（3）与渐逝波激发量子点放大光纤的输入端（7）相连接，此时在渐逝波激发量子点放大光纤得输出端（8）即得到光放大信号。

本发明作为光纤放大器，适用于长距离、大容量、高速率的通信系统，光接入网，光纤CATV网，FTTH和光纤传感等领域。

Claims (3)

1.一种渐逝波激发半导体量子点光纤放大器，包括一个泵浦光源（1）、一个信号光源（2）、一个波分复用器（3）和一个光纤放大器（4），所述泵浦光源（1）和信号光源（2）分别通过光纤连接波分复用器（3）的两个输入端，波分复用器（3）的输出端连接光纤放大器（4）的输入端，其特征在于：所述光纤放大器（4）是一段锥形光纤（5），该锥形光纤（5）表面涂覆一层半导体量子点薄膜层（6），所述的量子点薄膜层（6）材料折射率低于锥形光纤（5）的材料折射率，从而使在锥形光纤（5）中传输的光波能通过渐逝波激发半导体量子点薄膜层（6）释放出光子，实现信号光放大。

2.根据权利要求1所述的渐逝波激发半导体量子点光纤放大器，其特征在于所述的量子点薄膜层（6）为硫化铅PbS掺杂溶胶-凝胶薄膜，其中的硫化铅PbS溶胶为PbS掺杂的二氧化硅溶胶。

3.一种渐逝波激发半导体量子点光纤放大器制备方法，用于制备根据权利要求1所述的渐逝波激发半导体量子点光纤放大器，其特征在于制备工艺特点如下：

A.锥形光纤（5）的制作：对单模光纤进行加热，基于熔融拉锥工艺拉制成锥形光纤；

B.制备的半导体量子点材料：

B-1.采用溶胶-凝胶工艺制备掺有甲基的二氧化硅溶胶，以正硅酸四乙酯和甲基三乙氧基硅烷为前躯体，在酸性环境下进行水解缩聚反应，具体工艺是：将正硅酸四乙酯、甲基三乙氧基硅烷、乙醇、盐酸水溶液混合，其具体配比为正硅酸四乙酯/甲基三乙氧基硅烷/乙醇 =1/4/8，盐酸水溶液浓度为0.04mol/L，利用恒温磁力搅拌器搅拌混合溶液，采用油浴保持反应温度50摄氏度，反应时间24h，反应后得到无色澄清的溶胶；

B-2.在上述制备的二氧化硅溶胶中，利用胶体化学工艺制备PbS量子点，将乙酸铅溶入到甲醇中，滴入乙酸作为催化剂，加入三巯基丙基三甲氧基硅烷硅烷偶联剂作为表面活性剂，具体配比为乙酸铅/甲醇/乙酸/三巯基丙基三甲氧基硅烷= 1:100:3.5:0.5，由此获得铅盐溶液，然后，将该溶液逐步滴加至二氧化硅溶胶中，利用磁力搅拌使其均匀混合；之后，以硫代乙酰胺提供硫源，溶解于甲醇溶剂中，并将其逐步滴加至含有铅离子的二氧化硅溶胶中，其中，铅和硫的摩尔比为1：1；在滴加过程中，可以观察到溶液颜色由浅黄色逐渐变为橙红色、红色、最终变为深红棕色，这说明在二氧化硅溶胶中逐步有PbS生成；

B-3.为了获得粒子均匀分散的量子点掺杂材料，将PbS掺杂的二氧化硅溶胶放入高速离心机中进行离心，离心速度为10000rpm，离心时间15min；

C.制备的半导体量子点材料：制备光纤放大器（4）：将步骤A中得到的锥形光纤（5）通过浸渍提拉法使步骤（2）中得到的半导体量子点材料涂覆于锥形光纤（5）的锥形区域表面；

D.制成渐逝波激发半导体量子点光纤放大器：把泵浦光源（1）和信号光源（2）分别通过光纤连接波分复用器（3）的两个输入端，波分复用器（3）的输出端连接光纤放大器（4）的输入端（7），光纤放大器（4）的输出端（8）即光信号放大端。

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