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量子点及量子点掺杂光纤增益器件的理论研究

量子点及量子点掺杂光纤增益器件的理论研究

作者：王国栋浙江工业大学

学位级别：硕士

纳米晶体量子点由于尺寸效应引起的能级分立和带隙可调,可以被用于光放大,获得带宽更宽,增益更加平坦的光放大器。此外,由于量子点具有很高的荧光效率和增益,也可以用作增益介质在谐振腔中形成激光共振。量子点通常分布在本底介质中,由... 详细信息

纳米晶体量子点由于尺寸效应引起的能级分立和带隙可调,可以被用于光放大,获得带宽更宽,增益更加平坦的光放大器。此外,由于量子点具有很高的荧光效率和增益,也可以用作增益介质在谐振腔中形成激光共振。量子点通常分布在本底介质中,由于量子点的介电系数与周围介质的介电系数存在差异,会在二者的交界面形成表面极化,这会对量子点的带隙产生影响。本文首先对离散在本底材料中的纳米晶体量子点,考虑表面极化效应,根据唯一性定理,用像电荷法求解电子、空穴和镜像电荷之间的相互作用势能,并将其加入激子的哈密顿量中,在强约束情况下,应用微扰法求解激子的薛定谔方程,给出了包含表面极化效应的量子点带隙表达式,得到了量子点带隙与本底材料介电系数之间的关系。用该表达式对不同本底介质中尺寸依赖的量子点带隙、第一吸收峰波长、第一吸收峰波长的移动进行计算,结果显示表面极化效应对量子点的带隙和第一吸收峰波长有明显的影响。当本底材料的介电系数小于(或大于)量子点的介电系数时,表面极化效应的存在使得量子点的带隙发生蓝移(或红移),随着本底介电系数的增大,量子点带隙总体呈现红移。量子点在不同本底介质中的第一吸收峰波长移动会在某个粒径达到最大值,最大值对应的粒径大小取决于量子点的种类,对PbSe、PbS和CdSe量子点,该粒径的大小分别为12.1、7.3、2.9nm。通过PbSe量子点掺杂光纤放大器的二能级模型得到了量子点数密度的速率方程,并建立了信号光与泵浦光的光功率传输方程。在没有信号光输入时,求解功率传输方程得到泵浦光在量子点光纤中的传输功率。假定量子点的粒径分布为高斯分布,通过数值求解有信号光输入时的功率传输方程,得到了量子点掺杂光纤放大器在不同泵浦功率下输出的信号光谱,计算结果与实验较为符合。计算不同量子点掺杂浓度下激光输出功率随泵浦功率的变化,结果发现,激光输出功率随泵浦光功率的变化有一个明显的阈值,且量子点的掺杂浓度越大,阈值功率也越大,这可能是由于量子点浓度较高,粒子数较多,实现粒子数反转需要更多的能量。本文对量子点表面极化效应的研究揭示了表面极化效应对带隙和吸收峰影响的本质机理,对量子点掺杂光纤放大器和量子点掺杂光纤激光器的数值模拟也为实验结果提供了理论验证。

关键词：量子点表面极化效应量子点掺杂光纤放大器激光器

CdS_xSe_(1-x)/ZnS(核/壳)量子点的光谱截面及其掺杂光纤的传光特性

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光子学报 2017年第9期46卷 1-8页

作者：程成黄媛姚建华浙江工业大学光电子智能化技术研究所杭州310023 浙江省高端激光制造装备协同创新中心杭州310014

测量了不同组份比例x的CdS_xSe_(1-x)/ZnS(核/壳)量子点的吸收谱和发射谱,确定了量子点的吸收系数、吸收截面和发射截面.量子点吸收截面随粒径的增大而增大、随x的增大而减小.采用紫外固化胶,制备了掺杂浓度为0.1~5mg/mL的CdS_(0.4)Se_(... 详细信息

测量了不同组份比例x的CdS_xSe_(1-x)/ZnS(核/壳)量子点的吸收谱和发射谱,确定了量子点的吸收系数、吸收截面和发射截面.量子点吸收截面随粒径的增大而增大、随x的增大而减小.采用紫外固化胶,制备了掺杂浓度为0.1~5mg/mL的CdS_(0.4)Se_(0.6)/ZnS量子点光纤,测量了不同掺杂浓度量子点光纤中473nm泵浦功率的吸收衰减速率.吸收衰减速率和吸收截面弱关联于掺杂浓度.测量了光致荧光光谱强度随光纤长度和量子点浓度的变化.量子点光纤的光致荧光峰值强度随掺杂浓度和光纤长度变化而变化,且存在一个与最大峰值强度对应的饱和掺杂浓度和光纤长度.本文的实验结果有助于进一步构建新型的CdS_xSe_(1-x)/ZnS量子点增益型光电子器件.

关键词： CdSxSe1-x/ZnS量子点吸收截面光致荧光光谱量子点掺杂光纤量子点光纤传光特性

三组份CdSSe/ZnS（核/壳）量子点光谱及其UV胶本底掺杂光纤的传光特性

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三组份CdSSe/ZnS（核/壳）量子点光谱及其UV胶本底掺杂光纤的传光...

作者：黄媛浙江工业大学

学位级别：硕士

半导体纳米晶体由于三维量子受限,表现出了与其所对应的体材料完全不同的光学和电学性能,在光电子和非线性器件方面具有广泛的应用前景。量子点与稀土离子相比,具有窄带发射谱线、高量子效率、更强的发射强度等优点。在传统的量子点中,... 详细信息

半导体纳米晶体由于三维量子受限,表现出了与其所对应的体材料完全不同的光学和电学性能,在光电子和非线性器件方面具有广泛的应用前景。量子点与稀土离子相比,具有窄带发射谱线、高量子效率、更强的发射强度等优点。在传统的量子点中,通过调控量子点尺寸,可以改变量子点吸收和光致荧光辐射(PL)峰的波长以及光谱的半峰全宽(FWHM)。所以在光纤中掺杂不同尺寸的量子点,有可能实现波长可调谐激光。本文研究了三元合金量子点,这种新的三元合金量子点CdSSe,可以通过改变Cd SSe硫族元素的组成计量,得到不同的PL波长,协调量子点的吸收和发射特性。通过对它的组成成分连续变化,可以使吸收覆盖整个可见光波段,从而提高光学器件的性能,这带来了很大的应用前景。本文测量了不同比例系数x的三组份CdSxSe1-x/ZnS量子点的吸收谱和PL谱,确定了量子点的吸收系数、吸收截面和发射截面。采用UV固化胶,制备了掺杂浓度为0.1～5mg/mL、1～20cm长度的固态纤芯CdSSe/ZnS量子点光纤(QDF)。测量了不同浓度QDF中473nm泵浦功率的吸收衰减速率。测量了PL光谱强度随光纤长度和量子点浓度的变化。实验结果表明:量子点吸收截面随粒径的增大而增大,随x的增大而减小。在量子点半径为4.5～2.29 nm、x=0.4～0.9范围内,吸收截面为(2～1.02)×10-16 cm2。核半径为4.5nm的CdSSe/ZnS量子点UV胶掺杂光纤,在473nm波长激光激励下,吸收衰减速率和吸收截面弱关联与掺杂浓度。QDF的PL峰值强度随掺杂浓度和光纤长度变化,存在一个与最大峰值强度对应的饱和掺杂浓度和光纤长度。在浓度为0.4mg/ml,光纤长度为11cm时PL峰值强度最大。本文实验结果有助于CdSSe/ZnS量子点增益型器件的进一步研究。

关键词： CdSSe/ZnS量子点吸收截面发射截面量子点掺杂光纤吸收谱光致荧光光谱

低浓度掺杂CdSe/ZnS量子点光纤光致荧光光谱特性研究

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光子学报 2009年第7期38卷 1751-1756页

作者：程成彭雪峰严金华浙江工业大学应用物理系杭州310023

制备了一种半导体量子点CdSe/ZnS低浓度掺杂的光纤,测量了不同掺杂浓度和不同光纤长度下光纤出射端的光致荧光光谱,分析了掺杂光纤长度和浓度对量子点光纤荧光光谱特性的影响.结果表明,与掺入光纤前相比,光纤中的量子点荧光发射峰值波... 详细信息

制备了一种半导体量子点CdSe/ZnS低浓度掺杂的光纤,测量了不同掺杂浓度和不同光纤长度下光纤出射端的光致荧光光谱,分析了掺杂光纤长度和浓度对量子点光纤荧光光谱特性的影响.结果表明,与掺入光纤前相比,光纤中的量子点荧光发射峰值波长出现红移.在掺杂光纤长度为1～20cm和掺杂浓度为(0.33～2.5)×10-2mg/mL的实验范围内,红移量随着掺杂光纤长度的增加和掺杂浓度的提高而增大.对给定的激励功率,荧光发射峰值强度对应有一个最佳的量子点光纤长度.对于给定的量子点光纤长度,荧光发射峰值强度对应有一个最佳的量子点掺杂浓度.

关键词： CdSe/ZnS量子点量子点掺杂光纤二次吸收-发射光致荧光光谱

高浓度掺杂CdSe/ZnS量子点光纤光谱特性的研究

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高浓度掺杂CdSe/ZnS量子点光纤光谱特性的研究

作者：曾凤浙江工业大学

学位级别：硕士

随着光纤通信的飞速发展，密集波分复用系统（DWDM）对光纤放大器带宽和平坦增益特性的要求越来越高。光纤放大器以光纤为基底，因此高性能光纤的研制极其重要。半导体纳米材料量子点是一种人造材料，由于量子尺寸效应，其辐射和吸收峰... 详细信息

随着光纤通信的飞速发展，密集波分复用系统（DWDM）对光纤放大器带宽和平坦增益特性的要求越来越高。光纤放大器以光纤为基底，因此高性能光纤的研制极其重要。半导体纳米材料量子点是一种人造材料，由于量子尺寸效应，其辐射和吸收峰值波长、谱的半高全宽可调等特点，使得近年来量子点受到人们的极大关注。将半导体量子点作为光的增益或放大介质应用于石英光纤，构成量子点光纤，并应用到量子点光纤放大器（QDFA）中，对宽带光纤通信具有很大的作用。本文着重研究在较高掺杂浓度下掺杂光纤中的光致荧光峰值强度的变化。其研究工作主要从以下几方面开展：（1）测量了CdSe/ZnS量子点胶体的吸收谱和辐射谱,以便与量子点在掺入光纤之后的光谱特性做一比较。（2）估计了实验所需的量子点掺杂浓度范围,并在较高浓度下（（0.10~10） mg/mL）制备了CdSe/ZnS量子点掺杂光纤，测量了不同掺杂浓度和不同光纤长度下的量子点光纤光致荧光光谱,得到了荧光峰值增益最大时的量子点掺杂浓度和光纤长度。（3）对473 nm激励光强随光纤长度的变化进行测量分析,确定了CdSe/ZnS量子点的消光系数。（4）观测了随掺杂浓度和光纤长度变化的PL峰值波长红移,讨论了红移的原因以及量子点表面缺陷态发光的影响等。本文的研究结果可为今后量子点光纤放大器的研制提供有力的支持。

关键词：量子点掺杂光纤光致荧光光谱掺杂浓度 CdSe/ZnS量子点量子点光纤放大器

基于CdSe/ZnS量子点掺杂的光纤及其增益特性

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基于CdSe/ZnS量子点掺杂的光纤及其增益特性

作者：林彦国浙江工业大学

学位级别：硕士

半导体纳米晶体(量子点)及其应用是当前的研究热点之一。本论文主要做了以下三方面工作:(1)探索了量子点掺杂光纤的制备方法。制备了一种CdSe/ZnS量子点掺杂光纤,测量了不同掺杂浓度和光纤长度下的量子点光致荧光光谱,得到了荧光峰值波... 详细信息

半导体纳米晶体(量子点)及其应用是当前的研究热点之一。本论文主要做了以下三方面工作:(1)探索了量子点掺杂光纤的制备方法。制备了一种CdSe/ZnS量子点掺杂光纤,测量了不同掺杂浓度和光纤长度下的量子点光致荧光光谱,得到了荧光峰值波长的红移随量子点光纤掺杂浓度和光纤长度的变化。观测对比了四种不同纤芯本底材料(UV胶、甲苯、正己烷、正癸烷)随光纤长度增加的红移,发现在不同的本底材料中,红移随光纤长度的增加的速率不同。在不同本底材料和不同的掺杂浓度下,最大红移均趋向于20nm的同一饱和值,该饱和值取决于量子点第一吸收峰的FWHM。(2)制备了一种以紫外(UV)固化胶为纤芯本底的CdSe/ZnS量子点掺杂光纤。通过测量不同掺杂浓度和光纤长度下的量子点光致荧光光谱,得到了荧光峰值强度与量子点掺杂光纤浓度和长度的关系,确定了UV胶纤芯本底下的量子点的吸收系数、合适的掺杂浓度和光纤长度。结果表明:UV胶在光纤中具有吸收小、收缩率低、与石英光纤包层折射率匹配、性能稳定等特点,是一种比较理想的实验室制备量子点光纤纤芯本底的材料。(3)制备了一种CdSe/ZnS量子点掺杂光纤放大器。采用纵向单泵浦方式,测量了不同掺杂浓度、不同光纤长度下的信号光增益。在功率为100mW、473nm波长的半导体激光器泵浦作用下,在光纤长度为7cm、量子点掺杂浓度为0.038mg/mL时,实测的波长658nm的信号光功率增益为3.8dB。本文的研究为研制量子点光纤放大器提供了必要的实验基础和理论分析,对制备高性能的量子点掺杂光纤有一定的指导和借鉴作用。

关键词： CdSe/ZnS量子点量子点掺杂光纤二次吸收-发射光致荧光光谱红移

PbSe纳米晶体量子点单/多模光纤激光的实验实现

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光学学报 2013年第9期33卷 198-204页

作者：程成薄建凤严金华浙江工业大学激光与光电子技术研究所浙江杭州310023

以PbSe量子点作为激活增益介质,在由量子点掺杂光纤、波分复用器、光纤光栅等组成的全光纤环形谐振腔中,实验首次观测到了波长为1550nm、稳定连续的激光振荡。在980nm激光二极管(LD)抽运下,发现了明显的抽运激励阈值。低于激励阈值时,... 详细信息

以PbSe量子点作为激活增益介质,在由量子点掺杂光纤、波分复用器、光纤光栅等组成的全光纤环形谐振腔中,实验首次观测到了波长为1550nm、稳定连续的激光振荡。在980nm激光二极管(LD)抽运下,发现了明显的抽运激励阈值。低于激励阈值时,没有激光;高于激励阈值时,激光输出功率随激励功率线性增大。激光输出为多模,通过光纤弯绕方式可选出单模输出。对于50μm纤芯直径的多模量子点光纤,当入纤抽运功率为68mW时,实测激光输出功率为19.2mW(多模)和6.31mW(单模),激光的3dB线宽小于0.1nm,抽运效率分别为28%和9.3%。

关键词：激光器 PbSe量子点量子点掺杂光纤光纤激光器激励阈值

紫外胶固态纤芯PbSe量子点光纤制备及光谱测量

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光学学报 2015年第9期35卷 66-72页

作者：程成邵尉浙江工业大学光电子智能化技术研究所浙江杭州310023

采用粒直径为4．4nm的PbSe量子点及紫外（UV）固化胶，制备了掺杂质量浓度为0．1～6．0mg／mL、不同长度的固态纤芯量子点光纤。通过测量量子点光纤吸收谱，确定了量子点光纤980nm波长随掺杂浓度和光纤长度变化的吸收截面。测量了量子... 详细信息

采用粒直径为4．4nm的PbSe量子点及紫外（UV）固化胶，制备了掺杂质量浓度为0．1～6．0mg／mL、不同长度的固态纤芯量子点光纤。通过测量量子点光纤吸收谱，确定了量子点光纤980nm波长随掺杂浓度和光纤长度变化的吸收截面。测量了量子点光纤的光致荧光（PL）谱，其峰值光强随掺杂浓度和光纤长度变化，存在一个与最大峰值强度对应的掺杂浓度和光纤长度。实验结果有助于对PbSe量子点光纤放大器和激光器的进一步研究。

关键词：光纤光学 PbSe量子点 UV胶量子点掺杂光纤掺杂浓度光纤长度

1250～1370nm波带PbSe量子点宽带光纤放大器

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光学学报 2016年第4期36卷 65-72页

作者：程成胡能树浙江工业大学光电子智能化技术研究所浙江杭州310023

实现了一种硒化铅（Pb Se）量子点掺杂的光纤放大器（QDFA）。以直径为4 cm的Pb Se量子点作为光纤增益介质,由量子点掺杂光纤、980 nm单模激光器、波分复用器、隔离器等组成全光传输结构,在1250~1370 nm的宽带区间实现了信号光的放大。... 详细信息

实现了一种硒化铅（Pb Se）量子点掺杂的光纤放大器（QDFA）。以直径为4 cm的Pb Se量子点作为光纤增益介质,由量子点掺杂光纤、980 nm单模激光器、波分复用器、隔离器等组成全光传输结构,在1250~1370 nm的宽带区间实现了信号光的放大。实验表明：对于纤芯直径为50μm的多模量子点掺杂光纤,激励阈值为62 m W,-3 d B宽带达120 nm,-1 d B平坦带宽为90 nm,增益可达12 d B。与传统的掺铒光纤放大器相比,QDFA的带宽更宽,增益更平坦,噪声也较低。该QDFA为解决目前密集型光波复用（DWDM）系统对光纤通信放大器日益增长的带宽需求提供了一种新的途径。

关键词：光纤光学硒化铅量子点量子点掺杂光纤增益带宽激励阈值噪声系数