CN111308829A - 一种PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器及其制备方法,属于光纤技术和纳米材料制备技术领域。该纳米集成锥形光纤放大器由锥型光纤和光纤表面利用原子层沉积技术制备的PbS/SiO2共掺纳米薄膜组成,通过渐逝波原理实现光纤放大效果。所述纳米薄膜由交替沉积的PbS和SiO2纳米材料构成,薄膜厚度可达μm级别。本发明中的SiO2能够有效改善PbS颗粒表面缺陷结构,提高稳定性与分散性,从而提高发光效率,还可降低纳米半导体薄膜的折射率。所制备的PbS/SiO2共掺纳米薄膜具有分散性高、高掺杂浓度、损耗低、发光效率高、稳定性强等优点。可实现结构简单、价位低廉、易于产业化生产的高增益光纤放大器。
Description
技术领域
本发明涉及一种PbS/ SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器及其制备方法,属于光纤技术和纳米材料制备技术领域。
背景技术
光纤放大器作为光纤通信的核心元件,对推动光通信领域的发展有着非常重大的意义。目前掺杂材料和光纤结合的方式主要分为两类:掺杂纤芯和包层涂覆。因为宽带宽、小型化、结构简单、制备方便等特点,基于在包层外涂覆纳米材料薄膜的渐逝波光纤放大器成为了研究热点之一。以PbS为代表的Ⅳ-Ⅵ族半导体纳米材料因其具有一些独特的物理及光学性质,如能带结构高度对称、激发光谱宽且连续、Stokes 位移较大、荧光强度和光谱稳定性较高、荧光寿命长及荧光量子产率高等,尤其荧光谱覆盖波段正好可以满足光纤通讯放大器的要求,使其成为薄膜材料的重要选择之一。目前工艺较成熟的溶胶-凝胶法制备的PbS光纤放大器存在尺寸、厚度、掺杂浓度、引入杂质等不可控因素。利用原子层沉积技术制备PbS纳米薄膜具有以下优点:1、具有自限制性、通过控制反应周期可以从纳米尺度精确控制薄膜厚度;2、反应发生在惰性气体环境中,有效避免其他物质的污染;3、单层饱和吸附、单层饱和反应确保所生长薄膜厚度分布均匀、不会出现针孔、空位等结构缺陷。虽然可以精确控制薄膜厚度,生成了保形、均匀、大面积的薄膜,但也存在着一定的问题。纳米薄膜的结构单一,材料表面活性高,不稳定,在空气中易氧化、发光效率低;PbS材料的折射率高,容易引起很大的损耗;薄膜厚度为纳米量级,渐逝波作用于薄膜的区域少,增益较小。因此如何改进增益介质性能也是今后的研究重点。
发明内容
针对现有的锥形光纤放大器技术的不足之处,本发明的目的在于提供了一种PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器及其制备方法。
为达到上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器,所述纳米集成锥形光纤放大器由单模锥型光纤和光纤表面利用原子层沉积技术制备的PbS/SiO2共掺纳米薄膜组成。
所述单模锥形光纤使用标准单模光纤通过熔融拉锥机拉制而成,并且对锥区进行表面活性处理,提高表面羟基浓度。
所述PbS/SiO2共掺纳米薄膜利用原子层沉积技术沉积在锥形光纤锥区表面,即包层的外部。形成纤芯—包层—共掺纳米薄膜—空气的结构。
所述PbS/SiO2共掺纳米薄膜首先利用原子层沉积技术在锥区表面沉积PbS纳米材料,然后再利用原子层沉积技术沉积SiO2于PbS核之间及表面,有效隔离相邻成核位点,防止粒子团聚形成大颗粒影响发光效率;有效改善PbS表面缺陷结构,提高稳定性与分散性,从而提高发光效率。
所述PbS/SiO2共掺纳米薄膜利用原子层沉积技术重复上述PbS和SiO2的沉积步骤,从而形成掺杂浓度以及厚度精确可控的高增益薄膜。
所述的沉积PbS纳米材料所用Pb源的气相前驱体为:双(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铅,Bis(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato)lead(II),Pb(TMHD)2;所用S的前驱体材料为H2S与N2的混合物。
所述的沉积SiO2纳米材料所用Si源的气相前驱体为:二异丙基氨基硅烷(N,N-bis(1-methylethyl)silanamine);氧源采用臭氧(O3)。
一种PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器,其特征在于首先采用熔融拉锥技术制备单模熔锥光纤,并进行表面活化处理;接着利用原子层沉积技术在熔锥光纤上交替沉积多层PbS/SiO2共掺纳米薄膜,制备高增益锥形光纤放大器;其具体工艺过程和工艺步骤如下:
1)采用熔融拉锥技术制备单模熔锥光纤,锥腰直径5 ~ 15 μm,锥长2 ~ 5 cm,并对锥区进行表面活化处理;
2)利用原子层沉积技术(ALD)沉积PbS纳米材料。
3)利用原子层沉积技术(ALD)沉积SiO2纳米材料。
4)通过重复2)3)沉积过程来精确控制薄膜的厚度、掺杂浓度和掺杂粒子的分布情况,制得锥形光纤放大器。
由于PbS表面被SiO2纳米材料所修饰,减少了粒子表面的游离键,有效防止了PbS纳米材料的氧化,增加了薄膜的稳定性;由于SiO2纳米材料的掺入,有效降低了薄膜的折射率,增加了粒子分散性,使薄膜厚度从nm到μm级别可控;通过控制交替沉积过程,可获得高掺杂浓度的纳米薄膜,从而实现高增益的光纤放大器。该放大器结构简单,操作简易,且PbS/SiO2纳米共掺薄膜的使用弥补了现有锥形光纤放大器发光效率低、稳定性差的缺陷。
本发明与现有技术相比较,具有如下显而易见的实质性特点和显著优点:
1)制备的核壳结构纳米薄膜的均一性好、分散性高、掺杂浓度可控;
2)制备的核壳结构纳米薄膜厚度可在nm到μm级别调整。
3)制备的核壳结构纳米薄膜的稳定性好,易于在空气中长时间保存;
4)所制备的光纤放大器具有高增益、结构简单、体积小,易于产业化。
附图说明
图1为本发明PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器的结构示意图。
图2为沉积结构示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图说明如下:
实施例1:
参见图1和图2,一种PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器,包括锥形光纤1和纳米薄膜2,所述锥形光纤1使用的光纤是纤芯直径为9 μm,光纤直径为125 μm的单模光纤,利用熔融拉锥机拉制成锥形光纤1。所述纳米薄膜2由PbS(2-1)和SiO2(2-2)纳米材料交替沉积而成。利用原子层沉积技术依次沉积在进行了表面活性的锥形光纤1上。所用Pb源的气相前驱体为:双(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铅,Bis(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato)lead(II),Pb(TMHD)2;所用S的前驱体材料为H2S与N2的混合物。所用Si源的气相前驱体为:二异丙基氨基硅烷(N,N-bis(1-methylethyl)silanamine);氧源采用臭氧(O3)。放大光纤的荧光光谱范围:1100 nm – 1700 nm。
其具体工艺过程和工艺步骤如下:
1)采用熔融拉锥技术制备单模熔锥光纤,锥腰直径5 ~ 15 μm,锥长2 ~ 5 cm,并对锥区进行表面活化处理;
2)利用原子层沉积技术(ALD)沉积PbS纳米材料。
3)利用原子层沉积技术(ALD)沉积SiO2纳米材料。
通过重复2)3)沉积过程来精确控制薄膜的厚度、掺杂浓度和掺杂粒子的分布情况,制得锥形光纤放大器。。
Claims (7)
1.一种PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器,包括锥形光纤(1),其特征在于:在锥腰处涂覆纳米薄膜(2),所述纳米薄膜(2)包括交替沉积的PbS (2-1) 和SiO2 (2-2)纳米材料。
2.根据权利要求1所述的PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器,其特征在于:在涂覆纳米薄膜(2)前,采用熔融拉锥技术制备锥形光纤(1),并对锥区进行表面活性处理。
3.根据权利要求2所述的PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器,其特征在于:利用原子层沉积技术在锥形光纤(1)表面先后沉积PbS和SiO2纳米材料形成纳米薄膜。
4.根据权利要求3所述的PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器,其特征在于:重复沉积过程获得高掺杂、厚度可达μm级别的高增益薄膜。
5.根据权利要求3所述的PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器,其特征在于:所述的沉积PbS纳米材料所用Pb源的气相前驱体为:双(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸)铅,Bis(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionato)lead(II),Pb(TMHD)2;所用S的前驱体材料为H2S与N2的混合物。
6.根据权利要求3所述的PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器,其特征在于:所述的沉积SiO2纳米材料所用Si源的气相前驱体为:二异丙基氨基硅烷(N,N-bis(1-methylethyl)silanamine);氧源采用臭氧(O3)。
7.一种PbS/SiO2共掺纳米集成锥形光纤放大器的制备方法,其特征在于制备步骤如下:
采用熔融拉锥技术制备单模熔锥光纤(1),并进行表面活化处理;
在锥区利用原子层沉积法沉积PbS纳米材料;
在锥区利用原子层沉积法沉积SiO2纳米材料;
通过交替重复PbS和SiO2的沉积过程来精确控制薄膜的厚度、掺杂浓度和掺杂粒子的分布情况,制得锥形光纤放大器。
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