CN219067463U - 可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及集成光学信息领域，具体为一种可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器。解决了目前波导放大器存在色散无法补偿，分立元件多，散热效果差等技术问题。本实用新型在高热传导介质基底上将前置色散介质、增益放大介质、后置色散补偿介质首尾熔接，无需其他光栅结构或者棱镜色散器件，在前置色散介质、增益放大介质内形成波导，在后置色散补偿介质内部形成波导及可调谐光栅结构，材料内部波导可单步制备，无需波导间的光路耦合结构，易于调节，插入损耗低，加工效率高，色散补偿数值、放大脉冲能量范围以及输出激光模式灵活可调，最终实现集前置色散波导、增益放大波导、后置色散补偿波导和可调谐光栅结构为一体的波导激光脉冲放大器。

Description

可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器

技术领域

本实用新型涉及集成光学信息领域，具体为一种可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器。

背景技术

随着高速信息时代的到来，激光技术，信息处理技术和高速通信技术都得到了迅速发展，由于信息量需求的不断提高，传统的光学器件和系统已经难以满足大容量、高速率等要求，集成光子学就是在这种历史条件下逐步发展和形成起来的。光波导则是集成光学中的基本组成单元，光波导不仅可以实现被动光子器件，也可以实现主动增益功能，在光通讯等各个方面应用展现了其巨大的应用价值，

随着激光技术与光波导技术的有机结合，出现了飞秒激光直写波导技术，自从1996年首次报道后，引起了非常广泛的关注。该技术对材料的选择性小，具有更广泛的应用前景。而且波导截面容易控制，极有利于减小器件的插入损耗，由于其体积小、结构简单，整个光波导芯片对环境不敏感，能够用于高加速度环境和大温差环境，有效的推动了集成光学的发展。在2000年左右出现了利用飞秒激光熔接透明电介质材料的新型激光熔接技术，可以将不同的光学材料通过飞秒激光界面处理实现光学材料的熔接工艺，焊接强度和剪切力测试都可以达到集成光学系统应用的标准，为光集成芯片的产生奠定了一定的基础。

目前高度集成的主动增益放大器主要有光纤尾纤集成的半导体光放大器（SOA），这其中半导体光源由于其光束质量低，热稳定性比较差，与光纤耦合困难，光纤在光集成器件中耦合难度比较大，很难适应高速高集成度光集成器件的发展，更不能适应光集成芯片的产生。作为可以提供光通信功率传输过程中放大作用的光波导放大器成为了迫切需求，针对各类不同功能增益介质的激光放大器成为了众多研究人员的关注热点。

2010年，T. Toney Fernandez等人利用高数值孔径的物镜，脉宽400fs，波长1040nm，重复频率1MkHz，首次在磷碲酸盐玻璃中演示光波导放大器，该放大器提供1.5μm的净增益。该器件使用高重复率飞秒激光器制造，并在覆盖整个C+L电信频带的100nm带宽上显示出内部增益。这意味着使用飞秒激光直写的方式可以实现宽谱段集成波导放大器这种通信主动器件。

波导放大的优点在于体积小，功耗低，对环境要求低等优点，有效的推动了光集成技术的发展，但是目前的波导放大器，除了光纤等圆波导的发展实现外，目前的波导放大器存在着色散无法补偿，分立元件多，散热效果差等缺点，例如在波导放大器中只是采用波导器件为增益介质，而色散器件就是采用光栅或者棱镜等其他外部大尺寸色散补偿器件，在很大程度上降低了波导锁模激光器的高集成度。

实用新型内容

为了解决目前的波导放大器存在着色散无法补偿，分立元件多，散热效果差等技术问题，本实用新型提供一种可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器。

本实用新型的技术解决方案是：一种可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器，包括前置色散介质、增益放大介质、后置色散补偿介质以及高热传导介质，所述前置色散介质、增益放大介质、后置色散补偿介质沿水平方向顺次紧贴排列且三种介质的底面与高热传导介质的上表面相熔接；前置色散介质、增益放大介质、后置色散补偿介质内设有依次贯通的前置色散波导、增益放大波导和后置色散补偿波导；其中在后置色散补偿波导内部还设有光栅结构。

本实用新型所述的可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器，是集前置色散、增益放大、后置色散补偿，光栅结构色散调控和高热传导功能的集成光子器件，无需其他光栅结构或者棱镜色散器件，无需对准，集成度高，光学耦合效率高，波导单步制备，光栅结构色散调控范围可调的色散补偿的波导激光脉冲放大器，且散热效率高。泵浦源和信号源设在前置色散波导一端。

进一步的，上述前置色散波导包括应力型或折射率降低包层型管状波导；

上述增益放大波导包括应力型或折射率降低包层型管状波导；

上述后置色散补偿波导包括应力型或折射率降低包层型管状波导。

上述光栅结构包括分布在后置色散补偿波导内部的短周期相位光栅结构，所述短周期相位光栅结构可实现波导区域的色散值灵活可调。

本实用新型的优点是：

本实用新型提供了同时具有前置色散功能，增益放大功能，后置色散补偿功能、光栅结构色散调控和高热传导功能的波导激光脉冲放大器，该波导激光脉冲放大器将前置色散介质、增益放大介质和后置色散补偿介质在具有高热传导系数的高热传导介质界面处实现低插损连接，在熔接各部分材料过后，在前置色散介质内部制备对称应力型或者折射率降低包层波导，由于应力挤压或者周围介质折射率降低，在其内部区域形成波导芯层，提供前置色散功能；在增益放大介质内部设有应力型或折射率降低包层波导，该波导外部区域折射率降低形成波导层，内部未修改区域折射率相对升高，构成波导结构同时保持激光增益放大特性；在后置色散补偿介质内部设有应力型或折射率降低包层波导，由于应力挤压或者周围介质折射率降低，在其内部区域形成波导芯层，提供后置色散补偿功能。

同时在后置色散补偿波导内部设有光栅结构，同时具备色散量可调谐功能。由于几种介质在熔接之后制备波导，前置色散波导、增益放大波导和后置可调谐色散补偿波导避免波导空间耦合技术限制，大大降低了器件的插损，有利于实现高斜率波导光放大。波导还采用了折射率降低包层管状波导结构，分别在前置色散补偿材料、增益放大材料和后置可调谐色散材料内部制备对称结构波导，波导色散值和导光模式可以大范围调节。色散值和导光模式均可通过温度或应力调节，本实用新型所述激光脉冲放大器的结构会有利于实现温度或者应力对色散和导光模式的调节，因为此结构的灵敏度很高。

本实用新型提出了一种新型结构的波导激光脉冲放大器，通过制备前置色散波导、增益放大波导和可调谐后置色散补偿波导包层折射率变化，在前置色散波导输入泵浦光和信号光，可实现色散补偿精确可调范围以及输出导模模式灵活可调。此波导激光脉冲放大器的体积小，结构紧凑，功耗低，制造过程简单和快速，对环境要求低，易于实现。

附图说明

图1是本实用新型侧视（侧剖）结构示意图，波导为应力型波导。

图2是是本实用新型侧视（侧剖）结构示意图，波导为折射率压低型管状波导。

图3为图1的俯视图。

图4为图2的俯视图。

11-高热传导介质，12-前置色散介质，13-增益放大介质，14-后置色散补偿介质，15-界面熔接点，16-光栅结构；

21-应力型前置色散波导，22-应力型增益放大波导，23-应力型后置色散补偿波导；

31-折射率降低型管状包层前置色散波导，32-折射率降低型管状包层增益放大波导，33-折射率降低型管状包层后置色散补偿波导。

具体实施方式

实施例1

一种可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器，包括前置色散介质12、增益放大介质13、后置色散补偿介质14以及与高热传导介质11，所述前置色散介质12、增益放大介质13、后置色散补偿介质13沿水平方向顺次紧贴排列且三种介质的底面与高热传导介质11的上表面相熔接；前置色散介质12、增益放大介质13、后置色散补偿介质14内设有依次贯通的前置色散波导、增益放大波导和后置色散补偿波导；其中在后置色散补偿波导内部还设有光栅结构16。

实施例2

如图3所示，所述前置色散波导、增益放大波导和后置色散补偿波导均为应力型波导（标号21、22、23）；所述应力型波导由两条沿水平方向排布的应力轨迹以及位于两条轨迹之间的介质组成；如图4所示，所述前置色散波导、增益放大波导和后置色散补偿波导均为折射率降低型管状包层波导（标号31、32、33）；所述折射率降低型管状包层波导由多条相互平行且围成环形的应力轨迹以及位于轨迹内部的介质组成；光栅结构为短周期相位光栅结构。

前置色散波导长度为2mm-4mm，增益放大波导长度为9mm-11mm，后置色散补偿波导长度为1mm-3mm，光栅结构长度为1mm-3mm，周期为300-500nm。

实施例3

前置色散介质12、增益放大介质13、后置色散补偿介质14均为立方结构且排列成一个长方体，所述高热传导介质11为长方体结构；激光器集成为长方体结构。

与传统的波导放大结构相比，本实用新型提出了在高热传导介质基底上将前置色散介质、增益放大介质、后置色散补偿介质首尾熔接，进而在前置色散介质内部形成应力型或折射率压低型管状前置色散波导，在增益放大介质内形成应力型或折射率压低型管状增益放大波导，同时在后置色散补偿介质内部形成应力型或折射率降低型管状后置色散补偿波导以及可调谐光栅结构，材料内部波导可以单步制备，不需要波导间的光路耦合结构，易于调节，插入损耗低，加工效率高，色散补偿数值、放大脉冲能量范围以及输出激光模式灵活可调，最终实现集前置色散波导、增益放大波导、后置色散补偿波导和可调谐光栅结构为一体的波导激光脉冲放大器。

以下结合附图对本实用新型做进一步的说明。

参见图1-图4，本实用新型提供了一种波导激光脉冲放大器，该波导激光脉冲放大器是由飞秒激光将前置色散介质、增益放大介质以及后置色散补偿介质与高热传导介质界面产生高强度熔接，之后通过飞秒激光在前置色散介质、增益放大介质以及后置色散补偿介质内部刻写波导结构，其包括三段不同功能的波导，无需空间光耦合结构，其中波导可以为应力型的波导也可以为折射率降低型的管状包层波导，这三种结构波导都可以保持材料本身光学特性，在第三部分的后置色散补偿波导内部还制备了具有色散调节功能的光栅结构，同时共同实现色散控制、波导激光放大以及色散精确补偿三种功能，波导采用折射率压低型管状包层结构时还可以调节波导的模场直径，高效制备，一次完成加工。

本实用新型采用如下方案加工而成：飞秒激光聚焦到前置色散介质、增益放大介质以及后置色散补偿介质这三种光学材料与高热传导系数材料界面处，在材料界面处的材料在高温状态下会发生熔融效应，材料内部分子会运动到与其接触材料内部，由于超短脉冲激光的冷加工效应，激光作用后不会发生热传导，局部材料会迅速恢复固态，此时界面处由于激光能量的沉积就会发生熔接效果。在熔接完成之后，利用飞秒激光焦点在前置色散介质、增益放大介质以及后置色散补偿介质三种材料内部发生非线性吸收效应，材料内部会发生微小结构修改，由此改变光学材料的折射率等光学特性；由于材料和激光参数选择不同，在材料内部会出现区域折射率升高或者降低现象，若作用区域产生了应力挤压以及折射率降低，则可以通过应力型或者折射率降低管状包层结构实现光波导。

超短脉冲激光参数为：重复频率1kHz，光谱中心波长808nm，光谱宽度12nm，脉冲宽度150fs，将色散补偿、增益功能和可调谐色散补偿功能的材料以及高热传导材料放置于精密定位3D运动平台，通过PCM显微技术观察操作，在材料界面实现熔接；之后通过超短脉冲激光在前置色散介质、增益放大介质和后置色散补偿介质三种材料内部制备应力型波导或者折射率降低型管状包层波导；

制备应力型波导时采用柱透镜整形制备方式，激光束利用显微物镜聚焦到材料内部，利用位移平台移动样品玻璃，超短激光焦点在材料内部刻出应力轨迹，在该应力轨迹之间即形成芯层。

制备折射率降低型管状包层波导时采用狭缝整形方式，激光束利用显微物镜聚焦到材料内部，利用位移平台移动样品玻璃，飞秒激光焦点在材料内部写出环形结构的折射率降低型的包层结构，在该包层内部形成折射率升高区域，形成波导。

由于制备的过程在三种材料内部完成，上述激光熔接工艺已经将材料位置确定，所以无需附加空间结构耦合器件连接各个波导，降低了器件的插入损耗；

波导制备完成之后在前置色散波导单侧端注入泵浦光和信号光，实现了高斜率的激光放大，在泵浦以及信号光注入之后即可以实现激光放大。

由于采用了具有光栅结构的后置色散补偿波导，放大后的脉冲经过第三部分光波导时，会精确有效补偿放大过程中产生的色散量，达到输出脉冲激光宽度最优的效果，当注入脉冲宽度发生修改时，通过热应力就可以实时调节整个波导的色散调制效应，由于光栅周期可调，其色散补偿量也不尽相同，所以会精确调控波导放大脉冲的脉宽；

由于采用折射率降低型管状包层波导，波导芯层尺寸可调，光场模式也灵活可调，可以实现LP01模式或者高阶模输出。

泵浦源是由单根激光二极管以及输出尾纤组成的光纤耦合半导体激光二极管。

半导体激光二极管输出尾纤为单模模式输出。

前置色散介质是铝硅酸盐玻璃或SF10高色散玻璃材料。

增益放大介质是掺稀土元素或掺铒的增益晶体材料。

后置色散补偿介质是铝硅酸盐玻璃或SF11高色散玻璃材料。

高热传导介质是SiC、金刚石等材料。

光栅结构由超短脉冲微小修改局部折射率形成。

参见图3和图4，本实用新型提供了一种可调谐色散补偿的波导激光脉冲放大器，该波导激光脉冲放大器将多种不同光学性质的材料高强度熔接，同时利用超短脉冲激光制备具有前置色散功能，增益放大功能，以及可调谐后置色散补偿功能的波导，不同之处是：本实用新型通过超短激光实现了前置色散介质、增益放大介质和后置色散补偿介质和高热传导材料的激光高强度熔接，同时不破坏材料基本光学性能；波导制备采用了应力型和折射率降低管状包层波导结构，免空间耦合结构，降低插损，同时在应力型和折射率降低管状包层波导内部利用超短脉冲激光制备了光栅补偿结构，可以实现色散量的连续调谐，另外在包层结构方面实现模场直径可调，可以在LP01模式和高阶模之间自由切换；采用一次制备，大大提高波导加工精度。

具体工作时，前置色散波导提供前置色散功能，增益放大波导提供激光放大功能，导入可调谐色散补偿的波导实现放大激光脉冲的脉宽优化调制，达到最佳脉宽。前置色散波导长度为3mm，增益放大波导长度为10mm，后置色散补偿波导长度为2mm，内部光栅长度为2mm，周期为300-500nm。

Claims (7)

1.一种可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器，其特征在于，包括前置色散介质、增益放大介质、后置色散补偿介质以及高热传导介质，所述前置色散介质、增益放大介质、后置色散补偿介质沿水平方向顺次紧贴排列且三种介质的底面与高热传导介质的上表面相熔接；前置色散介质、增益放大介质、后置色散补偿介质内设有依次贯通的前置色散波导、增益放大波导和后置色散补偿波导；其中在后置色散补偿波导内部还设有光栅结构。

2.如权利要求1所述的可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器，其特征在于，所述前置色散波导、增益放大波导和后置色散补偿波导均为应力型波导；所述应力型波导由两条沿水平方向排布的相互平行的应力轨迹以及位于两条轨迹之间的介质组成。

3.如权利要求1所述的可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器，其特征在于，所述前置色散波导、增益放大波导和后置色散补偿波导均为折射率降低型管状包层波导；所述折射率降低型管状包层波导由多条相互平行且围成环形的应力轨迹以及位于轨迹内部的介质组成。

4.如权利要求1所述的可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器，其特征在于，光栅结构为短周期相位光栅结构。

5.如权利要求1-4任一项所述的可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器，其特征在于，前置色散波导长度为2mm-4mm，增益放大波导长度为9mm-11mm，后置色散补偿波导长度为1mm-3mm，光栅结构长度为1mm-3mm，周期为300-500nm。

6.如权利要求1-4任一项所述的可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器，其特征在于，前置色散波导长度为3mm，增益放大波导长度为10mm，后置色散补偿波导长度为2mm，光栅结构长度为2mm。

7.如权利要求1-4任一项所述的可调谐色散补偿波导激光脉冲放大器，其特征在于，前置色散介质、增益放大介质、后置色散补偿介质均为立方结构且排列成一个长方体，所述高热传导介质为长方体结构；上述前置色散介质、增益放大介质、后置色散补偿介质和高热传导介质集成为长方体结构。

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