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作为光纤通信系统的核心技术,光纤放大器一直是该领域的研究热点。人们提出以半导体量子点作为有源介质,基于量子尺寸效应和量子限阈效应,实现光放大,研制新型半导体量子点光纤放大器,它对于提高我国在纳米和信息产业领域的知识产权与应用水平都具有重要意义。
本文提出将半导体量子点直接与特种光纤器件相结合,研究一种渐逝波耦合半导体量子点光纤放大器。该放大器是由硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)量子点掺杂溶胶-凝胶涂覆于光纤耦合器熔锥区而制成,由于耦合器具有双光纤结构,信号光与泵浦光可同时注入,并通过渐逝波与量子点薄膜相互作用,实现信号光的放大。该放大器的突出优点包括宽放大带宽、制备工艺简单、设备成本低等。
首先,本论文分析了单模光纤渐逝波原理,以及半导体量子点的光辐射特性,在此基础上,分析了渐逝波耦合半导体量子点光纤放大器的工作原理,从而研究了渐逝波耦合半导体量子点光纤放大器量子点载流子模型。
其次,本论文提出了胶体化学与溶胶-凝胶法相结合的半导体量子点制备工艺,分别对硫化铅和硒化铅量子点的具体工艺进行了研究。采用X射线衍射谱、透射电镜(TEM)、吸收光谱、荧光光谱、高分辨透射电子显微镜(HTEM)等测试分析方法,分别对量子点尺寸、吸收、光致发光、晶格结构等方面的特性参数进行了表征,结果表明量子点的吸收光谱和光致发光光谱均表现出显著的蓝移特性,分别实现了1310nm波段和1550nm波段宽带的辐射光谱。
最后,本论文研究了渐逝波耦合半导体量子点光纤放大器的制作过程。分别对使用硫化铅和硒化铅两种半导体量子点掺杂溶胶-凝胶涂覆于光纤渐逝波耦合器,获得了两种渐逝波耦合半导体量子点光纤放大器。利用980nm激光作为泵浦源,分别对两种放大器进行了放大特性测试,实验结果表明,对于渐逝波耦合PbS量子点光纤放大器,实现了在1310nm波长处的光放大,小信号增益大于7dB;对于渐逝波耦合PbSe量子点光纤放大器,实现了在1550nm波长处的光放大,获得了大于10dB的小信号增益。
半导体量子点光放大器在光纤通信系统中具有广阔的应用前景,本论文所提出的渐逝波耦合半导体量子点光纤放大器在理论和技术上均具有重要的研究价值和实用意义,并将推动高速光纤通信系统的快速发展。