光纤量子点集成器件研究

发布时间：2020-06-27 12:33

【摘要】：以二氧化硅为主要材料的石英光纤作为光频波段迄今为止最为优良的波导纤维,是光纤通信与传感应用的核心传输介质。进一步提升光纤的信息处理能力,实现全光纤的可控功能器件是重要的发展方向。传统基于非线性光学效应的光纤信息处理器件,面临着瞬时光强高、功耗大、能量效率低的缺点。我们注意到,在光纤内集成功能材料是开发新型光纤光学器件的一个重要方法。而寻找易于和光纤复合集成的新型功能材料成为关键。胶体量子点是一种零维纳米材料,将胶体量子点作为功能材料,开发新型功能化光纤,具有诸多优势。首先,量子点的胶体溶液可以通过溶液法在复杂光纤微结构内,沿着光纤形状沉积固体量子点薄膜,制备稳定可靠的功能化器件。其次,量子点内的电子被限制在一个非常小的纳米颗粒内,其通常只有数百至数千个原子大小。其内部电荷可以被偏置在非常高的浓度,更容易得到可观测外界环境造成的折射率变化。最后,量子点是一种高度可调的功能材料,其材料组成,尺寸大小以及带隙宽度都可以通过合成方法进行调整,以适应实验的需求。因此,开发与量子点材料集成的光纤功能器件具有重要的研究与实用价值。本论文以量子点作为功能材料,在光纤微结构上进行集成,制备功能化光纤器件,并实现了光纤气体传感与可控全光纤通信信息处理等应用。主要研究内容与创新成果如下。(1)针对现有光纤气体传感器面临着探测下限高、灵敏度差、没有选择性以及波长不能工作在通信光纤的低损耗窗口等问题,制备了一种光纤气体探测器。设计了一种球形端面光纤干涉结构。合成了硫化铅(PbS)与氧化锡(SnO_2)量子点,开发了适用于该光学结构的通光涂覆表面成膜工艺,经过表征,发现量子点在光纤球形端面分布均匀,膜厚一致。经过表面配体处理,制备了使用量子点敏化的气体传感器。对这种传感器进行气体测试,发现气体浓度可以改变干涉结构干涉谱的消光比。对于PbS量子点敏化的光纤器件,发现其能对NO_2气体浓度进行响应,随气体浓度增加,消光比增加,对于SnO_2敏化的光纤气体传感器,发现其能够对H_2S气体做出响应,伴随H_2S气体浓度增加,光谱消光比减小,与PbS量子点相反。对该气体传感器工作过程进行了仿真,指出干涉结构消光比的变化是球形断面量子点折射率变化的结果。此外,实验表明,该气体传感器的消光比不随温度变化,因此实验中制备的光纤结构是温度无关的。经过分析,我们认为器件对气体的响应是由探测气体与空气中氧气竞争性吸附造成。最后,测试了不同的表面配体对器件的灵敏度影响。(2)制备了一种极低探测下限,高灵敏度,具有选择性的气体传感器。使用表面开孔的微结构光纤,制备了干涉结构,在该干涉结构上沉积PbS与SnO_2量子点,制备气体传感器。测试了气体传感器的气体响应,其中PbS量子点敏化的光纤气体传感器光谱加入气体后,发生蓝移,对NO_2气体的探测灵敏度为35 pm/ppm,探测下限为1 ppb。SnO_2量子点敏化的光纤气体传感器加入气体后,发生红移,对H_2S的探测灵敏度为131 pm/ppm,探测下限为3 ppb。对该器件的工作原理进行仿真计算,得到涂覆量子点薄膜后光纤内光场的分布。测试了该量子点薄膜的电阻响应,使用量子点介电方程计算了不同气体浓度下量子点的折射率大小。最终计算得到气体浓度与光谱漂移的关系,理论与实验相互验证。研究了量子点尺寸,光谱光强对器件灵敏度影响,并设计了验证性的分布式系统对气体进行分布式测量。(3)研制了一种光纤量子点集成的光控可调谐滤波器。通过合成不同尺寸的量子点,在悬心光纤上进行涂覆,制备光控光纤滤波器。我们认为,光强作用下,量子点产生光电子,引起量子点极化强度的改变,并最终造成量子点在不同光强作用下的折射率变化。由于量子限域效应,单个量子点内部光电子浓度非常高,从而较低光强激发可以引起明显的折射率变化。测试了不同光强,不同波长的激发光对器件的影响。实验发现,该光控器件拥有三个特点:首先,只有能被量子点吸收的光可以作为控制光;其次,相同波长控制光,光强与光谱漂移呈线性关系,两者一一对应;最后,以连续光作为控制光,其功率在~mW大小即可引起明显折射率变化,与半导体体材料相比,小约1000倍。从理论上计算了光照下量子点折射率的变化。将该滤波器应用在光通信系统中,利用光强远程控制滤波器件光谱,对该通信系统进行啁啾管理和色散补偿。本论文的工作展示了量子点在全光控制器件上的应用前景,其应用可以从光纤波导拓展至其他波导。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN256
【图文】：

全球互联网,思科公司,数据

速光通信网络面临巨大增长压力。全球互联网数据流量（IP traffic）的复合年增长率(CAGR)在在未来五年仍将保持24%的快速增长，这使得现有光通信网络在数据传输、交换以及处理上面临巨大增长压力（图1-1）。特别是在光通信网络节点，信息在光域的加载、调制、交换、转化、解调以及分析都严重依赖于光-电转换和电域的信息处理。进而，伴随数据流量的高速增长，通信系统不仅有大量，直至难以承受的能源消耗，节点的光电转换以及信息处理也成为一个制约通信系统进一步提升容量的重要技术瓶颈。光子集成化器件开发是实现高速，低功耗，低成本的光子信息处理技术的关键。与微电子技术相似，利用平面波导平台，集合半导体有源器件，是开发光子集成器件的一个研究热点。尽管半导体光子信息处理技术可以利用成熟的半导体制造方法和加工工艺而获得诸多功能结构，也具有大规模应用的潜在可能，但是半导体材料在光频图 1-1 思科公司预测的全球互联网数据月均增长（2016-2021）

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