光波导放大器原理和进展
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光波导放大器原理和进展
光学工程 杨庆忠 2007202129
主要介绍内容
光波导器件 光波导放大器工作原理 光波导放大器新进展
光波导器件
光波导： 光波导：将光波束缚在一定区域内传播。 光波导器件： 光波导器件： 光波导器件最大特点是在原理上能将多个 基本元件集成在一个基底上。 基本元件集成在一个基底上。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
新型结构的光波导放大器
弯曲光波导放大器
这种结构可在有限的尺寸中大大 增加有源波导长度,从而提高增益, 目前已有弯曲波导放大器成品报 道,其模块可以在1535nm 波长窗 口获得27dB 的增益,面积只有 79mm ×35mm ,波导长度为47. 7cm ,基质材料为硅酸盐玻璃。而 目前最小的直波导放大器模块可 以在1535nm 波长窗口获得15dB 增益,其面积为130mm ×11mm。
光波导器件
光波导器件基本结构（以平面光波导为例） 光波导器件基本结构（以平面光波导为例）
二氧化硅或空气 铒铝磷共掺杂波导薄膜 二氧化硅衬底
光波导器件
光波导器件按其组成材料可分为 ： 铌酸锂镀钛光波导 硅基二氧化硅光波导 InGaAsP/InP光波导 光波导 聚合物光波导
光波导器件
不同材料光波导优缺点比较： 不同材料光波导优缺点比较：
新型结构的光波导放大器
锥形光波导放大器
锥形波导的锥形区长度 为2mm ,宽度从6. 5µm渐变 到9µm ,如图9 所示。这种 形状的波导放大器可以提高 波导和单模光纤的耦合效率。 与此同时,在波导内仍然可 以保持信号与抽运光的单模 传输,抽运和信号的重叠因 子基本保持不变。
未来光波导放大器研究内容和主 要发展方向
光波导放大器新进展
新的波导结构 光波导做成不同的几何形状,以提高光波 导的有效长度,从而提高放大器的增益 。
光波导放大器新进展
新的泵浦结构 耦合模泵浦的光波导放大器结构
泵浦光从非吸 收泵浦波导A逐渐 地耦合到放大器波 导B 中。数值计算 表明,与传统的端面 耦合结构相比,这种 耦合结构可提高增 益约2dB左右。
谢谢老师！ 谢谢各位同学！
与有源元件整合 容易 缺点 折射率范围有限 (larger device) 介面与波导损失 大 温、湿度敏感性 大 制造成本高 高插入损失 无法发射、侦测或 放大光 高插入损失
需指出的是，在上述四种平面光波导器件中，除了LiNbO3平面光波导器件外，其余三种光波导器件目前都尚未成熟，仍处于研发阶段。
硅(Silica) 高分子(Polymer) 磷化铟(Indium Phosphide) 可与有源元件作 整合 高反射率差(small device size) 与电子IC制程相 容 铌酸锂(Lithium Niobate) 在调制器、交换器 和波导上的 之功能强 硅化合物(Silicon) 优点 与光纤有较好的光 学相容性 (低 损失) 热稳定性高 可以连续地改变 特性 热反应速率快 可掺杂高浓度的 杂质，有 利于波导 放大器 高反射率差 (small device size)
光波导放大器原理
光波导放大器的信号放大作用是利 用光波导掺入的稀土离子在抽运光作用 下的受激辐射实现的。 下的受激辐射实现的。
以掺铒光波导放大器为例说明： 以掺铒光波导放大器为例说明：
Cooperative upconversion and energy transfer
光波导放大器新进展
新的制作技术 新的材料 新的波导结构 新的泵浦结构
光波导放大器新进展
新的制作技术
制作光波导放大器的传统方法有: Er离子注入法、RF溅射法/等离子体增强化学气相沉积 法(PECVD) 、火焰水解涂覆法、离子交换技术、复合波导 技术、热压法以及sol2gel技术 新的制作方法有: 聚焦质子束辐射法、秒激光脉冲法。
光波导放大器新进展
新的材料 基于聚合物基质材料的光波导放大器。 优点：传输损耗低、与光纤的耦合损耗也小 缺点：稀土元素在有机聚合物中的溶解度小
新型结构的光波导放大器
合/ 分波集成波导放大器
合/ 分波波导放大器是将两种不同功 能的玻璃器件粘合在一起制成的。有 源放大区采用掺铒磷酸盐玻璃,使光信 号增益最大。无源部分采用不掺杂的 硅酸盐玻璃,使损耗最小。据报道,粘 合损耗小于0. 3dB。目前这种放大器 小信号增益可达10dB ,噪声指数小于 5dB。小信号( - 10dBm) 无损带宽为 15nm ,大信号(0dBm) 无损带宽为 6nm。
更宽的带宽来实现多信道的光放大,更高的功率放 大来实现超常距离的信号传输, 单位长度高增益、 宽带宽材料的进一步研究成为重点。 光波导放大器的设计将向集成化器件方面发展。 新的集成光学工艺的探索和研究也将继续进行。
主要参考文献
[1]李成仁,李淑凤,宋 琦,李建勇,宋昌烈,雷明凯. 镱铒共掺Al2O3 光波导放大器的净增益特性 光子学报 2006年5月 第35卷 第5期 [2]李淑凤,李成仁,宋昌烈.掺Er及Yb-Er共掺Al2O3光波导放大器的理论与实验研究光学学报 2007年 27卷 5期 [3] 潘瑞坤,章天金,严小黑,张柏顺.光波导放大器用材料的研究发展 材料导报2005年11月 第19 期 第11期 [4] 佟会,戴基智,包洪涛,赵天卓,罗辉. 光波导放大器的增益特性研究 激光与光电子进展 2005年 9月 第42卷 第9期 [5] 苏洁梅,戴基智,杨亚培.光波导放大器的研究进展 激光技术 2004年12月 第28卷 第6期 [6] 陈 海燕,刘永智,官周国,黄小莉1,张少先. 掺铒光波导放大器的速率方程分析 光学学报 2002年2月 第22卷 第2期 [7] 薛辉, 杨亚培,刘小双,高宇. 掺稀土离子光波导放大器研究进展 光通信技术 2005年第7期 [8] 陈海燕，刘永智. 1.55µm光波导放大器最新进展 激光与红外 2005年7月 第35卷 第7期 [9]Bor-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 2003, Vol. 20, No. 9 [11] De-Long Zhang, Dun-Chun Wang, and Edwin Y. B. Pun. “Numerical Analysis of Optical Amplification in Er3+–Yb3+ Codoped Ti:LiNbO3 Strip Waveguides” IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, JULY 2005, VOL. 41, NO. 7,
光学工程 杨庆忠 2007202129
主要介绍内容
光波导器件 光波导放大器工作原理 光波导放大器新进展
光波导器件
光波导： 光波导：将光波束缚在一定区域内传播。 光波导器件： 光波导器件： 光波导器件最大特点是在原理上能将多个 基本元件集成在一个基底上。 基本元件集成在一个基底上。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
新型结构的光波导放大器
弯曲光波导放大器
这种结构可在有限的尺寸中大大 增加有源波导长度,从而提高增益, 目前已有弯曲波导放大器成品报 道,其模块可以在1535nm 波长窗 口获得27dB 的增益,面积只有 79mm ×35mm ,波导长度为47. 7cm ,基质材料为硅酸盐玻璃。而 目前最小的直波导放大器模块可 以在1535nm 波长窗口获得15dB 增益,其面积为130mm ×11mm。
光波导器件
光波导器件基本结构（以平面光波导为例） 光波导器件基本结构（以平面光波导为例）
二氧化硅或空气 铒铝磷共掺杂波导薄膜 二氧化硅衬底
光波导器件
光波导器件按其组成材料可分为 ： 铌酸锂镀钛光波导 硅基二氧化硅光波导 InGaAsP/InP光波导 光波导 聚合物光波导
光波导器件
不同材料光波导优缺点比较： 不同材料光波导优缺点比较：
新型结构的光波导放大器
锥形光波导放大器
锥形波导的锥形区长度 为2mm ,宽度从6. 5µm渐变 到9µm ,如图9 所示。这种 形状的波导放大器可以提高 波导和单模光纤的耦合效率。 与此同时,在波导内仍然可 以保持信号与抽运光的单模 传输,抽运和信号的重叠因 子基本保持不变。
未来光波导放大器研究内容和主 要发展方向
光波导放大器新进展
新的波导结构 光波导做成不同的几何形状,以提高光波 导的有效长度,从而提高放大器的增益 。
光波导放大器新进展
新的泵浦结构 耦合模泵浦的光波导放大器结构
泵浦光从非吸 收泵浦波导A逐渐 地耦合到放大器波 导B 中。数值计算 表明,与传统的端面 耦合结构相比,这种 耦合结构可提高增 益约2dB左右。
谢谢老师！ 谢谢各位同学！
与有源元件整合 容易 缺点 折射率范围有限 (larger device) 介面与波导损失 大 温、湿度敏感性 大 制造成本高 高插入损失 无法发射、侦测或 放大光 高插入损失
需指出的是，在上述四种平面光波导器件中，除了LiNbO3平面光波导器件外，其余三种光波导器件目前都尚未成熟，仍处于研发阶段。
硅(Silica) 高分子(Polymer) 磷化铟(Indium Phosphide) 可与有源元件作 整合 高反射率差(small device size) 与电子IC制程相 容 铌酸锂(Lithium Niobate) 在调制器、交换器 和波导上的 之功能强 硅化合物(Silicon) 优点 与光纤有较好的光 学相容性 (低 损失) 热稳定性高 可以连续地改变 特性 热反应速率快 可掺杂高浓度的 杂质，有 利于波导 放大器 高反射率差 (small device size)
光波导放大器原理
光波导放大器的信号放大作用是利 用光波导掺入的稀土离子在抽运光作用 下的受激辐射实现的。 下的受激辐射实现的。
以掺铒光波导放大器为例说明： 以掺铒光波导放大器为例说明：
Cooperative upconversion and energy transfer
光波导放大器新进展
新的制作技术 新的材料 新的波导结构 新的泵浦结构
光波导放大器新进展
新的制作技术
制作光波导放大器的传统方法有: Er离子注入法、RF溅射法/等离子体增强化学气相沉积 法(PECVD) 、火焰水解涂覆法、离子交换技术、复合波导 技术、热压法以及sol2gel技术 新的制作方法有: 聚焦质子束辐射法、秒激光脉冲法。
光波导放大器新进展
新的材料 基于聚合物基质材料的光波导放大器。 优点：传输损耗低、与光纤的耦合损耗也小 缺点：稀土元素在有机聚合物中的溶解度小
新型结构的光波导放大器
合/ 分波集成波导放大器
合/ 分波波导放大器是将两种不同功 能的玻璃器件粘合在一起制成的。有 源放大区采用掺铒磷酸盐玻璃,使光信 号增益最大。无源部分采用不掺杂的 硅酸盐玻璃,使损耗最小。据报道,粘 合损耗小于0. 3dB。目前这种放大器 小信号增益可达10dB ,噪声指数小于 5dB。小信号( - 10dBm) 无损带宽为 15nm ,大信号(0dBm) 无损带宽为 6nm。
更宽的带宽来实现多信道的光放大,更高的功率放 大来实现超常距离的信号传输, 单位长度高增益、 宽带宽材料的进一步研究成为重点。 光波导放大器的设计将向集成化器件方面发展。 新的集成光学工艺的探索和研究也将继续进行。
主要参考文献
[1]李成仁,李淑凤,宋 琦,李建勇,宋昌烈,雷明凯. 镱铒共掺Al2O3 光波导放大器的净增益特性 光子学报 2006年5月 第35卷 第5期 [2]李淑凤,李成仁,宋昌烈.掺Er及Yb-Er共掺Al2O3光波导放大器的理论与实验研究光学学报 2007年 27卷 5期 [3] 潘瑞坤,章天金,严小黑,张柏顺.光波导放大器用材料的研究发展 材料导报2005年11月 第19 期 第11期 [4] 佟会,戴基智,包洪涛,赵天卓,罗辉. 光波导放大器的增益特性研究 激光与光电子进展 2005年 9月 第42卷 第9期 [5] 苏洁梅,戴基智,杨亚培.光波导放大器的研究进展 激光技术 2004年12月 第28卷 第6期 [6] 陈 海燕,刘永智,官周国,黄小莉1,张少先. 掺铒光波导放大器的速率方程分析 光学学报 2002年2月 第22卷 第2期 [7] 薛辉, 杨亚培,刘小双,高宇. 掺稀土离子光波导放大器研究进展 光通信技术 2005年第7期 [8] 陈海燕，刘永智. 1.55µm光波导放大器最新进展 激光与红外 2005年7月 第35卷 第7期 [9]Bor-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 2003, Vol. 20, No. 9 [11] De-Long Zhang, Dun-Chun Wang, and Edwin Y. B. Pun. “Numerical Analysis of Optical Amplification in Er3+–Yb3+ Codoped Ti:LiNbO3 Strip Waveguides” IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, JULY 2005, VOL. 41, NO. 7,