CN1906818A - 光学纤维放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种光学放大器(50；66)，它包括至少两段放大光纤(24；56；84；94)和用来光学泵激各放大光纤(24；56；84；94)的泵激装置。还提供一些光纤支承装置，例如衬底(20；26；42；44；54)内的一个沟道或多个沟道，以保持两段或多段放大光纤(24；56；84；94)在使用中基本平直。此光纤支承装置还包括在至少两段放大光纤间耦合光的装置。该至少一个放大光纤(24；56；84；94)可包含铒搀杂芯，以提供搀杂铒的纤放大器(EDFA)。

Description

光学纤维放大器
本发明涉及纤维放大器，更具体地说是掺杂铒的纤维放大器(EDFA)。
以光纤为基础的网络大家都知道，并已使用单模和多模光纤做成多种形式。由于纤维中的模式色散效应，以多模光纤为基础的系统一般只有有限的带宽。虽然利用按抛物线渐变指数的多模纤维等可以减小或消除模式色散效应，但这类纤维的制造很困难，成本也高。因而多模光纤通常只用于低速网络中。
按照定义，模式色散效应在单模光纤中不显著，因而这类纤维被用于高带宽数据传输系统中。但是，为维持单模传播所要求的小芯直径(典型值小于10μm)限制了可以耦合到纤维中的光功率。因此当数据通过长距离单模光纤传输时，往往需要光学放大器。
适用于单模光学放大器系统的一种熟知的光学放大器类型，是所谓的掺杂铒的纤维放大器(EDFA)。典型的EDFA包含单模光纤，它具有一个由搀杂铒的玻璃形成的芯区。信号束(例如波长约1550nm的束)和泵激束(例如波长980nm或1480nm的束)被耦合到已搀杂的光纤内。泵激束造成信号束在掺杂铒的光学纤维内放大。
搀杂铒的玻璃光增益较低意味着典型的EDFA需要很多米(例如数十或数百米)的单模光纤。因此现有的EDFA可能体积很大且很贵。此外，由于纤维内非线性效应及辐射对纤维芯和/纤维端面诱发的损伤，现有EDFA的最大光学功率输出受到小芯直径的限制。
US6611372描述了一种光学放大器装置，其中单根磷玻璃光纤被固定在衬底内的V形槽沟道内。US6611372中所述的光纤一般不到20cm长，其芯直径在50-100μm的范围。
本发明的一个目的是减轻现有纤维放大器的上述至少一些缺陷。
按照本发明，光学放大器包括至少两段放大光纤，一些泵激装置(用来光学泵激此至少两段放大光纤)和光纤支承装置(用来使此至少两段放大光纤在使用中基本保持平直)，其中光纤支承装置还包括在此至少两段放大光纤间耦合光的装置。
因此，所提供的光学放大器中多段放大光纤被一个光纤支承装置所支承，后者使各纤维段保持基本平直。于是光纤支承装置通过防止光纤发生任何大的弯曲而最大限度减小模式色散效应。换句话说，光纤支承装置确保起初耦合到一段放大光纤基模中的任何光功率在沿此纤维传播时不会与高次模耦合。
本发明的光学放大器是用两段或多段(或长度)放大光纤形成的。光纤支承装置还包括在各放大光纤长度间耦合光的装置；例如，光纤支承装置可包括空芯光波导或下面将详述的那类自由空间光学装置。按这种方式，只采用保证基本平直的光纤段，就可以在小的空间内提供被放大束的很长的有效光学路径。因而本发明能提供比US6611372中所述更小的光学放大器装置，而不需要将形成此装置的放大光纤弯曲。当如上述希望光在纤维中主要按基模有效传播时，防止放大光纤弯曲特别有好处。
必须指出，这里所用“光学”一词是指任何电磁辐射，其波长从深紫外至远红外。此外，这里所用“放大光纤”一词是指适用于放大第一波长的输入束(当它被适当的第二波长辐射光学泵激时)的光纤，例如用铒等稀土金属搀杂其芯子的纤维。
光纤支承装置最好包括一个衬底，它包含至少两个沟道，至少两段放大光纤中的每一段处于此衬底的沟道内。换言之，光纤支承装置包括一个衬底，其中或其上至少有两个沟道，用以接纳各段放大光纤。
在衬底内设置沟道可以方便地使光纤各段保持基本平直。沟道的尺寸最好能使光纤整齐地安放，以保证纤维在插入后不弯曲。或者，也可以将纤维部分插入沟道内，以提供要求的纤维平直度并被固定到位。在插入沟道之前可以将光纤剥出包层，或者沟道可设置成接收纤维以及任何相关的外部包层。沟道最好为圆形或矩形(包括方形)截面，或者是V形槽结构。为防止纤维遭受机械损伤，并确保它保留在衬底内，可以在衬底上附加一个(例如用胶粘)单独的盖部分。也可以提供一些弹簧夹，微型卡具或其它机械定位装置(如MEMS致动器)来保证纤维固定到位。
衬底也可以包含冷却沟道，通道和/或小孔，冷却流体(如液体或气体)可通过和/或跨越它们。以这种方式冷却衬底，可防止在利用高功率泵激束放大高功率光学信号时热量的任何增长。
最好把衬底的沟道做成彼此相邻和基本平行，从而形成折叠式排列。折叠式排列能让放大器的实际尺寸大大减小。
为减少光学损耗以保证基模传播得以维持，最好在衬底内形成空芯光波导，以将辐射引导至每个放大光纤之间。此空芯光波导可以是矩形(包括方形)截面。方形或几乎方形截面的空芯光波导可以提供损耗基本与极化状态无关的波导，而且当光的极化状态不清楚或变化时最好使用它。把波导的尺寸做成深度大于宽度将增加与极化有关的损耗，但当知道通过波导传播的光极化状态时可能是有益的。尽管矩形波导截面很方便，但可以采用许多其它的波导形状，例如，圆形、椭圆或V形波导。如WO03/065091所述，空芯光波导也可以在其内部表面涂上反射涂层。
应该注意，当用空芯光波导结构时，空芯多半是被空气所填充。但这一点也不限制本发明的范围。空芯可包含任何流体(如液体和氮等隋性气体)或者是真空。空芯一词只不过表示没有任何固体材料的芯子。
虽然推荐空芯光波导的形式，但光也可以在自由空间被耦合在每个放大光纤之间。可以提供适当的透镜或成形反射极以尽量减小衍射效应，并因此尽可能增加各放大光纤长度段之间的光耦合效率。
另外，最好在衬底内形成至少一个对准槽，用它来容纳光学元件。例如，衬底可以携带反射镜，激光器，滤光器，光学隔离器，透镜等，依实施所要求的光学装置的需要而定。对准槽可做成适当形状以接纳此元件，并因而可按需要比任何相关的空芯光波导深些/浅些和/或宽些/窄些。可以用弹簧夹或微型卡具将该元件固定到位。
形成在衬底内的对准槽可以足够的精度加工，以便与它接纳的元件对准。因而把光学元件安放在这样一个对准槽内将肯定与光学元件对准，故不需要元件对准和调节步骤。换句话说，所提供的是光学元件的被动对准而不要求主动对准步骤，对于后者要调节元件的位置直至达到所需的对准。关于利用空芯光波导连接各元件而形成光通路在WO03/065091中有较详细说明，其内容被引用于此作参考。
最好将一个透镜保持或固定在至少一个对准槽内。下面将说明，可以利用单个透镜使具有不同数值孔径的各光纤之间的光场实现模式匹配。
换一种方式，或额外地，可以把某些光学元件整体地形成在衬底内。本专业技术人员很可能已经知道各种适于包括在EDFA装置内的光学元件和布局。
衬底还可能包括至少一个光纤端部连接装置，它用来接纳输入或输出单模光纤的端部。此连接装置可以包括一个形成在衬底内的槽并被安置成将一条实芯光纤固定到位，从而可作为放大器的输入/输出。也可提供一些阶梯形光纤对准槽来固定过渡层和包层。还可提供一些弹簧夹，微型卡具或其它机械定位装置来将光纤固定到位。
最好让纤维夹持沟道和/或光波导形成在半导体材料做的衬底内。半导体衬底(如硅)可以很方便地利用微加工技术以高精度刻蚀提供空芯波导。衬底最好包含多层晶片，如SiGe，绝缘体上硅(SOI)，玻璃上的硅，或硅上的GaAs等。本专业技术人员清楚，微加工技术典型地包括确定图形的光刻步骤，接下去是刻蚀步骤，它将图形转移到衬底材料上(或内)的一层或几层。光刻步骤可以包括光学光刻，X射线或电子束光刻。刻蚀步骤可以采用物理方法(如剥离或离子束加工)，化学刻蚀或干式等离子体刻蚀。光通路最好用深反应离子刻蚀(也叫深干式刻蚀或深硅刻蚀)形成。这类微加工技术还与各种淀积技术(如溅射，CVD和电镀)兼容。
虽然采用包括半导体材料的衬底较有利，但器件也可以形成在各种其它的衬底上，例如，可以采用石英，二氧化硅或玻璃衬底。本发明所用衬底的方便之处在于可以很容易在上面进行半导体处理过程。应该指出，虽然按定义半导体处理过程是为使用半导体衬底而开发的，但它们也可用于某些非半导体衬底，这时并不要求衬底具有半导体特性。如WO03/065091中所述，也可以采用模压或模铸塑料衬底。
另外，衬底包含金属可能也有好处。金属衬底具有高的导热系数，故当使用产生大量需要耗散的热量的元件(如激光二极管)时很有利。使用可机加工的玻璃陶瓷衬底(如氧化铝)也很方便。可以采用一些现有的加工磨铣(如计算机控制磨铣，激光加工或电火花腐蚀)在这类衬底上形成所需的沟道。
虽然包含衬底的光纤支承装置很方便，但按本发明也可提供各种别的光纤支承装置。例如，可以提供细长的支承管或纤维拉伸装置将足够的力加到纤维上来保持纤维平直。
最好让泵激束被引导经过一些串联的放大光纤。也可以方便地将泵激束分别引向每一个放大光纤(即按并联提供)。串联泵激具有实行起来不太复杂的好处，但泵激束的光功率在通过光纤时将减小。并联泵激装置实行起来较复杂，但可以在光纤中保持最佳的泵激功率水平，因而可以增加放大器的总光学增益。在具有三段或更多段放大光纤的放大器内还可以使用串并联泵激的组合。因此本发明可提供对通过放大光纤路径的泵激功率分配的改进控制。
必须指出，虽然可以按几种方式为各段放大光纤提供泵激束，但信号束(即将被放大的束)是通过串联的各段放大光纤。换句话说，信号束的光是在至少两段放大光纤之间耦合。如下面将要说明的，可以利用可选择的反射器按要求分离泵激和信号束，以实现所要求的光学安置。还可提供至少一个光隔离器来减少各段放大光纤中的光振荡。
专业人士知道，放大光纤最好被包层泵激。大家都熟悉包层泵激单模光纤；例如参阅S.U.Alam等发表在proc.OFC 2001，Anaheim，USA，March 17-22，2001上的文章TU14，其题为“高功率包层泵激的铒-钇共搀杂纤维激光器”。在这类纤维中，纤维芯被内和外包层所包围。纤维安置成使被放大束导向纤维芯内(即利用从纤维芯和内包层界面上的反射)，而泵激束被导向纤维芯和内包层(即利用从内、外包层的反射)。这样可以增加泵激辐射强度而不损伤纤维芯，同时辐射是沿较长的光纤分布。
在光纤支承装置包括空心沟道的情况下，空心沟道本身可形成泵激辐射“包层”波导的一部分。换句话说，放大光纤可具有一个纤维芯和几个包层，后者安置成沿着芯子引导被放大的束。另外把光学放大器安置成使泵激束通过包层和空心沟道之间的界面的反射而沿着纤维的芯/包层被引导。这样可以获得上述包层泵激运行的各种好处。
建议至少一段放大光纤中的芯直径大于20μm，大于30μm更好，大于50μm更优，大于100μm，大于150μm，大于200μm，大于250μm更加好。芯直径越大，给定长度光纤能提供的光增益越高。各段光纤可以有相同或不同的芯直径。
最好有一段放大光纤是多模光纤。这里所说的多模光纤是指芯直径相对于芯和包层之间的折射率步长而言足够大的纤维，这种纤维能支持在不同工作波长的许多光学模式的传播。
多模光纤一般具有比标准单模光纤大得多的芯直径(例如大几个数量级)。因而使用这类纤维可达到比现有单模放大光纤大几个量级的单位长度光增益。传统上业内人士可能不愿意在单模纤维放大器中使用多模光纤，因为模式转换效应通常会降低基模输出功率。但是，按本发明提供一个光纤支承装置能使传播的光主要以基模通过多模光纤。
至少有一段放大光纤不用多模放大光纤而使用单模纤维更好。建议这样来安置此单模光纤，使有较低的步长指数(即芯和包层之间的折射率差别较小)和较大的芯直径(例如大于20μm，30μm，50μm，100μm或200μm)。这种光纤任何显著的弯曲将使光功率从基模耦合到高次模。但是，被激发的任何高次模不会通过此光纤有效地传播，因为低步长指数使其中耦合的任何光功率衰减。
因此，可以认为低步长指数纤维与多模纤维类似。在多模纤维中，模式色散效应引起高次模的激发，它沿光纤的长度传播，而在低步长指数单模光纤中激发的高次模由于低步长指数而衰减。换言之，多模光纤和低步长指数单模光纤具有增大的芯直径，但若它们严重弯曲则会显著减小基模功率传输。
因而当本发明的光纤支承装置与多模放大光纤或低步长指数单模放大光纤一起用时，可提供比原先更高光增益的放大器和/或更小巧的光放大器装置。本发明的纤维放大器还适用于单模光纤网络。此外，放大器能处理的最大光功率也增大；就是说，较大的纤维芯可以增大总的输出功率而不增加纤维芯内的功率密度。因此，本发明的纤维放大器可以提供比原先单模纤维放大器高得多的输出功率。
该至少一个放大光纤的芯子最好包含一种稀土金属搀杂剂。建议用铒，这种情况下泵激装置安置成能提供具有一个或几个波长的辐射，相当于铒内4I15/2至4I11/2相变。例如，可以使用915nm，980nm和/或1480nm左右的泵激波长。也可以采用钇搀杂剂，最好和铒联合使用。
最好提供一些束输入装置以将输入束耦合到一段放大光纤内。建议把束输入装置安置成使输入束主要在该至少一个放大光纤内激发传播的基模。这可进一步减少模式色散效应。
举例来说，此输入装置可包括至少一个或一些透镜，以精确地将输入束聚焦到光纤的芯子上，使相对于纤维芯光轴的横向和角向不对准度可以接受。此至少一个束输入装置的透镜可以适当地置于自由空间(例如在光具座上)，或如下面所述与适当的衬底对准或由适当的衬底形成。入射信号束与纤维芯的对准质量将决定耦合到放大光纤基模内的光功率大小，并因而确定当用于单模系统内时总的器件性能。
应该指出，若入射信号束激发出一系列光学模式(包括基模)，则使用光纤支承装置使多模光纤保持平直将确保在通过光纤传输时从基模转变成高次模的光功率最小。因而可以切断高次模的功率，而且向前的传输只有基模辐射。显然，这种装置比在第一种情况下确保大部分光功率用来激发放大光纤的基模效率要低。
最好把束输入装置安置成从单模光纤接收输入束。此外，光学放大器还可以包括输出装置，将被放大的束耦合到输出单模光纤中去。按这种方式可以把光学放大器用于高带宽单模光纤网络中。
被光学放大器接收的输入束适合于调制。例如，在数据网络的情况下，可将输入束经强度调制而承载数据信号。此外，也可以把光学放大器安置成从激光源或原先(即低功率)的光学放大器系统接收连续(CW)束，这样也很有利。
应该明白，本发明的光学放大器可用于要求产生高光功率水平的各种应用中。以光纤为基础的激光雷达(LIDAR)装置是将从用本发明的放大器产生高光功率水平获益的系统的例子。目前，以光纤为基础的LIDAR系统受到用现有EDFA可产生的光功率的限制。有了本发明的光纤可以大大提高(即增加几个数量级)LIDAR系统的光功率输出及性能(如作用范围，灵敏度等)。特别是，可以把原先(即低功率)的EDFA用作前置放大器，由它输出一个光束到本发明的功率放大器。
泵激装置最好包括至少一个激光器。将此至少一个激光器产生的泵激辐射耦合到一段放大光纤也很方便。可以方便地把泵激辐射安置成主要激发每个放大光纤的基模。将泵激辐射耦合到放大光纤的基模可保证与也按基模传播的信号束的良好重叠。这可使放大器的泵激效率最大。
泵激装置可以方便地包括与至少一个激光器输出光耦合的多模光纤，此多模光纤被耦合到一段放大光纤。这类激光泵激装置可从市场买到。
如下面将要详细讲到的，将输出从该激光装置的多模光纤有效地耦合到该段放大光纤是有益的。为使耦合最大化，放大光纤的数值孔径最好大于激光泵激装置中的数值孔径。多模光纤还可方便地通过一个具有放大率(m)的透镜耦合到一段放大光纤，其中放大光纤的数值孔径大于多模光纤的数值孔径与放大率(m)之乘积。这样可保证各光纤之间的光学耦合最大化。
换一种方式，可以让泵激辐射通过包层引向光纤芯(即侧面泵激)。例如，此泵激装置最好可包括一个激光二极管阵列，后者被安置成将泵激束加到该至少一个放大光纤每一个的侧面。之所以最好在侧面泵激装置中使用二极管阵列，是因为这样可以容易用许多低功率输出激光二极管实现泵激。也可以实现包层泵激安置。
最好在至少一个放大光纤的每一端提供一些选择性的反射谐振元件以形成谐振腔。这些选择性的反射谐振元件可安置成为泵激束和/或将要放大的束提供一个谐振腔。例如，此光学放大器可以将泵激辐射保持在放大光纤内，但允许待放大的束通过。备选地，或者额外地可将选择性的反射谐振元件安置成让被放大的辐射聚积在放大光纤内；即光学放大器可起激光谐振腔的作用。
按本发明第一形式还可为光学放大器提供一个衬底。也可以提供一种用于本发明第一形式纤维放大器内的稀土搀杂光纤，其中稀土搀杂光纤的芯直径大于20μm。最好此芯直径大于30μm，50μm，100μm，150μm，200μm或250μm。稀土搀杂剂最好用铒。
光学放大器还可包括至少一个放大光纤和泵激装置，由后者泵激此至少一个放大光纤。还可提供光纤支承装置，使该至少一个放大光纤在使用中基本保持平直。
现在将参照以下附图举例说明本发明，各图中：
图1是原先的EDFA，
图2是在各种对准装置内保持平直的多模纤维，
图3是固定在方形截面沟道内的纤维展开图，
图4表示形成在硅衬底内的方形沟道，
图5表示配备多模波导的折叠式EDFA，
图6表示配备多种泵激束输入的折叠式EDFA装置，
图7表示将辐射耦合到多模掺铒纤维基模内的装置，
图8表示耦合到多模波导基模内的功率耦合效率与束腰对波导芯宽度之比的函数关系，
图9表示在三种泵激功率下信号功率与纤维长度的函数关系，
图10示出一个谐振光放大器，
图11表示包含侧面泵激二极管阵列的纤维放大器，
图12表示与一段放大光纤相耦合的多模波导激光源。
参照图1，这是一种原先的铒搀杂纤维放大器2。此放大器2包括输入级4，掺杂铒的光学纤维6和输出级8。掺杂铒的光学纤维6大约10米长，且一般安置在半径为几厘米的松套线圈内。
输入级4安置成将从输入单模光纤10来的信号束和入射泵激束12耦合到掺杂铒的光学纤维6中。泵激束12使信号束在掺杂铒的光学纤维6内被放大，被放大的信号束由输出级8接收并耦合到输出单模光纤14内向前传输。
如上所述，现有EDFA内所用的单模光纤具有小的芯直径(仅数μm)。小的芯直径意味着为达到所需的增益需要很长的单模光纤。这对放大器可以减小到的最小的物理尺寸设置了基本的限制。此小芯直径还将该单模纤维的功率承受能力限制到1瓦左右。
我们发现，按照本发明，只要纤维在使用中保持基本平直(例如它处在硅衬底表面内的沟道内)，则掺杂铒的光学纤维6的芯直径可以增大。这种安置允许基模场在具有比原先掺杂铒的光学纤维6更大直径的芯子的光纤内激发并沿它传播，而且没有由模式色散效应引起的显著光学损耗。
特别是，在本发明的放大器中可以使用所谓的多模放大光纤。这种光纤具有比原先单模光纤大得多的芯直径(数百μm)。增大了的芯直径允许用短得多的纤维长度实现所要求的增益。另外，由于芯截面显著增大，多模光纤能承受较高的功率密度，因而能比原先的单模掺杂铒的光学纤维有更高的总功率容量。必须再次强调，由于在无支承的多模光纤中发生的模式色散效应，用于EDFA内的多模放大光纤的生产至今还被本专业技术人员所忽视。
虽然是按下面给出的各个例子对多模光纤加以说明，但专业人员明白，本发明的方法能同样有效地用于具有大芯直径和低步长指数(即芯子和包层之间的折射率相差比较小)的单模光纤。实际上，低步长指数单模纤维与多模纤维很相似；在多模纤维中，由于弯曲引起的模式色散效应造成高次模的激发，后者沿着光纤的长度传播，而在低步长指数单模光纤内激发的任何高次模将在短距离内衰减。
一个光纤能被激发的模式数目(N)可由下面的近似式给出：
         N∝2πa(n1 2-n2 2)1/2/λ      (1)
式中a是纤维芯的半径，λ是光的波长，n1是芯子的折射率，n2是包层的折射率。所谓的光纤步长指数就是n1-n2。
从方程(1)可以看出，增加芯的半径将增加给定步长指数下光纤内被激发的模式数量。还可看出，只要步长指数减小，在较大的芯半径下仍可维持单模传播。这种低步长指数光纤任何显著的弯曲将使光功率从基模耦合到高次模，但这些高次模将强烈衰减。
因而可以认为低步长指数单模纤维与多模纤维类似；在多模纤维中模式色散效应引起沿光纤长度传播的高次模的激发，而在低步长指数单模纤维中将激发高次模，但由于步长指数低它们将衰减。换句话说，高次模光纤和低步长指数单模纤维具有增大的芯直径，但若它们被严重弯曲，其基模功率传输将显著下降。
参看图2，它显示几种能使光纤保持平直的衬底。
图2a是一种硅衬底20，其中用湿法刻蚀形成一个V形槽和相应的盖部分22。V形槽的尺寸做成可支承掺铒的多模光纤24并使它保持基本平直。
图2b显示一个SOI(绝缘体上硅)衬底26。此SOI衬底26是由夹在上硅层30和下硅层32之间的SiO2层28形成的。SiO2层28用作刻蚀阻止层。这样可让上硅层30向下刻蚀到刻蚀阻止层，因而能很精确地限定沟道的深度(即沟道深度将等于刻蚀层的深度)。这样就很容易形成矩形截面沟道以支承掺铒的多模光纤24。同样也提供一个SiO2盖部分34，以确保纤维保持在对准槽内。图2a和图2b结构的优点是不需要使上、下部分对准就能支承光纤。
图2c表示另一种将掺铒的多模光纤24保持基本平直的安置。上衬底36和下衬底38两者都包含一个基本为矩形截面的刻蚀沟道。上、下衬底合在一起时界定一个沟道，光纤就放在其中。
图2d表示另一种使光纤保持基本平直的安置。光纤24插在一个长的刚性管40内，此管可以是金属的，玻璃的或塑料的等。长管可以置于形成在衬底内/上的沟道内以增加刚性。
应该指出，虽然图3显示的是纤维完全嵌在沟道内，但纤维也可以是部分嵌在沟道内。例如，放大纤维可以用形成在衬底表面内或上面的脊保持平直。可以用适当的粘接剂把这条纤维固定在衬底上。
参照图3，它表示一个形成在硅衬底44内的矩形截面沟道42。掺铒的多模光纤24(由芯46和包层48组成)置于沟道内，并由沟道42保持基本平直。图4表示用深反应离子刻蚀形成在硅晶片内的这样一个沟道的象。
参看图5，这是按本发明的一个EDFA装置50。图5a是EDFA 50的透视图，图5b是形成此EDFA的衬底52的侧视图。
EDFA 50包括一些形成在硅衬底52内的空心沟道。衬底内提供了4个保持沟道54a-d(此处统称为保持沟道54)，用来接纳4条掺铒的多模光纤56a-d(此处统称为多模光纤56)并让它们保持平直。图5a表示已嵌入多模光纤56的衬底52，图5b则表示在光纤嵌入之前的衬底。
4条纤维保持沟道54安置成相互基本平行。波长选择反射器58安置成将由输入光纤60来的信号束和由激光器61来的泵激束62耦合到多模光纤56d内。还提供一些镜子64使从光纤56d出来的组合信号束/泵激束通过每个光纤56a-c。提供一个第二波长选择反射器使被放大的信号束与从光纤56a出来的任何残余泵激束分离。然后，在光纤56内传播时已被放大的信号束耦合到单模输出光纤68内。
光线被形成在衬底内的沟道70导引在高次模光纤56的4段长度之间，这些沟道被安置成起空芯光波导的作用。虽然图中没有标示，空芯沟道70的内壁可以涂敷一层反射材料(如金，银或铜)以减小光损耗。衬底内还形成一些对准槽，以便接纳和对准第一和第二波长选择反射器58和66及镜子64。空心沟道70内还可提供各种额外的光学元件(如透镜等)，它们在光束在各光纤56之间传递时对它起作用。在WO03/065091中对使用硅衬底来使各光学元件对准，及用一些空芯光波导在这些元件之间传输辐射有更详细的说明。
可以这样来安置EDFA 50，使得从一段长度光纤(例如纤维56d)注入空心沟道70内的束在第二段光纤长度(例如纤维56c)的输入光阑附近“再成象”。再成象现象将在别处详细说明；例如参看WO03/065091。简单来说，由空心沟道70形成的空芯光波导可以形成一个多模波导。适当选择多模波导的尺寸可以产生各种束分离和组合功能，在此波导内可以产生作为输入束的象的束。
具体来说，可以把矩形或方形截面空心多模波导设计成提供对称，反对称或非对称光学场的再成象，方法是把波导的长度设计成和它的宽度和深度有适当的关系。换句话说，输入束的高斯输入截面在沿某波导传播一定距离后将再成象(也即再产生)。这种效应还将引起束的重复；也即在短于再成象长度的距离内形成束的多个象。这种现象以前在US 5410625中有过说明，它提供了多模干涉(MMI)束分离器件的基础。
作为例子，我们来考虑在方形截面波导内传播的对称场。此波导的再成象长度等于波导宽度的平方除以传播辐射的长度。对称场的再成象产生在再成象长度和再成象长度的倍数处。在各再成象点之间，可以找到束的重复点和最大场扩张点。
因而对于50.0μm宽的空心波导和1.55μm的辐射，再成象长度是1.613mm。此对称场将在该长度及其整数倍处(即3.23mm，4.84mm等)再成象。因此，从单模光纤来的TEMoo高斯输入束可在1.613mm的整数倍处再成象。
另外，对于反对称场的情况，再成象产生在8倍于对称场再成象所需的长度处，即对于50.0μm宽的空心波导是12.09mm处。非对称场的镜象还在此长度的一半处形成，即6.05mm处。具体来说，使输入与多模区的中心线偏移可提供非对称输入，它将在中心线任一侧等效的偏移处沿波导在一些预定的距离处再成象。
在深度和宽度相差很多的矩形波导情况下，与波导两个截面尺寸(如深度和宽度)有关的再成象本身也不相同。但是，若把此矩形空心波导各尺寸之间的关系安置成对于特定深度和宽度在相同的长度下发生再成象，则任何场可以再成象。因而，把与宽度W1和W2有关的再成象长度安置成相等，对称场可以在矩形波导内再成象。
利用再成象效应可以保证各种长度的掺杂铒的光学纤维之间有效耦合，而不需要透镜或成形镜等束扩张/压缩元件。空心波导可按需要在泵激束和/或信号束波长下对再成象实行优化。
参考图6的多次泵激EDFA 66。此EDFA 66包括4段掺杂铒的光学纤维56，它们按上述图5的方式支承在形成于硅衬底的沟道内。这儿有8个波长选择反射器68，它们可让泵激束(如980nm)透射，但将信号束(如1.5μm)反射。
在此EDFA 66中，入射信号束70经过波长选择反射器68的反射被引导通过4段多模光纤56。4个泵激束72a-72d分别泵激每段多模掺杂铒的光学纤维56。此EDFA还可以按别的方式安置。例如，提供折叠式安置的反射器68还可以有一些薄膜涂层，有了它们可以进行波长过滤和/或带通控制。
图6的多次泵激装置使泵激效率增加，而且在增益饱和与强度折衷方面相对于在一定输入功率水平下的最佳泵激功率而言有其优点。另外，对于宽带通信应用来说，单独泵激可以实现适当的增益分布。换句话说，每个泵激束可以有略微不同的波长。这类装置还可以提供能放大1300nm和1500nm两个波段信号的放大器。另外，图6所示类型的结构可以使用具有相同特性的束分离和组合元件(即反射器68)。
需要指出，虽然图5和6所示的光学装置是形成在处于单一平面的平衬底内，但也可以形成各种元件和纤维安置在三维叠层内的装置。采用三维叠层有可能提供更加小巧的装置。
利用支承衬底来保持各段多模光纤在使用期基本平直，可保证辐射沿光纤传播时模式色散效应最小。但它仍有利于确保起初注入多模光纤内的辐射主要激发它的基模。
参照图7的装置，它能让束内几乎全部光功率只耦合到多模光纤的基模内。此装置包括一个硅衬底76，其中形成一个矩形截面的T形沟道78。
T形沟道78的第一臂安置成接纳携带信号束的输入单模光纤80的端部。T形沟道78的第二臂安置成接纳携带泵激束的单模光纤82的端部，而第三臂安置成接纳多模掺杂铒的光学纤维84。每条光纤的端面有一个抗反射涂层。另外，每条光纤的端面要清洗得使光纤面与光轴的法线成几度的角。这个成角度的面有助于抑制任何不想要的寄生振荡。
波长选择反射元件86位于T形沟道各臂交汇处的一个对准槽内。反射元件86在信号束波长(典型为1.5μm)下是反射的，在泵激束波长(980nm)下是透射的。在使用中信号束从反射元件86反射到多模掺杂铒的光学纤维84内，而泵激束通过选择性反射元件86并被引向多模掺杂铒的光学纤维84。
第一组透镜88被用来形成从输入单模光纤80出来的信号束，第二组透镜90用来对从单模光纤82出来后的泵激束成形。第一和第二组透镜固定在开在硅衬底76内的对准槽(未示出)中，并按需要提供束扩张或压缩。
虽然图7显示的各个T形沟道臂的宽度相同，但是形成各臂的沟道可以有不同的截面尺寸。例如，多模掺杂铒的光学纤维84可固定在具有1mm左右宽度的沟道内；此宽度与多模掺杂铒的光学纤维的外径很相配。单模输入和泵激纤维可以安放在对其外径合适的较小的沟道内。互相连接纤维端部的各沟道部分可以用作空芯波导，以在各光纤之间引导辐射。使用这种空芯光波导使得在自由空间传播时出现的色散效应最小。
为使纤维和空芯光波导之间的光耦合效应最大，应将形成于衬底内的空芯光波导安置成支持与此光纤基模等效的基模。换言之，通过空芯光波导传播的光有效束直径应与通过光纤传播的光的有效束直径匹配。
参看图8，此图表示进入圆截面光纤芯的高斯束的功率耦合效率与有效TEMoo束腰直径(W)和光纤芯半径(A)之比的函数关系。因而，对于芯宽度为2A光纤，输入束的有效TEMoo束腰应选成使W/A为大约0.64。在光波导截面为方形的情况下，W/A应选成0.703左右，以使耦合效率最大。
还曾发现，若光线是从与纤维芯光轴重合的方向入射到多模光纤的芯上，则只有多模光纤的基模被激发。但若光线相对于纤维芯光轴的横向和/或角向不对准度太大，将会出现高次模激发。在实际装置中，各光学元件的对准精度将决定角向和横向对准精度，因而将决定耦合到高次光学模内的功率大小。
因此，对于给定的元件对准精度，可以提供芯直径足够小的光纤，保证只出现基模激发。以此为基础，所需角向对准公差(θ)可由下式给出：
θ≤λ/10W                       (2)
式中λ为传播波长，W为多模波导的宽度。在上述类型的空波导芯波导装置中，可以达到0.5毫弧度的角向对准公差。因此，根据方程(2)，与1.5μm辐射相关的角向对准公差给出约300μm的最大光纤芯宽度。
可以运用类似的分析来确定光纤需要保持多直。弯成一定曲率半径的纤维可以是一组直线段，各段之间有小的倾斜。考虑两个彼此倾斜的直线段，其间倾斜的影响是在纤维直径上施加一个与半径有关的相位误差。这个相位误差损害了与下一个直线纤维段的耦合；这是因为下一段基模有一个平面相前。此相位误差的量与W·θ/λ成比例。而θ∝1/R，此处R为曲率半径。结果曲线纤维两直线段之间相位误差的大小正比于W/Rλ。据此可以预测在曲线多模纤维出口处基模保真度与这三个变量(即芯直径W，纤维曲率半径R，和芯内的辐射波长λ)的函数关系。
与传统10μm芯直径的单模掺杂铒的光学纤维相比较，300μm芯直径将给出约1000倍的增益量(因而功率也增加这么多)。因此，一米长的300μm芯直径的多模掺杂铒的光学纤维将比10米长的10μm芯直径的单模光纤提供高100倍的光增益。此外，还可看出，10cm长的多模掺杂铒的光学纤维也将比10米长的单模光纤提供高10倍的光学增益。因而本发明可让掺铒放大器的尺寸显著减小并/或为给定长度的搀杂纤维提供更高的光学增益。
参考图9，它表示在三种泵激功率(10W，20WT 50W)下本发明的EDFA产生的预计输出信号功率与掺杂铒的光学纤维长度的函数关系。使用的是1W的输入束。由此可看出增大泵激功率的好处很明显，且对给定的纤维长度有一个最佳的泵激功率。
如上所述，被放大的束在多模纤维中必须主要以基模传播，以保证模式色散效应不会降低装置的带宽。此外我们建议，当然不是很关键，泵激束在掺杂铒的光学纤维中只以基模传播。只让泵激束耦合到多模波导内的基模可很好地保证与多模纤维的增益量一致，从而增加放大效率。
图7的耦合装置可用在上面图5和6所示的EDFA中。另外，不难了解如何将这种装置按组合信号束/泵激束分离而反过来运行，以提供注入单模输出光纤的输出信号束。
参看图10，它表示上述放大器如何形成光纤谐振器90的基础。此谐振器90是由硅衬底92形成的，并包括一段搀杂铒的多模波导94，后者基本平直地保持在形成于衬底92中的沟道内。此搀杂铒的多模波导94处于第一反射器96和第二反射器98之间，这两个反射器固定在形成于衬底92中的各对准槽内。虽然图中未显示，每一和第二反射器可以是弯曲的，以抑制高次模。
被放大束和泵激束是由单模输入纤维100和单模泵激纤维102提供的。被放大束和泵激束被波长选择反射器元件104的透射/反射组合，通过第一反射器96并耦合到掺杂铒的光学纤维94的基模内进行放大。
从掺杂铒的光学纤维94出来后，泵激和被放大束被引导到第二反射器98。被放大束的一部分(例如百分之几)通过第二反射器98并耦合到输出光纤106。被放大束的其余部分和任何剩下的泵激辐射被第二反射器98反射并耦合回到掺杂铒的光学纤维94内。第一反射器96被安置成完全反射从掺杂铒的光学纤维94入射到它上面的泵激和被放大辐射，这样就由第一和第二反射器形成一个谐振腔。
应该指出，虽然图10所示为掺杂铒的光学纤维的单段长度，但也可以提供几段长度的光纤。例如，可以采用图5所示类型的折叠式装置。
除了高光增益外，图10所述的谐振器还有各种额外的优点。例如，衬底是沿光纤的长度与之热接触，因而可用来从光纤中排出过剩的热量。这种冷却可通过让一种流体(如气体或液体)通过支承光纤的沟道来实现，而且/或者可以在衬底内提供分开的冷却沟道。
上述各实施例要依靠耦合到掺杂铒的光学纤维内并沿其传播的泵激辐射。图11表示如何使用侧面泵激装置作为替代或附加的方案。
图11显示一段掺杂铒的光学纤维110，它被基本平直地保持在硅衬底112的沟道内。信号束被耦合到多模光纤110内，并主要在其中激发基模。安置了一些泵激激光二极管114，通过纤维包层照明多模光纤110的侧面。这样多模光纤110的芯接受泵激辐射并放大在其中传播的信号束。
图11显示一些激光二极管114，其方位垂直于多模光纤110。但是应该明白，泵激辐射可以按任何角度射向光纤。此侧泵激装置也可以用来实现上述类型包层泵激安置。
参看图12，它示意地表示在多模纤维泵激源120和掺杂铒的光学纤维122之间耦合光的方法。此多模纤维泵激源120包括一个与多模泵激纤维126耦合的泵激二极管阵列124。泵激纤维126的光输出通过焦距为f的透镜128和反射镜130射向掺杂铒的光学纤维122的端面。
设泵激纤维束直径为dp，泵激纤维数值孔径(NA)为NAP，则对于芯直径de的搀杂铒的多模纤维，搀杂铒的纤维的NA应为NAe：
NAe≥NAP*dp/de                     (3)
在这种情况下，透镜128产生的放大率(m)为：
m＝dp/de                           (4)
这样就容易计算提供从多模泵激纤维(或泵激束)的有效耦合所需的搀杂铒的多模纤维芯的NA。应当知道，对于相同芯直径的多模泵激纤维和多模铒搀杂纤维，铒搀杂芯的NA应等于或大于多模泵激纤维的NA。
多模泵激纤维的NA一般在0.2-0.4的范围。联系到上述NA设计准则，提供放大/缩小结构的单透镜128可产生有效的几何模式匹配。
上面对掺杂铒的光学纤维作了说明，因为它们可用来放大适用于通信的波长范围从1525nm至1610nm的辐射。但本发明同样可用于其它放大光纤，例如任何稀土搀杂硅石纤维。关于适当的放大纤维的更多信息可从Saleh和Teich所著“光子学基础”，John Wiley and Sons，1991，ISBN 047183965-5，479页找到。
业内人士很快就能意识到，本发明的光学放大器可用到许多应用中。例如，此放大器可用来提供LIDAR系统等里面的高功率光束。高强度光功率还可用于驱动光学参量振荡器(OPO)；在以前，与OPO相关的高光损耗以及原先EDFA的功率限制，曾严重地限制可产生的光束输出功率。

Claims (28)

1.一种光学放大器，包括至少两段放大光纤，一些用来光泵激所述至少两段放大光纤的泵激装置，和光纤支承装置，该光纤支承装置用来使此至少两段放大光纤在使用时基本平直，其中光纤支承装置还包括使光在此至少两段放大光纤之间耦合的装置。
2.如权利要求1的光学放大器，其中光纤支承装置包括衬底，该衬底包含至少两个沟道，至少两段放大光纤的每一段置于衬底的沟道内。
3.如权利要求2的光学放大器，其中至少两个沟道彼此相邻且基本平行，由此形成折叠式装置。
4.如权利要求2至3中任一条的光学放大器，其中形成在衬底内的沟道基本为矩形截面。
5.如权利要求2至4中任一条的光学放大器，其中在至少两段放大光纤间耦合光的装置包括形成在该衬底内的一个或几个空芯光波导。
6.如权利要求5的光学放大器，其中在一个或几个空芯光波导的内表面上提供反射涂层。
7.如权利要求2至6中任一条的光学放大器，其中衬底还包括至少一个对准槽，该对准槽用来接纳光学元件。
8.如权利要求7的光学放大器，其中透镜被保持在至少一个对准槽内。
9.按权利要求2-8中任一条的光学放大器，其中衬底还包括至少一个光纤端面连接装置。
10.按权利要求2-9中任一条的光学放大器，其中衬底包括半导体材料。
11.按权利要求2-10中任一条的光学放大器，其中沟道用深反应离子刻蚀(DRIE)形成在衬底内。
12.如上述任一条权利要求的光学放大器，其中泵激装置提供泵激束，该泵激束依次被引导通过每段放大光纤。
13.按权利要求1-11中任一条的光学放大器，其中泵激装置提供一些泵激束，这些泵激束分别被引导到每段放大光纤。
14.如上述任一条权利要求的光学放大器，其中至少一段放大光纤的芯直径大于50μm。
15.如上述任一条权利要求的光学放大器，其中至少一段放大光纤是多模光纤。
16.如上述任一条权利要求的光学放大器，其中至少一段放大光纤是单模光纤。
17.如上述任一条权利要求的光学放大器，其中至少一段放大光纤的芯子包含稀土金属搀杂剂。
18.如上述任一条权利要求的光学放大器，其中提供一些束输入装置将输入束耦合到一段放大光纤内。
19.如权利要求18的光学放大器，其中束输入装置包括至少一个透镜。
20.按权利要求18-19中任一条的光学放大器，其中束输入装置设置成使输入束主要激发在该段放大光纤内传播的基模。
21.按权利要求18-20中任一条的光学放大器，其中束输入装置安置成从单模光纤接收输入束。
22.如上述任一条权利要求的光学放大器，其中束输入装置用来把放大束从一段放大光纤耦合到输出单模光纤。
23.如上述任一条权利要求的光学放大器，其中泵激装置包括至少一个激光器。
24.如权利要求23的光学放大器，其中泵激装置包括至少一个多模光纤，该多模光纤与至少一个激光器的输出光学耦合，所述多模光纤还光学耦合到一段放大光纤。
25.如权利要求24的光学放大器，其中放大光纤的数值孔径大于多模光纤的数值孔径。
26.如权利要求24的光学放大器，其中多模光纤通过放大率为m的透镜系统与一段放大光纤耦合，且放大光纤的数值孔径大于多模光纤数值孔径与放大率m之积。
27.按权利要求1-22中任一条的光学放大器，其中泵激装置包括激光二极管阵列，所述激光二极管阵列被安置成使泵激束施加在每段放大光纤的侧面。
28.一种激光装置，包括上述任一条权利要求的光学放大器和两个选择性反射元件，其中光学放大器相对于选择性反射元件安置成形成激光谐振腔。
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