专利名称：S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导、光波导激光器和光波导放大器的制作方法
技术领域：
S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导、光波导激光器和光波导放大器，属于光通信技术领域，涉及光波导技术。
背景技术：
磷酸盐玻璃对于稀土离子(Er3+、Yb3+等)是一种很好的受主材料，具有良好的光物理与光化学性能，如可达到很高的掺杂浓度(1026/m3)、不易发生浓度淬灭现象、荧光寿命长(~8ms)、热稳定性与传导性好、机械强度较高，因而由热效应和机械应力引起的双折射造成的极化噪声和输出功率噪声很低，以其为基质可以制作增益特性优良的光波导，可用作光纤通信的激光光源和光放大器。
目前，利用铒镱共掺磷酸盐玻璃制备光波导的工艺如图8所示，采用Er3+、Yb3+共掺磷酸盐玻璃(Er3+∶Yb3+≈1∶8)基片和金属掩模，利用电场辅助离子交换技术将Ag+、K+、Na+向玻璃基质深处扩散，使得金属掩模沟道孔下面扩散入离子的基质区折射率高于掩膜下面未扩散入离子的基质区，从而能使光按照全反射原理约束于高折射率基质区内传播，形成光波导。
光波导激光器与放大器都是新型的光通信用激光器件，目前还处于实验研究阶段。但是由于它们具有半导体激光器(现在普遍使用的光通信光源)和常用光纤放大器、半导体放大器不能比拟的许多优点，在未来光通信与光集成中取代后者已是必然。半导体激光器有两个突出的缺陷波长稳定性差、与光纤耦合困难，这无疑对光通信向窄线宽、高速、宽带与集成化方向发展造成了障碍，而现在受到广泛关注的1.54μm Er3+-Yb3+光波导激光器具有低损耗、低噪声、窄线宽、波长稳定、可单模运转、易与光纤耦合、体积小易集成、商业化生产低成本的优点，如选择综合性能好的受主材料(如磷酸盐)作为基质，则激光总体性能更为优越。与光纤放大器相比，光波导放大器由于高的掺杂浓度而具有更高的单位长度增益，且结构紧凑，功能集成，很适合于有限空间内的灵活应用，能够非常容易的与许多光器件集成在一起，如隔离器、相位阵列波导、分插复用器、调制器、光开关、光交叉连接器等，为集成光路引进多种性能卓越的元器件。
虽然光波导激光器及放大器小的体积符合光集成的发展方向，但是它的小的增益介质尺寸(cm量级)限制了总的增益进一步提高，以前这方面的工作只局限于在增益介质上制作直的或Y形分支或弯曲度很小的一些波导来进行研究，浪费了很大部分的增益介质空间，其实验获得的mW~10mW级的输出尚不能满足高速稳定长距离光通信的要求，所以增益介质的利用及波导形态的设计商需改进，激光器总的输出功率凾需提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是如何利用铒镱共掺磷酸盐玻璃介质制作出增益更高的光波导，并以此为基础提高相应激光器和放大器的输出功率。
S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导，如图1所示，包括铒镱共掺磷酸盐玻璃基质3和掩埋于铒镱共掺磷酸盐玻璃基质3中的至少一条以上的光波导，所述光波导是主要利用电场辅助热离子交换技术在铒镱共掺磷酸盐玻璃基质3中形成的折射率高于铒镱共掺磷酸盐玻璃基质3的通道，其特征在于，所述光波导由两段直波导1及S形波导2组成。
如图2所示，所述光波导也可做成三个端口双S形光波导，具有三段直波导1和两段S形波导2。
其波导孔径略大于单模光纤芯经，约为10μm左右。
S形状的弯曲波导部分由两个略小于3/4周长的圆弧相切连接而成，即两3/4圆弧在连接处产生一定长度的重叠，以使弯波导与直波导相靠近的地方形成一定距离(＞10μm)，从而避免各自所传输的光产生耦合，弯波导末端都与直波导相切连接。
本发明所述的光波导其增益为约为2B/cm，与玻璃基质的材料成份有关。直波导、S形波导都通过镀膜、光刻、腐蚀、电场辅助离子交换等工艺做在磷酸盐增益介质基片3上，形成掩埋波导以减小辐射损耗。曲率半径应在充分利用基质材料空间的前提下做的尽量大，且避免产生曲率突变部分，以尽量减少弯曲损耗。
S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导激光器，如图3、4所示，由980nmLD泵浦激光器6、耦合光纤5、高反射率光纤光栅4、光波导谐振腔9、低反射率光纤光栅7、耦合光纤5等部分组成，各部分顺序相连，其特征在于，所述光波导谐振腔为本发明所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导。
S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导与耦合光纤/光栅光纤的连接方式可用固定胶粘接，其它部件的连接可通过耦合器耦合，也可通过光纤熔接机耦合的方式连接。
为进一步提高增益，可在低反射率光纤光栅7和耦合光纤5之间通过耦合器10增加一个980nm泵浦激光器6作反向LD泵浦。
所述高反射率光纤光栅4的反射率大于95％，所述低反射率光纤光栅7的反射率在80-90％之间。
S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导激光器的工作原理为LD泵浦源发射的980nm激光经光纤光栅耦合进入增益介质波导，介质波导中Yb3+浓度很大(一般为Er3+的4~20倍)，具有比Er3+更大的吸收截面，这使得光能量被Yb3+强烈吸收，Er3+浓度较小，因而处于Yb3+的包围之中，所以Yb3+能将光能量迅速传递至Er3+，使Er3+从基态跃迁到激发态而产生1.54μm荧光，光纤光栅4与7相当于构成激光谐振腔的高、低反射镜，在泵浦源、S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导及光纤光栅4、7的共同作用下，泵浦能量不断被Yb3+吸收而传递至Er3+，使Er3+不断在上能级积聚而形成粒子数反转，1.54μm荧光不断得到放大而形成1.54μm激光振荡，从低反射的光纤光栅7端输出至系统外。增加反向泵浦源使工作增益波导在相同时间内吸收更多泵浦光能量，响应更加快速，工作稀土离子得到充分利用，使输出光能量进一步增大。
S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导放大器，如图5、6所示，由980nmLD泵浦激光器6、耦合光纤5、耦合器10、光波导9等部分组成，一个980nmLD泵浦激光器6和作为输入的耦合光纤5分别通过耦合器10、耦合光纤5与光波导9的输入端相连，光波导9的输出端与耦合光纤5相连，其特征在于，所述光波导9为本发明所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导。
S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导与耦合光纤/光栅光纤的连接方式可用固定胶粘接，其它部件的连接可通过耦合器耦合，也可通过光纤熔接机耦合的方式连接。
为进一步提高增益，可在波导输出端通过耦合器10耦合一个980nm泵浦激光器6作为反向LD泵浦。
S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导放大器的工作原理作为放大器时，不需要激光器中用作谐振腔反射镜的光光纤光栅，只是需要增加如附图5、6中所示的信号光输入/输出端，与激光器中情形一样，由于正反向LD泵浦的激励，使介质波导中的Yb3+吸收光能量并传递给Er3+，Er3+被大量激励到上能态，通信光纤中的衰减了的光信号经耦合进入S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导中时，使大量集居于上能态的Er3+受到诱发而向下能级跃迁，即受激跃迁，从而使衰减了的信号光得到放大复原，然后从输出端重新耦合进入光纤进行传输。
激光器与放大器的损耗与增益分析(1)减小损耗的方法1.离子交换时加电场使离子扩散进入玻璃基质形成掩埋形波导，使波导与玻璃基质的折射率差尽量大以减小散射损耗；2.S形的曲率半径尽量做的大且避免曲率突变以减小弯曲辐射模损耗；3.掩埋波导孔径要略大于光纤芯经便于耦合对准及模场匹配以减小耦合损耗；4.应用光纤光栅代替耦合透镜及谐振腔端面反射镜以减小插入损耗与耦合损耗；5.选取成份配比合理的基质，减小OH-对光能量的吸收。
(2)提高增益方法1.充分利用玻璃基质空间增加增益波导长度；2.制作多个S形波导并采用多个泵浦源泵浦(如附图4、6)；3.采用双向LD泵浦；4.选取Er3+-Yb3+浓度比合适的玻璃基质，抑制上转换放光、Er3+→Yb3+能量反向传递与激发态吸收对激光性能的影响。
本发明的有益效果1、与直波导相比，将波导设计成S形不仅有效利用了增益介质空间，而且大大延长了波导的增益长度，且损耗很小，充分提高了输出功率，也是光学系统向集成化方向发展的一个优秀选择。
2、由于波导中模式形态与光纤中的模式形态匹配，所以输出光可直接耦合进入光纤，该高增益光波导系统的各组成部件体积都很小(厘米量级)，可集成在一片玻璃衬底材料上，从而使结构更紧凑，运作更稳定，易于产业化。
3、在基质上制作一条或者两条甚至多条S形增益波导，可实现一至两个或多个泵浦源泵浦从而提高输出。
4、有利于各种光波导激光系统的集成化。
本发明的应用价值该激光系统作为高速宽带远距离光通信的激光光源或光通信线路上的光放大器，以及在集成光路中有其独特优势与运作性能。
图1单S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导结构示意图，其中，1为直波导，2为S形波导，3为铒镱共掺磷酸盐玻璃介质。
图2双S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导结构示意图，其中，1为直波导，2为S形波导，3为铒镱共掺磷酸盐玻璃介质。
图3基于单S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导的激光器结构示意图，其中，4为高反射率光纤光栅，5为耦合光纤，6为980nmLD泵浦激光器，7为低反射率光纤光栅，9为S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导(光波导谐振腔)，10为耦合器。
图4基于双S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导的激光器结构示意图，其中，4为高反射率光纤光栅，5为耦合光纤，6为980nmLD泵浦激光器，7为低反射率光纤光栅，9为S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导(光波导谐振腔)，10为耦合器。
图5基于单S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导的放大器结构示意图，其中，5为耦合光纤，6为980nmLD泵浦激光器，9为S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导，10为耦合器。
图6基于双S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导的放大器结构示意图，其中，5为耦合光纤，6为980nmLD泵浦激光器，9为S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导，10为耦合器。
图7电场辅助热离子交换装置示意图。
图8光波导器件形成工艺流程示意图。
图9直波导截面结构示意图，其中，1为直波导，3为铒镱共掺磷酸盐玻璃介质。
权利要求
1.S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导，包括铒镱共掺磷酸盐玻璃基质(3)和掩埋于铒镱共掺磷酸盐玻璃基质(3)中的至少一条以上的光波导，所述光波导是主要利用电场辅助热离子交换技术在铒镱共掺磷酸盐玻璃基质(3)中形成的折射率高于铒镱共掺磷酸盐玻璃基质(3)的通道，其特征在于，所述光波导由两段直波导(1)及S形波导(2)组成。
2.根据权利要求1所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导，其特征在于，所述光波导也可做成三个端口双S形光波导，具有三段直波导(1)和两段S形波导(2)。
3.根据权利要求1、2所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导，其特征在于，所述光波导的波导孔径略大于单模光纤芯经，约为10μm左右。
4.根据权利要求1、2所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导，其特征在于，所述S形波导(2)的形状由由两个略小于3/4周长的圆弧相切连接而成，即两3/4圆弧在连接处产生一定长度的重叠，以使弯波导与直波导相靠近的地方形成一定距离(＞10μm)，从而避免各自所传输的光产生耦合，弯波导末端都与直波导相切连接。
5.S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导激光器，由980nmLD泵浦激光器(6)、耦合光纤(5)、高反射率光纤光栅(4)、光波导谐振腔(9)、低反射率光纤光栅(7)、耦合光纤(5)等部分组成，各部分顺序相连，其特征在于，所述光波导谐振腔为本发明所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导。
6.根据权利要求5所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导激光器，其特征在于，所述S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导与耦合光纤/光栅光纤的连接方式可用固定胶粘接，其它部件的连接可通过耦合器耦合，也可通过光纤熔接机耦合的方式连接。
7.根据权利要求5所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导激光器，其特征在于，可在低反射率光纤光栅(7)和耦合光纤(5)之间通过耦合器(10)增加一个980nm泵浦激光器(6)作反向LD泵浦，以进一步提高增益。
8.根据权利要求5所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导激光器，其特征在于，所述高反射率光纤光栅(4)的反射率大于95％，所述低反射率光纤光栅(7)的反射率在80-90％之间。
9.S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导放大器，由980nmLD泵浦激光器(6)、耦合光纤(5)、耦合器(10)、光波导(9)等部分组成，一个980nmLD泵浦激光器(6)和作为输入的耦合光纤(5)分别通过耦合器(10)、耦合光纤(5)与光波导(9)的输入端相连，光波导(9)的输出端与耦合光纤(5)相连，其特征在于，所述光波导(9)为本发明所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导。
10.根据权利要求9所述的S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导放大器，其特征在于，可在波导输出端通过耦合器(10)耦合一个980nm泵浦激光器(6)作为反向LD泵浦，以进一步提高增益。
全文摘要
S形铒镱共掺磷酸盐高增益光波导、光波导激光器和光波导放大器，属于光通信技术领域，涉及光波导技术。其光波导由铒镱共掺磷酸盐玻璃基质和主要利用电场辅助热离子交换技术形成的掩埋于玻璃基质中的S形光波导构成；其激光器，由泵浦激光器、耦合光纤、光纤光栅和光波导谐振腔等部分组成；其放大器，由泵浦激光器、耦合光纤、耦合器和光波导等部分组成。本发明提供的S形光波导有效利用了增益介质空间，大大延长了波导的增益长度，且损耗很小，充分提高了输出功率，可与单模光纤匹配；各高增益光波导系统体积小，运作更稳定，易于产业化；各光波导激光系统更容易集成化。
文档编号H01S3/063GK1752778SQ20051002187
公开日2006年3月29日 申请日期2005年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者张晓霞, 潘炜, 韩文杰 申请人:电子科技大学