具有多波長泵浦的光放大器的製作方法
2023-10-07 03:50:04 2
專利名稱：具有多波長泵浦的光放大器的製作方法
技術領域：
所描述的本發明涉及光信號放大領域。具體而言，本發明涉及使用具有多波長的泵浦光束對光信號進行放大。
背景技術：
通過在波導中摻雜諸如鉺之類的稀土元素的離子，波導可以起到光放大器的作用。當引入泵浦光束時，在波導中傳播的光信號就被放大。例如，被波長大致為980nm或者1480nm的泵浦光束激發到較高能態的鉺離子，在鉺離子下降到較低能態時，將對1530～1600nm左右的較寬波段中的光信號進行放大。這種技術在光纖放大領域中是公知的。
圖1是示出了一種在平面波導20中放大光信號10的現有技術方法的示意圖。波導20嵌入在襯底30中，並摻雜有鉺離子。光信號10被導入波導20並傳播通過波導20。雷射50沿共同傳播方向，即沿與光信號傳播基本相同的方向，向波導20中供應泵浦光束。信號10和泵浦50，例如在隱失(evanescent)定向耦合器中被合併到同一波導20中。在一個示例中，當雷射50供應波長大致為980nm或者1480nm的泵浦光束時，波長大致為1550nm的光信號10被放大。
圖2是示出了另一种放大光信號的現有技術方法的示意圖。在圖2中，泵浦雷射50從波導20的相對一端沿相反的傳播方向，即沿與光信號的方向相反的方向被導入，以對光進行泵浦。類似於圖1，光信號在波導20中被放大，然後離開襯底30。
現代的光網絡使用單模光纖進行長距離傳輸。這避免了信號由於色散而衰減，所述色散即光速對其波長的相依性。為了有效地與單模光纖對接，包括光纖或波導放大器的所有光學元件實際都是單模的。由於光學的普遍原理「亮度(brightness)守恆定理」，僅僅使用線性無源(不增添能量)的光學元件不能增加單模中光的功率。這導致一個事實，即只有來自一個模式的具有一定波長的光的功率能夠被耦合到單模波導中。對於放大器來說，這意味著沿每個傳播方向和每個偏振，只有具有一定波長的一個泵浦雷射器能夠供應泵浦光。
如果泵浦的強度高於一定閾值，光信號在光放大器中就獲得增益，所述閾值取決於光信號的強度和光放大器的材料特性。為了獲得足夠高的增益，泵浦的強度必須比閾值高很多。因此，一般需要高功率的泵浦雷射器。
與下面所描述的本發明相比，以上方法有幾個缺點。首先，在所描述的共同傳播和相反傳播放大器中使用的相對高功率的雷射器比較昂貴。其次，高功率雷射器具有高功耗，高功耗可能在它們的封裝中引起散熱問題。再次，高功率雷射器的可靠性通常不如低功率雷射器好。
圖1是示出一種在平面波導中放大光信號的現有技術方法的示意圖。
圖2是示出另一种放大光信號的現有技術方法的示意圖。
圖3是示出使用多波長泵浦光束的光放大器的一個實施例的示意圖。
圖4是示出使用多波長泵浦光束的光放大器的第二實施例的示意圖。
圖5是示出使用共同傳播和相反傳播多波長泵浦光束的光放大器的第三實施例的示意圖。
圖6是圖示基於光泵浦的光信號功率的增長的示例曲線圖。
圖7是對應於圖4的示例曲線圖，圖示了基於光泵浦的光信號功率沿放大波導的長度的增長。
圖8A和8B是對應於圖5的示例曲線圖，圖示了光信號功率沿放大波導的長度的增長。圖8A示出在放大波導的各端所提供的泵浦功率以及在放大波導中它們的功率下降。圖8B示出光信號功率的增長。
具體實施例方式
本發明公開了一種使用多波長泵浦光束來放大光信號的裝置和方法。多個低功率光源提供泵浦光束。在一個實施例中，雷射二極體向光多路復用器中提供泵浦光束，在所述光多路復用器中所有泵浦光束被合併。光多路復用器耦合到波導，在該波導處光信號將被放大。合併後的光信號和多波長泵浦光束被送往光信號在其中被放大的放大波導。
圖3是示出使用多波長泵浦光束的光放大器的一個實施例的示意圖。在一個實施例中，光放大器108包括具有未摻雜部分112和摻雜部分114的器件襯底105。在一個實施例中，諸如鉺之類的稀土元素被用作摻雜劑。但是，可以使用其它摻雜劑來提供所希望的放大。
光信號118經由嵌入在襯底105中的波導120被輸入。製作嵌入在襯底中的波導有各種方法，例如通過各種離子種類的擴散、刻蝕和外延生長。「嵌入在襯底中」意味著包括這些各種方式，包括絕緣體上矽(silicon-on-insulator)。在一些情況下，波導實際上可以被沉積在襯底的頂部並且用不同於襯底的包層材料覆蓋，但是也意味著被術語「嵌入在襯底中」所覆蓋。
在一個實施例中，陣列波導光柵作為光多路復用器122。在另一個實施例中，階梯光柵作為光多路復用器122。在一個實施例中，波導120和光多路復用器122隱失(evanescent)耦合在一起，它們之間的間隔小到幾個微米。在另一個實施例中，在泵浦光束被復用在一起之後，波導120被耦合到具有被復用的泵浦光束的波導130。
在光信號118被耦合到多波長泵浦光束之後，合併後的光束在放大波導130內共存。在一個實施例中，波導120和光多路復用器122位於器件襯底的未摻雜部分112中，而放大波導130位於器件襯底的摻雜部分114中。
在一個實施例中，多個雷射二極體140提供以基礎波長為中心的多波長泵浦光束。例如，雷射二極體可以提供以980nm為中心、變化較小的泵浦光束。以980nm為中心、變化為2nm的泵浦光束包括980nm、980nm±2nm、980nm±4nm等等。
儘管相對中心波長的變化不必是周期性的或者相同的，但是，如果它們與其它波長交疊得太近，那麼由於無源元件中的亮度守恆，該波長的功率將不能被有效地傳送到放大波導中。例如，如果四個各具有功率P和相同波長的光源被復用在一起進入放大波導中，則傳送到放大波導中的功率量大約為P(因為有損耗)。大約3P的功率將被反射或者散射。另一方面，如果四個光源各具有功率P和稍微不同的波長，則傳送到放大波導中的功率量為4P(因為有損耗)。
在一個實施例中，垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)被用來提供泵浦光束。低功率VCSEL可以被用於放大。例如，VCSEL可以發射但不限於低於20mW的功率。在如圖1和2所示的共同傳播和相反傳播體系結構中所使用的可相比較的高功率雷射器使用更高功率的雷射，例如但不限於100mW。通過使用具有稍微不同的波長的VCSEL，VCSEL的功率疊加在一起，如將參照圖6、7、8A和8B所示出的。
圖4是示出使用多波長泵浦光束的光放大器109的第二實施例的示意圖。在該實施例中，光源142提供沿與光信號118的方向相反的傳播方向的泵浦光束。
光信號118被輸入放大波導130中，放大波導130在器件襯底105的摻雜部分114中。光源142提供泵浦光束，類似於前面參照圖3所描述的光源140。泵浦光束在光多路復用器124中被合併，然後被導入放大波導130中，光信號118在放大波導130中被放大。在一個實施例中，摻雜區域114摻雜有鉺，光信號大致為1550nm，泵浦光束以980nm或者1440nm為中心。
在一個實施例中，輸出波導160被隱失耦合到波導130的一端，被放大的信號被傳送到輸出波導160。
類似於圖3，襯底105包括未摻雜部分116和摻雜部分114。在一個實施例中，波導160和光多路復用器124位於襯底105的未摻雜部分116中。
圖5是示出合併了在圖3和4中分別描述的共同傳播和相反傳播多波長泵浦光束的光放大器110的第三實施例的示意圖。該實施例包括具有未摻雜部分112和116以及摻雜部分114的器件襯底。
光信號118被輸入波導120，波導120被隱失耦合到放大波導130。光源140向也被耦合到放大波導130的光多路復用器122中提供多波長泵浦光束，而光源142向也被耦合到放大波導130的光多路復用器124提供多波長泵浦光束。
光信號118在放大波導130中被放大，然後被耦合到波導160中，並從波導160離開器件襯底105。
在圖3、4和5中，各種波導120、130和160以及多路復用器122和124(例如，陣列波導光柵或者階梯光柵)可以通過各種不同方法形成在襯底105中，例如通過各種離子種類的擴散、刻蝕和/或外延生長，這是公知的。例如，在一個實施例中，可以使用玻璃襯底，並可以採用離子擴散來在玻璃中生成波導。此外，襯底105的摻雜部分可以在擴散之前與襯底105的未摻雜部分熔合，這是公知的。在另一個實施例中，可以使用矽襯底。可以沉積二氧化矽用於包層，並且可以使用刻蝕來去除非波導材料。然後可以在波導120、130和160的頂部沉積例如二氧化矽的上包層。
在一個實施例中，光源140、142經由光纖(未示出)耦合到光多路復用器122、124。在另一個實施例中，光源140、142直接耦合到襯底105。
另外，在一個實施例中，光源140可以提供以第一波長為中心的第一組泵浦光束，光源142可以提供以不同於第一波長的第二波長為中心的第二組泵浦光束。
圖6是對應於圖3的示例曲線圖，圖示了基於光泵浦220的光信號功率210沿著放大波導130的長度的增長。在一個實施例中，為了提供增益，光源140提供高於特定閾值Pth的功率。可以配置光源140的數量和功率，使得在放大波導端部的總泵浦功率高於閾值Pth，以實現貫穿放大波導130的整個長度的放大。通過合併多波長泵浦光束，即使各個低功率雷射二極體可能提供可能並不顯著高於增益閾值Pth的泵浦光束，光信號的功率也被提高。低功率雷射二極體具有一般比更高功率的雷射二極體更為便宜、更為可靠的優點，如前面所提到的。
圖7是對應於圖4的示例曲線圖，圖示了基於光泵浦240的光信號功率230沿放大波導130長度的增長。即使沿相反傳播方向提供泵浦光束，光信號118也被放大。
圖8A和8B是對應於圖5的示例曲線圖，圖示了光信號功率沿放大波導130的長度的增長。圖8A示出在放大波導130各端分別提供的泵浦140、142的功率250、252以及在放大波導中它們的功率的下降。圖8B示出光信號260功率的增長。如從曲線圖中可以看到的，更高的放大率出現在放大波導的端部，在端部泵浦光束的功率最高。
這樣，本發明公開了用於放大光信號的裝置和方法。但是，這裡所描述的具體設置和方法僅僅是示例性的。例如，製作嵌入在襯底中的波導有各種方法，例如通過各種離子種類的擴散、刻蝕和外延生長。本領域的技術人員可以利用各種方法中的任何一種來製作這樣的嵌入波導。在不脫離所要求的本發明範圍的情況下，可以做出形式和細節上的大量修改。因此，本發明僅受所附權利要求的範圍的限制。
權利要求
1.一種光放大器，包括襯底；嵌入在所述襯底中的光多路復用器；耦合到所述光多路復用器的具有多個波長的泵浦光源；和耦合到所述光多路復用器的放大波導。
2.如權利要求1所述的光放大器，其中所述放大波導摻雜有稀土元素。
3.如權利要求1所述的光放大器，其中所述泵浦光源包括多個雷射二極體。
4.如權利要求3所述的光放大器，其中所述多個雷射二極體是功率大約為20mW或者更低的垂直腔表面發射雷射器。
5.如權利要求1所述的光放大器，其中所述光多路復用器是陣列波導光柵。
6.如權利要求1所述的光放大器，其中所述光多路復用器是階梯光柵。
7.如權利要求1所述的光放大器，還包括嵌入在所述襯底內並耦合到所述放大波導的信號波導。
8.一种放大光信號的方法，包括產生具有多個波長的泵浦光束；將所述光信號和所述泵浦光束導入摻雜有稀土元素的平面波導中。
9.如權利要求8所述的方法，還包括將所述泵浦光束復用到單模波導中。
10.如權利要求8所述的方法，還包括隱失耦合所述光信號與所述泵浦光束。
11.如權利要求8所述的方法，其中所述泵浦光束使用陣列波導光柵被復用在一起。
12.如權利要求8所述的方法，其中所述泵浦光束使用階梯光柵被復用在一起。
13.如權利要求8所述的方法，其中所述產生泵浦光束是使用一個或者多個各具有低於20mW的功率的垂直腔表面發射雷射器實現的。
14.如權利要求8所述的方法，其中所述將所述光信號和泵浦光束導入摻雜有稀土元素的平面波導，還包括將所述光信號和泵浦光束導入摻雜有鉺的平面波導中。
15.如權利要求14所述的方法，其中所述光信號的波長大約為1550nm，並且所述泵浦光束以大約為980nm或1480nm的波長為中心。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述泵浦光束在彼此間隔大約為2nm的波長處被產生。
17.如權利要求8所述的方法，其中將所述光信號隱失耦合到所述泵浦光束，包括隱失耦合所述光信號和與所述光信號沿共同傳播方向的泵浦光束。
18.如權利要求8所述的方法，其中將所述光信號隱失耦合到所述泵浦光束，包括隱失耦合所述光信號和與所述光信號沿相反傳播方向的泵浦光束。
19.一種光放大器，包括用於傳導光信號的第一波導，所述第一波導嵌入在器件襯底中；耦合到所述第一波導的光多路復用器；用於向陣列波導光柵中提供具有不同波長的光束的兩個或者更多個雷射二極體；和耦合到所述陣列波導光柵的摻鉺放大波導，用於放大所述光信號。
20.如權利要求19所述的光放大器，其中所述雷射二極體是功率大約為20mW或者更低的垂直腔表面發射雷射器。
21.如權利要求20所述的光放大器，其中所述雷射二極體提供以980nm為中心並且彼此間變化大約2nm的光束。
22.如權利要求20所述的光放大器，其中所述雷射二極體提供以1480nm為中心並且彼此間變化大約2nm的光束。
23.如權利要求19所述的光放大器，其中所述第一波導被隱失耦合到所述陣列波導光柵。
24.如權利要求19所述的光放大器，其中所述器件襯底是磷酸鹽玻璃。
25.如權利要求19所述的光放大器，其中所述器件襯底包括氧化矽和矽。
全文摘要
本發明提供了一種光放大器，其包括襯底、嵌入在所述襯底中的光多路復用器、耦合到所述光多路復用器的具有多個波長的泵浦光源以及耦合到所述多路復用器的放大波導。在一個實施例中，光信號被導入所述襯底中的另一個波導。在另一個實施例中，所述放大波導摻雜有稀土元素。
文檔編號H01S3/06GK1602567SQ02824757
公開日2005年3月30日 申請日期2002年11月22日 優先權日2001年12月13日
發明者德米特裡·尼科諾夫, 克里斯多福·肖爾茨 申請人:英特爾公司