頂泵浦波導放大器的製作方法
2023-10-31 11:44:02 1
專利名稱：頂泵浦波導放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種二氧化矽或二氧化矽基波導放大器，其中共摻矽納米糰蔟(nanocluster)和稀土原子，更具體地，涉及一種由於使用頂泵浦(toppumping)方法和裝置以聚焦泵浦光而效率提高的波導放大器。
背景技術：
最近，摻雜稀土的二氧化矽或二氧化矽基材料被廣泛地用於製造波導放大器。但是，由於光源直接泵浦稀土原子，並且由於稀土原子具有窄的吸收帶和4×10-21cm2數量級的小吸收截面，所以為了泵浦這樣的波導放大器，必須使用端射(end fire)技術，以使用高價的雷射作為光源，通過光纖將光耦合到波導中。
當在這樣的波導中用稀土原子摻雜矽納米糰蔟時，在納米糰蔟中形成的電子—空穴組合能引起稀土原子的激發。有效的激發截面近似為1×10-15cm2。考慮到矽納米糰蔟的濃度一般是1×1018cm3，則上述數值對應的吸收深度為10μm或小於10μm。在這一方面，如果由上述兩種材料製成的波導放大器使用頂泵浦方法，其中光源位于波導的上方，則雖然沒做過這種嘗試，但這可以提高效率。特別是，因為對光源沒有特別的限制，只要光源能在矽納米糰蔟中產生載流子，從而可以使用低價寬帶的光源，如LED，而不必使用高價的雷射。但是，與將由光源發出的幾乎所有的光通過光纖耦合到波導中的端射(end fire)技術相反，光源位于波導上方的頂泵浦方法不能使由光源發出的所有光進入波導。結果，實際的泵浦功率相對於光源明顯下降，從而降低了激發效率。
發明內容
因此，考慮到上述問題提出本發明，本發明的目的是提供一種使用頂泵浦方法的波導放大器，其能夠有效地將由光源發出的光聚焦在波導上。
根據本發明，上述目的和其它目的可以通過提供一種波導放大器來實現，所述波導放大器包括(a)基體；(b)光波導，所述光波導包括在基體上形成的下覆層；在下覆層上形成的中心層，所述中心層由共摻矽納米糰蔟和稀土原子的二氧化矽或二氧化矽基材料製成，並具有比下覆層高的折射率；以及形成在中心層上的上覆層；以及(c)泵浦波導的光源，所述光源位于波導的上方，其特徵在于波導放大器的工作方式是通過矽納米糰蔟中形成的電子—空穴組合而使稀土元素激發。
優選地，光源是可見光源，更具體地，是LED或閃光燈。
優選地，多個光波導排列在光源的聚束光中。
優選地，波導放大器還包括用於將由光源發出的泵浦光聚焦到波導上的裝置。
根據本發明的第一實施例，由光源發出的泵浦光折射地聚焦在波導上，所述波導在其上覆層上形成有凸透鏡形式的凸起。
根據本發明的第二實施例，由光源發出的泵浦光反射地聚焦在波導上，所述波導具有鏡面。
根據本發明的第三實施例，使用形成在基體上的鏡面將由光源發出的泵浦光反射地聚焦在波導上。
結合附圖，從下面的詳細描述中，將更加清楚地理解本發明的上述和其它目的、特徵和其它優點。在附圖中圖1是表示頂泵浦方法的示意圖；圖2是表示在波導放大器中使用頂泵浦方法的所輸出光信號的強度的曲線；圖3是表示在波導中共享泵浦光的頂泵浦方法的示意圖；圖4是根據本發明第一實施例表示使用光聚焦技術的波導放大器的示意性剖視圖；圖5是根據本發明第二實施例表示使用光聚焦技術的波導放大器的示意性剖視圖；以及圖6是根據本發明第三實施例表示使用光聚焦技術的波導放大器的示意性剖視圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細描述本發明的實施例。
圖1是表示頂泵浦方法的示意圖。共摻矽納米糰蔟和稀土原子的二氧化矽或二氧化矽基的波導強烈地吸收可見光，但不吸收紅外光。基於此事實，在波導100的上方裝有寬帶光源(未圖示)，使可見泵浦光傳送到波導。投射到波導100上的泵浦光在納米糰蔟中產生電子—空穴組合，從而將稀土元素激發。利用激發的稀土元素產生的能量通過波導100將輸入光信號放大，接著以輸出光信號的形式輸出。
圖2是表示在波導放大器中使用頂泵浦方法的所輸出光信號的強度的曲線。圖中曲線表示在光信號輸入到波導並且利用泵浦光泵浦波導之後，輸出光信號的光譜。參看圖2，可以看出，輸入光信號在超過0.5W/cm2的泵浦功率下放大。圖2的實施例不使用將泵浦光聚焦在波導上的裝置。使用聚焦裝置能進一步提高波導放大器的放大效率。
同時，在這種使用寬帶光源的頂泵浦方法的條件下，由於來自於光源的光被散射，所以不是來自於光源的所有光都用於泵浦波導放大器。於是，為了解決這個問題，需要增大波導的尺寸，或者也可以將來自於光源的光聚焦到波導上。
但是，因為存在光纖到波導的耦合問題以及類似的問題，所以波導的尺寸不能超過10μm。並且，為了將來自光源的光聚焦，不可能無限制地減小聚束光尺寸。傳統上，寬帶光源的聚束光尺寸約為1mm。在這一方面，可以在聚束光中排列幾十個波導。結果，可以相應地增大泵浦效率。圖3是表示在波導中共享泵浦光的頂泵浦方法的示意圖。參看圖3，在基體300上彼此平行地形成有多個波導100。這些波導100共享來自寬帶光源310的聚束光，寬帶光源310位于波導的上方。
同時，本發明的波導放大器還包括在頂泵浦方法中將來自於光源的光聚焦在波導上的裝置。這種聚焦裝置將在下面的實施例中描述。相同的結構元素用相同的參考數字表示，因此省略對其的重複性詳細描述。
第一實施例可以理解的是，為了提高泵浦效率，在使用諸如透鏡的光學裝置聚集來自光源的光之後，可以使用如此聚集的光泵浦波導。但是，由于波導的尺寸非常小並且貴，因此這種分立的光學裝置的使用受到限制。於是，為了以低的價格聚集光，在中心層102的上覆層400上形成有凸起410以作為凸透鏡，如圖4所示。凸起410按直線排列的形式形成，與中心層102相似。它們可以通過刻蝕上覆層400而形成，或者通過在氣相沉積上覆層400之後使用諸如PMMA的聚合物而形成。
在刻蝕上覆層400以形成凸起400的情況下，可以使用「擴散限制刻蝕工藝」。儘管這種工藝在製造半導體器件時很少使用，但常常被選擇性地用於刻蝕需要特殊形狀的結構。刻蝕的原理是根據刻蝕劑的擴散。在提供充足刻蝕劑的區域，由於快速的擴散，刻蝕速率增大；但在刻蝕劑提供不充足的區域，由於擴散緩慢，刻蝕速率減小。在這一方面，可以使用具有開口線圖案的刻蝕掩模。刻蝕速率在開口線之間的中心部分慢，在開口線上快。於是，形成直線的凸起410。
在圖4中，參考數字430表示基體，參考數字420表示二氧化矽下覆層。
第二實施例圖5是根據本發明第二實施例表示使用光聚焦技術的波導放大器的示意性剖視圖。根據本發明的第二實施例，利用凹面鏡M1的反射，泵浦光聚焦在中心層102上，其中凹面鏡M1是通過深刻蝕並且塗覆下覆層422而形成。在這種情況下，需要調節中心層102的位置以及凹面鏡M1的曲率，以使中心層102位於凹面鏡M1的焦點上。在圖5中，參考數字412表示上覆層。
第三實施例在第二實施例中，使用深刻蝕工藝形成鏡面。在執行這種工藝有些困難的情況下，優選地使用沒有深刻蝕結構的鏡子。圖6是根據本發明第三實施例表示使用光聚焦技術的波導放大器的示意性剖視圖。參看圖6，首先，在透明的基體432中形成有直線形式的槽。接著，將該槽進行鏡面塗覆，從而形成鏡子M2。與第二實施例相似，中心層102位於每個鏡子M2的焦點上。
工業適用性從上面的描述可以清楚地看出，本發明提供了一種通過使用寬帶光源而增大每個波導的泵浦光效率的低成本和高效率的波導放大器。因此能夠集成光學裝置並且降低光學裝置的單位成本。於是，在光學裝置的領域中獲得了明顯的發展。
雖然為了說明的目的披露了本發明的優選實施例，但本領域的一般技術人員應該意識到，在不偏離權利要求限定的本發明的範圍和精神的條件下，可以做出不同的修改、增添和替代。
權利要求
1.一種波導放大器，包括(a)基體；(b)光波導，所述光波導包括在基體上形成的下覆層；在下覆層上形成的中心層，所述中心層由共摻矽納米糰蔟和稀土原子的二氧化矽或二氧化矽基材料製成，並具有比下覆層高的折射率；以及形成在中心層上的上覆層；以及(c)泵浦波導的光源，所述光源位于波導的上方，其特徵在于波導放大器的工作方式是通過矽納米糰蔟中形成的電子—空穴組合而使稀土元素激發。
2.如權利要求1所述的波導放大器，其中光源是可見光源。
3.如權利要求2所述的波導放大器，其中光源是LED或閃光燈。
4.如權利要求1所述的波導放大器，其中多個光波導排列在光源的聚束光中。
5.如權利要求1到4中的任一項所述的波導放大器，還包括用於將光源的泵浦光聚焦到波導上的裝置。
6.如權利要求5所述的波導放大器，其中由光源發出的泵浦光折射地聚焦在波導上，所述波導在其上覆層上形成有凸透鏡形式的凸起。
7.如權利要求5所述的波導放大器，其中由光源發出的泵浦光反射地聚焦在波導上，所述波導具有鏡面。
8.如權利要求5所述的波導放大器，其中使用形成在基體上的鏡面，將由光源發出的泵浦光反射地聚焦在波導上。
全文摘要
本發明涉及一種波導放大器，其包括共摻矽納米糰蔟和稀土元素的二氧化矽或二氧化矽相關的材料，更具體地，涉及一種較高效率的波導放大器，其通過頂泵浦方法和泵浦光的聚焦裝置而提高的。本發明的波導放大器包括(a)基體；(b)光波導，所述光波導包括形成在基體上的下覆層；形成在下覆層上的中心層，所述中心層由共摻矽納米糰蔟和稀土元素的二氧化矽或二氧化矽相關的材料製成，並具有比下覆層高的折射率；以及形成在中心層上的上覆層；以及(c)光源，所述光源離開波導，用於光泵浦波導，其特徵在于波導放大器是通過利用矽納米糰蔟中的電子—空穴組合激發稀土元素而工作的。
文檔編號G02B6/02GK1625705SQ03802966
公開日2005年6月8日 申請日期2003年1月29日 優先權日2002年1月29日
發明者慎重勳, 韓學承, 樸南奎 申請人:光神有限會社