一種納米半導(dǎo)體PbS摻雜石英放大光纖及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米半導(dǎo)體PbS摻雜石英放大光纖及其制備方法，屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]摻雜放大光纖作為光纖通信的核心元件，可用于構(gòu)建激光器、光放大器、傳感器、寬帶光源等系統(tǒng)，對(duì)推動(dòng)光通信領(lǐng)域的發(fā)展有著非常重大的意義。摻稀土元素(例如鉺、銩、鐿等)的光纖放大器，由于其具有帶寬寬、增益高等特點(diǎn)，一直是人們研究的熱點(diǎn)，但是，常規(guī)光纖放大器經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展之后，天然元素?fù)诫s的光纖放大器始終受到各種因素的制約而不能滿足高容量光纖通信系統(tǒng)的要求。另一方面，傳統(tǒng)的光纖摻雜技術(shù)主要有基于改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(MCVD)的氣相和液相兩種技術(shù)，但由于它們的摻雜材料大多以亞微米微粒的形式存在，導(dǎo)致均勻性較差，摻鉺光纖在摻雜濃度較高時(shí)，易聚集形成團(tuán)簇，引起濃度猝滅、光致暗化等現(xiàn)象，制約了其光放大性能。隨著光通信技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)有放大光纖的性能已無(wú)法滿足高速通信的需求。
[0003]研究表明，以PbSe，PbS和PbTe為代表的IV-VI族半導(dǎo)體量子點(diǎn)(QDs)材料具有一些獨(dú)特的物理及光學(xué)性質(zhì)，如能帶結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱(chēng)、激發(fā)光譜寬且連續(xù)、Stokes位移較大、熒光強(qiáng)度和光譜穩(wěn)定性較高、熒光壽命長(zhǎng)及熒光量子產(chǎn)率高等，尤其量子點(diǎn)譜線的展寬正好可以滿足光纖通訊放大器的要求。這些特性使得IV-VI族半導(dǎo)體成為制備近紅外光及中紅外電子器件的重要材料之一。
[0004]原子層沉積(ALD)技術(shù)是一種化學(xué)氣相沉積技術(shù)，它是將摻雜源的氣相前驅(qū)體脈沖交替的引入到加熱反應(yīng)器中，然后依次進(jìn)行化學(xué)吸附過(guò)程沉積于基底表面，直至表面飽和時(shí)自動(dòng)終止。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在:可以精確控制沉積循環(huán)周期(原子層尺度)；由于前驅(qū)體是飽和化學(xué)吸附，可保證生成保形、均勻分布;可廣泛適用于各種基質(zhì)材料;對(duì)溫度的要求不尚等。由于其慘雜的尚均勾、尚濃度、多兀性等特性，應(yīng)用到光纖制備過(guò)程中，就可以制備出均一性好、分散性高、摻雜濃度高的摻半導(dǎo)體材料放大光纖。
[0005]因此，從摻雜技術(shù)入手，深入探索新型摻半導(dǎo)體納米材料放大光纖的制備技術(shù)，制備均一性好、分散性高、摻雜濃度高的摻半導(dǎo)體納米材料放大光纖，具有廣泛的研究意義和普遍的應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于根據(jù)原子層沉積技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將半導(dǎo)體納米材料與光纖制備相結(jié)合，提供一種納米半導(dǎo)體PbS摻雜石英放大光纖及其制備方法。該光纖具有增益譜寬、放大效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)位低廉，易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，可用于制作激光器、光放大器、傳感器、寬帶光源等。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種納米半導(dǎo)體PbS摻雜石英放大光纖，包括纖芯和包層，所述纖芯包括外層的二氧化娃疏松層和中部的PbS半導(dǎo)體納米材料;所述纖芯位于包層中間。
[0008]所述二氧化硅疏松層為高純二氧化硅或摻雜高折射率Ge02的二氧化硅材料。
[0009]所述PbS半導(dǎo)體納米材料利用原子層沉積技術(shù)與二氧化硅或二氧化鍺交替沉積。
[0010]所述包層是由比纖芯折射率低的純石英材料構(gòu)成。
[0011]光纖參數(shù)為:纖芯直徑為4-100μπι，包層直徑為125-400μπι，纖芯與包層的折射率差為0.4%-3.5%之間，光纖的吸收峰范圍在800-1200nm，熒光光譜范圍:900-1500 ；增益范圍在1000_1500nmo
[0012]—種納米半導(dǎo)體PbS摻雜石英放大光纖的制備方法，用于制作上述的納米半導(dǎo)體PbS摻雜石英光纖，步驟如下:
1)首先，利用改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法(MCVD)沉積包層及二氧化硅疏松層高溫至半透明玻璃狀態(tài)；
2)然后，利用原子層沉積法(ALD)在高純石英基管內(nèi)循環(huán)沉積PbS半導(dǎo)體納米材料；同時(shí)，將PbS與二氧化硅、二氧化鍺交替沉積技術(shù)相結(jié)合；
3)重復(fù)2)過(guò)程，通過(guò)沉積循環(huán)周期來(lái)控制摻雜離子的摻雜濃度；同時(shí)，再通過(guò)MCVD將沉積包層和纖芯石英基管縮棒處理，形成納米半導(dǎo)體PbS摻雜光纖預(yù)制棒；
5)最后，利用拉絲塔將PbS摻雜光纖預(yù)制棒拉制成半導(dǎo)體PbS摻雜石英光纖。
[0013]所述步驟3)中循環(huán)周期為50-3000個(gè)周期。
[0014]所述步驟2)和步驟3)循環(huán)沉積PbS半導(dǎo)體納米材料所用Pb源的氣相前驅(qū)體為:雙(2，2，6，6_四甲基-3,5-庚二酮酸)鉛，Bis(2,2,6,6-tetramethyl-3，5-heptaned1nato)lead(II)，Pb(TMHD)2;所用S的前驅(qū)體材料為H2S與N2的混合物，H2S濃度為1-15%。
[0015]所述步驟2)和步驟3)循環(huán)沉積PbS半導(dǎo)體納米材料，其Pb源加熱溫度控制在100-300°C，整個(gè)反應(yīng)腔采用輻射加熱，溫度均勻，控制在150-380°C之間，Pb源脈沖時(shí)間為10-300ms，吹掃時(shí)間為0.2-5s ;H2S脈沖時(shí)間為10-300ms，吹掃時(shí)間為0.2_5s。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1)摻雜離子材料的均一性好、分散性高、摻雜濃度高且可控；
2)半導(dǎo)體摻雜光纖的增益譜寬、增益效率高；
3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)位低廉，易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，可用于構(gòu)建激光器、光放大器及傳感器等。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
[0018]圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例纖芯的結(jié)構(gòu)框圖。
[0019]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的原子層沉積技術(shù)沉積半導(dǎo)體納米PbS材料的工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合【附圖說(shuō)明】如下:
實(shí)施例一:
參見(jiàn)圖1和圖2，一種納米半導(dǎo)體PbS摻雜石英放大光纖，包括纖芯1和包層2，所述纖芯1包括外層的二氧化硅疏松層1-1和中部的PbS半導(dǎo)體納米材料1-2;所述纖芯1位于包層2中間。所述二氧化硅疏松層1 -1為高純二氧化硅或摻雜高折射率Ge02的二氧化硅材料。所述PbS半導(dǎo)體納米材料1-2利用原子層沉積技術(shù)與二氧化硅或二氧化鍺交替沉積。所述包層2是由比纖芯1折射率低的純石英材料構(gòu)成。光纖性能參數(shù)為:纖芯1直徑為5μπι，包層2直徑為125μπι，纖芯1與包層2的折射率差為0.5%左右，光纖的吸收峰范圍在800-1100nm，熒光光譜范圍:900-1500;增益范圍在 1000-1500nm。
[0021]實(shí)施例二:
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同之處在于工藝參數(shù)差別，調(diào)節(jié)光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0022]參見(jiàn)圖1和圖2，一種納米半導(dǎo)體PbS摻雜石英放大光纖，包括纖芯1和包層2，所述纖芯1包括外層的二氧化硅疏松層1-1和中部的PbS半導(dǎo)體納米材料1-2;所述纖芯1位于包層2中間。所述二氧化硅疏松層1 -1為高純二氧化硅或摻雜高折射率Ge02的二氧化硅材料。所述PbS半導(dǎo)體納米材料1-2利用原子層沉積技術(shù)與二氧化硅或二氧化鍺交替沉積。所述包層2是由比纖芯1折射率低的純石英材料構(gòu)成。光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)為:纖芯1直徑為10 μπ