专利名称：1054nm泵浦分束阵列式掺镱光纤放大器的制作方法
技术领域：
1054nm泵浦分束阵列式掺镱光纤放大器，属于光通信技术领域，涉及光纤技术。
背景技术：
由于能够同时放大多路光信号，而且具有小型化、集成化等优点，近年来阵列式光放大器备受人们的关注。1994年，D.Leclerc等人介绍了一种采用倒装晶片、自动对准封装技术，利用硅V型槽阵列制作的高性能具有4条沟道波导的半导体光放大器阵列。并且研究了提高器件性能的五种方法，降低偏振灵敏度、减小光纤耦合损耗、降低波长灵敏度、提高波导之间的一致性和提高倒装晶片与Si衬底的兼容性。1995年，日本NEC公司的S.Kitamura等报道了使用MOVPE工艺制作的低功耗、偏振无关的半导体光放大器阵列。该放大器阵列为4沟道阵列，在注入电流低至25mA时，信号增益达到20dB。日本NTT光电子实验室的Y. Suzaki等在2001年报道了一种高增益的半导体光波导放大器阵列。制作的光波导阵列采用直波导形式，光纤-光纤增益高达18dB，耦合效率为-3.5dB。并且该放大器阵列中的四条通道的放大特性具有很好的一致性。2004年，A. Chavez-Prison等报道了一种集成在一个芯片上的光放大器阵列。他们采用的衬底是具有较高单位长度增益的掺铒磷酸盐玻璃。芯片长度8cm，在C波带的增益达到22dB。 2005年，南京大学的陈海燕等报道了一种在铒镱共掺磷酸盐玻璃衬底上制作的4沟道光波导放大器阵列。他们从理论上分析了该放大器阵列在多个波长应用时的情况，例如在1539.4nm， 1540.2nm， 1542.0nm和1541.8nm波长处的应用。
光纤放大器通常采用耦合器或WDM将泵浦光与信号光一起输入到有源光纤，在传输过程中随着泵浦光的吸收信号得到逐渐的放大，最后通过输出光纤将放大后的光信号输出。与光波导放大器类似，按照泵浦方式的不同也可将光纤放大器分为三类正向泵浦型，反向泵浦型和双向泵浦型。在单个泵浦源功率相同的情况下，由于双向泵浦使用了两个泵浦光源，可以使泵浦总功率提高一倍，因而可以大大提高放大器的增益。但是双向泵浦多用了一个泵浦激光器，而且还需要另加耦合器等辅助器件，这就会大大提高器件的制作成本。反向泵浦的光纤放大器中，在不加隔离器的情况下，没有被有源光纤完全吸收的反向泵浦将会对信号源造成扰动，从而影响输出信号的稳定性。所以阵列光纤放大器的耦合方式需要改进，放大器总的输出功率还需提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是如何设计光纤放大器的偶合方式制作出散热小、更稳定的阵列式光纤放大器，并以此为基础提高相应放大器的增益。
由于阵列式光纤放大器需要同时放大八路激光信号，采用双向泵浦的话，就同时需要16个泵浦激光器。由于器件的总体尺寸是有所限制的，要在如此有限的空间内集成16个泵浦激光器的泵浦电路，会十分困难。并且，由于泵浦源一般都需要加温度控制电路，来稳定激光器的输出功率。将多个泵浦源安排在有限的空间内，将会使器件的温度快速升高，并给放大器的制冷带来严重的困难。
为了降低成本，并降低器件制冷设计的难度，减少了泵浦激光器的个数，采用一个泵浦源按50: 50的分束比分成两路后分别泵浦一路有源光纤的结构方案。这样，8路信号的放大总共只需要4个泵浦激光器，不仅降低了器件的发热量，而且大大减少了器件的数量，降低了成本，也降低了器件的实现难度。
本发明采用结构简单又容易实现的正向泵浦型光纤放大器结构。
如附图l所示是一个泵浦激光器对两路信号进行泵浦的放大器原理结构图。泵浦激光二极管采用电子四十四所生产的975nm半导体激光器，在500mA电流下可输出300mW的光功率。经半导体激光器输出的光经过一个50: 50的分束器后一分为二，分别与来自信号源的1054nm信号光在980nm/1054nm的波分复用器内汇合到一根光纤内，并进入特定长度的掺镱光纤。从1054nm的半导体激光器输出的信号光经光纤跳线进入输入隔离器，然后与泵浦光汇合进入波分复用器。此处隔离器的作用是防止后向反射和散射光进入信号光源从而影响信号光的稳定。信号光与泵浦光与一起进入有源光纤后，光纤中的镱离子会在泵浦光的作用下激发到高能级，处于激发态的离子在信号光的激发作用下辐射出与信号光特性相同的光子，从而实现信号光的放大。 一般来说掺镱光纤的长度选取得正好能够吸收完泵浦光为最优值。这是因为如果掺镱光纤太长的话，在光纤吸收完泵浦光后，不仅不能实现信号的放大，掺镱光纤反过来还要吸收已经放大了的信号光功率，从而影响信号的放大。因而掺镱光纤的长度选取需要进行优化设计。
信号光经过掺镱光纤的放大之后进入输出隔离器，然后经过输出跳线输出。在这里输出隔离器的作用是防止信号光进过放大后产生的后向反射和散射光进入掺镱光纤，从而避免大功率运转时在掺镱光纤内引起激光振荡，进而影响器件的噪声性能。
采用上述一个泵浦激光器泵浦两路信号的方法，只需使用四个泵浦激光器即可实现同时对八路输入信号的放大。1054nm阵列式光纤放大器的器件结构框图如附图2所示。阵列式光纤放大器提供两种接口，光接口和电接口。电接口为整个器件提供电源连接，采用5V的稳压电源供电。光接口又包括八路输入光信号接口和八路输出光信号接口，输入和输出是一一对应的关系，各路信号之间相互独立、互不影响。使用时，只需接入电源并打开开关，将需要放大的信号接入输入光纤一端，那么在相应的输出端就能够得到放大之后的光信号。
整个阵列式光纤放大器按结构和功能可以大致分为如下三个模块泵浦源、放大光路和机械结构，如附图3所示。其中泵浦源包括泵浦激光器和泵浦电路两部分。它的主要作用是为有源光纤提供粒子数反转所需要的能量，也即将电能转换为光能，然后输入到掺镱光纤并被镱离子吸收产生离子数反转。
泵浦电路除了为泵浦激光器提供稳定的泵浦电流外，还起到温度控制的作用。这是因为，泵浦激光器工作时将会由于功率较高，器件温度将会升高。为了使激光器工作稳定，就需要对激光器进行制冷。放大光路则由分束器、波分复用器(WDM)、掺镱光纤、光隔离器以及
光纤跳线等组成。机械结构主要是为泵浦源和放大光路提供支撑结构，使各个模块集成为一个完整的器件。
根据掺镱光纤的吸收光谱，Y^+在975nm处有个尖锐的吸收峰。因而泵浦源需要选用工作波长在975nm附近的激光器。选用的泵浦激光器是Lumics生产的LU0975M330型半导体激光器。
放大光路由以下元器件组成输入光纤跳线、1054nm光隔离器、975nm分束器(50: 50)、1054nm/975nm波分复用器、掺镱光纤和输出光纤跳线。
如附图4所示是用一个泵浦激光器对两条放大光路进行泵浦的原理示意图。从图中可以看出，两路信号的放大总共需要2根输入光纤跳线、4个光隔离器、l个分束器、2个波分复用器、2段有源光纤和2根输出光纤跳线。那么8路光信号的放大就需要8根输入光纤跳线、16个光隔离器、4个分束器、8个波分复用器、8段有源光纤和8根输出光纤跳线。在这些器件中，光隔离器、分束器和波分复用器的两端都带有2 3米的尾纤。再加上掺镱光纤和输入输出跳线，总的光纤长度将超过60米。
在放大光路制作过程中，对光纤的绕制是有要求的，即绕的光纤圆周直径不能小于5cm。在实际制作过程，所有的元器件都安排在放大器的中间位置，这样可以保证元件的尾纤都顺着元件的主体方向，不会出现将尾纤绕成小的圆周的情形。将同一侧的四个放大光路的光纤一起围绕对其泵浦的两个激光器周围，形成相对独立的两个光纤环，每个光圈环包含四个放大光路，如附图5所示。
放大器中的输入光纤跳线和输出光纤跳线，选用的是透明乳胶松护套的FC/APC型单模光纤跳线。单根跳线长度为lm，两端各有一个光纤接头。为了节省实验材料，将一根完整的跳线从中间一分为二。每根带一个光纤接头，另一端则可与光纤进行连接。隔离器选用的是上海瀚宇光纤通信技术有限公司生产的1060nm光隔离器。该隔离器的插入损耗小于2dB，隔离度则大于30dB，而反射损耗则高于50dB。隔离器尾纤采用的是Hil060nm的裸纤，长度大于lm。
分束器(耦合器)采用的是980nm单模耦合器，封装尺寸为(p3.0mmx40mm。尾纤长度为lm，分束比为Red (50.2) : Blue (49.8)，输出l端的插入损耗为3.05dB，输出2端的插入损耗为3.09dB。波分复用器则是采用的WDM-lx2-980/1064型的单模WDM。工作波长为980nm(Blue端)和1064nm (Red端)。器件封装尺寸为(p3.0mmx55mm，尾纤长度为lm。输入l端(1064nm)的插入损耗为O.lldB，输入2端(980nm)的插入损耗为0.10dB。耦合器和WDM的示意图如附图6所示。有源光纤是光纤放大器中的关键器件。为了获得较高的增益，就需要采用掺杂浓度高、单位长度增益大的有源光纤。选用的是Nufem公司生产的高吸收型单包层单模掺镱光纤，光纤型号为SM-YSF-HI。该型号的单包层单模掺镱光纤可以和"通信"单模光纤完全兼容，能够实现低损耗的连接。
在整个光纤放大器制作的过程中最困难的是光纤的绕制和焊接。光纤焊接之前需要先剥去光纤的涂覆层。 一般采用刀片剥削法和光纤钳剥削法。
光纤放大器的组装
阵列式光纤放大器按结构可以分为泵浦源、放大光路和机械结构三个部分。泵浦源和放大光路的支撑结构采用的是硬质铝合金制作的金属盒。金属盒正面设计成沟槽条纹状是为了给泵浦激光器散热。沟槽条纹的另一面是与泵浦激光器的散热片接触的。
为了保持器件稳定工作，需要在激光器上增加一个导热性能好的辅助散热片。我们采用的散热片是铝材料做成的矩形薄片。在将泵浦激光器焊接到电路板上之前，需要先把散热片装到激光器上。为了达到更好的散热和固定效果，可以在散热片和激光器之间涂上一层导热硅胶。制作时选用的是HT-KSIOI型导热硅胶。另外，激光器与电路板之间需要加垫一层绝缘软胶膜。 一方面可以防止激光器与电路板之间的电接触，另一方面也可以起到很好的防振效果。
本发明的创新点与特色
在诸多1054nm信号阵列式光纤放大器的理论分析与实验研究的基础上，改变了泵浦光与信号光的耦合方式，使得结构更加紧凑，运作更稳定，易于生产化。
采用一个泵浦源按50: 50的分束比分成两路后分别泵浦一路有源光纤的结构方案，降低了器件的发热量，而且大大减少器件的数量，降低成本，降低了器件的实现难度。
本发明的应用价值该光放大系统作为高速宽带远距离光通信的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 一个泵浦源对两路信号进行泵浦的光纤放大器结构2 1054rnn阵列式光纤放大器的器件结构框3阵列式光纤放大的组成框图
图4用一个泵浦激光器对两条放大光路进行泵浦的原理5每四个放大光路绕成一圈的制作方案
图6980nm单模耦合器和WDM-lx2-980/1064波分复用器示意图。
权利要求
1、1054nm阵列式光纤放大器，采用正向泵浦型光纤放大器结构，一个泵浦源按50∶50的分束比分成两路后分别泵浦一路有源光纤，信号光经过掺镱光纤的放大之后进入输出隔离器，然后经过输出跳线输出。其特征在于，一个泵浦源按照50∶50的分束比分成两路分别泵浦一路光线。
2、 根据权利要求1所述的1054mn阵列式光纤放大器，其特征在于，信号光经过放大之后进入输出隔离器，然后经过输出跳线输出，隔离器的作用是防止信号光进过放大后产生的后向反射和散射光进入掺镱光纤，从而避免大功率运转时在掺镱光纤内引起激光振荡，进而影响器件的噪声性能。
3、 根据权利要求l、 2所述的1054nm阵列式光纤放大器，其特征在于，光纤的绕制圆周直径不能小于5cm。所有的元器件都安排在放大器的中间位置，可以保证元件的尾纤都顺着元件的主体方向，不会出现将尾纤绕成小的圆周的情形。将同一侧的四个放大光路的光纤一起围绕对其泵浦的两个激光器周围，形成相对独立的两个光纤环，每个光圈环包含四个放大光路。
4、 根据权利要求1所述的1054mn阵列式光纤放大器，其特征在于，泵浦源和放大光路的支撑结构采用的是硬质铝合金制作的金属盒。金属盒正面设计成沟槽条纹状是为了给泵浦激光器散热。沟槽条纹的另一面是与泵浦激光器的散热片接触的。
5、 根据权利要求4所述的1054nm阵列式光纤放大器，其特征在于，采用的散热片是铝材料做成的矩形薄片。在将泵浦激光器焊接到电路板上之前，需要先把散热片装到激光器上。为了达到更好的散热和固定效果，在散热片和激光器之间涂上一层导热硅胶。
全文摘要
1054nm泵浦分束阵列式掺镱光纤放大器，属于光通信技术领域，涉及光纤技术。阵列式光纤放大器需要同时放大八路激光信号，采用正向泵浦型光纤放大器结构，一个泵浦源按50∶50的分束比分成两路后分别泵浦一路有源光纤，信号光经过掺镱光纤的放大之后进入输出隔离器，然后经过输出跳线输出。本发明提供的泵浦分束光纤放大器不仅大大降低了器件的发热量，而且大大减少了器件的数量，降低了成本，也降低了器件的实现难度；运作更稳定，易于产业化。
文档编号H01S3/04GK101562307SQ200910059420
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月26日 优先权日2009年5月26日
发明者洁 冷, 刘永智, 张晓霞, 张金令 申请人:电子科技大学