【摘要】：以二氧化硅為主要材料的石英光纖作為光頻波段迄今為止最為優(yōu)良的波導(dǎo)纖維,是光纖通信與傳感應(yīng)用的核心傳輸介質(zhì)。進(jìn)一步提升光纖的信息處理能力,實(shí)現(xiàn)全光纖的可控功能器件是重要的發(fā)展方向。傳統(tǒng)基于非線性光學(xué)效應(yīng)的光纖信息處理器件,面臨著瞬時光強(qiáng)高、功耗大、能量效率低的缺點(diǎn)。我們注意到,在光纖內(nèi)集成功能材料是開發(fā)新型光纖光學(xué)器件的一個重要方法。而尋找易于和光纖復(fù)合集成的新型功能材料成為關(guān)鍵。膠體量子點(diǎn)是一種零維納米材料,將膠體量子點(diǎn)作為功能材料,開發(fā)新型功能化光纖,具有諸多優(yōu)勢。首先,量子點(diǎn)的膠體溶液可以通過溶液法在復(fù)雜光纖微結(jié)構(gòu)內(nèi),沿著光纖形狀沉積固體量子點(diǎn)薄膜,制備穩(wěn)定可靠的功能化器件。其次,量子點(diǎn)內(nèi)的電子被限制在一個非常小的納米顆粒內(nèi),其通常只有數(shù)百至數(shù)千個原子大小。其內(nèi)部電荷可以被偏置在非常高的濃度,更容易得到可觀測外界環(huán)境造成的折射率變化。最后,量子點(diǎn)是一種高度可調(diào)的功能材料,其材料組成,尺寸大小以及帶隙寬度都可以通過合成方法進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)的需求。因此,開發(fā)與量子點(diǎn)材料集成的光纖功能器件具有重要的研究與實(shí)用價值。本論文以量子點(diǎn)作為功能材料,在光纖微結(jié)構(gòu)上進(jìn)行集成,制備功能化光纖器件,并實(shí)現(xiàn)了光纖氣體傳感與可控全光纖通信信息處理等應(yīng)用。主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新成果如下。(1)針對現(xiàn)有光纖氣體傳感器面臨著探測下限高、靈敏度差、沒有選擇性以及波長不能工作在通信光纖的低損耗窗口等問題,制備了一種光纖氣體探測器。設(shè)計了一種球形端面光纖干涉結(jié)構(gòu)。合成了硫化鉛(PbS)與氧化錫(SnO_2)量子點(diǎn),開發(fā)了適用于該光學(xué)結(jié)構(gòu)的通光涂覆表面成膜工藝,經(jīng)過表征,發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)在光纖球形端面分布均勻,膜厚一致。經(jīng)過表面配體處理,制備了使用量子點(diǎn)敏化的氣體傳感器。對這種傳感器進(jìn)行氣體測試,發(fā)現(xiàn)氣體濃度可以改變干涉結(jié)構(gòu)干涉譜的消光比。對于PbS量子點(diǎn)敏化的光纖器件,發(fā)現(xiàn)其能對NO_2氣體濃度進(jìn)行響應(yīng),隨氣體濃度增加,消光比增加,對于SnO_2敏化的光纖氣體傳感器,發(fā)現(xiàn)其能夠?qū)_2S氣體做出響應(yīng),伴隨H_2S氣體濃度增加,光譜消光比減小,與PbS量子點(diǎn)相反。對該氣體傳感器工作過程進(jìn)行了仿真,指出干涉結(jié)構(gòu)消光比的變化是球形斷面量子點(diǎn)折射率變化的結(jié)果。此外,實(shí)驗(yàn)表明,該氣體傳感器的消光比不隨溫度變化,因此實(shí)驗(yàn)中制備的光纖結(jié)構(gòu)是溫度無關(guān)的。經(jīng)過分析,我們認(rèn)為器件對氣體的響應(yīng)是由探測氣體與空氣中氧氣競爭性吸附造成。最后,測試了不同的表面配體對器件的靈敏度影響。(2)制備了一種極低探測下限,高靈敏度,具有選擇性的氣體傳感器。使用表面開孔的微結(jié)構(gòu)光纖,制備了干涉結(jié)構(gòu),在該干涉結(jié)構(gòu)上沉積PbS與SnO_2量子點(diǎn),制備氣體傳感器。測試了氣體傳感器的氣體響應(yīng),其中PbS量子點(diǎn)敏化的光纖氣體傳感器光譜加入氣體后,發(fā)生藍(lán)移,對NO_2氣體的探測靈敏度為35 pm/ppm,探測下限為1 ppb。SnO_2量子點(diǎn)敏化的光纖氣體傳感器加入氣體后,發(fā)生紅移,對H_2S的探測靈敏度為131 pm/ppm,探測下限為3 ppb。對該器件的工作原理進(jìn)行仿真計算,得到涂覆量子點(diǎn)薄膜后光纖內(nèi)光場的分布。測試了該量子點(diǎn)薄膜的電阻響應(yīng),使用量子點(diǎn)介電方程計算了不同氣體濃度下量子點(diǎn)的折射率大小。最終計算得到氣體濃度與光譜漂移的關(guān)系,理論與實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證。研究了量子點(diǎn)尺寸,光譜光強(qiáng)對器件靈敏度影響,并設(shè)計了驗(yàn)證性的分布式系統(tǒng)對氣體進(jìn)行分布式測量。(3)研制了一種光纖量子點(diǎn)集成的光控可調(diào)諧濾波器。通過合成不同尺寸的量子點(diǎn),在懸心光纖上進(jìn)行涂覆,制備光控光纖濾波器。我們認(rèn)為,光強(qiáng)作用下,量子點(diǎn)產(chǎn)生光電子,引起量子點(diǎn)極化強(qiáng)度的改變,并最終造成量子點(diǎn)在不同光強(qiáng)作用下的折射率變化。由于量子限域效應(yīng),單個量子點(diǎn)內(nèi)部光電子濃度非常高,從而較低光強(qiáng)激發(fā)可以引起明顯的折射率變化。測試了不同光強(qiáng),不同波長的激發(fā)光對器件的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該光控器件擁有三個特點(diǎn):首先,只有能被量子點(diǎn)吸收的光可以作為控制光;其次,相同波長控制光,光強(qiáng)與光譜漂移呈線性關(guān)系,兩者一一對應(yīng);最后,以連續(xù)光作為控制光,其功率在~mW大小即可引起明顯折射率變化,與半導(dǎo)體體材料相比,小約1000倍。從理論上計算了光照下量子點(diǎn)折射率的變化。將該濾波器應(yīng)用在光通信系統(tǒng)中,利用光強(qiáng)遠(yuǎn)程控制濾波器件光譜,對該通信系統(tǒng)進(jìn)行啁啾管理和色散補(bǔ)償。本論文的工作展示了量子點(diǎn)在全光控制器件上的應(yīng)用前景,其應(yīng)用可以從光纖波導(dǎo)拓展至其他波導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN256
【圖文】：

速光通信網(wǎng)絡(luò)面臨巨大增長壓力。全球互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量（IP traffic）的復(fù)合年增長率(CAGR)在在未來五年仍將保持24%的快速增長，這使得現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸、交換以及處理上面臨巨大增長壓力（圖1-1）。特別是在光通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，信息在光域的加載、調(diào)制、交換、轉(zhuǎn)化、解調(diào)以及分析都嚴(yán)重依賴于光-電轉(zhuǎn)換和電域的信息處理。進(jìn)而，伴隨數(shù)據(jù)流量的高速增長，通信系統(tǒng)不僅有大量，直至難以承受的能源消耗，節(jié)點(diǎn)的光電轉(zhuǎn)換以及信息處理也成為一個制約通信系統(tǒng)進(jìn)一步提升容量的重要技術(shù)瓶頸。光子集成化器件開發(fā)是實(shí)現(xiàn)高速，低功耗，低成本的光子信息處理技術(shù)的關(guān)鍵。與微電子技術(shù)相似，利用平面波導(dǎo)平臺，集合半導(dǎo)體有源器件，是開發(fā)光子集成器件的一個研究熱點(diǎn)。盡管半導(dǎo)體光子信息處理技術(shù)可以利用成熟的半導(dǎo)體制造方法和加工工藝而獲得諸多功能結(jié)構(gòu)，也具有大規(guī)模應(yīng)用的潛在可能，但是半導(dǎo)體材料在光頻圖 1-1 思科公司預(yù)測的全球互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)月均增長（2016-2021）

12圖 2-1 電介質(zhì)材料與電磁波的相互作用介電常數(shù)是反應(yīng)物質(zhì)在外電場作用下極化能力大小的參量，其內(nèi)涵是描述材料個點(diǎn)電荷間庫倫力的影響能力。折射率是反應(yīng)電磁波與電介質(zhì)材料作用能力強(qiáng)弱

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本文編號：2731823