CN102272644A - 量子点介导的光纤信息检索系统和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于工作的单模光纤通信系统的非侵入性且实时的诊断分析概念和使用所述系统的方法。该系统包括能够被非侵入性地诊断的光纤，所述光纤包括用于传送光束的光纤。该光纤包括用于接收光束的第一末端和与之相对的第二末端、包括内壁的芯部和芯部周围的包层，该光纤进一步包括至少一个无包层部分，该无包层部分包括分散在介质中的多个量子点，并且其中该量子点变为由渐逝波耦合激活，渐逝波耦合由接触光纤的芯部的内壁的光束的全内反射引起，并且其中该激活导致光从量子点发射。

Description

量子点介导的光纤信息检索系统和使用方法
技术领域
本公开通常涉及光纤，并且更具体地涉及用于工作的光纤的实时诊断分析的非侵入性传感机构。
背景技术
虽然光纤传输系统具有许多的优点，但其也存在一些有问题的方面。例如，(1)发射机功率承受较高的制造公差；(2)发射机功率随时间减小(取决于波长，从仅仅可探测至非常强)；(3)由塑料制成的光纤老化非常快，特别是在暴露于较强的温度波动下时；(4)通过频繁变化插头，光纤的触点表面出现刮痕，这额外增加了衰减；以及(5)接收机的灵敏度同样承受较高的制造公差。一个最糟糕的问题是由老化和减少的发射机功率提出的。光纤链路的故障可损坏整个系统，所述故障例如由于光纤的高衰减引起。
建立了几种不同的方法监控光纤传输系统的可用状态，从而探测这种问题。然而，目前的方法极端地复杂，具有侵入性，并且经常伴随通信操作的中断。例如，一种方法涉及机械施压和将光纤的裸露(无包层)部分相对于工作的纤维的无包层部分临界对准，以便通过渐逝波(evanescent wave)耦合来提取信息(即，通过借助渐逝的、按指数下降的电磁场使电磁波从一个介质发射到另一个介质的过程)。另一种方法涉及弯曲工作的纤维到足够使承载光波的被发射的信息落入纤维的逃逸锥(escape cone)，以便可通过诊断传感器检索到。
这样，有益的是具有一种非侵入性的光纤传感器，其用于对具有最小的中断和复杂度的信号和信息传输执行实时诊断。
发明内容
本公开涉及光学传感器设备以及该设备的使用方法，以便以简单的非侵入性的方式实时诊断工作的单模光纤通信系统。本公开的设备和方法同样不需要另一光纤的任何压紧配合或临界对准或弯曲该光纤以便为了耦合渐逝波而接触工作的纤维。
本公开的一个方面提供了能够被非侵入性地诊断的光纤，其包括用于传送光束的光纤；该光纤包括用于接收所述光束的第一末端和与之相对的第二末端、包括内壁的芯部和所述芯部周围的包层，该光纤进一步包括至少一个无包层部分，该无包层部分包括分散在介质中的多个量子点，其中所述量子点变为由渐逝波耦合来激活，所述渐逝波耦合由接触光纤的芯部的内壁的所述光束的全内反射(total internalreflection)引起，并且其中该激活导致光从量子点发射。
在一个实施例中，多个量子点包括能带隙，该能带隙低于光束的能带隙。在另一个实施例中，将量子点调谐到发射红外光。
本公开的另一个方面提供了一种用于非侵入性且实时诊断光纤的系统，该系统包括用于传送光束的光纤，该光纤包括用于接收所述光束的第一末端和与之相对的第二末端、包括内壁的芯部和所述芯部周围的包层，所述光纤进一步具有至少一个无包层部分，其中该无包层部分包括分散在介质中的多个量子点；将光束注入光纤的第一末端的光源；用于探测由多个量子点发射的光的探测设备；和可操作地连接到探测器的用于分析被探测的光的分析装置。
本公开的另一个方面提供了一种非侵入性地诊断光纤的方法，该方法包括将包含分散在其内的多个量子点的介质置于光纤的无包层部分上；将光束注入光纤的一个末端；以及探测从由渐逝波耦合激活的量子点发射的任何光，所述渐逝波耦合由接触光纤的芯部的内壁的光束的内部反射引起。
通过随后的讨论和所附的权利要求将更充分地使各种其他方面、特征和实施例变得显然。已经讨论过的特征、功能和优点可在本公开的各种实施例中独立实现，或者也可结合其他实施例，所述实施例的更多细节参考下面的说明和附图可见。
附图说明
图1是根据本公开的光纤通信纤维的一个实施例的图解。
图2A、图2B和图2C是根据本公开的一些实施例的光纤的横截面侧视图的图解。
图3是示出了PbS的吸收和发射光谱的曲线图。
图4是示出了包括InGaAs的量子点的能带隙随Ga组分变化的曲线图。
图5A是根据本公开描述光如何穿过光纤电缆的图解。图5B是光接触光纤的芯部的内壁的详细视图，突出全内反射和渐逝波生成的概念。
图6是根据本公开说明量子点如何被渐逝波耦合激发的详细视图，所述渐逝波耦合通过在光纤的芯部行进的光的全内反射产生。
图7是突出根据本公开量子点如何落入渐逝波耦合的三分之一波长或次最佳距离(less optimal distance)的图表。
图8示出了具有0.53的In和0.47的Ga浓度和光纤通信系统的典型传输波长的InGaAs量子点的吸收和发射光谱的图解。
图9表示根据本公开的一个实施例具有多个无包层区域的光纤通信纤维。
图10表示根据本公开的一个实施例的系统的示例。
具体实施方式
除非另外定义，本文使用的全部技术和科学术语与本公开属于的领域的普通技术人员普遍的理解具有相同意义。尽管类似于或等价于本文描述的方法和材料可用于本公开的实践或测试，但本文描述的是优选的方法和材料。
本文使用的冠词“一”和“一个”涉及一个或涉及多于一个(即，至少一个)的该冠词的语法对象。通过示例的方式，“一种元素”意思是至少一种元素并且可以包括多于一种元素。
如本文使用的，术语“光”和“光子”可交换使用，并且被定义为离散束的电磁能且意图包括伽马射线、X-射线、紫外线、可见光、红外光、微波和无线电波。
如本文使用的，术语“分散的”被定义为精细颗粒(例如，多个量子点)大致均匀地分布或散布在整个介质。
本文使用的术语“光学通信”被定义为一个对象接触从不同的对象反射或发射的光的能力。例如，当从量子点发射的光能够接触到探测器时，本公开的光探测器处于与本公开的量子点的光学通信中。
本文使用的术语“可操作地连接”被定义为两个设备或对象的连接，以便每个设备或对象都能够因所述连接而进行通信(例如，在两个设备间传送数据)和/或发挥作用。
术语“光束”和“载体光波”在本文中可交换地使用并且涉及在光纤的芯部内行进的光。
本文使用的术语“激活”涉及由于外部激励(例如热量、渐逝波耦合、电压、光子通量等)电子从量子点的价电带到导电带的运动。成为一对的激发的(raised)电子和产生的空穴被称为激子。激发的电子只在回到价电带前在导电带中停留一段很短的时期。当电子回落穿过能带隙时，发射具有相应于其在跃迁中损耗的能量的波长的电磁辐射。如本文使用的，术语“发射光”涉及激发的电子回落穿过能带隙时所释放的被发射的电磁辐射。
术语“光纤电缆”、“光纤”、“光学通信纤维”和“光学电缆”在本文中可交换地使用并且涉及那些沿其长度运送光的纤维。通常，用于光纤通信的最长的波长约为1550nm。
本公开涉及具有简单且非侵入性的方式的工作的单模光纤通信系统的实时诊断分析。参考图1，示出了用于运送光束2的光纤1。该光纤1包括用于接收光束的第一末端3和与之相对的第二末端4、包括内壁5a的芯部5和芯部5周围的包层6。该光纤1还包括至少一个无包层部分7。无包层部分7内部是分散在介质9中的多个量子点8，并且所述多个量子点8被定位为使得所述多个量子点8与行进穿过光纤1的光进行光学通信。
无包层部分7可通过除去部分包层6获得。可以使用本领域技术人员公知的多种技术完成包层6的除去，例如等离子体工艺、化学蚀刻和激光工艺。例如，可通过逐渐地去除暴露的包层材料而使用化学试剂来完成化学蚀刻，例如以相当线性的方式溶解光纤组分的氢氟酸(HF)。可替代地，使用激光工艺可能是有利的，与化学蚀刻相比，激光工艺为光纤的机械特性和物理特性提供了更大的适应性和改进的完整性。不必要从部分光纤去除所有的包层。事实上，只从部分光纤去除包层可能是有利的，由于需要去除较少的材料以到达芯部，因此减少了损害纤维的机械完整性的危险。图2中说明了这种实施例。例如，某些实施例中，并且如图2A所示，可从光纤的芯部周围完整地去除包层，因此完全地暴露光纤芯部5和内部光纤芯壁5a。在其他实施例中，并且如图2B所示，可只从光纤电缆的一半去除包层6，因此只暴露一半的芯部5和内部芯壁5a。在另一个实施例中，并且如图2C所示，可只从光纤电缆的四分之一去除包层6，因此只暴露四分之一的芯部5和内部芯壁5a。这些图只是说明性的，并且去除电缆芯部周围的0.1°至360°的包层包括在本公开的范围内。去除的包层的量将取决于许多因素，例如芯部接触需要的量、光纤电缆的强度/完整性、等等，并且这些因素可由本领域技术人员容易地确定。
再参考图1，光纤1的无包层部分7包括分散在介质9中的多个量子点8。
如普通技术人员所理解的，本公开中的术语“量子点”(“QD”)用于表示半导体纳米晶体。QD是尺寸相当于激子(即，束缚态的电子和电子空穴)的玻尔(Bohr)半径的半导体材料。QD改为展示相同组分的疏松材料中发现的那些原子的特征。典型地，并且如图3大致地显示，对于PbS，QD示出了高于其能带隙(即，材料的非导电态和导电态之间的能量差)的广泛的吸收和与疏松材料形成对比的与QD的吸收分开很大程度的非常窄的发射。此外，响应时间，即光子吸收和光子发射时间，处于皮秒范围，因此易于遵从光纤传输的信息调制率。参看，例如Otsubo，K.Japanese Journal of Applied Physics，Part 2-Letters and Express Letters.(2004)43，L1124；和Kuntz，M.ElectronicLetters.(2005)41，244。
根据本公开，QD包含“芯部”，该“芯部”是纳米颗粒尺寸的半导体。半导体是来自元素周期表的元素的化学化合物，并且根据组成半导体的那些元素而分族。例如，II-VI族半导体包含来自元素周期表的II族和/或VI族的元素(例如，ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、HgS、HgSe、HgTe、其合金和其混合物)。III-V族半导体包含来自元素周期表III族和/或V族的元素(例如，GaAs、GaP、GaSb、InGaAs、InAs、InP、InSb、AlAs、AlP、AlSb、其合金和其混合物)，IV族半导体包含来自元素周期表IV族的元素(例如，Ge、Si)，并且IV-VI族半导体包含来自元素周期表IV族和/或VI族的元素(例如，PbS、PbSe、PbTe)。
QD也可包含由不同的材料组成的芯部和帽部(cap)(即，QD的荧光可以通过使用芯部/帽部结构增加和增强)。因此，在需要QD的荧光的那些实施例中，可使用芯部/帽部结构。如本文使用的，术语“帽部”涉及的半导体不同于芯部的半导体并且结合到芯部，因此在芯部上形成表面层或壳。所述帽部必须使得基于与给定的半导体芯部的组合而导致发光的量子点。在这点上，所述帽部帮助稳定和增强由激发的芯部发射的荧光(例如，当该芯部接触紫外光时)。优选地，所述帽部通过具有比芯部更高的能带隙而钝化芯部，因此QD的激发限于芯部，从而除去非辐射的路径并防止光化学降解。QD芯部的典型示例包括但不限于ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdO、CdS、CdSe、CdTe、MgS、MgSe、GaSa、GaN、GaP、GaSb、HgO、HgS、HgSe、HgTe、InAs、InN、InP、InSb、AlAs、AlN、AlP、AlSb、其合金及其组合。在本公开的范围内的一些芯部：帽部组合的示例包括但不限于CdS/HgS/CdS、InAs/GaAs、GaAs/AlGaAs和CdSe/ZnS。通常，该帽部是1-10个单层厚的，更优选地为1-5个单层，且最优选地1-3个单层。几分之一的单层也被包含在本公开中。不管是使用单个芯部还是芯部/帽部结构，整个QD优选地具有从0.5nm到50nm的直径范围，更优选地从1nm到30nm，更优选地从1nm到20nm，且更优选地从1nm到10nm。
QD可以多种方式合成并且为本领域技术人员公知。一些常见的方法包括(1)由于在阱的厚度中的单层波动引起的量子阱结构中的自然发生；(2)在分子束外延(MBE)和金属有机物气相外延(MOVPE)期间，当材料在与其晶格不匹配的基底中生长时，在一定条件下QD能够自发地自组装成核；(3)从存在于远距离地掺杂量子阱或半导体异质结构中的二维的电子或空穴气体产生单个QD的能力；和(4)化学法，比如在高温有机溶液中合成ZnTe QD(参看，例如，Zhang，J.等人Materials Research Society Symposium Proceedings，Vol.942，2006)。用于QD合成的这些及其他过程在本领域中是公知的，如美国专利No.5,906,670、No.5,888,885、No.5,229,320、No.5,482,890、和Hines，M.A.J.Phys.Chem.，100，468-471(1996)、Dabbousi，B.O.J.Phys.Chem.B，101，9463-9475(1997)，Peng，X.，J.Am.Chem.Soc.，119，7019-7029(1997)中公开的。
由QD发射的波长按照该QD的物理特性被选择，例如纳米晶体的尺寸。众所周知，QD发射从大约300nm到大约1700nm的光。例如可制造发射人眼可见颜色的CdSe QD，以便与比所需颜色的最高能量更高的能量的源结合，这些QD可适合于制造可见光的光谱分布。还可制造在紫外线和红外线光谱范围中发光的QD。
可通过变化QD的组分和尺寸和/或通过在芯部周围以同心壳体的形式添加一个或更多个帽部而加宽该QD的能带隙宽度，从而“调谐”QD。随着QD接近该QD的半导体的激发玻尔半径，能带隙将变得更宽。因此，QD越小，能带隙越宽。例如，砷化铟具有0.36eV的能带隙。从这个QD发射的光具有2.78μm的红外波长。然而，通过制成具有0.53的铟和0.47的镓的组分的砷化铟的三元合金，发射光的波长可以改变为1.68μm。图4中描述了这个概念，其示出了随镓的含量的变化InGaAs三元合金中的能带隙变化。因此，改变能带隙，并因此改变QD吸收或发射的光的颜色，只需要添加或从QD减少原子。
按照本公开，QD被调谐到吸收用于光纤通信的最长波长，其通常是大约1550nm。然后，在吸收和发射光谱曲线间具有少量重叠或无重叠的波长处，QD必须能吸收充足的能量，该波长将长于1550nm。(参看，例如，图4)。因此，按照本公开，该QD的能带隙优选地低于载体光波的能带隙。此外，本公开的QD基于在光纤电缆内的光束的全内反射产生的渐逝波耦合的激发而发射的波长优选地在红外(IR)波长区域中。几种类型的红外发射QD为本领域技术人员公知，且在本公开的范围内。这种示例包括但不限于InAs、InGaAs、PbS、CdTe、MgTe、PbSe、CdTeS、InSb、InAsSb、GaSb、CdS帽状的CdTexSel、Gd3+、及其组合。Finlayson，C.等人，Adv.Solid-State Photonics，TechnicalDigest(Optical Society of America，2005)，paper W1322；Mao，W.等人，Nanotechnology.2007 18(48)：485611.1-485611.7；Leon，R.等人，Proc.SPIE 1999.3794：8-14；Jin，T.等人，Chem Commun.2008，5764-5766；Krier，A.等人，Physica E-Low-Dimensional Systems&Nanostructures.2006.15(3)：159-163；Jiang，W.等人，Chemistry of Materials.2006.18：4845；和Wasserman，D.等人Proc.SPIE.2006.6386：63860E。
如本文使用的，术语“红外光”涉及波长长于可见光但短于太赫兹(terahertz)辐射和微波的光。红外光的波长在750nm和1mm之间。根据国际照明委员会，红外光包括基于波长的三个“分支”。这些分支包括：(1)红外线-A(IR-A)，其波长范围为大约700nm到1400nm；(2)红外线-B(IR-B)，其波长范围为大约1400nm到3000nm；和(3)红外线-C(IR-C)，其波长范围为大约3000nm到1mm。本领域技术人员也将认识到，红外光也可根据下面的方案被细分类：(1)近红外线(NIR)，其波长在大约0.75到1.4μm；(2)短波红外线(SWIR)，其波长大约1.4μm到3μm；(3)中波红外线(MWIR)，其波长为大约3μm到8μm；(4)长波红外线(LWIR)，其波长大约8μm到15μm；和(5)远红外线(FIR)，其波长大约15μm到1000μm。所有这些都在本公开的范围内。在某些实施例中，多个QD在红外线区域中发射光并且波长为大约0.1μm到1000μm，从大约0.7μm到750μm、从大约1.0μm到大约500μm，并且从大约1.5μm到大约250μm。
根据本公开，多个QD 8分散在介质9内。本文使用的术语“介质”9涉及QD 8可分散的且至少部分透明或半透明(即，允许光穿过或使光传播经过)的任意材料。
纤维光学使用全内反射特性以在没有信号的显著损失的情况下保持光束的聚焦。全内反射是结合反射和折射的作用。图5A中描述了这个概念。具体地，行进穿过光纤1的光具有确定角度的角度容量(angularcontent)，所述角度容量包含在在沿纤维10平行行进的射线和在纤维的芯部5a的内壁上经过全内反射11的射线之间，所述确定角度公知为临界全内反射角(θc)。图5B示出了如图5A所示的光射到光纤芯壁5a的内壁的位置处的特写。这些临界角通过下面的公式(等式1)确定：
θc＝sin-1(n2/n1)    等式1
其中n1和n2分别是纤维的芯部5和包层6的折射率。这个角度在该光的射线和与纤维芯壁的法线之间测量。具有等于或大于这个值(θc)的角度的射线将在纤维芯壁上反射，并且具有低于这个值(θc)的角度的射线将部分地穿过该壁。
在全内反射的点处，且如图5B所示，当正弦波在该光纤芯部5a的内壁的内部以大于临界角的角度反射时，形成渐逝波12，从而发生内部反射。这些渐逝波的强度随着距其形成的界面的距离按指数衰减。同样在内部反射的点处形成的是反射回到光纤芯部5中的驻波12a。
如前所述且根据等式1，为了获得最佳的结果，经由相对于纤维的芯部的折射率适当选择介质的折射率，最优化了从光纤的芯部到含有QD的介质的光的耦合。这通过使介质的折射率低于纤维的芯部的折射率来实现。下面的表1提供了适合用作本公开中介质的多种材料及其各自的指数。
表1
 材料   折射率(近似)
 玻璃，三硫化二砷   2.04
 玻璃，冕牌玻璃(Crown)(普通)   1.52
 玻璃，火石玻璃(含铅29％)   1.569
 玻璃，火石玻璃(含铅55％)   1.669
 玻璃，火石玻璃(含铅71％)   1.805
 玻璃，熔融石英   1.459
 玻璃，高硼硅(Pyrex)玻璃   1.474
 卢塞特树脂(Lucite)   1.495
 塑料   1.46-1.55
 盐类   1.516
 聚苯乙烯   1.55-1.59
 聚酰亚胺   1.70
 聚丙烯酰胺   1.48
 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)   1.48
 聚乙烯   1.51
 聚丁二炔   1.50
  多聚糖   1.10-1.80
  聚砜   1.63
  多吡咯   1.334
  聚噻吩   1.95-2.28
  聚醚   1.42-1.45
  环氧树脂   1.49-1.53
  石英玻璃   1.459
  硅胶   1.47
  硅氧烷   1.44
  多磷酸盐   1.48
  水凝胶   1.48-1.55
  琼脂糖   1.33-1.51
  纤维素   1.46
  溶胶凝胶   1.40-1.60
  聚碳酸酯   1.55
  聚丙烯   1.51
应该注意，介质的折射率可通过变换其组分和/或特性来改变，这是本领域技术人员公知的。例如，对PMMA的折射率可通过将PMMA暴露于离子束来改变，参看，例如，Biersack，J.等人Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research.1990.Section B，46(1-4)：309-312。类似地，无机化合物的添加也可改变介质的折射率。参看，例如，美国专利No.7,192,999。对于聚丙烯酰胺，折射率可以通过增加/去除蔗糖来改变。参看，例如，Franklin，J.等人Chem.Mater.2002.14：4487-4489。在某些实施例中，介质材料可包括但不限于：溶胶-凝胶玻璃(Sol-Gelglass)、聚丙烯酸酯(polyacrylate)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚酰亚胺(polyimide)、聚丙烯酰胺(polyacrylamide)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、聚乙烯(polyethylene)、乙烯聚合物(polyvinyl)、聚丁二炔(poly-diacetylene)、聚苯亚乙烯(polyphenylene-vinylene)、多肽(polypeptide)、多聚糖(polysaccharide)、聚砜(polysulfone)、聚吡咯(polypyrrole)、聚唑亚胺(polyimidazole)、聚噻吩(polythiophene)、聚醚(polyether)、环氧树脂(epoxies)、石英玻璃(silica glass)、硅胶(silica gel)、氟锆酸盐玻璃(fluorozirconate glass)、氟铝酸盐玻璃(fluoroaluminateglass)、硫系玻璃(chalcogenide glass)、硅氧烷(siloxane)、多磷酸盐(polyphosphate)、水凝胶(hydrogel)、琼脂糖(agarose)、纤维素(cellulose)等等。在某些实施例中，介质是溶胶-凝胶玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯。在下面的参考文献中公开了溶胶-凝胶化学性质和用于通过溶胶-凝胶化学性质制备无机基质的示例性的单体：参看，例如，C.J.Brinker等人Sol-Gel Science，The Physics and Chemistry of Sol-Gel  Processing，Academic Press，San Diego(1990)；D.R.Ulrich J.Non-Cryst.Solids(1990)121：419；G.L.Wilkes等人，Silicon-Based Polymer Science，Advances in Chemistry Series 224；J.M.Ziegler and F.W.Fearon，Eds.Am.Chem.Soc.，Wash.，D.C.(1990)，pp.207-226；R.Dagani，Chemical&Engineering News(1991)69-21：30；P.Calvert，Nature(1991)353：501；和B.M.Novak，Adv.Mater.(1993)5：422。
分散在介质中的QD的插入可能以本领域技术人员公知的许多方式置于光纤的无包层部分的内部。例如，在QD处于粉末中的情况下，通过用环氧胶结合该QD，该QD可置于开口内部，优选地环氧胶具有的折射率小于纤维的芯部的折射率。所述介质也可被结合到石英粉末中，所述石英粉末能够通过以加热设备加热而熔化到开口中，加热设备例如为激光器。在介质能够被激光器熔化且不破坏量子点的情况下，所述介质可直接熔化到无包层部分中。可替换地，所述介质可包括在浆料中，所述浆料可通过紫外线(UV)或激光照射而固化。在所述介质不能被减小尺寸成为粉末或浆料的情况下，其可被化学地蚀刻或激光加工以匹配无包层部分的形状。然后，所述介质可用例如环氧树脂“粘结”到位。
再参考图1，光纤电缆1包含无包层部分7，其中在无包层部分7内部是分散在介质9中的多个量子点8。根据本公开的优选实施例，介质9不穿透到光纤芯部5的内部，因此允许以最小至无信号中断的光纤电缆1的非侵入性诊断。反之，且如图6所示，由载体光束2的内部反射的正弦波产生的渐逝波12通过渐逝波耦合被QD 8在表面吸收，即，电磁波借助渐逝波从一个介质传送到另一个介质的处理。这些QD依次变为激发的QD 8a，且以其能带隙的波长发射光13。如图7所示，因为优选的QD的尺寸通常在1-10nm之间，所以其恰好落入渐逝波耦合的三分之一波长或次最佳距离。例如，渐逝波耦合的距离近似为1550nm，并且波长的三分之一近似为517nm。再参考图6，发射光13之后可通过探测设备14被收集，所述探测设备14与光纤电缆1的QD 8进行光学通信(并且激活QD 8a)，并且所述探测设备14的传输窗口将与激活的QD 8a的峰值发射相匹配。例如，并且如图8所示，包含InGaAs的QD发射具有近似为1680nm的峰值发射波长的光，因此，探测设备14将具有与这个峰值发射波长或1680nm相匹配的传输窗口。最后，再参考图6，将通过分析装置15分析被收集的数据，所述分析装置15可操作地连接到探测设备14，从而测量所需要的参数。
所述介质可以具有各种厚度，只要分散在介质内部的QD可与由在光纤的芯部内行进的载体光波的全内反射产生的渐逝波接触。介质适合的厚度包括但不限于，例如，从大约1μm到50μm厚、从大约2μm到40μm厚、从大约3μm到35μm厚、从大约4μm到30μm厚和从大约6μm到26μm厚。
如本文所使用的，术语“探测设备”涉及能够探测光的任何设备。示例包括但不限于：由CalSensors公司制造的AP系列、AT1系列、AT2系列和AT2S系列的红外探测器，等等。优选地，所述设备将能够探测低光级/微光(即，低光敏感的)。更优选地，所述设备将为低光敏感的红外探测器。在某些实施例中，光学探测装置包括具有与QD的峰值发射相匹配的传输窗口的带通滤波器。在其他的实施例中，光学探测设备包括具有与QD的峰值发射相匹配的传输窗口的陷波滤波器。
如本文所使用的，术语“分析装置”涉及能够分析通过为本领域技术人员公知的探测设备收集的数据的任何设备，例如光谱分析仪。适合的分析装置包括但不限于：Yokogawa Electronic公司制造的AQ6331光谱分析仪(OSA)，Anritsu公司制造的MS9780A OSA，Advantest制造的Q8344A OSA、Q8347 OSA、Q8383 OSA和Q8381A OSA，Agilent制造的71450B OSA、71451B OSA和71452B OSA，等等。在某些实施例中，所述分析装置进一步地包括能够恢复光束中承载的信息的解调设备。
在本公开的另一个实施例中，并且如图9中所示，光纤电缆1可以包括多个无包层部分7。该无包层部分7可被置于沿光纤电缆1的任何地方并且可由本领域技术人员容易地确定。在一个实施例中，每个无包层部分7包括具有同样特征(例如，类似的能带隙、类似的折射率、等等)的QD 8和介质9。在另一个实施例中，每个无包层部分7可以包括不同类型的QD 8和/或介质9。例如，一个无包层部分7可以包括被调谐以发射具有2.78μm的波长的光的多个砷化铟QD，而另一个无包层部分7可包括被调谐以发射具有1.68μm的波长的光的多个砷化铟镓QD。在其他实施例中，无包层部分7可包括具有不同的折射率的介质9，从而改变光可行进穿过不同介质9的速度。无包层部分7的数目、所使用的QD 8的类型和介质9的类型将取决于待测量的参数并且可容易地由本领域技术人员确定。然后，从被激发的QD 8a发射的光13可通过一个或更多个探测设备14收集并且通过一个或更多个分析装置15分析，从而测量不同的参数。
根据本公开的另一个方面并且参考图10，还提供了用于包括至少一个无包层部分7的光纤通信纤维1的非侵入性诊断的系统200，其中在无包层部分7内部的是分散在介质9中的多个QD 8，如前所述。该系统包括用于将载体光波2输入到光纤1的第一末端3中的光发生装置16。一旦由渐逝波耦合激活QD 8，被激发的QD 8a以QD能带隙的波长发射光13，其中所述渐逝波耦合由载体光波2全内反射出纤维的芯部5a的壁产生。与光纤1的无包层部分7进行光学通信的探测设备14也被提供用于探测由激活的QD 8a发射的光13。这种系统进一步提供了分析装置15，该分析装置15可操作地连接到探测设备14以用于分析从激活的QD 8a发射的光13。
因此，为了根据本公开诊断所述系统，分散在无包层部分内部的介质中的QD由在光纤的芯部内行进的载体光束的全内反射产生的渐逝波耦合激发。然后，被激发的QD以根据QD能带隙的波长发射光。然后，被发射的光通过可操作地连接到光纤电缆的无包层部分的探测设备收集。然后，所收集的光被发送到可操作地连接到探测设备的分析装置，在所述分析装置中，所述光被分析从而确定待测量的参数值。待测量的适合的参数包括将提供关于光纤的可用状态和完整性的信息的任何参数，例如由于光纤中的中断或破裂、温度等等对载体光束的破坏。在某些实施例中，用于探测光的装置包括与QD的峰值发射相匹配的传输窗口。
在另一个方面中，本公开提供了一种非侵入性地诊断光学通信纤维的方法，所述方法包括：提供用于传送光束的光纤，其中该光纤包括用于接收光束的第一末端和与之相对的第二末端、具有内壁的芯部和在所述芯部周围的包层，该光纤进一步具有至少一个无包层部分，其中该无包层部分包括分散在介质中的多个量子点；提供用于生成光的装置，在所述装置中，将生成的光注入光纤电缆的第一末端；提供用于探测与QD光学通信的光的装置；并且提供可操作地连接到探测器以用于分析被探测的光的装置，其中QD通过从纤维的芯部的内壁全内反射出的光束产生的渐逝波耦合而变为激活，该QD以QD能带隙的波长发射光。探测设备探测由激活的QD发射的光，并且将收集的信息传送到分析装置，从而测量不同的参数。
应当理解，前述的详细说明只是说明性的，而不作为对本公开的范围的限制。本领域技术人员所显而易见的对公开的实施例的各种变化和改进可在不偏离本公开的精神和范围的情况下进行。进一步地，本文引用的全部专利、专利申请和公开文件作为参考并入本文。

Claims (20)

1.一种能够被非侵入性地诊断的光纤，包括：
用于传送光束的光纤；
所述光纤包括用于接收所述光束的第一末端和与该第一末端相对的第二末端、包括内壁的芯部和所述芯部周围的包层，
所述光纤进一步包括至少一个无包层部分，该无包层部分包括分散在介质中的多个量子点，
其中所述量子点通过渐逝波耦合变为激活，所述渐逝波耦合由接触所述光纤的芯部的所述内壁的所述光束的全内反射引起，并且其中所述激活导致光从所述量子点的发射。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多个量子点包括能带隙，该能带隙低于所述光束的能带隙。
3.根据权利要求1所述的光纤，其中所述介质包括透明或半透明的材料并且从包括以下物质的组中选择：溶胶-凝胶玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、乙烯聚合物、聚丁二炔、聚苯亚乙烯、多肽、多聚糖、聚砜、聚吡咯、聚唑亚胺、聚噻吩、聚醚、环氧树脂、石英玻璃、硅胶、氟锆酸盐玻璃、氟铝酸盐玻璃、硫系玻璃、硅氧烷、多磷酸盐、水凝胶、琼脂糖和纤维素。
4.根据权利要求1所述的光纤，其中所述介质和多个量子点不穿透所述光纤的芯部。
5.根据权利要求1所述的光纤，其中所述量子点被调谐为发射红外光。
6.根据权利要求5所述的光纤，其中基于激活，所述多个量子点被调谐为发射具有约0.75μm到约750μm的波长的光。
7.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多个量子点从包括以下物质的组中选择：InAs、InGaAs、PbS、CdTe、MgTe、PbSe、CdTeS、InSb、InAsSb、GaSb及其组合。
8.根据权利要求1所述的光纤，进一步包括探测从所述量子点发射的光的探测器设备，其中所述探测器设备包括与所述量子点的峰值发射相匹配的传输窗口。
9.根据权利要求8所述的光纤，其中所述探测器设备包括低光级的光传感器。
10.根据权利要求9所述的光纤，其中所述探测器设备探测红外光。
11.根据权利要求10所述的光纤，进一步包括可操作地连接到所述探测装置的分析装置。
12.一种非侵入性地诊断光纤的方法，包括：
将包括分散在其中的多个量子点的介质置于所述光纤的无包层部分上；
将光束注入所述光纤的一个末端；和
探测从由渐逝波耦合变为激活的所述量子点发射的任何光，所述渐逝波耦合由接触所述光纤的芯部的内壁的所述光束的内反射引起。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将探测器设备的传输窗口与所述量子点的峰值发射相匹配。
14.根据权利要求12所述的方法，其中探测任何光包括探测红外光。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括分析任何被探测的光，从而非侵入性地诊断所述光纤。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述多个量子点包括能带隙，该能带隙低于所述光束的能带隙。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述量子点从包括以下物质的组中选择：InAs、InGaAs、PbS、CdTe、MgTe、PbSe、CdTeS、InSb、InAsSb、GaSb及其组合。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述量子点被调谐为发射红外光。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述介质是透明或半透明的，并且从包括以下物质的组中选择：溶胶-凝胶玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、乙烯聚合物、聚丁二炔、聚苯亚乙烯、多肽、多聚糖、聚砜、聚吡咯、聚唑亚胺、聚噻吩、聚醚、环氧树脂、石英玻璃、硅胶、氟锆酸盐玻璃、氟铝酸盐玻璃、硫系玻璃、硅氧烷、多磷酸盐、水凝胶、琼脂糖和纤维素。
20.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在所述无包层部分上形成所述介质，其中所述介质不穿透所述光纤的芯部。
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