專利名稱：1054nm泵浦分束陣列式摻鐿光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
1054nm泵浦分束陣列式摻鐿光纖放大器，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及光纖技術(shù)。
背景技術(shù)：
由于能夠同時放大多路光信號，而且具有小型化、集成化等優(yōu)點(diǎn)，近年來陣列式光放大器備受人們的關(guān)注。1994年，D.Leclerc等人介紹了一種采用倒裝晶片、自動對準(zhǔn)封裝技術(shù)，利用硅V型槽陣列制作的高性能具有4條溝道波導(dǎo)的半導(dǎo)體光放大器陣列。并且研究了提高器件性能的五種方法，降低偏振靈敏度、減小光纖耦合損耗、降低波長靈敏度、提高波導(dǎo)之間的一致性和提高倒裝晶片與Si襯底的兼容性。1995年，日本NEC公司的S.Kitamura等報道了使用MOVPE工藝制作的低功耗、偏振無關(guān)的半導(dǎo)體光放大器陣列。該放大器陣列為4溝道陣列，在注入電流低至25mA時，信號增益達(dá)到20dB。日本NTT光電子實(shí)驗(yàn)室的Y. Suzaki等在2001年報道了一種高增益的半導(dǎo)體光波導(dǎo)放大器陣列。制作的光波導(dǎo)陣列采用直波導(dǎo)形式，光纖-光纖增益高達(dá)18dB，耦合效率為-3.5dB。并且該放大器陣列中的四條通道的放大特性具有很好的一致性。2004年，A. Chavez-Prison等報道了一種集成在一個芯片上的光放大器陣列。他們采用的襯底是具有較高單位長度增益的摻鉺磷酸鹽玻璃。芯片長度8cm，在C波帶的增益達(dá)到22dB。 2005年，南京大學(xué)的陳海燕等報道了一種在鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃襯底上制作的4溝道光波導(dǎo)放大器陣列。他們從理論上分析了該放大器陣列在多個波長應(yīng)用時的情況，例如在1539.4nm， 1540.2nm， 1542.0nm和1541.8nm波長處的應(yīng)用。
光纖放大器通常采用耦合器或WDM將泵浦光與信號光一起輸入到有源光纖，在傳輸過程中隨著泵浦光的吸收信號得到逐漸的放大，最后通過輸出光纖將放大后的光信號輸出。與光波導(dǎo)放大器類似，按照泵浦方式的不同也可將光纖放大器分為三類正向泵浦型，反向泵浦型和雙向泵浦型。在單個泵浦源功率相同的情況下，由于雙向泵浦使用了兩個泵浦光源，可以使泵浦總功率提高一倍，因而可以大大提高放大器的增益。但是雙向泵浦多用了一個泵浦激光器，而且還需要另加耦合器等輔助器件，這就會大大提高器件的制作成本。反向泵浦的光纖放大器中，在不加隔離器的情況下，沒有被有源光纖完全吸收的反向泵浦將會對信號源造成擾動，從而影響輸出信號的穩(wěn)定性。所以陣列光纖放大器的耦合方式需要改進(jìn)，放大器總的輸出功率還需提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是如何設(shè)計(jì)光纖放大器的偶合方式制作出散熱小、更穩(wěn)定的陣列式光纖放大器，并以此為基礎(chǔ)提高相應(yīng)放大器的增益。
由于陣列式光纖放大器需要同時放大八路激光信號，采用雙向泵浦的話，就同時需要16個泵浦激光器。由于器件的總體尺寸是有所限制的，要在如此有限的空間內(nèi)集成16個泵浦激光器的泵浦電路，會十分困難。并且，由于泵浦源一般都需要加溫度控制電路，來穩(wěn)定激光器的輸出功率。將多個泵浦源安排在有限的空間內(nèi)，將會使器件的溫度快速升高，并給放大器的制冷帶來嚴(yán)重的困難。
為了降低成本，并降低器件制冷設(shè)計(jì)的難度，減少了泵浦激光器的個數(shù)，采用一個泵浦源按50: 50的分束比分成兩路后分別泵浦一路有源光纖的結(jié)構(gòu)方案。這樣，8路信號的放大總共只需要4個泵浦激光器，不僅降低了器件的發(fā)熱量，而且大大減少了器件的數(shù)量，降低了成本，也降低了器件的實(shí)現(xiàn)難度。
本發(fā)明采用結(jié)構(gòu)簡單又容易實(shí)現(xiàn)的正向泵浦型光纖放大器結(jié)構(gòu)。
如附圖l所示是一個泵浦激光器對兩路信號進(jìn)行泵浦的放大器原理結(jié)構(gòu)圖。泵浦激光二極管采用電子四十四所生產(chǎn)的975nm半導(dǎo)體激光器，在500mA電流下可輸出300mW的光功率。經(jīng)半導(dǎo)體激光器輸出的光經(jīng)過一個50: 50的分束器后一分為二，分別與來自信號源的1054nm信號光在980nm/1054nm的波分復(fù)用器內(nèi)匯合到一根光纖內(nèi)，并進(jìn)入特定長度的摻鐿光纖。從1054nm的半導(dǎo)體激光器輸出的信號光經(jīng)光纖跳線進(jìn)入輸入隔離器，然后與泵浦光匯合進(jìn)入波分復(fù)用器。此處隔離器的作用是防止后向反射和散射光進(jìn)入信號光源從而影響信號光的穩(wěn)定。信號光與泵浦光與一起進(jìn)入有源光纖后，光纖中的鐿離子會在泵浦光的作用下激發(fā)到高能級，處于激發(fā)態(tài)的離子在信號光的激發(fā)作用下輻射出與信號光特性相同的光子，從而實(shí)現(xiàn)信號光的放大。 一般來說摻鐿光纖的長度選取得正好能夠吸收完泵浦光為最優(yōu)值。這是因?yàn)槿绻麚借O光纖太長的話，在光纖吸收完泵浦光后，不僅不能實(shí)現(xiàn)信號的放大，摻鐿光纖反過來還要吸收已經(jīng)放大了的信號光功率，從而影響信號的放大。因而摻鐿光纖的長度選取需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
信號光經(jīng)過摻鐿光纖的放大之后進(jìn)入輸出隔離器，然后經(jīng)過輸出跳線輸出。在這里輸出隔離器的作用是防止信號光進(jìn)過放大后產(chǎn)生的后向反射和散射光進(jìn)入摻鐿光纖，從而避免大功率運(yùn)轉(zhuǎn)時在摻鐿光纖內(nèi)引起激光振蕩，進(jìn)而影響器件的噪聲性能。
采用上述一個泵浦激光器泵浦兩路信號的方法，只需使用四個泵浦激光器即可實(shí)現(xiàn)同時對八路輸入信號的放大。1054nm陣列式光纖放大器的器件結(jié)構(gòu)框圖如附圖2所示。陣列式光纖放大器提供兩種接口，光接口和電接口。電接口為整個器件提供電源連接，采用5V的穩(wěn)壓電源供電。光接口又包括八路輸入光信號接口和八路輸出光信號接口，輸入和輸出是一一對應(yīng)的關(guān)系，各路信號之間相互獨(dú)立、互不影響。使用時，只需接入電源并打開開關(guān)，將需要放大的信號接入輸入光纖一端，那么在相應(yīng)的輸出端就能夠得到放大之后的光信號。
整個陣列式光纖放大器按結(jié)構(gòu)和功能可以大致分為如下三個模塊泵浦源、放大光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)，如附圖3所示。其中泵浦源包括泵浦激光器和泵浦電路兩部分。它的主要作用是為有源光纖提供粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需要的能量，也即將電能轉(zhuǎn)換為光能，然后輸入到摻鐿光纖并被鐿離子吸收產(chǎn)生離子數(shù)反轉(zhuǎn)。
泵浦電路除了為泵浦激光器提供穩(wěn)定的泵浦電流外，還起到溫度控制的作用。這是因?yàn)椋闷旨す馄鞴ぷ鲿r將會由于功率較高，器件溫度將會升高。為了使激光器工作穩(wěn)定，就需要對激光器進(jìn)行制冷。放大光路則由分束器、波分復(fù)用器(WDM)、摻鐿光纖、光隔離器以及
光纖跳線等組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要是為泵浦源和放大光路提供支撐結(jié)構(gòu)，使各個模塊集成為一個完整的器件。
根據(jù)摻鐿光纖的吸收光譜，Y^+在975nm處有個尖銳的吸收峰。因而泵浦源需要選用工作波長在975nm附近的激光器。選用的泵浦激光器是Lumics生產(chǎn)的LU0975M330型半導(dǎo)體激光器。
放大光路由以下元器件組成輸入光纖跳線、1054nm光隔離器、975nm分束器(50: 50)、1054nm/975nm波分復(fù)用器、摻鐿光纖和輸出光纖跳線。
如附圖4所示是用一個泵浦激光器對兩條放大光路進(jìn)行泵浦的原理示意圖。從圖中可以看出，兩路信號的放大總共需要2根輸入光纖跳線、4個光隔離器、l個分束器、2個波分復(fù)用器、2段有源光纖和2根輸出光纖跳線。那么8路光信號的放大就需要8根輸入光纖跳線、16個光隔離器、4個分束器、8個波分復(fù)用器、8段有源光纖和8根輸出光纖跳線。在這些器件中，光隔離器、分束器和波分復(fù)用器的兩端都帶有2 3米的尾纖。再加上摻鐿光纖和輸入輸出跳線，總的光纖長度將超過60米。
在放大光路制作過程中，對光纖的繞制是有要求的，即繞的光纖圓周直徑不能小于5cm。在實(shí)際制作過程，所有的元器件都安排在放大器的中間位置，這樣可以保證元件的尾纖都順著元件的主體方向，不會出現(xiàn)將尾纖繞成小的圓周的情形。將同一側(cè)的四個放大光路的光纖一起圍繞對其泵浦的兩個激光器周圍，形成相對獨(dú)立的兩個光纖環(huán)，每個光圈環(huán)包含四個放大光路，如附圖5所示。
放大器中的輸入光纖跳線和輸出光纖跳線，選用的是透明乳膠松護(hù)套的FC/APC型單模光纖跳線。單根跳線長度為lm，兩端各有一個光纖接頭。為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)材料，將一根完整的跳線從中間一分為二。每根帶一個光纖接頭，另一端則可與光纖進(jìn)行連接。隔離器選用的是上海瀚宇光纖通信技術(shù)有限公司生產(chǎn)的1060nm光隔離器。該隔離器的插入損耗小于2dB，隔離度則大于30dB，而反射損耗則高于50dB。隔離器尾纖采用的是Hil060nm的裸纖，長度大于lm。
分束器(耦合器)采用的是980nm單模耦合器，封裝尺寸為(p3.0mmx40mm。尾纖長度為lm，分束比為Red (50.2) : Blue (49.8)，輸出l端的插入損耗為3.05dB，輸出2端的插入損耗為3.09dB。波分復(fù)用器則是采用的WDM-lx2-980/1064型的單模WDM。工作波長為980nm(Blue端)和1064nm (Red端)。器件封裝尺寸為(p3.0mmx55mm，尾纖長度為lm。輸入l端(1064nm)的插入損耗為O.lldB，輸入2端(980nm)的插入損耗為0.10dB。耦合器和WDM的示意圖如附圖6所示。有源光纖是光纖放大器中的關(guān)鍵器件。為了獲得較高的增益，就需要采用摻雜濃度高、單位長度增益大的有源光纖。選用的是Nufem公司生產(chǎn)的高吸收型單包層單模摻鐿光纖，光纖型號為SM-YSF-HI。該型號的單包層單模摻鐿光纖可以和"通信"單模光纖完全兼容，能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗的連接。
在整個光纖放大器制作的過程中最困難的是光纖的繞制和焊接。光纖焊接之前需要先剝?nèi)ス饫w的涂覆層。 一般采用刀片剝削法和光纖鉗剝削法。
光纖放大器的組裝
陣列式光纖放大器按結(jié)構(gòu)可以分為泵浦源、放大光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)三個部分。泵浦源和放大光路的支撐結(jié)構(gòu)采用的是硬質(zhì)鋁合金制作的金屬盒。金屬盒正面設(shè)計(jì)成溝槽條紋狀是為了給泵浦激光器散熱。溝槽條紋的另一面是與泵浦激光器的散熱片接觸的。
為了保持器件穩(wěn)定工作，需要在激光器上增加一個導(dǎo)熱性能好的輔助散熱片。我們采用的散熱片是鋁材料做成的矩形薄片。在將泵浦激光器焊接到電路板上之前，需要先把散熱片裝到激光器上。為了達(dá)到更好的散熱和固定效果，可以在散熱片和激光器之間涂上一層導(dǎo)熱硅膠。制作時選用的是HT-KSIOI型導(dǎo)熱硅膠。另外，激光器與電路板之間需要加墊一層絕緣軟膠膜。 一方面可以防止激光器與電路板之間的電接觸，另一方面也可以起到很好的防振效果。
本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)與特色
在諸多1054nm信號陣列式光纖放大器的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，改變了泵浦光與信號光的耦合方式，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，運(yùn)作更穩(wěn)定，易于生產(chǎn)化。
采用一個泵浦源按50: 50的分束比分成兩路后分別泵浦一路有源光纖的結(jié)構(gòu)方案，降低了器件的發(fā)熱量，而且大大減少器件的數(shù)量，降低成本，降低了器件的實(shí)現(xiàn)難度。
本發(fā)明的應(yīng)用價值該光放大系統(tǒng)作為高速寬帶遠(yuǎn)距離光通信的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 一個泵浦源對兩路信號進(jìn)行泵浦的光纖放大器結(jié)構(gòu)2 1054rnn陣列式光纖放大器的器件結(jié)構(gòu)框3陣列式光纖放大的組成框圖
圖4用一個泵浦激光器對兩條放大光路進(jìn)行泵浦的原理5每四個放大光路繞成一圈的制作方案
圖6980nm單模耦合器和WDM-lx2-980/1064波分復(fù)用器示意圖。
權(quán)利要求
1、1054nm陣列式光纖放大器，采用正向泵浦型光纖放大器結(jié)構(gòu)，一個泵浦源按50∶50的分束比分成兩路后分別泵浦一路有源光纖，信號光經(jīng)過摻鐿光纖的放大之后進(jìn)入輸出隔離器，然后經(jīng)過輸出跳線輸出。其特征在于，一個泵浦源按照50∶50的分束比分成兩路分別泵浦一路光線。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的1054mn陣列式光纖放大器，其特征在于，信號光經(jīng)過放大之后進(jìn)入輸出隔離器，然后經(jīng)過輸出跳線輸出，隔離器的作用是防止信號光進(jìn)過放大后產(chǎn)生的后向反射和散射光進(jìn)入摻鐿光纖，從而避免大功率運(yùn)轉(zhuǎn)時在摻鐿光纖內(nèi)引起激光振蕩，進(jìn)而影響器件的噪聲性能。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2所述的1054nm陣列式光纖放大器，其特征在于，光纖的繞制圓周直徑不能小于5cm。所有的元器件都安排在放大器的中間位置，可以保證元件的尾纖都順著元件的主體方向，不會出現(xiàn)將尾纖繞成小的圓周的情形。將同一側(cè)的四個放大光路的光纖一起圍繞對其泵浦的兩個激光器周圍，形成相對獨(dú)立的兩個光纖環(huán)，每個光圈環(huán)包含四個放大光路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的1054mn陣列式光纖放大器，其特征在于，泵浦源和放大光路的支撐結(jié)構(gòu)采用的是硬質(zhì)鋁合金制作的金屬盒。金屬盒正面設(shè)計(jì)成溝槽條紋狀是為了給泵浦激光器散熱。溝槽條紋的另一面是與泵浦激光器的散熱片接觸的。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的1054nm陣列式光纖放大器，其特征在于，采用的散熱片是鋁材料做成的矩形薄片。在將泵浦激光器焊接到電路板上之前，需要先把散熱片裝到激光器上。為了達(dá)到更好的散熱和固定效果，在散熱片和激光器之間涂上一層導(dǎo)熱硅膠。
全文摘要
1054nm泵浦分束陣列式摻鐿光纖放大器，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及光纖技術(shù)。陣列式光纖放大器需要同時放大八路激光信號，采用正向泵浦型光纖放大器結(jié)構(gòu)，一個泵浦源按50∶50的分束比分成兩路后分別泵浦一路有源光纖，信號光經(jīng)過摻鐿光纖的放大之后進(jìn)入輸出隔離器，然后經(jīng)過輸出跳線輸出。本發(fā)明提供的泵浦分束光纖放大器不僅大大降低了器件的發(fā)熱量，而且大大減少了器件的數(shù)量，降低了成本，也降低了器件的實(shí)現(xiàn)難度；運(yùn)作更穩(wěn)定，易于產(chǎn)業(yè)化。
文檔編號H01S3/04GK101562307SQ200910059420
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者潔 冷, 劉永智, 張曉霞, 張金令 申請人:電子科技大學(xué)