CN111061007A - 一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法，包括：针对工作波长λ和大模场纤芯直径a，调节光纤包层中空气孔的直径d和空气孔间距Λ，使得光子晶体光纤归一化频率V<π；设置折射率微扰，再进行d和Λ的优化；制备光纤预制棒，在相对应的折射率微扰区域利用空心毛细管取代石英材料，形成空气孔缺陷；通过熔融拉制法，拉制完成光子晶体光纤；以紫外固化胶为基底，制备量子点胶体；将量子点胶体充入所述光子晶体光纤的芯层区域；待固化后，完成最后设计。本发明基于光子晶体光纤优化设计，保证大模场面积单模运转，利用芯层置换法，通过大模场纤芯区域的量子点胶体填充，实现量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计。

Description

一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法

技术领域

本发明实施例属于光纤光学工程领域，特别涉及了一种基于量子点胶体掺杂光子晶体光子设计方法。

背景技术

量子点作为一种准零维人工半导体材料，表现出强烈的量子尺寸效应,其吸收和辐射光谱几乎覆盖了490-2300nm，通过尺寸调控可以精确的控制器吸收和辐射锋的波长与带宽。近几年，量子点材料的光增益和放大性也能得到理论和实验验证，在光电器件，如量子点激光器、放大器等方面的研究和发展日趋火热。量子点掺杂光纤设想的提出，更是开启了量子点光纤激光器研究的大门，为可见光波段光纤激光器的发展提供了一种很有潜力的解决方案。

目前量子点掺杂光纤的制备方法主要分为熔融拉制法和胶体填充法。熔融拉制法是制备光纤的传统手段，但对于量子点掺杂的玻璃基地材料，采用熔融拉制法还存在量子点二次生长，泵浦条件下光子暗化等问题，熔融拉制法需要进一步的探索和改进。量子点胶体填充法是利用现有空芯光纤或者微结构光纤，对其进行液态或者胶体量子点的填充或组装，从而形成量子点掺杂光纤的方法(Optics letters,36(9)1695-1697,2011和IEEEPhoton.Tech.Lett.,25,572-575,2013)。与熔融拉制法相比较，此方法工艺简单，是现阶段实现量子点光纤的一个不错选择。但也存在这几个问题：1)量子点溶胶的基底材料折射率需要和空芯光纤折射率匹配，工作光波长需要在制备后光纤的通光波长内；2)根据光纤波导理论，要实现单模的量子点光纤，就需要用孔径很小的空芯光纤，这一方面增加了灌注的难度，另一方面会大大提高芯层的光功率密度，容易导致基底材料的分解和不稳定。这些因素制约了目前量子点掺杂光纤的发展和相关激光器和放大器的应用。

发明内容

本发明实施例的目的是针对目前量子点掺杂光纤设计所制备的难点，提出一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法。

本发明实施例通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法，包括：

针对工作波长λ和大模场纤芯直径a，调节光纤包层中空气孔的直径d和空气孔间距Λ，使得光子晶体光纤归一化频率V<π；

在大模场纤芯中引入掺杂区域，在所述掺杂区域设置折射率微扰，再进行d和Λ的优化，保证V<π，完成光子晶体光纤结构定型；

制备光纤预制棒，在相对应的折射率微扰区域利用空心毛细管取代石英材料，形成空气孔缺陷，以备成纤之后预留量子点胶体的填充；通过熔融拉制法，拉制完成光子晶体光纤；

以紫外固化胶为基底，制备量子点胶体；

通过选择性填充技术，将量子点胶体充入所述光子晶体光纤的芯层区域；

待芯层区域所填充量子点胶体固化后，完成量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤的设计。

进一步地，所述光子晶体光纤归一化频率V的表达式如下：

其中a是芯层直径，λ是光纤工作波长，

是光纤芯层折射率，

是空气孔包层等效折射率。

进一步地，所述折射率微扰范围在0.001-0.005区间。

进一步地，所述紫外固化胶的折射率与石英相匹配。

进一步地，所述量子点胶体的增益带宽的中心波长与所述光子晶体光纤的工作波长λ相一致。

进一步地，所述将量子点胶体充入所述光子晶体光纤的芯层区域，具体为：

根据光子晶体光纤的中空气孔直径及填充长度的不同，利用自吸效应中空气孔尺寸大自吸速率快的特点，实现量子点胶体的填充。

进一步地，所述将量子点胶体充入所述光子晶体光纤的芯层区域，具体为：先堵上包层空气孔，利用压注方法实现芯层区域的填充。

采用上述任一技术方案，本发明实施例带来的有益效果如下：

1、本发明实施例将量子点与光子晶体光纤结合起来，通过量子点尺寸控制和光子晶体光纤占空比调节，可以灵活实现不同工作波段的增益光纤设计与制备。

2、本发明利用光子晶体光纤的光子带隙效应可以通过光纤空气孔占空比设计，实现单模运转的同时，可以保证芯层大的工作芯径，也就是大模场直径。相比传统的空芯光纤填充量子点的方案，此方案降低了量子点胶体填充的难度，提升了所制备光纤的掺杂区域的均匀性，也提高了所制备光纤的所能承受的光功率阈值。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提出的量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计过程示意图；

图2是本发明实施例获得的掺杂量子点光子晶体光纤的一种参考图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例具体实施例及相应的附图对本发明实施例技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

图1是本发明实施例提出的量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计过程示意图；本发明方案基于光子晶体光纤优化设计，保证大模场面积单模运转，利用芯层置换法，通过大模场纤芯区域的量子点胶体填充，实现量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计。该方法包括如下步骤：

(1)光子晶体光纤结构1进行设计：

针对工作波长λ和大模场纤芯5直径a的条件，调节光纤包层3中空气孔4的直径d和空气孔间距Λ，使得光子晶体光纤归一化频率V<π；

在大模场纤芯5中引入掺杂区域2，在所述掺杂区域设置折射率微扰，再进行d和Λ的优化(采用微调)，保证V<π，完成光子晶体光纤结构定型；

(2)根据上述设计光子晶体光纤结构，制备光纤预制棒6，在相对应的折射率微扰区域利用空心毛细管取代石英材料(本实施例采用玻璃材料为例)，形成空气孔缺陷7，以备成纤之后预留量子点胶体的填充；通过熔融拉制法，拉制完成光子晶体光纤8。

(3)以紫外固化胶为基底材料制备量子点胶体；通过选择性填充技术，将量子点胶体充入所述光子晶体光纤8的芯层区域9；

(4)完成芯层区域9所填充量子点胶体的固化，实现全固态的量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤。

本发明的目的是针对目前量子点掺杂光纤设计所制备的难点，提出一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法。利用光子晶体光纤对二维光场的调控能力，结合量子点选择性填充技术，解决了制备单模光纤胶体量子点灌注困难的问题，同时大模场光斑设计，一定程度上减小量子点纤芯区域的光功率密度，可以提高所制备量子点掺杂光纤的光功率阈值，使其更适用于放大器和激光器应用需求。

在本发明实施例中，所述光子晶体光纤归一化频率V的表达式如下：

其中a是芯层直径，λ是光纤工作波长，

是光纤芯层折射率，

是空气孔包层等效折射率。

在本发明实施例中，所述折射率微扰为折射率差为0.001-0.005。

在本发明实施例中，以紫外固化胶为基底材料制备量子点胶体，包括：

选择特定材料和尺寸的量子点，以折射率与石英相匹配的紫外固化胶为基底，制备量子点胶体，使其增益带宽的中心波长与上述光纤的工作波长λ相一致。

在本发明实施例中，所述将量子点胶体充入所述光子晶体光纤8的芯层区域9，具体为：

根据光子晶体光纤的中空气孔直径及填充长度的不同，利用自吸效应中空气孔尺寸大自吸速率快的特点，实现量子点胶体的填充。

或者是，先堵上包层空气孔，利用压注方法实现芯层区域9的填充。

实施例：

(1)大模场面积光子晶体光纤优化设计。

通过包层空气孔大小和间距的调节，精确地控制光子晶体光纤包层和纤芯的折射率差。考虑到UV胶折射率并不可能完全等同于玻璃基底折射率，在设计时芯层，在纤芯引入折射率微扰区域，设置约0.001折射率差，计算光纤中模式的有效折射率、损耗特性以及光场分布，得到纤芯带有折射率微扰的等效大模场直径光子晶体光纤结构。

具体来讲，首先需要对光子晶体光纤横截面结构1进行设计优化。光子晶体光纤的结构包括包层3和芯层5，包层3中存在周期性排列的空气小孔4，通过空气孔的缺失形成实心的光波传输芯层5。优化光子晶体结构实现单模传输，主要的参数即为优化归一化频率，其可以表示为

其中a是芯层直径，λ是光纤工作波长，

是光纤芯层折射率，

是空气孔包层等效折射率。针对工作波长λ，调节空气孔直径d和空气孔间距Λ，保证V<π，从而可以实现单模传输。

另一方面，光子晶体光纤的无截止单模特性与光纤结构的绝对尺寸无。为了实现大模场，可以通过增大纤芯面积a(缺失1个，3个或者7个等空气孔)，同时减小占空比d/Λ，即增大

保证V<π条件的满足。特别的，由于要在芯层掺杂量子点胶体，其折射率会和二氧化硅存在一定差异。因此，在设计过程中，需要在芯层掺杂区域2设置折射率微扰(如折射率差0.001)，进一步优化参数，完成光纤结构定型。

(2)根据设计的光纤结构，制备的光纤预制棒6。在相对应的折射率微扰区域，利用空心毛细管取代玻璃材料，形成空气孔缺陷7，以备成纤之后预留量子点胶体的填充。通过熔融拉制工艺，同时往预制棒内充入惰性气体控制压强保证孔不坍塌，完成带中心大空孔结构的光子晶体光纤8。

(3)量子点胶体制备、填充和固化。选择折射率和玻璃基底匹配的UV胶作为基底，将量子点如CdSe/ZnS均匀分散其中，制成量子点溶胶。通过选择性填充方法，实现光纤芯层空芯区域的量子点胶体填充，并进行紫外固化，最终实现量子点掺杂的大模场直径光子晶体光纤制备。

由于紫外固化胶具有对量子点的荧光吸收小、固化收缩率小、折射率和光纤石英材料匹配等优势，本发明实施例选用以紫外固化胶为基底材料，结合增益波段的要求，选择特定的量子点材料为溶质，进行量子点胶体的制备。通过选择性填充技术，将所制备的量子点胶体充入芯层空心区域。在实际填充过程中，根据光子晶体光纤的中空气孔直径及填充长度的不同，可以利用自吸效应中空气孔尺寸大自吸速率快的特点，实现量子点胶体对芯层区域9的填充。也可以先堵上包层空气孔，利用压注方法实现芯层区域9的填充。最后，通过紫外光照射完成芯层固化，形成全固态的量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤。

借助于大模场光子晶体光纤设计，在保证增益光纤单模传输的工作的同时，量子点掺杂区域11可以达到几十甚至上百微米，大大降低了填充的难度，保证了填充的均匀性。同时，也大大提高了所制备光纤的芯层所能承受的光功率阈值。

图2是本发明实施例获得的掺杂量子点光子晶体光纤的一种参考图(光纤截面图)。所设计的具有泄漏通道的大模场面积微结构光纤结构10，在包层中六边形芯的两对边区域对称的缺失部分空气孔形成两条泄漏通道，以便于高阶模泄漏。按特定三角形周期排布的圆形空气孔直径d＝2.70μm，空气孔间距Λ＝6.72μm，纤芯处通过缺失七个空气孔形成量子点胶体掺杂区域11，直径为23.28μm，针对530nm工作波段，所掺杂的量子点为以1.45折射率紫外固化胶为基底的CdSe/ZnS量子点胶体。

可以看出，针对工作波长(针对光纤而言)或者说增益波段(针对量子点材料而言)，存在明显的灵活性。针对光纤，可以轻易的通过改变空气孔直径d和空气孔间距Λ，实现所需波段的通带带隙调节。针对量子点，可以通过材料的选取和尺寸的控制，灵活的改变增益波长。两者结合在一起，可以灵活实现不同工作波段的增益光纤设计与制备。

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (7)

1.一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法，其特征在于，包括：

针对工作波长λ和大模场纤芯直径a，调节光纤包层中空气孔的直径d和空气孔间距Λ，使得光子晶体光纤归一化频率V<π；

在大模场纤芯中引入掺杂区域，在所述掺杂区域设置折射率微扰，再进行d和Λ的优化，保证V<π，完成光子晶体光纤结构定型；

制备光纤预制棒，在相对应的折射率微扰区域利用空心毛细管取代石英材料，形成空气孔缺陷，以备成纤之后预留量子点胶体的填充；通过熔融拉制法，拉制完成光子晶体光纤；

以紫外固化胶为基底，制备量子点胶体；

通过选择性填充技术，将量子点胶体充入所述光子晶体光纤的芯层区域；

待芯层区域所填充量子点胶体固化后，完成量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤的设计。

2.根据权利要求1所述的一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法，其特征在于，所述光子晶体光纤归一化频率V的表达式如下：

其中a是芯层直径，λ是光纤工作波长，

是光纤芯层折射率，

是空气孔包层等效折射率。

3.根据权利要求1所述的一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法，其特征在于，所述折射率微扰范围在0.001-0.005区间。

4.根据权利要求1所述的一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法，其特征在于，所述紫外固化胶的折射率与石英相匹配。

5.根据权利要求1所述的一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法，其特征在于，所述量子点胶体的增益带宽的中心波长与所述光子晶体光纤的工作波长λ相一致。

6.根据权利要求1所述的一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法，其特征在于，所述将量子点胶体充入所述光子晶体光纤的芯层区域，具体为：

根据光子晶体光纤的中空气孔直径及填充长度的不同，利用自吸效应中空气孔尺寸大自吸速率快的特点，实现量子点胶体的填充。

7.根据权利要求1所述的一种量子点掺杂的大模场面积光子晶体光纤设计方法，其特征在于，所述将量子点胶体充入所述光子晶体光纤的芯层区域，具体为：先堵上包层空气孔，利用压注方法实现芯层区域的填充。

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