CN103219646A

CN103219646A - 光放大器

Info

Publication number: CN103219646A
Application number: CN2013100919755A
Authority: CN
Inventors: 于宙
Original assignee: CHANGZHOU LEISAI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: CHANGZHOU LEISAI TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明涉及一种光放大器件，包括作为增益区域的放大介质薄膜层，形成在放大介质薄膜层上表面和下表面的上夹层和下夹层；以及第一电极层和第二电极层，所述第一电极层通过上夹层脊型层与上夹层复合，所述第二电极层通过衬底与下夹层复合。本发明中的光放大器件利用掺杂离子在加电压下受激发发光，对信号在传输时进行信号的同相、同频率放大。本发明体积小、放大效率高，并可实现很大的信号增益。

Description

光放大器

技术领域

本发明涉及一种光放大器件，具体为利用一种电致发光介质作为放大媒介的光学放大器，其适用于光通讯，光纤激光等领域。

背景技术

现代光通讯及光纤激光领域需要光信号能够在长距离，低损耗的情况下传输。光在传输时需要调制和解调，然后在光纤中传输，传输过程中光信号会因为耦合、材料缺陷等原因产生衰减。为了补偿在传输过程中信号的衰减，需要在传输线路中定期地对光信号进行放大。

目前光学放大器主要有稀土掺杂光纤放大器，稀土掺杂波导放大器以及半导体光放大器。稀土掺杂光纤放大器有很多优点，但是它的主要缺点在于体积较大，放大介质通常需要有几米长，给实际使用带来限制。稀土掺杂波导放大器和稀土掺杂光纤放大器的物理原理相似，优点在于体积小。为了在较小体积重实现光信号的放大，需要在放大介质中大量地掺杂金属离子。但是过多的金属离子掺杂会导致放大增益饱和，反过来需要更大的泵浦源输入，这样就降低了放大效率。

半导体光放大器结合了稀土掺杂光纤放大器和稀土掺杂波导放大器的优点，能够利用较简单的器件结构较低成本地实现光的放大。半导体光放大器的主要缺点在于其放大介质通常为单晶薄膜器件，该单晶薄膜器件需要利用化学气相沉积法或分子束法实现。这两种方法均耗时、低效率并且设备昂贵。同时由于薄膜材料带宽的限制，大大影响了能够放大的光的波长。另外半导体光放大器件耦合效率低，这些都限制了其在实际中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、放大效率高的光放大器件，可以使用电激发代替泵浦光源作为放大源，实现很大的信号增益；并具有生产、使用成本低，实用性强等优点。

为了达到上述的目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种光放大器，包括作为增益区域的放大介质薄膜层，形成在放大介质薄膜层上表面和下表面上的上夹层和下夹层；以及第一电极层和第二电极层，所述第一电极层通过上夹层脊型层与上夹层复合，所述第二电极层通过衬底与下夹层复合；

所述放大介质薄膜层包括光信号传输载体的薄膜主体和在电场作用下受激发发光并与入射光信号相叠加的掺杂离子；

所述薄膜主体的电子-空穴对的带宽大于掺杂离子的光子能量；

所述下夹层和上夹层的光折射率低于放大介质薄膜层的光折射率。

对于放大介质薄膜层的薄膜主体材料，由于其作为光信号的传输介质，首先其能带宽度需满足工作波长的光传输，同时其在电场作用下也要能够对掺杂离子激发形成光子，故本发明中优选地，所述薄膜主体的材料为氧化锌、氧化锌硅锗、氧化铟镓铝、氮化镓、砷化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟铝材料，其可以为直接禁带材料，也可以为非直接禁带材料，其晶体性质可以为单晶材料、多晶材料或非晶材料。

优选地，所述掺杂离子为元素周期表中的过度金属铬、钛、铜、锌、银、钇，以及镧系稀土元素铒、铕、镝、铥的离子态，所述掺杂离子可以和放大介质薄膜层的薄膜主体同步形成，也可以后期用离子注入等方法实现。

本发明的进一步改进在于：所述掺杂离子在放大介质薄膜层中的原子浓度为0.1%到10%。

对于上、下夹层的材料可以为任何合适的满足光在放大介质薄膜层中传输的材料，可以为绝缘体，半导体或导体，例如可以为无机材料氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钡钛、氧化钇，或有机材料8-羟基喹啉铝、三(8-羟基喹啉)铝、聚(N-乙烯基咔唑)、齐聚苯乙烯撑。本发明中优选地，上、下夹层的材料为无机介电材料或电绝缘材料。上、下夹层的材料可以相同，也可以不同。

作为本发明的进一步改进：所述上、下夹层材料的光反射率比放大介质薄膜层的光反射率低0.1%-20%。

优选地，所述第一电极层和第二电极层为导电材料铜、钨、铝、锡、铟或铟锡氧化物。

本发明的进一步改进在于：所述第一电极层在光传输方向的水平方向上所覆盖面积小于放大介质薄膜层的覆盖面积。保证光在放大介质薄膜层的特点区域内传输。

本发明提供的光放大器，当入射光信号通过光纤输送到放大器中传输时，在第一电极层和第二电极层上加上电压，该电压可以是直流电压，也可以是交流电压。在电场作用下，入射光信号被限制在由上、下夹层和放大介质薄膜层形成的一个较小的区域内传输，放大介质薄膜层中的掺杂离子会受激发从而释放与入射信号光同相的光子，对光信号进行放大，直至通过整个放大器进入到另一个介绍光纤。当前一信号被放大后，另外一批电子会在电场作用下受激发释放光子，对下一个光信号进行放大。

本发明设计的放大器体积小；且使用电激发代替泵浦光源作为放大源，可以实现很大的信号增益；放大介质薄膜层的薄膜主体可以为多晶薄膜器件，可大大降低生产成本；同时本发明可以选择不同掺杂离子实现不同波长的光的信号放大，实用强。

附图说明

图1为根据本发明的光放大器的结构示意图。

图2为图1所示的光放大器的A-A截面示意图。

图中，1. 衬底 2. 下夹层 3. 放大介质薄膜层 4. 上夹层 5. 上夹层脊型层 6. 第一电极 7. 第二电极 8. 入射光纤 9.传输区域。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1、图2所示：本发明涉及光放大器，包括作为增益区域的放大介质薄膜层3，形成在放大介质薄膜层上表面和下表面的上夹层4和下夹层2；形成在下夹层2下表面的衬底1，衬底的下底面涂覆有第二电极7，所述上夹层4在上表面形成一脊型层5，脊型层5的上表面形成有第一电极6；其中，放大介质薄膜层3包括光信号传输载体的薄膜主体和在电场作用下受激发发光并与入射光信号相叠加的掺杂离子。

为了保证光信号在放大介质薄膜层3中的传输和掺杂离子能够在电场作用下在放大介质薄膜层受激发发光并且与入射信号相叠加，实现光信号的放大。所述薄膜主体的电子-空穴对的带宽大于掺杂离子的光子能量；所述下夹层2和上夹层4的光折射率低于放大介质薄膜层3的光折射率，一般光反射率相差控制在0.1%到20%。

本实施例中放大介质薄膜层3的薄膜主体材料选择氧化锌、氧化锌硅锗、氧化铟镓铝、氮化镓、砷化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟铝中的一种，其可以为直接禁带材料，也可以为非直接禁带材料，其晶体性质可以为单晶材料、多晶材料或非晶材料。掺杂离子选择为元素周期表中的过度金属铬、钛、铜、锌、银、钇，以及镧系稀土元素铒、铕、镝、铥中一种元素的离子态。本实施例中放大介质薄膜层（3）的加工方法为一般的物理气相沉积法制备，掺杂离子为后期用离子注入法实现掺合。掺杂离子在放大介质层（3）中的原子浓度一般为2%。

本实施例中上、下夹层的材料为无机材料氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化钡钛、氧化钇，或有机材料8-羟基喹啉铝、三(8-羟基喹啉)铝、聚(N-乙烯基咔唑)、齐聚苯乙烯撑中的一种，且上、下夹层的材料相同。

本实施例中第一电极层6和第二电极层7为导电材料铜、钨、铝、锡、铟或铟锡氧化物。

如图2所示：上夹层脊型层5的宽度和第一电极6的宽度t1小于放大介质薄膜层3的宽度t2, 从而在加电后的电场作用下，更好的控制光只在传输区域9中传输。

如图1和图2所示：本发明入射信号通过光纤8将光信号输送到本例中的放大器中，然后被限制在由上、下夹层和放大介质薄膜层3形成的一个较小的传输区域10内传输，直至通过整个放大器进入到另一个介绍光纤。放大器通过第一电极6和第二电极7加压后在器件中形成电场，使得掺杂离子在电场中受激发，然后衰减释放能量，形成与入射光同相的光子，光子对入射信号放大。当前一信号被放大后，另外一批电子会在电场作用下受激发释放光子，对下一个光信号进行放大。

本发明光在本实施例中的放大器件中传输为一维，但是放大器不限于该结构，可以采用环绕形、圈形等形状增长光在放大器中通过路径的长度从而增加光信号的放大效果。

Claims

1.一种光放大器，其特征在于：包括作为增益区域的放大介质薄膜层，形成在放大介质薄膜层上表面和下表面的上夹层和下夹层；以及第一电极层和第二电极层，所述第一电极层通过上夹层脊型层与上夹层复合，所述第二电极层通过衬底与下夹层复合；

2.根据权利要求1所述的光放大器，其特征在于：所述薄膜主体的材料为氧化锌、氧化锌硅锗、氧化铟镓铝、氮化镓、砷化镓、氮化铟、氮化铝、氮化铟铝材料。

3.根据权利要求1所述的光放大器，其特征在于：所述掺杂离子为元素周期表中的过度金属铬、钛、铜、锌、银、钇，以及镧系稀土元素铒、铕、镝、铥的离子态。

4.根据权利要求1所述的光放大器，其特征在于：所述掺杂离子在放大介质薄膜层中的原子浓度为0.1%到10%。

5.根据权利要求1所述的光放大器，其特征在于：上、下夹层的材料为无机介电材料或电绝缘材料。

6.根据权利要求1所述的光放大器，其特征在于：所述第一电极层和第二电极层为为导电材料铜、钨、铝、锡、铟或铟锡氧化物。

7.根据权利要求1所述的光放大器，其特征在于：所述第一电极层在光传输方向的水平方向上所覆盖面积小于放大介质薄膜层的覆盖面积。