专利名称：具有多波长泵浦的光放大器的制作方法
技术领域：
所描述的本发明涉及光信号放大领域。具体而言，本发明涉及使用具有多波长的泵浦光束对光信号进行放大。
背景技术：
通过在波导中掺杂诸如铒之类的稀土元素的离子，波导可以起到光放大器的作用。当引入泵浦光束时，在波导中传播的光信号就被放大。例如，被波长大致为980nm或者1480nm的泵浦光束激发到较高能态的铒离子，在铒离子下降到较低能态时，将对1530～1600nm左右的较宽波段中的光信号进行放大。这种技术在光纤放大领域中是公知的。
图1是示出了一种在平面波导20中放大光信号10的现有技术方法的示意图。波导20嵌入在衬底30中，并掺杂有铒离子。光信号10被导入波导20并传播通过波导20。激光50沿共同传播方向，即沿与光信号传播基本相同的方向，向波导20中供应泵浦光束。信号10和泵浦50，例如在隐失(evanescent)定向耦合器中被合并到同一波导20中。在一个示例中，当激光50供应波长大致为980nm或者1480nm的泵浦光束时，波长大致为1550nm的光信号10被放大。
图2是示出了另一种放大光信号的现有技术方法的示意图。在图2中，泵浦激光50从波导20的相对一端沿相反的传播方向，即沿与光信号的方向相反的方向被导入，以对光进行泵浦。类似于图1，光信号在波导20中被放大，然后离开衬底30。
现代的光网络使用单模光纤进行长距离传输。这避免了信号由于色散而衰减，所述色散即光速对其波长的相依性。为了有效地与单模光纤对接，包括光纤或波导放大器的所有光学元件实际都是单模的。由于光学的普遍原理“亮度(brightness)守恒定理”，仅仅使用线性无源(不增添能量)的光学元件不能增加单模中光的功率。这导致一个事实，即只有来自一个模式的具有一定波长的光的功率能够被耦合到单模波导中。对于放大器来说，这意味着沿每个传播方向和每个偏振，只有具有一定波长的一个泵浦激光器能够供应泵浦光。
如果泵浦的强度高于一定阈值，光信号在光放大器中就获得增益，所述阈值取决于光信号的强度和光放大器的材料特性。为了获得足够高的增益，泵浦的强度必须比阈值高很多。因此，一般需要高功率的泵浦激光器。
与下面所描述的本发明相比，以上方法有几个缺点。首先，在所描述的共同传播和相反传播放大器中使用的相对高功率的激光器比较昂贵。其次，高功率激光器具有高功耗，高功耗可能在它们的封装中引起散热问题。再次，高功率激光器的可靠性通常不如低功率激光器好。
图1是示出一种在平面波导中放大光信号的现有技术方法的示意图。
图2是示出另一种放大光信号的现有技术方法的示意图。
图3是示出使用多波长泵浦光束的光放大器的一个实施例的示意图。
图4是示出使用多波长泵浦光束的光放大器的第二实施例的示意图。
图5是示出使用共同传播和相反传播多波长泵浦光束的光放大器的第三实施例的示意图。
图6是图示基于光泵浦的光信号功率的增长的示例曲线图。
图7是对应于图4的示例曲线图，图示了基于光泵浦的光信号功率沿放大波导的长度的增长。
图8A和8B是对应于图5的示例曲线图，图示了光信号功率沿放大波导的长度的增长。图8A示出在放大波导的各端所提供的泵浦功率以及在放大波导中它们的功率下降。图8B示出光信号功率的增长。
具体实施例方式
本发明公开了一种使用多波长泵浦光束来放大光信号的装置和方法。多个低功率光源提供泵浦光束。在一个实施例中，激光二极管向光多路复用器中提供泵浦光束，在所述光多路复用器中所有泵浦光束被合并。光多路复用器耦合到波导，在该波导处光信号将被放大。合并后的光信号和多波长泵浦光束被送往光信号在其中被放大的放大波导。
图3是示出使用多波长泵浦光束的光放大器的一个实施例的示意图。在一个实施例中，光放大器108包括具有未掺杂部分112和掺杂部分114的器件衬底105。在一个实施例中，诸如铒之类的稀土元素被用作掺杂剂。但是，可以使用其它掺杂剂来提供所希望的放大。
光信号118经由嵌入在衬底105中的波导120被输入。制作嵌入在衬底中的波导有各种方法，例如通过各种离子种类的扩散、刻蚀和外延生长。“嵌入在衬底中”意味着包括这些各种方式，包括绝缘体上硅(silicon-on-insulator)。在一些情况下，波导实际上可以被沉积在衬底的顶部并且用不同于衬底的包层材料覆盖，但是也意味着被术语“嵌入在衬底中”所覆盖。
在一个实施例中，阵列波导光栅作为光多路复用器122。在另一个实施例中，阶梯光栅作为光多路复用器122。在一个实施例中，波导120和光多路复用器122隐失(evanescent)耦合在一起，它们之间的间隔小到几个微米。在另一个实施例中，在泵浦光束被复用在一起之后，波导120被耦合到具有被复用的泵浦光束的波导130。
在光信号118被耦合到多波长泵浦光束之后，合并后的光束在放大波导130内共存。在一个实施例中，波导120和光多路复用器122位于器件衬底的未掺杂部分112中，而放大波导130位于器件衬底的掺杂部分114中。
在一个实施例中，多个激光二极管140提供以基础波长为中心的多波长泵浦光束。例如，激光二极管可以提供以980nm为中心、变化较小的泵浦光束。以980nm为中心、变化为2nm的泵浦光束包括980nm、980nm±2nm、980nm±4nm等等。
尽管相对中心波长的变化不必是周期性的或者相同的，但是，如果它们与其它波长交叠得太近，那么由于无源元件中的亮度守恒，该波长的功率将不能被有效地传送到放大波导中。例如，如果四个各具有功率P和相同波长的光源被复用在一起进入放大波导中，则传送到放大波导中的功率量大约为P(因为有损耗)。大约3P的功率将被反射或者散射。另一方面，如果四个光源各具有功率P和稍微不同的波长，则传送到放大波导中的功率量为4P(因为有损耗)。
在一个实施例中，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)被用来提供泵浦光束。低功率VCSEL可以被用于放大。例如，VCSEL可以发射但不限于低于20mW的功率。在如图1和2所示的共同传播和相反传播体系结构中所使用的可相比较的高功率激光器使用更高功率的激光，例如但不限于100mW。通过使用具有稍微不同的波长的VCSEL，VCSEL的功率叠加在一起，如将参照图6、7、8A和8B所示出的。
图4是示出使用多波长泵浦光束的光放大器109的第二实施例的示意图。在该实施例中，光源142提供沿与光信号118的方向相反的传播方向的泵浦光束。
光信号118被输入放大波导130中，放大波导130在器件衬底105的掺杂部分114中。光源142提供泵浦光束，类似于前面参照图3所描述的光源140。泵浦光束在光多路复用器124中被合并，然后被导入放大波导130中，光信号118在放大波导130中被放大。在一个实施例中，掺杂区域114掺杂有铒，光信号大致为1550nm，泵浦光束以980nm或者1440nm为中心。
在一个实施例中，输出波导160被隐失耦合到波导130的一端，被放大的信号被传送到输出波导160。
类似于图3，衬底105包括未掺杂部分116和掺杂部分114。在一个实施例中，波导160和光多路复用器124位于衬底105的未掺杂部分116中。
图5是示出合并了在图3和4中分别描述的共同传播和相反传播多波长泵浦光束的光放大器110的第三实施例的示意图。该实施例包括具有未掺杂部分112和116以及掺杂部分114的器件衬底。
光信号118被输入波导120，波导120被隐失耦合到放大波导130。光源140向也被耦合到放大波导130的光多路复用器122中提供多波长泵浦光束，而光源142向也被耦合到放大波导130的光多路复用器124提供多波长泵浦光束。
光信号118在放大波导130中被放大，然后被耦合到波导160中，并从波导160离开器件衬底105。
在图3、4和5中，各种波导120、130和160以及多路复用器122和124(例如，阵列波导光栅或者阶梯光栅)可以通过各种不同方法形成在衬底105中，例如通过各种离子种类的扩散、刻蚀和/或外延生长，这是公知的。例如，在一个实施例中，可以使用玻璃衬底，并可以采用离子扩散来在玻璃中生成波导。此外，衬底105的掺杂部分可以在扩散之前与衬底105的未掺杂部分熔合，这是公知的。在另一个实施例中，可以使用硅衬底。可以沉积二氧化硅用于包层，并且可以使用刻蚀来去除非波导材料。然后可以在波导120、130和160的顶部沉积例如二氧化硅的上包层。
在一个实施例中，光源140、142经由光纤(未示出)耦合到光多路复用器122、124。在另一个实施例中，光源140、142直接耦合到衬底105。
另外，在一个实施例中，光源140可以提供以第一波长为中心的第一组泵浦光束，光源142可以提供以不同于第一波长的第二波长为中心的第二组泵浦光束。
图6是对应于图3的示例曲线图，图示了基于光泵浦220的光信号功率210沿着放大波导130的长度的增长。在一个实施例中，为了提供增益，光源140提供高于特定阈值Pth的功率。可以配置光源140的数量和功率，使得在放大波导端部的总泵浦功率高于阈值Pth，以实现贯穿放大波导130的整个长度的放大。通过合并多波长泵浦光束，即使各个低功率激光二极管可能提供可能并不显著高于增益阈值Pth的泵浦光束，光信号的功率也被提高。低功率激光二极管具有一般比更高功率的激光二极管更为便宜、更为可靠的优点，如前面所提到的。
图7是对应于图4的示例曲线图，图示了基于光泵浦240的光信号功率230沿放大波导130长度的增长。即使沿相反传播方向提供泵浦光束，光信号118也被放大。
图8A和8B是对应于图5的示例曲线图，图示了光信号功率沿放大波导130的长度的增长。图8A示出在放大波导130各端分别提供的泵浦140、142的功率250、252以及在放大波导中它们的功率的下降。图8B示出光信号260功率的增长。如从曲线图中可以看到的，更高的放大率出现在放大波导的端部，在端部泵浦光束的功率最高。
这样，本发明公开了用于放大光信号的装置和方法。但是，这里所描述的具体设置和方法仅仅是示例性的。例如，制作嵌入在衬底中的波导有各种方法，例如通过各种离子种类的扩散、刻蚀和外延生长。本领域的技术人员可以利用各种方法中的任何一种来制作这样的嵌入波导。在不脱离所要求的本发明范围的情况下，可以做出形式和细节上的大量修改。因此，本发明仅受所附权利要求的范围的限制。
权利要求
1.一种光放大器，包括衬底；嵌入在所述衬底中的光多路复用器；耦合到所述光多路复用器的具有多个波长的泵浦光源；和耦合到所述光多路复用器的放大波导。
2.如权利要求1所述的光放大器，其中所述放大波导掺杂有稀土元素。
3.如权利要求1所述的光放大器，其中所述泵浦光源包括多个激光二极管。
4.如权利要求3所述的光放大器，其中所述多个激光二极管是功率大约为20mW或者更低的垂直腔表面发射激光器。
5.如权利要求1所述的光放大器，其中所述光多路复用器是阵列波导光栅。
6.如权利要求1所述的光放大器，其中所述光多路复用器是阶梯光栅。
7.如权利要求1所述的光放大器，还包括嵌入在所述衬底内并耦合到所述放大波导的信号波导。
8.一种放大光信号的方法，包括产生具有多个波长的泵浦光束；将所述光信号和所述泵浦光束导入掺杂有稀土元素的平面波导中。
9.如权利要求8所述的方法，还包括将所述泵浦光束复用到单模波导中。
10.如权利要求8所述的方法，还包括隐失耦合所述光信号与所述泵浦光束。
11.如权利要求8所述的方法，其中所述泵浦光束使用阵列波导光栅被复用在一起。
12.如权利要求8所述的方法，其中所述泵浦光束使用阶梯光栅被复用在一起。
13.如权利要求8所述的方法，其中所述产生泵浦光束是使用一个或者多个各具有低于20mW的功率的垂直腔表面发射激光器实现的。
14.如权利要求8所述的方法，其中所述将所述光信号和泵浦光束导入掺杂有稀土元素的平面波导，还包括将所述光信号和泵浦光束导入掺杂有铒的平面波导中。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述光信号的波长大约为1550nm，并且所述泵浦光束以大约为980nm或1480nm的波长为中心。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述泵浦光束在彼此间隔大约为2nm的波长处被产生。
17.如权利要求8所述的方法，其中将所述光信号隐失耦合到所述泵浦光束，包括隐失耦合所述光信号和与所述光信号沿共同传播方向的泵浦光束。
18.如权利要求8所述的方法，其中将所述光信号隐失耦合到所述泵浦光束，包括隐失耦合所述光信号和与所述光信号沿相反传播方向的泵浦光束。
19.一种光放大器，包括用于传导光信号的第一波导，所述第一波导嵌入在器件衬底中；耦合到所述第一波导的光多路复用器；用于向阵列波导光栅中提供具有不同波长的光束的两个或者更多个激光二极管；和耦合到所述阵列波导光栅的掺铒放大波导，用于放大所述光信号。
20.如权利要求19所述的光放大器，其中所述激光二极管是功率大约为20mW或者更低的垂直腔表面发射激光器。
21.如权利要求20所述的光放大器，其中所述激光二极管提供以980nm为中心并且彼此间变化大约2nm的光束。
22.如权利要求20所述的光放大器，其中所述激光二极管提供以1480nm为中心并且彼此间变化大约2nm的光束。
23.如权利要求19所述的光放大器，其中所述第一波导被隐失耦合到所述阵列波导光栅。
24.如权利要求19所述的光放大器，其中所述器件衬底是磷酸盐玻璃。
25.如权利要求19所述的光放大器，其中所述器件衬底包括氧化硅和硅。
全文摘要
本发明提供了一种光放大器，其包括衬底、嵌入在所述衬底中的光多路复用器、耦合到所述光多路复用器的具有多个波长的泵浦光源以及耦合到所述多路复用器的放大波导。在一个实施例中，光信号被导入所述衬底中的另一个波导。在另一个实施例中，所述放大波导掺杂有稀土元素。
文档编号H01S3/06GK1602567SQ02824757
公开日2005年3月30日 申请日期2002年11月22日 优先权日2001年12月13日
发明者德米特里·尼科诺夫, 克里斯托弗·肖尔茨 申请人:英特尔公司