CN108519714A - 一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器 - Google Patents
一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器 Download PDFInfo
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Abstract
一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器，包括信号源1、双级光隔离器2、波分复用器3、激励源4、空芯光纤套管5、量子点玻璃光纤6；信号光从信号源1输出进入双级光隔离器2，进入波分复用器3，通过空芯光纤套管5将波分复用器的尾纤与量子点玻璃光纤6耦合，信号光得以进入量子点玻璃光纤6进行光放大，然后输出信号光；泵浦光从激励源4输出，进入经过波分复用器3，通过空芯光纤套管5将波分复用器的尾纤与量子点玻璃光纤6耦合，泵浦光得以进入量子点玻璃光纤6。本发明还包括以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的PbSe量子点光纤放大器所用的PbSe量子点玻璃光纤。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术和纳米材料制备领域，具体涉及一种ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的PbSe量子点光纤放大器。
背景技术
光纤放大器是光纤通信线路中十分重要的一种器件，随着数据波的出现以及网络流量的指数增长预计会无限期地持续下去，带宽的产生仍然是一个挑战。实施未来高容量，超宽带光网络的主要限制之一是光纤带宽的扩展这超出了现有技术的信号放大设备-掺铒光纤放大器的能力，传统的光纤放大器一般是由掺杂稀土离子(铒，镱，铥镨或铷)的光纤中产生增益使得光信号得到，但是这些稀土离子受限于天然的能级结构，其放大的带宽较小，已经无法满足当今社会的需求。
纳米晶体量子点由于其独特的量子尺寸效应而引起了人们的广泛关注。在近红外波带，目前已经实现的IV-VI族量子点主要有PbSe、PbS和PbTe等。研究表明：PbSe量子点的发光效率在IV-VI族中最高，其量子产率甚至可达300％，此外，PbSe量子点粒子尺寸远小于其玻尔半径(46nm)，量子限域效应明显，团聚很难发生。因此，PbSe量子点得到了人们的更多关注。
在量子点掺杂的光电子器件中，光纤放大器是其中一类重要器件。由于量子点的吸收-辐射峰波长以及辐射谱的半高全宽(FWHM)依赖于量子点的粒径，因此，量子点光纤放大器有可能在S-C-L实现全波带光放大，从而形成一种全新的近红外光纤放大器。目前，量子点光纤的制备主要有三种方法：一种是将量子点掺入光纤的基底材料(例如UV胶、正己烷)，将量子点溶胶灌入空心光纤制备成量子点光纤。该方法的优点是成品量子点荧光性能好、量子点分布均匀，缺点是光纤的稳定性较差。第二种是先将普通光纤拉锥处理，然后将量子点胶体涂覆在光纤外面的锥形区域得到量子点光纤，用倏逝波泵浦的方式进行激励。该方法的优点是实验室容易操作、易于与普通光纤耦合，但增益较低、量子点涂覆层裸露易受外界的影响。第三种是通过高温熔融法和拉丝先制得玻璃光纤，再对光纤进行退火热处理，得到含量子点的玻璃光纤。该方法的优点是量子点在玻璃基质中相当稳定，缺点是所制备的量子点的粒径及密度分布等不易达到要求。但从长远来看，由于玻璃基质的量子点光纤相当稳定以及与现有的工业大规模光纤技术相兼容，因此，量子点玻璃光纤应当是量子点光纤的发展方向。迄今为止，尚未见到有常规玻璃光纤纤芯结构的近红外量子点光纤放大器的报道。
发明内容
本发明要克服传统稀土离子的光纤放大器的带宽缺陷，提供一种以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的PbSe量子点光纤放大器。
本发明拓展了传统掺铒粒离子光纤放大器的工作带宽。量子点光纤放大器的中心波长可由量子点的中心粒径来控制，工作带宽可由量子点的尺寸分布控制，而量子点的中心粒径和尺寸分布又可以通过不同的热处理条件来进行控制。从而为扩展光纤通信波带和工业化应用提供了一种新的途径。
本发明的思路是：将PbSe量子点直接生成在钠硼铝硅酸盐玻璃中，解决了量子点光纤稳定性问题。之后将PbSe量子点玻璃光纤与双级光隔离器、波分复用器、空芯光纤套管等构成基于钠硼铝硅酸盐玻璃的近红外宽带PbSe量子点光纤放大器。
本发明采用的技术方案是：
一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器，其特征在于：是以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的PbSe量子点光纤放大器，包括信号源1、双级光隔离器2、波分复用器3、激励源4、空芯光纤套管5、量子点玻璃光纤6；信号光从信号源1输出进入双级光隔离器2，进入波分复用器3，通过空芯光纤套管5将波分复用器的尾纤与量子点玻璃光纤6耦合，信号光得以进入量子点玻璃光纤6进行光放大，然后输出信号光；泵浦光从激励源4输出，进入经过波分复用器3，通过空芯光纤套管5将波分复用器的尾纤与量子点玻璃光纤6耦合，泵浦光得以进入量子点玻璃光纤6。
以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的PbSe量子点玻璃光纤，其制备方法如下：
(1)配料；将以下摩尔质量百分比的制备配合料投入搅拌机：
(2)搅拌；将所述原料按配比放入搅拌机连续搅拌1-5次，每次搅拌2-10分钟，令混合料充分均匀；
(3)熔融；然后将混合料倒入刚玉坩埚中并加盖，放入高温熔融炉中熔融，温度为1100～1500℃，时间为20min～2h；
(4)拉丝；取出得到PbSe玻璃熔体迅速在室温下进行快速拉丝，得到透明无色光纤。
(5)热处理；将透明无色光纤放入高温烧结炉在450-750℃热处理1-30h，在炉中缓慢降至室温，取出得到棕黄色光纤即本发明所述的钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的掺杂PbSe量子点的光纤。
本发明采用ZnSe作为PbSe量子点Se元素的引入物而不是Se粉，主要是由于单质Se的熔点较低，在高温下易挥发而丢失，而ZnSe的熔点可达1520℃，在高温熔融条件下，大多数ZnSe可存留在玻璃基质中，且残余的Zn形成的ZnO是玻璃基质体系的中间氧化物，能促进PbSe量子点的形成，从而可以得到较高浓度的PbSe量子点玻璃光纤。
一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器中PbSe量子点的形状可为球形或椭球形，粒径分布的半高全宽为(0.2～1)nm或长短轴之比为(1～2)：1。
所述的以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的PbSe量子点光纤，PbSe量子点光纤为裸光纤，包层为空气。
所述的以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的PbSe量子点光纤，PbSe量子点光纤的直径为10-80μm。
所述的以ZnSe掺杂的的钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的PbSe量子点光纤，PbSe量子点光纤的长度为0.5-15cm。
所述的以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的PbSe量子点光纤，PbSe量子点光纤对980±5nm泵浦光的吸收系数＝1-5cm-1。
所述的以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的PbSe量子点光纤与波分复用器尾纤采用空芯光纤套管进行连接。
所述的以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的PbSe量子点光纤放大器中的空芯光纤套管，为去纤芯的石英光纤，其去芯后的内径为60-160μm。
所述的以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的PbSe量子点光纤放大器中PbSe量子点玻璃光纤与波分复用器的耦合采用拉锥量子点光纤。
所述的以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底PbSe量子点光纤的光路传输损耗小于6dB。
常规的掺铒离子光纤放大器的的带宽只有约25nm，本发明将PbSe量子点直接生成在玻璃基底中制备出的量子点光纤与隔离器、波分复用器等构成的量子点光纤放大器，结构简单，带宽可达80nm。当量子点玻璃光纤的退火条件为530℃、7.5h时放大器的中心工作波长为1310nm，当退火条件为600℃、7.5h放大器的中心工作波长为1550nm。因此可以通过控制热处理温度和时间制备出不同辐射峰波长、不同辐射谱的半高全宽的量子点光纤来调节量子点光纤放大器的中心工作波长和带宽，为扩展光纤通信波带和工业化应用提供了一种新的途径。
本发明的优点是：本发明具有结构简单、近红外带宽宽、噪声低、性能稳定等优点，为扩展光纤通信波带到S-C-L波带和大规模工业化器件制备提供了一种新的途径。
附图说明
图1为本发明的实施例一的PbSe量子点玻璃光纤中量子点的透射电镜图；
图2为实施例一的PbSe量子点玻璃光纤的荧光发射谱图；
图3为实施例二的PbSe量子点玻璃光纤中量子点的透射电镜图；
图4为实施例二的PbSe量子点玻璃光纤的荧光发射谱图；
图5为实施例三的PbSe量子点玻璃光纤中量子点的透射电镜图；
图6为实施例三的PbSe量子点玻璃光纤的荧光发射谱图；
图7为实施例一、二、三中以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的近红外宽带PbSe量子点光纤放大器结构示意图；
图8为实施例二中以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的近红外宽带PbSe量子点光纤放大器输出光谱图；
图9为实施例二中以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的近红外宽带PbSe量子点光纤放大器增益图；
图10为实施例二中以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的近红外宽带PbSe量子点光纤放大器增益与噪声系数图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
参照图1、2、7，
以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的近红外宽带PbSe量子点光纤放大器，信号光从信号源输出进入双级光隔离器，进入波分复用器，通过内径为130μm的空芯光纤套管将波分复用器尾纤与长度为4cm，直径为80μm的PbSe量子点玻璃光纤连接。泵浦光从激励源输出，与信号光在波分复用器进行耦合后进入PbSe量子点玻璃光纤使信号得以放大输出。
PbSe量子点玻璃光纤通过内径为130μm空芯光纤套管与波分复用器尾纤连接，连接前可先将光纤端面和波分复用器的尾纤切割平整并涂覆少量的光纤匹配液，以便消除两光纤端面之间因空气隙产生的菲涅尔反射。
光纤放大器中1→2→3→5→6的光路传输损耗为3.62dB。
进入量子点光纤的信号光功率为-17dBm。
进入量子点光纤的泵浦功率为0-92.2mw。
信号光经量子点光纤放大器输出的信号光的谱图如图8所示(右上角插图为零泵浦时信号光的输出光谱)，开关增益(净增益为开关增益减去3.62dBm)如图9所示，噪声与增益如图10所示。
量子点光纤放大器的中心波长由量子点的中心粒径来控制，工作带宽由量子点的尺寸分布控制，而量子点的中心粒径和尺寸分布又可由对量子点光纤热处理的温度和时间控制，从而使量子点光纤放大器的工作波带扩展。
量子点玻璃光纤(6)是以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃的PbSe量子点光纤，其配方为SiO2、B2O3、Al2O3、ZnO、AlF3·3H2O、Na2CO3、PbO和ZnSe。其质量分数比分别为50.4％、3.86％、3.44％、7.65％、3.11％、23.04％、5.16％、3.34％。其中AlF3·3H2O为化学纯，ZnSe为优级纯，其余的都为分析纯试剂。Al2O3用来调节玻璃的形成能力，ZnO有助于量子点合成，能减少硫族元素的挥发，能使玻璃中的量子点尺寸分布均一化，Na2CO3作为助溶剂，AlF3·3H2O加速玻璃形成反应，降低玻璃液的黏度和表面张力，促进玻璃液的澄清和均化，并且作为一种量子点生长有效的晶核剂，PbO和ZnSe是量子点的引入物。将50g配合料放入陶瓷研钵中充分研磨，然后放入用搅拌机连续搅拌3次，每次搅拌约5分钟，令混合料充分均匀。然后，将混合料倒入刚玉坩埚中并加盖，放入箱式高温烧结炉，以10℃/min的速率在1400℃进行高温熔融1h，之后从炉中取出，迅速将铁丝伸入熔体中并以1-2m/s的速度竖直拉伸，此时在铁丝端头可形成长度为几十厘米、直径约为10-80μm的透明无色玻璃光纤。这样拉丝得到的光纤具有直径均匀、截面圆度好、表面粗糙度小，与泵浦光可低损耗光耦合等优点，此时的无色透明光纤中未含有PbSe量子点。
接着将无色透明光纤放入石英舟中，置于真空管式高温烧结炉中进行热处理，温度为540℃，时间7.5h。之后使光纤在炉中自然降至室温，取出得到棕黄色光纤即本发明所述的以钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的掺杂PbSe量子点的光纤。将此光纤在玛瑙研钵中磨成粉末制成样本，样本中量子点的掺杂体积比为1.5％，中心粒径为4.4nm。其透射电镜如图1所示。所述的PbSe量子点玻璃光纤的荧光发射谱如图2所示。
实施例二
参照附图3、4、7、8、9、10：
本实施例的以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的近红外宽带PbSe量子点光纤放大器的光路结构与实施例一相同，区别在于量子点玻璃光纤的制备工艺和长度，本实施例中PbSe量子点玻璃光纤为5cm。
基于钠硼铝硅酸盐玻璃的近红外宽带PbSe量子点光纤的配方为SiO2、B2O3、Al2O3、ZnO、AlF3·3H2O、Na2CO3、PbO和ZnSe。其质量分数比分别为50.4％、3.86％、3.44％、7.65％、3.11％、23.04％、5.16％、3.34％。其中AlF3·3H2O为化学纯，ZnSe为优级纯，其余的都为分析纯试剂。Al2O3用来调节玻璃的形成能力，ZnO有助于量子点合成，能减少硫族元素的挥发，能使玻璃中的量子点尺寸分布均一化，Na2CO3作为助溶剂，AlF3·3H2O加速玻璃形成反应，降低玻璃液的黏度和表面张力，促进玻璃液的澄清和均化，并且作为一种量子点生长有效的晶核剂，PbO和ZnSe是量子点的引入物。将50g配合料放入陶瓷研钵中充分研磨，然后放入用搅拌机连续搅拌3次，每次搅拌约5分钟，令混合料充分均匀。然后，将混合料倒入刚玉坩埚中并加盖，放入箱式高温烧结炉，以10℃/min的速率在1400℃进行高温熔融1h，之后从炉中取出，迅速将铁丝伸入熔体中并以1-2m/s的速度竖直拉伸，此时在铁丝端头可形成长度为几十厘米、直径约为10-80μm的透明无色玻璃光纤。这样拉丝得到的光纤具有直径均匀、截面圆度好、表面粗糙度小，与泵浦光可低损耗光耦合等优点，此时的无色透明光纤中未含有PbSe量子点。
接着将无色透明光纤放入石英舟中，置于真空管式高温烧结炉中进行热处理，温度为550℃，时间7.5h。之后使光纤在炉中自然降至室温，取出得到棕黄色光纤即本发明所述的以钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的掺杂PbSe量子点的光纤。将此光纤在玛瑙研钵中磨成粉末制成样本，样本中量子点的掺杂体积比为1.7％，中心粒径为4.8nm。其透射电镜如图3所示。所述的PbSe量子点玻璃光纤的荧光发射谱如图4所示。
该实例表明本发明所述的一种基于钠硼铝硅酸盐玻璃的近红外宽带PbSe量子点光纤放大器具有结构简单、带宽宽、噪声小，稳定性好等优点。本发明所述的一种以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的近红外宽带PbSe量子点光纤放大器为扩展光纤通信波带和工业化应用提供了一种全新的途径。
实施例三
参照附图5、6、7：
本实施例的以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的近红外宽带PbSe量子点光纤放大器的光路结构与实施例一相同，区别在于量子点玻璃光纤的制备工艺和长度，本实施例中PbSe量子点玻璃光纤为6cm。
基于钠硼铝硅酸盐玻璃的近红外宽带PbSe量子点光纤的配方为SiO2、B2O3、Al2O3、ZnO、AlF3·3H2O、Na2CO3、PbO和ZnSe。其质量分数比分别为50.4％、3.86％、3.44％、7.65％、3.11％、23.04％、5.16％、3.34％。其中AlF3·3H2O为化学纯，ZnSe为优级纯，其余的都为分析纯试剂。Al2O3用来调节玻璃的形成能力，ZnO有助于量子点合成，能减少硫族元素的挥发，能使玻璃中的量子点尺寸分布均一化，Na2CO3作为助溶剂，AlF3·3H2O加速玻璃形成反应，降低玻璃液的黏度和表面张力，促进玻璃液的澄清和均化，并且作为一种量子点生长有效的晶核剂，PbO和ZnSe是量子点的引入物。将50g配合料放入陶瓷研钵中充分研磨，然后放入用搅拌机连续搅拌3次，每次搅拌约5分钟，令混合料充分均匀。然后，将混合料倒入刚玉坩埚中并加盖，放入箱式高温烧结炉，以10℃/min的速率在1400℃进行高温熔融1h，之后从炉中取出，迅速将铁丝伸入熔体中并以1-2m/s的速度竖直拉伸，此时在铁丝端头可形成长度为几十厘米、直径约为10-80μm的透明无色玻璃光纤。这样拉丝得到的光纤具有直径均匀、截面圆度好、表面粗糙度小，与泵浦光可低损耗光耦合等优点，此时的无色透明光纤中未含有PbSe量子点。
接着将无色透明光纤放入石英舟中，置于真空管式高温烧结炉中进行热处理，温度为560℃，时间7.5h。之后使光纤在炉中自然降至室温，取出得到棕黄色光纤即本发明所述的以钠硼铝硅酸盐玻璃为基底的掺杂PbSe量子点的光纤。将此光纤在玛瑙研钵中磨成粉末制成样本，样本中量子点的掺杂体积比为2.0％，中心粒径为5.2nm。其透射电镜如图5所示。所述的PbSe量子点玻璃光纤的荧光发射谱如图6所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器，其特征在于：是以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤纤芯基底的PbSe量子点光纤放大器，包括信号源(1)、双级光隔离器(2)、波分复用器(3)、激励源(4)、空芯光纤套管(5)、量子点玻璃光纤(6)；信号光从信号源(1)输出进入双级光隔离器(2)，进入波分复用器(3)，通过空芯光纤套管(5)将波分复用器的尾纤与量子点玻璃光纤(6)耦合，信号光得以进入量子点玻璃光纤(6)进行光放大，然后输出信号光；泵浦光从激励源(4)输出，进入经过波分复用器(3)，通过空芯光纤套管(5)将波分复用器的尾纤与量子点玻璃光纤(6)耦合，泵浦光得以进入量子点玻璃光纤(6)。
2.如权利要求1所述的一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器，其特征在于：量子点玻璃光纤(6)是以ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃为光纤的纤芯基底。
3.根据权利要求1所述的一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器，其特征在于：量子点玻璃光纤(6)在所述的ZnSe掺杂的钠硼铝硅酸盐玻璃配料中ZnSe的摩尔质量比为(1～7)％。
4.根据权利要求1所述的一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器，其特征在于：PbSe量子点的形状可为球形或椭球形，粒径分布的半高全宽为(0.2～1)nm或长短轴之比为(1～2)：1。
5.根据权利要求1所述的一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器，其特征在于：量子点光纤对980±5nm泵浦光的吸收系数＝1-5cm-1。
6.根据权利要求1所述的一种钠硼铝硅酸盐玻璃近红外宽带PbSe量子点光纤放大器，其特征在于：量子点玻璃光纤(6)与波分复用器(3)的耦合采用拉锥量子点光纤。
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