专利名称：具有不同芯子和包层材料的光波导管,以及采用该光波导管的发光装置的制作方法
相关申请的相互参照本申请包含的主题涉及由McCallion等人共同转让并共同提交的美国专利、申请号为09/121,455、名称为“制造光波导管的方法”的主题，其中，这里参照其全文引入该申请。
最近还发展了其它的应用，由此，高能、低相干的宽带源可被用于成像。具体而言，光相干层析X射线摄影术(OCT)使用低相干作为选通机构，在机体内通过将来自参考支路(reference arm)的一个光束和从抽样组织(sample tissure)反射的一个光束相干涉来成像不同的组织。因为该过程基于干涉，所以它对源内的振幅波动敏感。此外，因为机体内的不同组织在不同波长吸收和反射，所以在任何所需的波长提供源的能力成为一个明显的优点。当前，仅基于SOA和基于EDFA的ASE源对于OCT而言是经济可用的。令人遗憾的是，这些源也相对较贵。
作为另一个例子，一个ASE源可用在光纤陀螺仪中。这些装置通过干涉基于光纤的干涉仪的两个支路内的光束来工作。由于多普勒效应，平行于旋转方向传播的光被加速，而反向平行的光被减速。因为该装置是干涉测量的，因此，它特别敏感，并需要非常稳定的源。令人遗憾的是，因为该装置还需被旋转，所以它必需是紧凑的。当前的SOA源太大，并且不稳定，以致于不能在光纤陀螺仪中使用。
目前，有许多能提供耦合在光纤中的高能、宽带、低相干辐射的装置。一类装置基于半导体，并能被分为两组。第一组由超发光二极管(LED)构成，另一组基于无需任何输入信号就可被运转、并因此产生放大自发发射(ASE)的半导体光放大器(SOA)。第二类装置基于搀杂有稀土离子的光纤。这些光纤通常被用作并行(in-line)光放大器，但在没有信号输入而使用时，能产生宽带ASE。
如今，在本领域内有许多用来制造光信道波导管的技术。它们包括在玻璃基底内的离子交换，在LiNbO3基底内的离子内扩散或质子交换，利用激光烧蚀的图像清晰度(pattern definition)，旋制的聚合物薄膜的光刻法，和化合物半导体和搀杂晶体薄膜的外延生长和选择蚀刻。大体上，这些信道制造技术中的每一个的目的都是生产支持单一传播导向模式的波导管。而且，当今技术的一个缺点是它们不能与大量有用的光学材料、如激光晶体一起使用。另外，这些方法都限于用来确定芯子和包层的相似的材料。例如，用于玻璃集成光学结构中的离子注入，用于搀杂锂铌酸盐的波导管中的离子扩散，用于溅射、搀杂玻璃结构中的汽相淀积，或用于搀杂晶体装置中的外延生长。
综上所述，在产业中存在着对一种光波导管和使用该光波导管的辐射发射装置的需求，该光波导管允许芯子和包层材料由不同的结构和/或化学材料组成，并能够为了诸如上述不同应用而更经济地被生产。
在另一方面，提供一种辐射发射装置，该装置包括一个具有一个第一末端和一个第二末端的光波导管。该光波导管进一步包括一个由具有第一折射率的第一材料制造的芯子。该第一材料包括一个当用预定波长的辐射抽运时以期望的源波长发射辐射的激活材料。一个包层，由具有第二折射率的第二材料制造，连接到并至少部分包围该芯子。该第二折射率比第一折射率低，并且第一材料和第二材料由不同的材料组成。该辐射发射装置进一步包括一个第一光学反射材料和一个第二光学反射材料。该第一光学反光材料被设置在光波导管的第一末端上，而该第二光学反射材料被设置在该波导管的第二末端上。该第一光学反射材料被制造来允许在预定波长的抽运辐射进入光波导管，该第二光学反射材料被制造来允许以期望的源波长从该光波导管发射辐射。
再一方面，提供了一种制造辐射发射装置的方法。该方法包括形成一个光波导管，该光波导管具有一个由具有第一折射率的第一材料组成的芯子和粘接地连接到并至少部分包围该芯子的包层，该包层由具有第二折射率的第二材料组成，其中，该第二折射率比第一折射率低，并且，其中，第一材料由一激活材料组成，当被抽运时，该激活材料呈现光学荧光，并且该第一材料和第二材料由结构或化学上不同的材料组成；在光波导管的第一末端上施加第一光学反射材料，其中，该第一反射材料被制造来允许将在预定的波长的能量抽运进入光波导管；并且在光波导管的第二末端上施加第二光学反射材料，其中，该第二光学反射材料被制造来允许在期望的源波长来自该光波导管的发射辐射。
重申一下，提出一种新颖的光波导管结构，其中，芯子和包层由实际上相异的材料组成，这使得激光/ASE源可由任何固态的激活材料制成。这里提出的信道波导几何关系允许可转变成真实输出能量的由光纤传输的高能量抽运。此外，该光波导管支持宽带或窄带输出波长的单一模式或多模式光纤耦合。这样，使用该波导管实现的ASE和激光源适于需要单一模式传输的电信和有线电视产业、以及多模式光纤被用来处理高能量的成像和光谱学应用中的测试仪器。因为实际上相异的材料被用于该光波导管中，所以本发明具有可以使用本质上更稳定、并更不倾向于由振幅波动引起的噪声的激光玻璃或激光晶体的优点。另外，本发明不限于如在其它类型波导管源中的任何种类的相似材料。根据本发明的光波导管能够以与其它波导管方法相比明显低的成本生产，并能够容易地被小型化。
附图的简要说明本发明的上述目的、优点和特征，以及其它等等，在结合附图考虑时，从下面的本发明的某些最佳实施例的详细描述将更容易被理解。附图中
图1描述了根据本发明的一个光波导管的一个实施例，其中，芯子和包层由实际上相异的材料组成；图2是根据本发明的原理使用图1的光波导管的发光装置的一个实施例的示意图；图3a&3b分别以图表表示地描述了根据本发明的一个实施例的，在图2的发光装置的第一末端处的第一涂层R1的反射系数、和在图2的发光装置的第二末端处的一涂层R2的反射系数；和图4是根据本发明使用图2的发光装置的光纤通信测试仪器的一个实施例的示意图。
这里公开的信道波导管几何关系允许能够转变为真实输出能量的光纤传输的高能抽运。本发明的波导管几何关系还支持该输出能量的单一模式或多模式光纤耦合。这样，提出的激光和ASE源适用于使用多模式光纤来处理高能量的成像和光谱应用，以及需要单一模式传输的电信和有线电视产业中用的测试仪器。
图1描述了根据本发明的原理、通常表示为10的光波导管的一个实施例。结构10包括一个激活材料的芯子12，它由用不同于该芯子的材料组成的包层14包围。如这里所使用的，短语“不同材料”表示组成包层的材料和组成芯子的材料在结构和/或化学上相异，作为实际上不同的材料被分别制造，并在光波导管10的装配过程中结合到一起，如上面引入的申请中所述。
简要而言，光波导管10的制造是使用精度研磨和抛光技术以机械地将所选的光学材料(如芯子)在水平和垂直方向上变薄至期望厚度的多步骤过程。光学粘接剂被用来将信道波导管键合至包围的支持/包层介质。该制造过程可以包括在选择的光学材料(如芯子)和选择的支持基底(如包层)上制备一平整的光学表面。熔融的二氧化硅由于其易于加工及低折射率而可以被用作支持基底。在非常薄的胶合层(＜1μm)的情况下，为了有效的波导作用，信道必须用较低折射率的材料包围。显然，所选光学材料(芯子)的折射率决定了包层或支持区域的比率范围(index range)。包围介质的其它要求是与光学材料的处理兼容性、材料的利用率和粘接剂的键合亲合力。熔融二氧化硅满足这些要求，虽然某一范围的光学玻璃也是理想的。
在厚的胶合层的情况下，该胶的折射率提供了包层指数并影响波导管的性能。在该情况下，可以不考虑折射率而从其加工性能来选择支持基底。然而，在选择适当的胶厚度时，必须考虑如边缘破损和胶与芯子/包层材料之间的有差别的抛光率的特殊问题(issue)。如果需要，可以在加工流程的每一步骤上进行同时的样本处理。
一般说来，研磨和抛光阶段使用用于精度材料去除的带有不同微粒尺寸和类型的水基浆。波导管的尺寸用千分尺量具来监控，并在期望值处完成加工。在这种方式下可达到1μm的精度。高精度研磨夹具的使用能够得到波导管表面区域上的杰出的平坦度和平行度。
典型的尺寸可以是在截面为2-5mm×2-5mm、信道长度为5-20mm或更长的范围内。该尺寸允许在加工和光学测试期间容易处理和机械装配芯片。该芯片的端面被光学抛光以允许有效的光学能量射入信道波导管中和从信道波导管发射。
为了更完整地论述所使用的该光波导管的制造过程，参照上述引入的申请。对于本发明的显著结果是芯子或激活材料由一种与包层(它可被认为是支持材料本身或支持材料与光学粘接剂的结合，或光学粘接剂本身，如果足够厚的话)“不同的材料”组成。
通过例子，ASE源可以在一个实施例中使用一个光波导管，该光波导管具有由上述通过研磨和抛光技术并使用UV-固化的光学粘接剂构成的熔融二氧化硅包层包围的Nd玻璃芯子30μm×30μm。例如，可以使用新泽西州的Armbruster Associates公司生产的胶类型UVOA-45。这种特殊的胶类型由紫外线固化的、低粘性的光学粘接剂组成。
表I表示根据本发明的用于1300nm ASE源的不同波导管的例子。值得注意的是，这些结合仅仅是通过例子给出的，并且有无数的可能的额外的波导管构成。然而，在每个构成中，芯子材料和外包材料由分别从实际上不同材料制造、然后在光波导管的装配过程中结合在一起的结构和/或化学上相异的材料组成。
表I
根据本发明的发光装置的一个实施例在图2中描述。该发光装置包括具有由如上所述的实际上相异的材料构成的芯子12和包层14的图1的光波导管10。光波导管10的第一末端具有一施加到其上的第一光学反射材料R1，光波导管10的第二末端具有一施加到其上的第二光学反射材料R2。在实践中，材料R1和R2由将在下面进一步描述的不同涂层(即绝缘层)组成。在多模式光学仪器21上接收的抽运能量由抽运传输光学系统20转送，穿过光学反射材料R1进入激活材料的芯子12中。从该装置中发射出的能量被收集越过光学反射材料R2，进入设置成如图所示与芯子12成一条直线的光纤拾取器22中。
图1&2的信道波导管装置使用受激发射过程以产生放大自发发射(ASE)或激光辐射。抽运源被用来激活随后发射的波导管的芯子(即激活材料)中的原子。如果抽运能量低于系统的发射激光的临界值，并且一个宽带发射材料被用作芯子，则产生一个ASE源。然而，如果系统被设计以致于抽运能量足以推动系统高于发射激光的临界值，则产生激光。决定临界值条件的因素在下面描述。
一般的发光装置的构造包括图2的涂覆的波导管结构。该对称的波导管由以激活材料制造的(通过在如上述引入的申请中描述的研磨和抛光)、并在所有边上用相同的包层包围的芯子构成。该包层由具有低于芯子折射率的折射率的材料形成。该光波导管是发光装置的增益介质(gain medium)。通过将反射涂层放置在光导的两个端面上来形成该增益空穴(gain cavity)。对于激光和ASE源而言，源的抽运侧上的涂层R1在感兴趣的如用于ASE装置的宽带或用于激光装置的窄带的波长上是高反射的。涂层R1还在抽运波长和任何其它有明显增益、但不期望有发光的波长是逆反射(即透明的)。
作为一个特定例子，涂层R1可以是在正常入射的795-805nm和1000-1100nm的逆反射，而在正常入射的1290-1390nm为高反射(即反射系数高于99％)。涂层R1可通过低温沉积(T≤150℃)而被制成，并且最好能适应高入射激光能量(在800nm)。
涂层R1(以及涂层R2)的沉积过程的一个实施例如下所述·通过用浸溶剂的透镜组织重复擦拭光波导管的端表面的过程来清洁波导管表面；·该波导管被放在真空容器中，待被涂层的该末端面对作为块形式(bulk form)的沉积材料的片状器件(pellet)的源(或“目标”)；·抽空该容器；·接着用高能等离子体加热该源，以使该源的表面发出蒸汽；·一旦形成蒸汽，蒸汽中的原子向波导管传播(“位线”)，并在端表面上形成粘性薄膜。该源保持加热和发射，直至达到由一个独立的监控器所决定的期望薄膜厚度；和·对于由绝缘层组成的不同的材料重复该过程以最终形成反射涂层R1(或涂层R2)。
图3a以图表方式描述了根据本发明在发光装置中用作涂层R1的一个绝缘层的反射系数比波长。达到该反射系数的绝缘层可从例如加利福尼亚州的Cascade Optical Coatings公司订购。
根据本发明的ASE和激光发光装置在施加到光波导管10的第二或相对端表面的涂层R2中实质上不同。对于激光源而言，涂层R2的发射/反射系数被确定以致于在轻易可达到的抽运能量处，光波导管10内的往返增益将等于穿过涂层R1和R2的波导管的每个末端处的损耗，以及任何由波导传播引起的损耗。这被认为是发射激光的临界。第二涂层R2也被选择来达到足够的输出能量，它不必是达到用于激光源的最低临界抽运能量的相同涂层。
对于ASE源而言，选择涂层R2以使临界条件需要一个比由抽运激光器发射至波导管稍高的抽运能量。这样，一般引起在低损耗空穴中发射激光的自发发射由于在ASE源的空穴中的高损耗(如在涂层R2处的较低反射系数)而在很高的能量处生成。
图3b表示对于在ASE源和激光源的实现中由涂层R2组成的可能的绝缘层的反射系数比波长。同样，这些绝缘层的特性可从诸如加利福尼亚州的Cascade Optical Coatings公司得到。从图3b中可知，在1300nm范围内，激光源的涂层R2的反射系数明显高于ASE源。
在根据本发明的ASE装置和激光装置中，用适当的光学系统20(图2)穿过涂层R1传输抽运光，以获得与波导管几何关系的高效耦合。这可以通过使用一个多模式光纤来传输抽运能量和使用非球面透镜将能量聚集至所需尺寸来制造。在另一个实施例中，来自抽运二极管的辐射可用一系列圆柱形透镜直接聚焦进波导管内。
根据本发明的光信道波导管发光装置在使用搀杂钕(Nd)的增益介质的激光和ASE源构造中已用实验方法加以说明。该发光装置被表示为在标准的单一模式光纤的1300nm窗口中的ASE源。这样的话，它具有作为电信和有线电视产业用测试仪器的应用。此外，它还具有作为用于光相干层析X射线摄影术(OCT)、光纤陀螺仪和光纤传感器的低干涉源的潜在用途。
该源已被表示为在1064nm处的NdYAG内和从1345至1370nm的Nd玻璃内的激光器。作为一个激光器，该装置还有许多应用。因为能够将输出耦合入光纤中，因此，该激光源对于生成通信用的一个全固态源来说是理想的，包括那些被设置成多波长系统用的ITU标准。此外，因为该激光源被小型化，并能被包括在与激光二极管本身相同的包装中，因此在小的包装中的需要高能量的任何应用都将由依照本发明的一个系统来满足。
图4表示根据本发明的表示为40的测试仪器的一个实施例。该测试仪器使用具有如上所述的光波导管10和抽运传输光学系统20的发光装置30。抽运能量由耦合至并由具有激光二极管驱动器62和温度控制器64的印刷电路插件60控制的激光二极管70来提供。该激光二极管驱动器62本身由一个可被插入(通过线52)标准的墙上电源插座的AC至DC电源50驱动。从发光源30发射的辐射在一个例子中可以在穿过穿壁式连接器90提供给正在检验的通信系统(图中未示)前被过滤80。可通过多模式光纤从激光二极管70传输抽运能量，并且可越过如上所述的涂层R2在光波导管的输出端处穿过单一模式光纤或多模式光纤从光波导管10拾取源发射辐射。
作为特殊的例子，AC至DC电源50由加利福尼亚州的AztecAmerica公司制造的RBS42型号的电源组成。激光二极管驱动器62和温度控制器64可以分别是来自蒙大那州的Wavelength Electronics的型号PLD-5000和HTC-3000。激光二极管70可以由亚利桑那州的Opto Power公司制造的型号为OPC-A001-802-FC/100的二极管组成。抽运传输光学系统20可以是由新泽西州的Thorlabs公司制造的型号为C230260P-B光学系统。最后，并行过滤器80可以由本领域技术人员容易地制造以过滤不需要的波长，并且穿壁式连接器90可以由宾西法尼亚州的Amp公司制造的501506-2型号的连接器组成。并且，提出的上述元件仅是例举。
尽管在这里根据某些最佳实施例详细地描述了本发明，但本领域的技术人员可以完成许多改进和改变。因此，希望用下面的权利要求来覆盖所有这些落入本发明的实质和范围内的改进和改变。
权利要求
1.一种光波导管，包括一个芯子，由具有第一折射率的第一材料制造，所述第一材料由当用一预定的波长的辐射抽运时以期望的波长发射辐射的一激活材料组成；一个包层，连接到并至少部分包围所述芯子，所述包层由具有第二折射率的第二材料制造，所述第二折射率低于所述第一折射率；和其中，所述第一材料和所述第二材料由不同的材料组成。
2.如权利要求1所述的光波导管，其中，所述第一材料和所述第二材料至少由在结构上不同的材料和化学上不同的材料之一组成。
3.如权利要求2所述的光波导管，其中，所述的第一材料由一种晶体材料组成，所述第二材料由一种非晶体材料组成。
4.如权利要求1所述的光波导管，其中，所述第一材料由一种晶体材料和一种玻璃材料之一组成，并且，其中所述包层用一种光学粘接剂粘接地连接至所述芯子，所述光学粘接剂具有与所述包层的所述第二折射率相似的折射率。
5.如权利要求4所述的光波导管，其中，所述芯子由一种在每一侧上由所述包层包围的伸长芯子组成，所述伸长芯子具有横向矩形截面构造或横向正方形的截面构造。
6.如权利要求1所述的光波导管，其中，所述光波导管由一信道波导管组成，其中，所述包层用一种光学粘接剂粘接地连接至所述芯子。
7.如权利要求1所述的光波导管，其中，由所述光波导管发射的所述期望波长的所述辐射由可见光和红外线辐射至少之一组成。
8.如权利要求1所述的光波导管，其中，所述包层由连接到并至少部分包围所述芯子的一厚层光学粘接剂组成，所述光学粘接剂具有所述第二折射率。
9.一种辐射发射装置，包括一个光波导管，具有一个第一末端和一个第二末端，并且包括一个芯子，由具有第一折射率的第一材料制造，所述第一材料由当用一预定的波长的辐射抽运时以期望的源波长发射辐射的一激活材料组成；一个包层，连接到并至少部分包围所述芯子，所述包层由具有第二折射率的第二材料制造，所述第二折射率低于所述第一折射率；和其中，所述第一材料和所述第二材料由不同的材料组成；一个第一光学反射材料，设置在所述光波导管的所述第一末端上；一个第二光学反射材料，设置在所述光波导管的所述第二末端上；和其中，所述第一光学反射材料允许以所述的预定的波长将辐射抽运入所述光波导管中，所述第二光学反射材料允许以所述的期望的源波长从所述光波导管发射辐射。
10.如权利要求9所述的辐射发射装置，进一步包括一个光学地耦合至所述光波导管的辐射泵，用来以预定的波长通过所述第一光学反射材料向所述芯子提供抽运辐射。
11.如权利要求10所述的辐射发射装置，进一步包括一个邻近所述第二光学反射材料并基本与所述光波导管的所述芯子共线设置的光学拾取光纤，以所述期望的源波长拾取通过所述第二光学反射材料发射的至少部分辐射。
12.如权利要求9所述的辐射发射装置，其中，所述期望的源波长由一宽带放大自发发射(ASE)波长或一激光波长之一组成。
13.如权利要求12所述的辐射发射装置，其中，所述期望的源波长由所述的宽带ASE波长组成，其中所述的第二光学反射材料对于所述宽带ASE波长是基本透明的。
14.如权利要求12所述的辐射发射装置，其中，所述期望的源波长由所述激光波长组成，所述的第二光学反射材料在所述激光波长的一窄带内是透明的。
15.如权利要求9所述的辐射发射装置，其中，所述包层用一种光学粘接剂粘接地连接至所述芯子，所述光学粘接剂具有与所述包层的所述第二折射率相似的折射率。
16.如权利要求15所述的辐射发射装置，其中，所述芯子由一伸长芯子组成，并且所述包层包围所述伸长芯子的每一侧，其中，所述伸长芯子的横向截面为矩形或横向截面为正方形。
17.如权利要求16所述的辐射发射装置，其中，所述光波导管由一信道波导管组成。
18.如权利要求9所述的辐射发射装置，其中，所述第一材料和所述第二材料至少由在结构上不同的材料和化学上不同的材料之一组成。
19.一种制造一辐射发射装置的方法，包括形成一个光波导管，具有一个由有着第一折射率的第一材料组成的芯子和粘接地连接到并至少部分包围所述芯子的包层，所述包层由具有第二折射率的第二材料组成，其中，所述第二折射率低于所述第一折射率，其中，所述第一材料由在受激时呈现光学荧光的激活材料组成，并且所述第一材料和所述第二材料由结构上或化学上不同的材料组成；在所述光波导管的第一末端上施加第一光学反射材料，其中，所述第一光学反射材料被制造来允许将能量以预定的波长抽运进所述光波导管内；和在所述光波导管的第二末端上施加第二光学反射材料，其中，所述第二光学反射材料被制造来允许以所述期望源波长从所述光波导管发射辐射。
全文摘要
提供了一种光波导管,使用相同的光波导管的辐射发射装置和制造该辐射发射装置的方法。光波导管具有由有着第一折射率的第一材料制造的芯子(12)和包围该芯子(12)、由有着第二折射率的第二材料制造的包层(14)。该芯子是当用预定的波长抽运时以期望的波长发射辐射的激活材料,并且该第一材料和第二材料是不同的材料(R1、R2),被分别制造并随后实际上装配为该波导管。使用该光波导管的该发光装置在该光波导管的末端使用适当的反射材料而被构造成放大自发发射(ASE)源或激光源。
文档编号G02B6/122GK1354902SQ99809168
公开日2002年6月19日 申请日期1999年7月22日 优先权日1998年7月23日
发明者布赖恩·L·劳伦斯, 凯文·J·麦卡莱昂 申请人:分子光电子公司