CN1373920A - 集成了光学通道波导放大器和抽运源的紧凑型光学放大器组件 - Google Patents

集成了光学通道波导放大器和抽运源的紧凑型光学放大器组件 Download PDF

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Abstract

一种带集成在一起的光学波导、抽运源和一些其他任选的光学元器件的光学放大器,用于放大从一个光纤光学系统耦合来的输入光学信号。该放大器包括:一个其内安装了上述这些光学元器件的壳体;以及用于从输入端口耦合输入光学信号并将输出光学信号耦合到输出端口和把光学抽运信号从其源传送给波导的一些适当的光学系统。所公开的光学波导是一个通道波导放大芯片,它具有较小的尺寸;所公开的抽运源是一个能在壳体内部产生光学抽运信号的激光二极管,其中只有电(如电功率)信号从壳体外部施加给抽运源。可以在放大器壳体内提供其他任选的元器件以协同进行光学处理。相对于其他的已知系统,所公开的光学放大器提供了尺寸和成本上的优越性。

Description

集成了光学通道波导放大器和抽运源的紧凑型光学放大器组件
与相关申请的互相参考
本申请涉及下述共同受让的、先前递交的且待审批美国专利申请：
1、美国专利申请，序列号09/121,455，1998年7月23日递交，标题为“制造光学波导的方法(Method for fabricating an opticalWaveguide)”以及
2、美国专利申请，序列号09/159,012，1998年9月23日递交，标题为“光学通道波导放大器(Optical Channel WaveguideAmpeifier)”。
这两个已经递交的美国专利申请的全部内容在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及光学放大器，较具体地涉及一种其内集成了一个小型光学波导放大器芯片和一个光泵的紧凑型低成本光学放大器组件。
本发明的背景
光通信领域在最近几年经历了显著的增长，其动力大部分来自掺铒光纤放大器(“EDFA”)的发展和应用。
在使用光学放大器之前，光纤光学通信系统需要用电子中继放大器来放大信号和抵消因远距离光传输造成的损耗。这些电子器件把传送的光信号转换成电信号，对电信号进行放大和重新整形，再把电信号转换回到光信号，然后传送给光纤系统的下一个路段。
由于电子控测器不能区分不同的波长，所以多波长系统对其中的每个波长都需要一个独立的中继放大器，还需要一些滤波器件来分离各个波长以把它们分别输入给各自的中继放大器。图1a是一个16通道中继器系统10的典型方框图。由于需要大量的设施，采用中继放大器的多波长通信系统的成本昂贵得难以接受。
然而，EDFA的使用改变了光纤光学通信网络的拓朴结构。由于光学放大器能够以单个单元独立地放大多个波长，所以多波长系统可以只使用单个光学放大器。图1c所示的16通道中继放大器系统需要一个波长解复用器12以把16个通道分开到各条光纤14上；16个中继放大器18，以及一个波长复用器16，以把16个波长重新组合起来，所有这些器件可以用图16中所示的单个EDFA20来替代。
以最少的附加放大器成本把多个通道加到单条光纤上这一能力造成了光纤通信系统带宽的爆炸性增大。所形成的系统的带宽从单通道的每秒亚吉比特(1吉比特等于109比特)的操作到128通道的每秒每通道多个吉比特的操作。
光学通信系统带宽的不断增大还导致了在光学网络中有更复杂功能的新需求。为了满足这种需求，制造商们希望器件能越来越小并且有更为紧凑的组件，同时还希望能把多种功能集成在单个器件中。与许多光学网络器件成鲜明对比的是，随着EDFA尺寸的不断缩小，它将因光纤的最小弯曲半径具有固定的值而受到硬性的限制。因为弯曲损耗正比于弯曲半径，所以必须保持半径有一个较大的值。光纤的这种标称半径约为3.75cm，于是光纤螺旋的直径约为7.5cm(约3英寸)，从而组件的最小平面尺寸将为3 1/2英寸×3 1/2英寸。因此，虽然可以在组件中集成诸如隔离器、980/1550nm复用器，监测抽头和光电二极管等许多元件，但其基本尺寸将受到掺铒光纤螺圈最小直径的限制。目前的标称组件尺寸约为6英寸×6英寸。
虽然也存在着依赖于电(而非光学)抽运(pump)源实现放大的半导体光学放大器(SOA)，但已经知道，相对于EDFA来说，它们的性能特性在许多方面是比较差的。
对具有更大集成功能的更为紧凑的器件的需求，还伴随着降低这些器件的成本的要求。随着光学系统设计者不断增加他们网络的复杂性，所需光电子元器件的数目也快速地增加，由于与采用电子中继放大器的多波长系统有不可接受的昂贵成本相同的原因，较不复杂的网络也开始面临着同样的成本问题。这样，不仅是系统内部的“实体”非常需要更小的集成化器件，而且从成本角度说也同样十分需要有较便宜的元器件。
EDFA是导致WDM(波分复用)技术最近在光通信中快速发展的一项关键性“使能”技术。随着通信系统不断的增长的扩大，系统设计者发现他们正需要着比现有器件小且便宜的新器件，特别是放大器。因此需要有紧凑型的、低成本的可通过加入附加器件而增添功能的光学放大器。
本发明的概述
本发明将克服以往方法的缺点，提供额外的优点，本发明的一个方面是一种光学放大器，它具有：一个带有光学信号输入端和输出端的壳体；一个位于上述壳体内的通道波导芯片，用于利用施加给芯片的光学抽运信号而光学地放大来自输入端口的输入光学信号；以及一个位于壳体内的光学抽运源，用于产生光学抽运信号。
该放大器还可以含有：输入耦合光学系统，用于把来自输入端口的输入光学信号传送到通道波导芯片中；以及输出耦合光学系统，用于把来自通道波导芯片的输出光学信号传送到输出端口上。
在一个实施例中，通道波导芯片含有：一个线型芯，其具有一个用于接收输入光学信号的输入端面和一个用于产生输出光学信号的输出端面；以及一个表面，光学抽运信号即通过该表面被接收。通道波导芯片的表面可以与其线型芯有一个约为45°的夹角。光学抽运源发射的光学抽运信号与线型芯约有90°的夹角。该芯片还可以含有一个涂敷在表面上的反射涂层，用于把光学抽运信号反射到线型芯中。可以在表面上制作一个棱镜，用于把输入光学信号共线地导入到线型芯中。
光学抽运源可以是一个能在壳体内产生光学抽运信号的激光二极管，其中放大器中仅有的光学端口就是光学信号输入和输出端口。
按照所使用的元器件的类型不同，本发明可达到的组件平面尺寸至少在一维方向上将小于约3英寸。
这里所公开的放大器以紧凑和成本效率高的方式提供了：一种通道波导放大器芯片；用于把信号导入、导出波导的适当的光学系统；一种抽运激光二极管；以及用于把来自抽运激光二极管的光聚焦到波导中的适当光学系统。此外，该放大器也可被构筑成能集成额外的光学元器件以增添功能。因此，本发明提供了用一个低成本紧凑型的组件来实现的显著的光学放大，该组件能使通信系统进行信号放大所需的空间最小化，并且还能集成诸如分束器、波长复用器或解复用器，或光学上路/下路(add/drop)复用器等额外的元器件。
附图的简单说明
被认为是本发明的主要发明内容将在本发明书的结论部分特别地指出和明确地宣称。不过，关于本发明实践的组织和方法，以及本发明的其他目的的优点，则最好通过参阅下面对各个优选实施例的的详细说明和附图来理解。在附图中
图1a以概略的形式示出放大多通道光学信号的电中继放大器方法；
图1b以概略的形式示出放大多通道光学信号的EDFA方法；
图2a是根据本发明的一个光学放大器的顶视平面图，其中一部分以概略的形式示出，壳体的盖子已移去；
图2b是根据本发明的另一个光学放大器实施例的顶视平面图，其中一部分以概略的形式示出，壳体的盖子已移去；
图3是根据本发明的在图2a-b的放大器中使用的一个通道波导放大芯片的透视图；以及
图4是图3的通道波导芯片的另一个实施例的前视截面图。
优选实施例的详细说明
参见图2a-b，根据本发明的紧凑型波导放大器100和100’包括：一个通道波导放大器芯片110；信号输入耦合光学系统120(用于耦合来自输入光纤122的光学输入信号)；信号输出耦合光学系统130(用于把光学输出信号耦合给输出光纤132)；一个抽运激光器140；以及抽运耦合光学系统150(用于在抽运激光器140与芯片110之间耦合光学抽运信号)。有些元器件可以在对准座190上进行对准。例如平面光波回路(PLC)170和其相关的耦合透镜180等光学器件也可以方便地集成到图2a的放大器100中，但在图2b的较小型号放大器100’中它们被删除了。
后面将进一步讨论因小型波导芯片110和能够采用集成的二极管抽运140所造成的壳体160(例如由镍/金薄板做成)的紧凑尺寸问题。
由图3和4详细示出的示例性通道波导芯片110可以是在前面结合的美国专利申请09/159,012(标题“光学通道波导放大器”)中所公开的类型，还可以利用在前面结合的美国专利申请09/121,455(标题“光学波导的制造方法”)中所公开的程序来制作。波导芯片110可以由掺入了一种活性离子的线型芯212组成，这种线型芯例如是Nd：YAG(掺钕钇铝石榴石)、Er：glass(掺铒玻璃)或Nd：glass(掺钕玻璃)。该波导的紧凑特性是由利用了高增益材料而达到的。特别有应用价值的是同时掺入铒/钇(Er/Yb)的磷玻璃族，相对于EDFA中典型使用的硅材料来说，它们的原子数密度约为100倍，不会受熄灭效应的影响，以及具有2倍的发射截面积。芯212的横截面名义上可以是正方形的，其一条边的尺寸可以从10μm到30μm。周围的包层214可以是一种未掺杂的较低折射率材料。可以把波导芯片216的一个端面抛光成与波导轴成45°的角度(α)。然后在抛光成角度的这个端面上涂敷以涂层220，以反射被施加的抽运信号211，并贴上一个折射率与线型芯相匹配的棱镜230(该棱镜用紫外(UV)固化光学胶粘在波导上)，用于把输入光学信号共线地导入该芯作为信号213。
波导的对侧端面可以用两种方法之一制备。第一种设计(如图4所示)是利用一个带有消反射(AR)涂层222的垂直端面218来使背反射最小化。不过，如果AR涂层还不够，则可以选择第二种设计(如图2a和b所示)，即把对侧端面也抛光成45°角，并用UV固化胶粘上一个折射率匹配的直角棱镜，以进一步减轻反射。
在一个实施例中，通道波导芯片110的长度(L)约为10mm～30mm，从而放大器100’壳体的整个平面尺寸(也即当不带有图2a放大器100中的选项PLC170和耦合透镜180时图2b视图中的长与宽)可以为约1 1/2英寸×约2 1/2英寸。(组件的厚度约为3/4英寸)。这种较小的整体平面尺寸与功能相同的，用于1530nm-1565nm带宽的EDFA放大器的6英寸×6英寸的尺寸形成了对比，事实上，这甚至优于前面讨论的EDFA的取决于最小弯曲半径的理论平面尺寸3英寸×3英寸。因此本发明至少使得平面尺寸的一维方向(实际上两维方向都是)尺寸能小于约3英寸。放大器100和100’的波导芯片以相对较短的器件提供了高的增益(当与EDFA中典型的几米长的掺铒光纤相比较时)，因此得到了较小尺寸的放大器壳体。
波导110需要一个抽运源来提供波导增益所需的光学抽运信号211。参见图2a，这里所公开的示例性抽运源140是一个位于一个辅助支架上并用热电致冷器(TEC)142保持恒温的单模或多模激光二极管。一种示例性二极管是可从High Power Devices，Ins(公司名)购得的型号为HPD 1005C的开放式热沉封装激光二极管。通过外部针脚144向激光二极管和TEC供电。也可有额外的针脚来连接监视光电二极管以监视抽运激光的功率，连接热敏电阻来监视抽运激光器的温度，以及连接增益监视传感器(未示出)。为了把来自抽运激光二极管的信号211耦合到波导110中，利用透镜150把功率聚焦到波导的带有涂层的45度端面上，并由此反射进波导内。因此，抽运源可以设置得以与波导纵向轴成90°角地发射光学抽运信号。特别是，光学抽运信号是在放大器壳体内部产生的，因此不需要用于抽运信号的额外的光学输入端口。这一特征加强了这里所公开的放大器的成本和空间节省程度。
放大器100和100’还含有用来把光学信号导入和导出波导110的光学系统。波导的输入侧典型地是埋置在一个棱镜230(图4)的后面的，因此需要一组光学元件120把单模光纤122的输出成像到波导芯片110中。至少可以用一对低数值孔径(NA)的匹配透镜把光纤输出以1∶1的放大率成像到波导中。其他的选择还可以包括利用能把光束扩展成充满波导芯的透镜组。不论何种情形，输入光学系统的目的都是把来自输入光纤122的信号光以尽量小的损耗耦合到波导中。对于芯的一条边的尺寸大于约10μm的情形，1∶1的成像透镜系统能很好地工作。
耦合光学系统130用于从波导取出信号并将其返回给光纤132。对于一条边不远大于10μm-15μm的波导，1∶1的成像透镜组能以小达203dB的总耦合损耗进行耦合。为了进一步减小损耗，可能会需要使用能使图像缩小的透镜组。类似地，对于较大的波导，也可能有必要使用某种形式的成像缩小。
这里所公开的放大器的紧凑特性还有利于在其中集成另外的元器件。例如，如图2a所示，可任选的平面光波回路(PLC)170可以是一个硅波导分束器(例如Gould Fiber Optics(公司名)的型号为47-10335-18-05631的分束器)，或者是一个阵列波导光栅(AWG)复用器(例如Photonic Integration Research，Inc.(公司名)的型号为AWG-WB-1×8-200G-1.5-M-FC的AWG复用器)。由于这些器件的过滤特性，它们都具有相应的高插入损耗。然而，当它们与上述紧凑型低成本放大器集成在一个小组件内时，它们的固有损耗将被抵消，从而形成所谓的“无损耗”器件。当一个小型价廉的放大器与一个甚至几个额外的光电子器件(例如PLC170)集成时，将得到许多好处。
这里所讨论的基于一个通道波导芯片的放大器提供了用于光纤光学系统的紧凑、低成本的光学解决方案。它们的主要应用是通信系统中当空间是主要问题从而需要较小的器件时实现光学放大。此外，对于设计需要大量低成本器件来达到所需性能的系统，选用这些放大器也是理想的。最后，由于这些放大器的紧凑特性，它们可以与诸如分束器或复用器和解复用器等其他器件集成在一起。当把另外的元器件添加到组件中时，与这些器件相关的插入损耗可以被光学放大作用所补偿，因此可能开发出这些完全相同的光学元器件的“无损耗”版本。
虽然上面借助于本发明的优选实施例具体地示出和说明了本发明，但应该理解，对于熟悉本技术领域的人们来说，可以在不脱离本发明精神和范畴的情况下在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (23)

1、一种光学放大器，它包括：
一个具有光学信号输入和输出端口的壳体；
一个位于上述壳体内的通道波导芯片，用于利用一个施加在其上的光学抽运信号对来自上述输入端口的输入光学信号进行光学放大；以及
一个位于上述壳体内的光学抽运源，用于产生光学抽运信号。
2、根据权利要求1的光学放大器，它还包括：
输入耦合光学系统，用于把来自输入端口的输入光学信号传送到通道波导芯片中；以及
输出耦合光学系统，用于把来自通道波导芯片的输出光学信号传送到输出端口。
3、根据权利要求1的光学放大器，其中的通道波导芯片包括：
一个线型芯，它具有一个用于接收输入光学信号的输入端面和一个用于产生输出光学信号的输出端面；以及
一个表面，光学抽运信号即通过该表面被接收。
4、根据权利要求3的光学放大器，其中波导放大芯片的表面被设置得与其中的线型芯有约为45°的夹角，光学抽运源以与线型芯成约90°的角度发射光学抽运信号，通道波导芯片还包括：
一个施加在该表面上的反射涂层，用于将光学抽运信号反射入线型芯中。
5、根据权利要求4的光学放大器，其中的通道波导芯片还包括：
一个设置在表面上的棱镜，用于把输入光学信号共线地导入到线型芯中。
6、根据权利要求1的光学放大器，其中的光学抽运源是一个激光二极管，它在壳体的内部产生光学抽运信号，并且其中该放大器的仅有光学端口就是光学信号输入和输出端口。
7、根据权利要求1的光学放大器，其中壳体的平面尺寸的至少一个一维尺寸小于约3英寸。
8、根据权利要求1的光学放大器，它还包括：
一个位于壳体内与通道波芯片协同工作的额外光学元器件。
9、一种用于光学地放大施加给一个放大器壳体的输入光学信号的方法，该方法包括：
在壳体内产生一个光学抽运信号；
把光学抽运信号施加给壳体内的一个通道波导芯片，以把输入光学信号放大成一个放大的输出光学信号。
10、根据权利要求9的方法，其中上述的产生包括使用位在上述壳体内的一个激光二极管。
11、根据权利要求9的方法，它还包括，与壳体进行耦合的光学信号仅有输入光学信号和输出光学信号。
12、根据权利要求9的方法，它还包括：
利用输入耦合光学系统把来自一个第一光纤光学系统的输入光学信号耦合给通道波导芯片；以及
利用输出耦合光学系统把来自通道波导芯片的经放大的输出光学信号耦合给一个第二光纤光学系统。
13、根据权利要求9的方法，其中的通道波导芯片包括：
一个具有一个用于接收输入光学信号的输入端面和一个用于产生输出光学信号的输出端面的线型芯；以及
一个表面，光学抽运信号即通过该表面被接收。
14、根据权利要求13的方法，其中通道波导芯片的表面被设置得与其中的线型芯有约45°的夹角，光学抽运源以与线型芯成约90°的角度发射光学抽运信号，通道波导芯片还包括：
一个施加在表面上的反射涂层，用于把光学抽运信号反射入线型芯中。
15、根据权利要求14的方法，其中的通道波导芯片还包括：
一个设置在表面上的棱镜，用于把输入光学信号共线地导入到线型芯中。
16、一种制造光学放大器的方法，它包括：
提供一个具有光学信号输入和输出端口的壳体；
把一个通道波导芯片置入上述壳体，用于利用施加在其上的光学抽运信号而光学地放大来自上述输入端口的输入光学信号；以及
把一个光学抽运源置入上述壳体，用于产生光学抽运信号。
17、根据权利要求16的方法，它还包括：
提供输入耦合光学系统，用于把来自输入端口的输入光学信号传送到通道波导芯片中；以及
提供输出耦合光学系统，用于把来自通道波导芯片的输出光学信号传送到输出端口。
18、根据权利要求16的方法，其中的通道波导芯片包括：
一个线型芯，具有带有一个用于接收输入光学信号的输入端面和一个用于产生输出光学信号的输出端面；以及
一个表面，光学抽运信号即通过该表面接收。
19、根据权利要求18的方法，其中波导放大芯片的表面被设置得与其中的线型芯有约45°的夹角，光学抽运源以与线型芯成约90°的角度发射光学抽运信号，通道波导芯片还包括：
一个施加在表面上的反射涂层，用于把光学抽运信号反射入线型芯中。
20、根据权利要求19的方法，其中的通道波导芯片还包括：
一个设置在表面上的棱镜，用于把输入光学信号共线地导入到线型芯中。
21、根据权利要求16的方法，其中的光学抽运源是一个激光二极管，它在壳体的内部产生光学抽运信号，并且其中的放大器中仅有的光学端口就是光学信号输入和输出端口。
22、根据权利要求16的方法，其中壳体的平面尺寸的至少一个一维尺寸小于约3英寸。
23、根据权利要求16的方法，它还包括：
在壳体中提供一个额外的光学元器件，用于与通道波导芯片协同工作。
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