量子点及量子点掺杂光纤增益器件的理论研究

发布时间：2020-08-22 00:23

【摘要】：纳米晶体量子点由于尺寸效应引起的能级分立和带隙可调,可以被用于光放大,获得带宽更宽,增益更加平坦的光放大器。此外,由于量子点具有很高的荧光效率和增益,也可以用作增益介质在谐振腔中形成激光共振。量子点通常分布在本底介质中,由于量子点的介电系数与周围介质的介电系数存在差异,会在二者的交界面形成表面极化,这会对量子点的带隙产生影响。本文首先对离散在本底材料中的纳米晶体量子点,考虑表面极化效应,根据唯一性定理,用像电荷法求解电子、空穴和镜像电荷之间的相互作用势能,并将其加入激子的哈密顿量中,在强约束情况下,应用微扰法求解激子的薛定谔方程,给出了包含表面极化效应的量子点带隙表达式,得到了量子点带隙与本底材料介电系数之间的关系。用该表达式对不同本底介质中尺寸依赖的量子点带隙、第一吸收峰波长、第一吸收峰波长的移动进行计算,结果显示表面极化效应对量子点的带隙和第一吸收峰波长有明显的影响。当本底材料的介电系数小于(或大于)量子点的介电系数时,表面极化效应的存在使得量子点的带隙发生蓝移(或红移),随着本底介电系数的增大,量子点带隙总体呈现红移。量子点在不同本底介质中的第一吸收峰波长移动会在某个粒径达到最大值,最大值对应的粒径大小取决于量子点的种类,对PbSe、PbS和CdSe量子点,该粒径的大小分别为12.1、7.3、2.9nm。通过PbSe量子点掺杂光纤放大器的二能级模型得到了量子点数密度的速率方程,并建立了信号光与泵浦光的光功率传输方程。在没有信号光输入时,求解功率传输方程得到泵浦光在量子点光纤中的传输功率。假定量子点的粒径分布为高斯分布,通过数值求解有信号光输入时的功率传输方程,得到了量子点掺杂光纤放大器在不同泵浦功率下输出的信号光谱,计算结果与实验较为符合。计算不同量子点掺杂浓度下激光输出功率随泵浦功率的变化,结果发现,激光输出功率随泵浦光功率的变化有一个明显的阈值,且量子点的掺杂浓度越大,阈值功率也越大,这可能是由于量子点浓度较高,粒子数较多,实现粒子数反转需要更多的能量。本文对量子点表面极化效应的研究揭示了表面极化效应对带隙和吸收峰影响的本质机理,对量子点掺杂光纤放大器和量子点掺杂光纤激光器的数值模拟也为实验结果提供了理论验证。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TN722
【图文】：

鄓夥糯笃鳎噱迪秩鄓馔ㄐ拧Ｍ?1 一般光纤通信系统原理图1.1.2 光放大器全光放大器不需要进行光电转换，完全以光的形式放大信号光功率。光放大器的基本概念是由 Geusic 和 Scovil 在 1962 年首先提出来的。此后不久，1964 年美国光学公司的 E.Snitzer 发明了光纤放大器，他提出了一种波长在 1060nm 处的铷掺杂光纤放大器，该光纤放大器是由纤芯直径为10 m，包层厚度为0.75-1.5mm，长度为 1m 的光纤环绕在灯管上制成的，灯管用来激发铷离子。其中光纤末端被打磨成斜面以防止激光振荡，这一技术在 20 多年后被再次应用起来。Snitzer 提出可以将光纤放大器用于通信领域

图 2 简化的 Er3+能级结构在 980nm 激光的激励下，Er3+基态中的电子吸收一个光子后跃迁到上能级，因为上能级的寿命很短，约为 1us，所以激发电子迅速从泵浦能级跃迁到亚稳能级，以声子或热振动的形式释放一部分能量，亚稳能级具有较长的荧光寿命，约为 10ms在亚稳定能带中，受激电子通常分布在能量较低的能级上，然后在信号光子的诱导下跃迁到基态能级，释放一个与之完全相同的光子。掺铒光纤的制备是制作 EDFA 的关键，一般制备低损耗二氧化硅光纤的方法有三种：水解作用、氧化作用和溶胶凝胶法[15-16]。其中水解作用和氧化作用的具体实现需要用到改进的化学气相沉积（modified chemical vapor deposition，MCVD）、气相轴向沉积（vapor axial deposition，VAD）和外部气相沉积（outside vapordeposition，OVD），这三种方法主要区别在于沉积物的位置不同[17-20]。而制备掺铒光纤的方法主要有气相沉积法、溶液掺杂法和拉制法。其中气相沉积法有 MCVD、

图 3 EDFA 基本工作原理目前互联网的快速发展产生了大量数据，为满足日益增长的数据传输需求，需要进一步扩大光纤通信系统的传输容量。EDFA 的传统工作区域较窄，只有 30nm，将其与拉曼光纤放大器结合，可以使其工作范围扩展到 75nm（1531-1616nm）。之后通过采用双向、反向、多级泵浦、改变掺杂元素、共掺杂等方法来增强 EDFA的带宽和平坦增益，发现很难进一步对其工作区域进行扩展，需要研究新型宽带宽的光纤放大器。此时，量子点引起了人们的注意，量子点是纳米尺度的半导体，由于尺寸减小引起的量子约束效应，使得量子点的能级产生分立，且量子点的带隙是由其尺寸决定的，量子点的吸收峰和荧光峰波长可以通过其粒径进行调节。在量子点样品中，其粒径呈现一定的分布，导致其辐射谱展宽，因此将量子点用作光放大可以得到宽带很宽的光放大器。1.2 量子点材料

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本文编号：2800030