（物理电子学专业论文）纳米级inp内包层光纤及其放大性能.pdf

北京邮电人学硕f j 学位论文 纳米级ln p 内包层光纤及其放大性能 摘要 随着人们对信息需求的快速增长，光纤通信技术成为信息高速公路 的核心和支柱。其中，点到多点的全光高速密集波分复用技术( d w d m ) 和光纤放大器相结合是光通信发展的主流趋势，因此d w d m 系统的发展 必须与光纤放大器带宽扩展技术发展同步。但如何扩大密集波分复用系 统的通信容量，提高光纤放大器放大带宽范围，是当前该领域研究的热 点和难点。作为光纤放大器的核心部件，放大光纤的研究也随之成为了 重中之重。 本文首先概述了光放大器和放大光纤的发展状况；考虑将纳米技术 与光纤技术相结合，研究了在普通光纤的纤芯和包层之间沉积一层纳米 材料的新型结构光纤。通过对i i i v 族半导体物质的性质和纳米微粒的制 备方法的分析，选择了半导体材料i n p 物质作为掺杂材料，且采用改进 的化学汽相沉积法( m c v d ) 作为该种光纤的制备方法，最终研制出了 掺杂纳米级i n p 内包层光纤，该光纤在纤芯和包层之间有一层厚度为 1 6 n m 7 0 n m 的纳米级i n p 薄膜；针对研制出的光纤，根据其几何结构建立 模型，从理论上分析计算了光纤中的光波导分布、量子尺寸效应、及量 子尺寸效应对光放大的影响；通过建立载流子的运动模型，得到了输出 功率随i n p 纳米薄膜内包层光纤长度的变化的表达式；在实验方面，设 计并且搭建实验测试系统，将5 3 2 n m 的泵谱光注入到该光纤，利用截断 法对研制出的光纤进行了损耗和增益的测试，实验结果证实：该光纤的 单位长度放大系数( d b m ) 分别为1 4 0 5 1 2 ( 9 0 6 1 0 4 4n m ) 1 4 0 一 1 5 3 5 ( 1 0 8 0 1 4 9 1n m ) ，1 8 6 7 4 4( 1 5 2 4 1 5 9 6n m ) 。 最后，本文对利用纳米材料在光纤改进方面起到的作用进行了分析 和展望，并对所研制的光纤的应用前景进行了多方面的探索和研究。 关键词：放大光纤、纳米材料、光纤制备、光纤放大器、量子尺寸效应 北京邮电大学顾ij学位论文abstract i n n e rc l a d d i n gf i b e rd o p e dw i t hn a n 0i n pa n d i t sa m p l i f i ( 、a r l 0 n a b s t a c t a st h e r e q u i r e m e n t o fi n f o r m a t i o ni n c r e a s e s q u i c k l y ，o p t i c a lf i b e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nat o w e ro fs t r e n g t hi nt h eh i g hs p e e do f c o m m u n i c a t i o n 7 r h e r ei n t o ，p o i n tt om u l t i p o i n t st e c h n o l o g yi nd w d ma n d f i b e ra m p l i f i e ra r et h el e a d i n gt e n d e n c y ；s od e v e l o p m e n to fd w d m s y s t e m a n df i b e ra m p l i f ! i e rs h o u l db ea tt h es a m er a t e b u tt h ea c c e s st oi n c r e a s e c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yo fd w d ma n db a n d w i d t ho ff i b e ra m p l i f i e fa r e d i f ! f i c u l t i e sa n dh o ts p o t s 7 i ob et h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so ff i b e ra m p l i f i e r ， a m p l i 母i n gf i b e ri st o pp r i o r i t yi nt h ef i b e rc o m m u n i c a t i o n f i r s t ，t h i st h e s i sg i v e sa ni 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 eo p t i c a l a m p l i f i e r a n d a m p l i f y i n gf i b e r ；c o m b i n i n g n a n ot e c h n o l o g yw i t hf i b e r t e c h n o l o g y ；an e wt y p eo ff i b e ri sf a b r i c a t e db yd e p o s i t i n gn a n om a t e r i a l b e t w e e nt h ec o r ea n d c l a d d i n g o ff i b e l t h r o u g ha n a l y z i n g i i i v s e m i c o n d u c t o ra n dp r e p a r a t i o no fn a n op a n i c l e s ，i n pi sc h o s e nt ob et h e d o p e dm a t e r i a la n dm c v l ) i sc h o s e nt om a k et h e 肋e r i n n e rc l a d d i n gf i b e r d o p e dw i t hn a n oi n pi sm a n u f a c t u r e d ，a n dt h e r ei sa1 6 n m 一7 0 n mi n p f i l m l o c a t i n gb e 船e e nc o r ea n dc l a d d i n go ff i b e r ；m i n ga tt h es t m c t u r eo ft h i s f i b e r am o d e li sf a b r i c a t e dt oa n a l y z ei t t h eo p t i c a l ；舛i d ei nf i b e ra n dt h e m e c h a n i s mo fa m p l i f i c a t i o na r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l y a l s o ，c a r r i e rm o d e li s e s t a b l i s h e d ，a n dl i g h tp r o p a g a t i o ne q u a t i o ni ss h o w ni nt h et h e s i s ，b yw h i c h t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u to fl i g h tp o w e ra n dt h el e n g t ho ft h i sf i b e r i so b t a i n e d ； i n e x p e r i m e n t a la s p e c t ， at e s t i n g s y s t e m i s d e s i g n e d a n d e s t a b l i s h e d ，5 3 2 n mp u m pl i g h ti sp u ti n t ot h i sf i b e r ，a n dt m n c a t i n gm e t h o di s a d o p t e dt oe x a mt h el o s sa n dg a i n t h ef i n a lr e s u l tp r o v et h a ti t ss i g n i f i c a t i o n a m p l i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rw a v e l e n g t hb e t w e e n1 0 8 0 n ma n d1 4 9 1 n m ， a n da l s of o u n di nw a v e l e n g t h s9 0 6 1 0 4 4 n ma n d1 5 2 4 1 5 9 6 n m i nt h ee n d ，t h et h e s i sp r e s e n t sap o s i t i v eo u t l o o ka n da n a l y s i so nt h en a n o 北京i f l f j f u 人学硕i j 学位论义 a b s t r a c t m a t e r i a lt h a t i m p r o v i n gt h e c h a r a c t e r i z a t i o no ff i b e r ，a n dg i v e ss o r t so f r e s e a r c ha n ds t u d yo nt h ea p p l y i n gf u t u r eo ft h i sf i b e r k e y w o d s ：a m p l i f y i n gf i b e r ，n a n om a t e r i a l ，p r e p a r a t i o n o ff i b e r ，f i b e r a m p l i f i e r q u a n t u ms i z ee f ! i e c t i i i 独创性( 或创新性) 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及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 ，一，- 本人签名：鳌壅丝! 日期： 轴呈：丝! 鲨 导师签名：季肇二戛q 一 日期：耻：鸟遮 北京邮1 1 1 人学硕f ：学化论史第一章绪论 1 1 光纤的发展历程 第一章绪论弟一早珀t 匕 光纤的出现与光通信的发展密切相关，所谓光通信就是利用光波来载送信息，实 现通信的技术。早期的光通信是利用光在空气中直线传播的特点，进行大气传输光通 信，不需要任何线路，简单、经济【l j 。 1 9 6 6 年，英籍华人高锟( c k k a o ) 和h o c k h a m 预见利用玻璃可以制成衰减为 2 0 d b k m 的通信光导纤维，这就是光纤。光纤是一根玻璃丝，它可以引导光波转弯， 实现通信。当时，世界上最优良的光学玻璃衰减达1 0 0 0 d b 胁左右【2 l ，所以当时这并 未使人们相信，只有少数有远见的科学家，如美国贝尔实验室主席i i l ar o s s 和英国电 信研究所( b t r l ，b p o ) 的领导人，对光纤通信十分重视，求助于美国康宁玻璃公司， 合作研制。该公司的m 卸r e r 等人于1 9 7 0 年首先制作出了衰减为2 0 d b l 【i n 的光纤， 取得重大突破。至今，为了满足光通信方面的各种需求，光纤种类层出不穷，分类的 方法也是各种各样1 3 j 。 按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光 纤、全塑料光纤和氟化物光纤。按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模光纤。 按最佳传输频率窗口分为：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。按折射率分布情 况分：阶跃型和渐变型光纤。按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长 波长光纤1 4 j 。 1 2 未来光通信中的核心技术的发展现状 伴随着各种光纤的产生，其自身巨大的传输容量和优越的传输性能已经越来越完 善的展现给世界，已成为光通信中的主要传输媒介l 鄂。在过去的4 0 多年中，光通信 的迅速发展使网络传输容量产生了质的飞跃，使通信网络的面貌发生了翻天覆地的变 化，光纤通信已成为信息基础设施的重要支撑技术，是骨干传送网和城域网中信息传 输的主要方式，对人类社会的信息化产生长久、深远的影响。随着因特网的迅速普及 以及宽带业务的兴起，人们对信息的需求日益增长，几乎是每半年翻一番的速度增长 1 6 l 。在这样的背景下，信息高速公路建设受到人们的广泛关注。而作为信息高速公路 的核心和支柱的光纤通信技术更是成为研究的重点。 北京邮f 【! 人学硕i j 学位论文第一帝绪论 目前，点到多点的全光高速密集波分复用技术( d w d m ) 和光纤放大器相结合 是光通信发展的主流趋势吲，因此d w d m 系统的发展必须与光纤放大器带宽扩展技 术发展同步。如何扩大密集波分复用系统的通信容量，提高光纤放大器放大带宽范围， 是当前研究的热点和难剧引。 1 3 光放大器技术 光放大器( o a ) 一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成，其作用就是对 复用后的光信号进行光放大，以延长无中继系统或无再生系统的光缆传输距离。一个 好的光放大器应具有输出功率高、放大带宽宽、噪声系数低、增益谱平坦等特性。目 前光放大器形式主要有三种：1 ) 利用掺杂光纤制作的光纤放大器，其中以掺铒光纤放 大器( e d f 舢为主；2 ) 利用激光二极管( l d ) 制作的半导体光放大器( s o a ) ；3 ) 利用常规 光纤非线性效应制作的分布式光放大器，典型的是光纤拉曼放大器( f m 蛐【9 1 。 1 3 1 掺铒光纤放大器( 印f a ) i l o j 掺铒光纤放大器( e d f a ) 主要由一段掺铒光纤、泵浦光源( p u m p l d ) 、光耦合 器( c o u p l e r ) 、光隔离器( i s o ) 等组成。e d f a 是利用掺铒光纤中掺杂的稀土离子在 泵浦光源( 波长9 8 0 n m 或1 4 8 0 i l m ) 的作用下，形成粒子数反转，产生受激辐射。辐射 光随入射光的变化而变化，进而对入射光信号提供光增益。其放大范围为1 5 3 0 1 5 6 5 n m ，增益谱比较平坦的部分是1 5 4 0 1 5 6 0 i l m ，几乎可以覆盖整个w d m 系统的 1 5 5 0 nm 工作波长范围。 e d e 久的优点1 1 1 】是：1 ) 通常工作在1 5 3 0 1 5 6 5 n m 光纤损耗最低的窗口；2 ) 增 益高，在较宽的波段内提供平坦的增益，是w d m 理想的光纤放大器；3 ) 噪声系数 低，接近量子极限，各个信道问的串扰极小，可级联多个放大器；4 ) 放大频带宽， 可同时放大多路波长信号；5 ) 放大特性与系统比特率和数据格式无关；6 ) 输出功率 大，对偏振不敏感；刀结构简单，与传输光纤易耦合。缺点是：1 ) 在第3 窗口以上 的波长，光纤的弯曲损耗较大，而常规的e d f a 不能提供足够的增益，增益带宽只有 3 5 n m ，仅覆盖石英单模光纤低损耗窗口的一部分，制约了光纤能够容纳的波长信道 数；2 ) 不便于查找故障，泵浦源寿命不长：3 ) 存在基于泵浦源调制和光时域反射计 ( o t d r ) 的监测与控制技术问题，控制内容包括输出功率的控制和不同波长通道的增 益均衡，e d f a 的增益对1 0 0k h z 以上的高频调制不敏感，对低于lk h z 的调制，e d f a 的输出信号会产生失真。 1 3 2 半导体光放大器( s o a ) 旧 半导体光放大器( s o a ) 又称半导体激光放大器( s l a ) 。它是将半导体激光器作为 2 北京邮电人学硕 ：学位论文第一帝绪论 光放大器使用的。它的工作原理和e d f a 很相象，都由激活介质组成，该介质的载 流子反转到激发态，所以它能使外输入光场产生受激辐射而产生相干增益。s o a 与 e d f a 和r f a 两种光纤放大器不同之处有两点：一是不用光纤构成；二是无泵激光 源。它是通过在光波导通路的两侧注入电流( 即注入电子与空穴) 施加电场，使通过 波导的光信号得到放大。 有关s o a 的特性，诸如：增益、中心波长、增益带宽，均因半导体材料的种类 和结构不同而异。面向光通信的材料中有：h p 、h g a a s 、h l g a a s p 等受到关注。一 般每个单元增益为3 d b 时的带宽为2 0 3 0 i l m ，也有报告称，当离增益中心波长4 0 6 0 姗时也有波长放大作用。目前，s o a 能达到的最大增益为+ 1 5 d b 。根据半导体材 料的特性，已研发出1 3 0 1 6 0 n m 波长范围的宽域放大器【1 3 l 。与掺杂稀土类元素( 如 e r 、1 m ) 的光纤放大器的一般波域( 大多为4 0 5 0 i l i l l ) 相比较，s o a 的增益波域相对较 宽，且具有体积小、结构简单、易于同其它光器件和电路集成；适合批量生产、成本 低；高增益、低噪声、低功耗、长寿命等优点，具有增益兼开关功能，能放大1 3 1 0 i l m 窗口的光信号。但是这种器件与光纤耦合时损耗很大，一般大于5 d b ；器件的增益与 光的偏振态、工作温度等明显相关，因此工作稳定性差；器件的噪声较大、功率较小、 增益恢复时间为p s 量级，因此将对高速传输的光信号产生不利影响。 迄今为止，其性能与edf a 相比仍有较大差距。 1 3 3 基于s r s 的放大器( f r a ) 1 1 4 j h 己a 是指基于受激拉曼散射( s r s ) 机制的光放大器，此光放大技术是在近年来大 功率半导体激光器研制成功后才真正走向实用的。在许多非线性介质中，s r s 是非线 性光学中一个很重要的非线性效应，它将一小部分入射功率由一光束转移到频率比其 低的斯托克斯波上；如果一个弱信号与一个强泵浦光波同时在光纤中传输，并且弱信 号波长位于泵浦光波的拉曼增益谱带宽之内，则此弱信号可被该光纤放大。 f r a 可分为分立式h 认和分布式f 酬1 5 j ，前者所用的光纤增益介质比较短，一 般在1 0 k m 以内，对泵浦功率要求很高，一般在几到十几瓦，可产生4 0 d b 以上的高 增益，用来对信号光进行集中放大，主要用于e d f a 无法放大的波段；后者所用的 光纤比较长，一般为几十公里，泵源功率可降到几百毫瓦，主要辅助e d f a 用于 d w d m 通信系统性能的提高，抑制非线性效应，降低信号的入射功率，提高信噪比， 进行在线放大。由于f r a 增益波长由泵浦光波长决定，不受其它因素限制，因此可 为任何波长提供增益，这使得f r a 可以在e d f a 所不能放大的波段实现放大，并可 在1 2 9 2 1 6 6 0 咖光谱范围内进行光放大，使用多个泵源还可得到比e d f a 宽得多的 增益带宽( 后者由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有8 0 n m ) ，这对于开发光纤的整 3 北京邮| 乜人学硕 ：学位论义 第一章绪论 个低损耗区1 2 7 0 1 6 7 0 i l m 具有无可替代的作用；f r a 具有带宽宽、增益高、噪声低、 串扰小、温度稳定性好等特点，因此与常规e d f a 混合使用时，可大大降低系统的 噪声系数，增加传输距离。f r a 不足之处在于需要特大功率的泵浦激光器，且一个 泵浦的f l 认增益带宽较窄。但随着近来大功率泵浦激光器的研究，f ra 也取得了 突破性的进展，并在工程中开始实际应用。毫无疑问，拉曼光纤放大器将成为光放大 器领域又一新的研究和开发重点。 综上所述，下一代光通信网络将以光纤放大器和波分复用技术为核心。而作为光 纤放大器的核心部件，放大光纤是光纤通信中不可缺少的一种特种光纤，其研究地位 的重要性更是不言而喻。 1 4 放大光纤的研究进展 放大光纤是光纤通信中不可缺少的一种特种光纤，目前，各类放大器所使用的放 大光纤主要有掺杂稀土元素光纤，光子晶体光纤，纳米材料光纤等，下面针对上述几 种光纤逐一进行阐述i l 州。 1 4 1 掺杂稀土元素光纤 当前，使用的放大光纤主要是掺杂稀土放大光纤，即在光纤的纤芯掺杂稀土元素 实现光信号放大。按稀土放大光纤的种类划分，有掺铒光纤、掺铒碲化物光纤、掺镨 氟化物光纤、掺铥氟化物光纤等，分别构成不同波段的光纤放大器。在结构方面，为 了更好的提高放大效率，出现了双包层掺杂稀土光纤，而为了提高纤芯吸收泵浦光的 效率就必须优化内包层的截面形状，这样就又出现了非圆内包层掺杂稀土光纤旧。 但是用掺杂稀土放大光纤制作放大器还存在以下问题：使用光纤较长、易受外 界干扰；非圆内包层掺杂稀土光纤，制造工艺复杂，不易实现；每种掺杂光纤的 带宽有限。随着未来光传送网中的光放大器应具有很大的增益带宽、高的增益水平和 饱和输出功率、多路信号同时放大的能力以及低噪声指数。传统的掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 显然已不能适应这些要求。 1 4 2 纳米材料光纤 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发 展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成 部分。随着物质的超微化，纳米材料表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观 物体所不具有的四大效应：小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应，使得其具 有传统材料所不具备的一系列优异的力、磁、电、光学和化学等宏观特性，从而使其 作为一种新型材料的研究成为当今世界材料科学、凝聚态物理、化学等领域的一个热 4 北京邮电人学硕i 学位论文第一帝绪论 门课题。利用纳米材料制成的光学材料具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学 非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等，这使得其在日常生活和高技 术领域得到广泛的应用，在现代通讯和光传输方面占有极其重要的地位【1 9 1 。 纳米材料光纤的研究主要启示于硅纳米晶的研究。由于硅是一种间接带隙的半导 体材料，发光效率低，且仅在红外区域发光，但是，当把单晶质的硅材料尺寸减小到 纳米量级时，其发光率会远远大于单晶硅，且能在可见光范围内发光。特别是，当铒 离子掺杂于硅纳米晶时，铒离子会有相当大的光子吸收截面为它掺杂于常规二氧化硅 中光子吸收截面的几力至几十万倍。在相同的光泵浦条件下，其1 5 u m 波长的发光强 度增加约千倍。同时，它还具有宽吸收光谱，泵浦光可从紫外光至可见光。基于硅纳 米晶，目前仅能形成非光纤的集成波导结构，它与光纤连接和耦合困难。但纳米技术 的应用，极大地提高了该类器件本身的性能，同时也增加了功能，这已是不争的事实， 因而，对纳米材料光纤的研究和应用具有重要的启发和借鉴作用i 捌。 美国哈佛大学t o n gl i m i n g 和中国浙江大学l o uj i n g y i 等合作发明的无包层纳米 尺寸光纤，直径小至5 0 n m 。另外，还有锥形纳米尺寸光纤。这些都是光纤的几何尺 寸达到纳米量级，并非利用纳米材料实现具有特殊功能的光纤【2 。 在国外，芬兰“e l 【l 【i 公司基于纳米技术制作光纤获得成功，他们开发出一种新的 光纤制备技术一直接纳米粒子沉积法。这种方法属管外气相沉积法，它是利用一个 特制的燃烧器喷头，将纳米粒子材料直接喷涂到坯棒上。该方法可用于制备稀土元素 掺杂放大光纤，它能克服常规化学汽相沉积法和溶液掺杂法掺杂不均匀、不容易获得 高掺杂浓度、铒离子易积聚成块等问题。b u t t 等发明了将半导体材料制成溶胶一凝胶 液体注入空芯光纤内，实现了具有量子点特性的液芯光纤。 在国内，纳米技术主要用于某些光学器件的制备，如对纳米硅氧化硅体系光子 发光机制和器件进行了深入的研刭2 2 】，及对纳米材料吸收光谱也进行了系统的测试研 究。然而，基于纳米技术的光纤的研究还甚少，只有在半导体纳米薄膜石英光纤方面 做了一些探索性的研究。这为本课题在该方面的研究提供了依据。 1 5 本文的主要内容及研究意义 第一章，绪论，介绍了光纤的发展历程，简要概述了未来光通信和放大光纤的发 展状况，同时着重介绍了放大光纤，尤其是纳米光纤的国内外的发展情况，给出了论 文的结构和意义。 第二章，掺杂纳米级i n p 内包层光纤的制备，首先介绍了所掺杂的半导体材料l i i p 的物理性质和相关的光学性质，同时对目前光纤预制棒的制备技术进行了详细的阐 5 北京邮i u 人学硕i j 学位论文第一幸绪论 述，最后重点描述了本课题中研制的掺杂纳米级i n p 内包层光纤的实验设备和改进的 实验方法。 第三章，掺杂纳米级i i l p 内包层光纤的光波导特性，首先构建了光纤的模型，并 根据所研制的光纤，对模型的参数进行了设置。其次，利用麦克斯维尔方程组推导了 关于传播常数的本征方程，利用m a t l a b 工具模拟出了普通光纤和掺杂纳米级i n p 内 包层光纤内的场的分布，并对得到的分布图进行了分析。 第四章，掺杂纳米级i l l p 内包层光纤的传输实验，先用普通光照射光纤，证实了 光纤中的光波导的存在，为进一步实验奠定了基础。设计实验装置图，利用截断法对 光纤进行损耗测量，最后得到光纤的增益谱图，并分析了实验结果。 第五章，掺杂纳米级i n p 内包层光纤的应用前景，针对未来光通信的发展方向， 分别从光纤放大器、光孤子和超连续谱三个领域对所研制的光纤的应用前景进行概 述。 6 北京邮电人学硕 j 学位论文 第一章绪论 参考文献 【1 】韩一石，现代光纤通信技术，科学出版社，2 0 0 5 【2 】i p 舢c o c k ，a i f e 罾l s o n ，d c h a n n ae ta 1 ，m o d e - 1 0 c k i n go fam e o d y m i u m d o p e d i n o n o m o d ef i b e rl a s e r ，e l e c t r o n l e t t ，1 9 8 6 ，2 2 ( 5 ) ：2 6 8 2 6 9 【3 】s l l i q u a i ly a n g ，e v g i l e n ia p o n o m a r e v 觚d ) ( i a o y ib a o ，8 0 - g h zp u l s eg e n e r a t i o nf r o m ar e p e t i t i o n r a t e d o u b l e df mm o d e - l o c k i n gf i b c ri a s e r ，i e e ep h o t o n t e c h n 0 1 k t t ， 2 0 0 5 ，1 7 ( 2 ) ：3 0 0 3 0 2 【4 】z 城h o n gu ，c a i ”nl d u ，k a mt a ic h 锄e ta 1 ，an o v e la c t i v e l ya n dp a s s i v e l ym o d e l o c k e df i b e r l a s e fw i t hd i s p e r s i o n - i m b a l a n c e dl o o pm i i t o r o p t c o m m u n ， 2 0 0 0 ， 1 8 6 ：1 7 3 1 7 6 【5 】h c h i e n ，c y e h ，k l a ie ta 1 ，s t a b l e 柚dw a v e l e n g t h - t u n a b l ee r b i u m - d o p e d 舶e r d o u b l e - r i n gl 硒e ri i is - b a n dw i n d o wo p e m t i o n ，o p t c o m m u n ，2 0 0 5 ，2 4 9 ：2 6 1 2 6 4 【6 】s l i ，c l o u 觚dk t c h a n ，r a t i o n a lh 锄o n i ca c t i v e 锄dp a s s i v em o d e l o c l 【i n gi na f i g i l r e - o f - e i g h tf i b e rl 舔e r ，e l e c t r o n l e t t ，1 9 9 8 ，3 4 ( 4 ) ：3 7 5 3 7 6 【7 】s 1 w a n i s h i ，h t a k a r a ，ku c h i y 锄ae ta l ，1 m i t s ( 2 0 0 g b i t 7c h 猢e lw d m ) 5 0 k m 叩t i c a l t m s m i s s i o ne x p e r i m e n t ，e l e c t r o n k t t 1 9 9 7 ，3 3 ( 2 0 ) ：1 7 1 6 1 7 1 7 【8 】s k a w 觚i s h i ，h 髓k a r a ，kl c i i i y a n a ，i s h a k c ，a n dkm o r i ，3t b i 临( 1 6 0 g b i 体1 9 c h ) 0 t d m 厂w d mt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t ，o f c 9 9 ，p a p e rp d l ，1 9 9 9 【9 】1 酞a r ah ，m a s u d ah ，m o r ik e ta 1 ，1 2 4 砌s e a m l e s sb a n d w i d t h ，3 1 3 1 0 g b i t s d w d mt 姗s m i s s i o n ，e ee l e c t r o n k t t ，2 0 0 3 ，3 9 ( 4 ) ：3 8 2 - 3 8 3 【1 0 】m e a r sr j t h ee d f a ：p a s t ，p r e s e n t 柚df u t u r e 【q a p c c o e c c ，9 9 1 9 9 9 ，2 ：1 8 2 2 【1 l 】c h o ib o - h u 玛p a r kh y o - h o o n ，c h u 蛐g ，e ta l ；h i g l l g a i nc o e f c c i e n t l o n 哥w a v e l e n 舀h - b 觚de r b i u m - d o p e d 肋e r 锄p l i f i e ru s i n g1 5 3 0 一n mb 锄dp u m p 【j 】 p h o t o n 瓶t e c h n o l o g yk t t e r s ，砸e e ，2 0 0 1 ，1 3 ( 2 ) ：1 0 9 1 1 1 【1 1 】h w a n gs e o n 舀l 【 s o n gk w 锄一w 的n 岛s o n g 一u ，e ta 1 c o m p a r a t i v eh i g l lp o w e r 。0 n v e r s i o ne 伍c i e 眦yo fc - p l u sl b 锄de d f a 【j 】e l e c t r o i l i c sl e t t e r s ，2 0 0 1 ，3 7 ( 2 5 ) ： 1 5 3 9 1 5 4 1 【12 】d r a 百cpd ，l i t t l elm ，p a p e ngc f i b e r 锄p l i f i c a t i o ni nt h e9 4 0 n mw a t e rv a p o r a b s o r p t i o nb a n du s i n gt h c4 f 3 24 1 9 2t 豫n s i t i o n i l ln d 【j 1 p h o t o n i c s1 1 e c h n o l o g y k t t e 塔，i e e e ，1 9 9 7 ，9 ( 1 1 ) ：1 4 7 8 1 4 8 0 【1 3 】c l l o ib o h u n ，p a r kh y o h o o n ，c h um 0 0 一j u n g n e wp u m pw a v e l e n g t ho f l 5 4 0 n m 7 北京邮i u 人学硕i j 学位论文 第一章绪论 b a n df o rl o n g - w a v e l e n 舀h - b a n de r b i u m - d r o p e df i b e ra m p l i f i e r ( l 广b a n d e d b q 【j 】 q u a n t u me l e c t r o n i c s ，2 0 0 3 ，3 9 ( 1 0 ) ：1 2 7 2 - 1 2 8 0 【1 4 】r e i c h e ls ，z e n g e r l e r e f f e c t so fn o n l i n e a rd i s p e r s i o ni ne d r v so 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 【j 】j o u m a lo fl i g h t w a v et e c h n o l o g y 1 9 9 9 ，1 7 ( 7 ) ：1 1 5 2 1 1 5 7 【1 5 】a o z a s as ，m a s u d ah ，o n oh ，s a k a n o t ot ，e ta 1 1 4 8 0 - 1 5 1 0n m - b a n dt md o p e df i b e r a m p l i f i e r ( t d f 砷w i t hah i g l lp o w e rc o n v e r s i o ne f f i c j e n c y 【c 】o p t i c a l f i b e r c o m m u n i c a t i o nc o n f e r e n c ea n de x h i b i t ，o f c ，2 0 0 1 ，1 v b l 4 ，p pd 1 - 1 - p d l 3 【1 6 】康晓东，尹树华，党利宏喇曼和掺铒光纤放大器在w d m 系统中的应用【j 】半 导体技术，2 0 0 3 ，8 ( 1 0 ) ：5 5 5 8 【1 7 】王寿泰，徐传，范明海，储九荣塑料光纤及其放大器的研究【j 】电线电缆，2 0 0 1 ， i ：1 4 1 6 【1 8 】t a g a y a ，t e r a m o t os ，n i h e ie ，e ta l - h i g h - p o w e ra n dh i 曲- g a i no 唱a n i cd y e - d o p e d p o l y m e ro p t i c a lf i b e ra m p l i f i e r s 【j 】n o v e l1 e c h n i q u e sf o rp f e p a r a t i o na n ds p e c t r a l i n v e s t i g a t i o n ，a p p l i e do p t i c s ，1 9 9 7 ，3 6 ( 3 ) ：5 7 2 5 7 8 【1 9 】d o v ej o h nf ，r u s s e nh a 仃y ，k i mj i n s u n g ，e ta 1 l i g h ta m p l i f i c a t i o nb y a c d 3 p 2 c y l i n d e rf i b e r 【c 】o p t i c a ld e v i c e sf o rf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，p r o c e e d i n g so f s p 也，2 0 0 1 ，4 2 1 6 ：6 2 6 6 【2 0 】a m a n u c c i ，j f i c k ，s k b l 觚c e ta 1 o p t i c a lp r o p e n i e so fp b sq u a n t u md o td o p e d s o l g e lf i l m s 【j 】j o u m a lo fn o n - c r y s t a l l i n es o l i d s ，3 4 5 3 4 6 ( 2 0 0 4 ) ：6 3 9 - 6 4 2 【2 1 】b c a p o e n ，a m a n u c c i ，s t u 玎e l l ，e ta 1 e 骶c t so ft h es o l - g e ls o l u t i o nh o s to nt h e c h e m i c a la i l do p t i c a lp r o p e n i e so fp b sq u a n t u md o t s 【j 】j o u m a lo fm o l e c l l l a rs t l l j c t u r e ， 6 51 6 5 3 ( 2 0 0 3 ) ：4 6 7 - 4 7 3 【2 2 】h 0 d e lw ，a n l i k e rp w e b e rhea n a l ) r s i so fas i n 酉e - m o d ee v a n e s c e n t - f i e l d - p u m p e d d y ea m p l i f i e r ，ju g l l m a v et e c h n o l o g y 1 9 8 3 ，1 ( 3 ) ：4 7 0 一4 7 5 8 北京邮电大学硕f ：学位论文第一：章掺杂纳米级i n p 内包层光纤的介绍 第二章掺杂纳米级i n p 内包层光纤的介绍 2 1i n p 材料的性质 纳米半导体材料是一种近年兴起的新型半导体材料，由于材料维度和结构特征尺 寸的减小，量子限域效应、量子干涉效应、量子隧穿效应都会表现得越来越明显，使 其呈现出不同于传统材料的新奇独特的电、磁、光、热等物理和化学特性【1 】，它的发 展受到了广泛的重视。而磷化铟( i n p ) 作为重要的i i i v 族化合物半导体材料之一f 2 。5 1 ， 其具有优越的电子输运特性，它的发展受到了广泛重视。随着能带工程理论、超薄材 料工艺技术及深亚微米制造技术的进展越来越显示出其异乎寻常的特性，磷化铟已成 为毫米波高端器件的首选材料，受到广泛的重视。下面简单的从物理特性和光学特性 两个方面对磷化铟进行介绍，以便对本论文以下的研究提供必要的基础和依据。 2 1 1 纳米级ln p 的晶体结构 很多i l i v 族半导体具有闪锌矿型结构。这种结构与金刚石结构类似，区别在于 前者是由不同种类的原子组成。图2 1 表示的是闪锌矿型结构的晶胞，它是由两类原 子各自组成的面心立方晶格，沿体对角线彼此位移四分之一长度套构而成，每个原子 被四个异种原子包围。 。 与族元素半导体类似，在这类共价化合物半导体中，共价键也是以s p 3 杂化 轨道为基础的。但是，与族元素半导体的重要区别是：在i i i v 族共价化合物晶体 中，化合键具有不同程度的离子化，通常称这类半导体为极性半导体。在共价键结合 占优势的情况下，这种化合物倾向于构成闪锌矿型结构。 l l l l l 鼬秘 图2 一l 闪锌矿型结构 a ) 晶胞b ) ( 1 1 1 ) 面的堆积【在( 1 1 0 ) 面上的投影】 9 北京邮i u 人学硕i ：学位论文第：帝掺杂纳米级i n p 内包层光纤的介绍 2 1 2 纳米级ln p 的能带 按固体能带理论，物质的核外电子有不同的能量。根据核外电子能级的不同，把 它们的能级划分为三种能带：导带、禁带和价带( 满带) 。 图2 2 是绝缘体、半导体和导体的能带示意图。在禁带里，是不允许有电子存在 的。禁带把导带和价带分开，对于导体，它的大量电子处于导带，能自由移动。在电 场作用下，成为载流子。因此，导体载流子的浓度很大。 豳 兹雹 幻绝缘捧”警撩体0 雾体 图2 2 绝缘体、半导体和导体的能带 对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动。但在热、光等 外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。 绝缘体和半导体的区别主要是禁带宽度不同。半导体的禁带很窄，( 一般低于3 e v ) ， 绝缘体的禁带宽一些，电子的跃迁困难得多。因此，绝缘体的载流子的浓度很小。导 电性能很弱。