CN103261934B - 用于多芯光纤的光学放大器 - Google Patents

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Abstract

一个方面提供一种光学装置。所述光学装置包括位于衬底的表面上的光耦合器的第一阵列及第二阵列、多个波导及多个泵耦合器。所述第一阵列的所述光耦合器能够以一对一方式端耦合到第一多芯光纤的光芯，所述第一多芯光纤具有面向且邻近于所述第一阵列及所述表面的末端。所述第二阵列的所述光耦合器能够以一对一方式端耦合到具有面向且邻近于所述第二阵列的末端的光芯。所述多个光波导以一对一方式将所述第一阵列的所述光耦合器连接到所述第二阵列的所述光耦合器。每一光波导具有在所述波导的末端之间连接到所述光波导的泵耦合器。

Description

用于多芯光纤的光学放大器
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2010年12月29日所申请的多尔(Doerr)等人的第61／428,154号临时美国专利申请案的权利，所述申请案以引用的方式并入本文中。本申请案涉及美国专利申请案2012／0170933A1，所述申请案与本案同时申请且其全文以引用的方式并入本文中。
技术领域
本申请案大体来说涉及光学放大器及制造并使用此些装置的方法。
背景技术
多芯光纤包括若干芯区，其中每一芯区能够传播实质上独立的光信号。此些光纤可提供显著大于单芯光纤的数据容量。因此，多芯光纤使得能够在成本比一个或多个单模光纤的成本低的情况下显著增加光学系统中的数据传送的速率。
发明内容
一个方面提供一种光学装置。所述光学装置包括位于衬底的表面上的光耦合器的第一阵列及第二阵列、多个波导及多个泵耦合器。所述第一阵列的所述光耦合器能够以一对一方式端耦合到第一多芯光纤的光芯，所述第一多芯光纤具有面向且邻近于所述第一阵列及所述表面的末端。所述第二阵列的所述光耦合器能够以一对一方式端耦合到具有面向且邻近于所述第二阵列的末端的光芯。所述多个光波导以一对一方式将所述第一阵列的所述光耦合器连接到所述第二阵列的所述光耦合器。每一光波导具有在所述波导的末端之间连接到所述光波导的泵耦合器。
另一方面提供一种方法。所述方法包括在衬底的表面上形成光耦合器的第一阵列及第二阵列、多个波导及多个泵耦合器。所述第一阵列的所述光耦合器能够以一对一方式端耦合到第一多芯光纤的光芯，所述第一多芯光纤具有面向且邻近于所述第一阵列及所述表面的末端。所述第二阵列的所述光耦合器能够以一对一方式端耦合到具有面向且邻近于所述第二阵列的末端的光芯。所述多个光波导以一对一方式将所述第一阵列的所述光耦合器连接到所述第二阵列的所述光耦合器。每一光波导具有在所述波导的末端之间连接到所述光波导的泵耦合器。
附图说明
参考结合随附图式进行的以下描述，其中：
图1说明用于多芯光学放大器的光学放大器的实施例；
图2说明可用于图1的光学放大器中的光耦合器的集成平面阵列的实例；
图3说明多芯光纤(MCF)与图2的光耦合器阵列之间的空间关系；
图4A及4B说明MCF的单一芯与图3的光耦合器中的一者的实例之间的示范性空间关系；
图5说明图3的光耦合器阵列的实施例，其包括位于MCF与图2的光耦合器阵列的每芯光耦合器之间的隔离光学元件；
图6说明光学分接头(例如，总线网络)的实施例，其可配合图1的光学放大器而使用以将泵光提供到其中的光学路径；
图7说明包括在输入MCF与输出MCF之间的光学切换网络的用于MCF的光学放大器的实施例；
图8说明经配置以提供偏光互异放大的用于MCF的光学放大器的实施例；
图9说明包括两个泵光源的用于MCF的放大器的实施例；
图10说明光学装置的实施例，其用于端耦合单芯光纤以使MCF的光芯分离且用于以光学方式放大其中的光；
图11说明图10的光学装置的替代实施例，其中单芯光纤以光学方式端耦合到边缘琢面耦合器；
图12说明用于形成(例如)根据图1、7、8、9、10、11或12的用于MCF的光学放大器的方法。
具体实施方式
本文中，可(例如)使用按照惯例用于微电子及／或集成光学元件领域中的层沉积、层掺杂及图案化工艺在衬底的表面上形成光学组件。
图1说明用于多芯光纤的光学放大器100的实例。光学放大器100包括集成平面光子装置(IPD)101及激光泵源126。
IPD101包括在衬底102的平面表面上的光耦合器230的第一集成平面阵列105及第二集成平面阵列110以及光波导125。光波导125以一对一方式连接第一集成平面阵列105及第二集成平面阵列110的光耦合器230。第一集成平面阵列105的光耦合器230以光学方式端耦合到第一多芯光纤(MCF)115(例如，输出MCF)的对应光芯。第二集成平面阵列110的光耦合器230以光学方式端耦合到第二MCF120(例如，输入MCF)的对应光芯。但在一些实施例中，MCF115、MCF120的一个或一个以上光芯可不耦合到IPD100。衬底102可任选地包括以光学方式将衬底102与形成于其上的光学组件隔离的光学隔离层103(例如，介电层)。
激光泵源126将泵光传输到光波导125以放大经由IPD在第一MCF115与第二MCF120之间传输的光。
装置100可选择性地放大从MCF120的不同光芯接收的光，如下文进一步描述。
图2说明光耦合器的单一阵列，例如集成平面阵列105或集成平面阵列110。所说明的阵列包括七个光波导125的若干段。在所述阵列中，每一光波导段包括(例如)光耦合段210及过渡段220。每一光耦合段210具有位于其上或其中的光耦合器230。光耦合器230经横向定位而以光学方式端耦合MCF的单一对应光芯(未图示)。可定制光耦合段210以增强其经由对应过渡段220到MCF的对应光芯的耦合，例如，每一光耦合段210可宽于同一光波导的剩余部分。每一过渡段220提供光耦合段210与同一光波导的通信段(展示于图2的左侧)之间的耦合器。过渡段220可经配置以减少光波导的不同大小的耦合段与通信段之间的耦合／插入损失。
可(例如)在克里斯托弗·多尔(Christopher Doerr)的题目为“到光子电路耦合器的多芯光缆(Multi-Core Optical Cable to Photonic Circuit Coupler)”的第12／972,667号美国专利申请案(′667申请案)中描述可适合于用作光耦合器230的一些光栅耦合器的实例，所述申请案的全文以引用的方式并入本文中。在一些实施例中，光耦合器可包括45°镜的使用，所述45°镜经配置以将来自波导125中的一者或一者以上的光重定向到MCF115、MCF120中的一者的芯中。
例如，如′667申请案中所论述，光耦合器230常常以在形式及大小上对应于待耦合的MCF内的光芯的横向模式的横向模式来布置。在所说明的实施例中，图2的实例阵列经配置以耦合到位于规则六边形的角及中心处的七个光芯。然而，实施例不限于MCF中的光芯的此布置或MCF中的特定数目个芯。
图3说明在MCF115耦合到位于平面衬底310上的集成平面阵列105的状况下的集成平面阵列105(即，七个光耦合器230的阵列)的实施例的透视图。说明具有七个光芯330的MCF115，一个光芯330传播一光信号340。MCF115的末端位于阵列上且经旋转对准以使得MCF115的个别光芯面向且以光学方式耦合到集成平面阵列105的光耦合器230中的对应个别者。举例来说，每一光芯330可具有末端350，所述末端350经定位及定向以将光点360投影到集成平面阵列105的对应光耦合器230上而不将光投影到集成平面阵列105的其它光耦合器上。可在′667申请案中描述相对于MCF(例如，MCF115、MCF120)来建构及配置集成平面阵列105、集成平面阵列110的方式的额外实例。
图4A及4B说明图3的MCF115的光芯330中的一者到集成平面阵列110(例如，一维光栅阵列)中的对应光耦合器230的耦合的定向及位置方面。所投影的光点360产生位于光耦合器230上的近似高斯分布410，其具有足够的重叠以将来自光信号340的光耦合到光耦合段210。
在所说明的实施例中，光芯330相对于光耦合段210的表面法线成角度以产生偏光分离光耦合器。具体来说，在部分由光信号340的波长所确定的特定角度下，光信号340的TE偏光模式420以如图4B所定向的向右传播方向耦合到光耦合段210。类似地，光信号340的TM偏光模式430以如图4B所定向的向左传播方向耦合到光耦合段210。TE及TM偏光模式的此耦合可形成如下文进一步描述的用于MCF的光学放大器的偏光互异实施例。可在汤永波(Yongbo Tang)等人的“对用作绝缘体上硅纳米光子电路的偏光分光器和有效耦合器的光栅波导的建议(Proposal for a Grating Waveguide Servingas Both a Polarization Splitter and an Efficient Coupler for Silicon-on-InsulatorNanophotonic Circuits)”(IEEE光子技术学报(IEEE Photonics Technology Letters)，第21卷，第4期，第242到244页，2009年2月15日)中找到有关此偏光分裂的额外信息，所述案的全文以引用的方式并入本文中。
图5说明可任选地置于MCF115与集成平面阵列105之间及／或MCF120与集成平面阵列110之间的隔离组合件505。隔离组合件505使在MCF115与集成平面阵列105之间产生的背反射光衰减。图5呈现以光学方式耦合到集成平面阵列105的MCF115的说明性状况。
隔离组合件包括各自具有焦距f的透镜510、透镜520。光束偏移器530、法拉第旋光器(Faraday rotator)540、四分之一波片550及光束偏移器560位于透镜510与透镜520之间。透镜510与(例如)末端350间隔约为f的距离以准直来自MCF的光芯的光束。透镜520与(例如)集成平面阵列105间隔约为f的距离以(例如)将来自MCF115的光芯的准直光束聚焦到光耦合器上。透镜510、透镜520(例如)彼此间隔约为2f的距离。隔离体组合件将来自末端350的光(例如，光信号340)导引到所指示的对应光耦合器230。类似地，将来自MCF115的其它芯的光导引到集成平面阵列105的其它对应光耦合器230。
返回到图1，激光泵源126产生泵光，所述泵光处于适合于拉曼(Raman)放大的波长或适合于经由稀土掺杂剂的激励而放大的波长。在前一状况下，泵光的波长在MCF115或MCF120中产生向前或向后拉曼放大。在后一状况下，泵光的波长在MCF115、MCF120中的一者的光芯中或在光波导125中激励稀土掺杂剂，借此在其中引起光学放大。在稀土掺杂剂为铒原子的实施例中，适合于激励铒原子的泵波长可为(例如)约1480nm的波长。
激光泵源126可将泵光传输到光学总线网络145，所述光学总线网络145经由可编程或可调整光学分接头150将泵光传输到个别光波导125。
在一些实施例中，激光泵源126在外部，且光波导130(例如，SCF)、光耦合器135(例如，一维光栅阵列)及波导140将激光泵源126连接到光学总线网络145。
在其它实施例(未图示)中，激光泵源126可集成于衬底102上，且衬底102上的平面波导可将激光泵源126连接到波导140。
每一可编程光学分接头150可经由波导155及泵耦合器160将来自光学总线网络145的泵光传输到光波导125中的对应一者。每一泵耦合器160可包括(例如)马赫尔-曾德干涉计(MZI)，所述MZI经配置为2×1光耦合器以组合泵光与来自集成平面阵列105、集成平面阵列110中的一者的光，以使得组合光被导引到集成平面阵列110、集成平面阵列105中的另一者。
图6说明图1的光学总线网络145的实例，其中可变马赫尔-曾德干涉计(MZI)620、650充当可编程光学分接头150。光学总线网络145(例如)接收来自激光泵源126的泵光610。第一可变MZI620将所接收的泵光610的一部分传输到波导155中的第一者且大致将所接收的泵光610的剩余部分传输到第二可变MZI650。第一可变MZI620包括移相器630(例如，加热器控制式热敏波导段)。分接头控制信号640可控制移相器630以将所接收的泵光610的一可选择部分导引到波导155中的第一者。可以类似于针对第一可变MZI620所描述的方式的方式来操作第二可变MZI650及可编程光学分接头150中的一者的任何稍后可变MZI实例，其中适当调整相关联的分接头控制信号以考虑到在泵光的部分被分接时泵光强度的减少。
可单独调整可编程光学分接头150以改变从光学总线网络145耦合到各种个别光波导125的泵光的量。因此，可单独调整来自MCF115、MCF120中的输入MCF的每一光芯的光的光学放大程度以提供光的所要放大。
在一些实施例中，用树网络替换光学总线网络145。举例来说，可以树配置来配置1×2可调整耦合器以将来自激光泵激光126的功率划分到所要数目个光波导125。
在一些实施例中，额外泵激光(未图示)可用以泵激MCF115及／或MCF120。每一泵激光可连接到一个或一个以上可编程分接头(未图示)，所述一个或一个以上可编程分接头连接到MCF115、MCF120的光芯中的一者或一者以上。在一个实施例中，放大器100包括对应于MCF115及／或MCF120的每一光芯的一泵激光。在此些实施例中，可编程光学分接头150并非必要。在另一实施例中，将多个泵激光中的每一者连接到光波导125的光学路径可经互连以提供冗余泵激能力。举例来说，如果一个泵激光出故障，则可接入另一泵激光以供能给与出故障的泵激光相关联的MCF115及／或MCF120的芯。
图7说明包括在集成平面阵列105与集成平面阵列110之间的切换网络710的光芯切换器700的实施例。在′712申请案中描述可适合于切换网络710的切换网络的实例。切换网络710能够将集成平面阵列105的每一光耦合器230耦合到集成平面阵列110的光耦合器230中的任一选定者。具体来说，切换网络以一对一方式连接两个集成平面阵列105、110的光耦合器230。因此，光芯切换器700可在MCF115与MCF120之间传送信号流时置换光信号流到特定光芯的指派。在光芯的指派的此置换期间，光芯切换器700也可按需要以不同方式放大个别光芯上的光信号流。光芯的指派的此切换在各种光信号处理应用中可为有益的。
图8说明用于MCF的光学放大器800的实施例，其中光波导125a、光波导125b提供集成平面阵列105与集成平面阵列110之间的平行光学路径。本文中，通过集成平面阵列105的光耦合器230的特殊构造将从MCF115的芯所耦合的光分离成TE偏光模式及TM偏光模式。举例来说，集成平面阵列105的光耦合器230可具有图4B中所说明的构造。集成平面阵列105的光耦合器230将TE模式光耦合到光波导125b中且将TM模式光耦合到光波导125a中。可通过相应光波导125a、125b将在一对光波导125a、125b(所述对光波导125a、125b耦合到第二阵列110的同一光耦合器230)上传播的光耦合到第一集成平面阵列115的相同或不同光耦合器230。以此方式，可在MCF115的光芯内放大所接收的偏光互异光信号的两个偏光模式，借此实现所接收的信号的偏光互异光学放大。
在一些实施例中，光学放大器800包括任选的可变光学衰减器(VOA)810a、810b。可独立地控制VOA810a、VOA810b使通过光学放大器800放大的TE信号分量中的任一者及／或TM信号分量中的任一者衰减。因此，可更改光信号的偏光模式的相对强度以(例如)考虑到光学放大器800自身内或别处的偏光相依性衰减。
一些实施例包括经配置以监视每一光波导125的光芯中的光功率的一个或一个以上光检测器820，例如光电二极管。光检测器可借此间接地监视MCF115、MCF120的光芯中的一者或一者以上中的光功率。此监视可用以(例如)提供反馈以用于控制可编程光学分接头150将所要泵功率递送到光波导125及／或MCF115、MCF120的光芯。
图9说明放大器900的实施例。光学放大器900包括用于光波导125b的第二激光泵源126b。第二激光泵源126b可经由SCF130b、光耦合器135b、波导140b及光学总线网络145b连接到光波导125b。从光学总线网络145b经由可编程光学分接头150b及波导155b将泵光分布到光波导125b。针对来自激光泵源126b的泵光的分布分量的操作类似于如先前关于图1B所描述的分布分量的操作。在光学放大器900的一些特殊实施例中，包括第二激光泵源126b可为有益的，例如，有益于增加可用的总泵光功率以放大输出光信号。
图10说明包括SCF耦合器1010的用于MCF120的光耦合器1000。每一SCF耦合器1010可包括单一光耦合器230。所述SCF耦合器1010可在空间上分离(例如，以足够距离彼此间隔)，使得个别SCF1020的末端可相对于SCF耦合器1010来定位以将光信号耦合到所述末端。SCF1020可操作以将输入光信号提供到光耦合器1000或从光耦合器1000接收输出光信号。光耦合器1000可因此将扇入或扇出能力提供给本文中所描述的集成平面放大器中的一些。
图11A及11B说明包括SCF耦合器的用于MCF120的光耦合器1100，其中SCF耦合器包括边缘琢面耦合器1110。每一边缘琢面耦合器1110包括延伸到衬底102的边缘的光波导125中的一者的边缘琢面1120(图11B)。SCF1020的光芯1130可相对于边缘琢面1120对准，借此在两者之间耦合光信号。一个或一个以上边缘琢面耦合器1110可配合一个或一个以上SCF耦合器1010及／或一个或一个以上平面阵列(例如，集成平面阵列105)而使用以提供灵活的到装置100的扇入及从装置100的扇出。关于边缘琢面耦合的一些实例，参见美国专利申请案2012／0155806A1，所述申请案的全文以引用的方式并入本文中。
转而参看图12，呈现(例如)用于形成光学装置的方法1200。通过参考本文中所描述的各种实施例(例如，图1到11的实施例)而在无限制情况下描述方法1200。可按不同于所说明的次序的次序来执行方法1200的步骤。
在步骤1210中，在衬底的表面上形成光耦合器(例如，光耦合器230)的第一阵列(例如，集成平面阵列105)。第一阵列为经横向布置以端耦合到第一多芯光纤(例如，MCF115)的对应个别光芯的光耦合器的集成平面阵列。
在步骤1220中，在衬底的同一表面上形成光耦合器(例如，光耦合器230)的第二阵列(例如，集成平面阵列110)。第二阵列的光耦合器能够以一对一方式端耦合到具有面向且邻近于所述第二阵列的末端的光芯。在一些实施例中，第二阵列为经横向布置以使得个别光耦合器端耦合到第二多芯光纤(例如，MCF120)的对应个别光芯的光耦合器的集成平面阵列。
在步骤1230中，在所述表面上形成多个光波导(例如，光波导125)。光波导以一对一方式将第一阵列的光耦合器连接到第二阵列的光耦合器。
在步骤1240中，形成多个泵耦合器(例如，泵耦合器160)以使得每一光波导具有连接到所述光波导的泵耦合器。泵耦合器在每一光波导的末端之间耦合到所述光波导。
下文提供方法1200的各种任选特征。在一些状况中，可组合这些任选特征。
可调整每一泵耦合器以改变插入到所连接的光波导中的泵光的量。可形成多个可变光学衰减器(例如，VOA810a、VOA810b)，其中每一可变光学衰减器沿着光波导中的一者而定位。可将泵光源(例如，激光泵源126)耦合到泵耦合器。
第二阵列(例如，集成平面阵列110)的光耦合器可横向位于表面上以能够以一对一方式端耦合到第二多芯光纤(例如，MCF120)的光芯，所述第二多芯光纤具有面向且邻近于所述第一阵列及所述表面的末端。第二阵列的光耦合器可为边缘琢面耦合器，例如边缘琢面耦合器1110。光波导可能能够在经由泵耦合器以光学方式泵激时放大其中的光。掺杂有铒的多芯光纤的光芯的末端可位于接近光耦合器的第一阵列处，以使得光芯经配置以从光耦合器接收泵光。
可将激光泵源耦合到光学泵耦合器，其中激光泵源具有适合于通过拉曼放大来放大电信C或L频带中的光信号的输出波长。可在所述表面上形成多个第二光波导(例如，光波导125b)，其中第二光波导以一对一方式将第一阵列的光耦合器连接到第二阵列的光耦合器。
所属领域的技术人员应了解，可对所描述的实施例进行其它及进一步的添加、删除、替换及修改。

Claims (10)

1.一种光学装置，其包含：
光耦合器的第一阵列，所述第一阵列位于衬底的表面上以使得所述第一阵列的所述光耦合器能够以一对一方式端耦合到第一多芯光纤的光芯，所述第一多芯光纤具有面向且邻近于所述第一阵列及所述表面的末端；
光耦合器的第二阵列，所述第二阵列位于所述表面上以使得所述第二阵列的所述光耦合器能够以一对一方式端耦合到具有面向且邻近于所述第二阵列的末端的光芯；
多个光波导，所述多个光波导在所述表面上且以一对一方式将所述第一阵列的所述光耦合器连接到所述第二阵列的所述光耦合器；及
多个泵耦合器，每一光波导具有在所述光波导的末端之间连接到所述光波导的泵耦合器。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其进一步包含多个可变光学衰减器，每一可变光学衰减器沿着所述光波导中的一者而定位。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其进一步包含耦合到所述泵耦合器的一个或一个以上泵光源。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述光波导能够在经由所述泵耦合器以光学方式泵激时放大其中的光。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其进一步包含端耦合到光耦合器的所述第一阵列的掺杂有铒的多芯光纤，所述泵耦合器经配置以将泵光耦合到所述掺杂有铒的多芯光纤中。
6.一种形成光学装置的方法，其包含：
形成光耦合器的第一阵列，所述第一阵列位于衬底的表面上以使得所述第一阵列的所述光耦合器能够以一对一方式端耦合到第一多芯光纤的光芯，所述第一多芯光纤具有面向且邻近于所述第一阵列及所述表面的末端；
形成光耦合器的第二阵列，所述第二阵列位于所述表面上以使得所述第二阵列的所述光耦合器能够以一对一方式端耦合到具有面向且邻近于所述第二阵列的末端的光芯；
形成多个光波导，所述多个光波导在所述表面上且以一对一方式将所述第一阵列的所述光耦合器连接到所述第二阵列的所述光耦合器；及
形成多个泵耦合器，每一光波导具有在所述光波导的末端之间连接到所述光波导的泵耦合器。
7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含形成多个光学光检测器，每一光学光检测器经配置以从所述多芯光纤中的一者的一个或一个以上芯接收光的一部分。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第二阵列的所述光耦合器横向位于所述表面上以便能够以一对一方式端耦合到第二多芯光纤的光芯，所述第二多芯光纤具有面向且邻近于所述第一阵列及所述表面的末端。
9.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含将激光泵源耦合到所述泵耦合器，所述激光泵源具有适合于通过拉曼放大来放大电信C或L频带中的光信号的输出波长。
10.根据权利要求6所述的方法，其进一步包含在所述表面上形成多个第二光波导，所述多个第二光波导以一对一方式将所述第一阵列的所述光耦合器连接到所述第二阵列的所述光耦合器。
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