专利名称：一种利用改变纵向浓度改善有源光学器件信号增益的方法
技术领域：
本发明属于光通信技术中有源光放大器件领域，具体涉及到一种利用控制掺铒光波导纵向(信号传输方向)掺杂离子浓度来实现对光波导信号增益的改善。
背景技术：
在光纤通信系统中，光信号在光纤中传输时存在着损耗。因此在实际应用中，每隔几十千米就要设置一个“电中继器”，先把光信号转换为电信号，通过电学放大器进行放大，然后再转换回光信号，继续沿光纤线路进行传送。然而这种方式每次都要经过光变电和电变光两次变换，系统结构复杂，不利于光路的集成化。而且随着光纤通信系统传输容量的增大，需要响应速率极高的电子器件，这也是很难解决的问题。因此改变这种复杂的光电转换过程为直接在光路上对光信号进行放大，用一个全光方式的放大器来代替现在的这种光—电—光型的电中继器是一种很好的解决办法。既降低了成本，又缩小了中继器的体积，有利于光路中器件的集成化。
人们发现稀土Er3+的内层4f电子4I1 3/2-4I1 5/2的能级跃迁，其特征波长为1.54μm，正好处于石英光纤的最低损耗区，是光纤通信的理想传输波段，并且外层电子也存在良好的屏蔽作用，具有很好的单色性。由于有着诸多优点，掺杂铒离子的光学放大器件的研究得到了广泛的关注，近些年来得到了广泛的研究并被应用于光纤通信领域。其中，掺铒光纤放大器出现较早，1985年英国南安普顿大学首先研制了掺铒光纤放大器。此后，掺铒光纤放大器的研究工作不断出现重大突破。发展到90年代，掺铒光纤放大器的技术已经趋于成熟，应用也十分广泛，但它自身存在许多无法克服的缺点，比如它的掺杂浓度较低，需要较高的泵浦能量；体积大、结构复杂，难以集成化等。这就在应用方面受到了很大的限制，同时也给使用者带来很大的不便。
90年代初，掺铒光波导放大器的出现很好的解决了上诉问题。掺铒光波导放大器固有的特点是结构紧凑，掺杂浓度高，可集成化它不需要数以米计的光纤就可达到高增益，其小巧的尺寸很适合于有限的空间；掺铒波导放大器还可以像集成电路一样，将光波导放大器、激光器、光滤波器、波分复用器、光探测器等有源、无源器件集成在一个面积非常小的芯片中，构成光电子集成器件。可以说高增益掺饵光波导放大器研制的进展已经成为全光通信网发展的热点，引起了世界各国科学家的极大兴趣。然而，在小面积的光波导基质中掺杂高浓度的三价铒离子，会产生合作上转换、激发态吸收和交叉弛豫等效应，严重影响信号增益的近一步提高。虽然目前尝试了多种方法来改进光波导放大器制备工艺，但对最后增益输出的提高都很有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过改变掺铒光波导纵向掺杂浓度优化放大器增益的方法，以实现利用多个容易实现的低掺杂浓度、低增益的掺铒光波导放大器级联起来，组合得到高增益的光波导放大器的目的。
本发明的技术方案是利用有限元方法分析信号光在波导中的传播模式，结合速率方程计算比较经过掺铒浓度恒定和渐变的波导信号光的增益情况，通过自适应算法确定了最佳浓度分布规律。
对光波导增益的数值模拟基于有限元方法，先对给定初始条件的波导中泵浦光和信号光场传输模式进行分析，再利用fortune程序进行光波导传输物理过程的模拟计算。针对离子浓度变化的方案，采取自适应方法进行求解。具体做法是把波导纵向分成m小段，对于每一小段依次分别进行求解。利用每段波导的泵浦效率作为判据，当泵浦效率达到最佳时，可以求解出相对应的铒离子浓度，再以前一小段波导的泵浦光和信号光输出值作为后一小段波导的输入值。这样可以分步求出每一小段波导的铒离子浓度，组合到一起就得到整个长度波导的铒离子分布曲线。
结果表明，相对于恒定的掺杂浓度，如图2中虚线所示，掺杂浓度纵向变化的光波导放大器对增益有着明显的改善，如图2中实线所示。
在掺铒光波导放大器的荧光谱检测实施例中，利用半导体激光器作为泵浦源，激光束通过斩波器调制后照射到样品上。激发的荧光光谱由会聚透镜聚焦到单色仪的入射狭缝，经过出射狭缝耦合到近红外探测器。探测器把红外波段的光信号强度转换成电信号，电信号经锁相放大器放大后由计算机进行数据记录。样品之间可以有不同的组合，调节半导体激光器的工作电流，可得到不同功率的泵浦能量泵浦下的荧光谱。根据不同条件下荧光谱的强度对比可知某种组合具有最佳的泵浦效率。
本发明效果和益处是对于光纤放大器，由于其掺杂浓度较低，体积必须做得很大，难于实现光学器件的高度集成化，这在某种程度上限制了光通信领域的发展，而目前的掺铒光波导由于体积较小，单位体积内铒浓度高而引起了上转化效应，降低了泵浦效率，很难得到更好的增益。利用纵向控制掺铒光波导掺杂浓度，从而改善了放大器的增益输出，很好的解决了这个问题。
本方法首先利用计算机模拟得到了改善的放大器浓度分布方案，增益相对于恒定浓度的情况得到了8.33％的提高。在实施例中，实现了低浓度样品的不同组合组成浓度梯度变化的光波导放大器，得到了相当于高掺杂浓度的放大器效果。高掺杂浓度样泵品由于铒离子的粹灭效应，会有明显的上转化和激发态吸收效应，对泵浦光的利用率有明显的抑制作用。而低掺杂浓度的样品组合由于消除了明显的上转化现象，在相同的泵浦功率下的泵浦效率相应得到了提高。
图1是铒离子浓度随波导长度的变化曲线图。
图2是恒定浓度和变化浓度增益随波导长度的变化曲线图。
图1、2是铒离子浓度和波导信号增益随波导长度变化理论计算结果示意图。
图3是980nm半导体激光器泵浦掺铒玻璃样品所产生1.53μm荧光光谱的测量光路图。
图4是泵浦功率为1.0W，浓度为0.1at.％，、0.2at.％，单片及级联荧光谱强度的合成图。
图3、4是实施例中具体光路和实施例结果示意图。
图3中L1、L2是会聚透镜；A、B是样品；D是探测器。
具体实施例方式
下面结合技术方案和附图详细描述本发明的具体实施方式
。
计算中取波导长度为25cm，波导传输损耗为0.35dB/cm，波导为高度和脊高分别为1μm和0.5μm，宽度和脊宽分别为3μm和6μm。芯层和包层折射率分别为1.64和1.5。泵浦光和信号光的初始值分别为50mw和0.001mw，通过恒定浓度和利用自适应算法得到的浓度曲线分布如图1所示。得到的增益值为26dB，比恒定浓度下(1.9(1020/cm3))的增益24dB有8.33％的提高，如图2所示，其增益效果在波导传输的后半段优势明显。
实施例通过测试两块不同浓度掺铒玻璃样品组合的光谱强度获取这一类掺杂材料的性质。泵浦源选择为波长978.2nm的半导体激光器，电源输出电流0-2000mA连续可调，分辨率为1mA，对应激光器输出功率为0-1.1W。激光束经过斩波频率为423Hz的光学斩波器调制后由会聚透镜L1聚焦照射到样品上。产生的荧光光谱由会聚透镜L2聚焦在单色仪的入射狭缝，通过出射狭缝耦合到半导体制冷器制冷的InGaAs近红外探测器，型号为MODEL ID-441-C，可在-40℃恒温工作。电信号被锁相放大器放大后由计算机处理绘制出荧光谱图像。不同浓度的样品之间可以有不同的各种组合，调节作为泵浦源的半导体激光器的工作电流，可得到不同功率的泵浦能量作用下的荧光谱。
如图3所示，将两片样品A、B叠放级联起来。实施例验证，A和B之间有一定的间隙并不影响荧光谱的强度。保持泵浦源半导体激光器工作在相同的泵浦功率输出时，测量级联后的荧光谱强度。如图4所示，掺杂浓度为0.1at.％的单片样品的荧光谱强度是0.37(归一化后的任意单位)，半值宽度为18.8nm；浓度为0.2at.％的单片样品的荧光谱强度是0.47，半值宽度为20.2nm；浓度为0.1at.％和0.2at.％的两片玻璃样品级联后的荧光谱强度为0.88，半值宽度为20.4；浓度为0.2at.％和0.1at.％的两片玻璃样品级联后的荧光谱强度为1.00，半值宽度为20.4nm。0.2at.％和0.1at.％的两片玻璃样品级联后的荧光谱强度与浓度为0.2at.％的单片样品的荧光谱强度比较，增强了2.14倍，约相当于浓度为0.6at.％单片样品的荧光谱强度。可定性得出结论为1、两片玻璃样品级联后的荧光谱强度比单片玻璃样品级联后的荧光谱强度高，级联后的半值宽度与高浓度样品的半值宽度基本相等；2、在两片掺饵玻璃样品级联的形式中，浓度高的样品靠近泵浦光源时的荧光强度比浓度低的样品靠近泵浦光源时的荧光强度高；上述结论对各种不同浓度的两片掺饵玻璃样品级联组合的荧光谱强度幅值而言，经实施例验证均成立。
通过上面的实施例，掺杂浓度纵向变化的样品对信号增益有着较好的改善，这点与理论计算结果相符合。低浓度的两片样品级联组合抑制了合作上转化现象，提高了激光器的泵浦效率，在相对低的泵浦功率下达到了高掺杂浓度样品的增益效果。单个级联放大器的浓度和数目可以视具体条件和要求确定。
权利要求
1.一种利用改变纵向浓度改善有源光学器件信号增益的方法，其特征是利用泵浦激光器产生受激辐射增强光信号强度，其实施步骤是沿着光波导信号传输方向，用自适应算法得到的掺杂铒离子浓度成非均匀、逐步递减，通过掺杂浓度不同的两个放大器级联初步实现。
2.根据权利要求1所述的一种利用改变纵向浓度改善有源光学器件信号增益的方法，其特征是把波导纵向分成m个小单元，对于第一个小单元波导，分别确定了初始输入泵浦光和信号光能量；以单元得到的泵浦效率最大值为判据，计算最佳的掺铒浓度，再以单元输出的泵浦光和信号光结果作为下一单元的初始值，最后通过将m个小单元的结果串联起来得到整段光波导的浓度分布。
全文摘要
本发明属于光通信技术中有源光放大器件领域，具体涉及到一种利用控制掺铒光波导纵向掺杂离子浓度来实现对光波导信号增益的改善方法。其特征是沿着光波导放大器纵向的掺杂铒离子浓度成非均匀、逐步递减。通过掺杂浓度不同的两个放大器级联初步实现。本发明的效果和益处是利用低浓度掺铒光波导放大器抑制合作上转化效应，通过自适应算法得到了在一定泵浦功率下，掺铒光波导纵向铒浓度分布曲线，得到了比均匀掺杂情况高的增益输出。
文档编号G02F1/39GK1595276SQ20041002086
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月28日 优先权日2004年6月28日
发明者宋昌烈, 李成仁, 宋琦, 李淑凤, 高景生, 李建勇 申请人:大连理工大学