引用本文:

范美端,严钰杨,周爽,等. 基于介孔二氧化硅和硫化铅量子点结合的光纤放大器[J]. 光通信技术,2021,45(11):59-62.

基于介孔二氧化硅和硫化铅量子点结合的光纤放大器

范美端,严钰杨,周 爽,孙晓岚*

(上海大学 通信与信息工程学院,上海 200444)

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摘要:为了改善量子点光纤放大器的性能,提出了一种将硫化铅(PbS)量子点与介孔二氧化硅相结合的方法,以此增加光纤锥区上量子点的含量。氨基化的介孔二氧化硅(NH2-MSN)通过氮的单电子与油溶性的PbS量子点进行偶联,将量子点吸附到NH2-MSN上,NH2-MSN通过氢键作用连接在羟基化的光纤上,提高了量子点在锥区的密度。实验结果表明:将泵浦功率从50 mW增加到300 mW时,放大器在1550 nm处的开关增益从1.1 dB增长到8.09 dB;当泵浦功率为280 mW时开关增益达到饱和。

关键词:光纤放大器;硫化铅量子点;介孔二氧化硅

中图分类号:TN914  文献标志码:文章编号:1002-5561(2021)11-0059-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.11.011

0 引言
       近年来,为了满足超高速、大容量和长距离传输的需求,人们对光纤放大器的要求越来越高[1-2]。量子点具有光谱可调、制备简便和成本较低等优势[3],将量子点作为增益介质制备得到的量子点光纤放大器具有较宽和可调的带宽,且可以有效降低成本,满足未来光纤通信系统的要求。2010年,PANG F等人[4]首先提出将PbS量子点与二氧化硅溶胶凝胶进行混合制成薄膜,并将薄膜涂覆在光纤耦合器的锥区,制备出了PbS量子点光纤放大器并获得了8 dB的增益。2013年,SUN X等人[5]提出一种性能更加稳定的PbS/CdS核壳量子点光纤放大器,得到了高增益和200 nm的放大带宽,并在2014年研究了能够增强热稳定性的油酸包裹的PbS量子点光纤放大器,该放大器在25~50 ℃的环境下可以一直保持稳定[6]。2015年,DONG Y等人[7]采用原子层沉积(ALD)技术在光纤表面沉积PbS量子点,但是该技术操作比较复杂且实验过程中对于沉积的纳米材料不易控制。2020年,徐灵敏等人[8]制备了基于硫化铅(PbS)掺杂环形芯光纤的光放大器,在C波段得到了8 dB的开关增益。同年,CHENG C等人[9]提出了一种基于钠-铝-硼硅酸盐玻璃的掺硒化铅量子点光纤放大器,这种方法虽然提高了量子点在硅酸盐玻璃中的稳定性,但是带来了很大的插入损耗。另外,使用上述方法制备的量子点光纤放大器中光纤上的PbS量子点含量很少,如何将更多的量子点放到光纤上成为量子点光纤放大器发展的瓶颈。
  介孔二氧化硅(MSN)由于其独特的结构和性质,近年来备受关注。MSN具有巨大的比表面积和高负载能力[10]。MSN合成过程可控,可以获得不同孔径、不同结构的孔道均一的介孔材料。而且,MSN表面易于修饰,可以携带不同的基团,便于与不同的物质相连,同时也具有良好的生物相容性。MSN和量子点的结合可以制备出性能更加优异的器件。2014年,ZONG Y等人[11]制备了装载β-Ga2O3量子点的MSN颗粒纳米晶体,并首次用这种材料实现多色发光。2018年,RAHUL K D等人[12]用MSN包覆碳量子点实现特异性药物传递。2020年,FATHIMA H等人[13]用MSN包覆银纳米颗粒,实现表面增强喇曼散射传感。基于此,本文提出将油溶性的PbS量子点与氨基化的介孔二氧化硅(NH2-MSN)相结合,利用MSN比表面积大的特点,大大增加光纤上量子点的含量,以此来提高放大器的增益。

4 结束语
      本文通过简单的方法和操作,制备了基于QDs@MSNs的量子点光纤放大器,利用介孔材料比表面积大的特点,增加了光纤锥区上量子点的含量,并且在1550 nm处获得了最大8.09 dB的开关增益。本文的研究结果表明,基于QDs@MSNs的量子点光纤放大器在超大容量、超快和超长传输光网络中具有潜在的应用前景。后续的实验可以通过使用孔径更大的介孔二氧化硅来吸附更多的量子点,并且改善介孔二氧化硅与光纤锥区表面的连接方式,以进一步提高量子点光纤放大器的增益。