CN1928688A - 量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明述及一种量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器及其制造方法。它是利用熔锥型光纤耦合器作为光纤渐逝波放大的放大光纤，并把熔锥耦合区外面涂上纳米级的半导体材料，从而实现了纳米半导体材料耦合式的渐逝波光纤放大效果。它由泵浦光源和信号光源连接量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤构成。本方法是：首先制作光纤耦合器件，接着制作量子点半导体纳米材料，然后是制作量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤，最后制成放大器系统。本量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器，实现宽光谱，体积小，价格低廉，可广泛应用于长距离、大容量、高速率的通信系统，接入网，光纤CATV网，FTTH，军用系统等领域的光信号放大，也可用于光纤传感器领域的光信号放大。
Description
技术领域
本发明述及一种量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器及其制造方法，属光通信技术和纳米材料制备技术领域。
背景技术
纳米材料是当今最富有活力的新材料研究领域。因纳米颗粒的量子尺寸、表面和宏观量子隧道等效应，与同材料的微米晶体相比，在催化、光学、磁性、力学、生物等方面具有许多奇异的性能。纳米技术是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同基础，利用纳米材料研制特种功能型的光纤器件，正是纳米技术与信息技术结合的产物。其中，光纤通信领域急需的宽光谱光纤放大器就是一个纳米技术与光通信技术结合点。光纤放大器是高速、大容量光纤通信网络中最重要的部件之一，随着密集波分复用(DWDM)信道不断增加以及光纤到户(FTTH)的迅速推广应用，对光纤放大器的要求也越来越高，它要求光纤放大器向宽带宽、小型化的方向发展，但目前常用的基于掺铒稀土元素光纤实现的放大器(EDFA)由于其使用光纤长(为30m左右)、放大谱宽窄(约30nm)已不能满足光纤通信日益发展的需要。另外，价位低廉、工程化强的光纤放大器也是光纤通信系统所追求的。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种新型的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器。它具有光信号的放大功能，解决掺杂稀土光纤必须使用长光纤(米级)实现光信号放大的问题，它可以用较短(厘米级)的光纤实现光信号放大。
本发明的第二个目的是量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器具有宽带特性，大约是普通掺铒光纤带宽的3～5倍。
本发明还有一个目的是根据已有的光纤制备技术，结合纳米制作技术和工艺方法，在光纤的制作技术和工艺流程方面，提出一套实用可行的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器制造方法。
为了达到上述目的，本发明的构思是：
本发明提出一种新型的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器，它是基于纳米材料技术、半导体理论、光波耦合理论和光纤渐逝波理论，采用熔锥型光纤耦合器作为光纤渐逝波放大的放大光纤，并把熔锥耦合区外面涂上纳米级的半导体材料实现的。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器，由一个泵浦光源和一个信号光源与一个渐逝波放大光纤连接构成，其特征在于所述的渐逝波放大光纤为量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤，它是由2×2熔锥光纤耦合器件、量子点半导体纳米材料和封装保护管组成，所述的2×2熔锥光纤耦合器件由泵浦光输入光纤和信号光输入光纤分别连接一个2×2熔锥光纤耦合区的输入端两个光纤端，而2×2熔锥光纤耦合区的输出端两个光纤端分别连接放大后信号输出光纤和放大后泵浦输出光纤所构成；所述的量子点半导体纳米材料置于封装保护管内，并包围2×2熔锥光纤耦合区；所述的封装保护管的两端有封装胶把所述的量子点半导体纳米材料密封于所述的封装保护管和2×2熔锥光纤耦合区之间。
在上述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器，所述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤，可根据技术参数的要求，使用的光纤为单模或多模光纤。
在上述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器，所述的量子点半导体纳米材料，可根据实际的需要，采用不同的半导体材料，如在PSe、CdSe、CdS、InP、PbSe、ZnSe、ZnS和HgTe中任选一种。
一种量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器的制造方法，其特征在于首先采用熔融拉锥技术制作2×2熔锥型光纤耦合器件；接着制备量子点半导体纳米材料；然后把量子点半导体纳米材料和2×2熔锥型光纤耦合器件结合在一起，并进行封装，形成量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤；最后，由泵浦光源1、信号光源2和量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤3组成光纤放大器；其具体工艺过程及工艺步骤如下：
(1)采用熔融拉锥技术制作2×2熔锥型光纤耦合器件：
用熔融拉锥机把两根光纤拉制成2×2熔锥型光纤耦合器件，其耦合器件由泵浦光输入光纤、信号光输入光纤、2×2熔锥光纤耦合区、放大后信号输出光纤和放大后泵浦输出光纤组成，泵浦光输入光纤、信号光输入光纤、放大后信号输出光纤和放大后泵浦输出光纤的光纤长度为1～2米，2×2熔锥光纤耦合区的长度为2～3厘米；
(2)采用溶胶—凝胶法制备量子点半导体纳米材料：
1)正硅酸乙脂TEOS进行酸式水解1.2～1.8小时，正硅酸乙脂、水、乙醇和硝酸的摩尔比为1∶1∶1∶2.7×10-3，甲醇溶解液，甲醇与铅盐(Pb(Ac)2·3H2O)的比例为15.8∶1，引入于正硅酸乙脂酸式水解液中，均匀分散1.2～1.8小时，加入氨水、乙醇、水，比例为0.05∶1∶4，再进行碱式水解，均拌后，得到表面澄清、透明的均相溶胶；
2)把所得的溶胶在150℃±15℃温度通入硫化氢气体，反应0.45～0.55小时即可得到PbS/SiO2的量子半导体纳米材料；
(3)制备量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤：
1)把封装保护管套在2×2熔锥光纤耦合区上，使2×2熔锥光纤耦合区在封装保护管内，然后一端用封装胶密封；
2)把量子半导体纳米材料装入封装保护管内，并包围2×2熔锥光纤耦合区；
3)用封装胶密封2×2熔锥光纤耦合器件的另一端，即形成量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤；
(4)制成光纤放大器：
把泵浦光源与量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤的泵浦光输入光纤连接，信号光源与量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤的信号光输入光纤连接，此时在放大后信号输出光纤得到的信号即为光放大信号，而放大后泵浦输出光纤输出的光信号为泵浦光经放大器吸收后的剩余泵浦光信号。
上述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器的制造方法，所述的量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤，可根据技术参数的要求，使用的光纤为单模或多模光纤。
上述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器的制造方法，所述的量子点半导体纳米材料，可根据实际的需要，采用不同的半导体材料，如在PSe、CdSe、CdS、InP、PbSe、ZnSe、ZnS和HgTe中任选一种。
本发明方法的原理如下所述：
本发明的这种量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器的放大机理在于，利用熔锥型光纤耦合器作为光纤渐逝波放大的放大光纤，并把熔锥形外层涂上纳米级的半导体材料实现的。当泵浦光和信号光通过具有耦合效应的渐逝波半导体锥区时，一旦入射泵浦光子能量大于半导体带隙，就会发生强烈的本征吸收，入射光子使半导体价带中的电子受激发而垂直跃迁进入导带，这样，当信号光波通过处于该状态的半导体纳米材料时，信号光就会得到放大。
因把半导体纳米颗粒镶嵌于介质中，当他们的尺度为量子尺度(即小于半导体材料中束缚激子的Bohr半径)时(也称为量子尺寸效应)，形成了量子点结构。量子点半导体纳米材料的出现将电子局限于点状结构之内，实现零维量子限制。由此，会在导带和价带间形成具有一定能量间隔的量子化能级，而且，量子点的尺寸越小，其量子化能级间距越大，吸收泵浦光束的能力越强，高能带上形成的粒子反转数越强。当一定波长的小信号光耦合到量子点半导体纳米材料时，就会诱发大量的光生载流子，从较高的量子化能级驰豫到较低的量子化能级，形成受激辐射过程，使产生受激辐射光子的概率增大，这提高放大性能，使信号得到增强的放大。
由上所述，可以看出本发明的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器是一种集成化、增益谱宽、且使用方便、价格低廉的新型光纤放大器。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本发明实现的渐逝波光纤放大器，结构上采用的是双纤熔锥形式，放大材料采用的是量子点纳米半导体，与掺杂稀土光纤放大器相比，它在带宽、体积、价格上有优势。具体的优点如下：(1)量子点半导体作为放大材料，它的粒子跃迁不是发生在分立的能级之间，而是产生于两个能带(价带和导带)之间，因而放大的谱宽要比掺杂稀土元素光纤要宽得多，大约是传统掺铒光纤放大器的3-5倍；(2)纳米半导体材料对泵浦光源波长的要求也不苛刻，所以泵浦光源不一定要求是激光器，也可以用发光二极管阵列等器件；(3)它的放大光纤区域在厘米级范围，且放大区域的引线端就可作为泵浦和信号光的输入和输出，体积小、成本低。
本发明作为光纤放大器，适合应用于长距离、大容量、高速率的通信系统，接入网，光纤CATV网，FTTH，军用系统等领域的光信号放大，也可用于光纤传感器领域的光信号放大。
附图说明：
图1为本发明量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器结构原理示意图。
图2为量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤结构示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图叙述于后：
本量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器，它由980nm泵浦光源2、1310nm信号光源1和量子点PbS半导体纳米材料渐逝波放大光纤3组成，参见图1，其量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤3是由2×2熔锥单模光纤耦合器件、量子点半导体纳米材料34和封装保护管35组成，其中2×2熔锥单模光纤耦合器件由泵浦光输入光纤31、信号光输入光纤32、2×2熔锥光纤耦合区39、放大后信号输出光纤37和放大后泵浦输出光纤38组成，把量子点PbS半导体纳米材料34放置于石英封装保护管35内，并包围2×2熔锥光纤耦合区39，封装胶33、36是把量子点半导体纳米材料34密封于石英封装保护管35和2×2熔锥光纤耦合区39之间。
本量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器的制造方法包括以下各步骤，参见图2：
(1)采用熔融拉锥技术，制作2×2熔锥型单模光纤耦合器件：
用熔融拉锥机把两根单模光纤拉制成2×2熔锥型光纤耦合器件，其耦合器件由泵浦光输入光纤31、信号光输入光纤32、2×2熔锥光纤耦合区39、放大后信号输出光纤37和放大后泵浦输出光纤39组成，泵浦光输入光纤31、信号光输入光纤32、放大后信号输出光纤37和放大后泵浦输出光纤38的光纤长度为1米，2×2熔锥光纤耦合区39的长度为3厘米。
(2)采用sol-gel(溶胶—凝胶)法，制备量子点PbS半导体纳米材料：
1)正硅酸乙脂TEOS进行酸式水解1.5小时，正硅酸乙脂、水、乙醇和硝酸的摩尔比为1∶1∶1∶2.7×10-3，甲醇溶解液，甲醇与铅盐(Pb(Ac)2·3H2O)的比例为15.8∶1，引入于正硅酸乙脂酸式水解液中，均匀分散1.5小时，加入氨水、乙醇、水，比例为0.05∶1∶4，再进行碱式水解，均拌后，得到表面澄清、透明的均相溶胶；
2)把溶胶在150℃温度通入硫化氢气体，反应0.5小时即可得到PbS/SiO2的量子半导体纳米材料34。
(3)制备量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤：
1)把石英封装保护管套35在2×2熔锥光纤耦合区39上，使2×2熔锥光纤耦合区39在在封装保护管35内，然后一端用封装胶33密封；
2)把量子PbS半导体纳米材料34装入石英封装保护管35内，并包围2×2熔锥光纤耦合区39；
3)用封装胶36密封2×2熔锥光纤耦合器件的另一端，即形成量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤3。
(4)制成光纤放大器：
把980nm泵浦光源1与量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤3的泵浦光输入光纤31连接，1310nm信号光源2与量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤3的信号光输入光纤32连接，此时在放大后信号输出光纤37得到的信号即为光放大信号，信号的放大增益约为在4-5dB。
量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器的量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤3，使用的光纤为单模光纤，其纤芯为9μm、光纤直径为125μm。
Claims (6)
1.一种量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器，由一个泵浦光源(1)和一个信号光源(2)与一个渐逝波放大光纤连接构成，其特征在于所述的渐逝波放大光纤为量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤(3)，它是由2×2熔锥光纤耦合器件、量子点半导体纳米材料(34)和封装保护管(35)组成，所述的2×2熔锥光纤耦合器件由泵浦光输入光纤(31)和信号光输入光纤(32)分别连接一个2×2熔锥光纤耦合区(39)的输入端两个光纤端，而2×2熔锥光纤耦合区(39)的输出端两个光纤端分别连接放大后信号输出光纤(37)和放大后泵浦输出光纤(38)所构成；所述的量子点半导体纳米材料(34)置于封装保护管(35)内，并包围2×2熔锥光纤耦合区(39)；所述的封装保护管(35)的两端有封装胶(33、36)把所述的量子点半导体纳米材料(34)密封于所述的封装保护管(35)和2×2熔锥光纤耦合区(39)之间。
2.根据权利要求1所述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器，其特征在于所述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤(3)使用的光纤为单模或多模光纤。
3.根据权利要求1所述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器，其特征在于所述的量子点半导体纳米材料(34)为PSe、CdSe、CdS、InP、PbSe、ZnSe、ZnS和HgTe中任选一种。
4.一种根据权利要求1所述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器的制造方法，其特征在于首先采用熔融拉锥技术制作2×2熔锥型光纤耦合器件；接着制备量子点半导体纳米材料；然后把量子点半导体纳米材料(34)和2×2熔锥型光纤耦合器件结合在一起，并进行封装，形成量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤；最后，由泵浦光源1、信号光源2和量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤3组成光纤放大器；其具体工艺过程及工艺步骤如下：
(1)采用熔融拉锥技术制作2×2熔锥型光纤耦合器件：
用熔融拉锥机把两根光纤拉制成2×2熔锥型光纤耦合器件，其耦合器件由泵浦光输入光纤(31)、信号光输入光纤(32)、2×2熔锥光纤耦合区(39)、放大后信号输出光纤(37)和放大后泵浦输出光纤(38)组成，泵浦光输入光纤(31)、信号光输入光纤(32)、放大后信号输出光纤(37)和放大后泵浦输出光纤(38)的光纤长度为1～2米，2×2熔锥光纤耦合区(39)的长度为2～3厘米；
(2)采用溶胶-凝胶法制备量子点半导体纳米材料：
1)正硅酸乙脂TEOS进行酸式水解1.2～1.8小时，正硅酸乙脂、水、乙醇和硝酸的摩尔比为1∶1∶1∶2.7×10-3，甲醇溶解液，甲醇与铅盐(Pb(Ac)2·3H2O)的比例为15.8∶1，引入于正硅酸乙脂酸式水解液中，均匀分散1.2～1.8小时，加入氨水、乙醇、水，比例为0.05∶1∶4，再进行碱式水解，均拌后，得到表面澄清、透明的均相溶胶；
2)把所得的溶胶在150℃±15℃温度通入硫化氢气体，反应0.45～0.55小时即可得到PbS/SiO2的量子半导体纳米材料(34)；
(3)制备量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤：
1)把封装保护管(35)套在2×2熔锥光纤耦合区(39)上，使2×2熔锥光纤耦合区(39)在封装保护管(35)内，然后一端用封装胶(33)密封；
2)把量子半导体纳米材料(34)装入封装保护管(35)内，并包围2×2熔锥光纤耦合区(39)；
3)用封装胶(36)密封2×2熔锥光纤耦合器件的另一端，即形成量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤(3)；
(4)制成光纤放大器：
把泵浦光源(1)与量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤(3)的泵浦光输入光纤(31)连接，信号光源(2)与量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤(3)的信号光输入光纤(32)连接，此时在放大后信号输出光纤(37)得到的信号即为光放大信号，而放大后泵浦输出光纤(38)输出的光信号为泵浦光经放大器吸收后的剩余泵浦光信号。
5.根据权利要求4所述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器的制造方法，其特征在于所述的量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤(3)使用的光纤为单模或多模光纤。
6.根据权利要求4所述的量子点半导体纳米材料渐逝波光纤放大器的制造方法，其特征在于所述的量子点半导体纳米材料(34)为PSe、CdSe、CdS、InP、PbSe、ZnSe、ZnS和HgTe中任选一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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