高分子修饰的核-壳量子点光纤放大器

Optical fiber amplifiers are one of the most important components in next-generation high-speed and high-capacity communication networks based on optical fibers. Propelled by more channels in Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) and Fiber To The Home (FTTH), there is a great need to develop cheap, stable and high-performance optical fiber amplifiers. The broadly used erbium-doped fiber amplifier (EDFA) has come to some limitation for its narrow bandwidth and large size. In this proposal, we will develop single-mode optical fiber amplifiers using evanescent wave excitation. We will develop core-shell quantum dots (QDs) as the optically active materials for coating the tapered region of the optical fibers. The core-shell QDs are reported to be more optically and thermally stalbe compared to core only QDs. Novel polymeric ligands will be used to synthesize core-shell QDs. These polymeric ligands will have multiple functions as ligands, protecting layers and also making layers compatible with coating materials such as silica or polymers. Injection of the pump and signal lights simultaneously into the tapered region of the optical fibers, signal amplification will be achieved via evanescent wave excitation. Using the new core-shell QDs and new coating processes, we will fabricate broader bandwidth, more reproducible, reliable, stable and compact optical fiber amplifiers.

随着密集波分复用信道不断增加以及光纤到户的推广应用，宽带放大、小型化、易于集成是光纤放大器的发展方向。目前商用的掺铒光纤放大器，由于其放大带宽窄、所需光纤长已不能满足需求。 本项目提出基于核-壳量子点的渐逝波单模光纤放大器，它是由以PbS为核、CdS为壳的量子点掺杂薄膜涂覆于石英光纤耦合器的锥区而构成。该量子点掺杂薄膜可以通过量子点掺杂的溶胶-凝胶过程或量子点掺杂的高分子直接涂覆来实现，光通过渐逝波场激发量子点，实现通信波段的宽带光放大。核-壳结构量子点性能更稳定，并且量子点经高分子材料修饰后，与石英光纤的亲和性大大提高；该放大器直接应用标准单模光纤，解决了与其他光纤器件的耦合问题；信号光和泵浦光可以通过耦合器的两个端口同时注入，无需波分复用器件，有利于系统的小型化。该基于半导体量子点的渐逝波单模光纤放大器具有如下优点：更宽的放大光谱；更稳定的量子点；更有效的量子点薄膜涂覆；更高的系统集成。

光纤通信是现代通信信息网络的重要组成，也是未来通信领域科研和产业发展的重点。光纤通信具有的超高速度，超大容量和超长距离传输的特性使得全光网络成为研究热点。波分复用技术和光纤接入网的蓬勃发展不断推动着光纤通信技术的革新，特别是对光放大器等光通信器件提出了巨大的挑战。中继放大技术是提高光通信网络系统容量和速率关键技术之一。.本项目将PbS/CdS核壳半导体量子点的荧光特性及稳定性同光纤耦合器结合制备半导体量子点渐逝波耦合光纤放大器件。在PbS核量子点表面包裹上一层无机壳层材料CdS，对PbS量子点表面进行钝化，减少其表面的缺陷并提高荧光量子产率，因而对于提高光纤放大器的增益有很大优势。核壳结构和适当的材料能够显著提高量子点的稳定性。PbS/CdS量子点不易团聚，不易受温度影响，PbS量子点因被包裹在壳层之内，隔绝了与外界环境的作用，不易受表面和外界环境因素的影响，这一优势提高了量子点光纤放大器的稳定性。采用成熟的有机金属法制备量子点，可以得到荧光峰值可控，荧光量子产率高的量子点，再以设计的双亲性高分子材料对其进行水溶性改性修饰，之后掺杂入溶胶凝胶中制备荧光强度高的掺杂均匀的薄膜。薄膜涂覆于利用单模光纤制备的光纤耦合器耦合区，通过较强的渐逝波激发半导体量子点实现光放大的作用。.结合半导体量子点荧光特性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。采用有机金属法制备了PbS/CdS核壳量子点，研究了核在不同生长时间及壳层在不同生长时间下荧光光谱变化规律、量子点晶格结构及温度稳定性。为获得水溶性量子点，我们研究了量子点表面修饰的方法，采用传统的巯基乙酸修饰法和新的高分子修饰法对量子点表面进行修饰，并研究了两种方法修饰后量子点掺杂薄膜的荧光特性以及不同壳层生长厚度对量子点表面修饰结果的影响。研究量子点渐逝波耦合光纤放大器的制备工艺，分别用巯基乙酸修饰的PbS/CdS和亲水链/憎水链比例不同的高分子材料修饰量子点掺杂薄膜材材料进行涂覆，制备光纤放大器。对以上放大器测试，分析不同修饰方法对放大器性能影响；亲水和憎水比例不同的高分子材料修饰的量子点掺杂薄膜对放大性能影响；不同泵浦光功率和信号光功率对信号光功率对放大性能影响。在980 nm泵浦光的激发下，PbS/CdS量子点光纤放大器在1550 nm波段有明显的宽带放大现象，且其温度稳定性明显高于PbS量子点光纤放大器。