ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОПЕРЕЧНОЙ НАКАЧКОЙ Российский патент 2007 года по МПК H01S5/50 

1. Область техники

Настоящее изобретение относится к области усиления оптического сигнала. В частности, изобретение относится к усилению оптического сигнала с использованием световых пучков поперечной накачки.

2. Уровень техники

Волновод может служить в качестве оптического усилителя при его легировании ионами редкоземельного элемента, такими, как, например, ионы эрбия. При вводе светового пучка накачки оптический сигнал, распространяющийся в волноводе, усиливается. Например, ионы эрбия, возбуждаемые в более высокое энергетическое состояние с помощью светового пучка накачки, имеющего длину волны приблизительно 980 нм или 1480 нм, будут усиливать оптический сигнал в широкой полосе длин волн вблизи 1530-1600 нм, по мере того, как ионы эрбия будут переходить в более низкое энергетическое состояние. Указанный метод хорошо известен из уровня техники оптоволоконного усиления.

Фиг.1 изображает схему, иллюстрирующую способ усиления оптического сигнала 10 в плоском волноводе 20, согласно одному из способов, известных из уровня техники. Волновод 20 встраивается в подложку 30 и легируется ионами эрбия. Оптический сигнал 10 направляется в волновод 20 и распространяется по волноводу 20. Лазер 50 подает световые пучки накачки в волновод 20 в направлении совместного распространения, то есть по существу в таком же направлении, в каком распространяется оптический сигнал. Сигнал 10 и излучение 50 накачки объединяются в один волновод 20, например направленный ответвитель со слабой связью. В одном примере оптический сигнал 10, имеющий длину волны приблизительно 1550 нм, усиливается, когда лазер 50 подает световые пучки накачки с длиной волны приблизительно 980 или 1480 нм.

Фиг.2 изображает схему, иллюстрирующую способ усиления оптического сигнала согласно другому способу, известному из уровня техники. На фиг.2 лазерное излучение 50 накачки направляется с противоположного конца волновода 20 для накачки света во встречном направлении распространения, то есть в направлении, противоположном направлению распространения оптического сигнала. Подобно фиг.1, оптический сигнал усиливается в волноводе 20, а затем выходит из подложки 30.

Современные оптические сети используют одномодовые оптические волокна для передачи на протяженные расстояния, что позволяет избегать искажения сигнала, возникающего вследствие хроматической дисперсии, то есть зависимости скорости света от его длины волны. Для эффективного сопряжения с одномодовыми оптическими волокнами все оптические компоненты, включающие волокно или волноводные усилители, по существу одномодовые. По основному закону оптики, "теореме сохранения яркости", мощность света в одной моде не может быть увеличена с использованием только пассивных линейных оптических элементов (не добавляющих энергию), что приводит к явлению, что мощность света с определенной длиной волны от одной моды может быть связана только с одномодовым волноводом. Для усилителей последнее означает, что только один лазер накачки с определенной длиной волны может подавать излучение накачки в каждом направлении распространения и каждой поляризации.

Оптический сигнал усиливается в оптическом усилителе при условии, что интенсивность излучения накачки выше определенного порогового значения, зависящего от интенсивности оптического сигнала и свойств материала оптического усилителя. Для достижения достаточно высокого усиления интенсивность излучения накачки должна быть выше порогового значения. В результате обычно требуется высокая мощность лазера накачки.

У вышеописанных способов, известных из уровня техники, имеется несколько недостатков по сравнению с изобретением, описанным ниже. Во-первых, лазер сравнительно высокой мощности, используемый в описанном усилителе с совместным и противоположным распространением, является дорогостоящим. Во-вторых, лазеры высокой мощности характеризуются большим рассеянием излучения, которое может вызывать выделение тепла в корпус устройства. В-третьих, надежность лазеров высокой мощности в основном не настолько высока, как у маломощных лазеров.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется ниже описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:

фиг.1 - схема, иллюстрирующая один из способов усиления оптического сигнала в плоском волноводе, согласно известному уровню техники,

фиг.2 - схема, иллюстрирующая другой способ усиления оптического сигнала согласно известному уровню техники,

фиг.3 - схема, иллюстрирующая вид сверху одного из вариантов воплощения оптического усилителя,

фиг.4 - схема, иллюстрирующая вид в поперечном сечении по линии А-А' оптического усилителя по фиг.3,

фиг.5 - график, иллюстрирующий пример повышения мощности оптического сигнала под действием оптической накачки.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

Раскрывается устройство и способ усиления оптического сигнала в волноводе. В одном из вариантов воплощения изобретения множественные маломощные лазеры разнесены по длине волновода для обеспечения световых пучков накачки, поперечных направлению распространения.

Фиг.3 изображает схему, иллюстрирующую вид сверху одного из вариантов воплощения оптического усилителя. Оптический сигнал 110 входит в волновод 120, встроенный в подложку 130, и распространяется по нему. Имеются различные способы изготовления волновода, встроенного в подложку, как, например, посредством диффузии различных ионов, травления и эпитаксиального выращивания. Термин "встроенный в подложке" охватывает различные указанные способы, включая кремний на изоляторе. В некоторых случаях волновод может быть действительно осажден сверху подложки и покрыт плакирующим материалом, отличным от подложки, но понятие "быть покрытым" также подразумевается под термином "встроенный в подложке". В одном из вариантов воплощения изобретения волновод 120 является одномодовым волноводом. Множество источников 150 света, таких как лазерные диоды, связаны с подложкой 130, для направления световых пучков накачки, по существу, поперечно встроенному волноводу 120.

В одном из вариантов воплощения изобретения источники 150 света разнесены равномерно или разнесены на постоянное расстояние по длине встроенного волновода 120. Однако другие варианты воплощения могут содержать различные интервалы между источниками 150 света. В одном из вариантов воплощения изобретения источники 150 света содержат лазеры с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности (VCSEL). Лазеры VCSEL могут быть изготовлены из общей полупроводниковой подложки 155 и могут быть соединены с поверхностью первой подложки 130 устройства. Подходящая подложка 130 устройства (первая подложка) выполнена из фосфатного стекла, легированного эрбием. Тем самым обеспечивается возможность литографически задаваемого разнесения между лазерами VCSEL.

В одном из вариантов воплощения изобретения лазеры VCSEL используют относительно низкую мощность. Например, лазеры VCSEL могут испускать меньше 20 мВт мощности, но не ограничиваются этим. Согласно другому примеру каждый лазер VCSEL или другой лазер могут функционировать на или с использованием мощности менее чем 50 мВт. Сравнительно мощные лазеры, используемые в архитектурах совместного распространения и противоположного распространения, являются лазерами более высокой мощности, например 100 мВт, но не ограничиваются этим.

Фиг.4 изображает схему, иллюстрирующую вид в поперечном сечении по линии А-А' оптического усилителя по фиг.3. В одном из вариантов воплощения изобретения после того как световой пучок 160 накачки из источника 150 света проходит через волновод 120, световой пучок накачки отражается от нижней поверхности 180 и отправляется обратно в волновод 120, как показано стрелками 170. В одном из вариантов воплощения изобретения отражение на нижней поверхности 180 обусловлено изменением показателя преломления, которое может быть достигнуто примыканием нижней поверхности 180 либо к отличному материалу, либо к такому же материалу, но имеющему другие свойства, как хорошо известно.

В одном из вариантов воплощения изобретения интервал между источником 150 света и встроенным волноводом 120 относительно мал, например 5 микрон. В другом варианте воплощения между источниками света и подложкой может быть помещена линза или коллиматор.

Фиг.5 изображает график, иллюстрирующий пример повышения мощности оптического сигнала под действием оптической накачки. В одном из вариантов воплощения изобретения световые пучки накачки имеют мощность Р_PUMP, которая прикладывается к оптическому сигналу 200. Мощность накачки Р_PUMP 202 является наибольшей непосредственно под источником 210 света. По мере того как оптический сигнал распространяется по волноводу, он последовательно накачивается множественными источниками 210 света.

В одном из вариантов воплощения изобретения множественные волноводы могут быть встроены в одну и ту же подложку. Каждый волновод может иметь массив или другой набор поперечных излучателей накачки для усиления оптического сигнала в волноводе. В одном из вариантов воплощения изобретения поперечные излучатели накачки представляют собой лазеры VCSEL. В множественных волноводах может быть использована матрица лазеров VCSEL, изготовленных на общей подложке.

Таким образом, раскрыты устройство и способ усиления оптического сигнала. Однако специфические установки и способы, описанные здесь, являются просто иллюстративными. Например, имеются различные способы изготовления волновода, встроенного в подложку, как, например, посредством диффузии различных ионов, травления и эпитаксиального выращивания. Специалист мог бы использовать различные способы для изготовления такого встроенного волновода. Многочисленные модификации в форме и деталях могут быть выполнены, не выходя за рамки изобретения, определенные ниже. Изобретение ограничивается только объемом приложенной формулы изобретения.

Изобретение относится к области усиления оптического сигнала с использованием световых пучков поперечной накачки. Усилитель содержит подложку устройства, волновод, встроенный в подложку устройства, множество лазеров. Множество лазеров распределено по общей подложке. Множество лазеров соединено с поверхностью подложки устройства и волновод находится под лазерами. Способ усиления оптического сигнала содержит направление оптического сигнала по волноводу, встроенному в подложку устройства, световые пучки от лазеров на подложке обеспечиваются поперечно первому направлению распространения, отражение множества световых пучков обратно в волновод после прохождения через волновод. Способ изготовления усилителя оптического сигнала содержит прикрепление множества источников света на полупроводниковой подложке к поверхности подложки устройства. В подложку устройства встроен волновод. Источники света направлены поперек волновода. Указанный волновод находится под источником света. Технический результат - повышение надежности устройства. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Оптический усилитель, содержащий подложку устройства; первый волновод, встроенный в указанную подложку устройства; и первое множество лазеров, расположенных с возможностью обеспечения по существу поперечно первому волноводу первого множества световых пучков, при этом указанное первое множество лазеров распределено по общей подложке, при этом первое множество лазеров соединено с поверхностью подложки устройства и указанный первый волновод находится непосредственно под лазером.2. Оптический усилитель по п.1, в котором каждый из первого множества лазеров разнесен от другого по длине первого волновода.3. Оптический усилитель по п.2, в котором первое множество лазеров содержит лазеры с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности.4. Оптический усилитель по п.1, в котором первое множество лазеров закреплено на поверхности подложки устройства.5. Оптический усилитель по п.1, в котором подложка устройства выполнена из фосфатного стекла, легированного эрбием.6. Оптический усилитель по п.1, который дополнительно содержит второй волновод, встроенный в подложку устройства; и второе множество лазеров, расположенных с возможностью обеспечения второго множества световых пучков, по существу поперечных второму волноводу.7. Оптический усилитель по п.1, в котором лазеры первого множества лазеров равномерно разнесены друг от друга.8. Способ усиления оптического сигнала, содержащий направление оптического сигнала по волноводу, встроенному в подложку устройства, причем оптический сигнал имеет первое направление распространения; и обеспечение множества световых пучков от лазеров на полупроводниковой подложке, при этом указанные световые пучки обеспечиваются поперечно первому направлению распространения; и отражение множества световых пучков обратно в волновод после прохождения через волновод.9. Способ по п.8, в котором множество световых пучков обеспечивается множеством лазерных диодов.10. Способ по п.9, в котором оптический сигнал имеет длину волны приблизительно 1550 нм, а множество световых пучков имеет длину волны приблизительно 980 нм или приблизительно 1480 нм.11. Способ по п.10, в котором обеспечение множества световых пучков дополнительно содержит: использование множества лазеров, каждый из которых потребляет менее 50 мВт мощности.12. Способ по п.10, в котором обеспечение множества световых пучков дополнительно содержит: использование множества лазеров, каждый из которых потребляет менее 20 мВт мощности.13. Способ изготовления усилителя оптического сигнала, содержащий прикрепление множества источников света на полупроводниковой подложке к поверхности подложки устройства, причем подложка устройства имеет волновод, встроенный в нее, при этом множество источников света направлены по существу поперек волновода, причем указанный волновод находится под источником света.14. Способ по п.13, в котором прикрепление множества источников света содержит соединение множества лазеров с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности, с поверхностью подложки устройства.15. Способ по п.14, в котором каждый из множества лазеров с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности, разносится по одной линии на полупроводниковой подложке.16. Способ по п.14, в котором каждый из множества лазеров с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности, разносится на постоянное расстояние.17. Способ по п.14, в котором каждый из множества лазеров с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности, функционирует с мощностью менее 50 мВт.18. Способ по п.14, в котором каждый из множества лазеров с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности, функционирует с мощностью менее 20 мВт.19. Оптический усилитель, содержащий подложку устройства; множество волноводов, встроенных в указанную подложку устройства, массив лазеров, изготовленных на общей подложке, при этом массив лазеров усиливает оптические сигналы во множестве волноводов.20. Оптический усилитель по п.19, в котором, по меньшей мере, один лазер из массива лазеров функционирует с мощностью менее 20 мВт.21. Оптический усилитель по п.1, в котором лазеры обеспечивают световые пучки для накачки и усиления оптического сигнала, принятого волноводом.22. Способ по п.8, в котором дополнительно усиливают оптический сигнал множеством световых пучков.23. Способ по п.13, в котором прикрепление представляет собой связь множества источников света с поверхностью полупроводниковой подложки.24. Оптический усилитель по п.19, в котором волновод находится непосредственно под совокупностью массива лазеров.25. Способ по п.13, в котором дополнительно присоединяют теплоотвод к нижней поверхности подожки устройства.