CN1276278C - 顶泵浦波导放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种波导放大器，其包括共掺硅纳米团簇和稀土元素的二氧化硅或二氧化硅相关的材料，更具体地，涉及一种较高效率的波导放大器，其通过顶泵浦方法和泵浦光的聚焦装置而提高的。本发明的波导放大器包括：(a)基体；(b)光波导，所述光波导包括：形成在基体上的下覆层；形成在下覆层上的中心层，所述中心层由共掺硅纳米团簇和稀土元素的二氧化硅或二氧化硅相关的材料制成，并具有比下覆层高的折射率；以及形成在中心层上的上覆层；以及(c)光源，所述光源离开波导，用于光泵浦波导，其特征在于波导放大器是通过利用硅纳米团簇中的电子-空穴组合激发稀土元素而工作的。

Description

顶泵浦波导放大器
技术领域
本发明涉及一种二氧化硅或二氧化硅基波导放大器，其中共掺硅纳米团簇(nanocluster)和稀土原子，更具体地，涉及一种由于使用顶泵浦(toppumping)方法和装置以聚焦泵浦光而效率提高的波导放大器。
背景技术
最近，掺杂稀土的二氧化硅或二氧化硅基材料被广泛地用于制造波导放大器。但是，由于光源直接泵浦稀土原子，并且由于稀土原子具有窄的吸收带和4×10-21cm2数量级的小吸收截面，所以为了泵浦这样的波导放大器，必须使用端射(end fire)技术，以使用高价的激光作为光源，通过光纤将光耦合到波导中。
当在这样的波导中用稀土原子掺杂硅纳米团簇时，在纳米团蔟中形成的电子-空穴组合能引起稀土原子的激发。有效的激发截面近似为1×10-15cm2。考虑到硅纳米团簇的浓度一般是1×1018cm3，则上述数值对应的吸收深度为10μm或小于10μm。在这一方面，如果由上述两种材料制成的波导放大器使用顶泵浦方法，其中光源位于波导的上方，则虽然没做过这种尝试，但这可以提高效率。特别是，因为对光源没有特别的限制，只要光源能在硅纳米团簇中产生载流子，从而可以使用低价宽带的光源，如LED，而不必使用高价的激光。但是，与将由光源发出的几乎所有的光通过光纤耦合到波导中的端射(end fire)技术相反，光源位于波导上方的顶泵浦方法不能使由光源发出的所有光进入波导。结果，实际的泵浦功率相对于光源明显下降，从而降低了激发效率。
发明内容
因此，考虑到上述问题提出本发明，本发明的目的是提供一种使用顶泵浦方法的波导放大器，其能够有效地将由光源发出的光聚焦在波导上。
根据本发明，上述目的和其它目的可以通过提供一种波导放大器来实现，所述波导放大器包括：
(a)基体；
(b)光波导，所述光波导包括在基体上形成的下覆层；在下覆层上形成的中心层，所述中心层由共掺硅纳米团簇和稀土原子的二氧化硅或二氧化硅基材料制成，并具有比下覆层高的折射率；以及形成在中心层上的上覆层；
(c)泵浦波导的光源，所述光源位于波导的上方；以及
(d)用于将光源的泵浦光聚焦到波导上的装置，其特征在于波导放大器的工作方式是通过硅纳米团簇中形成的电子-空穴组合而使稀土元素激发。
优选地，光源是可见光源，更具体地，是LED或闪光灯。
优选地，多个光波导排列在光源的聚束光中。
根据本发明的第一实施例，由光源发出的泵浦光折射地聚焦在波导上，所述波导在其上覆层上形成有凸透镜形式的凸起。
根据本发明的第二实施例，由光源发出的泵浦光反射地聚焦在波导上，所述波导具有镜面。
根据本发明的第三实施例，使用形成在基体上的镜面将由光源发出的泵浦光反射地聚焦在波导上。
附图说明
结合附图，从下面的详细描述中，将更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点。在附图中：
图1是表示顶泵浦方法的示意图；
图2是表示在波导放大器中使用顶泵浦方法的所输出光信号的强度的曲线；
图3是表示在波导中共享泵浦光的顶泵浦方法的示意图；
图4是根据本发明第一实施例表示使用光聚焦技术的波导放大器的示意性剖视图；
图5是根据本发明第二实施例表示使用光聚焦技术的波导放大器的示意性剖视图；以及
图6是根据本发明第三实施例表示使用光聚焦技术的波导放大器的示意性剖视图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的实施例。
图1是表示顶泵浦方法的示意图。共掺硅纳米团簇和稀土原子的二氧化硅或二氧化硅基的波导强烈地吸收可见光，但不吸收红外光。基于此事实，在波导100的上方装有宽带光源(未图示)，使可见泵浦光传送到波导。投射到波导100上的泵浦光在纳米团蔟中产生电子-空穴组合，从而将稀土元素激发。利用激发的稀土元素产生的能量通过波导100将输入光信号放大，接着以输出光信号的形式输出。
图2是表示在波导放大器中使用顶泵浦方法的所输出光信号的强度的曲线。图中曲线表示在光信号输入到波导并且利用泵浦光泵浦波导之后，输出光信号的光谱。参看图2，可以看出，输入光信号在超过0.5W/cm2的泵浦功率下放大。图2的实施例不使用将泵浦光聚焦在波导上的装置。使用聚焦装置能进一步提高波导放大器的放大效率。
同时，在这种使用宽带光源的顶泵浦方法的条件下，由于来自于光源的光被散射，所以不是来自于光源的所有光都用于泵浦波导放大器。于是，为了解决这个问题，需要增大波导的尺寸，或者也可以将来自于光源的光聚焦到波导上。
但是，因为存在光纤到波导的耦合问题以及类似的问题，所以波导的尺寸不能超过10μm。并且，为了将来自光源的光聚焦，不可能无限制地减小聚束光尺寸。传统上，宽带光源的聚束光尺寸约为1mm。在这一方面，可以在聚束光中排列几十个波导。结果，可以相应地增大泵浦效率。图3是表示在波导中共享泵浦光的顶泵浦方法的示意图。参看图3，在基体300上彼此平行地形成有多个波导100。这些波导100共享来自宽带光源310的聚束光，宽带光源310位于波导的上方。
同时，本发明的波导放大器还包括在顶泵浦方法中将来自于光源的光聚焦在波导上的装置。这种聚焦装置将在下面的实施例中描述。相同的结构元素用相同的参考数字表示，因此省略对其的重复性详细描述。
第一实施例
可以理解的是，为了提高泵浦效率，在使用诸如透镜的光学装置聚集来自光源的光之后，可以使用如此聚集的光泵浦波导。但是，由于波导的尺寸非常小并且贵，因此这种分立的光学装置的使用受到限制。于是，为了以低的价格聚集光，在中心层102的上覆层400上形成有凸起410以作为凸透镜，如图4所示。凸起410按直线排列的形式形成，与中心层102相似。它们可以通过刻蚀上覆层400而形成，或者通过在气相沉积上覆层400之后使用诸如PMMA的聚合物而形成。
在刻蚀上覆层400以形成凸起410的情况下，可以使用“扩散限制刻蚀工艺”。尽管这种工艺在制造半导体器件时很少使用，但常常被选择性地用于刻蚀需要特殊形状的结构。刻蚀的原理是根据刻蚀剂的扩散。在提供充足刻蚀剂的区域，由于快速的扩散，刻蚀速率增大；但在刻蚀剂提供不充足的区域，由于扩散缓慢，刻蚀速率减小。在这一方面，可以使用具有开口线图案的刻蚀掩模。刻蚀速率在开口线之间的中心部分慢，在开口线上快。于是，形成直线的凸起410。
在图4中，参考数字430表示基体，参考数字420表示二氧化硅下覆层。
第二实施例
图5是根据本发明第二实施例表示使用光聚焦技术的波导放大器的示意性剖视图。根据本发明的第二实施例，利用凹面镜M1的反射，泵浦光聚焦在中心层102上，其中凹面镜M1是通过深刻蚀并且涂覆下覆层422而形成。在这种情况下，需要调节中心层102的位置以及凹面镜M1的曲率，以使中心层102位于凹面镜M1的焦点上。在图5中，参考数字412表示上覆层。
第三实施例
在第二实施例中，使用深刻蚀工艺形成镜面。在执行这种工艺有些困难的情况下，优选地使用没有深刻蚀结构的镜子。图6是根据本发明第三实施例表示使用光聚焦技术的波导放大器的示意性剖视图。参看图6，首先，在透明的基体432中形成有直线形式的槽。接着，将该槽进行镜面涂覆，从而形成镜子M2。与第二实施例相似，中心层102位于每个镜子M2的焦点上。
工业适用性
从上面的描述可以清楚地看出，本发明提供了一种通过使用宽带光源而增大每个波导的泵浦光效率的低成本和高效率的波导放大器。因此能够集成光学装置并且降低光学装置的单位成本。于是，在光学装置的领域中获得了明显的发展。
虽然为了说明的目的披露了本发明的优选实施例，但本领域的一般技术人员应该意识到，在不偏离权利要求限定的本发明的范围和精神的条件下，可以做出不同的修改、增添和替代。

Claims (7)

1.一种波导放大器，包括：
(a)基体；
(b)光波导，所述光波导包括在基体上形成的下覆层；在下覆层上形成的中心层，所述中心层由共掺硅纳米团簇和稀土原子的二氧化硅或二氧化硅基材料制成，并具有比下覆层高的折射率；以及形成在中心层上的上覆层；
(c)泵浦波导的光源，所述光源位于波导的上方；以及
(d)用于将光源的泵浦光聚焦到波导上的装置，其特征在于，波导放大器的工作方式是通过硅纳米团簇中形成的电子-空穴组合而使稀土元素激发。
2.如权利要求1所述的波导放大器，其中光源是可见光源。
3.如权利要求2所述的波导放大器，其中光源是LED或闪光灯。
4.如权利要求1所述的波导放大器，其中多个光波导排列在光源的聚束光中。
5.如权利要求1所述的波导放大器，其中由光源发出的泵浦光折射地聚焦在波导上，所述波导在其上覆层上形成有凸透镜形式的凸起。
6.如权利要求1所述的波导放大器，其中由光源发出的泵浦光反射地聚焦在波导上，所述波导具有镜面。
7.如权利要求1所述的波导放大器，其中使用形成在基体上的镜面，将由光源发出的泵浦光反射地聚焦在波导上。
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