基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器及其制造方法。利用熔锥型光纤作为渐逝波放大的放大光纤，在熔锥区外面先镀上金属纳米颗粒薄膜，再涂覆上PbS量子点半导体纳米材料，从而实现基于金属表面等离子共振增强效应的纳米半导体材料的渐逝波光纤放大效果。首先制作1×1熔锥光纤器件，接着制备金属纳米颗粒和PbS量子点半导体材料，再在光纤锥区表面通过化学生长法镀上金属膜以及涂覆量子点半导体材料，从而制成渐逝波放大光纤，最后制成放大器系统。本发明专利技术PbS量子点光纤放大器，具有光谱宽，体积小，价格低廉，性能稳定，增益高等特点，可广泛应用于长距离、大容量、高速率的通信系统的光信号放大。

PbS quantum dot optical fiber amplifier based on metal surface plasmon resonance enhancement effect and its preparation method

The invention discloses a PbS quantum dot optical fiber amplifier based on metal surface plasmon resonance enhancement effect and a manufacturing method thereof. Using the conical fiber as the magnified fiber magnified by the evanescent wave, the metal nanoparticle film is coated outside the taper area and the PbS quantum dots semiconductor nanomaterials are coated on the taper area, thus the amplification effect of the evanescent wave optical fiber based on the enhancement effect of the metal surface plasmon resonance is realized. First, 1 x 1 fused taper fiber is fabricated, and then the metal nanoparticles and PbS quantum dots semiconductor materials are prepared. Then the metal film and the quantum dot semiconductor materials are deposited on the surface of the optical fiber cone region by chemical growth method, and the evanescent wave amplification fiber is made. Finally, the amplifier system is made. The PbS quantum dot fiber amplifier has the characteristics of wide spectrum, small volume, low price, stable performance and high gain. It can be widely used in the optical signal amplification of communication systems with long distance, large capacity and high speed.

【技术实现步骤摘要】
基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器及其制备方法
本专利技术涉及一种光纤放大器及其制备方法，特别是涉及一种纳米量子点光纤放大器及其制备方法，应用于通信技术和纳米材料制备的

技术介绍
光通信的发展对光纤放大器性能方面提出了新的要求，要求它向宽光谱、高增益、低噪声的方向发展。目前，使用的光纤放大器大多都是掺稀土光纤放大器，如掺铒光纤放大器。近年来，学者们提出多种方法用以增加光纤放大器的增益带宽，比如将掺杂不同稀土元素的放大器串接起来、采用双包层掺杂稀土光纤等。即便如此，掺天然元素的光纤放大器的技术潜力实际上已经穷尽。为了满足现代光通信不断发展的需要，亟待寻找一种新型的光纤放大器，这种放大器应当具有更宽的带宽、更高的增益和更低的噪声。近年来，人工纳米晶体材料发展迅猛，理论研究和试验探索表明量子点可作为良好的光增益和放大介质。半导体量子点，是一种新型的有源材料。鉴于量子点强荧光等光学特性，采用半导体量子点作为有源物质，可以实现较大的增益窗口，并且可以灵活的调整窗口的位置。同时，相对于自然界珍贵的稀土元素，采用半导体量子点制备有源光纤，并用于制备光纤放大器，光纤激光器等，可以节省成本。纳米金属材料具有许多传统材料无法媲美的独特的光学与电学性质，在材料科学、生命科学与纳米光子学领域具有广泛的应用前景。当光场等外电场作用于Au、Cu、Ag等金属时，金属表面或界面上形成感应电荷。当金属颗粒粒径远远小于入射波长，且颗粒固有振荡频率和入射波长相近时，产生表面等离子体共振效应。研究人员发现利用金属纳米颗粒的表面等离子共振对荧光的增强效应可以提高荧光分子的荧光强度，但未见有将其应用于光纤放大器的相关报道。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器及其制备方法，利用表面等离子共振对量子点荧光强度增强的作用，制作新型量子点光纤放大器，具有光信号的放大功能，可解决掺杂稀土光纤必须使用米级的长光纤实现光信号放大的问题，通过厘米级的较短的光纤实现光信号放大；本光纤放大器具有宽带特性，可以通过改变PbS量子点的尺寸来改变放大波段，是普通掺铒光纤带宽的3～5倍；本专利技术基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器是在已有的量子点光纤放大器基础上结合纳米金属颗粒的表面等离子共振效应，极大地增强了量子点荧光效果以达到较高的放大增益；本专利技术采用的PbS量子点是通过高分子修饰后的纳米半导体材料，具备更优秀的器件稳定性；本专利技术根据已有的光纤制备技术，结合纳米制作技术和工艺方法，在光纤的制作技术和工艺流程方面，提出一套实用可行的基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器制造方法。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用如下构思：本专利技术提出一种基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，它是基于纳米材料技术、半导体理论、金属表面等离子共振理论和光纤渐逝波理论，采用熔锥光纤作为光纤渐逝波放大的放大光纤，并在熔锥表面镀上金属纳米颗粒后再涂覆纳米级半导体材料实现的。根据上述专利技术构思，本专利技术采用如下技术方案：一种基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，由宽泵浦光源、信号光源、波分复用器、渐逝波放大光纤与隔离器连接构成，各模块之间由用于通光的单模光纤相连接，渐逝波放大光纤中段具有颈缩式双锥结构的锥区光纤本体，形成1×1熔锥光纤锥区，在1×1熔锥光纤锥区表面上制备金属纳米颗粒薄膜后，再在金属纳米颗粒薄膜之上制备PbS量子点半导体纳米材料薄膜，形成纳米颗粒耦合膜包裹的复合功能层，能在复合功能层和1×1熔锥光纤锥区的界面区域附近产生金属表面等离子共振增强效应，通过不大于100厘米的厘米级的光纤实现光信号放大，渐逝波放大光纤的1×1熔锥光纤锥区两端分别一体连接输入光纤部分和输出光纤部分，宽泵浦光源和信号光源输出的光波长不同，宽泵浦光源和信号光源分别对应与波分复用器的不同输入端口连接，波分复用器的输出端口与渐逝波放大光纤的输入光纤部分的端部连接，渐逝波放大光纤的输出光纤部分的端部与隔离器的输入端连接，隔离器用来隔离泵浦光。作为本专利技术优选的技术方案，PbS量子点半导体纳米材料薄膜的边缘覆盖搭接在1×1熔锥光纤锥区表面上或者渐逝波放大光纤中段的1×1双锥结构两端的光纤本体外表面上。优选上述PbS量子点半导体纳米材料薄膜的边缘接近渐逝波放大光纤中段的1×1双锥结构的颈缩起始点位置。作为本专利技术优选的技术方案，上述渐逝波放大光纤的光纤本体为单模光纤，金属纳米颗粒薄膜通过化学方法覆盖在1×1熔锥光纤锥区表面，PbS量子点半导体纳米材料薄膜通过涂覆法包裹在1×1熔锥光纤锥区之外，形成内外层纳米颗粒膜复合层耦合结构。作为本专利技术优选的技术方案，波分复用器为1550nm/980nm波分复用器，泵浦光源为波长1980nm光源，信号光源为波长1550nm光源。上述PbS量子点半导体纳米材料薄膜优选采用PbS量子点经含羧基或氟链的高分子修饰后的溶胶凝胶材料制成。上述金属纳米颗粒薄膜优选采用金属纳米颗粒溶胶凝胶材料制成。一种本专利技术基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器的制备方法，包括如下步骤：(1)采用熔融拉锥法，结合化学腐蚀法，拉制单锥光纤，制备具有双锥结构的1×1熔锥光纤器件；作为本专利技术优选的技术方案，使用拉锥仪器，将不低于100cm长度的光纤的中间部分去掉涂覆层，用酒精擦拭干净后，将光纤放入熔接机用夹具固定光纤，采用熔融拉锥法制备出了具有双圆锥形状的颈缩式双锥光纤，拉制长度为2-3cm的锥区，并用U形槽封装固定光纤，作为1×1熔锥光纤器件备用；(2)分别制备金纳米颗粒溶胶凝胶和PbS量子点半导体纳米材料，采用化学方法，在步骤(1)中制备的1×1熔锥光纤器件的锥区表面制备金属纳米颗粒薄膜，通过化学和物理的方法在金属纳米颗粒薄膜之上继续沉积PbS量子点半导体纳米材料薄膜，形成纳米颗粒耦合膜包裹的复合功能层，得到能实现金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤；(3)把宽泵浦光源、信号光源、波分复用器、渐逝波放大光纤与隔离器通过单模光纤进行连接，组装成厘米级的基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，实现光信号放大。作为本专利技术优选的技术方案，PbS量子点光纤放大器的制备方法，在步骤(2)中，包括如下步骤：a.制备金纳米颗粒：a1.先将1-2g氯金酸粉末加入去离子水中，配成氯金酸质量浓度为1-2wt.％的氯金酸溶液，并用同样方法配置柠檬酸三钠质量浓度为1-2wt.％的柠檬酸三钠溶液，用移液枪量取1-2ml氯金酸溶液，再加入去离子水稀释至氯金酸质量浓度为0.01-0.02wt.％，并搅拌均匀，将稀释的氯金酸溶液用微波炉加热至沸腾；a2.在步骤a1中沸腾的氯金酸溶液中迅速加入0.5-1.5ml质量浓度为1-2wt.％的在步骤a1中制备的柠檬酸三钠溶液，并继续置于微波炉中加热至沸腾，由此得到金纳米颗粒胶体；b.制备PbS量子点半导体纳米材料：b1.称取0.1-0.2g的S盛入装有10-20mlOLAm(油氨)的圆底烧瓶内，超声10-15分钟，然后通入N2进行鼓泡除氧，并将圆底烧瓶浸没本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，其特征在于：由宽泵浦光源(1)、信号光源(2)、波分复用器(3)、渐逝波放大光纤(4)与隔离器(5)连接构成，各模块之间由用于通光的单模光纤(6)相连接，所述渐逝波放大光纤(4)中段具有颈缩式双锥结构的锥区光纤本体，形成1×1熔锥光纤锥区(41)，在1×1熔锥光纤锥区(41)表面上制备金属纳米颗粒薄膜(42)后，再在金属纳米颗粒薄膜(42)之上制备PbS量子点半导体纳米材料薄膜(43)，形成纳米颗粒耦合膜包裹的复合功能层，能在复合功能层和1×1熔锥光纤锥区(41)的界面区域附近产生金属表面等离子共振增强效应，通过不大于100厘米的厘米级的光纤实现光信号放大，所述渐逝波放大光纤(4)的1×1熔锥光纤锥区(41)两端分别一体连接输入光纤部分(44)和输出光纤部分(45)部分，所述宽泵浦光源(1)和信号光源(2)输出的光波长不同，所述宽泵浦光源(1)和信号光源(2)分别对应与波分复用器(3)的不同输入端口连接，所述波分复用器(3)的输出端口与渐逝波放大光纤(4)的输入光纤部分(44)的端部连接，所述渐逝波放大光纤(4)的输出光纤部分(45)的端部与隔离器(5)的输入端连接，隔离器(5)用来隔离泵浦光。...

【技术特征摘要】
1.一种基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，其特征在于：由宽泵浦光源(1)、信号光源(2)、波分复用器(3)、渐逝波放大光纤(4)与隔离器(5)连接构成，各模块之间由用于通光的单模光纤(6)相连接，所述渐逝波放大光纤(4)中段具有颈缩式双锥结构的锥区光纤本体，形成1×1熔锥光纤锥区(41)，在1×1熔锥光纤锥区(41)表面上制备金属纳米颗粒薄膜(42)后，再在金属纳米颗粒薄膜(42)之上制备PbS量子点半导体纳米材料薄膜(43)，形成纳米颗粒耦合膜包裹的复合功能层，能在复合功能层和1×1熔锥光纤锥区(41)的界面区域附近产生金属表面等离子共振增强效应，通过不大于100厘米的厘米级的光纤实现光信号放大，所述渐逝波放大光纤(4)的1×1熔锥光纤锥区(41)两端分别一体连接输入光纤部分(44)和输出光纤部分(45)部分，所述宽泵浦光源(1)和信号光源(2)输出的光波长不同，所述宽泵浦光源(1)和信号光源(2)分别对应与波分复用器(3)的不同输入端口连接，所述波分复用器(3)的输出端口与渐逝波放大光纤(4)的输入光纤部分(44)的端部连接，所述渐逝波放大光纤(4)的输出光纤部分(45)的端部与隔离器(5)的输入端连接，隔离器(5)用来隔离泵浦光。2.根据权利要求1所述基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，其特征在于：所述PbS量子点半导体纳米材料薄膜(43)的边缘覆盖搭接在1×1熔锥光纤锥区(41)表面上或者所述渐逝波放大光纤(4)中段的1×1双锥结构两端的光纤本体外表面上。3.根据权利要求2所述基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，其特征在于：所述PbS量子点半导体纳米材料薄膜(43)的边缘接近所述渐逝波放大光纤(4)中段的1×1双锥结构的颈缩起始点位置。4.根据权利要求1～3中任意一项所述基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，其特征在于：所述渐逝波放大光纤(4)的光纤本体为单模光纤，所述金属纳米颗粒薄膜(42)通过化学方法覆盖在1×1熔锥光纤锥区(41)表面，所述PbS量子点半导体纳米材料薄膜(43)通过涂覆法包裹在1×1熔锥光纤锥区(41)之外，形成内外层纳米颗粒膜复合层耦合结构。5.根据权利要求1～3中任意一项所述基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，其特征在于：所述波分复用器(3)为1550nm/980nm波分复用器，所述泵浦光源(1)为波长980nm光源，所述信号光源(2)为波长1550nm光源。6.根据权利要求1～3中任意一项所述基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，其特征在于：所述PbS量子点半导体纳米材料薄膜(43)采用PbS量子点经含羧基或氟链的高分子修饰后的溶胶凝胶材料制成。7.根据权利要求1～3中任意一项所述基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，其特征在于：所述金属纳米颗粒薄膜(42)采用金属纳米颗粒溶胶凝胶材料制成。8.一种权利要求1所述基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用熔融拉锥法，结合化学腐蚀法，拉制单锥光纤，制备具有双锥结构的1×1熔锥光纤器件；(2)分别制备金纳米颗粒溶胶凝胶和PbS量子点半导体纳米材料，采用化学方法，在所述步骤(1)中制备的1×1熔锥光纤器件的锥区表面制备金属纳米颗粒薄膜，通过化学和物理的方法在金属纳米颗粒薄膜之上继续沉积PbS量子点半导体纳米材料薄膜，形成纳米颗粒耦合膜包裹的复合功能层，得到能实现金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点半导体纳米材料渐逝波放大光纤；(3)把宽泵浦光源、信号光源、波分复用器、渐逝波放大光纤与隔离器通过单模光纤进行连接，组装成厘米级的基于金属表面等离子共振增强效应的PbS量子点光纤放大器，实现光信号放大。9.根据权利要求8所述PbS量子点光纤放大器的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，使用拉锥仪器，将不低于100cm长度的光纤的中间部分去掉涂覆层，用酒精擦拭干净后，将光纤放入熔接机用夹具固定光纤，采用熔融拉锥法制备出了具有双圆锥形状的颈缩式双锥光纤，拉制长度为2-3cm的锥区，并用U形槽封装固定光纤，作为1×1熔锥光纤器件备用。10.根据权利要求8所述PbS量子点光纤放大器的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，包括如下步骤：a.制备金纳米颗粒：a1.先将1-2g氯金酸粉末加入去离子水中，配成氯金酸质量浓度为1-2wt.％的氯金酸溶液，并用同样方法配置柠檬酸三钠质量浓度为1-2wt.％的柠檬酸三钠溶液，用移液枪量取1-2ml氯金酸溶液，再加入去离子水稀释至氯金酸质量浓度为0.01-0.02wt.％，并搅拌均匀，将稀释的氯金酸溶液用微波炉加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜娜，孙晓岚，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31