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《北京邮电大学》 2007年
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新型纳米光纤的研究

李莉月  
【摘要】: 超高速、超宽带和超长距离是未来光通信的主要研究方向,目前的线性光纤通信系统,由于受损耗与色散以及沿路光电子中继设备电子响应速度的限制,系统的传输速率和中继距离都很难进一步提高。要实现高速光通信技术,就要求光开关等光学双稳器件具有皮秒量级的快速响应时间,而半导体光开关的响应时间也仅为纳秒量级,都远远不能满足高速光通信的要求,因而带来所谓“瓶颈效应”的问题。 为了合理利用光纤的巨大潜在的带宽容量,除了要求全光逻辑器件响应快之外,还要求器件必须具备以下两个方面的优良性能:一是要求器件所用材料非线性系数大,以利于光学器件的集成;二是要求材料阈值功率低、损耗小,以降低成本。随着光开关、波长变换、光放大、光纤激光器、超短脉冲光源等这些代表了未来光纤通信的新光学器件大量应用于系统之中,其核心的光纤元素需要具备很强的非线性效应。 目前,国内对光纤的高非线性的研究主要集中于对光子晶体光纤的研究,由于其既能够保持激光的高功率密度和相互作用长度,又能够保持脉冲宽度不变,成为理想的非线性光学介质。在设计上通过减小光子晶体光纤的模式面积,可以极大地增强光纤中的非线性效应,同时可以通过调整空气孔结构来改变光纤的零色散点。但是,光子晶体光纤的制备技术中存在设备昂贵、工艺复杂,不适合于大批量生产等问题。在我国,目前具备高水平研制光子晶体光纤能力的单位又为数很少,其关键技术和产品受制于人,无法在技术和产品上与发达国家相抗衡,主要依靠进口来进行科学研究,而进口的光子晶体光纤的价格很昂贵,也阻碍了我们对基于光纤高非线性的应用的研究。 此外,对光纤进行掺杂也是提高其非线性的有效手段之一。目前对光纤的掺杂主要为稀土元素,如铒、镱等;半导体元素,如锗;另外还有磷、硫等。掺杂稀土放大光纤,光纤较长占空间大,易受外界干扰、不能实现光纤的集成化,且每种掺杂光纤的带宽有限,非圆内包层掺杂稀土光纤,制造工艺复杂,不易实现。另外,它的制造尺寸与普通光纤不一致,不易与其它器件连接,连接损耗大,也限制了它在光电子集成中的应用。 由于上述种种原因,对光纤制备与新材料的研究结合起来是解决上述问题的一种很好的途径。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象,也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。随着物质的超微化,纳米材料表面电子结构和晶体结构发生变化,产生了宏观物体所不具有的四大效应:小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应,使得其具有传统材料所不具备的一系列优异的力、磁、电、光学和化学等宏观特性,从而使其作为一种新型材料的研究成为当今世界材料科学、凝聚态物理、化学等领域的一个热门课题。利用纳米材料制成的光学材料具有常规大块材料不具备的光学特性,如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等,这使得其在日常生活和高技术领域得到广泛的应用,在现代通讯和光传输方面占有极其重要的地位。 基于纳米材料的非线性光纤,由于材料的纳米尺寸效应和电子受限效应,增强了掺杂粒子的局域场效应,使纳米材料光纤的非线性效应呈指数倍增强,从而在光调制器、光开关、光散射效应检测等方面有很重要的应用。 纳米技术也是信息产业科技和生物科技能够进一步发展的共同基础,将对人类产生深远的影响,甚至改变人们的思维方式和生活方式。有人曾经预言说,七十年代搞微米技术的国家,现在已成为发达国家;现在从事纳米技术研究的国家,将是二十一世纪的先进国家。纳米技术的发展,使微电子和光电子的结合更加紧密,在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面,使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上,可使其能力提高10倍至几百倍,甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。但是要获取高分辨率图像,就必需先进的数字信息处理技术。科学家们发现,将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件,将为实现光学高速数学运算提供可能。 美国桑迪亚国家实验室的Paul等发现:纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上,而低音廊效应则使光子受到约束,直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率,而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线,实验发现,纳米激光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为,从而影响激光器的工作。研究还发现,纳米激光器工作时只需约100微安的电流。最近科学家们把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上,此结构的光子状态数少于10个,接近了无能量运行所要求的条件,但是光子的数目还没有减少到这样的极限上。最近,麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中,每个原子发射一个有用的光子,其效率之高,令人惊讶。除了能提高效率以外,无能量阈纳米激光器的运行还可以得出速度极快的激光器。由于只需要极少的能量就可以发射激光,这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关,适合用于光纤通信。 在长达20多年的时间里,纳米技术一直被认为将给通信业界带来重大影响,成为业界竞相研究的对象。如今,作为运用纳米技术制造的第一个产品,具有小于波长的细微结构的光通信零部件(SOEs:subwavelength optical elements)终于问世了。推出这一产品的是新兴企业—美国Nano Opto公司。目前该公司已经开始向特定的客户提供此次试制的零部件。该公司虽然创立于2000年,但是在此前的20年中投入了数百万美元的资金,从事于将纳米技术应用于光通信领域的研发工作。此次推出产品的工作原理是:通过采用远远小于光的波长的结构,实现了此前所不具备的光的相互作用。结构细微得仅数百纳米的光零部件可以在极小的空间中实现反射、折射及衍射等光学现象。“如果使用SOEs,可以通过远远小于原有产品的零部件,获得远远大于原有产品的光学效果。同时也能够减少所需零部件的件数。采用SOEs的偏光分光片(Polarization BeamSplitter)可以在比原有零部件的毫米还要小的空间内进行180度的分光。在多数光零部件的应用中,必须分别单独进行偏光处理。如果在此处使用SOEs,光零部件将会进一步缩小。而且,由于波长结构为纳米级别的尺寸,可以适用于大多数光零部件。此次产品的外形尺寸为1.4×1.4×0.5mm~3。波长结构约为100nm。 近几年来,国内对强非线性光学材料的研究,尤其是薄膜技术和纳米技术的结合,使得非线性光学材料的研究获得快速发展。尽管国内对纳米材料作为光信息的功能材料的研究取得了较大的进展,其应用成果也进一步扩大,但就近几年来的研究情况看,在理论应用领域、制备等方面还有许多问题需要进一步的深入研究,特别是纳米技术与光纤技术结合实现光纤强非线性的研究更是凤毛麟角。 因此,将纳米技术应用于光纤的研制中,计算掺杂纳米材料的粒度和浓度与其对应拉制成的光纤的力学性能(硬度、弹性)及光学性能(折射率、光损耗等),在此基础上找到最佳方案,研制出一种强非线性效应的光纤,对于光纤通信的发展具有十分重要的学术意义和应用价值。 纳米材料光纤的研究主要启示于硅纳米晶的研究。由于硅是一种间接带隙的半导体材料,发光效率低,且仅在红外区域发光,但是,当把单晶质的硅材料尺寸减小到纳米量级时,其发光率会远远大于单晶硅,且能在可见光范围内发光。特别是,当铒离子掺杂于硅纳米晶时,铒离子会有相当大的光子吸收截面为它掺杂于常规二氧化硅中光子吸收截面的几万至几十万倍。在相同的光泵浦条件下,其1.5μm波长的发光强度增加约千倍。同时,它还具有宽吸收光谱,泵浦光可从紫外光至可见光。基于硅纳米晶,目前仅能形成非光纤的集成波导结构,它与光纤连接和耦合困难。但纳米技术的应用,极大地提高了该类器件本身的性能,同时也增加了功能,这已是不争的事实,因而,对纳米材料光纤的研究和应用具有重要的启发和借鉴作用。 对新型材料的研究一直主导着通信技术的发展方向。过去,在射频(RF)和高速处理领域,砷化镓是主要的推动力量。而铌酸锂则改善了光调制器和放大器的性能。在光通信行业那场泡沫爆发之前,磷化铟一直推动着集成光电子技术的发展。当所有话题都在围绕着纳米科技的时候,许多光通信业内人士对纳米技术能否给他们带来巨额财富表示怀疑,这也完全在意料之中。在过去的几年里涌现出的许多创业公司,都声称可以将“纳米光子”商业化。而最近,欧盟就特别针对这一领域启动了一个大型研发项目。 虽然纳米工程的出现已有些时日,但其真正的发展得益于一整套新的加工技术,这些技术包括原子力显微镜、纳米光刻和纳米压印光刻等,它们使得制造纳米器件变得更加容易。开发者因此能够研制出体积更小、价格更低、性能更高的器件。而这也正是纳米光子的主要卖点。通过采用纳米工艺,可以将纳米光子制成一系列的偏振器、分路器和波片等。 纳米光子比大多数的光通信(或其它纳米技术)新技术吸引了更多的投资。它不仅被应用到了网络领域,而且还被应用到消费电子行业。但是,在光网络中并非所有的纳米技术应用都能如愿以偿。早期对量子点激光器所寄予的希望,似乎就已烟消云散,因为现在有了更节省成本的方法来生产电信用的无制冷激光器。 虽然如此,量子点激光器在其它领域仍然有巨大的市场前景。量子加密技术就需要用到这种激光器。最近东芝宣布了一项重大研究成果,他们声称可以用量子点光源发送单个光子。目前,许多金融机构、政府和一些国防项目承包商都采用了量子加密技术。这种技术的成本都比较高,未来将会有大幅下降的空间。即使这样,量子保密通信在未来10年里仍然不会有很大的市场。与此密切相关的量子计算技术的市场也同样很小。 美国哈佛大学Tong Liming和中国浙江大学Lou Jingyi等合作发明的无包层纳米尺寸光纤,直径小至50nm。另外,还有锥形纳米尺寸光纤。这些都是光纤的几何尺寸达到纳米量级,并非利用纳米材料实现具有特殊功能的光纤。 在国外,芬兰Liekki公司基于纳米技术制作光纤获得成功,他们开发出一种新的光纤制备技术—直接纳米粒子沉积(DND)法。这种方法属管外气相沉积法,它是利用一个特制的燃烧器喷头,将纳米粒子材料直接喷涂到坯棒上。该方法可用于制备稀土元素掺杂放大光纤,它能克服常规化学汽相沉积法和溶液掺杂法掺杂不均匀、不容易获得高掺杂浓度、铒离子易积聚成块等问题。Butt等发明了将半导体材料制成溶胶—凝胶液体注入空芯光纤内,实现了具有量子点特性的液芯光纤。 在国内,纳米技术主要用于某些光学器件的制备,如对纳米硅/氧化硅体系光子发光机制和器件进行了深入的研究,及对纳米材料吸收光谱也进行了系统的测试研究。然而,基于纳米技术的光纤的研究还甚少,只有在半导体纳米薄膜石英光纤方面已做了一些探索性的研究。不过,从国内外发展和对科学问题探索研究的角度看,在理论、制备技术、应用等方面还有许多重要问题需要进一步深入研究。 本论文提出了一种新型光纤,其特点是在纤芯和包层之间形成一层纳米量级半导体薄膜层,成为了纳米薄膜内包层光纤,因这种光纤有良好的放大性能,所以简称纳米薄膜放大光纤。实验分析的结果是在沉积InP薄膜时,由于条件的限制不能够沉积得完全均匀,且在高温下可能有部分发生分解或与其他物质反应掉,缩棒和拉丝时加热的温度已经大大高于InP的熔点,加上InP的物理特性和光纤中的主要物质二氧化硅相差较大,拉丝时不能同比例缩小,会造成制得的光纤中半导体薄膜的厚度较大,且分布不均匀。制作完成后,我们用Anritsu公司的MS9701B光谱分析仪以截断法测量了纳米薄膜内包层光纤,光纤的损耗光谱特性。取1m长的纳米薄膜内包层光纤,注入532nm的泵光,先测量其损耗光谱图,然后截断,使它只剩1cm左右,再通入532nm的泵光,测量损耗光谱图。在906nm至1044nm和1080nm至1491nm及1524nm至1596nm具有放大效果。因此,我们可以得出这样的结论:我们制作的半导体纳米薄膜内包层光纤确实具有光放大功能。并且,只要选择合适带宽的半导体材料,就可以做出所需的放大光纤。论文也分析了量子尺寸效应在纳米薄膜放大光纤的应用。量子尺寸效应的一个作用就是在一定范围内改变半导体的禁带宽度,也就是说,可以通过改变纳米薄膜的厚度,改变InP纳米薄膜内包层放大光纤的工作波长,这对于其它直接带隙的半导体同样适用。但是量子尺寸效应的影响不仅是改变禁带宽度,半导体微粒的量子尺寸效应对半导体的电荷分离能力还具有重要的影响,减小颗粒尺寸是提高半导体电荷分离能力的有效途径。在纳米级厚度的InP内包层中,电子和空穴被限制在几何尺寸不大的位能阱中,使分裂的电子态量子化。因此使得InP中自由电子在单位面积上的浓度大于非纳米级尺寸的自由电子浓度。当信号光子经过粒子数反转的InP时,产生受激辐射光子的概率将增大,这对于提高放大性能是很有好处的。量子尺寸效应的另外一个作用是改善半导体光放大的噪声特性,由于直接带隙的半导体的能级成带状,自由电子能在不同能级上移动,半导体中跃迁发生在占据一定能量范围的大量的导带电子和价带空穴之间,因此噪声特性比较差,若在纳米级的厚度上,量子尺寸效应将限制自由电子的移用范围,从而改善InP纳米薄膜内包层放大光纤的放大性能。纳米光纤芯棒制造技术采用化学气相沉积(MCVD)方法,依靠纯SiCL_4气体分子的表面热分解作用,在SiO_2表面上自组织生长了Si纳米量子点。按所设计的光纤折射分布要求进行多孔玻璃预制棒芯棒的沉积(预制棒生长方向是径向由里向外),再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理,除去残留水份,以求制得一根透明无水份的纳米光纤预制棒芯棒。通常,将气相沉积法工艺和外包层技术结合制成的大预制棒直径缩小,且保持芯包比和折射率分布恒定的操作称为光纤拉丝。拉丝过程中要对裸光纤施加预涂覆层保护,以求制得一根纳米光纤。此外,也对另外一种新异结构的纤芯掺杂纳米材料InP的光纤做出仿真模拟。 论文第一章讲述光纤的发展历史。介绍了经典光纤,光子晶体光纤。讨论了经典光纤的特征。这些特征提供设计光纤时需要考虑的参数。简要地论述了光纤的制作技术和其在电信领域中的应用。 论文的第二章对提出的新异纳米感应点做出详细的讨论。其中包括提出的架构。这个新异纳米感应点是由纳米管传感器,量子到经典和经典到量子转换器,量子处理器,量子内存,网络界面组成。对量子到经典和经典到量子转换器做了数学分析,并提出了采用混合模式,那就是对偶纠缠态和最大纠缠态在量子渠道上传输信息以提高信息传输速率。 论文的第三章介绍了光纤的非线性效应,也对色散进行了讨论。光纤色散是指光纤传输的信号波形发生畸变的一种物理现象,表现为使光脉冲宽度展宽。对碳纳米管和InP做了详细的介绍。对新异结构的高非线性碳纳米管光纤做了理论分析,实验部分还有待完善。 论文第四章对我们提出的两种纳米光纤作了较详细的论述,介绍了量子井光纤的结构和制造工艺,对其损耗和放大特性进行了理论分析,给出了相应的实验结果,并讨论了量子点光纤结构与制造工艺,对其非线性性质进行了理论分析。论文第五章对我们的工作进行小结和展望。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN253

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