（光学工程专业论文）cdse、cdsezns和pbse量子点光学特性研究及pbse量子点光纤放大器预研.pdf

c d s e 、c d s e z n s 和p b s e 量子点光学特性研究及 p b s e 量子点光纤放大器预研 摘要 人工纳米晶体( 量子点) 由于其具有独特的量子效应，近年来 在理论上和实验上都成为了热门研究课题，并在医学、光电子、生物 技术等众多领域都已获得广泛的应用。本课题主要研究量子点( q d s ) 的光学特性以及q d s 在光电子领域中应用的前期探索，把量子点掺杂 入空心石英光纤制备成量子点光纤并进一步制备成量子点光纤放大 器，对推动光通信领域的发展有着非常大的意义。 本文主要做了该课题的前期研究工作。第一章首先回顾了光通信 的发展从而提出掺量子点光纤放大器( q d f a ) 研究的必要性，并介绍 了q d f a 的基本工作原理及最新研究进展。第二章首先从量子力学角 度定义t q d s ，然后简要介绍t q d s 的发展简史、结构、荧光光学特 性、制备方法以及它在光电子器件方面的应用现状。第三章首先测量 了第一吸收峰分别位于可见光波段、紫外波段及近红外波段的c d s e 、 c d s e z n s 、p b s e - - 种q d s 的吸收谱与发射谱，并研究了他们在不同溶 剂中的稳定性与分散性。其次，在此基础上根据q d s 的浓度、q d s 的 直径以及b e e r - l 锄b e r t 定律，分别确定了这三种q d s 的吸收截面峰值， 并研究了三种q d s x ；j 不同溶剂( 本底) 折射率的影响。第四章介绍了 q d s 掺杂本底的制备过程，对q d s 掺杂入光纤给出了三种具体的实验 方案及实验室制备q d s 光纤的步骤及技术关键。第五章简要介绍了 q d f a 的应用领域，探讨了 q d f a 应用中可能出现的几个问题，包括 q d f a 的色散问题、可靠性问题等。最后对本文所做工作进行了总结。 关键词：量子点，胶体，吸收光谱，荧光光谱，吸收截面，掺杂 i i as t u d yo fo p t i c a lc h a ra c t e i u s t i c so fc d s e c d s e z n sa n dp b s eq u a n t u md o t sa n dq u a n t u m d o t - d o p e df i b e ra 口l i f i e r a b s t r a c t s e m i c o n d u c t o rc o l l o i d a l q u a n t u md o t s ( q d s ) a r es t u d i e db y e x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y t h e a t t e n t i o ni so w e dn o to n l yt o a c a d e m i ci n t e r e s ti nas y s t e mw h i c hd e m o n s t r a t e sq u a n t u mm e c h a n i c a l e f f e c t sa n dl i e si nar e a l mb e t w e e nb u l l 【a n da t o m i cp r o p e r t i e s b u ta l s o b e c a u s eo fi t s p o s s i b l ea p p l i c a t i o n si nm e d i c i n e s ，o p t o e l e c t r o n i c sa n d b i o l o g yt e c h n i q u e s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d i e so nt h eo p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fq d sa n da ni n i t i a lp r o b eo ft h e i ra p p l i c a t i o n si no p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gt h e o p t i c a l 丘b e ra m p l i f i e r so nb a n d w i d t ha n dn o i s ei nt h et e l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m sb ym i x i n gq d s i n t oah o l l o wf i b e rt of o r maq u a n t u md o t - d o p e d b e g i n n i n g w i t l l r e v i e w i n g t h e d e v e l o p m e n t s o f o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fq d f ai sd i s c u s s e di nt h ef i r s t c h a p t e r f o l l o w i n gd e s c r i b i n gt h eb a s i cc o n c e p to fq d si nq u a n t u m m e c h a n i c si nc h a p t e r2 ，w ed i s c u s sq u a n t u ms t r u c t u r e s ，f l u o r e s c e n c e i n c h a r a c t e r i s t i c sa n ds y n t h e s i sm e t h o d s ，t h e a p p l i c a t i o n s o fq d si n o p t o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e s c h a p t e r3i sd e v o t e dt ot h em e a s u r e dt h e a b s o r p t i o n e m i s s i o ns p e c t r ao f3 0 一i l i i lc d s e ( c o r e ) 3 8 5 一d i nc d s e z n s ( c o r e s h e l l ) a n d 5 5 - n m p b s e ( c o r e ) q d s ，n l e i r f i r s t a b s o r p t i o n w a v e l e n g t hl o c a t e di nav i s i b l e ，u l t r a v i o l e ta n dn e a r - i n f r a r e dw a v eb a n d ， r e s p e c t i v e l y t h ep e a kv a l u eo ft h ea b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o n so fc d s e ， c d s e z n sa n dp b s eq d sa r ed e t e r m i n e db yb e e r - l a m b e r tl a wb a s e do n t h es a m p l ec o n c e n t r a t i o n sa n dt h ed i a m e t e r so ft h eq d s a c o m p a r i s o no f t h er e f r a c t i v ei n d e xb e t w e e np u r es o l v e n t sa n dc o l l o i d ( q d si ns o l v e n t s ) i sa l s oi n v o l v e di nc h a p t e r3 i nc h a p t e r4 ，t h ep r e f a b r i c a t i o no f t h ed o p e d b a c k g r o u n dm a t e r i a l su s e di naf i b e rc o r ei sp r e s e n t e d ，b a s e do ni t , t h e q df i b e rc a nb ep r e p a r e di nal a b o r a t o r y c h a p t e r5c o v e r st h ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n so fq d f a ，a n dt h er e m a i n e di s s u e s ( f o re x a m p l e , s c a t t e r i n g l o s s e s ，s t a b i l i t i e so ft h eq d s ，a n dt h et e m p e r a t u r e - i n d e p e n d e n te n e r g y s p e c t r a ) r e q u i r e dt ob es o l v e di nt h ef u t u r ea r ea l s od i s c u s s e df m a l l y k e y w o r d s ：q u a n t u md o t , c o l l o i d ，a b s o r p t i o ns p e c t r u m ，f l u o r e s c e n c e s p e c t r u m ，a b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o n ，d o p a n t i v 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教 育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：；4 一蔓l 日期：沙绰? 2 月沙旧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：； q ，受 日期：沙6 年f2 月撕日 导师签名：日期：dg 年工月士厂日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 本章首先分析了波分复用( w d m ) 全光网络的发展对光放大器需求的迫切性； 接着讨论了掺量子点光纤放大器( q d f a ) 研究的必要性，介绍了q d f a 的基本工作 原理及最新研究进展。1 1 节简要地回顾了光纤通信的发展，为了满足光纤传输系 统速率提高的需要，全光网应运而生。1 2 节介绍了全光网的基本技术，其中光放 大器的使用大大提高了全光网的性能，是关键器件之一。1 3 节讨论了几种常见的 光放大器，并分析其优缺点，提出q d f a t i 开究的重要意义。1 4 节详细介绍j q d f a 的基本工作原理。1 5 节对目前研究的最新进展做了详细的综述。1 6 节介绍了本文 的研究内容。 1 1 光纤通信的发展 光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命1 1 1 。近几年来，随着技术的 进步，电信管制体制的改革以及电信市场的逐步全面开放，特别是口的爆炸式发展 所带来的对带宽的巨大需求，光纤通信又一次呈现了蓬勃发展的新局面，其发展 速度不仅超过了摩尔定律所限定的交换机和路由器的发展速度，而且也超过了数 据业务的增长速度，成为近几年来发展速度最快的技术。 通信技术的发展可追溯到1 9 世纪【2 】。1 8 3 7 年莫尔斯发明了电报，用点、划、空 适当组合的代码表示字母和数字，这种代码称为莫尔斯电码。1 8 7 6 年贝尔发明了 电话，直接将声信号转变为电信号沿导线传送。1 8 8 0 年，贝尔利用太阳光作光源， 大气为传输媒质，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电话的实验，通话 距离最远达到了2 1 3 m 。1 9 世纪末，人们又致力于研究用电磁波传送电信号，赫兹、 波波夫、马可尼等人在这方面都做出了贡献。开始时，传输距离仅数百米。1 9 0 1 年，马可尼成功地实现了横跨大西洋的无线电通信。从此，传输电信号的通信方 式得到了广泛应用和迅速发展。 2 0 世纪2 0 年代起，通信建设和应用广泛开展，人们开始利用铜线实现市内和 长途有线通信，又利用短波实现远距无线通信和国际通信。 3 0 4 0 年代起，利用铜线传输载波电话，使长途通信容量加大，电信号和频 分多路技术开始步入实用。 浙江工业大学硕士学位论文 5 0 6 0 年代，电子计算机应用增多，数据通信开始兴起，电话编码技术得到 应用，模拟通信开始向数字通信过渡。激光器问世后不久的1 9 6 3 年，有入用激光 作大气光通信实验，未取得满意结果。1 9 6 6 年英籍华人高锟提出用光导纤维实现 光通信的设想。 7 0 年代起，玻璃光纤拉制成功，导致传输网络开始从电缆通讯向光纤通讯过 渡。1 9 7 0 年8 月美国康宁公司研制出损耗为每千米2 0 分贝的石英玻璃纤维，使光纤 通信开始步入实用阶段。 1 9 8 8 年1 2 月美、英、法合建穿过大西洋海底光缆铺设成功，并于1 9 8 9 年投入 商业使用，这条光缆长达6 0 0 0 多千米，可使8 万人在大西洋两岸同时通电话。自此 光纤通信在世界各国迅猛发展起来。 我国光纤通信研究始于1 9 7 2 年前后，1 9 7 9 年开始在上海、北京、武汉、南京 铺设的光纤通信线路至今运行良好。 光纤通信是我国高新技术中与国际差距较小的领域之一。光纤通信由于其具 有的一系列特点，以其巨大的潜在带宽以及良好的抗干扰和保密性能等诸多优点 在传输平台中居于十分重要的地位。自2 0 世纪7 0 年代发展至今仅3 0 多个年头，其 速度之快已经大大超过了人们的想象。虽然目前移动通信，甚至卫星移动通信的 热浪再现高波，但r r u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) 国际电信博览会 t e l e c o m 9 9 的展示说明，光纤通信仍然是最主要的传输手段，特别在核心网方面更 加突出。在北美，信息量的8 0 以上是通过光纤网来传输的。在我国光纤通信也得 到广泛的应用，全国通信网的传输光纤化比例已高达8 2 。光纤通信技术的应用基 本达到国际同期水平，自主开发的光纤通信产品也比较接近国际同类产品水平。 1 2 全光网 为了合理利用光纤的巨大潜在带宽容量，以创造更多的效益，光纤传输速率 不断提高，这种速率的提高也带来了一个新的问题：在这种超高速传输的网络中， 如果网络节点处仍以电信号处理信息的速率进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈” 的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光电 和电光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网的概念1 3 】。 从原理上讲，全光网就是通信网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持 2 浙扛工业大学硕士学位论文 光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。这样，网内光信号的流动 就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件速率难以提高的困难。 全光网有全光内部部分( 含有波长路由功能的光交叉连接设备( o x c l ) 和外部部分 ( 一个通用网络控制部分) 组成，如图1 1 所示。内部全光网是透明的，能容纳多种 业务格式，网络节点可以通过选择合适的波长进行透明的发送或从别的节点处接 收。通过对波长路由的o x c 进行适当配置，透明光传输可以扩展到更大的距离。 外部控制部分可实现网络的重构，使得波长和容量在整个网络内动态分配以满足 通信量、业务和性能需求的变化，并提供一个生存性好、容错能力强的网络。 图i - i 全光网络示意图 全光网络的基本技术有全光交换、全光交叉连接、光复用和全光中继等( 4 】。 1 、全光交换 现有的光交换机有基于热学、液晶和声学的光交换机。 2 、光交叉连接 光交叉连接( o x c ) 是具有多个标准的光纤接口，可将任一光纤的信号( 或其各 波长信号) 与其他光纤的信号进行可控的连接和再连接，可用于物理网络管理和波 长管理。 3 、复用技术 ( 1 ) 光时分复用 光时分复用( o t d m ) 是在同一光载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一 个帧再分割成若干个时隙，然后根据一定的时隙分配原则，使每个光网络单元在 3 浙江工业大学硕士学位论文 每帧内只能在指定的时隙向上行信号发送信号，在满足定时和同步的条件下，光 交换网络可以从各个时隙中分别接收到各光网络单元的信号而不混淆。在光时分 复用系统中，与信号有关的所有电子设备均工作在基带比特速率下，因而不存在 电子瓶颈问题。 ( 2 ) 光分插复用 光分插复用器( o a d m ) 在w d m 系统中有选择地上下所需速率、格式和协议类 型的光波长信号。它不像在传统长距离系统中使用的常规光耦合器那样将所有波 长信号全部解复用，而是在节点上只分接插入所需的波长信号，其它波长信号则 光学透明地通过这个节点。动态( 灵活、可重构或可编程) 的o a d m 是城域光网络 得以实现的根本。 ( 3 ) 光波分复用 波分复用( w d m ) 是多个信源的电信号调制各自的光载波，经复用后在一根光 纤上传输，在接收端可用外差检测的相干通信方式或调谐无源滤波器直接检测的 常规通信方式实现信道的选择。采用w d m 技术不仅可以扩大通信容量，还可以为 通信带来巨大的经济效益。 4 、全光中继 任何光纤通信系统的传输距离都受到损耗和色散的限制，损耗导致光信号能 量的降低，而色散则使光脉冲发生展宽。常规单模光纤通信无中继距离约为 4 0 - 8 0 k i n 左右，相干光纤通信的无中继距离也只能达n 1 5 0 - 2 0 0 k i n 。在长距离光纤 传输系统中，当光纤传输一段距离后，必须利用中继器对已衰减和失真的光信号 进行处理和放大。传统的光纤通信系统采用的是光电中继的方式，光信号首先由 光电二极管转变成电信号，经电路整形放大后再重新驱动一个光源，从而实现光 信号的再生。光电中继方式对于损耗和色散都有补偿作用，但装置复杂、体积大、 耗能多，在多信道复用系统中变得十分复杂而昂贵。因而在损耗限制系统中，采 用光放大器直接对光信号进行放大，可以节省成本，同时也为实现全光通信打下 了基础。 1 3 光放大器 光放大器的使用，在一定程度上解决了光纤衰减对光信号传输的影响，使全 4 浙江工业大学硕士学位论文 光传输距离大大增加嘲。光纤放大器大大提高了光纤传输系统性能，是实现长距离 传输的关键器件，是光纤通信发展史上的一个新的里程碑。 光放大器的分类如图1 2 所示嘲： 0 f 0 y g s 0 e 肼a 图1 - 2 光放大器的分类 其中： o a ：光放大器； o f a ：光纤放大器； e d f a ：掺铒光纤放大器； e d s f a ：掺铒硅基光纤放大器( 普通的e d f a ) ； e d f f a ：掺铒氟基光纤放大器； e d m ：掺铒碲基光纤放大器； e y d f a ：掺铒镱光纤放大器； e y d s f a ：掺铒镱硅基光纤放大器； p d f a ：掺镨光纤放大器； p d f f a - 掺镨氟基光纤放大器； t d f a ：掺铥光纤放大器； t d f f a ：掺铥氟基光纤放大器( 普通的t d f a ) ； f r a ：拉曼放大器： o w g a ：光波导放大器； s o a ：半导体光放大器； e d w a ；掺铒波导放大器( 也称p 0 w a ) 。 日1刚，口 黑舞一 浙江工业大学硕士学位论文 图1 3 所示为各波段范围和适合使用的光放大器( 6 1 。 s 渡长亩口啦长窗口艘长窗口 1 4 5 加_ r 一1 5 2 0 s - 1 5 2 8 w r 1 缸_ 1 5 t o s 矗- - 1 f i 2 1 p n m 1 3 0 0 s - 1 4 0 0 e m 1 4 g o ：m r1 5 0 0 = m 1 6 0 0 = m l f i 5 嘶- - - 2 7 0 0 m 图 图圈 l 釜罂孽凳蔷l 圈磊荔薛订 l 光纤放大器il 二鬻孺l 圈垂垂囹 鐾鲨霉巫亟蓟 i 可以工作在1 3 l o m 和1 5 m 窗口的s 0 l _ ， 图l - 3 各波段范围和适合使用的光放大器 1 3 1 几种常见光放大器的简介 目前已实现的光放大器包括非线性光纤放大器、半导体激光放大器和掺杂光 纤放大器。 非线性光放大器是利用光纤中的非线性效应，利用受激拉曼散射( s r s ) 和受激 布里渊散射( s b s ) ，实现拉曼光纤放大器和布里渊光纤放大器。拉曼放大器 具有广阔的光谱范围，是唯一能在1 2 9 2 n m 到1 6 6 0 r i m 的光谱上进行放大的器件。拉 曼放大器适合于任何类型的光纤，且成本较低。光纤拉曼放大器可采用同向或反 向泵浦，增益带宽可达6 t h z 。分布式拉曼放大器能增加放大器之间的距离，因而 可能在速率高达4 0 g b i t s 的高速光网络中发挥重要作用。拉曼放大器口r a ) 中高功 率泵浦和很低的转换效率是不利因素，但目前高功率的l d 已经成熟，采用掺杂其 它微量粒子的特种光纤可增强非线性效应从而提高功率转换效率。f r a 有两个显 著的特点： ( 1 ) f r a 可以延伸传输系统中e i 撇间的距离，沿途对信号进行分布式放大， 特别适合于海底长距离无中继光纤通信。 ( 2 ) 只要使用合适的泵浦光源，理论上f r a 可实现任意波段上的光放大，超 过铒带宽，但受限于泵浦的波长和光纤的斯托克斯位移。国外己有在2 5 g l s 速率， 1 3 p r o ，1 4 1 p r o ，1 5 1 6 岬1 窗口使用小问隔多波长泵浦拉曼放大器的实验，这种 6 浙江工业大学硕士学位论文 h 渔可以提供超过1 0 0 n m 的增益带宽，增益系数可达到2 0 d b 以上。 放大光信号的另一个可行的方法是采用半导体光放大器( s o a ) 技术。处于粒子 数反转状态下的半导体都具有光增益，从这个意义上来讲，任何半导体激光器都 可以作为o a 。s o a 可分为谐振型的法布里珀罗腔放大器和非谐振的行波放大 器。两者的结构都是折射率波导型激光二极管结构，其主要的差别在于端面反射 率的大小。对于s o a 而言，原理上可以提供任意硅光纤传输窗口的增益，增益窗 口的中心波长受半导体材料特性限制，目前的应用仅限于1 5 5 0 h m 和1 3 1 0 r i m 窗口。 s o a 结构简单、造价低、易于集成，所以发展很快。尽管现有的半导体光放大器 技术有了很大的发展，但由于它和光纤的耦合效率较低，而且有噪声系数较大、 低增益、增益与偏振相关的缺点，尤其是信道之间的串扰严重限制了它在w d m 系 统中的应用，还需要提高输出功率以适应新的高速、高通道数的短距离w d m 系统。 半导体光放大器的功率不支持长距离传输，但半导体光放大器自有其应用前景， 因为它可以接受输入的光信号，改变它的频率，输出新波长，并在此过程中将信 号放大，即动态波长变换。所以s o a 目前仅是光纤放大器的一种补充，主要用作 集成放大器以及应用在性能要求不高、成本很低的光链路中。 1 3 2 几种光放大器的比较 迄今为止，己研制成功三种光放大器，即半导体光放大器( s o a ) 、光纤拉曼放 大器a 限a ) 和掺稀土元素的光纤放大器f 5 1 。s o a 的尺寸最小，频带很宽，增益也很 高，易于与其它的光电子器件进行混合集成，可工作于整个光纤的低损耗窗口。 它不仅可用作光放大，还可用作波长转换、锁模和光时钟提取，是光传送网中的 关键器件。但s o a 最大的弱点是信道问串扰大，难以适应在w d m 中的应用。矸渔 是利用光纤的非线性光学效应受激拉曼散射( s r s ) 效应产生的增益机制而对 光信号进行放大的，其优点是传输线路与放大线路同为一体光纤，因而放大 器与线路的耦合损耗很小、噪声较低、增益稳定性也较好，但需要很大的泵浦功 率( 数百r o w ) 和很长的光纤( 数k m ) 。f r a 是目前唯一能在1 2 6 0 1 6 7 5 n m 的光谱上 进行放大的光放大器，目前己成为研究热点，其发展前景看好。掺稀土元素的光 纤放大器是利用在光纤中掺杂稀土元素引起的增益机制实现光放大的，其优点是 结构简单、与线路的耦合损耗很小、噪音低、增益高。光纤放大器的特性与光纤 极化状态无关，所以泵浦功率也较低。 7 浙江工业大学硕士学位论文 综合分析与比较上述三种光纤放大器，人们更倾向于掺稀土元素的光放大器， 各类掺杂光放大器近年来倍受青睐。 1 3 3 掺稀土元素光放大器在通信领域的现状 研究表明，光纤的损耗和所传的光波波长有关，在某些波长附近光纤的损耗 最低。这些波段成为光纤的低损耗“窗e l ”或“工作窗口”。其中1 5 2 4 1 5 6 5 n m 一般称为c 波段，l 波段和s 波段分别通常指1 5 7 0 1 6 2 0 瑚瘌1 4 6 0 1 5 3 0 n m 。近年 来，由于业务种类和流量的增加，波分复用和光孤子传输等新型传输系统相继出 现。波分复用技术能有效地利用光纤带宽，实现大容量的光传输。系统要求光放 大器( o | a ) 具有增益高、带宽宽、噪声低、增益对偏振不敏感、减少串扰等特性， 而增益平坦的光增益带宽是其中最重要的一个限制系统性能的因素同。在光孤子系 统中，通过孤子效应增大传输光纤的跨度，而由光孤子传输中的窄化效应来补偿 损耗引起的脉冲展宽，使传输距离增大，补偿色散。在光孤子系统中周期性地插 入光放大器，调整其增益使其正好补偿两放大器之问的光纤损耗，因此放大器间 的距离是光孤子通信系统中的重要参数。 因而，目前光纤通信的发展从电信光纤低损耗波长1 5 5 0 n m 的c 波段向邻近波 段l ，s 波段发展，相应的宽带技术就成为关键技术之一。w d m 长距离传输系统就 要求放大器能对s + c + i ，三波段同时放大，且增益平坦。总之，随着w d m 技术和光 器件的不断发展，光纤通信正在向全光方向发展，而光放大器在其中起着重要的 作用。 1 3 3 1 掺铒光纤放大器( e d f a ) 目前各类掺杂光放大器中应用最多的就是掺铒光纤放大器( e d f a ) 。没有e d f a 的发展，w d m 和d w d m 技术就不会达到今天这样的水平。但是光放大器技术本身， 在1 0 多年里也有了很大发展，应用也日益广泛。据美国s t r a t e g i e su n l i n i t c d 公司的 统计和预测嘲，全球通信用光放大器市场在2 0 0 0 年已达3 3 亿美元，到2 0 0 4 年将增长 到7 0 亿美元，复合年增长率高达2 2 。 长期以来，所谓光放大器市场就一直是c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 0 n m ) e d f a 的一统天 下( 占整个光放大器市场的9 5 ) 。但是，随着计算机网络及其它新的数据传输服务 的飞速发展，长距离光纤传输系统对通信容量和系统扩展的需求日益增长，人们 8 浙江工业大学硕士学位论文 对光纤带宽的利用越来越多1 7 1 。用于w d m ( 波分复用) 系统的掺铒光纤放大器 ( e d f a ) _ t _ 作于c 波段( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) 。随着波分复用系统的发展，尽管它具有高增 益、低噪声和可同时放大多路波长信号等优点，但是它仅覆盖石英单模光纤低损 耗窗口的一部分，限制了能容纳的波长信道数，己不能满足未来宽带网络的需求。 1 3 3 2l 及s 波段光放大器的发展 目前，增加传输容量的基本途径有三条i s ：1 ) 增加每个信道的数据传输速率； 2 ) 减少信道间隔( 即增加信道数目) ；3 ) 增加传输带宽。其中，途径1 ) 如把每个信道 的数据传输速率从2 5 g b s 提高到1 0 g b s ，甚至4 0 g b s ，会给系统带来更大的色散， 超过1 0 g ，s 还会引起偏振模色散、高阶色散等不利效应，而且色散，尤其是偏振模 色散很难补偿。途径2 1 的作用也很有限，如信道间隔减小到5 0 g h z 以下，系统会受 到四波混频( f w l v d 效应的影响，引起信道问的信号串扰。另外它还要求系统元件 具有严格的波长稳定性，增加了成本。因此途径3 ) ，即将目前的通信信道拓展到l 及s 波段，是增加传输容量的首选途径之一。 近几年，开拓l 波段和s 波段光纤放大器是光通信器件研究的热点。特别是s 波段( 1 4 6 0 1 5 3 0 n m ) ，石英单模光纤色散和损耗小( 低于0 2 5 d b k m ) ，光纤弯曲引 起的损耗也低于c 波段和l 波段，特性也较为平坦，适用于d w d m ( 密集波分复用) ， 并且与c 波段和l 波段相连。所以s 波段是潜在的通信资源带宽。据己有文献报道， 目前能实现s 波段光放大的光纤放大器主要有两种：氟化物掺铥光纤放大器( 包括 增益位移掺铥光纤放大器) 和拉曼光纤放大器。其中，t d f a 主要用于放大1 4 5 0 n m 1 4 8 0 r i m 波段，增益位移t d f a 用于放大1 4 8 0 n m 1 5 1 0 r i m 波段。r a m a n 放大器用于 放大1 4 5 0 n m 1 5 2 0 n m 波段。 1 、光纤拉曼放大器( f r a ) 光纤拉曼放大器( f r a ) 喁】基于受激拉曼散射( s r s ) 。如图1 _ 4 所示，泵浦光将基 态上的光子激发到高能态( 图中的虚能级) ，当高能态上的光子跃迁到低能态( 图中 的振动带) 时，散射出一个与信号光频率相同的光子，而剩余部分的能量以分子振 动的形式被介质吸收。对f r a 的研究始于2 0 世纪8 0 年代，但是由予f 1 0 姗究中出现 的困难( 例如：双瑞利散射、非线性效应以及缺乏大功率半导体泵浦源，这也是主 要原因) 及9 0 年代e d f a 的出现使得f r a 的研究出现了断层。如今，随着高功率激 光器的出现，吼又重新引起了人们的兴趣。 9 浙江工业大学硬士学位论文 j 激发发i 跃迁 图1 - 4 光纤s r s 的能级跃迁 f r a 最重要的特点是增益波长由泵浦光波长决定，通过改变泵浦光波长，即 可得到所需波段的光放大。只要使用合适的泵浦光源，理论上f r a 可实现任意波 段的光放大，但要受限于泵浦波长和斯托克斯位移选择1 4 0 0 n m 左右的泵浦光，即 可实现s 波段的光放大。光纤拉曼放大器的结构也可分为前向泵浦、后向泵浦和双 向泵浦，考虑到信号光功率在光纤中分布的均衡性，实际应用中大都采用后向泵 浦的方式，如图1 5 所示。 图l - 5 光纤拉蔓放大器结构示意图 由于光纤拉曼放大器的增益介质是传输光纤本身，具有在线放大及稳定性好 等优点，能实现长距离的无中继传输和远程泵涌，尤其适用于海底通信系统。但 是，由于s 波段的泵浦波长离光纤固有的羟基( - o h ) 引起的损耗峰( 1 3 8 0 n m ) 比较 近，导致功率转换效率下降。要提高功率转换效率就必须使用低羟基光纤或提高 泵浦功率，这势必使成本增加。另外，增益介质基光纤内部的瑞利散射和非线性 效应( 交叉相位调制、四波混频) 会引起噪声的增大，这些因素使s 波段f r a 的实用 化具有一定难度。 2 、掺铥光纤放大器( t d f a ) 铥离子类似于铒离子，但它可以在s 波段产生增益，掺铥的光放大器就称作 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 t d f a l 4 1 t d 队与e d f a 类似，是光泵浦掺铥氟化物光纤中的铥离子f r m l 通过其 受激辐射实现1 4 5 0 1 5 0 m 波段光信号的放大。其装置如图1 6 所示，典型的t d f a 由泵浦源、t d f ，w d m 耦合器和隔离器组成。 ( 1 信号光源 掺铥氟化物光纤 图1 6 典型的掺铥光纤放大器的实验装置图 t d f a 的增益性能要受到泵浦功率、光纤长度、掺杂浓度等许多因素的影响， 现今t d f a 的研究中还存在着一些问题，如：很难找到能产生合适的泵浦波长的泵 浦源，氟化物光纤与硅光纤的连接等问题( 现在可用倾斜的v 型槽技术解决，可获 得较低的插入损耗( o 3 d b ) 和反射( 低于0 5 d b ) 。 1 3 4 量子点光纤放大器( 0 d f a ) 的提出嘲 如上所述，掺天然稀土元素的光纤放大器，由于其具有高增益、低噪声和可 同时放大多路波长信号等优点，长期以来在光通信领域中都有着广泛的应用。一 直以来，人们想尽了许多办法，企图通过设计各种结构( 双向、反向、多级泵浦) 、 改变掺杂成份( 单掺杂、共掺杂) 及比例等等，来提高放大器的带宽和平坦增益。 但是，由于天然元素辐射( 吸收) 谱的波长和波带是固有和无法改变的，因此， 尽管人们努力倍至，但目前掺天然元素光纤放大器的带宽和平坦增益等关键指标 似乎已经到达极限，无法再有明显提高，它的发展似乎已经走到尽头。 另方面，值得注意的是近年来人工纳米晶体材料( 量子点) 发展迅速。量 子点( q u a n t u md o t s ，q d s ) 是准零维( q u a s i - z e r o - d i m e n s i o n a l ) 的纳米材料，由少量 的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在几十纳米以下，外观恰似 一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到限制，所以量子局限效应 ( q 删a n t mc o n f i n e m e n te f f e c t y 4 睁别明显。由于量子局限效应会导致类似原予的不连续 浙江工业大学硕士学位论文 电子能阶结构，因此量子点又被称为“人造原子”( a r t i f i c i a la t o m ) 。量子点低的态 密度、能级的尖锐化以及三维受限运动，导致它具有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发生显著变化。各种量子化效应，诸如量子尺寸 效应，量子干涉效应、量子隧穿效应和库仑阻塞效应等都更加显著。这也使得半 导体量子点在生命科学、医药、磁介质、单电子器件、存储器以及各种光电器件 等方面具有极为广阔的应用前景。 对于人工纳米晶体量子点，人们首先想到的是能否用来做成量子点激光器。 在国际上，已经有了这方面的报道。例如，美国康奈尔( c o m e l l ) 大学与著名的 美国c o m i n g 公司合作，实验证明在外延生长的i i i v 族元素的量子点存在光子激射 1 0 1 。然而，由于当时制备的量子点本身的尺度比较大( 10 1 】匝) ，其约束能几乎 与平均热动能相近，激射不稳定，很难通过量子约束来控制激射波长。当纳米晶 体尺度较小时，量子点尺度的一个小变化就会影响辐射和吸收线宽的变化。这种 非均匀展宽制约了光谱跃迁强度，导致量子点激射行为的蜕变，这是量子点激光 器目前遇到的一个主要障碍。据报道，近年来，在控制激射方面人们已经有了一 些重要进展。2 0 0 4 年，东京大学和富士通成功试制了1 3 1 m a 波长的量子点激光器， 可将光功率变动幅度控制到原来1 6 左右，预计2 0 0 7 年能将其应用到商业上。在国 内，中国科学院半导体研究所王占国院士领导的课题组承担的g a a s 基近红外波段 半导体光电子材料生长和激光器研究项目也已获得重要突破，成功制备了g a a s 基 i n a s 自组织量子点边发射激光器，激射波长1 3 3 岬，室温下连续工作。最近，中 科院上海微系统与信息技术研究所封松林研究小组，成功掌握了波长在 9 0 0 1 3 0 0 n m 范围内控制激射波长的方法，实现了在室温下可连续激射的量子点激 光。 然而，恰恰相反，量子点热运动导致的非均匀展宽却给光泵浦放大器带来好 处。对于光纤通讯而言，希望有宽的、增益谱平坦的、每通道为独立饱和的光纤 放大器，量子点谱线的展宽正好可以满足光纤通讯放大器的要求。对于在红外通 讯波带，有许多可供选择的不同种类的量子点。对于i i i - v 族化合物，有窄隙半导 体晶体i n a s 、i n s b 和g a s b 等。此外，一些纳米半金属硫化汞( h g s 、h g s e 和h g t e ) 及其纳米合金在红外波带也表现出辐射跃迁特性。在族化合物中，有p b s 和 p b s e 等纳米晶体。最近，美国e v i d e n tt e c h n o l o g i e s 公司研制- j p b s e 、c d t e 、c a s e 和c d s 等量子点，它们的吸收和辐射谱覆盖t 4 6 5 2 3 4 0 n m 的宽广的波带1 1 1 1 ，这在 浙江工业大学硕士学位论文 以前的技术中是做不到的。目前常用的量子点制备方式是分子柬外延自组织生长。 在自组织生长过程中，可以通过控制生长条件来控制纳米晶体的生长尺度，使之 产生不同波长位置的吸收峰、辐射峰以及不同的全宽半高( n 旧m ) 。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等等。这些优越特性 是天然元素不具备的。因此，是否有可能利用这些特性，实现采用量子点的光纤 通讯放大器，是一个十分吸引人、而前人又没有做过的课题。 量子点光纤及量子点光纤放大器( q u a n t u md o t - d o p e df i b e ra m p l i f i e r ，q d f a ) 是本文项目负责人首次提出的，并申请了国家发明专利，可见参考文献【9 】。在q d f a 中，不采用通常的天然元素作为掺杂物，而采用半导体纳米晶体，即量子点作为 光纤的掺杂物。现在，国际上对量子点的研究已经慢慢步入成熟阶段，国内对量 子点的研究也进展飞快，各种不同波段的量子点陆续研制成功，为制备全波段 q d f a 打下了基础。 按照目前纳米晶体量子点发展的迅猛势头、q d f a 潜在的优越特性以及波分 复用全光网通讯的巨大市场需求，q d f a ，尤其是全波带q d f a ：海有可能替代目前 的主力光纤放大e d f a ，成为下一代的光纤放大器，并引发光纤通讯器件的一场变 革，其深远的意义和巨大的市场前景令人难以估计。 1 4q d f a 的基本工作原理 1 4 1 f 的基本原理 q d f a 的工作原理与e d f a 原理类似，都是激活光纤中掺杂介质形成粒子数反 转分布，再经过受激辐射而产生光放大。q d f a 主要由掺量子点光纤( 本文以吸收 峰在1 5 5 0 h m 附近的p b s e 量子点为试验对象) 、泵浦光源、光耦合器、光隔离器、 光滤波器组成，其中掺量子点光纤是其核心部分。光耦合器的作用是将不同波长 的泵浦光和信号光混合送入掺量子点光纤，光隔离器的作用是防止反射光对光放 大器产生影响，保证系统稳定工作。滤波器的作用是滤除放大器的噪声，提高系 统的信噪比。其基本结构如图1 7 所示。 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 图1 - 7q d f a 的基本结构图 其工作过程是：泵浦光源( 以单泵浦前向泵浦为例) 发出的强光( 9 8 0 n m 或 1 0 6 4 n m ) 与信号光( 1 5 5 0 a m ) 经光耦合器耦合进入几十米长的掺量子点光纤，在光耦 合器中取出少量的光用于控制和监测。波长为9 8 0 h m 或1 0 6 4 r i m 的光都能激励p b s e 量子点，使p b s e 量子点的能级从低能位跃迁到高能位。当1 5 5 0 r i m 的光信号到来时， 感应诱发使p b s e 量子点从高能位降到低能位从而发出增强的1 5 5 0 h m 光信号。目前 e d f a 泵浦源使用较多的是采用9 8 0 r i m 波长进行光泵浦，所以本文在后面q d f a 的 实验室研究中，我们也以9 8 0 r i m 泵浦源为首选。 1 4 2o d f 的二能级模型 根据p b s e 量子点在通讯波段中单辐射单吸收峰的特点，我们采用比较明晰 的二能级模型来描述q d f a 。在纤芯中传播频率为班的光功率方程为1 2 j 掣= 蚝弘( ，聃z ) 【必) + m h v t a v t 】2 7 r r d r - - l l t o r a ti 毛啊( ，z ) p t ( z ) 2 l r r d r ( 1 1 ) ； 最( 力 其中a h ( a 国是辐射( 吸收) 截面，k 是归一化横模强度，啊：是量子点的下上能 级粒子数密度，& 是光纤损失( 包括散射损失、泄漏出纤芯的损失等等) ，籼是有 效噪声带宽。光可沿前向( 越尸+ 1 ) 或后向( 蜥= 一i ) 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 - - o 。方程( 1 1 ) 中第一项为辐射及噪声对光功 率的增加，第二项为光功率的