【摘要】：納米晶體量子點由于尺寸效應引起的能級分立和帶隙可調(diào),可以被用于光放大,獲得帶寬更寬,增益更加平坦的光放大器。此外,由于量子點具有很高的熒光效率和增益,也可以用作增益介質(zhì)在諧振腔中形成激光共振。量子點通常分布在本底介質(zhì)中,由于量子點的介電系數(shù)與周圍介質(zhì)的介電系數(shù)存在差異,會在二者的交界面形成表面極化,這會對量子點的帶隙產(chǎn)生影響。本文首先對離散在本底材料中的納米晶體量子點,考慮表面極化效應,根據(jù)唯一性定理,用像電荷法求解電子、空穴和鏡像電荷之間的相互作用勢能,并將其加入激子的哈密頓量中,在強約束情況下,應用微擾法求解激子的薛定諤方程,給出了包含表面極化效應的量子點帶隙表達式,得到了量子點帶隙與本底材料介電系數(shù)之間的關系。用該表達式對不同本底介質(zhì)中尺寸依賴的量子點帶隙、第一吸收峰波長、第一吸收峰波長的移動進行計算,結果顯示表面極化效應對量子點的帶隙和第一吸收峰波長有明顯的影響。當本底材料的介電系數(shù)小于(或大于)量子點的介電系數(shù)時,表面極化效應的存在使得量子點的帶隙發(fā)生藍移(或紅移),隨著本底介電系數(shù)的增大,量子點帶隙總體呈現(xiàn)紅移。量子點在不同本底介質(zhì)中的第一吸收峰波長移動會在某個粒徑達到最大值,最大值對應的粒徑大小取決于量子點的種類,對PbSe、PbS和CdSe量子點,該粒徑的大小分別為12.1、7.3、2.9nm。通過PbSe量子點摻雜光纖放大器的二能級模型得到了量子點數(shù)密度的速率方程,并建立了信號光與泵浦光的光功率傳輸方程。在沒有信號光輸入時,求解功率傳輸方程得到泵浦光在量子點光纖中的傳輸功率。假定量子點的粒徑分布為高斯分布,通過數(shù)值求解有信號光輸入時的功率傳輸方程,得到了量子點摻雜光纖放大器在不同泵浦功率下輸出的信號光譜,計算結果與實驗較為符合。計算不同量子點摻雜濃度下激光輸出功率隨泵浦功率的變化,結果發(fā)現(xiàn),激光輸出功率隨泵浦光功率的變化有一個明顯的閾值,且量子點的摻雜濃度越大,閾值功率也越大,這可能是由于量子點濃度較高,粒子數(shù)較多,實現(xiàn)粒子數(shù)反轉需要更多的能量。本文對量子點表面極化效應的研究揭示了表面極化效應對帶隙和吸收峰影響的本質(zhì)機理,對量子點摻雜光纖放大器和量子點摻雜光纖激光器的數(shù)值模擬也為實驗結果提供了理論驗證。
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TN722
【圖文】：

鄓夥糯篤鰨噱迪秩鄓饌ㄐ擰Ｍ?1 一般光纖通信系統(tǒng)原理圖1.1.2 光放大器全光放大器不需要進行光電轉換，完全以光的形式放大信號光功率。光放大器的基本概念是由 Geusic 和 Scovil 在 1962 年首先提出來的。此后不久，1964 年美國光學公司的 E.Snitzer 發(fā)明了光纖放大器，他提出了一種波長在 1060nm 處的銣摻雜光纖放大器，該光纖放大器是由纖芯直徑為10 m，包層厚度為0.75-1.5mm，長度為 1m 的光纖環(huán)繞在燈管上制成的，燈管用來激發(fā)銣離子。其中光纖末端被打磨成斜面以防止激光振蕩，這一技術在 20 多年后被再次應用起來。Snitzer 提出可以將光纖放大器用于通信領域

圖 2 簡化的 Er3+能級結構在 980nm 激光的激勵下，Er3+基態(tài)中的電子吸收一個光子后躍遷到上能級，因為上能級的壽命很短，約為 1us，所以激發(fā)電子迅速從泵浦能級躍遷到亞穩(wěn)能級，以聲子或熱振動的形式釋放一部分能量，亞穩(wěn)能級具有較長的熒光壽命，約為 10ms在亞穩(wěn)定能帶中，受激電子通常分布在能量較低的能級上，然后在信號光子的誘導下躍遷到基態(tài)能級，釋放一個與之完全相同的光子。摻鉺光纖的制備是制作 EDFA 的關鍵，一般制備低損耗二氧化硅光纖的方法有三種：水解作用、氧化作用和溶膠凝膠法[15-16]。其中水解作用和氧化作用的具體實現(xiàn)需要用到改進的化學氣相沉積（modified chemical vapor deposition，MCVD）、氣相軸向沉積（vapor axial deposition，VAD）和外部氣相沉積（outside vapordeposition，OVD），這三種方法主要區(qū)別在于沉積物的位置不同[17-20]。而制備摻鉺光纖的方法主要有氣相沉積法、溶液摻雜法和拉制法。其中氣相沉積法有 MCVD、

圖 3 EDFA 基本工作原理目前互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，為滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求，需要進一步擴大光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量。EDFA 的傳統(tǒng)工作區(qū)域較窄，只有 30nm，將其與拉曼光纖放大器結合，可以使其工作范圍擴展到 75nm（1531-1616nm）。之后通過采用雙向、反向、多級泵浦、改變摻雜元素、共摻雜等方法來增強 EDFA的帶寬和平坦增益，發(fā)現(xiàn)很難進一步對其工作區(qū)域進行擴展，需要研究新型寬帶寬的光纖放大器。此時，量子點引起了人們的注意，量子點是納米尺度的半導體，由于尺寸減小引起的量子約束效應，使得量子點的能級產(chǎn)生分立，且量子點的帶隙是由其尺寸決定的，量子點的吸收峰和熒光峰波長可以通過其粒徑進行調(diào)節(jié)。在量子點樣品中，其粒徑呈現(xiàn)一定的分布，導致其輻射譜展寬，因此將量子點用作光放大可以得到寬帶很寬的光放大器。1.2 量子點材料

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本文編號：2800030