CN100533190C - 光学放大器及包含该光学放大器的激光振荡器 - Google Patents

Abstract

一种多模干涉(MMI)装置(90)，包括空芯多模波导部分(32)，该部分耦合于至少一个空芯输入波导部分(30；34；36)，在该多模干涉装置中，空芯多模波导部分的内表面上涂有反射层(92)。该反射层的材料在工作波长具有低的折射率，例如为金属或者多层的介电叠层。还说明采用这种MMI装置的共振器(150)和光学放大器(110)。

Description

光学放大器及包含该光学放大器的激光振荡器

技术领域

本发明涉及多模干涉(MMI)光波导装置。

背景技术

US5410625描述一种用于光束分束和混束的多模干涉(MMI)装置。该装置包括第一耦合波导部分和两个或者多个第二耦合波导部分，这些波导部分连接于中央多模式波导区域。该耦合波导部分仅工作在基本模式，这样选择耦合光波导部分和多模式波导区域的物理特性，使得在中央多模式区域的模式分散，可以确保输入到第一耦合波导部分的单一光束可以分束进入两个或者多个第二耦合波导部分。该装置也可以作为光束混束器反向工作。

还周知US5410625基本MMI装置的各种变型和改进。US5379354说明如何采用输入波导位置的变化来的得到多路光束分束器，这种分束器可以将输入光束分束成具有不同强度的输出光束。采用MMI装置来形成激光腔已经在US5675603中说明。还已经应用MMI分束和混束装置的各种联合来提供光学通信，例如见US5428698。

众所周知实芯MMI波导装置，在这种装置中耦合的和多模式波导部分由半导体材料例如砷化镓(GaAs)的固体突出部分形成，该砷化镓放在底衬上。实芯的MMI波导装置通常由GaAs的层形成。这种实芯材料的缺点是在实芯材料受到损坏前其传输的总功率密度受到限制。

还众所周知这种MMI装置，在这种装置中，在实芯绝缘材料的底衬例如氧化铝底衬中将耦合的和多模式波导部分形成为空腔(即空气腔)。选择介电底衬材料，使得在装置工作的特定波长，其折射率小于空气芯的折射率。空心介电装置通常采用精密的机械加工(例如切削)工艺制造，通常其实际尺寸大于其实芯装置。准确控制这种装置的尺寸也证明是有希望的，控制尺寸对于得到优化的操作性能是很重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种替代的MMI光学波导装置。

按照本发明的第一方面，提供一种光学放大器，包括在光学上串联的1→N路光束分束器、多元件光学放大器和光束再混束器，该多元件光学放大器作用在1→N路光束分束器输出的至少一个输出上，其中，1→N路光束分束器和光束再混束器均包括多模干涉(MMI)装置，该多模干涉装置包括在光学上耦合于至少一个空芯输入波导的空芯多模波导区域，所述空芯多模波导和所述空芯输入波导的内表面具有反射涂层。

本发明的空芯MMI装置可以用作为光束混束器、光束分束器、多路光束强度分配器等。

本发明的优点是，其上涂有反射层的空芯波导构件(即形成空芯波导构件的底衬)可以用任何材料制作。这优于先有技术的空芯MMI装置，这些先有MMI装置采用特殊的材料(例如氧化铝)制造，已确保尽量减少光的损失。但是本发明可以采用各种各样的材料和工艺来制造光波导部分，在先前，技术人员认为这是不可能的。特别是，本发明提供了用高精密度的微制造技术制造实际体积小的空芯波导装置的可能性；因而，克服了使用传统精密机械方法对尽量减小空芯装置尺寸的限制。

还应该注意到，空芯波导部分可以用各种方法生产。该波导部分可以形成为一体的材料，该波导部分可以用两片分开的材料(例如底部和盖子)形成，或者该波导部分可以用许多不同的材料片(例如分开的材料部分，这些材料部分装在一起时，形成要求的基本模式部分和多模式波导区域)形成。

本发明的空芯波导部分可以使装置工作在高光强强度下，这优于先有技术的实芯波导部分，在实芯波导部分中，最大光功率密度受到形成固体芯的材料物理特性的限制。

反射层最好包括在工作波长范围内其折射率小于波导芯折射率的材料层。其折射率小于空芯波导芯的这一层材料在MMI装置中产生光的全内反射(TIR)，由此得到光损失量很低的空芯装置。

应当注意到，在制造空芯光波导构件时，该空芯可能充满空气。因此，芯的折射率可以认为是在大气压力和大气温度下空气的折射率(即n约等于1)。然而应该看到，这一点无论如何不能限制本发明的范围。空芯可以包括任何流体(例如惰性气体如氮气)，或者可以是真空。术语“空芯”只是简单地意味着不存在任何固体材料的芯。另外，术语“全内反射(TIR)”应当认为包含衰减的全内反射(ATIR)。

在另一实施例中，涂敷在空芯内表面上的第一折射率材料层是金属例如金、银或者铜。

金、银和铜的特性使得这些金属特别适合涂在MMI装置中，以便可以在通信波长范围内(即波长1.55μm左右的波长)操作。

金属在整个波长范围内表现出由金属特性控制的适合的低折射率；标准手册例如“光学常数手册”(E.D.Palik，Academic Press，London，1998)提供了各种材料随波长变化的折射率准确数据。具体是，金的折射率在约1400-1600nm内的波长范围内，小于空气的折射率，银在560-2200nm的整个波长范围内，其折射率小于1，而银在320-2480nm的波长范围内具有类似的折射率特性。金属层可以用技术人员周知的各种方法进行涂层。这些方法包括溅射法、蒸发法、化学蒸汽沉积法(CVD)和电镀法或者非电镀的镀膜法。CVD和镀膜方法使得可以沉积金属层而没有任何取决于方向的厚度变化。镀膜法还可以进行批量加工。

技术人员将会看出，可以首先在空芯波导件上沉积粘接层和/或扩散阻挡层，然后再镀金属层。例如，可以在镀金层之前先镀一层铬层或钛层作为粘接层。然后在该粘接层上再镀一层扩散阻挡层例如铂层，然后再镀金层。或者可以采用混合的粘接层和扩散阻挡层(例如氮化钛或者钨化钛合金层，或者绝缘层例如氧化硅)。

反射层也可以方便地包括一个或多个介电层。该介电材料可以用CVD方法或者溅射方法涂敷上。或者使其与镀膜金属层进行化学反应，形成绝缘层。可使镀上的银层与卤素发生化学反应，形成卤素银的薄表面层。例如，可以在银的表面上使银与碘化钾(KI)溶液中的I₂发生反应，在银的表面上形成碘化银(AgI)涂敷层。

换言之，可以用所有的介电材料或者金属介电材料和叠层的方法形成反射层。技术人员应当看出，介电层的光学厚度给予了要求的干涉特性，因此决定了涂敷层的反射特性。在一定程度上，涂敷层的反射特性还依赖于形成空芯波导部分的材料特性。

该装置可成形为可以在0.1-20.0μm波长范围内工作，最好在3-5μm或者10-14μm的红外波段工作。该装置最有利的是用于波长1.4-1.6μm之间的光辐射。

该至少一个空芯输入波导部分是一个基本模式波导件。或者该至少一个空芯输入波导部分是多模式波导件。如下面详细说明的，可以采用基本模式或者多模式波导部分将光辐射耦合到空芯多模式波导区域中或者使其从该波导区域输出。

该至少一个空芯输入波导部分最好包括空芯光导纤维。换言之，空芯光导纤维可以配置成可以直接将光辐射耦合到多模式波导区域。

该装置最好还另外包括直接光学耦合到空芯多模式波导区域的光导纤维，该光导纤维可以包括空芯的或者实芯的。技术人员可以明显看出，可以采用实芯光导纤维来代替本发明的至少一个空芯输入波导部分。

该空芯多模式波导区域通常具有大体矩形的横截面。如上所述，这样便可以形成MMI光束分束器或者混束器。最好选择这种空芯多模式波导区域的尺寸(即宽度、长度和深度)，使得由上述至少一个空芯输入波导部分输送的输入光场的再成像(即形成输入光束的一个或者多个像)。

形成空芯多模式波导区域的矩形内横截面的两个相对表面具有基本上相同的有效折射率，而形成空芯多模式波导区域的矩形内横截面的相邻表面最好具有不同的折射率。以这种方式配置装置，使得在导向已知线性偏振光时，具有较小的光损失。

在一些实施例中，空芯多模式波导区域具有大体圆形的横截面，并这样选择空芯多模式波导区域的直径和长度，使得由上述至少一个空芯输入波导部分输送的输入光场可以再成像。应当注意到，用这种圆形的多模式区域不可能进行光束分束，只能观察到再成像作用。

在另外一些实施例中，涂在空芯波导部分内表面上的材料层是碳化硅。如上所述，可以选择其它的低折射率材料层，使得在任何要求的波长区域形成有效的MMI操作。碳化硅在10.6μm的波长具有0.06的折射率，使得这种材料特别适合于用在这种波段的MMI装置中。

空芯波导部分可以方便地用半导体材料形成，例如用硅或者IIV-V半导体材料例如GaAs、InGaAs、AlGaAs或者InSb。这些半导体材料可以形成为晶片形式。最好采用半导体的微制造技术制造空芯波导部分。这种微制造技术最好形成横截面小于3mm或者最好小于1mm的基本模式波导部分。

技术人员应当看到，微制造技术通常包括光刻操作，然后用腐蚀操作，以便在底衬材料或者其上的层上形成图案。这种光刻操作包括光学光刻、x射线光刻或者电子射线光刻。可以采用离子束切割、化学腐蚀、干等离子腐蚀或者深干腐蚀(也称为深硅腐蚀)进行腐蚀操作。最好采用强反应性离子腐蚀(DRIE)方法。

用这种类型微制造技术形成的波导部分可以得到其尺寸显著小于先有技术空芯介电波导部分的空芯波导部分。这种微制造技术还与各种层的涂敷层技术例如溅射技术、电镀技术、CVD或者其它基于化学反应的技术相容。

在另一实施例中，可以用塑料或者聚合物形成空芯波导部分。例如可以在“旋压”成形的聚合物(例如可以从Microchem.Corporation公司买到的SU8)涂层上采用光刻方法形成空芯波导部分。

塑料波导装置可以采用包含加热模压凸纹法或者注射模制法形成。该技术包括形成一个靠模。该靠模形成在半导体材料中，例如该靠模用深干腐蚀法形成在半导体材料例如硅中。或者，该靠模可以用ALIGA或者UV LIGA方法用电镀层形成，在形成靠模之后，可以采用压花方法(即加压方法)或者加热压花方法在塑料底衬上形成空芯波导部分。由此形成的空芯塑料波导部分然上涂敷反射层。

在另一实施例中，该空芯波导部分用玻璃例如石英、氧化硅等制作。

装置的空芯通常包括液体或者气体例如空气。

也可以有利地采用气态光学放大介质来放大空芯波导部分中的光。具体是，在空芯多模式区域中采用这种气态放大介质可以得到高度放大。例如，气态放大介质可以是在CO₂、N₂和He混合物中形成的气体放电。这种放电对10.6μm的光辐射进行放大。

按照本发明的第二方面，光学放大器包括光学串联的1路分成N路的光路分束器、多元件光学放大器和光束混束器，该光束放大器作用在1路分成N路的光束分束器输出的至少一个输出上，其中该1路分成N路的光束分束器中的至少一个光分束器和光束混束器包括本发明第一方面的空芯多模干涉装置。

换言之，光学放大器装有本发明第一方面的MMI装置。使用这种MMI装置可以使放大器提供大的光功率。这一点优于用实芯波导部分制造的先有技术放大器，在这种实芯波导部分中，最大光功率密度受到芯材料的物理特性限制。因此，进行高阶的分束/放大/混束是可能的，由此可以产生以前不能得到的高强度输出光束。

该1路分成N路的光束分束器和光束再混束器均包含本发明第一方面的空芯多模干涉装置。或者，该1路分成N路的光束分束器包括实芯MMI分束装置。

在另一实施例中，光学放大器还包括相移装置，以调整放大光束的相对相位，然后在光束再混束器中进行光束再混束。该相移装置可以包括6aAs调制器或者可变形的反射镜等，使得可以控制进入再混束器的光束的相对位相，确保进入再混束装置的光束具有适当的相位偏移将能增加再混束过程的效率，并且可以缩短再混束区域的长度(特别是在高阶分束装置/再混束装置中)。

按照本发明的第三方面，共振器包括部分反射器、分束/再混束装置、多元件光学放大器和反射器，可以这样配置该部分反射器、分束/再混束装置、多元件光学放大器和反射器，使得分束/和再混束装置将一个单一光束分束成N个光束(其中N大于或者等于2)，N束光线中的各个束由多元件光束放大器放大，然后由反射器反射，改向，朝后穿过该多元放大器，再由分束/再混束装置重新混合该N束光，形成单一光束，该单一光束的一部分通过部分反射器射出该共振器，其中分束/再混束装置是本发明第一方面的空芯多模式干扰装置。

附图说明

下面参照附图，仅作为例子说明本发明，这些附图是：

图1示出先有技术的空芯光束分束装置和各个装置的横向电场结构；

图2示出先有技术的实芯MMI分束装置；

图3示出本发明的MMI波导装置；

图4示出由本发明MMI装置记录的实验数据和未涂层的空芯MMI装置的比较；

图5示出放大器和共振器光路，该光路装有本发明的两路MMI分束/再混束装置；

图6示出放大器和共振光学线路，该光路装有本发明的四路MMI分束/再混束装置；

图7示出装有本发明本发明MMI分束/再混束装置的另一种放大器结构；

图8示出混合的光学放大线路，该线路装有实芯MMI分束装置和本发明的MMI再混束装置。

具体实施方式

下面参考图1(a)，图中示出先有技术的两路空芯波导MMI分束器22的透视图，该MMI光束分束器22包括底衬层24、波导层26和覆盖层28。该波导层26形成空芯波导构件，该构件具有输入波导部分30、多模式波导区域32和两个输出波导部分34和36。

该空芯多模式波导区域32是矩形的，长度为I，宽度为W。该输入波导部分30的入口中心居中定位于多模式波导区域32，而输出波导部分34和36配置成其出口位于多模式波导区域32的中部，但隔开一定距离，该输入波导部分30和输出波导部分34和36配置成只维持基本模式传播。

在操作中，由输入波导部分30传送的基本模式引入到中央多模式波导区域32。选择多模式波导区域32的长度I和宽度W，使得沿其长度的多模干涉将耦合到输出波导部分34和36的输入光束强度均匀分开。这样，单光束的输入光束便分成两束输出光束。也可以使装置反向工作，将两束光束混起来。

下面参照图1(b)，该图中示出形成光束分束的多模干涉的基本原理。图1(b)示出在沿长度为L、宽度为W(其中L＝W²/λ)的矩形多模式波导区域的13个同等间隔的位置，波长为λ的电磁辐射的横向强度分布。可以认为，输入的入射辐射(即由第一横向强度曲线56表示的模式)是基本模式。

从图1(b)可以看出，可以用长度小于L的装置来执行光束的分束作用。在图1(a)示出的那种两路光束分束器中，需要长度为L/2(＝I)的装置。同样，如果它们的长度分别是L/3和L/4，则可以形成三路的或者四路的分束器。换言之，采用长度为L_N＝W²/Nλ的装置可以获得N路分束。MMI分束装置的操作和其更完全的说明示于US5410625中。

到今天为止，技术人员已经采用介电底衬材料制作了空芯波导构件，该底衬材料在工作的特定波长具有小于空气的折射率(即n<1)。具体是，已经采用氧化铝底衬，因为它们对于波长为10.5μm的光其折射率小于空气。这样便能确保，传送通过该空芯的光线将在空气和底衬的界面上进行TIR。

采用氧化铝和其它介电材料的优点是，通常可以用精密机械(即切削或者轧制)方法成形而形成空芯MMI装置。这种制造方法在保证MMI装置操作所需要的公差的同时，限制了可以形成的空芯装置的最小尺寸。例如，典型的切削方法在通常宽度不超过1mm的波导部分可使被形成的构件其公差不超过50μm。

可以用来制造较小尺寸空芯装置的其它材料不能在空气/底衬界面上达到足够的反射程度，并且在空芯和周围材料之间的界面上引起由光的Fresnel反射引起的显著光损失。在MMI装置中，与Fresnel(菲涅耳)反射相关的光损失在较小尺寸的装置中进一步加重，这种损失已经导致技术人员不全部相信可以采用空芯底衬来制造较小尺寸的MMI装置，因此为得到较小装置的尺寸，注意力集中于生产实芯MMI波导装置。

图2中示出四路实芯MMI波导构件60。该实芯MMI波导构件60由半绝缘的砷化钾底衬层62、下部覆盖层64、砷化镓芯层66和上部覆盖层/保护层68组成。输入波导部分70的入口居中配置在宽度为W、长度为I′的多模式波导区域80上，同时还配置四个输出波导部分72、74、76和78。这样配置该输入和输出波导部分，使得仅能维持基本模式传播。多模式波导区域80的长度I′是L/4(L＝W²/λ)，由此形成四路分束。

砷化镓芯的折射率约为3.5，而周围空气的折射率约为1。因此砷化镓材料和周围空气之间的界面上可以得到全内反射(TIR)。在砷化镓和空气之间的界面上产生TIR形成的表面反射率显著大于在空芯装置中的反射率。这种类型的实芯装置的总的光学效率因此显著大于同等的空芯装置。

实芯MMI分束装置的缺点是，在形成芯的材料损坏前，只有有限量的光功率在实芯中传播。因此，实芯MMI装置的功率控制能力受到限制；这种限制限制了这种装置在高功率方面例如在光放大器等方面的应用。

图3是透视图，示出本发明两路空芯波导MMI光束分束器90；与前面图中说明的元件类似的元件用相同的编号表示。

MMI光束分束器90包括底衬88和底衬盖86。该底衬88和底衬盖86形成空芯波导构件，该构件具有输入波导部分30、多模式波导区域32和两个输出波导部分34和36。在形成空芯波导构件的底衬88和底衬盖86的内表面上形成金层92(在图3中用阴影标记线示出)。该金层92是充分厚的，足以保证产生ATIR。技术人员将会看到，还可以在金层92和底衬的之间形成，有利于粘合的层和/或扩散阻挡层(未示出)。

除开由附加金金属层引起的空腔长度和宽度的改变以外，该金层92不影响MMI装置的设计。均采用与图1所示那种先有技术空芯MMI装置设计标准相同的标准来设计输入波导部分30、多模式波导区域32和两个输出波导部分34和36。

金层92的存在对于波长在通信波长范围的波长(即1.55μm左右的波长)的光可以在空芯装置内达到ATIR。在这些通信波长范围，全具有要求的n<1的折射率特性和较低的吸光量。

虽然上面已经说明金层92，但是技术人员可以预见到，可以在形成空芯波导部分的表面上涂敷在该波导部分工作的波段上其折射率小于空气的任何材料(或者包含在空腔中的任何一种材料)。在各种出版物中可以找到不同材料的折射率，例如《光学常数手册》(E.D.Palik，Academic press，London，1998)。金属的折射率在给定的波长范围内，其折射率通常小于空气；特定的波长范围取决于金属的物理特性，在特定波长，金属的低折射率一般伴随着在同一波长范围内具有最大吸收。因此，最好选择材料，使其折射率低于空气，而且在该装置工作的一个或者多个波长下具有较低的吸收。

技术人员应当预见到，可以不用单一低折射率层，而采用多个反射层。例如，可以在底衬88和底衬盖86上涂上多层的介电叠层，或者金属-介电叠层。

适用于底衬88和底衬盖86的材料是硅；硅可以用技术人员周知的那些微制造方法进行腐蚀，达到很高的准确度。可以采用能够达到要求物理几何结构的任何材料来制造MMI装置。然而，采用微制造工艺制造的半导体是特别有利的，因为它使得制造的装置在尺寸上显著小于采用精确的机械装置；微制造工艺可以提供1μm以下的准确度。微制造工艺还使得可以在底衬上同时形成多个构件，这和准确的机械方法不一样，在这种机械方法中，波导构件是通过切割工具在底衬的整个表面上移动而顺序形成的。

最理想的是采用可以涂一层低折射率材料的材料制造底衬88和底衬盖86。技术人员应当看出，如何采用金属沉积方法例如溅射法、蒸发法、CVD法或者覆层法将金层涂敷在硅上。技术人员还应该看出，可以采用各种技术例如金-硅的低共熔焊接法或者采用中间层法将盖层粘接在底衬上。

图4示出显示本发明两路MMI装置传输特性的实验数据。

制造多模式区域宽度(W)为250μm和基本模式波导部分宽度为50μm的两路空芯波导MMI光束分束器。采用不同的多模式区域长度(I)制造该装置，该装置具有和不具有用镍粘接层施加在空芯波导构件内表面上的金属铜涂敷层。

第一曲线100示出光通过两路空芯MMI分束器的总的透过率，而第二曲线102示出光通过其内表面上涂敷有铜金属层的两路空芯MMI分束器的透过率。从这些实验数据可以看出，在空芯光束分束器的内表面上加上一层铜涂层将使装置的透过率增加一倍。这样便使得装置可以实际上替代实芯装置。

下面参考图5，图中示出若干应用，在这些应用中，可以使用本发明的空芯两路分束/混束MMI装置。

图5(a)示出放大器110，该放大器包括分束部分112、二极管阵列放大器114和混束部分116。

该分束部分112包括第一两路MMI分束器118和两个第二两路MMI分束器120和122。各个两路MMI分束器118、120和122包括单一的输入波导部分124、两个输出波导部分126和中央多模式区域128。第二两路MMI分束器的输入连接于第一两路MMI分束器118的输出。

二极管阵列放大器114包括四个分开的放大元件130a、b、c、d，这些元件在光学上连接在分束部分112的四个输出和混束部分116的四个输入之间。技术人员周知这种激光二极管阵列。

混束部分116包括一对两路MMI混束器132和134以及第二MMI混束器136。两路MMI混束器132、134和136中的各个混束器包括一对输入波导部分138、一个单一的输出波导部分140和中央多模式区域128。该一对两路MMI混束器132和134的输出连接于第二MMI混束器136的输入。

在操作中，混束部分122将入射光束142分成四束光，各束光的强度相同。然后四元件的二极管阵列放大器114分别放大该四束光，这些光束随后在混束部分116中混束。因此，得到最后的放大的输出光束144。

下面参考图5(b)，该图示出共振器构件150。该共振器150是图5(a)所示的那种自身可以向后反射的放大器。

共振器150包括单一MMI部分152，该部分具有第一两路MMI分束/混束器154和两个辅助两路MMI分束/混束器156和158。各个MMI分束/混束器154、156和158具有第一波导部分160、两个第二波导部分162和多模式区域128。第一两路MMI分束/混束器154的两个第二波导部分在光学上连接于两个辅助两路MMI分束/混束器156、158的第一波导部分。该共振器还包括全反射器164、部分反射镜166和四个元件的二极管阵列放大器114。

在操作中，MMI部分152既执行分束操作，又执行混束操作，该共振器进行光的放大。部分反射镜166可以取出一部分光作输出光束168。

虽然可以采用已知的MMI分束/混束器制造图5所示的放大器和共振器，但是，最好应用图3和图4所示的那种MMI装置。采用没有低折射率涂层的空芯波导件可能会增加系统中各个MMI分束/再混束相关的累积损失，由此减少了二极管阵列放大器114的光放大。另外，如果采用先有技术的实芯(例如GsAs)MMI分束器/混束器，则与再混束部分相关的功率密度将使空芯材料受到显著的老化。因此本发明提供的光学放大器和共振器具有很高的功率处理能力。

下面参考图6，图6示出另一如何更有利地应用本发明空芯MMI的例子。

图6(a)示出1路分成4路再混合成1路的放大器。该放大器包括具有第一波导部分182的第一四路MMI分束器、多模式区域184和四个第二波导部分186。还配置四元件的二极管阵列放大器114，以及第二四路MMI在混束器190。

在操作中，入射光192耦合到第一四路MMI分束器180的第一波导部分182。该第一四路MMI分束器180将光等量地分在其四个第二波导部分186中，并使光穿过四元件的二极管阵列放大器。

利用四元件的二极管阵列放大器的各个元件放大从第一MMI分束器180的四个第二波导部分中的各个部分射出光，然后进入第二四路MMI再混束器190的第二波导部分。该第二四路MMI再混束器190随后使四个放大的光束混束，形成单一的放大的输出光束194。

然而和上述的两路分束器不同，必须考虑到进入MMI再混束器190的四个光束相位。当MMI装置被设计成用最短可能的多模式区域长度将光分束成三个或者更多光束(即N≥3)和再混合该三束或更多光束时，唯一需要考虑的是这种相位。

和对图2的说明一样，当MMI装置具有宽度和长度为L_N＝W²/Nλ的多模式区域时，采用最短的多模式区域长度可以将光束分束成N路。应当注意到，波长λ(即光的自由空间波长*芯材料的折射率)是多模式区域中光的波长。

利用阵列元件轴线的节距b，N路分束的多模式光导长度(I)可以改写为：

$l_N=\frac{{\left(\mathrm{Np}\right)}^2}{\mathrm{\&lambda;}}---\left(1\right)$

式中p是第二波导部分的节距(例如MMI分束器180的四个波导部分186的节距)，而且p＝W/N。从方程(1)可以看出，多模式波导区域的长度I与固定节距的分束级次(即N)成线性关系。

上述多模式光导区域中的服从几何设计规则的对称分束方法的结果是，可以产生N个具有相同振幅的基本模式场。然而，最后场的相位不是相同的，该相位由以下方程控制：

${\mathrm{\&phi;}}_n=\{\frac{1}{2N}+\frac{N+1}{4}+\frac{n}{N}(n-N-1)\}\mathrm{\&pi;}---\left(2\right)$

在四路分束器(即N＝4)的情况下，四个输出场的相对位相分别是3π/8、-π/8、-π/8和3π/8。

为了用四路混束器有效使四路光路混束，进入多模式波导区域的场位相必须采取一些值，这些值是分束处理产生位相的真实共轭位相。换言之，MMI混束器190的四个输入场的位相为进行有效再混束其位相必须分别是-3π/8、π/8、π/8和-3π/8。

按照上述说明，最好在MMI分束器180和MMI再混束器190之间进行相移，使得可以满足这些位相条件。一般说来，用以下公式给出在1→N路分束器和N→1路再混束器之间要求的相移：

${\mathrm{\&phi;}}_n=-2\{\frac{1}{2N}+\frac{N+1}{4}+\frac{n}{N}(n-N-1)\}\mathrm{\&pi;}---\left(3\right)$

为了在图6(a)所示的1→4→1路放大器中建立起要求的相移，可以在MMI再混束器190的四个第二波导部分186部分中的各个部分上形成相移装置196。该相位偏移装置196包括改变输入到MMI混束器190的波导部分物理长度的装置。

技术人员还周知许多产生需要相移的其它方法。例如，可以改变二极管阵列放大器114各个元件的电流。或者按照另外的方式改变二极管阵列放大器114中光程长度，或者改变波导部分或者二极管阵列放大器114部分的有效折射率，由此可以提供必须的相移。

图6(b)示出共振器，该共振器由单个四路MMI分束器/再混束器200和四元件的二极管阵列放大器114组成，该四路MMI分束/再混束器200具有多模式区域184、第一波导部分182和四个第二波导部分186。相移装置204形成在四个第二波导部分186中各个部分上。该共振器还包括全反射镜164和部分反射镜166。

该共振器是自身向后折叠的放大器，结果是两次通过四路MMI分束/再混束器200，造成光的放大，当光通过相移装置204两次时，由相移装置204形成的相移是上面放大装置方程(3)中给出相移的一半。部分反射镜166可使一部分光线透出，形成输出光束202。

另外，图3和4所示的那种空芯MMI分束/再混束器是有利的，因为它们能够处理很强的光强，而衰减又小。

下面参考图7，图中示出图6(a)所示放大器的另一实施例。该放大器包括七路MMI分束器210、七个元件的二极管阵列芯片212和七路MMI再混束器214。该七路MMI分束器210具有输入波导部分216和多模式区域218。该七路MMI混束器214具有输出波导部分210和多模式区域218。

MMI分束器210和MMI混束器214二者的多模式区域218直接光学耦合到七元件的二极管阵列晶片212的两侧。这样定MMI分束器210多模式区域218的尺寸，使得从输入波导部分216进入该区域的入射基本模式在与二极管阵列晶片212界面上分裂成七个强度相等的光束。利用二极管阵列芯片212放大该七个光束，随后，进入MMI再混束器214，此时，这些光束被混合，形成单一的光束，该单一光束通过输出波导部分220射出该装置。在此装置中，可以在二极管晶片区域上配置任何必需的相移装置。

与参考图6所述的放大器和共振器相同，图7所示的这种整体放大装置最好包括图3和图4所示的那种MMI分束器210和/或MMI再混束器214。

图8示出混合放大器，该混合放大器包括实芯MMI分束器230、六个相移装置232、锥形的二极管阵列放大器234和空芯MMI混束器236。

该实芯MMI分束器230用GsAs制造，具有单一的输入波导部分238、多模式区域240和六个输出波导部分242。可以这样选择多模式区域240的宽度W₁和长度I₁，使得耦合到输入波导部分238的输入光束241被分成六个输出波导部分242。

六个输出波导部分242中的各个部分可以输出到相移装置232。该相移装置232包括仍然采用砷化镓作的电-光调制器。该调制器在加上适当的电压时可以将相移加在光束上。加在各个光束上的可以确保有效混束的相移由上面的方程(3)控制。该相移装置232还可以补偿由输出过程本身产生的相位误差。也可以采用相移装置232补偿在制造过程中产生的相位误差，例如分束误差和波导部分特性不一致性造成的相位误差。

应当注意到，为了有效再混束，不仅需要得到适当的相移，而且光束还必须具有相等的振幅。在各种技术人员周知的方法中，可以进行相同振幅的校正。例如，可以在相移装置232之前的各个输出波导部分242上配置Mach-Zehnder可变衰减器(未示出)。

射出相移装置232的已经相移的光束耦合到锥形的二极管阵列放大器234上，该阵列可以分别放大六个光束中的各个光束。适合于做此用途的锥形放大器在F.Wilson等的论文(Electronics letters，7Jan 1999，Vol.34No.1)中已有说明。

在放大后，该六路光束便直接耦合到空芯MMI再混束器236的多模式区域244。为了在锥形二极管阵列放大器234的实芯元件和空芯多模式区域244之间的界面上尽量降低反射，配置消反射涂层246。

这样选择多模式区域244的宽度(W₂)和长度(I₂)，使得进入该区域的六个放大光束被混合，放大的输出光束247经输出波导部分248射出装置。应当注意到，实芯MMI分束器230的尺寸和空芯MMI在混束器236的尺寸是不同的，因为砷化镓和空气的折射率不同(分别是3.5和1.0)；这使得实芯MMI混束器230在尺寸上小于空芯MMI混束器236。

虽然上面已说明1→6→1的放大器，但是技术人员应当预见到，进行更高程度的分束和混束是可能的，因为需要光学组合的功率增加，因此必须相应增加再混束器的功率处理能力。

在图8所示的这种混合放大器中，采用实芯MMI装置将入射光辐射分束，这样，装置可以作得比同等空芯装置更为紧凑，因而可以达到低功率入射光束的充分光束分束。然而，再混合放大的光束时，固体实芯装置不能在处理增加的光学功率时不老化实芯材料。采用图3和图4所示的这种MMI在混束器可以有效地使高强度的光束混合，而不损坏混束器的芯。

上述MMI装置提供一种方向(例如水平方向)的分束。然而也可以提供在第二方向(例如垂直方向)的分束，如US5410625的图17和18所示。这样，便可以将单一输入光束分束成M*N的光束。当在一个方向(例如水平方向)进行N路分束，而在第二方向例如垂直方向进行M路分束时，可以考虑使用两个方向的分束。

对于进入在两个方向维持多模式传播的矩形波导区域的对称场情况，该M路和N路分束由下式决定：

$L_{{W1}_M}^{\mathrm{sym}}=\frac{p{W_1}^2}{\mathrm{\&lambda;}}+\frac{{W_1}^2}{\mathrm{M\&lambda;}}---\left(4a\right)$

$L_{{W2}_M}^{\mathrm{sym}}=\frac{q{W_2}^2}{\mathrm{\&lambda;}}+\frac{{W_2}^2}{\mathrm{N\&lambda;}}---\left(4b\right)$

公式中W₁是波导部分的宽度，而W₂是波导部分的深度，p和q是整数，而λ是传播光的波长，因此可以选择pW₁和qW₂，使得 $L_{{W1}_M}^{\mathrm{sym}}=L_{{W2}_N}^{\mathrm{sym}},$ 将形成MN个场。

对于输送到在两个方向维持多模式传播的非对称场的情况，M路和N路的分束由以下公式确定：

$L_{{W1}_M}^{\mathrm{ASY}}=\frac{8p{W_1}^2}{\mathrm{\&lambda;}}+\frac{{4W_1}^2}{\mathrm{M\&lambda;}}---\left(5a\right)$

$L_{{W2}_N}^{\mathrm{ASY}}=\frac{8q{W_2}^2}{\mathrm{\&lambda;}}+\frac{{{4W}_2}^2}{\mathrm{N\&lambda;}}---\left(5b\right)$

式中W₁是波导部分的宽度，而W₂是波导部分的深度，p和q是整数，而λ是传播光的波长。另外，这样选择pW₁和qW₂，使得 $L_{{W1}_M}^{\mathrm{ASY}}=L_{{W2}_N}^{\mathrm{ASY}},$ 将形成MN个场。另外，将非对称基本模式输送到多模式波导区域类似于输入多模式场。

Claims (4)

1.一种光学放大器，包括在光学上串联的1→N路光束分束器、多元件光学放大器和光束再混束器，该多元件光学放大器作用在1→N路光束分束器输出的至少一个输出上，其中，1→N路光束分束器和光束再混束器均包括多模干涉(MMI)装置，该多模干涉装置包括在光学上耦合于至少一个空芯输入波导的空芯多模波导区域，所述空芯多模波导和所述空芯输入波导的内表面具有反射涂层。

2.如权利要求1所述的光学放大器，其特征在于，还包括相移装置，以便在光束再混束器中进行光束再混合时调节已放大光束的相对相位。

3.如权利要求1所述的光学放大器，其特征在于，

a)1→N路光束分束器和光束再混束器是同一光束分束器/光束再混束器装置；

b)多元件光学放大器作用在该光束分束器/光束再混束器装置的所有N个输出上；和

c)该光学放大器还包括一反射器，其布置成将来自该多元件光学放大器的输出反射回到该多元件光学放大器。

4.一种包括如权利要求3所述的光学放大器和第二反射器的激光振荡器，该第二反射器布置成将来自该光束再混束器的输出反射回到所述光束再混束器中。

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