光放大器

摘要

本申请提供了一种光放大器，包括光源。设于光源的一侧的多模波导。分路器，分路器具有入射端与出射端，入射端连接多模波导，分路器用于将多模光线分成多组少模光线。多个少模波导，多个少模波导连接出射端，每个少模波导包括相连接的第一部分与第二部分，第二部分连接出射端。单模波导，单模波导靠近第一部分，且第一部分与单模波导间隙设置；第一部分与单模波导可构成合波器，合波器用于将第一部分内的少模光线耦合到单模波导内。本申请提供的光放大器，可利用多模波导接收光束质量较差的光线，并将这些光线通过分路器和多个少模波导来将其耦合至单模波导中实现光放大的目的。因此，本申请可采用光束质量较差的光源，从而降低光放大器的成本。

权利要求

1.一种光放大器，其特征在于，包括：

光源，所述光源用于发出多模光线；

多模波导，所述多模波导设于所述光源的一侧，用于接收所述光源发出的多模光线；

分路器，所述分路器具有相对设置的入射端与出射端，所述入射端连接所述多模波导，所述分路器用于将所述多模光线分成多组少模光线；

多个少模波导，所述多个少模波导连接所述出射端，每个所述少模波导包括相连接的第一部分与第二部分，所述第二部分连接所述出射端；以及单模波导，所述单模波导靠近所述第一部分，且所述第一部分与所述单模波导间隙设置；所述第一部分与所述单模波导构成合波器，所述合波器用于将所述第一部分内的所述少模光线耦合到所述单模波导内。

2.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述多模波导在沿所述多个少模波导的排列方向上的宽度大于所述多个少模波导沿径向的宽度之和。

3.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，在沿所述多个少模波导的排列方向上，所述出射端的宽度大于所述入射端的宽度。

4.如权利要求3所述的光放大器，其特征在于，所述出射端朝向远离所述光源的方向凸出设置。

5.如权利要求4所述的光放大器，其特征在于，所述出射端背离所述光源的表面为圆弧面。

6.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述第一部分靠近所述单模波导，且所述第一部分与所述单模波导构成直接耦合器。

7.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述光放大器还包括宽波导，所述宽波导的尺寸大于所述少模波导与所述单模波导的直径之和；所述第一部分靠近所述单模波导，且所述少模波导与所述单模波导贯穿所述宽波导，所述少模波导、所述单模波导、以及所述宽波导构成多模干涉耦合器。

8.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述第一部分包括多个间隔设置的第一子部分与多个间隔设置的第二子部分，每个所述第二子部分连接于相邻的两个所述第一子部分之间；所述第一子部分相较于所述第二子部分靠近所述单模波导，所述第一部分与所述单模波导构成级联马赫曾德尔干涉仪耦合器。

9.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述单模波导包括增益部分，或者，增益部分与无源部分，当所述单模波导包括所述增益部分与所述无源部分时，所述增益部分相较于所述无源部分靠近所述少模波导；所述增益部分掺杂有稀土元素。

10.如权利要求1所述的光放大器，其特征在于，所述光源与所述多模波导、所述分路器、所述多个少模波导、以及所述单模波导为一体式结构。

说明书

光放大器

技术领域

[0001] 本申请属于光通信技术领域，具体涉及光放大器。

背景技术

[0002] 光放大器是高速光通信系统中的关键器件，也是未来光器件小型化，集成化的重要光学器件之一。现有的光放大器主要采用掺稀土元素的光纤或光波导和大功率的泵浦光源，并且泵浦光源通常采用单模半导体激光器光源，但这种光源的价格昂贵，提高了光放大器整体的成本。若采用便宜的多模光源，如发光二极管则存在光束质量差，波导耦合效率低等问题，其能量无法被充分有效地利用。

发明内容

[0003] 鉴于此，本申请提供了一种光放大器，包括：

[0004] 光源，所述光源用于发出多模光线；

[0005] 多模波导，所述多模波导设于所述光源的一侧，用于接收所述光源发出的多模光线；

[0006] 分路器，所述分路器具有相对设置的入射端与出射端，所述入射端连接所述多模波导，所述分路器用于将所述多模光线分成多组少模光线；

[0007] 多个少模波导，所述多个少模波导连接所述出射端，每个所述少模波导包括相连接的第一部分与第二部分，所述第二部分连接所述出射端；以及

[0008] 单模波导，所述单模波导靠近所述第一部分，且所述第一部分与所述单模波导间隙设置；所述第一部分与所述单模波导可构成合波器，所述合波器用于将所述第一部分内的所述少模光线耦合到所述单模波导内。

[0009] 本申请提供了一种光放大器，在光源和单模波导之间可增设多模波导、分路器、以及多个少模波导等结构。具体地，多模波导设于光源的一侧，由于多模波导可容纳光线的模式数较多，这样多模波导便可接收所述光源发出的多模光线，即光束质量较差的光线。其次，分路器的入射端连接多模波导，多模波导中的多模光线便可通过入射端传输至分路器中，此时分路器便可将多种模式的光线分成多组少模光线。再次，分路器的出射端连接少模波导的第一部分，多组少模光线均匀地或者按照一定比例进入到每个少模波导中，并经由这些少模波导分别导向不同的位置。也可以理解为，少模光线从第二部分传输至第一部分。另外，每个少模波导包括相连接的第一部分与第二部分，所述第一部分相较于所述第二部分靠近所述单模波导，并且第一部分与单模波导间隙设置，以使少模波导的第一部分与单模波导构成合波器，从而将第一部分内的少模光线耦合到单模波导内，为单模波导内的光信号提供能量，利用单模波导来实现光放大的目的。

[0010] 综上所述，本申请提供了一种全新结构的光放大器，可利用多模波导接收光束质量较差的光线，并将这些光线通过分路器和多个少模波导来将其耦合至单模波导中实现光放大的目的。因此，本申请可采用光束质量较差的光源，从而降低光放大器的成本。

[0011] 其中，所述多模波导在沿所述多个少模波导的排列方向上的宽度大于所述多个少模波导沿径向的宽度之和。

[0012] 其中，在沿所述多个少模波导的排列方向上，所述出射端的宽度大于所述入射端的宽度。

[0013] 其中，所述出射端朝向远离所述光源的方向凸出设置。

[0014] 其中，所述出射端背离所述光源的表面为圆弧面。

[0015] 其中，所述第一部分靠近所述单模波导，且所述第一部分与所述单模波导构成直接耦合器。

[0016] 其中，所述光放大器还包括宽波导，所述宽波导的尺寸大于所述少模波导与所述单模波导的直径之和；所述第一部分靠近所述单模波导，且所述少模波导与所述单模波导贯穿所述宽波导，所述少模波导、所述单波导、以及所述宽波导构成多模干涉耦合器。

[0017] 其中，所述第一部分包括多个间隔设置的第一子部分与多个间隔设置的第二子部分，每个所述第二子部分连接于相邻的两个所述第一子部分之间；所述第一子部分相较于所述第二子部分靠近所述单模波导，所述第一部分与所述单模波导构成级联马赫曾德尔干涉仪耦合器。

[0018] 其中，所述单模波导包括增益部分，或者，增益部分与无源部分，当所述单模波导包括所述增益部分与所述无源部分时，所述增益部分相较于所述无源部分靠近所述少模波导；所述增益部分掺杂有稀土元素。

[0019] 其中，所述光源与所述多模波导、所述分路器、所述多个少模波导、以及所述单模波导为一体式结构。

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对本申请实施方式中所需要使用的附图进行说明。

[0021] 图1为本申请一实施方式中光放大器的结构示意图。

[0022] 图2为本申请另一实施方式中光放大器的结构示意图。

[0023] 图3为本申请又一实施方式中光放大器的结构示意图。

[0024] 图4为本申请一实施方式中少模波导与单模波导构成直接耦合器的示意图。

[0025] 图5为本申请一实施方式中少模波导与单模波导构成多模干涉耦合器的示意图。

[0026] 图6为本申请一实施方式中少模波导与单模波导构成级联马赫曾德尔干涉仪耦合器的示意图。

[0027] 图7为本申请又一实施方式中光放大器的结构示意图。

[0028] 图8为本申请又一实施方式中光放大器的结构示意图。

[0029] 图9为本申请又一实施方式中光放大器的结构示意图。

[0030] 标号说明：

[0031] 光放大器‑1，光源‑10，多模波导‑20，分路器‑30，入射端‑31，出射端‑32，少模波导‑40，第一部分‑41，第一子部分‑411，第二子部分‑412，第二部分‑42，单模波导‑50，增益部分‑51，无源部分‑52，合波器‑60，直接耦合器‑61，多模干涉耦合器‑62，级联马赫曾德尔干涉仪耦合器‑63，延迟波导‑64，宽波导‑70，光学传输器件‑80。

具体实施方式

[0032] 以下是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

[0033] 请一并参考图1，图1为本申请一实施方式中光放大器的结构示意图。本实施方式提供了一种光放大器1，包括光源10，所述光源10用于发出多模光线。多模波导20，多模波导20设于所述光源10的一侧，用于接收所述光源10发出的多模光线。分路器30，所述分路器30具有相对设置的入射端31与出射端32，所述入射端31连接所述多模波导20，所述分路器30用于将所述多模光线分成多组少模光线。多个少模波导40，所述多个少模波导40连接所述出射端32，每个所述少模波导40包括相连接的第一部分41与第二部分42，所述第二部分42连接所述出射端32。单模波导50，所述单模波导50靠近所述第一部分41，且所述第一部分41与所述单模波导50间隙设置；所述第一部分41与所述单模波导50可构成合波器60，所述合波器60用于将所述第一部分41内的所述少模光线耦合到所述单模波导50内。

[0034] 本申请提供的光放大器1属于光通信技术领域，当然本申请提供的光放大器1也可用于大功率激光器、光互联、光子集成等其他领域。从背景技术可知，现有的光放大器采用单模光源，并配合相应的结构来实现光放大的目的，但单模光源的造价较高，提高了光放大器整体的成本。因此本实施方式为了降低成本，可采用成本较低的多模光源10。可选地，光源10包括但不限于发光二极管(LED)、超辐射发光二极管(SLD)、或者多模激光器(LD)构成的泵浦光源10。

[0035] 上述光源10的成本虽然较低，但发出的光束质量较差，具有多种模式的光线，即多模光线。因此本实施方式提供了一种全新的结构，在光源10和单模波导50之间可增设多模波导20、分路器30、以及多个少模波导40等结构。具体地，本实施方式提供的光放大器1包括多模波导20，多模波导20设于光源10的一侧，这样光源10发出的光线便可传输至多模波导20内，使多模波导20接收所述光源10发出的多模光线，这样即使像发光二极管等光源10质量较差的光线也可被多模波导20所吸收。其中，多模光线指的是光线的数量较多，且模式较多的光线。

[0036] 其次，本实施方式提供的光放大器1还包括分路器30，分路器30的入射端31连接多模波导20，多模波导20中的多模光线便可通过入射端31传输至分路器30中，此时分路器30便可将多种模式的光线分成多组少模光线。其中，少模光线指的是光线的数量与模式均相对多模光线较少的光线。

[0037] 再次，本实施方式提供的光放大器1还包括少模波导40，分路器30的出射端32连接少模波导40，多组少模光线均匀地或者按照一定比例进入到每个少模波导40中，并经由这些少模波导40分别导向不同的位置。另外，每个少模波导40包括相连接的第一部分41与第二部分42，所述第一部分41相较于所述第二部分42靠近所述单模波导50，即第二部分42连接出射端32，第一部分41靠近所述单模波导50。这样从分路器30出射的少模光线会经过第二部分42从而到达第一部分41。并且第一部分41与单模波导50间隙设置，以使少模波导40的第一部分41与单模波导50构成合波器60，从而将第一部分41内的少模光线耦合到单模波导50内的光信号中，为单模波导50内的光信号提供额外的能量，从而增加光信号的总能量，利用单模波导50来实现光放大的目的。其中，合波器60可以理解为少模波导40靠近单模波导50的一部分、以及单模波导50靠近少模波导40的一部分，此二者或者额外再增加其他部件组成的一个新的结构。

[0038] 可选地，每个少模波导40与单模波导50可构成一个合波器60，由于本实施方式具有多个少模波导40，因此可形成多个合波器60，本实施方式可使多个合波器60间隔设置，这样当光信号进入单模波导50时，每进入一个合波器60便可实现一次耦合、放大的作用。光信号可进入多个合波器60，使得光信号可经过多次耦合、放大，将光源10中的多模光线均进行了有效地利用，提高了能量利用率。

[0039] 进一步可选地，当光信号通过多个合波器60时，本实施方式还可控制具体的某一个或部分合波器60来与光信号进行更精确地耦合与放大，在实现放大的基础上，还可实现放大的精确性与选择性。

[0040] 综上所述，本实施方式提供了一种全新结构的光放大器1，可利用多模波导20接收光束质量较差的光线，并将这些光线通过分路器30和多个少模波导40来将其耦合至单模波导50中实现光放大的目的。因此，本申请可采用光束质量较差的光源10，从而降低光放大器1的成本。

[0041] 请再次参考图1，本实施方式中，所述多模波导20在沿所述多个少模波导40的排列方向上的宽度大于所述多个少模波导40沿径向的宽度之和。

[0042] 本实施方式将介绍多模波导20与少模波导40之间的关系。本实施方式可通过设计特殊的多模波导20与少模波导40的尺寸关系，即多模波导20在沿所述多个少模波导40的排列方向(如图1中D1所示的方向)上的宽度，可大于多个少模波导40沿径向的宽度之和。其中每个少模波导40沿径向的尺寸即为每个少模波导40的直径。这样的话，可使更多的多模光线进入到少模波导40中，进而耦合到单模波导50中。也可以理解为，可使光线无损失地进入到单模波导50之中，提高了光放大器1耦合和放大的性能。

[0043] 请一并参考图2，图2为本申请另一实施方式中光放大器的结构示意图。本实施方式中，在沿所述多个少模波导40的排列方向上，所述出射端32的宽度大于所述入射端31的宽度。

[0044] 本实施方式将介绍分路器30与少模波导40之间的关系。本实施方式可使在沿所述多个少模波导40的排列方向上，所述出射端32的宽度大于所述入射端31的宽度。也可以理解为，分路器30远离多模波导20的一侧表面的宽度大于分路器30靠近多模波导20一侧表面的宽度。另外，这种出射端32宽度大于入射端31宽度的结构也可称之为锥型波导结构。由于出射端32的表面后续要连接多个少模波导40，因此本实施方式通过增加出射端32的宽度，可降低多个少模波导40连接所述分路器30的难度。

[0045] 请一并参考图3，图3为本申请又一实施方式中光放大器的结构示意图。本实施方式中，所述出射端32朝向远离所述光源10的方向凸出设置。

[0046] 本实施方式可使出射端32朝向远离光源10的方向凸出设置，即出射端32朝向远离多模波导20的方向凸出设置，这样可进一步增加分路器30背离所述多模波导20一侧表面的宽度，从而进一步降低多个少模波导40连接所述分路器30的难度。

[0047] 可选地，请再次参考图3，本实施方式中，所述出射端32背离所述光源10的表面为圆弧面。

[0048] 本实施方式还可使出射端32凸出设置的基础上，使所述出射端32背离所述光源10的表面为圆弧面。另外，这种出射端32表面为圆弧面的结构也可称之为星型耦合器结构。这样不仅可进一步增加分路器30背离所述多模波导20一侧表面的宽度，而且由于该表面是平滑的圆弧面，可进一步降低多个少模波导40连接所述分路器30的难度。

[0049] 请一并参考图4，图4为本申请一实施方式中少模波导与单模波导构成直接耦合器的示意图。本实施方式中，所述第一部分41靠近所述单模波导50，且所述第一部分41与所述单模波导50构成直接耦合器61。

[0050] 上述内容已提及，部分少模波导40可以与部分单模波导50形成一种新的结构‑合波器60，用于将少模波导40中的少模光线耦合至单模波导50中。至于如何形成合波器60，本申请介绍了三种具体的实现方式。在本申请提供的第一种实施方式中，可直接使第一部分41靠近单模波导50，即第一部分41与单模波导50间隙设置。这样第一部分41便可与单模波导50直接构成直接耦合器61，来将第一部分41内的少模光线耦合至单模波导50中。

[0051] 请一并参考图5，图5为本申请一实施方式中少模波导与单模波导构成多模干涉耦合器的示意图。本实施方式中，所述光放大器1还包括宽波导70，所述宽波导70的尺寸大于所述少模波导40与所述单模波导50的直径之和；所述第一部分41靠近所述单模波导50，且所述少模波导40与所述单模波导50贯穿所述宽波导70，所述少模波导40、所述单波导、以及所述宽波导70构成多模干涉耦合器62。

[0052] 在本申请提供的第二种实施方式中，可在少模波导40与单模波导50之间，再额外增设一个结构‑宽波导70。所述少模波导40、所述单波导、以及所述宽波导70可构成多模干涉耦合器62。宽波导70中的“宽”可以理解为尺寸含义中的宽，即宽波导70在某一方向上的尺寸要大于少模波导40与所述单模波导50的直径之和。也可以理解为，宽波导70的尺寸足以使少模波导40与单模波导50均设于其中，这样的话，少模波导40的少模光线与单模波导50中的光信号便可在宽波导70中耦合成一个新的光信号。

[0053] 请一并参考图6，图6为本申请一实施方式中少模波导与单模波导构成级联马赫曾德尔干涉仪耦合器的示意图。本实施方式中，所述第一部分41包括多个间隔设置的第一子部分411与多个间隔设置的第二子部分412，每个所述第二子部分412连接于相邻的两个所述第一子部分411之间；所述第一子部分411相较于所述第二子部分412靠近所述单模波导50，所述第一部分41与所述单模波导50构成级联马赫曾德尔干涉仪耦合器63。

[0054] 在本申请提供的第三种实施方式中，还可仅利用少模波导40与单模波导50，但利用少模波导40与单模波导50形成一种不同的合波器60‑级联马赫曾德尔干涉仪耦合器63。具体的结构为：所述第一部分41包括多个间隔设置的第一子部分411与多个间隔设置的第二子部分412，且每个所述第二子部分412连接于相邻的两个所述第一子部分411之间；所述第一子部分411相较于所述第二子部分412靠近所述单模波导50。也可以理解为第一部分41的形状为正弦波形。正弦波形具有波峰与波谷。其中，波谷即为本实施方式提及的第二子部分412，波峰即为本实施方式提及的第一子部分411。第二子部分412与单模波导50可构成本申请第一种实施方式提供的直接耦合器61。而第一子波分与单模波导50可构成延迟波导
64，延迟波导64与直接耦合器61相互配合构成级联马赫曾德尔干涉仪耦合器63，并且可进一步提高光放大器1的耦合性能。

[0055] 请一并参考图7，图7为本申请又一实施方式中光放大器的结构示意图。本实施方式中，所述单模波导50包括增益部分51，或者，增益部分51与无源部分52，当所述单模波导50包括所述增益部分51与所述无源部分52时，所述增益部分51相较于所述无源部分52靠近所述少模波导40；所述增益部分51掺杂有稀土元素。

[0056] 在本实施方式中，单模波导50可只包括增益部分51，或者，单模波导50包括增益部分51与无源部分52。其中，无源部分52指的是该部分的单模波导50不具备放大光信号的能力。而增益部分51指的是该部分在收到外界的光子能量后，具有使光信号放大的能力。本实施方式以所述单模波导50包括所述增益部分51与所述无源部分52进行示意，所述增益部分51相较于所述无源部分52靠近所述少模波导40。也可以理解为使增益部分51与少模波导40相配合形成合波器60，从而使少模波导40中的少模光线耦合至单模波导50中的光信号中，并使增益部分51对光信号进行放大。本实施方式可使增益部分51与无源部分52的区别仅在于增益部分51掺杂有稀土元素，稀土元素的添加使得原本不具备光放大能力的无源部分52变成具备光放大能力的增益部分51。可选地，稀土元素包括但不限于铒，当半导体材料中掺入铒后，可作为光放大器1的增益载体。

[0057] 请一并参考图8，图8为本申请又一实施方式中光放大器的结构示意图。本实施方式中，所述光源10与所述多模波导20、所述分路器30、所述多个少模波导40、以及所述单模波导50为一体式结构。

[0058] 在现有技术中，光放大器1通常为大型化设备，其体积较大，成本较高，难以满足日益增长的小型化、集成化市场需求。因此，本实施方式可使所述光源10与所述多模波导20、所述分路器30、所述多个少模波导40、以及所述单模波导50为一体式结构。也可以理解为，本申请上述内容提及到的全部结构均可集成在一起，从而实现小型化与集成化的目的，极大地减少了光放大器1的尺寸。此时的光源10便可以看作为片上光源10。

[0059] 可选地，光源10、所述多模波导20、所述分路器30、所述多个少模波导40、以及所述单模波导50的材质均包括氮化镓。氮化镓半导体材料可以制作多种光源10和无源平面光波导器件，同时氮化镓也是高效的光放大器1增益载体。也可以理解为，采用氮化镓这种材料可同时形成上述结构件。因此就可以将上述这些结构件同时在一个氮化镓层上的不同区域制备出来，也可以理解为，在基底上先制备出氮化镓层，然后在氮化镓层的不同区域通过各种方法形成光源10、所述多模波导20、所述分路器30、所述多个少模波导40、以及所述单模波导50，从而实现光放大器1集成化、芯片化、小型化的目的。另外，上述这些结构件除了可以采用氮化镓材料以外，还可采用其他IIIA族氮化物，当然也可以是Si，SiO2，SiN，InP，GaAs等其他材料，本申请在此不进行限定。

[0060] 可选地，请一并参考图9，图9为本申请又一实施方式中光放大器的结构示意图。本实施方式中，光放大器1还包括光学传输器件80，所述光学传输器件80设于所述光源10与所述多模波导20之间。即所述光学器件的相对两端分别连接光源10与多模波导20，这样便可利用光学传输器件80更好地将光线传输给多模波导20，减小光线的损失，提高光线的传输质量。

[0061] 可选地，光源10的数量包括一个或多个。

[0062] 以上对本申请实施方式所提供的内容进行了详细介绍，本文对本申请的原理及实施方式进行了阐述与说明，以上说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。