專利名稱：S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)、光波導(dǎo)激光器和光波導(dǎo)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)、光波導(dǎo)激光器和光波導(dǎo)放大器，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及光波導(dǎo)技術(shù)。
背景技術(shù)：
磷酸鹽玻璃對于稀土離子(Er3+、Yb3+等)是一種很好的受主材料，具有良好的光物理與光化學(xué)性能，如可達(dá)到很高的摻雜濃度(1026/m3)、不易發(fā)生濃度淬滅現(xiàn)象、熒光壽命長(~8ms)、熱穩(wěn)定性與傳導(dǎo)性好、機(jī)械強(qiáng)度較高，因而由熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力引起的雙折射造成的極化噪聲和輸出功率噪聲很低，以其為基質(zhì)可以制作增益特性優(yōu)良的光波導(dǎo)，可用作光纖通信的激光光源和光放大器。
目前，利用鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃制備光波導(dǎo)的工藝如圖8所示，采用Er3+、Yb3+共摻磷酸鹽玻璃(Er3+∶Yb3+≈1∶8)基片和金屬掩模，利用電場輔助離子交換技術(shù)將Ag+、K+、Na+向玻璃基質(zhì)深處擴(kuò)散，使得金屬掩模溝道孔下面擴(kuò)散入離子的基質(zhì)區(qū)折射率高于掩膜下面未擴(kuò)散入離子的基質(zhì)區(qū)，從而能使光按照全反射原理約束于高折射率基質(zhì)區(qū)內(nèi)傳播，形成光波導(dǎo)。
光波導(dǎo)激光器與放大器都是新型的光通信用激光器件，目前還處于實(shí)驗(yàn)研究階段。但是由于它們具有半導(dǎo)體激光器(現(xiàn)在普遍使用的光通信光源)和常用光纖放大器、半導(dǎo)體放大器不能比擬的許多優(yōu)點(diǎn)，在未來光通信與光集成中取代后者已是必然。半導(dǎo)體激光器有兩個突出的缺陷波長穩(wěn)定性差、與光纖耦合困難，這無疑對光通信向窄線寬、高速、寬帶與集成化方向發(fā)展造成了障礙，而現(xiàn)在受到廣泛關(guān)注的1.54μm Er3+-Yb3+光波導(dǎo)激光器具有低損耗、低噪聲、窄線寬、波長穩(wěn)定、可單模運(yùn)轉(zhuǎn)、易與光纖耦合、體積小易集成、商業(yè)化生產(chǎn)低成本的優(yōu)點(diǎn)，如選擇綜合性能好的受主材料(如磷酸鹽)作為基質(zhì)，則激光總體性能更為優(yōu)越。與光纖放大器相比，光波導(dǎo)放大器由于高的摻雜濃度而具有更高的單位長度增益，且結(jié)構(gòu)緊湊，功能集成，很適合于有限空間內(nèi)的靈活應(yīng)用，能夠非常容易的與許多光器件集成在一起，如隔離器、相位陣列波導(dǎo)、分插復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)、光交叉連接器等，為集成光路引進(jìn)多種性能卓越的元器件。
雖然光波導(dǎo)激光器及放大器小的體積符合光集成的發(fā)展方向，但是它的小的增益介質(zhì)尺寸(cm量級)限制了總的增益進(jìn)一步提高，以前這方面的工作只局限于在增益介質(zhì)上制作直的或Y形分支或彎曲度很小的一些波導(dǎo)來進(jìn)行研究，浪費(fèi)了很大部分的增益介質(zhì)空間，其實(shí)驗(yàn)獲得的mW~10mW級的輸出尚不能滿足高速穩(wěn)定長距離光通信的要求，所以增益介質(zhì)的利用及波導(dǎo)形態(tài)的設(shè)計(jì)商需改進(jìn)，激光器總的輸出功率凾需提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是如何利用鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃介質(zhì)制作出增益更高的光波導(dǎo)，并以此為基礎(chǔ)提高相應(yīng)激光器和放大器的輸出功率。
S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)，如圖1所示，包括鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃基質(zhì)3和掩埋于鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃基質(zhì)3中的至少一條以上的光波導(dǎo)，所述光波導(dǎo)是主要利用電場輔助熱離子交換技術(shù)在鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃基質(zhì)3中形成的折射率高于鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃基質(zhì)3的通道，其特征在于，所述光波導(dǎo)由兩段直波導(dǎo)1及S形波導(dǎo)2組成。
如圖2所示，所述光波導(dǎo)也可做成三個端口雙S形光波導(dǎo)，具有三段直波導(dǎo)1和兩段S形波導(dǎo)2。
其波導(dǎo)孔徑略大于單模光纖芯經(jīng)，約為10μm左右。
S形狀的彎曲波導(dǎo)部分由兩個略小于3/4周長的圓弧相切連接而成，即兩3/4圓弧在連接處產(chǎn)生一定長度的重疊，以使彎波導(dǎo)與直波導(dǎo)相靠近的地方形成一定距離(＞10μm)，從而避免各自所傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生耦合，彎波導(dǎo)末端都與直波導(dǎo)相切連接。
本發(fā)明所述的光波導(dǎo)其增益為約為2B/cm，與玻璃基質(zhì)的材料成份有關(guān)。直波導(dǎo)、S形波導(dǎo)都通過鍍膜、光刻、腐蝕、電場輔助離子交換等工藝做在磷酸鹽增益介質(zhì)基片3上，形成掩埋波導(dǎo)以減小輻射損耗。曲率半徑應(yīng)在充分利用基質(zhì)材料空間的前提下做的盡量大，且避免產(chǎn)生曲率突變部分，以盡量減少彎曲損耗。
S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)激光器，如圖3、4所示，由980nmLD泵浦激光器6、耦合光纖5、高反射率光纖光柵4、光波導(dǎo)諧振腔9、低反射率光纖光柵7、耦合光纖5等部分組成，各部分順序相連，其特征在于，所述光波導(dǎo)諧振腔為本發(fā)明所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)。
S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)與耦合光纖/光柵光纖的連接方式可用固定膠粘接，其它部件的連接可通過耦合器耦合，也可通過光纖熔接機(jī)耦合的方式連接。
為進(jìn)一步提高增益，可在低反射率光纖光柵7和耦合光纖5之間通過耦合器10增加一個980nm泵浦激光器6作反向LD泵浦。
所述高反射率光纖光柵4的反射率大于95％，所述低反射率光纖光柵7的反射率在80-90％之間。
S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)激光器的工作原理為LD泵浦源發(fā)射的980nm激光經(jīng)光纖光柵耦合進(jìn)入增益介質(zhì)波導(dǎo)，介質(zhì)波導(dǎo)中Yb3+濃度很大(一般為Er3+的4~20倍)，具有比Er3+更大的吸收截面，這使得光能量被Yb3+強(qiáng)烈吸收，Er3+濃度較小，因而處于Yb3+的包圍之中，所以Yb3+能將光能量迅速傳遞至Er3+，使Er3+從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)而產(chǎn)生1.54μm熒光，光纖光柵4與7相當(dāng)于構(gòu)成激光諧振腔的高、低反射鏡，在泵浦源、S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)及光纖光柵4、7的共同作用下，泵浦能量不斷被Yb3+吸收而傳遞至Er3+，使Er3+不斷在上能級積聚而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，1.54μm熒光不斷得到放大而形成1.54μm激光振蕩，從低反射的光纖光柵7端輸出至系統(tǒng)外。增加反向泵浦源使工作增益波導(dǎo)在相同時間內(nèi)吸收更多泵浦光能量，響應(yīng)更加快速，工作稀土離子得到充分利用，使輸出光能量進(jìn)一步增大。
S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)放大器，如圖5、6所示，由980nmLD泵浦激光器6、耦合光纖5、耦合器10、光波導(dǎo)9等部分組成，一個980nmLD泵浦激光器6和作為輸入的耦合光纖5分別通過耦合器10、耦合光纖5與光波導(dǎo)9的輸入端相連，光波導(dǎo)9的輸出端與耦合光纖5相連，其特征在于，所述光波導(dǎo)9為本發(fā)明所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)。
S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)與耦合光纖/光柵光纖的連接方式可用固定膠粘接，其它部件的連接可通過耦合器耦合，也可通過光纖熔接機(jī)耦合的方式連接。
為進(jìn)一步提高增益，可在波導(dǎo)輸出端通過耦合器10耦合一個980nm泵浦激光器6作為反向LD泵浦。
S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)放大器的工作原理作為放大器時，不需要激光器中用作諧振腔反射鏡的光光纖光柵，只是需要增加如附圖5、6中所示的信號光輸入/輸出端，與激光器中情形一樣，由于正反向LD泵浦的激勵，使介質(zhì)波導(dǎo)中的Yb3+吸收光能量并傳遞給Er3+，Er3+被大量激勵到上能態(tài)，通信光纖中的衰減了的光信號經(jīng)耦合進(jìn)入S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)中時，使大量集居于上能態(tài)的Er3+受到誘發(fā)而向下能級躍遷，即受激躍遷，從而使衰減了的信號光得到放大復(fù)原，然后從輸出端重新耦合進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸。
激光器與放大器的損耗與增益分析(1)減小損耗的方法1.離子交換時加電場使離子擴(kuò)散進(jìn)入玻璃基質(zhì)形成掩埋形波導(dǎo)，使波導(dǎo)與玻璃基質(zhì)的折射率差盡量大以減小散射損耗；2.S形的曲率半徑盡量做的大且避免曲率突變以減小彎曲輻射模損耗；3.掩埋波導(dǎo)孔徑要略大于光纖芯經(jīng)便于耦合對準(zhǔn)及模場匹配以減小耦合損耗；4.應(yīng)用光纖光柵代替耦合透鏡及諧振腔端面反射鏡以減小插入損耗與耦合損耗；5.選取成份配比合理的基質(zhì)，減小OH-對光能量的吸收。
(2)提高增益方法1.充分利用玻璃基質(zhì)空間增加增益波導(dǎo)長度；2.制作多個S形波導(dǎo)并采用多個泵浦源泵浦(如附圖4、6)；3.采用雙向LD泵浦；4.選取Er3+-Yb3+濃度比合適的玻璃基質(zhì)，抑制上轉(zhuǎn)換放光、Er3+→Yb3+能量反向傳遞與激發(fā)態(tài)吸收對激光性能的影響。
本發(fā)明的有益效果1、與直波導(dǎo)相比，將波導(dǎo)設(shè)計(jì)成S形不僅有效利用了增益介質(zhì)空間，而且大大延長了波導(dǎo)的增益長度，且損耗很小，充分提高了輸出功率，也是光學(xué)系統(tǒng)向集成化方向發(fā)展的一個優(yōu)秀選擇。
2、由于波導(dǎo)中模式形態(tài)與光纖中的模式形態(tài)匹配，所以輸出光可直接耦合進(jìn)入光纖，該高增益光波導(dǎo)系統(tǒng)的各組成部件體積都很小(厘米量級)，可集成在一片玻璃襯底材料上，從而使結(jié)構(gòu)更緊湊，運(yùn)作更穩(wěn)定，易于產(chǎn)業(yè)化。
3、在基質(zhì)上制作一條或者兩條甚至多條S形增益波導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)一至兩個或多個泵浦源泵浦從而提高輸出。
4、有利于各種光波導(dǎo)激光系統(tǒng)的集成化。
本發(fā)明的應(yīng)用價值該激光系統(tǒng)作為高速寬帶遠(yuǎn)距離光通信的激光光源或光通信線路上的光放大器，以及在集成光路中有其獨(dú)特優(yōu)勢與運(yùn)作性能。


圖1單S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為直波導(dǎo)，2為S形波導(dǎo)，3為鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃介質(zhì)。
圖2雙S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為直波導(dǎo)，2為S形波導(dǎo)，3為鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃介質(zhì)。
圖3基于單S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)的激光器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，4為高反射率光纖光柵，5為耦合光纖，6為980nmLD泵浦激光器，7為低反射率光纖光柵，9為S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)(光波導(dǎo)諧振腔)，10為耦合器。
圖4基于雙S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)的激光器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，4為高反射率光纖光柵，5為耦合光纖，6為980nmLD泵浦激光器，7為低反射率光纖光柵，9為S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)(光波導(dǎo)諧振腔)，10為耦合器。
圖5基于單S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)的放大器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，5為耦合光纖，6為980nmLD泵浦激光器，9為S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)，10為耦合器。
圖6基于雙S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)的放大器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，5為耦合光纖，6為980nmLD泵浦激光器，9為S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)，10為耦合器。
圖7電場輔助熱離子交換裝置示意圖。
圖8光波導(dǎo)器件形成工藝流程示意圖。
圖9直波導(dǎo)截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為直波導(dǎo)，3為鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃介質(zhì)。
權(quán)利要求
1.S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)，包括鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃基質(zhì)(3)和掩埋于鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃基質(zhì)(3)中的至少一條以上的光波導(dǎo)，所述光波導(dǎo)是主要利用電場輔助熱離子交換技術(shù)在鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃基質(zhì)(3)中形成的折射率高于鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃基質(zhì)(3)的通道，其特征在于，所述光波導(dǎo)由兩段直波導(dǎo)(1)及S形波導(dǎo)(2)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)，其特征在于，所述光波導(dǎo)也可做成三個端口雙S形光波導(dǎo)，具有三段直波導(dǎo)(1)和兩段S形波導(dǎo)(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)，其特征在于，所述光波導(dǎo)的波導(dǎo)孔徑略大于單模光纖芯經(jīng)，約為10μm左右。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)，其特征在于，所述S形波導(dǎo)(2)的形狀由由兩個略小于3/4周長的圓弧相切連接而成，即兩3/4圓弧在連接處產(chǎn)生一定長度的重疊，以使彎波導(dǎo)與直波導(dǎo)相靠近的地方形成一定距離(＞10μm)，從而避免各自所傳輸?shù)墓猱a(chǎn)生耦合，彎波導(dǎo)末端都與直波導(dǎo)相切連接。
5.S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)激光器，由980nmLD泵浦激光器(6)、耦合光纖(5)、高反射率光纖光柵(4)、光波導(dǎo)諧振腔(9)、低反射率光纖光柵(7)、耦合光纖(5)等部分組成，各部分順序相連，其特征在于，所述光波導(dǎo)諧振腔為本發(fā)明所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)激光器，其特征在于，所述S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)與耦合光纖/光柵光纖的連接方式可用固定膠粘接，其它部件的連接可通過耦合器耦合，也可通過光纖熔接機(jī)耦合的方式連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)激光器，其特征在于，可在低反射率光纖光柵(7)和耦合光纖(5)之間通過耦合器(10)增加一個980nm泵浦激光器(6)作反向LD泵浦，以進(jìn)一步提高增益。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)激光器，其特征在于，所述高反射率光纖光柵(4)的反射率大于95％，所述低反射率光纖光柵(7)的反射率在80-90％之間。
9.S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)放大器，由980nmLD泵浦激光器(6)、耦合光纖(5)、耦合器(10)、光波導(dǎo)(9)等部分組成，一個980nmLD泵浦激光器(6)和作為輸入的耦合光纖(5)分別通過耦合器(10)、耦合光纖(5)與光波導(dǎo)(9)的輸入端相連，光波導(dǎo)(9)的輸出端與耦合光纖(5)相連，其特征在于，所述光波導(dǎo)(9)為本發(fā)明所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)放大器，其特征在于，可在波導(dǎo)輸出端通過耦合器(10)耦合一個980nm泵浦激光器(6)作為反向LD泵浦，以進(jìn)一步提高增益。
全文摘要
S形鉺鐿共摻磷酸鹽高增益光波導(dǎo)、光波導(dǎo)激光器和光波導(dǎo)放大器，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及光波導(dǎo)技術(shù)。其光波導(dǎo)由鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃基質(zhì)和主要利用電場輔助熱離子交換技術(shù)形成的掩埋于玻璃基質(zhì)中的S形光波導(dǎo)構(gòu)成；其激光器，由泵浦激光器、耦合光纖、光纖光柵和光波導(dǎo)諧振腔等部分組成；其放大器，由泵浦激光器、耦合光纖、耦合器和光波導(dǎo)等部分組成。本發(fā)明提供的S形光波導(dǎo)有效利用了增益介質(zhì)空間，大大延長了波導(dǎo)的增益長度，且損耗很小，充分提高了輸出功率，可與單模光纖匹配；各高增益光波導(dǎo)系統(tǒng)體積小，運(yùn)作更穩(wěn)定，易于產(chǎn)業(yè)化；各光波導(dǎo)激光系統(tǒng)更容易集成化。
文檔編號H01S3/063GK1752778SQ20051002187
公開日2006年3月29日 申請日期2005年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月18日
發(fā)明者張曉霞, 潘煒, 韓文杰 申請人:電子科技大學(xué)