Оптический усилитель с накачкой на множественных длинах волн

Изобретение относится к области усиления оптического сигнала.

Оптический усилитель содержит подложку, оптический мультиплексор, источники световых пучков накачки с различными длинами волн, усиливающий волновод, волновод сигнала. Оптический мультиплексор встроен в подложку. Источники световых пучков связаны с оптическим мультиплексором. Усиливающий волновод встроен в легированную часть подложки и связан с оптическим мультиплексором. Волновод сигнала встроен в подложку устройства и связан с усиливающим волноводом. Волновод сигнала и оптический мультиплексор слабо связаны между собой. Источники световых пучков накачки формируют световые пучки, центрированные вокруг базовой длины волны. Технический результат - уменьшение рассеяния, повышение надежности устройства. 4 н. и 22 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

1. Область техники

Настоящее изобретение относится к области усиления оптического сигнала. В частности, изобретение относится к усилению оптического сигнала с использованием накачки световых пучков, имеющих множественные длины волн.

2. Уровень техники

Волновод может служить в качестве оптического усилителя при его легировании ионами редкоземельного элемента, такого как, например, эрбий. Оптический сигнал, распространяющийся в волноводе, усиливается, при вводе накачивающего светового пучка. Например, ионы эрбия, возбуждаемые до более высокого энергетического состояния с помощью накачивающего светового пучка, 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 в уровне техники усиления в оптическом волокне.

Фиг.1 изображает схему, иллюстрирующую способ усиления оптического сигнала 10 в плоском волноводе 20, согласно одному из способов, известному 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 накачивающие световые пучки 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 одном волноводе 20, например, в направленном ответвителе 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 и 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, являются по существу одномодовыми. По основному принципу оптики, "теореме сохранения яркости", мощность света в одной моде не может быть увеличена с использованием только пассивных линейных оптических элементов (не прибавляющих энергию). Это приводит к факту, что мощность света с определенной длиной волны от одной моды может быть связана только с одномодовым волноводом. Для усилителей последнее явление 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 распространением и распространением во встречном направлении, является дорогостоящим. Во-вторых, лазеры высокой мощности имеют большое рассеяние, которое может вызывать выделение тепла в корпус прибора. 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 первый вариант воплощения оптического усилителя с использованием световых пучков накачки на множественных длинах волн,

фиг.4 - схема, иллюстрирующая второй вариант воплощения оптического усилителя с использованием световых пучков накачки на множественных длинах волн,

фиг.5 - схема, иллюстрирующая третий вариант воплощения оптического усилителя с использованием световых пучков накачки на множественных длинах волн, распространяющихся совместно и распространяющихся во встречном направлении,

фиг.6 - график, иллюстрирующий пример повышения мощности оптического сигнала под действием оптической накачки,

фиг.7 - график, соответствующий фиг.4, иллюстрирующий пример повышения мощности оптического сигнала по длине усиливающего волновода под действием оптической накачки,

фиг.8А и 8Б - графики, соответствующие фиг.5, иллюстрирующие пример повышения мощности оптического сигнала по длине усиливающего волновода. Фиг.8А представляет мощность излучателей накачки, имеющихся на каждом конце усиливающего волновода, и их уменьшение мощности в усиливающем волноводе. Фиг.8Б изображает повышение мощности оптического сигнала.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

Раскрывается устройство и способ усиления оптического сигнала с использованием световых пучков накачки на множественных длинах волн. Множественные маломощные источники света обеспечивают накачивающие световые пучки. В одном из вариантов воплощения изобретения лазерные диоды создают световые пучки накачки, направляя их в оптический мультиплексор, отличающийся тем, что все световые пучки накачки на множественных длинах волн объединяются. Оптический мультиплексор связан с волноводом, отличающийся тем, что должен усиливаться оптический сигнал. Объединенный оптический сигнал и световые пучки накачки на множественных длинах волн направляются в усиливающий волновод, отличающийся тем, что оптический сигнал усиливается.

Фиг.3 изображает схему, иллюстрирующую один из вариантов воплощения оптического усилителя с использованием световых пучков накачки на множественных длинах волн.

В одном из вариантов воплощения изобретения оптический усилитель 108 содержит подложку 105 устройства, имеющую нелегированную часть 112 и легированную часть 114. В одном из вариантов воплощения изобретения в качестве легирующей добавки используется редкоземельный элемент, такой как например, эрбий. Однако для обеспечения требуемого усиления можно использовать другие легирующие добавки.

Оптический сигнал 118 входит через волновод 120, встроенный в подложке 105. 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 в качестве оптического мультиплексора 122 служит матрица волноводных решеток. В другом варианте воплощения в качестве оптического мультиплексора 122 служит эшелле. В одном из вариантов воплощения изобретения волновод 120 и оптический мультиплексор 122, например матрица волноводных решеток, слабо связаны между собой, с расстоянием между ними, составляющим до нескольких микрон. В другом варианте воплощения волновод 120 связан с волноводом 130, имеющим мультиплексированные накачивающие световые пучки, которые были предварительно мультиплексированы между собой.

После того как оптический сигнал связывается с световыми пучками накачки на множественных длинах волн, объединенные лазерные пучки совместно распространяются в усиливающем волноводе 130. В одном из вариантов воплощения изобретения волновод 120 и оптический мультиплексор 122 расположены в нелегированной части 112 подложки устройства, а усиливающий волновод 130 расположен в легированной части 114 подложки устройства.

В одном из вариантов воплощения изобретения множество лазерных диодов 140 обеспечивает множественные длины волн световых пучков накачки, центрированные вокруг базовой длины волны. Например, лазерные диоды могут создавать световые пучки накачки, центрированные, с небольшими вариациями, вблизи 980 нм. Световые пучки накачки, центрированные вблизи 980 нм с отклонениями 2 нм, включают 980 нм+/- 2 нм, 980 нм+/- 4 нм, и так далее.

Хотя отклонения от центральной длины волны не обязательно должны быть периодическими или идентичными, если они перекрываются слишком близко с другими длинами волн, то мощность на указанной длине волны не будет эффективно передаваться в усиливающий волновод вследствие закона сохранения яркости в пассивных компонентах. Например, если четыре источника света, каждый имеющий мощность Р и идентичные длины волн, были мультиплексированы вместе в усиливающий волновод, то величина мощности, передаваемой в усиливающий волновод, составляет приблизительно Р (несколько меньше из-за потерь). Мощность, равная приблизительно 3Р, отражается или рассеивается. С другой стороны, если четыре источника света имеют мощность Р и несколько отличающиеся длины волн, то величина мощности, передаваемой в усиливающий волновод, составляет приблизительно 4Р (несколько меньше из-за потерь).

В одном из вариантов воплощения изобретения для обеспечения световых пучков накачки используются лазеры с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности (VCSEL). Для усиления могут быть использованы маломощные лазеры VCSEL. Например, лазеры VCSEL могут испускать менее 20 мВт мощности, но не ограничиваются этим. Лазеры высокой мощности, используемые в архитектурах совместного распространения и распространения во встречном направлении, как показано на фиг.1 и 2, являются лазерами более высокой мощности, например 100 мВт, но не ограничиваются этим.

Фиг.4 изображает схему, иллюстрирующую второй вариант воплощения оптического усилителя 109 с использованием световых пучков накачки на множественных длинах волн. В указанном варианте воплощения источники 142 света формируют световые пучки накачки в направлении распространения, противоположном направлению оптического сигнала 118.

Оптический сигнал 118 вводится в усиливающий волновод 130, который находится в легированной части 114 подложки 105 устройства. Источники 142 света формируют световые пучки накачки, подобно источникам 140 света, описанным выше при обсуждении фиг.3. Световые пучки накачки объединяются в оптическом мультиплексоре 124, а затем направляются в усиливающий волновод 130, в котором оптический сигнал 118 усиливается. В одном из вариантов воплощения изобретения легированная область 114 легирована эрбием, оптический сигнал имеет длину волны приблизительно 1550 нм, и световые пучки накачки центрированы вблизи длины волны либо 980 нм, либо 1440 нм.

В одном из вариантов воплощения изобретения выходной волновод 160 слабо связан с одним концом волновода 130, и усиленный сигнал передается в выходной волновод 160.

Подобно фиг.3, подложка 105 содержит нелегированную часть 116 и легированную часть 114. В одном из вариантов воплощения изобретения волновод 160 и оптический усилитель 124 расположены в нелегированной части 116 подложки 105.

Фиг.5 изображает схему, иллюстрирующую третий вариант воплощения оптического усилителя 110, объединяющего световые пучки накачки на множественных длинах волн, распространяющиеся совместно и распространяющиеся во встречном направлении, описанные на фиг.3 и 4, соответственно. Данный вариант воплощения содержит подложку устройства, имеющую нелегированные части 112 и 116 и легированную часть 114. В качестве варианта осуществления легированная часть 114 подложки устройства и усиливающий волновод могут быть легированы редкоземельным элементом, например, эрбием.

Оптический сигнал 118 вводится в волновод 120, который слабо связан с усиливающим волноводом 130. Источники 140 света формируют световые пучки накачки на множественных длинах волн, направляемые в оптический мультиплексор 122, который также связан с усиливающим волноводом 130, и источники 142 света формируют световые пучки накачки на множественных длинах волн, направляемые в оптический мультиплексор 124, который также связан с усиливающим волноводом 130.

Оптический сигнал 118 усиливается в усиливающем волноводе 130, который может быть одномодовым и затем передается в волновод 160, через который он выходит из подложки 105 устройства.

На фиг.3, 4 и 5 на подложке 105 могут быть сформированы различные волноводы 120, 130 и 160 и мультиплексоры 122 и 124 (например, матрица волноводных решеток или эшелле) известными различными способами, такими как, например, диффузией различных ионов, травления и/или эпитаксиального выращивания. Например, в одном из вариантов воплощения изобретения может быть использованы фосфатное стекло или другая стеклянная подложка, а для создания волноводов в стекле может быть использована ионная диффузия. Кроме того, хорошо известно, что легированная часть подложки 105 может быть сплавлена с нелегированной частью подложки 105 до диффузии. В другом варианте воплощения может быть использована кремниевая подложка. Оксид кремния может быть осажден для плакирования, а для удаления не волноводного материала может быть использовано травление. Наружное плакирование, например, оксида кремния, может затем осаждаться сверху волноводов 120, 130 и 160. При этом подложка также может содержать кварц и кремний.

В одном из вариантов воплощения изобретения источники 140, 142 света связаны с оптическими мультиплексорами 122, 124 через оптические волокна (не показаны). В другом варианте воплощения источники 140, 142 света связаны непосредственно с подложкой 105.

Дополнительно, в одном из вариантов воплощения изобретения источники 140 света могут обеспечить первый набор световых пучков накачки, центрированных вблизи первой длины волны, а источники 142 света могут обеспечить второй набор световых пучков накачки, центрированных вблизи второй длины волны, которая отличается от первой длины волны.

Фиг.6 изображает график, соответствующий фиг.3, иллюстрирующий пример повышения мощности 210 оптического сигнала по длине усиливающего волновода 130 под действием оптической накачки 220. В одном из вариантов воплощения изобретения для обеспечения усиления источники 140 света обеспечивают мощность выше определенного порога P_th. Число и мощность источников 140 света могут быть подобраны таким образом, чтобы суммарная мощность накачки на конце усиливающего волновода была выше порога P_th, так, чтобы достигалось усиление по всей длине усиливающего волновода 130. При объединении световых пучков накачки на множественных длинах волн мощность оптического сигнала повышается, даже несмотря на то, что отдельные маломощные лазерные диоды могут создавать световой пучок накачки, который лишь незначительно выше порога P_th усиления. Маломощные лазерные диоды имеют то преимущество, что они, как уже упоминалось, являются по существу более дешевыми и более надежными, чем лазерные диоды более высокой мощности.

Фиг.7 изображает график, соответствующий фиг.4, иллюстрирующий пример повышения мощности 230 оптического сигнала по длине усиливающего волновода 130 под действием оптической накачки 240. Оптический сигнал 118 усиливается даже, несмотря на то, что световые пучки накачки распространяются во встречном направлении.

Фиг.8А и 8Б представляют графики, соответствующие фиг.5, иллюстрирующие пример повышения мощности оптического сигнала по длине усиливающего волновода 130. Фиг.8А представляет мощность 250, 252 излучателей 140, 142 накачки, имеющихся, соответственно, на каждом конце усиливающего волновода 130, и уменьшение их мощности в усиливающем волноводе. Фиг.8Б представляет повышение мощности оптического сигнала 260. Как видно из графика, более высокие скорости усиления возникают на концах усиливающих волноводов, где мощность световых пучков накачки является самой высокой.

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, 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.

1. Оптический усилитель, содержащий подложку; оптический мультиплексор, встроенный в подложку; источники световых пучков накачки с различными длинами волн, связанные с оптическим мультиплексором; усиливающий волновод, встроенный в легированную часть подложки, связанный с оптическим мультиплексором, волновод сигнала, который встроен в подложку устройства и связан с усиливающим волноводом, причем волновод сигнала и оптический мультиплексор слабо связаны между собой, источники световых пучков накачки формируют световые пучки, центрированные вокруг базовой длины волны.

2. Оптический усилитель по п.1, в котором легированная часть подложки, в которой расположен усиливающий волновод, является легированной редкоземельным элементом.

3. Оптический усилитель по п.1, в котором источники света накачки содержат множество лазерных диодов.

4. Оптический усилитель по п.3, в котором множество лазерных диодов представляет собой лазеры с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности, имеющие мощность приблизительно 20 мВт или менее.

5. Оптический усилитель по п.1, в котором оптический мультиплексор представляет собой матрицу волноводных решеток.

6. Оптический усилитель по п.1, в котором оптический мультиплексор представляет собой эшелле.

7. Оптический усилитель по п.1, в котором усиливающий волновод встроен в легированную часть подложки, при этом оптический мультиплексор встроен в нелегированную часть подложки.

8. Оптический усилитель по п.1, в котором оптический мультиплексор содержит матрицу волноводных решеток или эшелле.

9. Оптический усилитель по п.1, в котором источники света накачки содержат, по меньшей мере, четыре источника света.

10. Оптический усилитель по п.1, в котором указанные источники накачки предназначены для обеспечения множества длин волн световых пучков накачки, при этом указанные длины волн центрированы около базовой длины волны с небольшими отклонениями.

11. Оптический усилитель по п.1, в котором источники излучения накачки включают первый набор источников излучения для обеспечения первого набора световых пучков накачки, центрированных вблизи первой длины волны, и второго набора световых пучков накачки, центрированных вблизи второй длины волны, которая отличается от первой длины волны.

12. Способ усиления оптического сигнала, содержащий формирование световых пучков накачки, имеющих различные длины волн; направление световых пучков накачки, прошедших через мультиплексор, расположенный в подложке, и оптического сигнала, распространяющегося в волноводе сигнала, расположенного в подложке, в усиливающий волновод, расположенный в легированной редкоземельным элементом части подложки, причем связь оптического сигнала с световыми пучками накачки является слабой связью, световые пучки накачки распространяются в одном направлении с оптическим сигналом или во встречном направлении с оптическим сигналом.

13. Способ по п.12, который дополнительно содержит мультиплексирование световых пучков накачки в одномодовый волновод.

14. Способ по п.12, в котором световые пучки накачки мультиплексируются вместе с использованием матрицы волноводных решеток.

15. Способ по п.12, в котором световые пучки накачки мультиплексируются вместе с использованием эшелле.

16. Способ по п.12, в котором формирование световых пучков накачки достигается с использованием одного или нескольких лазеров с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности (VCSEL), каждый из которых имеет мощность менее 20 мВт.

17. Способ по п.12, в котором направление оптического сигнала и световых пучков накачки в усиливающий волновод, легированный редкоземельным элементом, дополнительно содержит направление оптического сигнала и световых пучков накачки в усиливающий волновод, легированный эрбием.

18. Способ по п.12, в котором оптический сигнал имеет длину волны приблизительно 1550 нм, а световые пучки накачки центрированы вблизи длины волны приблизительно 980 или 1480 нм.

19. Способ по п.18, в котором световые пучки накачки формируются на длинах волн, отличающихся друг от друга на интервалы приблизительно 2 нм.

20. Оптический усилитель, содержащий волновод для передачи оптического сигнала, причем указанный волновод сигнала встроен в подложку; оптический мультиплексор, расположенный в подложке, связан с волноводом сигнала; два или более лазерных диода для формирования световых пучков накачки, имеющих различные длины волн, и для направления их в оптический мультиплексор; усиливающий волновод, расположенный в легированной эрбием части подложки, связанный с оптическим мультиплексором для усиления оптического сигнала, причем волновод сигнала и оптический мультиплексор слабо связаны между собой, лазерные диоды формируют световые пучки, центрированные вокруг базовой длины волны.

21. Оптический усилитель по п.20, в котором лазерные диоды представляют собой лазеры с вертикальным резонатором, излучающим с поверхности, имеющие мощность приблизительно 20 мВт или менее.

22. Оптический усилитель по п.21, в котором лазерные диоды формируют световые пучки, центрированные вблизи длины волны приблизительно 980 нм и отличающиеся друг от друга приблизительно на 2 нм.

23. Оптический усилитель по п.21, в котором лазерные диоды формируют световые пучки, центрированные вблизи длины волны приблизительно 1480 нм и отличающиеся друг от друга приблизительно на 2 нм.

24. Оптический усилитель по п.20, в котором подложка представляет собой фосфатное стекло или содержит кварц и кремний.

25. Оптический усилитель по п.20, в котором оптический мультиплексор содержит матрицу волноводных решеток, встроенную в подложку.

26. Оптический усилитель, содержащий подложку, оптический мультиплексор, встроенный в указанную подложку, источники света накачки с различными длинами волн, связанные с оптическим мультиплексором, при этом источники света накачки для формирования световых пучков накачки центрированы вблизи базовой длины волны с небольшими отклонениями, при этом источники света накачки содержат множество лазерных диодов, каждый из которых имеет мощность 20 мВт или менее; усиливающий волновод, встроенный в легированную редкоземельным элементом часть подложки, связан с оптическим мультиплексором, при этом усиливающий волновод выполнен с возможностью приема оптического сигнала как входного сигнала; и выходной волновод, встроенный в подложку и имеющий слабую связь с усиливающим волноводом, при этом усиливающий сигнал из усиливающего волновода передается в выходной волновод.