CN111766045B - 一种基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪 - Google Patents
一种基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光探测器领域，具体为一种基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪。本发明通过在光纤端面设计的金‑钙钛矿CsPbBr3‑金异质结面阵列，采集端面不同位置的微电流信号，结合外接光电器件对光纤端面的不同位置的光功率分布通过电流进行反映，利用数据处理软件对电流的分布情况进行统计，从而对光纤的横模分布进行可视化表征。本发明将模场分析仪进行高度集成化和小型化，实现了可见光波段下光纤传输横模模场的直接探测，且响应时间短、成本低廉、信号稳定，对于光纤通信领域的光信号探测拥有极高的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光探测器领域，具体为一种基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪，其异质结以阵列的形式排布于光纤端面。
背景技术
在光纤传输过程中，人们往往难以直接获取到其内部的模场分布情况，传统的模场分析方式常常需要借助于仿真结果对实际进行估计，但是对于大纤芯多模场的情况，此时模场的传输情况会复杂得多，计算过程也更为困难。随着光纤通信领域的发展，要求各器件能朝高度集成化发展，同时对于其响应时间和准确性有了更高的要求，因此对于光纤内部模场的直接监测和控制成为了新的研究点。现如今市面上能直接对光纤模场直接监测的仪器往往价格昂贵或者体积庞大，难以满足目前所需。而钙钛矿的出现恰好为材料科学和光电子学科建立了相应的联系，有助于将光电子器件向表面集成化、信息即时性、操作简易型发展。
在光电领域，钙钛矿相较于其他材料拥有很大的优势，例如光吸收能力超强，可用作CCD 中的感光材料；带隙可通过掺杂、电控、层数调节，从而拓展了其在光学通信的各个波段的应用；稳定的结构性能，成本低廉。制作简单等。这些优异的光电特性，为钙钛矿的发展和应用开拓了前景，同时也为传统光电器件性能提供了上升的空间。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有光纤模场直接监测的仪器价格昂贵或体积庞大的问题，本发明提供了一种基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪，通过在光纤端面上金极和CsPbBr3钙钛矿纳米晶体异质结的面阵的高度集成，建立电信号大小-光强强弱- 模场分布的关系，从而明确光纤传输过程中的横模模场在光纤端面的表现形式，实现对光纤内部模场的直接实时检测。
一种基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪，包括：光纤、金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结和外接光电器件。
所述金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结作为单元结构以矩阵的形式平铺于光纤端面上，且矩阵在光纤端面上的覆盖率至少95％；金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结的两金极间距至少2nm，相邻单元结构的间距至少2nm，钙钛矿CsPbBr3的面积不超过单个单元结构的面积。
所述外接光电器件包括：激光光源、纳米探针、稳压源、电流计、温度控制器以及计算机。
激光源波长范围在400-560nm。温度控制器用于控制光纤的温度恒定在25℃～37℃(以减小光纤受温度影响程度)。纳米探针有两根，分别与稳压源的正负极相连再与电流计相串联后，再分别与单个金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结中的金极相接触。电流计的输出端与计算机相连，将采集到的电流信号经过计算机数据处理软件进行分析并仿真。
进一步的，所述金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结中的金极呈对称分布，表面粗糙度＜1nm，厚度为60-80nm；钙钛矿CsPbBr3完全覆盖两金极间的镂空范围，但不超过单个单元结构的面积，表面粗糙度＜5nm，厚度为50-200nm。
进一步的，所述光纤为单模光纤、少模光纤或者多模光纤；优选对其端面进行切割并打磨，使其粗糙度＜10nm。
进一步的，所述探针直径为1nm。
这种基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪的使用方法为：
光纤未沉积异质结的一端接入到波长400-560nm的泵浦激光源。设定温度控制器的温度恒定(25℃～37℃)后，将两根探针与单元结构中的两个金极相接触，通过设定稳压源的大小，记录电流计中的电流大小，同时通过计算机中的数据处理软件将电流数据进行储存。
然后，通过移动探针与各单元结构的金极接触从而改变所测的阵列单元，计算机将测得的每个阵列单元的电流进行采集储存处理，并且统一转换为光纤横截面的光功率分布(即横模分布)。
本发明基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪的主要原理为：钙钛矿具备较高的载流子迁移率、光吸收系数以及较长的寿命，可以将光功率变化情况通过电流的变化进行表征。通过在光纤端面设计的金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结面阵列，以覆盖到光纤端面至少 95％的面积，然后通过外接光电器件以对光纤端面的不同位置的光功率分布通过电流进行反映，并通过数据处理软件对电流的分布情况进行统计，从而对光纤的横模分布进行可视化表征。
本发明依托于集成钙钛矿异质结的光纤端面平台，探究了光在光纤内部传输过程的模场分布，通过钙钛矿感光层的光电转换进而建立光功率与光电流的对应关系，从而实现对横模模场的可视化。本发明将模场分析仪进行了高度集成化和小型化，实现了可见光波段下光纤传输横模模场的直接探测，且响应时间短、成本低廉、信号稳定，对于光纤通信领域的光信号探测拥有极高的应用价值。
附图说明
图1为本发明光纤端面结构示意图。
图2是本发明的结构框图。
图3为实施例在不同功率的450nm激光激发下，不同位置点的光功率-光电流曲线图。
图4为实施例光电流的稳定性测试图谱。
图5为实施例的横模可视化分布图。
附图标记：1-多模光纤，2-金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结，3-金极，4-钙钛矿CsPbBr3薄膜，5-端面覆有金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结的多模光纤，6-稳压源，7-电流计，8-计算机， 9-温度控制器，10-探针，11-1号位置，12-2号位置，13-3号位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
结合图1，利用一段105/125μm的多模光纤，将其一端剥去其涂覆层，利用切割刀获取平整的截面，之后进行打磨处理使之表面的粗糙度降低至＜10nm。之后将端面切割打磨后的光纤放入超声波清洗机中清洗30s，并注意不要使端面与其他物品进行触碰。然后将光纤端面浸入95％的酒精中30s，最后取出待其干燥后获得平整无杂质的多模光纤端面。
先在光纤端面上沉积一层钙钛矿CsPbBr3矩阵阵列薄膜，阵列中的单元结构的钙钛矿 CsPbBr3薄膜尺寸为8nm×3nm，厚度为50nm，表面粗糙度＜5nm。相邻单元结构间的距离为7nm。该钙钛矿CsPbBr3阵列的覆盖面积达到光纤端面面积的85％。
之后在多模光纤端面的各钙钛矿CsPbBr3薄膜两端均沉积两个金极，金极60nm厚，单个尺寸为8nm×3nm，表面粗糙度＜1nm；以金极和钙钛矿CsPbBr3薄膜尺寸相同的一边相互对准沉积，两个金极间的距离为2nm，整个金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结单元结构的尺寸为8nm× 8nm，异质结单元结构中的两个金极对称分布，相邻两个异质结单元结构之间的距离为2nm。此时位于光纤端面的金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结的总面积达到光纤端面横截面积的98％。
探针与稳压源、电流计和计算机串联后作为外接电路；将光纤固定在温度控制器上，温度设定为30℃；同时，该光纤另一端接入到450nm泵浦激光，设定稳压源输出电压为0.03V。
利用两根探针(直径为1nm)与每个金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结中的两个金极相接触，通过计算机记录该位置的电流数据，然后改变泵浦激光的功率，从0阶梯式增长到3nw，并通过计算机记录相应的电流数据；之后将探针移动到下一个金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结单元结构，重复以上操作，通过计算机记录相应的电流数据，直至遍历所有单元结构。以通过计算机获得光模场随着功率改变的变化趋势。当测试到不同异质结点位的数目越多，通过计算机处理后的数据越准确，得到的光模场也越与实际贴近。
下面通过选择光纤端面上三个不同位置的异质结单元机构进行测试与说明：
如图1所示，1号位于靠近纤芯中心的位置，2号为离纤芯中心距离为1/2半径长度位置， 3号为纤芯边缘靠近光纤包层位置。
设定钙钛矿两端金极电压为0.03V，并将450nm的泵浦激光注入光纤当中。逐渐增加泵浦激光功率，通过电流计显示并输出上述三个位置点的电流信息到计算机中进行记录。其结果如图3所示。
之后为测试该装置的输出电流随时间的稳定性，通过固定钙钛矿两端电压为0.1V，设定 450nm泵浦激光功率为1nw，经过120min的实时记录，其结果如图4所示。图4为实施例光电流的稳定性测试图谱，其中固定450nm激光的功率为1nW，电极两端电压为0.1V。
通过对光纤端面所有的阵列点上的光电流进行采集整理，将其转化为模场分布的平面化可视图，如图5所示。
综上可见，本发明通过在光纤端面设计的金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结面阵列，采集端面不同位置的微电流信号，结合外接光电器件对光纤端面的不同位置的光功率分布通过电流进行反映，利用数据处理软件对电流的分布情况进行统计，从而对光纤的横模分布进行可视化表征。本发明将模场分析仪进行高度集成化和小型化，实现了可见光波段下光纤传输横模模场的直接探测，且响应时间短、成本低廉、信号稳定，对于光纤通信领域的光信号探测拥有极高的应用价值。
Claims (6)
1.一种基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪，其特征在于：包括光纤、金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结和外接光电器件；
所述金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结作为单元结构以矩阵的形式平铺于光纤端面上，且矩阵在光纤端面上的覆盖率至少95％；金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结的两金极间距至少2nm，相邻单元结构的间距至少2nm，钙钛矿CsPbBr3的面积不超过单个单元结构的面积；
所述外接光电器件包括：激光光源、纳米探针、稳压源、电流计、温度控制器以及计算机；
激光源波长范围在400-560nm；温度控制器用于控制光纤的温度恒定在25℃～37℃；纳米探针有两根，分别与稳压源的正负极相连再与电流计相串联后，再分别与单个金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结中的金极相接触；电流计的输出端与计算机相连，将采集到的电流信号经过计算机数据处理软件进行分析并仿真。
2.如权利要求1所述基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪，其特征在于：所述金-钙钛矿CsPbBr3-金异质结中的金极呈对称分布，表面粗糙度＜1nm，厚度为60-80nm；钙钛矿CsPbBr3完全覆盖两金极间的镂空范围，表面粗糙度＜5nm，厚度为50-200nm。
3.如权利要求1所述基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪，其特征在于：所述光纤为单模光纤、少模光纤或者多模光纤。
4.如权利要求1所述基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪，其特征在于：所述光纤端面进行切割并打磨、平整，使其粗糙度＜10nm。
5.如权利要求1所述基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪，其特征在于：所述探针直径为1nm。
6.如权利要求1所述基于钙钛矿CsPbBr3异质结的光纤端面式模场分析仪，其特征在于：
使用方法为：
光纤未沉积异质结的一端接入到泵浦激光源，设定温度控制器的温度恒定后，将两根探针与单元结构中的两个金极相接触，通过设定稳压源的大小，记录电流计中的电流大小，同时通过计算机中的数据处理软件将电流数据进行储存；
然后，通过移动探针与各单元结构的金极接触从而改变所测的阵列单元，计算机将测得的每个阵列单元的电流进行采集储存处理，并且统一转换为光纤横截面的光功率分布，即横模分布。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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