具有分布式隱失耦合泵浦的光放大器的製作方法
2023-04-24 12:50:21
專利名稱：具有分布式隱失耦合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，本發明涉及使用多個泵浦光源對光信號進行放大。
背景持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是示出光放大器的一個實施例的三維視圖的透視圖。
圖4是示出光放大器的一個實施例的另一個示例性示圖。
圖5是示出光放大器的一個實施例的俯視圖的示例性示圖，所述光放大器在主波導的兩側都具有泵浦波導。
圖6是圖示由光泵浦引起的光信號功率增長的示例性曲線圖。
具體實施例方式
本發明公開了一種在主波導中放大光信號的裝置和方法。多個低功率光源沿著主波導的分散部分提供泵浦光束。在一個實施例中，雷射二極體向被隱失耦合到主波導的泵浦波導中提供泵浦光束。泵浦光束在主波導中相繼地對光信號進行放大。
圖3是示出光放大器的一個實施例的三維視圖的示例性示圖。光信號110進入波導120並傳播通過該波導，在一個實施例中波導120是單模波導。例如雷射二極體的多個光源140被耦合以向泵浦波導150中提供泵浦光束。泵浦波導150被安置成鄰近波導120的分散部分。在一個實施例中，泵浦波導150沿著波導120被均勻地間隔開，而其它實施例可以包括泵浦波導150之間的不同間隔。上包層(未示出)圍繞波導120和150。在一個實施例中，雷射二極體120可以通過襯底130中的溝槽被耦合到泵浦波導150。在一個實施例中，雷射二極體120可以被定向為朝向透鏡142，以將泵浦光束導入泵浦波導150中。
波導120和150可以通過各種不同的方法被形成在襯底130中，例如通過各種離子種類的擴散、刻蝕和/或外延生長，這些都是公知的。「嵌入在襯底中」意味著包括這些各種各樣的方式，包括絕緣體上矽(silicon-on-insulator)。在一些情況下，波導實際上可以沉積在襯底的頂部，並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。
例如，在一個實施例中，可以使用玻璃襯底，並採用離子擴散來生成嵌入在玻璃中的波導。在另一個實施例中，可以使用矽襯底。可以沉積二氧化矽用作包層，並且可以使用刻蝕來去除非波導材料。然後，例如二氧化矽的上包層可以被沉積在波導120和150的頂部。
圖4是示出光放大器的一個實施例的另一個示例性示圖。在該實施例中，主波導220可以被形成為從襯底的一側232延伸至相對的另一側234。例如雷射二極體的光源240從襯底230的第三側236向泵浦波導250提供泵浦光束。泵浦波導250在襯底230內部彎曲，以提供到主波導220的隱失耦合。
在一個實施例中，光源240經由光纖(未示出)向泵浦波導250提供泵浦光束。在另一個實施例中，光源240被直接耦合到襯底230。
在一個實施例中，光源240包括垂直腔表面發射雷射器(VCSEL)。在一個實施例中，VCSEL可以被直接接合到器件襯底230的表面上。
在一個實施例中，VCSEL使用相對較低的功率。例如，VCSEL可以發射但不限於低於20mW的功率。在共同傳播和相反傳播體系結構中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。
圖5是示出了光放大器的一個實施例的俯視圖的示例性示圖，所述光放大器在主波導320的兩側都具有泵浦波導350。可以從襯底330的兩側提供光源340。
圖6是圖示由光泵浦410引起的光信號功率400的增長的示例性曲線圖。在一個實施例中，為了提供增益，泵浦光束提供高於特定閾值Pth的功率。圖6圖示了通過對光信號相繼地進行泵浦，即使低功率雷射二極體可能提供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。
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。另外，可以採用未被示出的波導之上的上包層。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，包括器件襯底；嵌入在所述器件襯底中的第一波導；沿著所述第一波導的分散部分被耦合的多個泵浦波導；和被安置以向所述多個泵浦波導中提供多個泵浦光束的多個雷射器。
2.如權利要求1所述的光放大器，其中所述多個泵浦波導以均勻間隔開的間距被耦合到所述第一波導。
3.如權利要求1所述的光放大器，其中所述多個雷射器是垂直腔表面發射雷射器。
4.如權利要求3所述的光放大器，其中所述垂直腔表面反射雷射器被接合到所述器件襯底上。
5.如權利要求1所述的光放大器，其中所述第一波導至少在其周邊被部分地摻雜有鉺離子。
6.如權利要求1所述的光放大器，其中所述多個雷射器中每一個都發射低於約為20mW的功率。
7.一种放大光信號的方法，包括引導光信號通過波導，所述光信號具有第一傳播方向；以及在所述波導的分散部分處施加泵浦光束。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述泵浦光束經由多個泵浦波導被隱失耦合。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述泵浦光束由多個雷射二極體提供。
10.如權利要求8所述的方法，其中所述光信號的波長約為1550nm，泵浦光束的波長約為980nm。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述施加泵浦光束還包括使用每一個都發射低於20mW功率的多個雷射器。
12.一種光放大器，包括襯底；嵌入在所述襯底中的第一波導；耦合到所述第一波導以相繼地對所述第一波導中的光信號進行泵浦的多個泵浦波導。
13.如權利要求12所述的光放大器，其中所述多個泵浦波導沿著所述第一波導的分散部分相繼地對所述光信號進行泵浦。
14.如權利要求13所述的光放大器，其中所述分散部分沿著所述第一波導被均勻間隔開。
15.如權利要求13所述的光放大器，還包括被耦合以向所述多個泵浦波導中提供泵浦光信號的多個雷射二極體。
16.如權利要求15所述的光放大器，其中所述多個雷射二極體中每一個都發射低於20mW的功率。
17.如權利要求15所述的光放大器，還包括耦合在所述多個雷射二極體和所述多個泵浦波導之間的多個透鏡。
全文摘要
一種光放大器包括器件襯底、嵌入在所述器件襯底中的第一波導、沿所述第一波導的分散部分被耦合的多個泵浦波導以及多個雷射器。所述雷射器被安置以向所述泵浦波導中提供泵浦光束。
文檔編號H01S3/063GK1602568SQ02824758
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
發明者安德魯·阿爾杜伊諾, 德米特裡·尼科諾夫, 克里斯多福·肖爾茨, 戴維·芬克 申請人:英特爾公司