【摘要】：納米晶體量子點(diǎn)由于尺寸效應(yīng)引起的能級(jí)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(diǎn)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(diǎn)通常分布在本底介質(zhì)中,由于量子點(diǎn)的介電系數(shù)與周圍介質(zhì)的介電系數(shù)存在差異,會(huì)在二者的交界面形成表面極化,這會(huì)對(duì)量子點(diǎn)的帶隙產(chǎn)生影響。本文首先對(duì)離散在本底材料中的納米晶體量子點(diǎn),考慮表面極化效應(yīng),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(shì)能,并將其加入激子的哈密頓量中,在強(qiáng)約束情況下,應(yīng)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(yīng)的量子點(diǎn)帶隙表達(dá)式,得到了量子點(diǎn)帶隙與本底材料介電系數(shù)之間的關(guān)系。用該表達(dá)式對(duì)不同本底介質(zhì)中尺寸依賴的量子點(diǎn)帶隙、第一吸收峰波長(zhǎng)、第一吸收峰波長(zhǎng)的移動(dòng)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果顯示表面極化效應(yīng)對(duì)量子點(diǎn)的帶隙和第一吸收峰波長(zhǎng)有明顯的影響。當(dāng)本底材料的介電系數(shù)小于(或大于)量子點(diǎn)的介電系數(shù)時(shí),表面極化效應(yīng)的存在使得量子點(diǎn)的帶隙發(fā)生藍(lán)移(或紅移),隨著本底介電系數(shù)的增大,量子點(diǎn)帶隙總體呈現(xiàn)紅移。量子點(diǎn)在不同本底介質(zhì)中的第一吸收峰波長(zhǎng)移動(dòng)會(huì)在某個(gè)粒徑達(dá)到最大值,最大值對(duì)應(yīng)的粒徑大小取決于量子點(diǎn)的種類,對(duì)PbSe、PbS和CdSe量子點(diǎn),該粒徑的大小分別為12.1、7.3、2.9nm。通過(guò)PbSe量子點(diǎn)摻雜光纖放大器的二能級(jí)模型得到了量子點(diǎn)數(shù)密度的速率方程,并建立了信號(hào)光與泵浦光的光功率傳輸方程。在沒有信號(hào)光輸入時(shí),求解功率傳輸方程得到泵浦光在量子點(diǎn)光纖中的傳輸功率。假定量子點(diǎn)的粒徑分布為高斯分布,通過(guò)數(shù)值求解有信號(hào)光輸入時(shí)的功率傳輸方程,得到了量子點(diǎn)摻雜光纖放大器在不同泵浦功率下輸出的信號(hào)光譜,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)較為符合。計(jì)算不同量子點(diǎn)摻雜濃度下激光輸出功率隨泵浦功率的變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn),激光輸出功率隨泵浦光功率的變化有一個(gè)明顯的閾值,且量子點(diǎn)的摻雜濃度越大,閾值功率也越大,這可能是由于量子點(diǎn)濃度較高,粒子數(shù)較多,實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)需要更多的能量。本文對(duì)量子點(diǎn)表面極化效應(yīng)的研究揭示了表面極化效應(yīng)對(duì)帶隙和吸收峰影響的本質(zhì)機(jī)理,對(duì)量子點(diǎn)摻雜光纖放大器和量子點(diǎn)摻雜光纖激光器的數(shù)值模擬也為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了理論驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：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(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，完全以光的形式放大信號(hào)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(lái)的。此后不久，1964 年美國(guó)光學(xué)公司的 E.Snitzer 發(fā)明了光纖放大器，他提出了一種波長(zhǎng)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(zhǎng)度為 1m 的光纖環(huán)繞在燈管上制成的，燈管用來(lái)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(shù)在 20 多年后被再次應(yīng)用起來(lái)。Snitzer 提出可以將光纖放大器用于通信領(lǐng)域

圖 2 簡(jiǎn)化的 Er3+能級(jí)結(jié)構(gòu)在 980nm 激光的激勵(lì)下，Er3+基態(tài)中的電子吸收一個(gè)光子后躍遷到上能級(jí)，因?yàn)樯夏芗?jí)的壽命很短，約為 1us，所以激發(fā)電子迅速?gòu)谋闷帜芗?jí)躍遷到亞穩(wěn)能級(jí)，以聲子或熱振動(dòng)的形式釋放一部分能量，亞穩(wěn)能級(jí)具有較長(zhǎng)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(jí)上，然后在信號(hào)光子的誘導(dǎo)下躍遷到基態(tài)能級(jí)，釋放一個(gè)與之完全相同的光子。摻鉺光纖的制備是制作 EDFA 的關(guān)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(shí)現(xiàn)需要用到改進(jìn)的化學(xué)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求，需要進(jìn)一步擴(kuò)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(jié)合，可以使其工作范圍擴(kuò)展到 75nm（1531-1616nm）。之后通過(guò)采用雙向、反向、多級(jí)泵浦、改變摻雜元素、共摻雜等方法來(lái)增強(qiáng) EDFA的帶寬和平坦增益，發(fā)現(xiàn)很難進(jìn)一步對(duì)其工作區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展，需要研究新型寬帶寬的光纖放大器。此時(shí)，量子點(diǎn)引起了人們的注意，量子點(diǎn)是納米尺度的半導(dǎo)體，由于尺寸減小引起的量子約束效應(yīng)，使得量子點(diǎn)的能級(jí)產(chǎn)生分立，且量子點(diǎn)的帶隙是由其尺寸決定的，量子點(diǎn)的吸收峰和熒光峰波長(zhǎng)可以通過(guò)其粒徑進(jìn)行調(diào)節(jié)。在量子點(diǎn)樣品中，其粒徑呈現(xiàn)一定的分布，導(dǎo)致其輻射譜展寬，因此將量子點(diǎn)用作光放大可以得到寬帶很寬的光放大器。1.2 量子點(diǎn)材料

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本文編號(hào)：2800030