CN114792924A - 具有直通泵浦激光器的掺杂光纤放大器 - Google Patents

具有直通泵浦激光器的掺杂光纤放大器 Download PDF

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Abstract

本公开内容涉及具有直通泵浦激光器的掺杂光纤放大器。能够使用电驱动信号进行操作的放大器可以放大具有信号波长的信号光。激光二极管具有带有输入小面和输出小面的有源区段。小面与信号光光学连通，并被配置成使信号光穿过激光二极管。有源区段被配置成响应于电驱动信号注入有源区段而产生泵浦光。泵浦光具有不同于信号波长的泵浦波长。掺杂有活性掺杂剂的掺杂光纤与信号光光学连通，并且与来自激光二极管的泵浦光的至少一部分光学连通。泵浦光的泵浦波长被配置成与光纤的活性掺杂剂相互作用，从而放大信号光。

Description

具有直通泵浦激光器的掺杂光纤放大器
技术领域
本发明涉及掺杂光纤放大器。
背景技术
在掺杂光纤放大器中，光信号传输通过掺杂光纤。同时，使用泵浦光来激励掺杂光纤中的离子，该泵浦光以与泵浦激光二极管不同的波长提供。光信号的光子与被激励的离子相互作用，使得离子以与光信号的光子相同波长的光子的形式释放离子的一些能量，离子返回到较低的能量状态。当光信号通过掺杂光纤时，光信号由此被放大。
例如，掺铒光纤放大器(EDFA)可以用于光纤链路中，以在光纤的1550-nm波长范围内以低损耗放大信号。在EDFA中，短长度(几米)的光纤掺有稀土元素铒。泵浦激光器将给定波长的光注入到掺铒光纤中，以激发光纤中的铒离子。当被激发的离子返回到未被激发的状态时，能量被传递到通过光纤的光信号。要放大的波长可以在1550-nm范围内，并且泵浦激光器的波长可以是980和/或1480nm。
在许多光纤放大器中，在光学拓扑结构中需要多次泵浦激光注入。此外，在单个物理位置中需要多个EDFA的情况下存在更多的要求。惯例是为了成本效益而每个注入点或每个增益级使用单个泵浦激光器芯片，但是存在多于一个泵浦激光器可能是有益的常见情况。该芯片可以单独封装，或者多个芯片可以包括在一个泵浦激光器封装中。这很有效，但是由于在增益级中需要的光学部件的数量，使得光纤放大器可能的最小尺寸总是受到限制。此外，所需的光学部件越多，成本就越高。
本公开内容的主题旨在克服或至少减少上述一个或更多个问题的影响。
发明内容
根据本公开内容，光纤放大器能够使用电驱动信号进行操作以用于放大具有信号波长的信号光。该设备包括激光二极管和掺杂滤波器。激光二极管具有有源区段并且具有输入小面和输出小面。输入小面和输出小面与信号光光学连通，并且被配置成使信号光从输入小面穿过激光二极管到达输出小面。有源区段被配置成响应于电驱动信号注入有源区段中而产生泵浦光。泵浦光具有不同于输入波长的泵浦波长。
光纤掺杂有活性掺杂剂。光纤与信号光光学连通，并且与来自激光二极管的泵浦光的至少一部分光学连通。例如，在共泵浦(co-pumping)布置中，掺杂光纤可以在激光二极管的输出小面的下游，或者在反向泵浦布置中，掺杂光纤可以在激光二极管的输入小面的上游。其他配置也是可能的。无论哪种方式，泵浦光的泵浦波长被配置成与光纤的活性掺杂剂相互作用，从而放大信号光。
根据本公开内容，一种方法用于具有信号波长的信号光。该方法包括：在激光二极管的输入小面处接收信号光；使信号光从输入小面穿过激光二极管到达输出小面；通过将电驱动信号注入到激光二极管的有源区段中而在激光二极管的有源区段中产生泵浦光，所述泵浦光具有不同于信号波长的泵浦波长；将信号光和泵浦光的至少一部分传输到与激光二极管光学连通的掺杂光纤放大器；以及通过使泵浦光与掺杂光纤放大器相互作用来放大信号光。
前述概述并非旨在概述本公开内容的每个潜在实施方式或每一个方面。
附图说明
图1示出了根据本公开内容的具有掺杂光纤放大器和直通(Pass-Through)泵浦激光器的设备。
图2A示出了图1的设备的一部分，其包括直通激光二极管以及输入和输出光纤。
图2B示出了图1的设备的一部分，其包括直通激光二极管以及输入和输出光纤。
图3示出了直通激光二极管的端截面。
图4A示出了具有掺杂光纤和直通泵浦激光器的一个配置的光纤放大器。
图4B示出了具有掺杂光纤和直通泵浦激光器的另一配置的光纤放大器。
图4C示出了具有掺杂光纤和直通泵浦激光器的又一配置的光纤放大器。
图5示出了用于操作根据本公开内容的具有直通激光二极管的光纤放大器系统的过程。
图6A至图6C示出了具有激光二极管的光纤放大器，所述激光二极管相对于一个或更多个掺杂光纤沿不同的泵浦方向进行布置。
具体实施方式
图1示出了根据本公开内容的具有光纤放大器102的光纤放大器系统100，光纤放大器102具有直通激光二极管200。激光二极管200设置在输入或初始信号光S的路径105中并且被配置成使在输入小面处接收的信号光S穿过激光二极管200传递至输出小面，同时还产生并输出泵浦光P。泵浦光P的至少一部分和信号光S一起从输出小面朝向掺杂光纤108传输至路径105中。例如，输入信号光S的至少一部分到达激光二极管200的输入端小面并且进入激光二极管200，其中输入信号光S与由激光二极管200添加的泵浦光P的至少一些组合。信号和泵浦光的组合部分S+P到达输出端小面，以通过端小面被传输至路径105的光纤，然后传播至掺杂光纤108。
如本文中所公开的，将激光二极管200配置成接收输入信号光S并且从一个端小面输出所接收的输入信号光S和所添加的泵浦光P可以消除对光纤放大器的泵浦激光器所需的常规部件中的一些部件的需要。即，不需要用于将泵浦光耦合到输入信号光的光路中的耦合器诸如二向色耦合器。
本公开内容的光纤放大器102使用具有位于两个端小面之间的有源区段的直通激光二极管200，两个端小面中的每个具有低反射率。例如，端小面中的每个可以具有抗反射(AR)涂层。与可以用于直通激光二极管200的双小面激光二极管有关的细节在共同未决的美国申请16/947,643中公开，该申请于2020年8月11日提交并且名称为“DUAL OUTPUTLASER DIODE”，其全部内容通过引用合并在本文中。
本文中公开的直通激光二极管200可以用于多个光纤放大器系统100，例如掺铒光纤放大器(EDFA)系统或其他系统。例如，光纤放大器102可以包括掺杂有稀土离子的一个或更多个玻璃光纤108。一些示例掺杂剂包括铒、钕、镱、镨、铋、钬或铥。对于这些掺杂剂，来自激光二极管200的泵浦光P连同要放大的初始信号S一起传播通过掺杂光纤108的纤芯，并且泵浦光P向活性掺杂剂提供能量。
激光二极管200内的最大光功率密度可以减小到约二分之一，因为没有泵浦光P或相对较少的泵浦光P如在一个端小面处具有AR涂层而在另一端小面处具有HR涂层的常规激光二极管中出现的那样在一个端小面处反射回另一端小面。然而，应当注意，当与在相对端小面处具有AR和HR涂层的激光二极管相比时，根据本公开内容的直通激光二极管200的减小的最大光功率密度可以具有增加的可靠性。
取决于期望的实现方式，直通激光二极管200可以在相对面处具有相等或不相等的反射率。例如，在端小面处可以使用不相等反射率的AR涂层，例如在第一端小面处反射率为1％的第一AR涂层和在第二端小面处反射率为0.75％的第二AR涂层。替选地或另外地，激光二极管200的波导可以被构造成在两个端小面处或在两个端小面附近具有不同的透射率，例如第一端小面附近的波导的一部分的透射率为99.5％而第二端小面附近的波导的一部分的透射率为99％。这些百分比值仅是示例性的，并且可以取决于实现方式而变化。
替选地或另外地，可以不同地控制激光二极管200的第一部分和第二部分。例如，激光二极管200可以包括电耦合至激光二极管200的第一部分的第一阳极和阴极，并且可以包括电耦合至激光二极管200的第二部分的第二阳极和阴极。可以在激光二极管200中第一部分与第二部分之间形成蚀刻镜、分布式反馈(DFB)镜或其他反射结构，以至少部分地隔离泵浦光P从第一部分和第二部分中的一个到另一个的光传送。因此，激光二极管200的第一部分和第二部分可以在整体地形成在单个结构中的同时独立地操作。
为了监测操作，光纤放大器系统100可以包括与连接至控制器120的输入光电二极管122连通的输入光抽头104。同样，输出光抽头112可以与在输出端处连接至控制器120的输出光电二极管124连通。第一光隔离器106可以用于激光二极管200与输入光抽头104之间，并且第二光隔离器110可以用于激光二极管200与掺杂光纤108之间。通常，光纤放大器102被配置成接收直通光学信号光S作为输入，并且被配置成输出放大的信号光SA，该放大的信号光SA是光学信号光S的放大版本。
更详细地，在输入抽头104处接收直通光学信号光S。取决于实现方式，该信号光S可以由合适的源(未示出)产生。信号光S的一小部分(例如2％)可以由输入抽头104引导至输入光电二极管122，其可以测量光学信号光S的光功率。直通光学信号光S的剩余部分(例如98％)穿过输入抽头104和第一隔离器106到达激光二极管200。第一隔离器106可以防止或至少减少背向反射。
直通光学信号光S具有第一输入波长λIn。激光二极管200泵(pump)送处于第二泵浦波长λPump的泵浦光P，第二泵浦波长λPump被选择以在掺杂光纤108内存在特定稀土掺杂剂的情况下向在λIn下操作的相应的光学信号光S提供光学放大。掺杂剂可以是铒、镱或其他掺杂剂。例如，当掺杂剂是铒时，由激光二极管200发射的泵浦光P的波长λPump可以是约980纳米(nm)(例如，970-nm至990-nm)。泵浦波长λPump为约980-nm的泵浦光P可以被配置成：当光学信号光S的波长λIn为约1550-nm(例如C波段(约1528nm至1568nm)中的波长)或约1590-nm(例如L波段(约1568nm至1625nm)中的波长)时，在掺杂光纤108中对光学信号光S提供放大。
激光二极管200将与泵浦光P的至少一部分组合的光学信号光S输出至掺杂光纤108。理想地，泵浦光P的所有或至少大部分注入到掺杂光纤108中，但是由于980-nm泵浦光P中的一些可能丢失，所以量会是激光二极管200可以发射的总可能功率的一部分。处于泵浦波长λPump的泵浦光P激励掺杂光纤108中的离子，并且处于输入波长λIn的信号光S与被激励的离子相互作用。特别地，处于输入波长λIn的信号光S的光子激发来自在输入波长λIn下被激励的离子的光子的发射，以产生放大的信号光SA。
放大的信号光SA穿过第二隔离器110并且可以传递到输出抽头112。如果使用输出抽头112，则输出抽头112将放大的信号光SA的一小部分引导至输出光电二极管124，其可以测量放大的信号光SA的光功率。放大的信号光SA的剩余部分穿过输出抽头112并且从光纤放大器102输出。
控制器120可以控制用于激光二极管200的一个或更多个激光驱动器126A-126B。特别地，控制器120可以使用输入光电二极管122和输出光电二极管124来监测输入信号和输出信号，并且可以控制一个或更多个激光驱动器126A-126B，所述激光驱动器126A-126B按照控制器120的指示向激光二极管200施加电驱动信号。进而，电驱动信号可以指示由激光二极管200发射的泵浦光P的光功率。例如，激光器200可以发射具有光功率的泵浦光P，所述光功率与电驱动信号的电流成比例或者与电驱动信号的电流具有某种其他定义的关系。
在操作期间，控制器120可以将(由输入光电二极管122测量的)信号光S的光功率与(由输出光电二极管124测量的)放大的信号光SA的光功率进行比较以确定光纤放大器102的增益。如果增益高于或低于目标增益，则一个或更多个激光驱动器126A-126B可以调节电驱动信号以增加或减少光纤放大器102的增益。如稍后更详细地讨论的，激光二极管200可以包括两个部分，这两个部分可以由激光驱动器126A-126B中相应的一个独立地控制，以独立地控制光纤放大器102中的增益。
理解了本公开内容的光纤放大器系统100之后，讨论转向本公开内容的光纤放大器102的进一步的细节。
图2A示出了图1的光纤放大器102的一部分，该部分包括直通激光二极管200、输入光纤130A和输出光纤130B。输入光纤130A和输出光纤130B可以包括图1的光路105，被包括在图1的光路105或对应于图1的光路105。
如图2A所示，激光二极管200包括彼此间隔开的两个端小面230A和230B。输入端小面230A至少对于直通信号的波长λIn(或与直通信号波长λIn相关联的多个波长或波长范围)具有低反射率。输入小面230A还至少对于激光二极管的工作波长λPump(或与激光二极管的工作波长λPump相关联的多个波长或波长范围)具有高反射率。这可以在输入端小面230A上使用高反射镜134A来实现。例如，镜134A可以包括具有多个薄膜层的高反射(HR)面涂层，这些薄膜层包括具有不同折射率的材料并且具有与感兴趣的波长成分数(fractioned)的厚度。
同时，输出端小面230B对于多个波长或波长范围具有低反射率，例如对于激光二极管的工作波长λPump和直通信号波长λIn的那些波长。所提及的反射率可以是(或可以包括)针对单个波长、多个波长或波长范围例如激光器200的工作波长范围的反射率。工作波长范围可以包括适合于泵浦光(P)的波长，例如约980-nm的波长或其他波长。在一些配置中，工作波长范围可以从970-nm至990-nm，或者从975-nm至985-nm，或者其他合适的范围。
输入光纤130A和输出光纤130B被定位成使得相应端小面230A和230B中的每一个光耦合到相应光纤130A和130B。例如，使用适当形式的光耦合，第一端小面230A光耦合到输入光纤130A，以及第二端小面230B光耦合到输出光纤130B。例如，每个光纤130A和130B可以与相应的端小面230A和230B光学对准，并且被定位成足够靠近相应的端小面230A和230B，使得光适当地彼此耦合。可替选地或另外地，一个或更多个光学元件，例如一个或更多个透镜或其他光学元件，可以位于端小面230A和230B与光纤130A和130B之间。可以使用各种类型的光耦合。
输出光纤130B可以包括形成在其中的光纤布拉格光栅(FBG)132B。FBG 132B可以被配置用于一个或更多个波长。FBG 132B可以被配置成将泵浦光(P)的一部分(例如2％至4％)反射回激光二极管200。FBG132B可以被配置成反射回预定波长或多个预定波长，这可以将激光二极管200“锁定”到预定波长，使得激光二极管200在预定波长处表现出稳定的激光发射。
FBG 132B可以被配置成反射回一个或更多个波长(例如974-nm和976-nm)，但是可以通过信号光(S)的较高波长λPump。反射光可以通过第二端小面230B耦合到激光器200中，在那里它通常与激光器200的第二部分234B相互作用，使得激光器200的第二部分234B被锁定到974-nm和976-nm两者。
更一般地，FBG 132B可以将激光器200的相应第一部分234A或第二部分234B锁定到一个或多个预定波长。在其他布置中，激光二极管200本身可以包括DFB结构以将激光器200锁定到预定波长，从而可以省略FBG 132B。
在一些配置中，FBG 132B与激光二极管200形成光纤腔，其中FBG132B提供足够的反射率以确保激光二极管200的激光发射。可替选地或另外地，激光二极管200可以包括关于图3描述的脊结构。沿着激光二极管200的长度的增益诱导的折射变化、热诱导的折射变化或脊结构的粗糙度可以充分地反射和散射在激光二极管200中生成的光以建立光场并确保激光二极管200的激光发射。在一些布置中，考虑到端小面230A和230B处的低反射率，激光二极管200可以具有比其他激光器更高的用于激光发射的阈值或增益。
无论哪种方式，FBG 132B、输入小面230A的反射率、激光二极管200等对于穿过激光二极管200的有源区段的输入信号光S的较高波长λIn是可穿透的。这样，较高波长λIn的直通输入信号光S和较低波长λPump的泵浦光P的至少一部分可以通过输出小面230B传输，以向前传播到光纤放大器(102)。如在一个实现方式中已经公开的，当光纤放大器(102)使用掺铒光纤(108)时，直通波长λIn可以约为1550-nm，并且泵浦波长λPump可以为980-nm。
图2A中的布置非常适合于泵浦和放大器拓扑，其中直通泵浦在泵浦下游具有增益介质。例如，下面参考图4A描述这种布置的细节。其他布置也是可行的。
作为另一示例，图2B示出了图1的光纤放大器102的一部分，所述光纤放大器102包括直通激光二极管200、输入光纤130A和输出光纤130B的另一配置。输入光纤130A和输出光纤130B可以包括、被包括在或对应于图1的光路105。
再次如图2B所示，激光二极管200包括彼此间隔开的两个端小面230A和230B。端小面230A和230B中的每一个具有低反射率。反射率可以是或包括针对单个波长、多个波长或波长范围例如激光器200的工作波长范围的反射率。工作波长范围可以包括适合于泵浦光(P)的波长，例如约980-nm的波长或其他波长。在一些配置中，工作波长范围可以从970-nm至990-nm，或者从975-nm至985-nm，或者其他合适的范围。
输入光纤130A和输出光纤130B被定位成使得相应端小面230A和230B中的每一个光耦合到相应光纤130A和130B。例如，使用适当形式的光耦合，第一端小面230A光耦合到输入光纤130A，并且第二端小面230B光耦合到输出光纤130B。例如，每个光纤130A和130B可以与相应的端小面230A和230B光学对准，并且定位成足够靠近相应的端小面230A和230B，使得光适当地彼此耦合。可替选地或另外地，一个或更多个光学元件例如一个或更多个透镜或其他光学元件可以位于端小面230A和230B与光纤130A和130B之间。可以使用各种类型的光耦合。
在这种配置中，光纤130A和130B中的每一个可以包括形成在其中的光纤布拉格光栅(FBG)132A和132B。输入FBG 132A可以被配置用于第一波长，而输出FBG 132B可以被配置用于第一波长和第二波长。FBG 132A和132B可以被配置成将泵浦光(P)的一部分例如2％至4％反射回激光二极管200。每个FBG 132A和132B可以被配置成反射回预定波长或多个预定波长，这可以将激光二极管200“锁定”到预定波长，使得激光二极管200在预定波长处表现出稳定的激光发射。FBG 132A和132B可以被配置成反射回相同或不同的预定波长，以使激光二极管200从输出端小面230B以至少两个预定波长发射泵浦光(P)。
例如，第一FBG 132A可以被配置成反射回974-nm的第一波长，但是可以通过信号光(S)的更高波长。反射光可以通过第一端小面230A耦合到激光器200中，在那里它通常与激光器200的第一部分234A相互作用，使得激光器200的第一部分234A锁定到974nm。
第二FBG 132B可以被配置成反射回974-nm的第一波长和976-nm的第二波长两者，但是可以通过信号光(S)的更高波长。反射光可以通过第二端小面230B耦合到激光器200中，在那里它通常与激光器200的第二部分234B相互作用，使得激光器200的第二部分234B被锁定到974-nm和976-nm两者。
更一般地，每个FBG 132A和132B可以将激光器200的相应第一部分234A或第二部分234B锁定到一个或多个预定波长。在其他布置中，激光二极管200本身可以包括DFB结构以将激光器200锁定到预定波长，从而可以省略FBG 132A和132B。
在一些配置中，FBG 132A和132B中的每一个与激光二极管200形成光纤腔，其中FBG132A和132B提供足够的反射率以确保激光二极管200的激光发射。可替选地或另外地，激光二极管200可以包括关于图3描述的脊结构。沿着激光二极管200的长度的增益诱导的折射变化、热诱导的折射变化或脊结构的粗糙度可以充分地反射和散射在激光二极管200中生成的光以建立光场并确保激光二极管200的激光发射。在一些布置中，考虑到端小面230A和230B处的低反射率，激光二极管200可以具有比其他激光器更高的用于激光发射的阈值或增益。
无论哪种方式，激光二极管200、FBG 132A和132B等对于通过激光二极管200的有源区段的输入信号光S的较高波长λIn是可穿透的。这样，较高波长λIn的直通输入信号光S和较低波长λPump的泵浦光P的至少一部分可以通过输出小面230B传输，以向前传播到光纤放大器(102)。如在一个实现方式中已经公开的，当光纤放大器(102)使用掺铒光纤(108)时，直通波长λIn可以约为1550-nm，并且泵浦波长λPump可以为980-nm。
图2B中的布置非常适合于泵浦和放大器拓扑，其中直通泵浦在泵浦的上游和下游具有增益介质。例如，下面参考图4B描述这种布置的细节。
图3示出了根据本公开内容的直通激光二极管200的端截面。激光二极管200可以包括本文公开的任何激光二极管，被包括在本文公开的任何激光二极管中，或者与本文公开的任何激光二极管相对应。图3的端截面图是在平行于激光二极管200的端小面(230A和230B)且垂直于激光二极管200的光发射方向的平面中。光发射方向在图3中的页面内和页面外，并且该方向也被称为纵向方向。
如图3所示，激光二极管200包括各种外延层，例如衬底202、下包层204、下波导层206、有源层208、上波导层210、上包层212、阴极214和阳极216。在其他布置中，激光二极管200可以包括相对于图3所示的层或元件的另外或不同的层或元件。激光器200的端小面(230A和230B)可以例如通过切割开外延层来形成在外延层中。
图3的配置包括有源层208，其中多量子阱(MQW)嵌入在下波导层206和上波导层210中并被下包层204和上包层212包围。这些包层204、212被配置成在图3中在横向方向上例如垂直地限制光学模式。
激光二极管200还可以包括台面或脊结构218，以在图3中在横向方向上例如水平地限制光学模式。具有下波导层206和上波导层210以及下包层204和上包层212的脊结构218形成在激光二极管200的端小面(230A和230B)之间纵向(例如在图3中的页面内和页面外)延伸的波导。在直通激光二极管200中，该波导被配置成纵向地引导输入信号光(S)和引导由激光二极管200生成的泵浦光(P)。
有源层208可以在激光二极管200的长度(例如，在图3中的页面内和页面外)的全部或一部分上纵向延伸。可替选地或另外地，阳极216可以在激光二极管200的长度的全部或一部分上纵向延伸，并且阳极216可以具有注入电流的区域(称为电流注入区域)，该区域可以在阳极216的长度的全部或一部分上纵向延伸。电流注入区域的长度可以确定激光二极管200内泵浦光(P)的受激发射的纵向范围。
如本文所公开的，激光二极管200的沿有源层208的长度、阳极216的长度或阳极216的电流注入区域的长度纵向延伸的一部分可以被称为激光二极管200的“有源区段”。对于直通输入信号光(S)，激光二极管200的有源区段从一个端小面纵向延伸到另一个端小面。
阴极214和阳极216电耦合到有源区段的相对侧。在图3的示例中，阴极214和阳极216尤其电耦合到激光二极管200的有源区段的底部和顶部。诸如图1的激光驱动器126的激光驱动器可以耦合到阳极216，以将电驱动信号注入到激光二极管200中并通过激光二极管200注入到阴极214。电驱动信号可以使电子和空穴从相对侧注入到有源层208中，在有源层208中，它们通过受激发射重新结合以生成用于泵浦光(P)的光子。
理解了如上所述的光纤放大器102中使用的直通激光二极管200，现在讨论转向特定配置。
图4A是根据本公开内容的在光纤放大器102中被布置用于直通的激光二极管200的顶部示意图。如图4A中所示，激光二极管200包括输入小面230A、输出小面230B以及位于小面230A至230B之间的有源区段220。
通常，有源区段220被配置成产生朝向小面230A至面230B中的每一个传播的泵浦光P。响应于将电驱动信号注入到有源区段220中，由有源区段220产生泵浦光P。阴极214和阳极216电耦合到有源区段220的相对侧，例如顶部和底部，以将电驱动信号注入到阴极214与阳极216之间的有源区段220中。
输入小面230A和输出小面230B至少对于直通信号波长λIn具有低反射率，而输入小面230A至少对于二极管200的工作波长λPump具有高反射率。在示例中，通过从激光器的晶片切割激光二极管200并在切割的端小面230A至230B上形成适当的AR/HR涂层来实现端小面230A至230B中的每个处的反射率。如先前参照图2A所指出的，输入端小面230A可以包括HR涂层134A，以反射泵浦光(P)的波长λpump，但通过信号光(S)的较高波长λIn。
输入端小面230A被配置成将直通输入信号光S(以输入波长λIn)的一部分例如大部分透射到有源区段220中，并且输出端小面230B被配置成将该输入信号光S的一部分例如大部分连同以泵浦波长λPump的泵浦光P的一部分例如一半或更多一起透射出有源区段220。
例如，端小面230B可以被配置成透射到达端小面230A至230B的光的至少95％、97％或99％通过端小面230A至230B。在这些和其他配置中，端小面230B可以具有小于1％的反射率。反射率可以是或包括针对单个波长、多个波长或波长范围例如激光二极管200的工作波长范围的反射率。激光二极管200的工作波长范围可以与本文中描述的其他工作波长范围相同或不同。输出端小面230B被配置成透射由有源区段220产生的泵浦光P的一部分以及到达输出端小面230B的输入信号光S的大部分通过端小面230B。
在如已经指出的一些实施方式中，对于给定波长，输入端小面230A的反射率不同于输出端小面230B的反射率。因此，端小面230A至230B处的光的光功率可以不同。例如，在例如在此在图4A中所示的掺杂光纤108朝向输出端小面230B布置的布置中，激光二极管200可以被配置成使得在输出端小面230B处比在输入小面230A处输出更多的泵浦光P。
有源区段220包括在端小面230A至230B之间延伸的波导225。波导225可以包括如关于图3所述的波导层等。靠近输入端小面230A的波导225的第一部分234A可以至少对于泵浦波长λPump具有第一透射率，并且靠近输出端小面230B的波导225的第二部分234B可以至少对于泵浦波长λPump具有第二透射率。第一透射率和第二透射率可以各自是(或可以包括)针对单个波长、多个波长或波长范围例如激光二极管200的工作波长范围的透射率。
波导225的第一部分234A和第二部分234B的第一透射率和第二透射率可以相同或不同。第一透射率和第二透射率可以取决于波导225的第一部分234A和第二部分234B的材料和结构。因此，可以根据需要选择波导225的第一部分234A和第二部分234B的材料或结构，以从端小面230A至230B输出具有相同或不同光功率的光。
此外，如图4A中所示，直通泵浦激光二极管200在具有带掺杂光纤108的光纤放大器102的光纤放大器系统中使用。输入小面230A与输入信号光S光学连通，并且被配置成例如从输入光纤130A接收输入光S。二极管200的有源区段220被配置成将输入光S从输入小面230A传递到输出小面230B。有源区段220被配置成响应于将电驱动信号注入到有源区段220中而产生泵浦光P。泵浦光P具有与穿过二极管200的输入波长λIn不同的泵浦波长λPump。
光纤放大器102具有光纤部分130B和掺杂光纤108。光纤部分130B与输出小面230B光学连通，并且被配置成从输出小面230B接收输入光S和至少一部分泵浦光P。泵浦光P的泵浦波长λPump被配置成以本文中公开的方式与掺杂光纤108相互作用。
在另一配置中，图4B是根据本公开内容的在光纤放大器102中布置为直通的激光二极管200的顶部示意图。如图4B中所示，激光二极管200包括输入小面230A、输出小面230B以及位于小面230A与230B之间的有源区段220。
光纤放大器102具有激光二极管200以及布置在正向和反向泵浦方向上的掺杂光纤108A至108B，其中泵浦光P的第一部分与初始信号光S共同传播通过一个掺杂光纤108B，并且其中泵浦光P的第二部分与初始信号光S相对传播通过另一掺杂光纤108A。如指出的，激光二极管200允许正被放大的初始信号光S直通。此外，如指出的，激光二极管200产生可以在两个方向上传递的泵浦光P。然而，激光二极管200、其小面(230A至230B)的反射率、波导(220)的透射率、其多个有源区等可以被配置成根据需要在正向和反向方向上传递更多、更少或相等部分的泵浦光P。这在图4B中仅示意性地示出。在任何情况下，定向到掺杂光纤108的泵浦光P可以对信号光S进行放大。
通常，有源区段220被配置成产生朝向小面230A至230B中的每一个传播的泵浦光P。由有源区段220响应于将电驱动信号注入到有源区段220中而产生泵浦光P。阴极214和阳极216电耦合至有源区段220的相对侧，例如顶部和底部，以将电驱动信号注入到阴极214与阳极216之间的有源区段220中。
输入小面230A和输出小面230B具有低反射率。在示例中，通过从激光器的晶片切割激光二极管200并在切割的端小面230A至230B上形成AR涂层来实现端小面230A至230B中的每个处的低反射率。
输入端小面230A被配置成将直通输入信号光S(以输入波长λIn)的一部分例如大部分透射到有源区段220中，并且输出端小面230B被配置成将该输入信号光S的一部分例如大部分连同以泵浦波长λPump的泵浦光P的一部分例如一半或更多一起透射出有源区段220。
例如，端小面230A至230B可以被配置成透射到达端小面230A至230B的光的至少95％、97％或99％通过端小面230A至230B。在这些和其他配置中，端小面230A至230B可以具有小于1％的反射率。反射率可以是或包括针对单个波长、多个波长或波长范围例如激光二极管200的工作波长范围的反射率。激光二极管200的工作波长范围可以与本文中描述的其他工作波长范围相同或不同。输出端小面230B被配置成透射由有源区段220产生的泵浦光P的一部分以及到达输出端小面230B的输入信号光S的大部分通过端小面230B。
在一些实施方式中并且如已经指出的，输入端小面230A的反射率不同于输出端小面230B的反射率。因此，端小面230A至230B处的光的光功率可以不同。例如，在掺杂光纤108朝向输出端小面230B布置的布置中，激光二极管200可以被配置成使得在输出端小面230B处比在输入小面230A处输出更多的泵浦光P。
有源区段220包括在端小面230A至230B之间延伸的波导225。波导225可以包括如关于图3所述的波导层等。靠近输入端小面230A的波导225的第一部分234A可以至少对于泵浦波长λPump具有第一透射率，并且靠近输出端小面230B的波导225的第二部分234B可以至少对于泵浦波长λPump具有第二透射率。第一透射率和第二透射率可以各自是或包括针对单个波长、多个波长或波长范围例如激光二极管200的工作波长范围的透射率。
波导225的第一部分234A和第二部分234B的第一透射率和第二透射率可以相同或不同。第一透射率和第二透射率可以取决于波导225的第一部分234A和第二部分234B的材料和结构。因此，可以根据需要选择波导225的第一部分234A和第二部分234B的材料或结构，以从端小面230A至230B输出具有相同或不同光功率的光。
此外，如图4B中所示，图4B的直通泵浦激光二极管200在具有带掺杂光纤108的光纤放大器102的光纤放大器系统中使用。输入小面230A与输入信号光S光学连通，并且被配置成例如从输入光纤130A接收输入光S。二极管200的有源区段220被配置成将输入光S从输入小面230A传递到输出小面230B。有源区段220被配置成响应于将电驱动信号注入到有源区段220中而产生泵浦光P。泵浦光P具有与穿过二极管200的输入波长λIn不同的泵浦波长λPump。
光纤放大器102具有光纤部分130B和掺杂光纤108。光纤部分130B与输出小面230B光学连通，并且被配置成从输出小面230B接收输入光S和至少一部分泵浦光P。泵浦光P的泵浦波长λPump被配置成以本文中公开的方式与掺杂光纤108相互作用。
在又一配置中，图4C是在本公开内容的光纤放大器102中布置为直通的另一激光二极管200的顶部示意图。如图4C中所示，激光二极管200包括输入小面230A、输出小面230B以及位于小面230A与230B之间的有源区段220。激光二极管200另外包括波导225。小面230A至230B、有源区段220和波导225以与本文中描述的其他激光器中的相应部件相同或相似的方式被配置和操作。
激光二极管200另外可以包括在有源区段220中形成在有源区段220的第一部分234A与第二部分234B之间的反射结构240。反射结构240可以被配置成将有源区段220的第一部分234A至少部分地与有源区段220的第二部分234B光学隔离。反射结构240可以包括在有源区段220中形成的蚀刻镜、DFB结构或其他合适的结构。当被实现为DFB结构时，反射结构240可以将激光器200锁定到预定波长。
反射结构240在有源区段220内的放置可以将有源区段220划分成相等长度或不等长度的部分。例如，如图4C中所示，第一部分234A可以比第二部分234B短。通常，较大的有源区段长度导致较大的光功率输出，所有其他参数是相等的。因此，如果需要，这种配置是在激光二极管200的端小面230A至230B处提供相等或不同的不相等光功率的另一种选择。
激光二极管200还可以包括电耦接至有源区段220的第一部分234A的第一阴极214和第一阳极216，并且还可以包括电耦接至有源区段220的第二部分234B的第二阴极214和第二阳极216。特别地，第一阴极214和第一阳极216可以电耦接至有源区段220的第一部分234A的相对侧(例如，顶部和底部)，并且第二阴极214和第二阳极216可以电耦接至有源区段220的第二部分234B的相对侧(例如，顶部和底部)。第一电驱动信号可以经由第一阴极214和第一阳极216通过第一部分234A注入，并且第二电驱动信号可以经由第二阴极214和第二阳极216通过第二部分234B注入。因此，虽然有源区段220的第一部分234A和第二部分234B整体地形成在单个结构(例如，激光二极管200的外延结构)中，但是它们可以独立地操作。
如图4C中进一步所示，直通泵浦激光二极管200被用在具有带有掺杂光纤108的光纤放大器102的光纤放大器系统中。输入小面230A与输入信号光S光学连通，并且被配置成例如从输入光纤130A接收输入光S。二极管200的有源区段220的波导225被配置成将输入信号光S从输入小面230A传递到输出小面230B。有源区段220还被配置成响应于将电驱动信号注入到有源区段220中而生成泵浦波长λPump处的泵浦光P。如所指出的，泵浦波长λPump可以不同于穿过二极管200的输入波长λIn。
光纤放大器102具有光纤部分130B和掺杂光纤108。光纤部分130B与输出小面230B光学连通，并且被配置成从输出小面230B接收输入信号光S和泵浦光P的至少一部分。泵浦光P的泵浦波长λPump被配置成以本文中公开的方式与掺杂光纤108相互作用。
在本文中公开的布置中，可以调整波导225的结构以实现相对于前光纤和后光纤(130A至130B)的特定输出比。可以修改波导225的结构以改变输出比。因此，在图4B或图4C中，在两个小面230A至230B上包括AR涂层的激光二极管200可以具有被调整以实现相对于光纤130A至130B的特定输入/输出比的小面反射率。另外或者替选地，可以调整波导结构225以实现相对于两个光纤130A至130B的特定输入/输出比。无论哪种方式，输入信号光(S)都被配置成穿过有源区段220。
图5示出了根据本公开内容的用于操作具有直通激光二极管200的光纤放大器系统100的过程300。在下面的描述中，来自其他附图的元件的附图标记用于理解。激光二极管200可以包括本文中描述的激光二极管200中的任何激光二极管。光纤放大器系统100可以包括先前公开的系统或任何其他适当的光纤放大器系统。
根据实现方式，从源(未示出)生成或接收主信号光(框302)。例如，系统100可以用于光纤通信，并且主信号光S的源可以用于通过光纤网络进行通信。系统100可以用于其他实现方式中，例如用于激光材料处理中。具有主波长的主信号光S将被光纤放大器102放大，并且然后将用于诸如光纤通信、激光材料处理等的实现方式的目的。
主信号光S被传送至激光二极管200，并且信号S中的到达输入端小面230A的大部分信号穿过输入端小面230A至二极管的波导225(框304)。
在操作期间，一个或更多个电驱动信号经由阳极216和阴极214中的一个或更多个被注入到激光二极管200的有源区段220中(框306)。如以上所指出的，可以使用阴极214和阳极216将驱动信号注入。另外，可以使用多个阴极布置214和阳极布置216将多个电驱动信号注入到有源区段220的不同部分中。此外，有源区段220中的一部分可以通过反射结构240至少部分地与其他部分光学隔离。
响应于注入的电驱动信号，有源区段220生成具有泵浦波长λPump的泵浦光P(框308)。如所指出的，泵浦波长λPump可以旨在与掺杂光纤108相互作用。
穿过的信号光S和生成的泵浦光P朝向输出端小面230B通过。因为小面230A至230B具有低反射率，所以生成的泵浦光P中的一些可能行进出输入小面230A，而另一些量行进出输出小面230B。如以上所指出的，基于FBG、不同反射率、不同透射率等的技术可以用于激光二极管200，使得泵浦光P中的更多泵浦光行进出输出小面230B。
到达输出小面230B的主信号光S中的大部分主信号光和泵浦光P中的一部分泵浦光穿过小面230B并进入相对的光纤部分130B(框310)。然后，光信号S+P到达掺杂光纤108，在该掺杂光纤108中，以本文中公开的方式通过泵浦光P的相互作用来放大主信号光S(框312)。
在先前的布置中，激光二极管200和掺杂光纤108被布置在正向泵浦方向上，在该正向泵浦方向上泵浦光P与主信号光S通过掺杂光纤108共同传播。可以使用其他布置。此外，本文公开的光纤放大器102可以用作呈多级的放大器链的一部分。
如以上关于图4A所指出的，激光二极管200可以用在共泵浦布置中，在该共泵浦布置中，泵浦光(P)被注入到位于激光二极管200的下游的光纤放大器中。如以上关于图4B所指出的，激光二极管200可以用在双泵浦布置中，在该双泵浦布置中，泵浦光被注入到位于激光二极管200的上游和下游的光纤放大器中。其他布置也是可能的。
在主布置中，图6A示出了具有在共泵浦方向上布置的激光二极管200和掺杂光纤108的光纤放大器102，在该共泵浦方向上泵浦光P与主信号光S通过掺杂光纤108传播，该掺杂光纤108位于激光二极管200的下游。如所指出的，激光二极管200允许被放大的主信号光穿过。同样如所指出的，激光二极管200生成可以在两个方向上通过的泵浦光P。然而，激光二极管200、其小面(230A至230B)的反射率、波导(220)的透射率、激光二极管的多个有源区域等可以被配置成在一个方向上比在另一方向上通过更多的泵浦光P。也就是，从输出小面(230B)通过的泵浦光P可以比从输入小面(230A)通过的泵浦光P多。这仅在图6A中示意性示出。事实上，在输入小面230A处的HR涂层(例如先前所讨论的)可以允许信号光S在较高波长λIn处通过，但是可以在泵浦光P的较低波长λPump处反射。在任何情况下，被引导至掺杂光纤108的泵浦光P可以放大信号光S。
在替选布置中，图6B示出了具有在反向泵浦方向上布置的激光二极管200和掺杂光纤108的光纤放大器102，在该反向泵浦方向上泵浦光P通过掺杂光纤108与主信号光S相反地传播。如所指出的，激光二极管200允许被放大的主信号光S穿过。同样如所指出的，激光二极管200生成可以在两个方向上通过的泵浦光P。然而，激光二极管200、其小面(230A至230B)的反射率、波导(220)的透射率、激光二极管的多个有源区域等可以被配置成在一个方向上比在另一方向上通过更多的泵浦光P。也就是，从输入小面(230A)通过的泵浦光P可以比从输出小面(230B)通过的泵浦光P多。这仅在图6B中示意性示出。事实上，在输出小面230B处的HR涂层(例如先前所讨论的)可以允许信号光S在较高波长λIn处通过，但是可以在泵浦光P的较低波长λPump处反射。在任何情况下，被引导至掺杂光纤108的泵浦光P可以放大信号光S。
正向泵浦方向和反向泵浦方向上布置的两个激光二极管200A至200B。如所指出的，激光二极管200A至200B允许被放大的主信号光S穿过。同样如所指出的，激光二极管200A至200B生成可以在两个方向上通过的泵浦光P。然而，激光二极管200A至200B、其小面(230A至230B)的反射率、波导(220)的透射率、激光二极管200A至200B的多个有源区域等可以被配置成根据需要在正向方向和反向方向上通过泵浦光P中的更多、更少或相等部分。这仅在图6C中示意性示出。事实上，上游二极管200A的输入小面230A处和下游二极管200B的输出小面230B处的HR涂层(例如先前所讨论的)可以允许信号光S在较高波长λIn处通过，但是可以在泵浦光P的较低波长λPump处反射。在任何情况下，被引导至掺杂光纤108的泵浦光P可以放大信号光S。
在本文公开的光纤放大器102的配置中，激光二极管200允许被放大的主信号光S穿过，同时还生成泵浦光P。因此，光纤放大器102不需要使用耦合器(例如二向色耦合器)将泵浦光P与输入信号光S进行耦合，这简化了系统并可以减少与这样的耦合器相关的问题。
在本文公开的光纤放大器102的配置中，隔离器106可以适当地用于减少寄生反射，该寄生反射可能引起寄生激光振荡或者可能损坏光纤。这些隔离器106可以是法拉第隔离器。
在本文公开的光纤放大器102的配置中，多个直通激光二极管200可以一起用在沿着光路的链中。例如，代替如图6B中的那样具有一个激光二极管200以向掺杂光纤108提供反向方向的泵浦光P，可以使用激光二极管200中的多个激光二极管，只要考虑到泵浦光P从二极管200中的一个二极管穿过其他二极管200的有源区域即可。同样，代替如图4B中的那样具有一个激光二极管200以向掺杂光纤108A至108B提供反向方向和正向方向的泵浦光P，可以使用激光二极管200中的多个激光二极管，只要考虑到泵浦光P从二极管200中的一个二极管穿过其他二极管200的有源区域即可。
前面对优选实施方式和其他实施方式的描述并不旨在限制或约束由申请人构思的发明构思的范围或适用性。将理解的是，在受益于本公开内容的情况下，，以上根据所公开主题的任何实施方式或方面描述的特征可以在所公开的主题的任何其他实施方式或方面中单独使用或与任何其他描述的特征组合使用。

Claims (20)

1.一种能够使用电驱动信号进行操作以用于放大具有信号波长的信号光的光纤放大器，所述光纤放大器包括：
激光二极管，所述激光二极管具有有源区段并且具有输入小面和输出小面，所述输入小面和所述输出小面与所述信号光光学连通并且被配置成使所述信号光从所述输入小面穿过所述激光二极管到达所述输出小面，所述有源区段被配置成响应于所述电驱动信号注入到所述有源区段中而产生泵浦光，所述泵浦光具有不同于所述信号波长的泵浦波长；以及
掺杂有活性掺杂剂的光纤，所述光纤与所述信号光光学连通，并且与来自所述激光二极管的泵浦光的至少一部分光学连通，所述泵浦光的泵浦波长被配置成与所述光纤的活性掺杂剂相互作用，从而放大所述信号光。
2.根据权利要求1所述的光纤放大器，包括至少一个光纤布拉格光栅(FBG)，所述光纤布拉格光栅被配置成将来自所述输入小面和所述输出面中的至少一个的所述泵浦光锁定到所述泵浦波长。
3.根据权利要求1所述的光纤放大器，其中：
所述有源区段包括在所述输入小面与所述输出小面之间延伸的波导；
所述波导的靠近所述输入小面的第一部分至少在所述泵浦波长处具有第一透射率；
所述波导的靠近所述输出小面的第二部分至少在所述泵浦波长处具有第二透射率；并且
所述第一透射率不同于所述第二透射率。
4.根据权利要求1所述的光纤放大器，其中，所述输入小面至少在所述泵浦波长处包括第一反射率；其中，所述输出小面至少在所述泵浦波长处包括第二反射率；并且其中，所述第一反射率不同于所述第二反射率。
5.根据权利要求1所述的光纤放大器，其中，所述激光二极管的有源区段还包括在所述有源区段中形成在所述有源区段的第一部分与第二部分之间的反射结构，所述反射结构被配置成至少部分地隔离所述泵浦光从所述第一部分和所述第二部分中的一个到另一个的光通信。
6.根据权利要求1所述的光纤放大器，还包括：第一光纤耦合，所述第一光纤耦合被配置成使所述信号光与所述输入小面连通；以及第二光纤耦合，所述第二光纤耦合被配置成使所述信号光与所述输出小面连通。
7.根据权利要求1所述的光纤放大器，所述信号波长在1550-nm范围内，其中，所述泵浦波长在980-nm和/或1480-nm范围内；并且其中，所述光纤的掺杂剂包括铒。
8.根据权利要求1所述的光纤放大器，还包括设置在所述信号光与所述输入小面之间的隔离器。
9.根据权利要求1所述的光纤放大器，包括多于一个的激光二极管。
10.根据权利要求9所述的光纤放大器，其中，所述激光二极管中的第一激光二极管具有与所述第一激光二极管下游的所述光纤光学连通的输出小面；并且其中，所述激光二极管中的第二激光二极管具有与所述第二激光二极管上游的所述光纤光学连通的输出小面。
11.根据权利要求1所述的光纤放大器，包括多于一个的掺杂有所述活性掺杂剂的所述光纤。
12.根据权利要求11所述的光纤放大器，其中，所述输入小面设置成与所述激光二极管上游的所述光纤中的第一光纤光学连通；并且其中，所述输出小平面设置成与所述激光二极管下游的所述光纤中的第二光纤光学连通。
13.根据权利要求1所述的光纤放大器，其中，所述光纤与从所述激光二极管的输入小面透射的所述泵浦光的至少一部分光学连通。
14.根据权利要求1所述的光纤放大器，其中，所述光纤与从所述激光二极管的输出小面透射的所述泵浦光的至少一部分光学连通。
15.一种用于具有信号波长的信号光的方法，所述方法包括：
在激光二极管的输入小面处接收所述信号光；
使所述信号光从所述输入小面穿过所述激光二极管到达输出小面；
通过将电驱动信号注入到所述激光二极管的有源区段中而在所述激光二极管的有源区段中产生泵浦光，所述泵浦光具有不同于所述信号波长的泵浦波长；
将所述泵浦光的至少一部分和所述信号光传输到与所述激光二极管光学连通的掺杂光纤放大器；以及
通过使所述泵浦光与所述掺杂光纤放大器相互作用来放大所述信号光。
16.根据权利要求15所述的方法，包括使用至少一个光纤布拉格光栅(FBG)，所述光纤布拉格光栅被配置成将来自所述输入小面和所述输出小面中的至少一个的所述泵浦光锁定到所述泵浦波长。
17.根据权利要求15所述的方法，包括将所述有源区段的波导的靠近所述输入小面的第一部分配置成在至少在所述泵浦波长处具有第一透射率；以及将所述波导的靠近所述输出小面的第二部分配置成至少在所述泵浦波长处具有第二透射率，所述第二透射率不同于所述第一透射率。
18.根据权利要求15所述的方法，包括将所述输入小面配置成至少在所述泵浦波长处具有第一反射率；以及将所述输出小面配置成至少在所述泵浦波长处具有不同于所述第一反射率的第二反射率。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述电驱动信号注入到所述有源区段中包括：
将所述电驱动信号中的第一电驱动信号注入到所述有源区段的第一部分中；
将所述电驱动信号中的第二电驱动信号注入到所述有源区段的第二部分中；以及
将通过所述有源区段的第一部分和第二部分中的一个产生的所述泵浦光的至少一部分与所述有源区段的所述第一部分和所述第二部分中的另一个光学隔离。
20.根据权利要求15所述的方法，所述信号波长在1550-nm范围内，其中，所述泵浦波长在980-nm和/或1480-nm范围内；并且其中，所述掺杂光纤放大器包括活性掺杂剂铒。
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