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3分钟了解量子点光纤放大器技术

摘要:量子点光纤放大器为解决全波带、低噪声光纤通信的重大需求提供了一种全新的途径和实现方案。目前,量子点光纤放大器在实验室已经实现,国内外还没有相应的产品出现,尚未进入工业化生产。

什么是光纤放大器?

  光纤放大器是光纤通信网络中的一个关键部件。虽然无线通信系统(4G、5G、…)获得了极大的发展,但对于国家金融、保密、国防等,有线光纤通信系统仍然是极为重要和安全的一种主要手段。

  科技部2020年发布的国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项,针对光纤传输网干线带宽急剧增长的重大需求,聚焦单模光纤传输容量增长乏力的难题,将光传输系统的工作波长范围拓展至全波段,开展全波段低噪声光纤放大器研究。

  基于多材料体系的宽带有源光纤,研究影响光放大器带宽、噪声、效率、串扰等问题的物理机制,确定获得全波段、低噪声光放大器的技术途径,研制系列宽波段低噪声光放大器,搭建全波段光纤传输系统。

目前的光纤放大器

  目前,主力光纤放大器是工作在常规C波带(1530~1565 nm)的掺铒光纤放大器(Erbium doped Fiber Amplifiers, EDFAs)。在短波带S波带(1460~1530 nm),有掺铥光纤放大器(TDFAs)/增益移位的TDFAs。在长波带L波带(1565~1625 nm),有少量的掺铥氟基光纤放大器等(但面市很少,L波带的光纤放大器基本没有解决)[1]。

  经过多年的研究和发展,这些传统的、掺天然离子的光纤放大器的带宽、增益和噪声等关键指标已经到达极限,其根本原因是受限于离子能级、能级展宽以及荧光寿命等是固有的、不可改变的内秉属性。

  面对通信主干网带宽等需求日益增长的重大挑战,传统光纤放大器的技术是否已走到了尽头?下一代光纤放大器的出路何在?

量子点光纤放大器

  什么是量子点?

  近年来人工纳米晶体(量子点)发展迅速。量子点制备方式主要有两种:一是物理法(例如分子束外延自组织生长);二是化学纳米法。本文不涉及物理方法,只涉及纳米化学法制备的量子点(胶体量子点)。量子点是准零维纳米材料,人们通过控制生长条件来控制量子点粒径,使之产生不同波长的吸收峰、辐射峰、斯托克斯频移以及不同的全宽半高(FWHM),这些特性是天然元素不具备的[2]。

  在红外通讯波带,有PbS、PbSe、CdSe、CdS和CdTe等,它们的吸收-辐射谱覆盖了465~2340 nm的宽广的波带,其中铅类的PbSe、PbS最具潜力。PbSe量子点直径在4.5~9 nm之间,大致相当于3000~30000个原子的尺度。它的能级为非简并,能级结构简单(因而直接复合辐射荧光很强),辐射-吸收波长位于红外波段(1100~2340 nm),斯托克斯频移可达几十纳米(远大于铒离子)。

  对于直径为~5.5 nm的PbSe量子点,其辐射峰和吸收峰分别位于1530 nm与1450 nm,辐射波长正好落在C波带中心附近。随着量子点粒径的增加,波长会红移,可扩展到L波带,甚至L++U波带;如果粒径减小,则波长会向短波长的S波带移动。

  量子点光纤

  目前,量子点光纤(Quantum dot doped fibers, QDFs)的实现主要有两种技术路线:一是用化学气相沉积等技术将PbS或PbSe量子点沉积在玻璃管内壁,经高温熔融后形成量子点掺杂的玻璃棒,再经拉丝,制得玻璃基质的QDF。其光致荧光(Photoluminescence, PL)覆盖了1100~1300 nm波长区,PL谱的半高全宽FWHM~130 nm。

  二是用紫外光刻技术,将PbS量子点分散于紫外固化(UV)胶中,制作单波导结构的QDF。在410 nm抽运下,测得PL中心峰波长1080 nm,PL谱的FWHM~200 nm。

  以上两种技术尚停留在实验室QDF制备观测阶段,还没有实现技术指标有竞争力的光纤放大。

  量子点光纤放大器

  实验室已经实现的量子点光纤放大器(Quantum dot doped fiber amplifiers, QDFAs)主要有以下几种技术方案:

  一是基于熔锥型光纤耦合式结构的量子点光纤放大器。该技术利用大分子聚合物修饰PbS量子点的表面基团,将修饰后的PbS量子点涂敷在双单模光纤熔锥耦合结构的外表面上,用瞬逝波激励量子点来产生PL,从而实现对信号光的放大(图1)。在中心峰波长为1550 nm、1440~1640 nm带宽范围内,对-63 dBm的入射信号光功率获得了17 dB的稳定增益输出。

图1 瞬逝波激励的双单模光纤熔锥耦合结构量子点光纤放大器

  二是液态或液态固化纤芯的量子点光纤放大器。该技术方案早期以甲苯、正己烷等有机溶剂为本底,近年来以UV胶为纤芯本底,将PbSe或PbS胶体量子点混合后抽压进空芯光纤,形成量子点光纤。

  由973 nm单模激光器、隔离器、波分复用器、量子点掺杂光纤等构成全光路结构量子点光纤放大器(图2),在150 nm(1470~1620 nm,S+C+L)的宽波带区间实现了信号光放大,其中1550 nm中心波带区的带宽达75 nm,开关增益为16~19 dB,噪声系数低至~3 dB。

  上述掺PbS量子点量子点光纤放大器的带宽、C波带增益平坦度、噪声系数等指标优于常规的EDFAs,L波带增益平坦度略低于经优化的多光纤结构的EDFAs,但光纤的稳定性还需经受考验。

图2 PbS-QDFA示意图,其中SLED为宽带光源、ISO为隔离器、WDM为波分复用器、LD为抽运激光二极管、FOFC为光纤快连器、QDF为PbS量子点光纤。

工作原理:信号从宽带光源出发,经A点和ISO,经B点进入WDM。另一路抽运光从LD出发进入WDM,信号光和抽运光经WDM之后,通过FOFC进入增益光纤QDF,信号光在抽运光的激励下得到放大,至E点输出。

  三是玻璃纤芯基底的量子点光纤放大器,有高温玻璃和低温玻璃之分。从技术性能指标、稳定性、成熟性以及与当前光纤工业技术兼容等方面来看,玻璃基底的量子点光纤放大器最有前途。另外还有一些零星技术,例如微波导结构的量子点光纤放大器、以飞秒激光来处理玻璃基底中的量子点使之均匀等等。下面主要介绍用高温熔融法制备的玻璃纤芯基底掺PbSe的量子点光纤放大器[3]。

  用高温熔融法,在1400℃环境下制备钠硼铝硅酸盐玻璃,玻璃中含有量子点的前驱体PbO和ZnSe。将玻璃拉丝,玻璃丝退火(~550℃)若干小时,量子点在退火过程中生长-晶化,制备成量子点光纤。

  图3为PbSe量子点玻璃光纤(下)的形貌,图中还给出了与普通光纤(上)的形貌比较。PbSe量子点光纤呈棕色,量子点均匀分布在光纤中,掺杂体积比可控在(0.2~2)%。量子点粒径及粒径分布跟热处理条件有关,热处理温度越高、时间越长,量子点粒径越大;反之则反。量子点的数密度、粒子数分布、斯托克斯频移主要跟基础玻璃配方以及热处理条件有关。

图3 量子点光纤(下)与普通光纤(上)的形貌比较

  量子点光纤放大器的组成跟图2相同,其中UV胶基底的PbS-QDF替换为玻璃基PbSe-QDF。量子点光纤放大器的工作波长取决于量子点粒径(或热处理条件)。表1给出了高温熔融法制备的钠硼铝硅酸盐玻璃基PbSe量子点PL峰值波长和中心粒径之间的关系。

表1 高温熔融法制备的钠硼铝硅酸盐玻璃基PbSe量子点的PL峰值波长随粒径的变化

  由表1可见,量子点的PL峰值波长可以覆盖相当宽广的领域(O+E+S+C+L),几乎覆盖了全通信波带。PL辐射强烈,斯托克斯频移可宽达~100 nm,PL谱FWHM~200 nm。对于中心粒径为4.76 nm的量子点,其构成的量子点光纤放大器实测的中心波长为1310 nm、带宽~80 nm、增益~15 dB、噪声低至~3.3 dB[3]。

  如果采用中心粒径为5.88 nm的量子点,工作波长区可扩展到L波带。跟C波带EDFAs相比,量子点光纤放大器的带宽更宽、噪声更低、增益相当、抽运阈值功率相当(<~10 mW)。与倏逝波激励的锥形光纤放大器相比,这里量子点光纤放大器的增益大、抽运阈值功率低,容易形成激射并形成光放大。

  QDFA之所以具有宽带、低噪声等优势,除了采用的增益介质量子点本身有强荧光辐射之外,关键在于量子点可以人工操控:通过控制量子点的粒径及粒径分布可以移动和扩大工作波长区;通过改变基础玻璃配方和热处理工艺可加大斯托克斯频移,从而减小PL光的吸收和增强有效发射、降低噪声;通过控制热处理条件可改变粒子数密度以及粒子数分布,从而达到激励阈值而又不至于很快饱和等等。而这些操作,对于天然的稀土离子的EDFAs是无法做到的。

  结论

  量子点光纤放大器为解决全波带、低噪声光纤通信的重大需求提供了一种全新的途径和实现方案。目前,量子点光纤放大器在实验室已经实现,国内外还没有相应的产品出现,尚未进入工业化生产。本文作者也希望通过此文向公众和工业界作科普介绍,以期引起关注,突破瓶颈,在工业规模水平上形成新一代的光纤放大器技术。


  参考文献


  [1] 程成,程潇羽.光纤放大原理及器件优化设计[M].北京:科学出版社,2011.

  [2] 程成,程潇羽.量子点纳米光子学及应用[M].北京:科学出版社,2017.

  [3] Cheng, C, Wang F J, and Cheng X Y. PbSe quantum-dot-doped broadband fiber amplifier based on sodium-aluminum-borosilicate-silicate glass[J]. Optics and Laser Technology, 2020,122(2):105812.


  文/程潇羽,浙江大学光电科学与工程学院;程成,浙江工业大学光电子智能化技术研究所



内容来自:光电汇OESHOW
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