1、光波導(dǎo)放大器原理和進(jìn)展光波導(dǎo)放大器原理和進(jìn)展光學(xué)工程楊慶忠2019202129主要介紹內(nèi)容v 光波導(dǎo)器件光波導(dǎo)器件v 光波導(dǎo)放大器工作原理光波導(dǎo)放大器工作原理 v 光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展光波導(dǎo)器件光波導(dǎo)：將光波束縛在一定區(qū)域內(nèi)傳播。光波導(dǎo)：將光波束縛在一定區(qū)域內(nèi)傳播。光波導(dǎo)器件：光波導(dǎo)器件： 光波導(dǎo)器件最大特點(diǎn)是在原理上能將光波導(dǎo)器件最大特點(diǎn)是在原理上能將多個多個 基本元件集成在一個基底上。基本元件集成在一個基底上。 光波導(dǎo)器件光波導(dǎo)器件基本結(jié)構(gòu)以平面光波導(dǎo)為例）光波導(dǎo)器件基本結(jié)構(gòu)以平面光波導(dǎo)為例） 光波導(dǎo)器件光波導(dǎo)器件按其組成材料可分為光波導(dǎo)器件按其組成材料可分為 ：鈮酸鋰鍍鈦

2、光波導(dǎo)鈮酸鋰鍍鈦光波導(dǎo)硅基二氧化硅光波導(dǎo)硅基二氧化硅光波導(dǎo)InGaAsP/InP光波導(dǎo)光波導(dǎo)聚合物光波導(dǎo)聚合物光波導(dǎo)光波導(dǎo)器件不同材料光波導(dǎo)優(yōu)缺點(diǎn)比較：不同材料光波導(dǎo)優(yōu)缺點(diǎn)比較：硅(Silica)高分子(Polymer)磷化銦(IndiumPhosphide)鈮酸鋰(LithiumNiobate)硅化合物(Silicon)優(yōu)點(diǎn)與光纖有較好的光學(xué)相容性(低損失)可以連續(xù)地改變特性可與有源元件作整合在調(diào)制器、交換器和波導(dǎo)上的之功能強(qiáng)高反射率差(smalldevicesize)熱穩(wěn)定性高熱反應(yīng)速率快高反射率差(smalldevicesize)可摻雜高濃度的雜質(zhì)，有利于波導(dǎo)放大器與電子IC制程相容與有

3、源元件整合容易缺點(diǎn)折射率范圍有限(largerdevice)介面與波導(dǎo)損失大制造成本高無法發(fā)射、偵測或放大光高插入損失溫、濕度敏感性大高插入損失需指出的是，在上述四種平面光波導(dǎo)器件中，除了LiNbO3平面光波導(dǎo)器件外，其余三種光波導(dǎo)器件目前都尚未成熟，仍處于研發(fā)階段。 光波導(dǎo)放大器原理 光波導(dǎo)放大器的信號放大作用是利光波導(dǎo)放大器的信號放大作用是利用光波導(dǎo)摻入的稀土離子在抽運(yùn)光作用用光波導(dǎo)摻入的稀土離子在抽運(yùn)光作用下的受激輻射實(shí)現(xiàn)的。下的受激輻射實(shí)現(xiàn)的。 以摻鉺光波導(dǎo)放大器為例說明：以摻鉺光波導(dǎo)放大器為例說明：Cooperative upconversion and energy transfe

4、r 光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展v新的制作技術(shù)新的制作技術(shù)v 新的材料新的材料v新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)v新的泵浦結(jié)構(gòu)新的泵浦結(jié)構(gòu)v 光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展v新的制作技術(shù)新的制作技術(shù)v 制作光波導(dǎo)放大器的傳統(tǒng)方法有制作光波導(dǎo)放大器的傳統(tǒng)方法有:v Er離子注入法、離子注入法、RF濺射法濺射法/等離子體等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD) 、火焰水解涂、火焰水解涂覆法、離子交換技術(shù)、復(fù)合波導(dǎo)技術(shù)、熱壓覆法、離子交換技術(shù)、復(fù)合波導(dǎo)技術(shù)、熱壓法以及法以及sol2gel技術(shù)技術(shù)v 新的制作方法有新的制作方法有:v 聚焦質(zhì)子束輻射法、秒激光脈沖法。聚焦質(zhì)子束輻

5、射法、秒激光脈沖法。光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展v 新的材料新的材料v 基于聚合物基質(zhì)材料的光波導(dǎo)放大器。基于聚合物基質(zhì)材料的光波導(dǎo)放大器。v 優(yōu)點(diǎn)：傳輸損耗低、與光纖的耦合損耗也小優(yōu)點(diǎn)：傳輸損耗低、與光纖的耦合損耗也小v 缺點(diǎn)：稀土元素在有機(jī)聚合物中的溶解度小缺點(diǎn)：稀土元素在有機(jī)聚合物中的溶解度小 光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展v新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)v 光波導(dǎo)做成不同的幾何形狀光波導(dǎo)做成不同的幾何形狀,以提高光以提高光波導(dǎo)的有效長度波導(dǎo)的有效長度,從而提高放大器的增益從而提高放大器的增益 。光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展光波導(dǎo)放大器新進(jìn)展v新的泵浦結(jié)構(gòu)新的泵浦結(jié)構(gòu) v 耦合模泵浦的光波

6、導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)耦合模泵浦的光波導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu) 泵浦光從非吸收泵浦波導(dǎo)A逐漸地耦合到放大器波導(dǎo)B 中。數(shù)值計(jì)算表明,與傳統(tǒng)的端面耦合結(jié)構(gòu)相比,這種耦合結(jié)構(gòu)可提高增益約2dB左右。 新型結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)放大器新型結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)放大器v彎曲光波導(dǎo)放大器彎曲光波導(dǎo)放大器v 這種結(jié)構(gòu)可在有限的尺寸中大大增加有源波導(dǎo)長度,從而提高增益,目前已有彎曲波導(dǎo)放大器成品報道,其模塊可以在1535nm 波長窗口獲得27dB 的增益,面積只有79mm 35mm ,波導(dǎo)長度為47. 7cm ,基質(zhì)材料為硅酸鹽玻璃。而目前最小的直波導(dǎo)放大器模塊可以在1535nm 波長窗口獲得15dB 增益,其面積為130mm 11mm。新型結(jié)構(gòu)的

7、光波導(dǎo)放大器新型結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)放大器v合/ 分波集成波導(dǎo)放大器 v 合/ 分波波導(dǎo)放大器是將兩種不同功能的玻璃器件粘合在一起制成的。有源放大區(qū)采用摻鉺磷酸鹽玻璃,使光信號增益最大。無源部分采用不摻雜的硅酸鹽玻璃,使損耗最小。據(jù)報道,粘合損耗小于0. 3dB。目前這種放大器小信號增益可達(dá)10dB ,噪聲指數(shù)小于5dB。小信號( - 10dBm) 無損帶寬為15nm ,大信號(0dBm) 無損帶寬為6nm。新型結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)放大器新型結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)放大器v錐形光波導(dǎo)放大器v 錐形波導(dǎo)的錐形區(qū)長度為2mm ,寬度從6. 5m漸變到9m ,如圖9 所示。這種形狀的波導(dǎo)放大器可以提高波導(dǎo)和單模光纖的耦合效率。

8、與此同時,在波導(dǎo)內(nèi)仍然可以保持信號與抽運(yùn)光的單模傳輸,抽運(yùn)和信號的重疊因子基本保持不變。 未來光波導(dǎo)放大器研究內(nèi)容和主未來光波導(dǎo)放大器研究內(nèi)容和主要發(fā)展方向要發(fā)展方向v更寬的帶寬來實(shí)現(xiàn)多信道的光放大,更高的功率放大來實(shí)現(xiàn)超常距離的信號傳輸, 單位長度高增益、寬帶寬材料的進(jìn)一步研究成為重點(diǎn)。v光波導(dǎo)放大器的設(shè)計(jì)將向集成化器件方面發(fā)展。新的集成光學(xué)工藝的探索和研究也將繼續(xù)進(jìn)行。v 主要參考文獻(xiàn) 1李成仁,李淑鳳,宋琦,李建勇,宋昌烈,雷明凱. 鐿鉺共摻Al2O3 光波導(dǎo)放大器的凈增益特性 光子學(xué)報 2019年5月 第35卷 第5期 2李淑鳳,李成仁,宋昌烈.摻Er及Yb-Er共摻Al2O3光波導(dǎo)放

9、大器的理論與實(shí)驗(yàn)研究光學(xué)學(xué)報2019年 27卷 5期 3 潘瑞坤,章天金,嚴(yán)小黑,張柏順.光波導(dǎo)放大器用材料的研究發(fā)展 材料導(dǎo)報2019年11月 第19期 第11期 4 佟會,戴基智,包洪濤,趙天卓,羅輝. 光波導(dǎo)放大器的增益特性研究 激光與光電子進(jìn)展 2019年9月 第42卷 第9期 5 蘇潔梅,戴基智,楊亞培.光波導(dǎo)放大器的研究進(jìn)展 激光技術(shù) 2019年12月 第28卷 第6期 6 陳 海燕,劉永智,官周國,黃小莉1,張少先. 摻鉺光波導(dǎo)放大器的速率方程分析 光學(xué)學(xué)報 2019年2月 第22卷 第2期 7 薛輝, 楊亞培,劉小雙,高宇. 摻稀土離子光波導(dǎo)放大器研究進(jìn)展 光通信技術(shù) 2019

10、年第7期 8 陳海燕，劉永智. 1.55m光波導(dǎo)放大器最新進(jìn)展 激光與紅外 2019年7月 第35卷 第7期 9Bor-Chyuan Hwang, Shibin Jiang,Tao Luo, Jason Watson, Gino Sorbello . “Cooperative upconversion and energytransfer of new high Er31- and Yb31 Er31-doped phosphate glasses” J. Opt. Soc. Am. B .May 2000, Vol. 17, No. 5 10 Jung Jin Ju and Myung-Hyun Lee. “Energy transfer in clustered sites of Er31 ions in LiNbO3 crystals” J. Opt. Soc. Am. B. September 2019, Vol. 20, No. 9 11 De-Long Zhang, Dun-Chun Wang, and Edwin Y. B. Pun. “N