專利名稱：頂泵浦光學(xué)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種頂泵浦(top-pumped)光學(xué)設(shè)備，更特別地涉及一種當(dāng)來(lái)自泵浦光源的光被有效地吸收到位于泵浦光源下面的增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)中時(shí)泵浦效率提高的光學(xué)設(shè)備。
背景技術(shù)：
一般來(lái)說(shuō)，激光已經(jīng)被用在光學(xué)設(shè)備如光波導(dǎo)放大器的泵浦中。激光源具有很高的效率。此外，因?yàn)榧す獾母呦喔尚允蛊洳话l(fā)散，因此激光源能夠以高強(qiáng)度泵浦這些設(shè)備。但是，激光源只發(fā)射有限波段的光。因此，為了解決這一問(wèn)題，使用大功率閃光燈作為泵浦光源，以輸出寬波段的光。但是，這種閃光燈具有如下缺點(diǎn)，即尺寸大且效率低，并且在操作過(guò)程中需要高電壓或高電流。
因此，由于近來(lái)開(kāi)發(fā)的LED(發(fā)光二極管)所輸出的光波段更寬且效率更高，因此已經(jīng)提議使用LED作為常規(guī)泵浦光源的替代物。但是，如果將LED用作泵浦光源，由于光從LED的非常小的區(qū)域向各個(gè)方向散射，因此LED光源的有效泵浦效率將會(huì)小于LED光源的理論泵浦效率。因此，在光學(xué)設(shè)備的頂泵浦布置中一般不采用LED光源。
在2000年3月28授權(quán)給Delavaux等人的美國(guó)專利6,043,929公開(kāi)了一種絕熱波導(dǎo)放大器。在該專利中，光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括三個(gè)不同寬度的獨(dú)立區(qū)域，即，單模區(qū)，絕熱區(qū)和多模區(qū)，由此提高放大器的放大效率。但是，上述專利公開(kāi)的技術(shù)采用了側(cè)泵浦(side-pumping)布置，其中來(lái)自泵浦光源的泵浦光經(jīng)輸入終端入射到波導(dǎo)中，因此產(chǎn)生如下所述的幾個(gè)缺點(diǎn)。
第一，在泵浦光入射到波導(dǎo)的多模區(qū)的情況下，由于泵浦光不能在整個(gè)多模區(qū)中均勻散射，因此信號(hào)光不能被均勻放大。
第二，由于泵浦光輸入到多模區(qū)中，在其中進(jìn)行大部分的放大，在泵浦光穿過(guò)單模區(qū)和絕熱區(qū)之后，a不再對(duì)放大起作用，因此放大的實(shí)際強(qiáng)度很弱。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題而進(jìn)行的，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種提高了泵浦效率的光學(xué)設(shè)備，其中來(lái)自泵浦光源的光被有效地吸收在位于泵浦光源下面的增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)中。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種光學(xué)設(shè)備，在其結(jié)構(gòu)中，來(lái)自泵浦光源的光入射到增益介質(zhì)區(qū)域上，并在增益介質(zhì)區(qū)域中進(jìn)行大部分的放大而不會(huì)降低光的強(qiáng)度。
依照本發(fā)明，上述和其他目的可以通過(guò)提供一種頂泵浦光學(xué)設(shè)備而實(shí)現(xiàn)，該光學(xué)設(shè)備包括基體；在基體上形成的下包層；在下包層上形成并通過(guò)吸收泵浦光而激發(fā)的增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)；以及置于該增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)上的光源，用于通過(guò)從光源向下射出的光來(lái)泵浦增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中一部分增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)包括在光源束斑中，該部分具有比增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)的其他部分更大的面積。
優(yōu)選地，頂泵浦光學(xué)設(shè)備可進(jìn)一步包括在增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)上形成的上包層，該上包層由可以被泵浦光源輻射的光透射的材料制成。
此外，優(yōu)選地，增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)在光學(xué)設(shè)備的信號(hào)波段內(nèi)不具有強(qiáng)吸收性能，但在其他波段內(nèi)具有強(qiáng)吸收性能，并且增益介質(zhì)可由下列一組物質(zhì)中的一種制成摻雜受激元素的大分子基體，摻雜受激元素的硅基基體，摻雜受激元素的硫系玻璃基體，以及摻雜受激元素的GaN或GaN基基體。更優(yōu)選地，增益介質(zhì)可以摻雜奈米晶體和受激元素，最優(yōu)選地，受激元素可以是稀土元素。
此外，優(yōu)選地，泵浦光源可以是LED。
此外，優(yōu)選地，增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以在較大面積部分與其他部分之間包括絕熱部分。


本發(fā)明的上述和其他目的，特征以及其他優(yōu)點(diǎn)將從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中更清楚地理解，其中圖1是說(shuō)明常規(guī)頂泵浦光學(xué)設(shè)備如光波導(dǎo)放大器的操作的示意圖；圖2是依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的光波導(dǎo)放大器的示意圖；以及圖3是說(shuō)明在圖2的光波導(dǎo)放大器中使用的光波導(dǎo)寬度絕熱變化的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，在描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式之前，參照?qǐng)D1描述常規(guī)頂泵浦光學(xué)設(shè)備如光波導(dǎo)放大器的操作。
參照?qǐng)D1，在基體100上形成由硅制成的下包層110，在下包層110上形成由摻雜奈米晶體和稀土元素的硅基基體制成的芯層。這里，芯層用作波導(dǎo)120。在波導(dǎo)120上形成由硅制成的上包層130。寬帶光源(未示出)安裝在波導(dǎo)120上，以便使泵浦光從光源照射到波導(dǎo)120的頂面上。入射到波導(dǎo)120的光在奈米晶體中產(chǎn)生重新結(jié)合的電子和空穴，由此來(lái)激發(fā)稀土元素。入射光從受激稀土元素接收能量，在穿過(guò)波導(dǎo)120過(guò)程中被放大，然后從波導(dǎo)120射出。
在下文，參照?qǐng)D2和3詳細(xì)描述依照本發(fā)明實(shí)施方式的光波導(dǎo)放大器。
圖2表示依照本發(fā)明實(shí)施方式的光波導(dǎo)放大器。這里，為了描述的清楚起見(jiàn)去掉了上包層。
參照?qǐng)D2，在基體100上形成由硅制成的下包層110，在下包層110上形成由摻雜奈米晶體和稀土元素的硅基基體制成的芯層，該芯層作為波導(dǎo)120a。與上述常規(guī)波導(dǎo)120的線性結(jié)構(gòu)不同，本發(fā)明的波導(dǎo)120a的結(jié)構(gòu)具有包括在LED光源150的束斑中的部分，這一部分具有比其他部分更大的面積。省略的上包層的厚度大約為幾十微米，并且它的材料能夠透過(guò)LED光源150輻射的泵浦光，從而使泵浦光到達(dá)波導(dǎo)120a。用作泵浦光源的LED光源150安裝在省略的上包層之上。LED光源150可以與省略的上包層間隔開(kāi)指定的距離，或者與省略的上包層接觸。具有上述結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)120a吸收從LED光源150輻射的大量泵浦光，并提高光波導(dǎo)放大器的放大效率。用于產(chǎn)生入射到波導(dǎo)120a中的泵浦光的LED光源150不采用LED光源與波導(dǎo)120a的輸入終端相連的常規(guī)側(cè)泵浦布置，而是采用LED光源150位于波導(dǎo)120a上面的頂泵浦布置，因此來(lái)自LED光源150的泵浦光均勻地輻照到波導(dǎo)120a的更大面積上。由此，可以均勻地放大信號(hào)波。此外，由于泵浦光在只穿過(guò)具有大約幾十微米厚的上包層之后直接入射到波導(dǎo)120a的更大面積上，因此可以防止泵浦光強(qiáng)度的任何降低。
圖3表示在圖2的光波導(dǎo)放大器中使用的光波導(dǎo)120a的寬度絕熱變化。這里，光波導(dǎo)120a的寬度絕熱變化在光波導(dǎo)領(lǐng)域中已經(jīng)是眾所周知的。光波導(dǎo)的寬度不是突然地改變，而是逐漸地改變，以防止穿過(guò)光波導(dǎo)的信號(hào)波的模式特性突變。參照?qǐng)D3，光波導(dǎo)分為具有小寬度(a)的窄部和具有大寬度(W)的寬部。光波導(dǎo)120a窄部和寬部之間的寬度變化設(shè)定為使光波導(dǎo)120a的寬度在絕熱部分T1和T2處逐漸變細(xì)。對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式中使用的光波導(dǎo)120a進(jìn)行加工，使其窄部具有10μm的小寬度(a)，寬部具有100μm的大寬度(W)和100μm的長(zhǎng)度(L)，絕熱部分T1和T2具有1cm的長(zhǎng)度。如果可通過(guò)波導(dǎo)120a的結(jié)構(gòu)來(lái)防止穿過(guò)波導(dǎo)120a的信號(hào)波的模式特性變化，那么波導(dǎo)120a不限于上述的參數(shù)集合，而是可以具有其他各種參數(shù)集合。在波導(dǎo)120a制成之后，參數(shù)集合可以由穿過(guò)波導(dǎo)120a的信號(hào)波來(lái)確定。但是，一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)模擬的結(jié)果預(yù)測(cè)和確定參數(shù)集合，接著根據(jù)確定的參數(shù)集合來(lái)制造波導(dǎo)120a。
為了防止穿過(guò)波導(dǎo)的信號(hào)波的模式特性變化，可以使用其他方法而不是波導(dǎo)的面積絕熱變化。例如用于調(diào)整包層折射率的方法已經(jīng)頻繁地用在波導(dǎo)領(lǐng)域中。
盡管出于說(shuō)明的目的公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，不背離如附屬的權(quán)利要求書(shū)所公開(kāi)的本發(fā)明的范圍和精神的各種修改，增加和替換都是可以的。
也就是說(shuō)，本發(fā)明獲得的光學(xué)設(shè)備不只是用在波導(dǎo)放大器中，而是還可以用在無(wú)源PIC(光子集成電路)中，如分光器，光信號(hào)分離器，或者光多路復(fù)用器。
工業(yè)實(shí)用性如從上面描述中顯而易見(jiàn)，本發(fā)明提供一種泵浦效率提高的頂泵浦光學(xué)設(shè)備，其中，來(lái)自泵浦光源的光被有效地吸收在位于泵浦光下面的增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)中。
權(quán)利要求
1.一種頂泵浦光學(xué)設(shè)備，包括基體；在基體上形成的下包層；在下包層上形成的并通過(guò)吸收泵浦光而激發(fā)的增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)；以及置于該增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)上的光源，用于通過(guò)從光源向下射出的光來(lái)泵激增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，一部分增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)包括在光源束斑中，該部分具有比增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)的其他部分更大的面積。
2.如權(quán)利要求1所述的頂泵浦光學(xué)設(shè)備，進(jìn)一步包括在增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)上形成的上包層，其中，上包層的材料能透過(guò)泵浦光源輻射的光。
3.如權(quán)利要求1所述的頂泵浦光學(xué)設(shè)備，其中，增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)在光學(xué)設(shè)備的信號(hào)波段中不具有強(qiáng)吸收性能，但在其他波段中具有強(qiáng)吸收性能。
4.如權(quán)利要求3所述的頂泵浦光學(xué)設(shè)備，其中，增益介質(zhì)由下列一組物質(zhì)中選擇的一種制成摻雜受激元素的大分子基體，摻雜受激元素的硅基基體，摻雜受激元素的硫系玻璃基體，以及摻雜受激元素的GaN或GaN基基體。
5.如權(quán)利要求4所述的頂泵浦光學(xué)設(shè)備，其中，增益介質(zhì)摻雜奈米晶體和受激元素。
6.如權(quán)利要求5所述的頂泵浦光學(xué)設(shè)備，其中，受激元素是稀土元素。
7.如權(quán)利要求1所述的頂泵浦光學(xué)設(shè)備，其中，泵浦光源是LED。
8.如權(quán)利要求1所述的頂泵浦光學(xué)設(shè)備，其中，增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)在具有較大面積的部分與其他部分之間包括絕熱部分。
9.如權(quán)利要求1所述的頂泵浦光學(xué)設(shè)備，其中，泵浦光源接觸上包層的頂面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高了泵浦效率的光學(xué)設(shè)備，其中來(lái)自泵浦光源的光被有效地吸收在位于泵浦光下面的增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)中。本發(fā)明的光學(xué)設(shè)備的主要特征在于該設(shè)備為頂泵浦，以及增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的包括在光源束斑中的部分具有比增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的其他部分更大的面積。根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種具有更高泵浦效率的頂泵浦光學(xué)設(shè)備。
文檔編號(hào)G02B6/02GK1639598SQ03805729
公開(kāi)日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2003年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月11日
發(fā)明者慎重勛, 樸南奎 申請(qǐng)人:光神有限會(huì)社