一种短长度高增益光波导放大器的制作方法

本发明属于光传输领域，涉及光放大器，尤其涉及一种短长度高增益光波导放大器。

背景技术：

光纤放大器是通信系统中至关重要的组成部分，广泛应用于光通信、光网络、国防等各个领域。光放大器目前的主流是掺铒光纤放大器(EDFA)，掺铒光纤放大器适合于CBand、L Band，速率透明、大增益、大带宽、低噪声、高功率是使其成为光通信低损耗窗口理想的光放大器。

随着现代通信的飞速发展，通信系统的传输容量进一步提升，对光纤放大器的小型化和性能尤其是增益指标要求越来越高，因此，急需一种尺寸小且增益高的光放大器。

技术实现要素：

为了解决现有技术中小尺度下光放大器增益的不足，本发明旨在提供一种短长度高增益光波导放大器，具体的技术方案如下：一种短长度高增益光波导放大器，耦合于光纤中，用于放大信号光源的信号光，包括依次设置的泵浦光发射装置、光纤耦合器、前端自聚焦透镜、掺铒离子玻璃棒及后端自聚焦透镜，工作时，所述泵浦光发射装置发射泵浦光，所述光纤耦合器的输入端接收所述泵浦光和信号光并通过前端自聚焦透镜传输至掺铒离子玻璃棒，所述掺铒离子玻璃棒吸收泵浦光的能量并转移至信号光中，使信号光得到放大，放大后的信号光经后端自聚焦透镜传输至光纤中。

所述掺铒离子玻璃棒在玻璃棒中掺杂铒离子，所述铒离子的掺杂浓度为10²⁴-10²⁷个/m³。

所述掺铒离子玻璃棒在玻璃棒中掺杂铒离子和镱离子，所述铒离子的掺杂浓度为10²⁴-10²⁷个/m³，所述镱离子的掺杂浓度为10²⁴-10²⁷个/m³。镱离子对泵浦光有宽的吸收波段和大的吸收截面，而且镱离子的发射波段与铒离子的吸收波段在光谱上存在着很大程度的重叠，使得镱离子到铒离子有较高的能量传递效率。因此，在掺铒离子玻璃棒中加入镱离子可以敏化铒离子并大大提高铒离子对泵浦光的吸收，进一步改善掺铒离子玻璃棒的光谱性质，即镱离子能使铒离子吸收更多的泵浦光能量，进而使的铒离子传递给信号光的能量更多，进一步提高该光波导放大器的增益。

所述掺铒离子玻璃棒在玻璃棒中同时掺杂铒离子和镱离子，所述铒离子与镱离子的掺杂比例为1:2～1:3。

所述掺铒离子玻璃棒的长度为1cm-10cm，直径为0.01-1mm。

所述掺铒离子玻璃棒的基质材料为磷酸盐或碲酸盐或硅酸盐等。

所述泵浦光发射装置包括泵浦光源，所述泵浦光源的为泵浦激光二极管，用于发射波长为793nm或800nm或808nm或973nm或980nm等的泵浦光。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过长度为1cm-10cm，直径为0.01-1mm的掺铒离子玻璃棒作为主要的放大器件，相比于传统的掺铒光纤，在相同增益的情况下，玻璃棒的长度会更小，且结构简单。

(2)本发明在掺铒离子玻璃棒中同时掺杂铒离子和镱离子，镱离子对泵浦光有宽的吸收波段和大的吸收截面，而且镱离子的发射波段与铒离子的吸收波段在光谱上存在着很大程度的重叠，使得镱离子到铒离子有较高的能量传递效率。因此，在掺铒离子玻璃棒中加入镱离子可以敏化铒离子并大大提高铒离子对泵浦光的吸收，进一步改善掺铒离子玻璃棒的光谱性质，即镱离子能使铒离子吸收更多的泵浦光能量，进而使的铒离子传递给信号光的能量更多，进一步提高该光波导放大器的增益。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明仅掺杂铒离子的磷酸盐玻璃棒的信号增益随泵浦光功率变化曲线；

图3是本发明铒，镱离子共掺碲酸盐玻璃棒的信号增益随泵浦光功率变化曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供的短长度高增益光波导放大器，耦合于光纤7中，用于放大信号光源1发出的信号光，包括依次设置的泵浦光发射装置2、光纤耦合器3、前端自聚焦透镜4、掺铒离子玻璃棒5及后端自聚焦透镜6，工作时，泵浦光发射装置2发射泵浦光，光纤耦合器3的输入端接收泵浦光和信号光并通过前端自聚焦透镜4传输至掺铒离子玻璃棒，掺铒离子玻璃棒吸收泵浦光的能量并转移至信号光中，使信号光得到放大，放大后的信号光经后端自聚焦透镜6传输至光纤7中。

而传统的掺铒光纤放大器一般采用10—30米长甚至更长的一段掺杂铒离子或其他稀土离子的光纤作为信号光放大的主要功能部件，一般掺铒光纤的尺寸都非常大，导致光放大器的尺寸也会很大，而本发明突破传统的结构，将传统的掺铒光纤采用掺铒玻璃棒代替，由于玻璃棒制作成本低，制作简单且结构尺寸灵活多变，根据实际使用需要，可以调整其直径或长度，进而改变其体积，改变掺杂的铒离子和镱离子的浓度，在同样的增益下，可将掺铒玻璃棒的长度做到很小，使光放大器小型化。

本发明在掺铒离子玻璃棒的前后采用自聚焦透镜，减少了光的折射。

为了获得更高的增益，本发明在玻璃棒中同时掺杂铒离子和镱离子，由于镱离子对泵浦光有宽的吸收波段和大的吸收截面，而且镱离子的发射波段与铒离子的吸收波段在光谱上存在着很大程度的重叠，使得镱离子到铒离子有较高的能量传递效率。因此，在掺铒离子玻璃棒中加入镱离子可以敏化铒离子并大大提高铒离子对泵浦光的吸收，进一步改善掺铒离子玻璃棒的光谱性质，即镱离子能使铒离子吸收更多的泵浦光能量，进而使的铒离子传递给信号光的能量更多，进一步提高该光波导放大器的增益。

在铒离子和镱离子共掺的玻璃棒中，由镱离子直接吸收泵浦光能量传递至铒离子进而传递给信号光实现光放大，在这个机制中，一方面，镱离子首先被激活，在其两能级(基态和上能级)间会存在一定的粒子数反转形成波段1.06μm的自发辐射光，当泵浦光频率较高时，跃迁至上能级的镱离子数目会较多，形成的粒子数反转会很大，导致镱离子的自发辐射光对放大器的输出功率产生比较严重的限制，另一方面，铒离子在亚稳态寿命较长，存在着能量向镱离子反向回传的情况，造成储能的一部分浪费，所以在考虑光波导放大器设计时，需合理选择铒离子与镱离子的掺杂比例与掺杂浓度，在本发明中，铒离子的掺杂浓度为10²⁴-10²⁷个/m³(可以选择为10²⁷个/m³、10²⁴个/m³、10²⁶个/m³等)，镱离子的掺杂浓度为10²⁴-10²⁷个/m³(可以选择为10²⁷个/m³、10²⁴个/m³、10²⁶个/m³等)，铒离子与镱离子的掺杂比例为1:2～1:3(可以选择为1:2，1:2.5，1:3等)，如此设计，能够减小能量回传、减小镱离子的自发辐射光对放大器的输出功率的限制。

当然，也可只掺杂铒离子，掺杂浓度为10²⁴-10²⁷个/m³(可以选择为10²⁷个/m³、10²⁴个/m³、10²⁶个/m³等)。或者，也可以掺杂其他种类的稀土离子，以达到相同的效果。

为了在较高增益的情况下，保证光波导放大器的尺寸较小，本发明的掺铒离子玻璃棒的长度为1cm-10cm(可以为1cm、10cm等)，直径为0.01mm-1mm(可以为0.01mm、1mm等)，相比传统的掺铒光纤放大器，本发明采用尺寸小的掺铒离子玻璃棒，相比传统的掺铒光纤大大缩小了放大器的尺寸。

进一步的，掺铒离子玻璃棒的基质材料为磷酸盐或碲酸盐或硅酸盐，磷酸盐/硅酸盐相比于硅酸盐能更好的融合铒离子、镱离子等稀土离子，有效保证了铒离子和镱离子的掺杂浓度和吸收泵浦光能量的效果。

进一步的，泵浦光发射装置包括泵浦光源，泵浦光源的为泵浦激光二极管，用于发射波长为793nm或800nm或808nm或973nm或980nm的泵浦光。

对于仅仅掺杂铒离子的玻璃棒，泵浦光的波长在808nm能使得铒离子发生三级能级跃迁，获得更大的能量，提高放大器的增益。

对于铒离子和镱离子共掺的玻璃棒，镱离子对波长为980nm的泵浦光有很高的吸收峰，因此，采用发射980nm的泵浦激光二极管，镱离子能实现三能级跃迁，获得更大的能量并传递给铒离子，提高放大器的增益。

在本发明一实施例中，信号光的波长为1535nm，泵浦光的波长为980nm，泵浦光功率范围为30～250mW，掺铒离子玻璃棒的铒离子掺杂浓度为3.8ⅹ10²⁶个/m³，长度为7.1cm，半径为2.0mm，放大器的增益随泵浦光功率的仿真曲线如图2所示，横坐标表示泵浦光的功率，纵坐标表示放大器的增益。

在本发明另一实施例中，信号光的波长为1530nm，泵浦光的波长为980nm，泵浦光功率范围为60～780mW，掺铒离子玻璃棒采用碲酸盐为基质材料，铒离子掺杂浓度为5.25ⅹ10²⁶个/m³，镱离子掺杂浓度为1ⅹ10²⁷个/m³，掺铒离子玻璃棒的长度为3cm，半径为2.0mm，放大器的增益随泵浦光功率的仿真曲线如图3所示，横坐标表示泵浦光的功率，纵坐标表示放大器的增益。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。