石墨烯量子点光纤放大器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种可在光子学实验和光纤通信领域中应用的石墨烯量子点光纤放大器。本发明包括空芯光子晶体光纤和滤光片，所述空芯光子晶体光纤内部空芯区域和空气微孔的内壁上均匀沉积一层散布石墨烯量子点的薄膜，其末端放置一给定波长的滤光片；工作原理：根据泵浦光在空芯光子晶体光纤中传输时，被涂覆在光纤微孔内壁上的石墨烯量子点吸收，从而使石墨烯量子点跃迁至较高能带，经过信号光的诱导后向下能带跃迁，受激辐射产生全同光子，再通过给定波长的滤光片滤除杂光，从而实现了对信号光强度的放大功能。由于本发明采用石墨烯量子点作为增益物质，基于石墨烯量子点的优点，可以对信号光进行高效地放大。此外，本发明采用空芯光子晶体光纤作为系统主体，可以直接嵌入光纤系统，降低了光传输损耗，提高了光转换效率。
【专利说明】
石墨烯量子点光纤放大器
技术领域
[0001]本发明涉及一种可在光电子学和光纤通信领域中应用的新型石墨烯量子点光纤放大器，可在光纤中通过栗浦光激发石墨烯量子点和信号光诱导受激发射产生特定荧光，从而实现对信号光强度的放大功能，具有转换效率高，栗浦光波长可调范围广等优势，属于光电子器件技术领域。
【背景技术】
[0002]半导体量子点是介于分子与晶体之间的一种过渡态半导体纳米材料，其粒径接近或小于激子的波尔半径，从而将激子束缚在三维空间方向上，表现出量子限域效应。作为一种零维纳米颗粒，量子点能够在激发光的激发下产生荧光，具有独特的光学性质和电学性质，如荧光强度高，耐光漂白，激发波长范围宽等。石墨烯是一种由碳原子组成的蜂巢状晶格薄膜二维纳米材料，其厚度只有一个碳原子直径的大小。当石墨稀的横向尺寸缩小至100纳米以下时，产生独特的量子限域效应，因此，被称为石墨烯量子点。石墨烯量子点内部电子在各个方向上的运动都受到局限，具有独特的性质，在材料科学、半导体器件、生物医学研究领域具有重要的应用价值。粒径在10?40nm的石墨烯量子点具有良好的荧光特性，依赖于粒径的不同，能够吸收较宽范围的激发光(270?450nm)，发射400?500nm之间的荧光，因此在光波长转换和放大方面具有应用潜力。在光纤传感和光纤通信领域中常用的放大器通常是一种专门设计的装置，需要光耦合进入放大器中，进行放大后的出射光再次耦合进入后续器件中，无疑增大了损耗，降低了转换效率。然而，近些年来发展出的空芯光子晶体光纤，由于其独特的周期性排列的微管和空腔结构，可作为量子点附着的载体，与其传输的光进行相互作用，从而使光直接在光纤中放大，获得较高的转换效率，在光纤传感和光纤通信领域发挥重要作用。
[0003]本发明成果就是在上述背景下经过研究探索，不断试验、调试和优化中研制出的一种新型石墨烯量子点光纤放大器。本发明采用内部分散附着有石墨烯量子点的空芯光子晶体光纤，以栗浦光作为激发石墨烯量子点的能量源，在信号光的诱导调制下受激辐射，产生荧光，从而实现对信号光的放大功能。由于光纤之间的连接损耗较小，因此可获得较高的转换效率。同时又由于石墨烯量子点较宽的吸收谱，因此具有较为广泛的适用性。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，满足日益增长的光子学器件实验和研发的需求，提供一种结构简单，转换效率高，适用性强的石墨烯量子点光纤放大器。
[0005]为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案:
一种新型石墨烯量子点光纤放大器，包括空芯光子晶体光纤、石墨烯量子点和滤光片。
[0006]本发明装置的结构为:所述空芯光子晶体光纤内部空芯区域和空气微孔的内壁上均匀沉积一层散布石墨烯量子点的薄膜，其末端放置一特定波长的滤光片。
[0007]本发明装置的工作原理为:栗浦光和信号光在空芯光子晶体光纤中传输时，被涂覆在光纤微孔内壁上的石墨烯量子点所吸收，从而使石墨烯量子点跃迀至较高能带，经过信号光的诱导调制，而后，其向下能带跃迀，受激发射全同光子，产生荧光，再通过特定波长的滤光片滤除杂光，从而实现了对信号光的放大功能。
[0008]其中所述空芯光子晶体光纤的结构由沿径向呈周期性排列的空气微管围绕在空气纤芯周围构成，这些波长量级的空气微孔将光约束在纤芯区域传输。其空气微管和空气纤芯的内壁上沉积或涂覆上一层散布石墨烯量子点的薄膜作为增益介质，对入射光强度进行放大。
[0009]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明装置采用石墨烯量子点作为工作介质，相比于传统的半导体量子点，具有较宽的吸收谱，对栗浦光源选择性要求较低，大大提高了该装置的适用性。另外，石墨烯量子点的光致发光光谱对其粒径大小较为敏感，因此，可以通过分散附着不同粒径大小的石墨烯量子点，放大不同波长的信号光，以满足不同的需求。
[0010]2.本发明装置采用空芯光子晶体光纤将光约束在空芯区域传输，相比于普通光纤在实心纤芯中传输光波，能够很大程度上减少光纤材料自身产生的荧光干扰、色散和散射的影响。此外，空芯光子晶体光纤包含大量的微管结构，便于石墨烯量子点的附着，使其制作简单，成本低廉。
[0011]3.本发明装置以光纤本身作为放大器的主体，可以直接嵌入光子学器件系统或光纤通信网络系统之中，与传统的波长转换器需要空间耦合光路相比，损耗较小且效率较高。
【附图说明】
[0012]图1是石墨烯量子点光纤放大器结构示意图。
[0013]图2是空芯光子晶体光纤横截面示意图。
【具体实施方式】
[0014]本发明的优选实施例详述如下实施例一:
在本实施例中，参见图1，本石墨烯量子点光纤放大器，包括空芯光子晶体光纤(I)和滤光片(3)，其特征在于:所述空芯光子晶体光纤(I)内部空芯区域和空气微孔的内壁上均匀沉积一层散布石墨烯量子点(2)的薄膜，其末端放置一给定波长的滤光片(3)。
[0015]该系统工作时，首先将对相应于石墨烯量子点(2)吸收谱波长的栗浦光与携带信息的信号光同时耦合进入系统的入口，即空芯光子晶体光纤(I)的端面。受到空芯光子晶体光纤(I)中的周期性微管结构的约束作用的影响，栗浦光和信号光在纤芯区域内传输，同时与空芯光子晶体光纤(I)内部微管内附着的石墨烯量子点(2)接触。根据量子力学理论中的量子限域效应，尺寸微小的石墨烯量子点(2)具有较为可观的能隙，受到外界光场的激发后，跃迀至高能带。同时在信号光的诱导下，处于高能带的石墨烯量子点(2)向下跃迀至低能带，并发射光子，即为产生的荧光。这些光子携带了与信号光相同的受调制的信息，再经过滤光片(3)滤除杂光，因此就获得了放大的携带信息的光从系统中输出。
[0016]本实施例能够对输入的信号光进行放大，可达到设计的目的。
[0017]实施例二:
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，可以将本系统直接嵌入光子学实验或通信用的光纤中，实现放大的功能。具体而言，将本装置的空芯光子晶体光纤(I)与光子学实验或通信用光纤直接连接，光路中的光直接传输进入空芯光子晶体光纤(I)，与其中的石墨烯量子点(2)发生作用，实现功率放大后直接输入后续的光纤系统中。由于光纤连接损耗比空间光路耦合损耗小，因此，可以提高光子学实验或通信光纤系统中的光放大的效率，并且可以体现系统的整体性和统一性。
[0018]上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种石墨烯量子点光纤放大器，包括空芯光子晶体光纤(I)和滤光片(3)，其特征在于:所述空芯光子晶体光纤(I)内部空芯区域和空气微孔的内壁上均匀沉积一层散布石墨烯量子点(2)的薄膜，其末端放置一给定波长的滤光片(3);工作原理:根据栗浦光在空芯光子晶体光纤(I)中传输时，被涂覆在光纤微孔内壁上的石墨烯量子点(2)吸收，从而使石墨烯量子点(2)跃迀至较高能带，经过信号光的诱导后向下能带跃迀，受激辐射产生全同光子，再通过给定波长的滤光片(3)滤除杂光，从而实现了对信号光强度的放大功能。2.根据权利要求1所述石墨烯量子点光纤放大器，其特征在于:所述空芯光子晶体光纤(I)的结构由沿径向呈周期性排列的空气微管围绕在空气纤芯周围构成，这些波长量级的空气微孔将光约束在纤芯区域传输，其空气微管和空气纤芯的内壁上沉积或涂覆上一层散布石墨烯量子点(2)薄膜作为增益介质，对入射光进行放大。
【文档编号】G02F1/39GK106054492SQ201610535946
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月10日
【发明人】张恒, 陈振宜, 王廷云, 刘书朋, 徐文杰, 杨向飞
【申请人】上海大学