專利名稱：光通道波導(dǎo)放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種光放大器，該光放大器采用的原理是通過受激發(fā)射進(jìn)行放大，更具體地說，涉及一種光通道波導(dǎo)，用來在一個光纖系統(tǒng)中利用受激發(fā)射來放大被減弱的光信號。
本發(fā)明的背景對于生產(chǎn)在本地和中繼光學(xué)網(wǎng)絡(luò)中放大微弱光信號的光放大器，人們一直存在著極大的興趣。高數(shù)據(jù)速率和低光衰減與纖維的光學(xué)長度之間的關(guān)系已經(jīng)確定，而且越來越受重視，因?yàn)殚L的光纖比被替代的同軸電纜更合算。盡管在傳輸?shù)臅r候，光信號的損失相對地較低，光波能量在光纖中的固有的線性衰減規(guī)律使得必須要用光中繼器節(jié)點(diǎn)，以在長距離的陸地和海底通信系統(tǒng)中放大和/或還原數(shù)字式光學(xué)比特流或模擬信號。通常，無中繼的距離為30到70公里，這取決于在被選定的傳輸波長上的光纖損耗，傳輸波長通常是1.31或1.55微米。
分別在題為“光纖激光器和放大器”和“攙雜鉺的纖維放大器”、系列號為4,955,025和5,005,175的美國專利中，提出了一種非侵入性的方法，用于在一個光纖中放大一個光信號。在這些專利中，把一個有涂層的光纖與一個激勵源橫向耦合，因此，某個特定波長的微弱的光輸入信號在稀土增益面中實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的放大。通過一個單獨(dú)的激光器或燈來實(shí)現(xiàn)激勵，其中激光器或燈能發(fā)出適當(dāng)能量的光子，也就是說，其能量比該信號波長的能量更高。在有涂層的纖維中的電子從基態(tài)被激發(fā)到一個或多個激勵帶，然后，這些電子衰變一定的數(shù)量，相當(dāng)于裝置工作時的波長。當(dāng)具有激光波長的一個光子與一個被激發(fā)的原子相互作用時，發(fā)生受激發(fā)射。因此，可以由早先的自發(fā)發(fā)射，受激發(fā)射，或者輸入信號而產(chǎn)生輸出光子。
因?yàn)閿v雜鉺的放大器只能在一個特定的波長下工作，即，1.53μm-1.55μm，其它用于非侵略性的，例如工作在1310nm上的，光放大器的方法正在研究利用半導(dǎo)體材料，以及改變那些涂有稀土金屬的纖維。然而，直到今天，還存在著一些嚴(yán)重的問題，妨礙這些裝置的開發(fā)。即，半導(dǎo)體放大器不能提供足夠的增益，暫且不說它還具有明顯的噪音問題。稀土金屬攙雜膜的纖維放大器也存在著多種問題。
例如，攙雜釹(Nd)的纖維的一個問題是，假如要保持光纖的高質(zhì)量和低損耗的特性，則在1310nm時就不能獲得足夠的增益。具體地說，在攙雜釹的硅基纖維中的激發(fā)態(tài)吸收使得所有合理增益的光譜范圍超出1330nm，結(jié)果使可用的頻譜實(shí)質(zhì)上減少了。此外，利用非硅的光纖，例如氟皓酸鹽或者磷酸鹽玻璃纖維，會引起明顯的制造難題，并且會出現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定性的問題。在光纖的1300nm窗口(window)中用于替代釹的是鐠(Pr)，它也存在一些困難。和攙雜釹的石英光纖一樣，攙雜鐠的纖維要求一個非石英的光纖主體，以達(dá)到足夠的可用增益。實(shí)際上，到目前為止，只有氟皓酸鹽(ZBLAN)被證明能夠提供足夠的增益。不幸的是，攙雜鐠的纖維，ZBLAN或其它的，也要求在1020nm波長上進(jìn)行激勵，這不是一個標(biāo)準(zhǔn)的激光轉(zhuǎn)換。因此，在這些不常見的波長上要產(chǎn)生所需要的功率水平就會存在很大的困難。
考慮到上述情況，依然需要有一種光通信技術(shù)，用來改良光放大器和放大方法，以提供與那些在1550nm通過攙雜鉺的纖維獲得的增益等量的放大特性，但是又可以在光纖內(nèi)部，在所采用的任何光波長上都可以進(jìn)行操作，例如1310nm。本發(fā)明提供了一種光放大器結(jié)構(gòu)和滿足這種要求的放大方法。
本發(fā)明的公開概括地說，本發(fā)明一方面包括一個光波導(dǎo)，它包括一個激活材料(active material)的核心(core)，在受激時表現(xiàn)出光學(xué)螢光性。這個核心具有一個傳播軸，從輸入表面延伸到它的輸出表面。該輸入表面以一個非直角的角度與該傳播軸交錯，有一個涂層至少包圍這個核心的一部分。該核心的輸入表面使得一個光信號和一個激勵源能同時輸入到核心內(nèi)，在那兒通過由激勵源(pump)驅(qū)動的激活材料的受激發(fā)射而對光信號進(jìn)行放大。最后，已經(jīng)放大的光信號通過核心的輸出表面被輸出。
另一方面，本發(fā)明包括一個光放大器，它包括一個具有第一端和第二端的光波導(dǎo)。這個光波導(dǎo)包括一個激活材料的核心，在受激時能表現(xiàn)出光學(xué)螢光性。該核心帶有一個傳播軸，從處于光波導(dǎo)的第一端的輸入表面延伸到第二端的輸出表面。該輸入表面以一個非直角的角度與該傳播軸交錯，有一個涂層至少包圍這個核心的一部分。該核心的輸入表面使得一個光信號和一個激勵源能夠同時被輸入到核心內(nèi)，在那兒通過由激勵源驅(qū)動的激活材料的受激發(fā)射而對光信號進(jìn)行放大。該光放大器此外還包括一個第一涂層，位于光波導(dǎo)的第一端上。該第一涂層對一個預(yù)定信號波長上的光信號是抗反射的(anti-reflective)，而對預(yù)定激勵源波長上的激勵源是可反射的。在毗鄰光波導(dǎo)的第一端的地方設(shè)置了信號傳送光學(xué)元件，用來把通過輸入表面的光信號聚焦而進(jìn)入光波導(dǎo)的核心；在靠近光波導(dǎo)的第一端的地方設(shè)置了激勵源傳送光學(xué)元件，它與核心的傳播軸之間有一定的角度。該激勵源傳送光學(xué)元件把用來把反射輸入表面的第一涂層的激勵源聚焦而進(jìn)入核心。
又一方面，提供了一種方法用來放大一個光信號的方法。該方法包括提供一個光波導(dǎo)，它帶有一個激活材料的核心，在受激的時候能表現(xiàn)出光學(xué)螢光性，該核心帶有一個傳播軸，從輸入表面延伸到輸出表面，該輸入表面以一個非直角的角度與該傳播軸相交，在核心的輸入表面上布置了一個第一涂層，第一涂層能夠抗反射光信號，而反射激勵源；輸入光信號，使該光信號穿過第一涂層和輸入表面進(jìn)入核心；把從輸入表面的第一涂層上反射的激勵源輸入到核心內(nèi)，其中光信號和激勵源同時地被輸入到核心內(nèi)，通過由激勵源驅(qū)動激活材料進(jìn)行的受激發(fā)射來放大光信號。
再一個方面，本發(fā)明包括一種制造光波導(dǎo)的方法。這種方法包括構(gòu)造一個光波導(dǎo)，它具有的一個核心，該核心包括一種具有第一折射率的第一材料，至少要在核心的一部分上涂上涂層，該涂層具有第二折射率，其中第二折射率比第一折射率低，第一材料包括一種激活材料，在受激時能表現(xiàn)出光學(xué)螢光性，該核心在第一光波導(dǎo)的第一端具有一個輸入表面，在光波導(dǎo)的第二端具有一個輸出表面；將波導(dǎo)的第一端拋光，直到核心的輸入表面與核心的傳播軸之間存在一個非直角的角度；在光波導(dǎo)的第一端之上涂敷一個第一涂層，第一涂層對將被輸入到核心內(nèi)的光信號是抗反射的，而對從相對于傳播軸的一個角度輸入到核心內(nèi)的激勵源是可反射的。
總之，在此處描述了一種新型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它與其它放大方法相比具有多個優(yōu)越性。因?yàn)樗榻B的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不要求纖維構(gòu)型的幾何對稱，所以，可以利用那些通常用于纖維的材料，例如，攙雜釹的釔鋁石榴石(Nd:YAG)。實(shí)際上，大多數(shù)的水晶體和其它不符合纖維結(jié)構(gòu)的固態(tài)材料都能用于放大，例如攙雜釹的磷酸鹽玻璃。具體地說，用來在光譜的1300nm區(qū)域進(jìn)行放大，攙雜釹的非硅玻璃有很好的性能；與用于攙雜鐠的放大器的1020nm的激勵源不同，可以利用大功率的808nm激光二極管來作為攙雜釹系統(tǒng)的激勵源。眾所周知，808nm激光二極管采用了一種成熟的、發(fā)展良好的激光技術(shù)。本結(jié)構(gòu)也非常適合于其它波長的放大，例如，在980nm產(chǎn)生功率非常大的激勵光源用于傳統(tǒng)的攙雜鉺的纖維放大器，或者其它用于短距離的通信和傳感器應(yīng)用方面的不常用的波長。
附圖的簡要描述從下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的最佳實(shí)施例所作的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的上述目的、優(yōu)點(diǎn)和特征以及其它將得到更好的理解。


圖1是一個透視圖，表示本發(fā)明的中間光通道波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一個實(shí)施例；圖2是圖1的光通道波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一個側(cè)視圖，其中第一端已經(jīng)被拋光，使得核心12的輸入表面與它的傳播軸之間有一個45°的角度；圖3是圖2中的光通道波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，其中第一光學(xué)涂層已經(jīng)被涂敷到波導(dǎo)的第一端的有傾斜的部分上，第二光學(xué)涂層已經(jīng)被涂敷到波導(dǎo)的第二端，還示出了一個棱柱30，它固定到波導(dǎo)的第一端的傾斜部分上；圖4是圖3中的光通道波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一個側(cè)視圖，其中棱柱30已經(jīng)被粘接到波導(dǎo)的第一端的傾斜部分上，所示的這個棱柱包括在暴露表面上的光學(xué)涂層，它垂直于核心內(nèi)部的傳播軸13；
圖5是一個示意圖，表示本發(fā)明的光放大器的一個實(shí)施例，它采用了圖4中的光通道波導(dǎo)。
用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式一般來說，此處介紹了一種新穎的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和采用該波導(dǎo)的光放大器，其中利用受激發(fā)射來在一個光纖系統(tǒng)中放大信號。該獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使得光信號和大功率的激光器激勵源能有效地同時進(jìn)入核心，用于通過受激發(fā)射而放大光信號。
圖1表示一個光通道波導(dǎo)10，在一個實(shí)施例中可以采用在上面所述的美國專利申請中所描述的制造工藝來制造。這個光波導(dǎo)10包括一個激活材料的核心12，該核心12被包封物(cladding)14包圍，包封物14包括，例如，一種不同于核心的材料。這里所用的術(shù)語“不同的材料”意思是構(gòu)成包封物的材料和構(gòu)成核心的材料在構(gòu)造上和/或在化學(xué)性質(zhì)上是不同的，已經(jīng)被分別地制造為物理性質(zhì)不同的材料，在光波導(dǎo)10的裝配工序中被集成在一起。
概括地說，在一個實(shí)施例中，光波導(dǎo)10的制造是一個多步驟的工序，利用精確的研磨和拋光技術(shù)，用機(jī)械的方法使所選定的光學(xué)材料(即，核心)在橫向和垂直方向都達(dá)到所期望的厚度。光學(xué)的膠合劑用來將波導(dǎo)連接到周圍支承物/包封介質(zhì)上。該制造工序包括在被選擇的光學(xué)材料(即，核心)和被選擇的支承基底(即，包封物)上制備一個平坦的光學(xué)面。熔凝硅石可以被用來作支承基底，因?yàn)樗菀准庸?，并且折射率低。在膠層非常薄(＜1μm)的情況下，為了有效地進(jìn)行導(dǎo)波作用，通道必須被一種折射率較低的材料所包圍。顯然，被選定的光學(xué)材料(核心)的折射率決定了包封物或者支承區(qū)的折射率范圍。周圍介質(zhì)的其它要求是與光學(xué)材料的兼容性，材料的可用性，以及粘接力。熔凝的硅石滿足這些要求，盡管一些光學(xué)玻璃也是理想的。
在膠層厚的情況下，膠的折射率影響到包封物的反射率，并影響波導(dǎo)的性能。在這種情況下，支承基底可以以它們的加工質(zhì)量來選擇，而無須考慮它們的折射率。然而，在選擇適當(dāng)?shù)哪z厚度時，必須考慮到特定的問題，例如邊緣的破損，在膠和核/包封物材料之間的拋光率不同。如果希望，在工藝流程的每個步驟中可以進(jìn)行并行處理。
通常，在研磨和拋光階段，通過改變水的泥漿(slurry)中的顆粒尺寸和類型來精確地將材料去除。用微米計(jì)量器來監(jiān)視波導(dǎo)的尺寸，在達(dá)到所期望的值時停止加工。按照本方法可以達(dá)到1μm的精度。使用高精度的拋光夾具(jig)可使得波導(dǎo)表面區(qū)域的平坦度和平行性非常之好。
標(biāo)準(zhǔn)的尺寸規(guī)格范圍可以是2-5mm×2-5mm的交叉區(qū)，通道的長度為5-20mm，或者更長。這個尺寸使得在加工和光學(xué)測試的時候，很容易處理并可用機(jī)械的方法緊固芯片。芯片的端面達(dá)到光學(xué)的拋光度，使有效的光強(qiáng)度能夠有效地進(jìn)出波導(dǎo)。
為了更完全的討論上面簡要說明的圖1中的光波導(dǎo)的制造工序，參考上面所提到的申請。本特定工序的一個結(jié)果是核心或者激活材料包括一種與包封物“不同的材料”(其中包封物可以被認(rèn)為是支承材料本身或者是支承材料連同光學(xué)膠合劑，或者是光學(xué)膠合劑本身，如果足夠厚的話)。
對于特定的例子，圖1中的結(jié)構(gòu)可以包括一個光波導(dǎo)，它具有一個30μm×30μm的釹玻璃核心，被一個熔凝硅石包封物所包圍，象上面所簡要說明的那樣，利用研磨和拋光技術(shù)以及利用UV-加工的光學(xué)膠合劑而制成。例如，可以使用由新澤西州Summit的ArmbrusterAssociates Inc.生產(chǎn)的UVOA-45膠。這種特定的膠構(gòu)成一個紫外線加工處理的、低粘性的光學(xué)膠合劑。
表Ⅰ給出了本發(fā)明的不同波導(dǎo)的實(shí)例。注意，這些組合僅僅被用來舉例，可能存在有無數(shù)的另外的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
表Ⅰ

概括地說，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的核心是激活材料，它可以在某個波長采用光學(xué)的方法激勵，并由此發(fā)射，從而被放大，并在某個所期望的波長上發(fā)光。包封物14是一種惰性材料，它的折射率比核心12低。而且，注意，在上面所簡述的圖1中的結(jié)構(gòu)的制造工序僅僅是用來舉例的。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，另外的制造方法將是顯而易見的。例如，核心12和包封物14可以換用相似的材料來制造，正如本技術(shù)領(lǐng)域所公知的那樣。
在獲得圖1所示的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之后，結(jié)構(gòu)10的第一端被拋光，與核心12的傳播軸13成一個非直角的角度，例如45°角，同時，結(jié)構(gòu)10的第二端18被拋光成與波導(dǎo)核心垂直。注意，盡管在此處所描述的例子中是形成一個45°的角度，但第一端16可以被拋光成任何角度，只要它不垂直于波導(dǎo)核心12。在實(shí)例中最好是40°到50°的角度范圍。而且，如圖2所示，進(jìn)行拋光以在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10的第一端16上產(chǎn)生一個角度，僅僅需要確定橫切核心12的輸入表面的角度。為了容易處理，并防止破損，端16的傾斜拋光部分可以不包括整個第一端。
如圖3所示，接下來給波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10上被拋光的端16和18加上涂層。設(shè)置了具有涂層20的45°面16，用于反射激勵源波長的光，并以信號波長傳送光。這使得通過把激光從在傾斜輸入表面上的內(nèi)表面反射，而把激光輸入波導(dǎo)內(nèi)，同時，光信號穿過同一個傾斜端面16直接地聚焦進(jìn)入波導(dǎo)核心。因此，在傾斜面16上的涂層20對激勵源波長是高度反射的，在信號波長上是抗反射的。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平面端18被涂上抗反射的涂層22，以便減少在信號波長上的反射(還可以是加上涂層以反射在激勵源波長上的光)，從而把任何可能的空腔效應(yīng)最小化。
最好是把一個棱柱30粘合到端面的傾斜部分上，其中棱柱30的折射率與波導(dǎo)核心12的折射率匹配。棱柱30將被粘接到端面16的傾斜部分的涂層20上。棱柱30的外側(cè)表面31具有一個類似于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的第二端上的涂層22的涂層32，也就是說，涂層32對信號波長上的光是抗反射的。
圖4表示本發(fā)明的已完成的波導(dǎo)部件40，其中棱柱30被連接到傾斜端面16。棱柱30的反射率與核心相匹配，使得光信號輸入波導(dǎo)核心的方向與波導(dǎo)傳播軸13共軸或共線。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將知道，如果棱柱30的折射率與波導(dǎo)核心12不匹配，那么光信號將需要相對于波導(dǎo)核心以一定角度進(jìn)入，這個角度由棱柱的特有的折射率來決定。雖然本發(fā)明包含這個可能性，而且也包含了一個可能性就是端表面16的傾斜可以不是45°，但是使棱柱30的折射率和波導(dǎo)的核心12的相匹配，并且使傾斜面與核心軸成45°角，將有利于簡化信號傳送光學(xué)元件和激勵源傳送光學(xué)元件的校準(zhǔn)，使得信號與激勵源可以分別地以最佳值聚焦進(jìn)入波導(dǎo)核心。
概括地說，本發(fā)明的光通道波導(dǎo)放大器使用受激發(fā)射的方法在光纖系統(tǒng)中放大信號，其中這種系統(tǒng)采用了波導(dǎo)部件，例如，圖4所示的部件40。這種波導(dǎo)部件由一個大功率的二極管激光器激勵以提供增益，然后用于放大所輸入的光信號。本系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)包括一個通道波導(dǎo)，制造該波導(dǎo)的激活材料具有一個端面，這個端面是根據(jù)上述方法形成的，以便信號和激勵源的輸入以及放大信號的拾取。本系統(tǒng)還包括從單模光纖傳送所輸入的信號的光學(xué)元件、從單模或者多模光纖傳送激勵源的光學(xué)元件、以及一種把放大的輸出信號收集進(jìn)入單模光纖的方法。在圖5中將表示本發(fā)明的光通道波導(dǎo)的一個利用一組適當(dāng)?shù)男盘栞斔凸鈱W(xué)元件50把光信號通過棱柱30傳送給波導(dǎo)核心12。信號輸送光學(xué)元件50接收從單模光纖52發(fā)出來的光束，并重新聚焦光束，使它在光波導(dǎo)核心內(nèi)部會聚。整個光學(xué)部件必須有足夠長的工作路程使得聚焦通過棱柱，并且提供一個最小的光束直徑輸入到波導(dǎo)核心。另外，它必須對光束重新映象，以便它能等于或者小于達(dá)到最大效率所需的波導(dǎo)核心尺寸規(guī)格。
激勵源以類似于光信號的方式傳給波導(dǎo)核心12。光學(xué)元件60被用來重新聚焦從單模或多模光纖62來的激勵源束，使其進(jìn)入波導(dǎo)核心。然而，與光信號傳送機(jī)理不同，激勵源束流傳送給波導(dǎo)是利用45°的涂層內(nèi)表面將該束反射進(jìn)入波導(dǎo)而進(jìn)行的。因此，激勵源傳送光學(xué)元件也必須具有足夠長的焦距使得該光束腰位于波導(dǎo)的入口處。此外，它必須使束流重新聚焦到一個尺寸，這可以在波導(dǎo)尺寸規(guī)格范圍內(nèi)達(dá)到最大的激勵源效率。
在輸出端，以所期望的波長而放大的信號從波導(dǎo)還原，并放回到例如單模光纖72上。這個恢復(fù)部件70具有最大的靈活性，以便可以簡單地消除介入損耗(insertion losses)。例如，對于單模光纖，最簡單的拾取部件是裸光纖本身。然而，因?yàn)椴▽?dǎo)的尺寸規(guī)格和光纖的尺寸規(guī)格可以相差很多，介入損耗可能會很大。另一方面，因?yàn)檩斎氩考?0、60可以有意識地設(shè)計(jì)為基模激發(fā)，所以，輸出的低數(shù)值孔徑(NA)可以使光學(xué)部件非常有效，同時介入損耗為1分貝甚至更少。與方式無關(guān)，拾取部件70的用途是把從波導(dǎo)放大器來的信號輸送進(jìn)入系統(tǒng)的光纖中，以便繼續(xù)的傳送。
作為本發(fā)明的一個完整的放大器裝置的例子，該波導(dǎo)可以包含一個攙雜釹的釔鋁石榴石(Nd:YAG)的核心，該核心為10毫米長，30μm×30μm，它已經(jīng)用新澤西州Summit的Armbruster Associates Inc.供應(yīng)的UVOA-45粘合劑連接到熔凝石英包封物上。用Nd:YAG作核心，以便在1319nm獲得窄帶放大。45°端面由一種能在808nm提供高反射率(HR)的電介質(zhì)覆蓋，其中808nm是激勵源波長，并且在1064nm和1319nm上名義上都是透明的(反射＜2％)。這個涂層可以從Cascade Optical Coatings,Inc購得。一個由SFL-6玻璃(可以由賓夕法尼亞Duryea的Schott Technologies Inc.供給)制成的棱柱被粘接到45°端面上，它具有與Nd:YAG核心相匹配的反射率。部件的兩端都被一個在1064nm和1319nm都抗反射的電介質(zhì)覆蓋(可以由Cascade Optical Coatings,Inc獲得)。利用一對相匹配的非球面透鏡把信號從單模光通信纖維(由紐約Corning的Coming,Inc.提供的SMF-28型)傳送到波導(dǎo)，其中透鏡的焦距為11.0毫米，NA為0.25(由新澤西州Newton的Thorlabs,Inc.提供的C220MP-C型)。激勵源激光二極管是一個0.75W的808半導(dǎo)體激光器(由亞利桑那Tucson的Opto PowerCorp.提供的OPC-A001-808-FC/100型)，它與100μm核心的單?；騈A為0.22的多模纖維是耦合的。利用一對相匹配的非球面透鏡來傳送激光；第一個透鏡收集從激勵源傳送纖維來的光線，第二個透鏡把這些光聚焦進(jìn)入波導(dǎo)。第一個透鏡的焦距為11.0mm,NA為0.25(來自Thorlabs,Inc的C220TM-B型)，第二個透鏡的焦距為3.1mm,NA為0.68(來自Thorlabs,Inc的C330TM-B型)。最后，利用被連到一個鋯套管上并拋光的裸單模光纖(來自Coming,Inc的SMF-28型)把被放大的信號從波導(dǎo)恢復(fù)。
正如所注意到的，本發(fā)明的放大器的某些性能可以由Nd:YAG波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。這樣，這些部件為單個波長，即1319nm，提供高增益和高飽和的輸出功率。這些放大器的單通道、高性能的特性和它們在1319nm的工作使得它們非常適合于在有線電視(CATV)分配方面的應(yīng)用。
作為一種變通辦法，波導(dǎo)可以由多種有包封物的玻璃制成。這種部件將在一個寬廣的光譜限度(大于20nm)之上提供中等的增益和飽和的輸出功率。因此，這些部件可以應(yīng)用于采用在不同波長上的復(fù)合的通道的通信系統(tǒng)，例如1300nm光譜區(qū)的波分多路復(fù)用(WDM)系統(tǒng)。
作為更進(jìn)一步的增強(qiáng)，在1996年的光學(xué)論文第21卷第266頁由Griebner等所著的、題為“Efficient Laser Operation With NearlyDefraction-Limited Output From A Diode-Pumped Heavily Nd-DopedMultinode Fiber,”的文章(這里結(jié)合作為參考)中所作的教導(dǎo)可以用于本發(fā)明的放大器，這篇文章描述了一種在多模核心中激發(fā)單模的過程。通過利用一組適當(dāng)?shù)男盘杺魉凸鈱W(xué)元件，可以激發(fā)多模波導(dǎo)的基模，這使得在激勵源與信號之間能夠有好的重疊，并被傳遞到基模。因?yàn)楣庑盘柡图钤炊荚诨＃鼈儗⑦m當(dāng)?shù)刂丿B，因此在波導(dǎo)的輸出端提供了改良的信號恢復(fù)。
雖然在此處已經(jīng)根據(jù)某些最佳實(shí)施例詳細(xì)描寫了本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以進(jìn)行許多修改和改變。相應(yīng)地，附加權(quán)利要求的目的是把所有的這些修改和改變都包括在本發(fā)明的基本精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種光波導(dǎo)，包括一個激活材料的核心，當(dāng)受激時表現(xiàn)出光學(xué)螢光性，所述核心具有一個從輸入表面延伸到輸出表面的傳播軸，所述輸入表面以一個非直角的角度和所述傳播軸相交；一個包封物，至少包圍所述核心的一部分；其中所述核心的輸入表面使得一個光信號和一個激勵源能夠同時被輸入到核心內(nèi)，在那兒通過由激勵源驅(qū)動的激活材料的受激發(fā)射而對光信號進(jìn)行放大。
2．按照權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述的激活材料包括具有第一折射率的第一材料，所述的包封物包括具有第二折射率的第二材料，所述的第二折射率低于所述的第一折射率。
3．按照權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)，其中，所述第一材料和所述第二材料包括不同的材料。
4．按照權(quán)利要求2所述的光波導(dǎo)，更進(jìn)一步包括一個附加到所述核心的傾斜輸入表面上的棱柱，所述棱柱使得光信號的輸入方向與核心的傳播軸在同一直線上，所述棱柱的折射率類似于構(gòu)成核心的激活材料的第一折射率。
5．按照權(quán)利要求4所述的光波導(dǎo)，更進(jìn)一步與信號傳送光學(xué)元件結(jié)合，所述的信號傳送光學(xué)元件在光學(xué)性質(zhì)上接近帶有附加棱柱的核心的傾斜輸入表面，所述的信號傳送光學(xué)元件被調(diào)整，以便把光信號聚焦，使其穿過棱柱和傾斜輸入表面而進(jìn)入核心。
6．按照權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述非直角的角度為大致45°的角度。
7．按照權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述光波導(dǎo)包括通道波導(dǎo)。
8．按照權(quán)利要求7所述的光波導(dǎo)，其中，所述通道波導(dǎo)為晶體、摻有稀土金屬的玻璃、以稀土為基礎(chǔ)的淀積膜片、聚合體，和光/電激勵半導(dǎo)體中的一種。
9．按照權(quán)利要求8所述的光波導(dǎo)，其中，所述波導(dǎo)包括攙雜釹的釔鋁石榴石。
10．按照權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，其中，所述的輸入表面具有一個第一涂層，所述第一涂層對穿過第一涂層進(jìn)入核心的光信號的輸入是抗反射的，對于以與傳播軸成某個角度反射而進(jìn)入核心的激勵源是可反射的。
11．按照權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)，更進(jìn)一步包括在光波導(dǎo)的第一端處位于核心的輸入表面上的第一涂層，以及在光波導(dǎo)的第二端處布置在核心的輸出表面之上的第二涂層，其中，所述的第一涂層對在一個預(yù)定的信號波長上的光信號是抗反射的，對在一個預(yù)定的激勵源波長上的激勵源是可反射的，而所述的第二涂層對從光波導(dǎo)輸出的被放大的光信號是抗反射的。
12．按照權(quán)利要求11所述的光波導(dǎo)，其中，所述傾斜輸入表面包括一個與傳播軸成45°角的傾斜表面，其中，所述輸出表面與所述傳播軸大致是正交的。
13．按照權(quán)利要求12所述的光波導(dǎo)，進(jìn)一步包括粘接到布置在輸入表面之上的第一涂層上的一個棱柱，所述棱柱的折射率類似于構(gòu)成核心的激活材料的折射率，使得光信號的輸入方向與核心的傳播軸在同一直線上。
14．一個光放大器包括一個光波導(dǎo)，具有第一端和第二端，以及包括一個激活材料的核心，當(dāng)受激時表現(xiàn)出光學(xué)螢光性，所述核心具有一個傳播軸，從在第一端的輸入表面延伸到在第二端的輸出表面，所述輸入表面以一個非直角的角度與所述傳播軸相交；一個包封物，至少包圍所述核心的一部分；其中，所述核心的輸入表面使得一個光信號和一個激勵源能夠同時被輸入到核心內(nèi)，在那兒通過由激勵源驅(qū)動的激活材料的受激發(fā)射而對光信號進(jìn)行放大；一個第一涂層，在光波導(dǎo)的第一端處位于核心的傾斜輸入表面上，所述第一涂層對在一個預(yù)定的信號波長上的光信號是抗反射的，而對在一個預(yù)定的激勵源波長上的激勵源是可反射的；信號傳送光學(xué)元件，布置在接近光波導(dǎo)的第一端的地方，用于把光信號聚焦，使其穿過在光波導(dǎo)的輸入表面上的第一涂層，并進(jìn)入核心；激勵源傳送光學(xué)元件，安置在靠近光波導(dǎo)的第一端的地方，與核心的傳播軸成一個角度，所述激勵源傳送光學(xué)元件把激勵源聚焦，用于在核心的輸入表面進(jìn)行反射，其中所述激勵源與傳播軸成一個角度進(jìn)入核心。
15．按照權(quán)利要求14所述的光放大器，進(jìn)一步包括信號恢復(fù)光學(xué)元件，安置在接近光波導(dǎo)的第二端的地方，用于恢復(fù)從光波導(dǎo)發(fā)出的被放大的光信號。
16．按照權(quán)利要求15所述的光放大器，其中，所述光信號通過單模光纖供給信號傳送光學(xué)元件，所述激勵源通過一個單?；蛘叨嗄９饫w供給激勵源傳送光學(xué)元件，所述信號恢復(fù)光學(xué)元件把從光波導(dǎo)發(fā)出的被放大的光信號提供給單模光纖。
17．按照權(quán)利要求14所述的光放大器，其中，所述光波導(dǎo)包括通道波導(dǎo)，所述的通道波導(dǎo)包括晶體、摻有稀土金屬的玻璃、以稀土為基礎(chǔ)的淀積膜片、聚合體、和光/電激勵半導(dǎo)體中的一種。
18．按照權(quán)利要求17所述的光放大器，其中，所述波導(dǎo)包括摻雜釹的材料，其中所述的預(yù)定信號波長在1290-1330nm的范圍內(nèi)，所述的預(yù)定激勵源的波長大約是808nm。
19．按照權(quán)利要求14所述的光放大器，進(jìn)一步包括一個棱柱，它在光波導(dǎo)的第一端處被附加到所述光波導(dǎo)的所述角度輸入表面之上的第一涂層上，所述棱柱的折射率類似于構(gòu)成核心激活材料的折射率，其中所述信號傳送光學(xué)元件包括適合的光學(xué)元件，以便把光信號聚焦，使其穿過棱柱和第一涂層，進(jìn)入光波導(dǎo)的核心，其方向與傳播軸在同一直線上。
20．按照權(quán)利要求14所述的光放大器，進(jìn)一步包括一個第二涂層，位于光波導(dǎo)的第二端之上，所述第二涂層對穿過核心的輸出表面從光波導(dǎo)發(fā)出的被放大的光信號是抗反射的。
21．按照權(quán)利要求14所述的光放大器，其中，所述非直角的角度為大約一個45°的角度，所述光波導(dǎo)包括通道波導(dǎo)。
22．一種用于放大光信號的方法，所述方法包括提供一個光波導(dǎo)，所述光波導(dǎo)包括一個激活材料的核心，當(dāng)受激時表現(xiàn)出光學(xué)螢光性，所述核心具有一個從輸入表面延伸到輸出表面的傳播軸，所述的輸入表面以一個非直角的角度和所述傳播軸相交；以及位于核心的輸入表面之上第一涂層，所述第一涂層對所述光信號是抗反射的，對所述激勵源是反射的；使所述的光信號穿過第一涂層和輸入表面而輸入到所述的核心；通過使所述激勵源從輸入表面在第一涂層進(jìn)行反射，把所述的激勵源輸入所述的核心，這樣，所述的激勵源與所述的傳播軸成一個角度進(jìn)入所述的核心，其中所述核心的輸入表面使得一個光信號和一個激勵源能夠同時被輸入到核心內(nèi)，在那兒通過由激勵源驅(qū)動的激活材料的受激發(fā)射而對光信號進(jìn)行放大。
23．按照權(quán)利要求22所述的方法，其中，光信號的輸入包括把所述光信號聚焦，使其穿過第一涂層和輸入表面而進(jìn)入核心，其中所述的激勵源的輸入包括通過在核心的輸入表面上使所述的激勵源反射而把所述的激勵源輸入所述核心。
24．按照權(quán)利要求22的方法，其中，所述核心包括一個多模通道，其中所述光信號的輸入包括以所述多模通道的基模把所述光信號傳送進(jìn)入所述的核心，所述激勵源的輸入包括以所述多模通道的基模把所述激勵源傳送進(jìn)入所述核心。
25．按照權(quán)利要求22的方法，進(jìn)一步包括提供一種棱柱，安置在核心的輸入表面的第一涂層之上，其中，光信號的輸入包括在與所述核心的傳播軸在同一直線上的方向上，穿過所述棱柱、第一涂層和輸入表面，而把所述的光信號輸入所述的核心。
26．按照權(quán)利要求22的方法，進(jìn)一步包括在光波導(dǎo)第二端輸出一個已經(jīng)放大的光信號，并收集從光波導(dǎo)輸出的放大的光信號，用于在單模光纖中進(jìn)行傳輸。
27．一種制造光波導(dǎo)的方法，所述方法包括形成一個光波導(dǎo)，它具有一個核心，包含具有第一折射率的第一材料，以及至少包圍所述核心的一部分的包封物，所述的包封物包括具有第二折射率的第二材料，其中所述的第二折射率比所述的第一折射率低；其中所述材料包括一種激活材料，當(dāng)受激時表現(xiàn)出光學(xué)螢光性，所述核心在光波導(dǎo)的第一端具有一個輸入表面，在光波導(dǎo)的第二端具有一個輸出表面；將波導(dǎo)的第一端拋光，直到核心的輸入表面與核心的傳播軸成一個非直角的角度；把一個第一涂層涂敷到光波導(dǎo)的第一端上，所述第一涂層對將被輸入到核心內(nèi)的光信號是抗反射的，而對從與傳播軸成一個角度輸入到核心內(nèi)的激勵源是可反射的。
28．按照權(quán)利要求27的方法，進(jìn)一步包括把第二涂層涂敷到光波導(dǎo)的第二端上，其中所述的第二涂層對從所述光波導(dǎo)輸出的被放大的光信號是抗反射的。
29．按照權(quán)利要求27的方法，進(jìn)一步包括把在光波導(dǎo)的第一端上的一個棱柱固定到第一涂層上，所述棱柱具有的折射率類似于所述核心的第一折射率，其中如此安置所述棱柱，使得被輸入的所述光信號在同一直線上穿過輸入表面進(jìn)入核心的時候，將會經(jīng)過所述棱柱。
全文摘要
一種用于光通信系統(tǒng)的光通道波導(dǎo)放大器及其制造方法。該放大器使用一種具有激活材料核心(12)的光波導(dǎo),在受激時激活材料會表現(xiàn)出光學(xué)螢光性。所述的核心具有一個傳播軸,從輸入表面延伸到輸出表面。輸入表面與傳播軸相交的角度為一個非直角的角度(例如,45°)。包封物(14)至少包圍核心的一部分,在核心的傾斜輸入表面上有一個涂層(20)。該涂層對以預(yù)定信號波長輸入的光信號是抗反射的,對以預(yù)定激勵源波長輸入的激勵源是可高度反射的。一個反射率與核心相匹配的棱柱(30)被固定到光波導(dǎo)的傾斜表面上,以便輸入信號被聚焦后可以在與傳播軸在同一直線上的方向上穿過棱柱和涂層而進(jìn)入核心,同時激勵源按照與傳播軸成一定角度的方向,從傾斜輸入表面上的涂層反射而進(jìn)入核心。光信號在核心的內(nèi)部通過由激勵源驅(qū)動激活材料進(jìn)行受激發(fā)射而被放大。
文檔編號H01S3/063GK1320293SQ99810873
公開日2001年10月31日 申請日期1999年9月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月23日
發(fā)明者布賴恩·L·勞倫斯, 凱文·J·麥卡琳 申請人:分子光電子公司