CN1317574C - 纳米晶体量子点光纤及光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米晶体量子点光纤以及量子点光纤放大器。不采用传统的天然元素(例如：铒)作为光纤的掺杂物，而采用人工纳米晶体PbSe和CdSe量子点作为光纤的掺杂物，构成量子点光纤。由该量子点光纤以及泵浦光源、输入光纤耦合器和输出光纤耦合器等，可组成量子点光纤放大器。与传统的掺铒光纤放大器相比，该量子点光纤放大器具有高平坦增益、宽带宽、噪声极低等突出优点。

Description

纳米晶体量子点光纤及光纤放大器

(一)技术领域

本发明属于光电子技术领域，为一种光通讯器件，尤其是一种光纤及光纤放大器。

(二)背景技术

传统的光纤放大器是掺天然稀土元素(例如铒、铥、镱等)的光纤放大器。由于其具有宽带宽、高增益、低噪声等特点，在密集波分复用全光网通讯中已经是一个关键器件。目前，研究和应用最多的是掺铒光纤放大器(EDFAs)。为了增加光纤放大器的平坦增益和带宽，人们使用了许多不同的方法，例如将传统波带(C-band)和长波带(L-band)双纤芯掺铒光纤串接起来，可获得超带宽、增益平坦的放大器。这种新型放大器在1515-1620nm区间的平坦增益为15dB，在C波带(1515-1555nm)之间的增益变化为1.3dB，在L波带(1562-1620nm)之间是1.5dB，噪声谱在整个波带上是4.5-4.8dB。这些平坦增益和带宽指标，基本代表了目前EDFAs的最好水平，也基本代表了EDFAs所能达到的极限。

虽然天然元素掺杂以及串接技术等使光纤放大器性能得到了极大的提高，但是，由于天然元素的辐射(吸收)谱波长及谱宽是恒定的，因此，它的平坦增益、宽带、噪声等重要指标都受到了限制，无法进一步提高。近年来，人工纳米晶体材料(量子点)领域有许多新的发展。量子点是准零维纳米材料，它由少量的原子所构成。量子点三个维度的尺寸都在几十纳米以下，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子效应特别明显。量子点中低的态密度、能级的尖锐化以及三维受限运动，导致类似原子的不连续电子能阶结构，使其电学性能和光学性能与宏观相比有显著变化，也使得半导体量子点在生命科学、医药、功能材料、催化、磁介质、光电子器件等许多方面具有极为广阔的应用前景。

在人工纳米晶体材料中，对通讯光纤而言，有的具备了良好的、甚或是理想的吸收和辐射谱。其中PbSe、CdSe、CdTe和CdS等量子点的辐射和吸收谱几乎覆盖了从465-2340nm的宽广的波带。此外，在制备人工纳米晶体材料时，可通过人工调控纳米晶体的尺度来调控量子阱的宽度，从而达到调控吸收峰和辐射峰的波长位置以及谱的全宽半高(FWHM)。通过不同类型的掺杂或不同的尺度大小，还可整体移动吸收和辐射谱。

(三)发明内容

为了突破传统的掺铒光纤及掺铒光纤放大器的增益、宽带和噪声等关键指标的限制，本发明提供一种能够明显改善光纤放大器性能的纳米晶体量子点光纤，以及高平坦增益、宽带宽、噪声极低的量子点光纤放大器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种纳米晶体量子点光纤，包括纤芯、包层，所述的光纤采用半导体纳米晶体作为掺杂物，所述的半导体纳米晶体的浓度为：(0.6～5.0)×10²⁴m^-3；该半导体纳米晶体直径为1.9～9nm，在可见和红外波段的辐射和吸收覆盖465～2340nm的波带。

所述的纳米晶体量子点光纤，所述的半导体纳米晶体为以下之一：(1)、PbSe量子点；(2)、CdSe量子点；(3)、CdTe量子点；(4)、CdS量子点。其中优选的半导体纳米晶体为PbSe量子点，所述的半导体纳米晶体的浓度为：(0.6～3.0)×10²⁴m^-3；所述的半导体纳米晶体直径为4.5～9nm。当选择的半导体纳米晶体为CdSe量子点时，所述的半导体纳米晶体的浓度为：(0.6～3.0)×10²⁴m^-3；所述的半导体纳米晶体直径为1.9～6.7nm。

一种纳米晶体量子点光纤放大器，包括泵浦光源、输入光纤耦合器、量子点光纤、输出光纤耦合器，所述的量子点光纤采用半导体纳米晶体作为掺杂物，所述的半导体纳米晶体的浓度为：(0.6～5.0)×10²⁴m^-3；该半导体纳米晶体直径为1.9～9nm，在可见和红外波段的辐射和吸收覆盖465～2340nm的波带，光纤长度为10～60米，光纤纤芯半径为2～6μm，纤芯与包层的折射率差为0.005～0.01，泵浦波长为400～2300nm，泵浦功率为10～200mW。

进一步，可选用的半导体纳米晶体为以下之一：(1)、PbSe量子点；(2)、CdTe量子点；(3)、CdSe量子点；(4)、CdS量子点。

更进一步，优选PbSe量子点纳米晶体量子点光纤，所述的半导体纳米晶体的PbSe量子点浓度为：(0.6～3.0)×10²⁴m^-3；所述的半导体纳米晶体直径为4.5～9nm；光纤长度为13.3～23.5米，光纤纤芯半径为3.1～5.1μm，纤芯与包层的折射差为0.0053～0.0073，泵浦波长为1433.7～1483.7nm，泵浦功率为25～75mW。

在人工纳米晶体材料中，对通讯光纤而言，有的具备了良好的、甚或是理想的吸收和辐射谱。其中，PbSe、CdSe、CdTe和CdS等量子点的吸收和辐射谱几乎覆盖了从465-2340nm的宽广的波带。此外，在制备人工纳米晶体材料时，可通过人工调控纳米晶体的尺度来调控量子阱的宽度，从而达到调控吸收峰和辐射峰的波长位置以及谱的全宽半高(FWHM)。通过不同类型的掺杂或不同的尺度大小，还可整体移动吸收和辐射谱。采用掺半导体纳米晶体的量子点光纤，以及由该量子点光纤构成的量子点光纤放大器。所述的半导体纳米晶体优选以下之一：(1)PbSe量子点；(2)CdSe量子点。

所述的PbSe量子点纳米晶体具有如下特征之一：

(1)直径约4.5nm，辐射峰位于1200±100nm，第一吸收峰位于1100±100nm，辐射(吸收)谱全宽半高为100～200nm；

(2)直径约5nm，辐射峰位于1400±100nm，第一吸收峰位于1310±100nm，辐射(吸收)谱全宽半高为100～200nm；

(3)直径约5.5nm，辐射峰位于1630±100nm，第一吸收峰位于1550±100nm，辐射(吸收)谱全宽半高为100～200nm；

(4)直径约7nm，辐射峰位于1810±100nm，第一吸收峰位于1750±100nm，辐射(吸收)谱全宽半高为100～200nm；

(5)直径约8nm，辐射峰位于1950±100nm，第一吸收峰位于1900±100nm，辐射(吸收)谱全宽半高为100～200nm；

(6)直径约9nm，辐射峰位于2340±100nm，第一吸收峰位于2300±100nm，辐射(吸收)谱全宽半高为100～200nm。

发所述的CdSe量子点纳米晶体具有如下特征之一：

(1)直径约1.9nm，辐射峰位于465±10nm，第一吸收峰位于445±10nm，分子量0.015mg/nmol；

(2)直径约2.1nm，辐射峰位于500±10nm，第一吸收峰位于480±10nm，分子量0.021mg/nmol；

(3)直径约2.4nm，辐射峰位于520±10nm，第一吸收峰位于510±10nm，分子量0.029mg/nmol；

(4)直径约2.7nm，辐射峰位于545±10nm，第一吸收峰位于530±10nm，分子量0.042mg/nmol；

(5)直径约3.2nm，辐射峰位于570±10nm，第一吸收峰位于560±10nm，分子量0.070mg/nmol；

(6)直径约4.0nm，辐射峰位于595±10nm，第一吸收峰位于585±10nm，分子量0.13mg/nmol；

(7)直径约5.2nm，辐射峰位于618±10nm，第一吸收峰位于610±10nm，分子量0.29mg/nmol；

(8)直径约6.7nm，辐射峰位于640±10nm，第一吸收峰位于634±10nm，分子量0.67mg/nmol；

所述的半导体纳米晶体量子点光纤，掺PbSe或CdSe量子点的浓度为(0.6～3.0)×10²⁴m^-3；所述的纳米晶体量子点光纤放大器包括：泵浦光源、输入光纤耦合器、量子点光纤、输出光纤耦合器，其中光纤长度为10～60米，光纤纤芯半径为2～6μm，纤芯与包层的折射率差为0.005～0.01，泵浦波长为400～2300nm，泵浦功率为10～200mW。

本发明的有益效果主要表现在：不采用传统的天然元素(例如：铒)作为光纤的掺杂物，而采用人工纳米晶体PbSe和CdSe量子点作为光纤的掺杂物，由此构成量子点光纤。由该量子点光纤可组成量子点光纤放大器。与传统的掺铒光纤放大器相比，该量子点光纤放大器具有高平坦增益、宽带宽、噪声极低等突出优点。

(四)具体实施方式

实施例1

一种半导体纳米晶体量子点光纤放大器。采用其中一种PbSe量子点为光纤掺杂物，其直径为5.5nm，辐射峰位于1630nm，第一吸收峰位于1550nm，辐射(吸收)谱全宽半高为150，掺杂浓度为1.0×10²⁴m^-3；所述的纳米晶体量子点光纤放大器包括：泵浦光源、输入光纤耦合器、量子点光纤、输出光纤耦合器，其中光纤长度为18.3米，光纤纤芯半径为4.1μm，纤芯与包层的折射率差为0.0063，泵浦波长为1458.7nm，泵浦功率为50mW。

人们已经测量得到了所述的半导体纳米晶体PbSe量子点的吸收和辐射谱的相对值。对于吸收截面的绝对值，可通过Beer-Lambert定律计算得到：PbSe量子点位于第一吸收峰处的吸收能力为A＝εC＝1600ΔED³CL，其中C(mol/L)为摩尔浓度，L(m)为记录吸收谱的辐射路径长度，ε(L/mol.m)为每摩尔量子点的消光系数，ΔE(ev)为辐射光子能，D(nm)为量子点的直径。相应地，吸收截面的峰值为 ${\mathrm{\σ}}_a=\frac{A/L}{n_q},$ 其中n_q(m^-3)为PbSe量子点粒子数密度，它可由浓度及每个量子点的质量计算得到。由于PbSe颗粒的直径(～5.5nm)比Er³⁺离子大很多，并且浓度很高，一般可达到2.5mg/mL，因此，PbSe量子点吸收截面峰值比通常的铒离子Er³⁺的截面高出约2～3个量级。

在1400-1800nm之间的通讯波带内，所述PbSe量子点的吸收和辐射谱具有单峰的特点。可采用二能级模型来描述QDFA。对于轴对称光纤，在纤芯中传播的频率为v_k的信号及泵浦光功率方程为：

$\frac{d{P}_k\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=u_k{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ek}}\underset{0}{\overset{a}{\∫}}{i}_k\left(r\right)n_2(r,z)[P_k\left(z\right)+\mathrm{mh}{v}_k{\mathrm{\Δv}}_k]2\mathrm{\πrdr}-u_k{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ak}}\underset{0}{\overset{a}{\∫}}{i}_k\left(r\right)n_1(r,z)P_k\left(z\right)2\mathrm{\πrdr}-u_k{l}_k{P}_k\left(z\right)---\left(1\right)$

其中σ_ek(σ_ak)是辐射(吸收)截面，i_k是归一化横模强度，n_1，2是量子点的下上能级粒子数密度，l_k是光纤损失(包括散射损失、泄漏出纤芯的损失等等)，Δv_k是有效噪声带宽，mhvΔv_k是自发辐射的贡献。光可沿前向(u_k＝+1)或后向(u_k＝-1)传播，对于自发辐射的噪声功率，m＝2；对于信号和泵浦功率，m＝0。注意到上式为对频率v_k，一般需研究一个波带，因而，需对系列分立频率进行研究。上式第一项为辐射及噪声对光功率的增加，第二项为光功率的吸收，第三项为光纤损失。

上能级的粒子数密度方程为

$\frac{{\mathrm{dn}}_2}{\mathrm{dt}}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{P_k{i}_k{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ak}}}{h{v}_k}{n}_1-\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{P_k{i}_k{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ek}}}{{\mathrm{hv}}_k}{n}_2-\frac{n_2}{\mathrm{\τ}},---\left(2\right)$

其中τ是上能级寿命，对所有的频率进行求和。在稳态近似下，

$n_2(r,z)=E_q\frac{\mathrm{\τ}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ak}}}{{\mathrm{hv}}_k}{P}_k\left(z\right)i_k\left(r\right)}{1+\mathrm{\τ}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ak}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ek}}}{{\mathrm{hv}}_k}{P}_k\left(z\right)i_k\left(r\right)},---\left(3\right)$

其中总密度n_q＝n₁+n₂，它可由量子点的浓度以及每量子点的质量等数据确定。

为了便于与目前通用的EDFAs进行比较，可将纤芯与包层的折射率差Δn和纤芯半径a设成与通用的朗讯公司的产品相同。当单模光强分布i_k一定时，上述方程经过简化归并，放大器的增益G_s及带宽Δ最终可以表示为光纤长度L_f、泵浦波长λ_p和上能级寿命τ这样三个参数的函数，即

$G_s=10\log \frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}}=F(L_f,{\mathrm{\λ}}_p,\mathrm{\τ}),---\left(4\right)$

或Δ＝F′(L_f，λ_p，τ)，                    (4’)

其中带宽可为通常定义的-3dB带宽。

弱导近似和信号为单模的条件应当满足。频率v_k的单模光强分布i_k可采用零阶贝塞耳函数。由于信号增益与输入信号功率成反比，与泵浦功率成正比，因此，只需以一组信号功率和泵浦功率为例即可。这里，设输入泵浦功率P_p＝50mW，输入信号功率水平P_s＝-30dBm。信号由一系列波长组成，可设波长最短的信号与泵浦波长间隔D，即信号波长分布为从λ_p+D到1750nm。波长(包括信号和泵浦)采用扫描的方式，范围可从1450nm到1750nm，间隔可为1nm。

仅仅有量子点的截面等数据，仍旧无法预计QDFAs的性能。这是由于我们事先无法预知光纤长度L_f、放大器的泵浦波长λ_p以及寿命τ到底多少才能构成一个良好的QDFA，而这些参量对放大器的特性又至关重要，因此，需要对L_f，λ_p，τ进行优化。可采用近年来发展比较快的全局优化的遗传算法。具体如下：首先，由随机函数产生三个参量L_f，λ_p，τ的随机值，经编码后数值求解方程(1)-(4)，获得增益带宽，即“目标函数”值。然后，应用逆方法，即：从目标函数出发，由遗传算法，通过全局搜索，反向获得在该目标函数值时所需的三个参量(即基因)。对由基因组成的染色体，根据目标函数值的大小进行优劣排序，淘汰差的一半的染色体，留下好一半的染色体。对留下的染色体进行基因交叉，形成新的一半的染色体(子染色体)。子染色体与前留下的一半的染色体组成新一代的染色体，重新进行排队。染色体基因发生几率很小的突变。之后，进入下一代循环。经过数十代循环之后，直至所有的染色体都趋向于一个最佳值为止。这时，所获得的三个参量L_f，λ_p，τ即为最佳参量，即在这三个参数下，该QDFA具有最大的增益带宽。为了兼顾增益和带宽，遗传算法中的目标函数可定义为f_obj＝G_s+γΔ，其中γ为权重因子。调整γ因子，可根据需要获得不同的增益带宽的组合。

本发明提供的QDFA具有高平坦增益、宽带宽以及噪声极低等特点。例如，增益为35.9dB时具有带宽45nm；或增益为40.5dB时具有带宽18nm，同时，它们的噪声谱都接近3dB的量子极限。增益和带宽可根据需要进行调整。但增益增加时，带宽减小；或带宽增加时，增益减小。噪声谱则始终维持在3.01dB的水平上。

与通常典型的单级EDFAs约30dB增益、25nm带宽及4dB噪声谱的技术指标相比较，这里QDFA的增益提高了～10dB，带宽增加了～20nm，噪声谱降低了～1dB。增益、带宽和噪声指标同时提高，是本发明的QDFA的突出优点。

对于纳米晶体PbSe等量子点的来源，国内外已有生产。对小批量样品，量子点如何掺入光纤中，可采用真空压力差吸取或其它方式，将量子点纳米晶体吸入光子晶体空芯光纤(Photonic Crystal HollowFiber)中。光子晶体空芯光纤已有现成的产品，例如著名的美国ComingInc.公司等。对于大规模生产，可考虑类似于掺铒、掺镱的方式，也可直接将纳米晶体生成在纤芯中。

实施例2

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体的掺杂浓度为5.0×10²⁴m^-3，PbSe量子点直径约为4.5nm，辐射峰位于1200nm，第一吸收峰位于1100nm。

实施例3

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体的掺杂浓度为3.0×10²⁴m^-3，PbSe量子点直径约为4.5nm，辐射峰位于1200nm，第一吸收峰位于1100nm。

实施例4

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：掺杂浓度为2.0×10²⁴m^-3，本实施例的半导体纳米晶体PbSe量子点直径约为5nm，辐射峰位于1400nm，第一吸收峰位于1310nm。

实施例5

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：掺杂浓度为0.85×10²⁴m^-3，本实施例的半导体纳米晶体PbSe量子点直径约为7nm，辐射峰位于1810nm，第一吸收峰位于1750nm。

实施例6

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：掺杂浓度为0.7×10²⁴m^-3，本实施例的半导体纳米晶体PbSe量子点直径约为8nm，辐射峰位于1950nm，第一吸收峰位于1900nm。

实施例7

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：掺杂浓度为0.6×10²⁴m^-3，本实施例的半导体纳米晶体PbSe量子点直径约为9nm，辐射峰位于2340nm，第一吸收峰位于2300nm。

实施例8

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体为CdSe量子点，掺杂浓度为3.0×10²⁴m^-3直径约1.9nm，辐射峰位于465nm，第一吸收峰位于445nm，分子量0.015mg/nmol。

实施例9

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体为CdSe量子点，掺杂浓度为5.0×10²⁴m^-3；直径约1.9nm，辐射峰位于465nm，第一吸收峰位于445nm，分子量0.015mg/nmol。

实施例10

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体为CdSe量子点，掺杂浓度为2.5×10²⁴m^-3；直径约2.1nm，辐射峰位于500nm，第一吸收峰位于480nm，分子量0.021mg/nmol。

实施例11

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体为CdSe量子点，，掺杂浓度为2.0×10²⁴m^-3；直径约2.4nm，辐射峰位于520nm，第一吸收峰位于510nm，分子量0.029mg/nmol。

实施例12

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体为CdSe量子点，掺杂浓度为1.5×10²⁴m^-3；直径约2.7nm，辐射峰位于545nm，第一吸收峰位于530nm，分子量0.042mg/nmol。

实施例13

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体为CdSe量子点，掺杂浓度为1.0×10²⁴m^-3；直径约3.2nm，辐射峰位于570nm，第一吸收峰位于560nm，分子量0.070mg/nmol。

实施例14

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体为CdSe量子点，掺杂浓度为0.8×10²⁴m^-3；直径约4.0nm，辐射峰位于595nm，第一吸收峰位于585nm，分子量0.13mg/nmol。

实施例15

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体为CdSe量子点，掺杂浓度为0.7×10²⁴m^-3；直径约5.2nm，辐射峰位于618nm，第一吸收峰位于610nm，分子量0.29mg/nmol。

实施例16

本实施例的基本结构、工作原理与实施例1基本相同，区别点为：本实施例的半导体纳米晶体为CdSe量子点，掺杂浓度为0.6×10²⁴m^-3；直径约6.7nm，辐射峰位于640nm，第一吸收峰位于634nm，分子量0.67mg/nmol。

Claims (6)

1、一种纳米晶体量子点光纤，包括纤芯、包层，所述的光纤采用半导体纳米晶体作为掺杂物，所述的半导体纳米晶体的浓度为：(0.6～5.0)×10²⁴m^-3；该半导体纳米晶体直径为1.9～9nm，在可见和红外波段的辐射和吸收覆盖465～2340nm的波带；其特征在于：所述的半导体纳米晶体为以下之一：(1)、PbSe量子点；(2)CdTe量子点。

2、如权利要求1所述的纳米晶体量子点光纤，其特征在于：所述的半导体纳米晶体为PbSe量子点。

3、如权利要求2所述的纳米晶体量子点光纤，其特征在于：所述的半导体纳米晶体的浓度为：(0.6～3.0)×10²⁴m^-3；所述的半导体纳米晶体直径为4.5～9nm。

4、一种纳米晶体量子点光纤放大器，包括泵浦光源、输入光纤耦合器、量子点光纤、输出光纤耦合器，所述的量子点光纤采用半导体纳米晶体作为掺杂物，所述的半导体纳米晶体的浓度为：(0.6～5.0)×10²⁴m^-3；该半导体纳米晶体直径为1.9～9nm，在可见和红外波段的辐射和吸收覆盖465～2340nm的波带，光纤长度为10～60米，光纤纤芯半径为2～6μm，纤芯与包层的折射率差为0.005～0.01，泵浦波长为400～2300nm，泵浦功率为10～200mW；其特征在于：半导体纳米晶体为以下之一：(1)、PbSe量子点；(2)、CdTe量子点。

5、如权利要求4所述的纳米晶体量子点光纤放大器，其特征在于：所述的半导体纳米晶体为PbSe量子点。

6、如权利要求5所述的纳米晶体量子点光纤放大器，其特征在于：所述的半导体纳米晶体的浓度为：(0.6～3.0)×10²⁴m^-3；所述的半导体纳米晶体直径为4.5～9nm；光纤长度为13.3～23.5米，光纤纤芯半径为3.1～5.1μm，纤芯与包层的折射差为0.0053～0.0073，泵浦波长为1433.7～1483.7nm，泵浦功率25～75mW。