（通信与信息系统专业论文）半导体量子点渐逝波耦合光纤放大器的研究.pdf

上海大学颂士学位论文 摘要 光纤放大器高增益、低噪声以及对信号透明的特点，使光纤通信本身的优 点能够得以充分体现，它推动着光纤通信技术向超高速、超宽带、超大容量、 超长距离的方向发展，使d w d m 、光孤子传输、全光网络等技术成为可能。因 此，光放大器成为当代光纤通信系统的核，t 3 器件之一。近年来，超大功率、超 宽带、参数优化、低噪声越来越成为光纤放大器追求的目标和国内外关注的焦 点，是当今光纤放大器发展的几个热点问题。 本文奔绍了基于半导体量子点的特性，结合光纤渐逝波耦合器，研制的一 种新型的光纤放大器一半导体量子点渐逝波耦合光纤放大器，它将硫化铅( p b s ) 半导体量子点材料沉积于耦合器熔锥区，信号光和泵浦光通过渐逝波共同与半 导体量子点材料相互作用，实现光的放大作用。 论文首先介绍了光放大器技术以及罴今纳米材料和纳米科技的发展状况， 阐述了目前提高光放大器性能的优缺点的一些方法，引出了本文课题。接着从 理论上分析了单模光纤渐逝波的原理，研究了半导体量子点材料的特性，给出 了半导体量子点的大小与量子点的吸收谱之间的关系，对半导体量子点渐逝波 耦合光纤放大器的放大特性进行了理论推导。 在研究了半导体量子点渐逝波耦合光纤放大器的制作过程之后，我们应用 反胶束法和溶胶凝胶法制备了p b s 纳米级半导体材料，并对粒子特性和光谱特 性进行了测试和表征，并且使用浸渍提拉法分别将反胶束法和溶胶凝胶法制备 的量子点进行涂膜，制备了半导体量子点渐逝波耦合光纤放大器。最后对两种 方法剩备鲍光纤放大器的增益特性进行了测试，溯试结果表明在9 8 0 n m 的泵浦 光作用下，用反胶束法涂膜的量子点光纤放大器在1 5 5 0 n m 波段存在光放大现 象，用溶胶凝胶法涂膜的量子点光纤放大器在1 3 1 0 n m 波段存在光放大现象， 而虽在泵浦功率大予7 0 m w 时，其增益大予3 d b ，且最大增益可达到1 0 d b 以 上。 文中最后对本课题的工作做了总结，从理论及实验结果来看，这种半导体 v 上海大学硕上学位论文 量子点渐逝波耦合光纤放大器具有许多优点，例如高增益、小体积、全光纤结 构，并且其制作工艺比较简单。因此我们相信这种新型的光纤放大器必将会在 以后的光纤通信系统中获得广泛的应用。 关键词：半导体量子点，光纤放大器，光纤耦合器，量子尺寸效应， 渐逝 波 v i 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t b e c a u s eo fo p t i c a la m p l i f i e r sh i g hg a i n , l o wn o i s ea n dt r a n s p a r e n c ei ns i g n a l ， t h ea d v a n t a g eo ff i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o nc a nb ep r e s e n t e dv e r yc l e a r l y o p t i c a l a m p l i f i e rl e a d sf i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o nt oad i r e c t i o no fu l t r a h i g hs p e e d ，u l t r a w i d e b a n d , u l t r a h i g hv o l u m ea n dl o n gd i s t a n c e a n di th a sr u md w d m ，t r a n s m i s s i o n a n da l lo p t i cn e t w o r kt o r e a l i t y s oo p t i c a la m p l i f i e rb e c a m eo n eo ft h ek e y c o m p o n e n t si n t h em o d e mf i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nr e c e n ty e a r s ， u l t r a h i g hp o w e r , u l t r aw i d e b a n d ，p a r a m e t e r s o p t i m i z ea n dl o wn o i s ef i g u r eb e c a m e t h ef o c u st e c h n i q u e so ft h eo p t i c a la m p l i f i e rd e v e l o p m e n ti nf i b e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t e dan o v e le v a n e s c e n tw a v ec o u p l e ds e m i c o n d u c t o r q u a n t u md o t sf i b e ra m p l i f i e r i tc a n r e a l i z en e a ri n f r a r e db a n db a s e do nt h eq u a n t u m s i z ee f f e c to fs e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t s t h i sf i b e ra m p l i f i e rw a sf a b r i c a t e db y d e p o s i t i n gp b sq u a n t u md o t so nt h ef u s e dt a p e rr e # o no ff i b e rc o u p l e r o p t i c a l a m p l i f i c a t i o nc a nb er e a l i z e db yi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es i g n a la n dp u m pe v a n e s c e n t f i e l da n dt h eq u a n t u md o t s f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o ng a v eab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ft h e o p t i c a la m p l i f i e ra n dl l a n o t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n 。t h e nt h ea d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fs o m et y p i c a lf i b e ra m p l i f i e rw e r ed i s c u s s e da n ds u m m a r i z e d s e c o n d l y , t h ee v a n e s c e n tw a v ep r i n c i p l e so fs i n e 羹e - m o d ef i b e rw e r ea n a l 弘e d t h er e l a t i o n s h i po ft h es e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t ss i z ea n da b s o r p t i o ns p e c t r u m w a sg i v e n t h e nt h ee v a n e s c e n tw a v ec o u p l e ds e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t sf i b e r a m p l i f i e rw a sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h e n , w es t u d i e dt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so ft h ee v a n e s c e n tw a v ec o u p l e d s e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t sf i b e ra m p l i f i e r p b sq u a n t u md o t sw e r ep r e p a r e db y r e v e r s em i c e l l em e t h o da n ds o l - g e lm e t h o d t h en a n o - p a r t i c l ed i s p e r s i o na n di t s t r a n s m i s s i o ns p e c t r ac h a r a c t e r i s t i c sw e r et e s t e da n da n g l e d b a s e do nt h e v 珏 上海大学硕士学位论文 d i p - c o a t i n gt e c h n i q u e ，t h es y n t h e s i z e dq u a n t u md o t ss o l u t i o nw a s c o a t e da r o u n dt h e c o u p l e rt a p e rr e g i o n a n dt h e nt h ef i b e ra m p l i f i e rw a s o b t a i n e d f i n a l l y , t h e e v a n e s c e n tw a v ec o u p l e ds e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t sf i b e r a m p l i f i e rw a st e s t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a tl i g h ta m p l i f i c a t i o nw a s o b s e r v e da t15 5 0 n mw a v e l e n g t hf o rt h ef i b e ra m p l i f i e rb yu s i n gr e v e r s em i c e l l e s o l u t i o nc o a t i n g a n dt h el i g h ta m p l i f i c a t i o nw a so b s e r v e da t1310 n mw a v e l e n g t h f o rf i b e ra m p l i f i e rb yu s i n gq u a n t u md o td o p e ds o l g e lm a t e r i a l f o rt h el a t t e rf i b e r a m p l i f i e r , t h eg a i nw a sa b o v e3 d bw h e nt h ep u m p e dp o w e rw a sa b o v e7 0 r o w , a n d t h eh i g h e s tg a i nw a sa b o v e10 d b a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o ns u m su pt h ew o r ko nt h es u b je c t w i t ht h e o r ya n d e x p e r i m e n tr e s u l t s ，w ec a ns e et h a tt h ee v a n e s c e n tw a v ec o u p l e ds e m i c o n d u c t o r q u a n t u md o t sf i b e ra m p l i f i e rh a sm a n ya d v a n t a n g e s ，s u c h a sh i g hg a i n ，c o m p a c ts i z e ， a 1 1 f i b e rs t r u c t u r ea n dv e r ys i m p l ef a b r i c a t i o np r o c e s s s ot h i sn o v df i b e ra m p l i f i e r c a nb ee x p e c t e daw i d ea p p l i c a t i o n si nf i b e rc o m m i c a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：s e m i c o n d u c t o rq u a n t u md o t s ，f i b e ra m p l i f i e r , f i b e rc o u p l e r , q u a n t u m s i z ee f f e c t ，e v a n e s c e n tw a v e 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：- 逸导师签名二皇辛芝害日期： i i j 浦人毕l 学位论史 1 1 光纤通信概述 第一章绪论 现代通信技术的发艉使得我们的牛活在全世界范围内已经发生了翻天覆地 的变化，这在很大程度l 。心功n u 了学的发展，同时更应归功于以光纤为基础 的光通信能力的大幅度提商。由于刚络通信晕惊人的增长幅度，光通信技术已经 小再是为了改进传统的信息交换而采用的种补充手段，而是成为了现代通信技 术的个，) 乏键条件。叫时未求全球范围内的m 络通信挝仍将高速增长，为了能够 满足刚络通信i 4 的增长需求，光通信技术将变得更加霞要。 光纤通信系统是以光波作为载波，利用极高纯度的玻璃拉制成细如头发丝的 光纤作为传输媒介，利刚光波米传输信息的种通信系统。随着国断：互联网业务 和通信业的b 速发展，信息化极人的推动了全世界中产力和人类社会的发展。光 纤通信作为信息化的主要技术支柱之一，必将成为2 l 世纪最重要的战略性j “业。 光纤通信技术和计算机技术是信息化的两大核心支柱，计算机负责把信息数字化 并将信息输入刚络中去，而光纤则负责信息传输的重要任务。当代社会和经济的 高速发展过程中，信息容量n 益剧增，为提高信息传输的速度和容量，满足经济 社会发展的需要，光纤通信被广泛的应用1 ：信息化的发展之l j ，成为继微电子技 术之后信息领域中最为重要的投术之。基本的光纤通信系统的构成如图11 所 不。 j 仉 hmj 仉1 0 0 g h z 图画刚。圆 圈50g h z o p t i c a lf i b e r 。一 幽ll 基本的光纤通信系统构成示意崮 从图1l 可以看出，米自信源的信息数据以电信号的形式存在，输入的电信 号通过电光调制器( e o m ) 调制作为载波的激光，然后调制后的激光通过光纤 海 学碰i 学位论i 进 r 传输。之后在接收端接收到调制后的光信号，通过探测器将光信号还原为电 信号并作为输出。山于光纤不是理想介质，所以实际的光纤都是存在损耗的，崮 而在长距离的光通信系统巾都要使h j 光纤放大器来放人衰减后的光信号。事寅 f ，正是由r1 9 6 6 年华裔科学家高锟在他的著名论文中解决了打英光纤损耗的 理论问题，提出了研制低损耗光纤的可能性，继而在1 9 7 0 年美国康宁公_ j 成功 研制了第一根低损耗光纤，再加上同年山贝尔实验室研制成功的往室温f 州以连 续上作的半导体激光器才直接导致了光纤通信技术以异乎寻常的述度进行发胜。 然埘，光通信在全世界范围内快速和犬规模发展的过程巾，高比特率传输受 到了光纤传输损耗与色敞的【：髭制。另一方l f l i ，山于光纤的非线性特性，返进一 步的限制了高比特率长距离的传输口】。崮i2 显示了单模普通光纤( s m f ) t f 【】色 散位移光纤( d s f ) 的典型衰减和色散i 普口】。在第二通信窗u ，s m f 出现了较低 的大约o3 5 d b k a n 的色散与传输损耗。而d s f 的使用町在第二通信窗口移动零 色散点，其传输损耗已低至约02 d b k m 。 幽i2s m f 和d s f 的典刑衰减和色散谌 在图l3 中显示了在s m f 和d s fl 】，由r 传输损耗与色散等原因的传输限 制，其巾的非再生距离( 即非放大的、非色敞补偿的) 和数据比特率的关系”。 它说明对于低于1 0 g b s 的比特率，在两窗口中的非再生传输距离主要受光纤损 上海大学硕士学位论文 耗的限制。而在较高的比特率时，光纤色散成为了占支配地位的限制因素。从图 1 3 可以发现，如果没有适当的放大和色散补偿等措施，要在长距离上传输高比 特率是不可能的。 1 0 2 0 4 0 l 壤 比特率( g b i t s ) 图1 3 作为数据比特率的遗数，受s m f _ j l 警d s f 中的传输损耗和色散所强加的传输距离限制 1 9 8 7 年掺铒光纤放大器( e d f a ) 的发明【4 5 】是光纤通信领域中最为重要的 发骧，它彻底改变了光透信的现状，直接促成了陆上与海底大容量光缆系统在全 世界范围内的广泛使用【6 】。因此，光放大器的出现被称之为光通信发展史上的一 个重要里程碑。光放大器从根本上解决了传统光电一光中继放大方式所固有的 “电子瓶颈 阉题以及对信号波长、格式不兼容的问题，它熊够对模拟和数字信 号进行实时、在线的直接放大。光纤放大器高增益、低噪声以及对信号透明的特 点，使光纤通信本身的优点得以充分的体现，它推动着光纤通信技术向超高速、 超宽带、超大容量、超长距离的方向发展，使d w d m 、光孤子传输、全光网络 等技术成为可能。因此，光放大器成为当代光纤通信系统的核心器件之一。 1 2 光放大原理及光放大器的分类 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膨胀，而光放大器和d w d m 技术的出现成为 3 枷 抛 m 耱 加 4 譬避燃帑辩瞰 上海大学硕上学位论文 光通信发展史上重要的两座里程碑。光信号在长距离通信时，由于光纤的吸收和 损耗必然会产生信号衰减，因此在适当的距离必须加装光放大器或光中继器，将 信号加以放大才能继续进行传输。光放大器的使用原理是在不经光电信号转换 下，直接将信号加以放大。与光电中继器相比，光放大器在网络升级时不必更换 全部的通信系统，仅需对部分设备进行更换即可，而且光放大器可以用作多通道 的信号放大，刚好可以配合d w d m 系统使用。 1 2 1 光放大原理 我们以目前使用最为广泛的掺铒光纤放大器为例来介绍光放大的基本原理 【7 一】。众所周知，原子都存在着分立的能级，原子核外层的电子则位于分立的能 级之上，在常态下，所有的电子都处于基态能级，当外在的能量足够时，可以将 位于基态的电子激发到激发态上，而处于激发态的电子是不稳定的，它很快又回 到基态，同时以声子或者光子的形式释放能量。在掺铒光纤放大器中，铒离子作 为增益介质，其外层电子可以简化为三能级系统，如图1 4 所示。 上能态 亚稳态 基态 图1 4 铒粒子外层电子的三能级结构不意图 当一束光在掺铒光纤中传输时，如果其光子的能量恰好等于铒粒子的上能态 与基态的能级差时，光纤中的铒粒子可以吸收光子，从基态跃迁到上能态，这称 之为受激吸收，而这束光被称之为泵浦光，对于铒离子而言，泵浦光的波长为 9 8 0 n m 。处于上能态的铒离子是极不稳定的，它迅速弛豫到亚稳态，当泵浦光能 量足够时，被泵浦光激发到上能级而停留在亚稳态能级上的粒子数会超过基态上 剩余的粒子数，这就被称之为粒子数反转，基态上的粒子数越少则反转程度越高， 基态粒子数被全部激发到上能级时即为全反转。处于亚稳态的粒子在向基态跃迁 的过程中，如果遇到一束光，其光子的能量恰好等于亚稳态与基态能级差的光子， 4 则处于业稳忐的粒子跃迁到罄态后，会释放出j 此光子同频、同相、同方向的光 子，这称之为受激辐射，这束光被称之为信号光，对于铒离子而占，信号光的波 长为1 5 5 0 r m a ，通常选样9 8 0 nr a 作为泵浦光。 1 2 2 光放大器的分类 光放大器主要分为：光纤放大器、半导体光放人器和光波导放人器。图15 给出了同前广泛使用的半导体光放大群和掺铒光纤放大器的结构示意图。下面对 各种光放火器的特性及其心用范川分别进行介绍。 s o a e d f a | p - t y p e 整匿圜 n - t y p o h15 导体光放人器和掺钳光纤放人器的 构示意目 光纤放大器利用掺稀十离_ r 玻璃( 石英等介质) 的埔益特性，在光纤中i - r 以直 接将光信号进行放大，而上l 其具有增益1o 信号的偏振念无关以发宽带宽的特性， 冈此应用系统比较简竹。与中继器相比，光纤放大器让系统的升级更加简化，且 可以配合波分复用( w d m ) 的应片j ，束增加传输容量及距离。 光纤放大器町分为掺稀上元素光纤放大器、非线性光学光纤放大器，以及塑 料光纤放大器等三类。掺稀土元素光纤放大器睁”1 是目前使用最为广泛的一种光 纤放大器，其主要产品则有掺铒光纤放人器( e d f a ) 、掺错光纤放大器( p d f a ) 。 掺铒光纤放大器士要应用在1 5 5 0 n m 波段l ，由j 一其放人波段正好位于单模 光纤的低损耗窗口，与现有光通信系统的波长正好可以匹配，而且掺铒光纤放大 器具有高增益、人输出功率、对偏振不敏感、宽带宽、低噪声系数以及结构简单 上海大学硕士学位论文 等优点。事实已经证明，掺铒光纤放大器能够提供特别高的增益以及整个带宽范 围上的高饱和输出功率，较低的噪声系数以及非常小的偏振敏感性，并且其对于 信号的窜扰也是微不足道的，这些优异的特性使得掺铒光纤放大器可以用作前置 放大器、后置放大器以及在线放大器。另方垂，掺铒光纤放大器对于数据格式 透明的特性，再加上其较大的带宽可以同时容纳大量的波分复用通道，使得掺铒 光纤放大器应用于陆地网络与海底系统中，可以显著的增加系统的传输容量、提 高系统运行的灵活性，轻松的增加网络功能和可靠性。正是由予这些独特的优点， 使得掺铒光纤放大器成为目前最为广泛使用的光放大器产品，它已经在长途高速 光纤系统、海底光缆传输系统以及有线电视( c a t v ) 系统孛发挥着巨大的作用。 掺镨光纤放大器采用掺谱氟他光纤为放大介质，应用于1 3 1 0 n m 的频带，正好和 掺铒光纤放大器互补，但是由于氟化光纤有易碎、水溶性的特点，为了能够广泛 的应用，它必须克服材料上的问题。实现p d f a 的主要困难在于受激辐射跃迂中 能级转换的量子效率很低，联恧如果要实现较高的增益，则需要很高的泵浦功率。 此外，掺镨光纤与普通光纤的连接技术也是一个需要克服的难点。由于诸多困难 限制，因此其商业化进程较缓慢，使用也较为有限。 图1 6 光纤中拉曼增益谱 光纤拉曼放大器 1 8 - 2 0 3 是非线性光纤光学的重要应用。光纤拉曼放大器( f r a ) 是基于受激拉曼散射( s r s ) 机制的光放大器，其基本原理是：当一个弱信号与 强泵浦光波同时在光纤中进行传输，并使弱信号的波长位于强泵浦光的拉曼增 益带宽范围内，弱信号光即可得到放大。光纤拉曼放大器的特点主要包括：光纤 6 上海大学硕士学位论文 拉曼放大器具有很宽的增益带宽，如图1 6 所示，可达4 0 t h z ，其中l 波段的光放 大石英光纤的受激拉曼散射( s r s ) 增益谱很宽，并在1 3 t h z 附近存在一个较宽 的主峰，使得光纤拉曼放大器特别适合予乏波段的放大，并且具有比较平毽的增 益特性。从理论上讲，光纤披曼放大器最蓬要的特点是泵浦光的波长决定着增益 波长，只要泵浦源的波长适当，理论上便可以得到在光纤的可用带宽内任意波长 的信号增益，此岁 光纤拉曼放大器具有良好的噪声特性。由于光纤披曼放大器的 增益介质就是传输光纤，使得光纤拉曼放大器的等效噪声指数为负，信号在光纤 中传输的同时便可以得到放大。由于其增益介质即为光纤本身，因此可以对信号 光进行在线直接放大，延长无中继传输的距离，此外可以实现分布式放大。茸前 光纡拉曼放大器未能广泛应用和发展的主要制约因素在于其泵浦阑值较高，需要 大功率的激光器作为泵浦源，此外其在宽带使用时存在着信号的串扰。相信随着 大功率圆体激光器和大功率包层激光器的不断发展，光纤拉曼放大器将会取得更 加广泛的应用前景。 半导体光放大器【2 1 乏4 1 ( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ；简称s o a ) 是种 把发光器件和半导体激光器结构作为放大装置使用的一种光放大器件。半导体光 放大器具有能带结构，所以其增益带宽比光纤放大器的宽。半导体光放大器的一 个突出特点是我们可以通过改变所使用的半导体材料的组分使得波长的使用范 围增大，并且可以超过l o o n m 的使用带宽。半导体光放大器的构造原理近似予 激光二极管，制作工艺与激光二极管大体相同，采用半导体材料作为工作介质， 其放大原理与掺稀土光纤放大器相似但也有不同【2 2 】，其放大特性主要取决于有 源层的介质特性和激光腔的特性【2 3 硐，它虽然也是粒子数反转放大发光僵是发 光的媒质是非平衡载流子即电子空穴对燕非稀土元素。根据激发方式的不网，半 导体的发光可以分为光致发光、电致发光和阴极发光等。通过选择适当的半导体 材料，半导体光放大器可应用于1 3 1 0 1 5 5 0 n m 两种波长。半导体光放大器的优点 是具有很大的增益带宽 n 2 ) ，当一束光 从介质1 入射到两介质分界平面时，一般会在介质l 中存在反射光束，在介质2 中 会存在折射光束。当入射角大于临界角i c = a r c s i n 竺时，就出现了全反射( t r ， ，z l t o t a lr e f l e c t ) 现象。在全反射情况下，入射光全部反射回光密介质。然而实验表 明，在全反射时光波不是绝对的在界面上被全部反射回光密介质，而是透入光疏 介质很薄的一层表面( 约一个波长) 并沿界面传播一些距离( 波长量级) ，最后 返回光密介质。从满足电磁场边值关系来看，透射波的存在是必然的，因为电磁 场不可能中断在两种介质的分界面上，它应该满足边值关系，因而光疏介质就会 存在透射波。只是在全反射条件下，这种透射波有着特殊的性质。这种进入包层 趋向于迅速衰减的电磁波，就称为渐逝波( 有的文献中称其为倏逝波或者消逝波) 【5 2 】，示意如图2 1 。 x j 渐逝波 n 2a 。 n 1 7 图2 1 渐逝波示意图 1 6 z 上海大学硕士学位论文 从实际情况如发，包层为有吸收介质，那么 辫22 n 舟+ j n 烈，l 抑 ，1 2 f ( 2 1 ) 式中，实部n 2 ，为折射率，反映介质2 的传输特性；虚部n “为消光系数，反映介质 2 的吸收特性。 对于阶跃折射率光纤，我们知道光纤中传播模式具有的轴向传播常数( 轴向 单位长度上的相移) 为： ：孕c o s o 。：k , c o 蚂 l f 2 或x ，y ，z - l i 2 ( 2 1 4 ) 满足上述哈密顿的本征函数( 包络波函数) 为 砌。( 尸) = 仍( x ) ( 少) 汐。( z ) ( 2 1 5 ) 式中 仍c 曲= ( 毒 啦s i n c t 功 c 2 6 ， 另外两个方向妒函数的表达式与上式相似，这里波矢k 工= 刀三j 。可见电子包络 波函数在量子势盒内为正弦驻波，势盒外势垒区域则为零。 本征能量为分立的能级，如以原先体材料的价带顶为能量原点，则 e l m = e g + e 对+ 五+ e 册 ( 2 1 7 ) 式中e g 为体材料的禁带宽度 岛= 2 虿h 2 小啦a 泣 e 删和瓦的表达式与上式相似，电子态密度函数为 d ( e ) o c2 d 6 ( e - e z , , , 。) ( 2 1 9 ) 可见零维量子点的电子态密度函数，为一系列位于能量处的万函数。当量子 点为边长为a 的正方体时，电子的限制能量表达式为 = e 萝+ 瓦7 c 2 壳歹2 , t 2 ( 2 2 。) 其中，1 2 = z 2 + m 2 + 1 , 1 2 ，m ：为电子有效质量，可见量子点的电子态密度函数为一 上海大学硕士学位论文 系列位于能量e 胁处的万函数，和半导体的体材料相比，使原来连续的能带结构 被量子化了，成为分立的能级，并且比体材料的禁带宽度e ，展宽，这意味着需 要更高能量的光子才可以将价带中的电子激发到导带中，形成电子空穴对，需要 的光子能量的增大就意味着吸收谱的蓝移，同时由于带隙展宽，电子从导带回到 价带时释放出的光子能量也更高，也就是表明光致发光谱的蓝移。 在有效质量近似下，w a n g 等人提出了半导体材料的带隙能量与量子点材料 的带隙能量之间的关系【5 6 】，其表达式如下： e = 乞2 + 2 e g h 2 0 a o 缸) 2 m + 】l 2 ( 2 2 1 ) 式中e 为半导体量子点材料的带隙能量，t 为块体材料的带隙能量，d a 如为量子 点的直径。通过使用电子质量( m e ) 和空穴质量( m h ) ，有效质量m 定义为： i m = 1 2 ( 1 m , + 1 ) ( 2 2 2 ) 将e = h v 和力= c y 带入式2 2 l 中，我们可以得到： 等= 乓2 + 2 t 五2 ( 1 屯) 2 m 】2 ( 2 2 3 ) 肚醪历2 e 嘉g h 溉d a 万m 孑 q 2 4 ) 乞2 + 2 ( 1 施) 2 l 2 式中兄为量子点材料的激子吸收峰所对应的波长。 方程2 2 4 给出了激子吸收峰和量子点的尺寸之间的关系，因而我们可以从量 子点材料的吸收谱中推算出量子点的尺寸。p b s 量子点材料的尺寸与吸收峰所对 应波长之间的关系如图2 6 所示。从图2 6 我们可以发现，量子点的尺寸越小， 激子吸收峰的蓝移越明显，此外，量子点的尺寸在6 n m 到7 n m 之间时，激子吸 收峰大约在1 2 5 0 n m 附近。 上海大学硕士学位论文 夕 ， 。， 图2 6 量子点的直径与吸收峰所对应波长的关系 2 3 半导体量子点渐逝波耦合光纤放大器的理论研究 2 3 1 弱导光纤中的光场分布 j r 彳念。 巡汐l 、 x n ( r ) r 图2 7 阶跃光纤的截面和折射翠分布不恿图 阶跃光纤的截面和折射率分布示意图如图2 7 所示，纤芯的半径为a ，折射 率为n ，包层的半径为b ，折射率为n ，。使用弱导近似，我们有 ( 一n 2 ) ，z l 1 ( 2 2 5 ) 由于基模的光场是单方向极化的，假定沿x 方向，我们有 疋划咖 怒絮笛：主兰 旺2 6 ， 拙 撇 加 硼 彻 彻 伽 伽 彻 啪 啪 冒u ) 攀鲻 上海大学硕十学位论文 h y = ( s i x o ) 1 7 2 e ， = o n 2 ，以兰，l l 兰，1 2 ( 2 2 7 ) 式中厶和k 分别是零阶b e s s e l 函数和修正的零阶b e s s e l 函数，正是一阶b e s s e l 函数。波导参数u 和v 定义为： u = 口( 砰碍- , a 2 ) v 2 ( 2 2 8 ) ，= a ( p 2 一，z 2 2 2 ) 】2 ( 2 2 9 ) 式中i , o = 2 z 2 为自由空间的波数，传播方向的波矢参数是下述本征方程的解： u j , ( u ) j o ( “) = v k t ( v ) ( v ) ( 2 3 0 ) 如果弱导条件满足，可以得到u 的一个近似精确解，其值取决于归一化频率 y ，表述如下： y = ( “2 + v 2 ) v 2 = 妇( 彳一) v 2 ( 2 3 1 ) “( 矿) = ( 1 + , f 2 ) v 1 + ( 4 + v 4 ) ”4 】 ( 2 3 2 ) 因而弱导光纤中光场强的分布具有如下表达式： ，(，)=三历_忑孙l磊j若20(uwra口)jk；吾(uy)，r ，王、 蚓4i 、l 导体 | 子 光纤放= 器耵意幽 由r 所提出的半导体龟子点光纤放大器的增益介质足涂覆在耦台器表而的 p h s 量子点薄膜，薄膜的均匀性以及膜的厚度将直接影响到光纤放大器的放大性 能，因此我们有必要首先对各种诛膜方法进行比较，以找到适台我们的量子点放 大光纤的涂膜方法。 4 2 常用涂膜方法 薄膜足指附着在某一基体材料上起某种特殊作用，且与皋体材料具有一定结 合强度的薄层材料，它可以改善基体材料的表而特性，如光学特性、电学特性等 等，它届f 一种有支撑体的薄膜。薄膜材料在微电了、光学、光电子、传感器、 化上以及机械等领域得到了广泛的应f j ，尤其是近儿年柬薄膜产业迅速发展， 在现代高新技术中的地位越来越重要，受到研究者们的高度重视，薄膜科学技术 和薄膜材料已成为材料科学巾最为活跃的研究领域之。涂胶方法现在很多，而 且还在小断的发展之中，下面我们对常用的涂膜方法进行简要的介绍。 4 2 1 浸渍提拉法 浸渍提拉法是将整个沈净的壁板浸入预先制备好的溶胶之中，然后以精确控 制的均匀速度将基板平稳地从溶胶中提拉出来，在黏度和重力作用下基板表由l 形 成一层均匀的液膜，紧接着溶剂迅速蒸发，r 是附着在基扳表面的溶胶迅速凝胶 化而形成一层凝胶膜。浸浈提拉法所需溶胶黏度一般在( 2 5 ) 1 0 。p a s ，提 拉速度为1 2 0 c m m i n 。薄膜的厚度主要取决于溶胶的浓度、黏度和提拉速度。 上海大学硕士学位论文 4 2 2 旋转涂覆法 旋转涂覆技术也称自旋涂镀技术，它是将基片绕一根与涂层面垂直的轴转 动。旋转涂覆法也可以在特制的匀胶机上进行，将基片水平固定在匀胶机上，滴 管垂直基片并固定在基片正上方，将预先准备好的溶胶溶液通过滴管滴在匀速旋 转的基片上，在匀胶机旋转产生的离心力作用下溶胶迅速均匀铺展在基片表面。 匀胶机转速的选择主要取决于基片的尺寸，还需考虑到溶胶的基片表面的流动性 能。 4 2 3 喷雾涂层喷涂法 喷涂法也叫喷雾涂层技术，主要广泛用于工业中的有机喷漆，还用于给形状 不规则玻璃镀膜。然而，对于大面积玻璃表面的光学涂层，还没有工业水平。喷 涂法主要由表面准备、加热和喷涂三部分组成。先将洗净的基片放到专用加热炉 内，加热温度通常为3 5 0 - - - , 5 0 0 0 c ，然后用专用喷枪以一定的压力和速度将溶胶 喷至热的基片表面形成凝胶膜。该工艺主要通过雾化产生非常细小的液滴，在坚 硬的基体上生成均匀的涂层，所以涂液的雾化均匀性对所制备膜的均匀性有很大 影响。薄膜的厚度取决于溶胶的浓度、压力、喷枪速度和喷涂时间。 除此之外，还有电沉积法、流动涂膜技术以及毛细管涂镀技术等等。 考虑到我们实验室的条件，以及我们需要对光纤耦合器涂膜的特性，我们最 终选用浸渍提拉法来在耦合器表面涂覆含有p b s 量子点的薄膜。 4 3 半导体量子点渐逝波耦合光纤放大器的制作 我们将裸熔锥耦合器固定在半圆形石英槽中，熔锥耦合区的长度约为3 5 c r n ， 器件的显微照片如图4 2 所示。 i ：海大学j 学位论i 幽4 22 2 光纤耦台器实幽 所要涂敷的p b s 量子点材料分别由两种工艺制备，是反胶柬法：二是胶体化学 法结合溶胶一凝胶工艺。将两种技术合成的p b s 量子点材料分别反复涂于锥形耦 合区。溶液提拉采用商用提拉机设备，制备工艺示意圈如图43 所示。由于成膜 的质量直接关系到半导体量了点光纤放大器的光学传输和光放大性能，因而我们 需要对涂膜的过程进 ，尽可能精确的控制，涂膜的具体过程如下：旨先将采用反 胶束法或者溶胶凝胶法制备的含有p b s 量子点的溶液倒入试管中，并将试管进 行固定，之后将光纤耦台器按j ! i l 图43 中的方法用胶带进行崮定，并在下端坠上 蕈物，这样c 4 以避免光纤耦台器在溶液中晃动以及提拉时速度小均匀。然后将固 定好的光纤耦合器悬挂在提拉机的钩子上，并将耦台器的锥区完全浸没在含有 p b s 量了点的溶液q ，最后打开提拉机的电源，设定提拉速度为1 95 m m j m i n ， 进行提拉，提拉直至耦合器的锥区部份完全离开液面为止，静置三分钟后再次将 该光纤耦合器浸没，如此反复提拉三次，最后将提拉好的耦台器在室温下静置 2 4 小时，直到表面所镀的膜完全卜燥。至此耦台器表面已经镀上所需要的薄膜， 我们可以对此量子点光纤放大器的性能进行测试。 上海丈学硕士学位论文 图4 3 光纤放大器涂膜示意图 4 4 半导体量子点渐逝波耦合光纤放大器的测试 4 4 1 半导体量子点光纤放大器的测试方法 按照4 3 节所述的方法，我们制备了半导体量子点光纤放大器，制备好之后 的光纤放大器如图4 4 所示，我们对此性能进行了测试，测试的基本方法如图4 5 所示，我们在光纤放大器的一端，一个端口接泵浦光源，另一个端口接信号 光源，光纤放大器的另一端的一个端口作为光放大后的输出端，另一个端口剪掉 不用。 5 0 【埔夫学硕十学位论文 幽4 4 、| 导体苗n j 光纤放人器实物蚓 j 厂1 一 s i g n a l5 ；o u r c e 幽4 5 | 7 导体量子点光纤放人器测试示意蚓 测试的基本过程是：首先关闭信号光源，只打开泵浦光，然后通过光谱仪记 录泵浦光的光谱，之后关闭泵浦光源，只打丌信号光，通过光谱仪记录信号光的 光辫，最后同时打丌泵浦光和信号光，通过光辫仪记录放人后的光谱。半导体龟 子点光纤放大器测试实倒如图4 6 所示。 幽4 6 半导体量f 点光纤放凡器测试实幽 4 4 2 半导体量子点光纤放大器的测试结果及分析 按照上节所述的方法，我们措建了测试系统，测试中使用的泵浦光源为 9 8 0 n m 的光源，信号光源分别为1 3 1 0 r i m 和1 5 5 0 a m 的多纵模激光器和宽带光源， 上海大学硕士学位论文 泵浦光源的最大输出功率标称值为1 4 0 r o w ，多纵模光源的型号为a v 3 8 1 2 4 a ， 宽带光源的型号为s l 3 2 0 0 0 4 2 ，可调衰减器的型号为a n r i t s um n 9 5 0 ，光谱 分析仪的型号为a q - - 6 3 1 5 a 。 首先我们测试了用反胶束法制备的量子点涂膜后的光纤放大器，测试的结果 如图4 7 所示。测试的结果表明光纤放大器在9 8 0 n m 泵浦时，在1 5 5 0 h m 波段出 现了光的放大现象，同时发现，在1 5 5 0 n m 处，随着泵浦功率从4 0 m w 增加到 8 0 m w 再到1 0 0 m w ，信号光的增益也从0 7 6 d b 增大到1 1 3 d b 再到1 7 4 d b 。我 们发现光纤放大器的增益很小，造成这种状况的原因主要有两个，一是由于反胶 束法制备的量子点没法掺杂到s i 0 2 中，导致其折射率没法进行调整，因此量子 点材料的折射率和光纤耦合器的折射率不匹配，导致了严重的漏光现象，使得放 大效果不理想，二是由于量子点的分散性不是很好，而且存在一定的团聚现象， 因而参与放大的量子点数量较少，因而导致了光纤放大器的增益很小。 鉴于反胶束法制备的量子点存在以上的诸多不足，因此我们采用溶胶凝胶法 重新制备了p b s 量子点，并将其掺入s i 0 2 溶胶中来使薄膜与光纤折射率匹配。 这样我们可以通过改变掺杂的浓度来改变薄膜的折射率，可以制备出折射率和光 纤耦合器匹配的量子点薄膜，从而避免折射率的不匹配而导致的漏光现象。 宝 c o 定 w a v e l e n g t h ( n m ) 图4 7 光纤的放大现象测试( 反胶束法) 5 2 上海大学硕士学位论文 襄 i 善 厶 w a v e l e n g t h ( n m ) 图4 8 光纤的放大现象测试( 溶胶凝胶法) 采用提拉方法，我们在光纤耦合器的耦合区表面镀上了的含p b s 量子点的 二氧化硅溶胶的薄膜。基于同样的测试方法，我们使用光谱仪对量子点半导体渐 逝波耦合光纤放大器的放大特性进行了测试，测试中泵浦光的波长为9 8 0 n m ，泵 浦功率为6 0 m w ，信号光采用1 31 0 n m 多纵模的单模调制光源，放大现象的测试 结果如图4 8 所示。图中标记的p u m p 是指9 8 0 n m 泵浦光的背景噪声，s i g n a l 为 信号光，a m p 是放大后的信号光，从图中我们可以明显的发现信号光被放大了。 随后我们用宽带光源对放大现象进行了系统测试，测试结果如表4 1 所示。 表4 1 半导体量子点光纤放大器测试结果 菠 勃弋缮 1 2 8 51 2 9 01