本發(fā)明屬于光傳輸領域，涉及光放大器，尤其涉及一種短長度高增益光波導放大器。

背景技術：

光纖放大器是通信系統(tǒng)中至關重要的組成部分，廣泛應用于光通信、光網絡、國防等各個領域。光放大器目前的主流是摻鉺光纖放大器(EDFA)，摻鉺光纖放大器適合于CBand、L Band，速率透明、大增益、大帶寬、低噪聲、高功率是使其成為光通信低損耗窗口理想的光放大器。

隨著現(xiàn)代通信的飛速發(fā)展，通信系統(tǒng)的傳輸容量進一步提升，對光纖放大器的小型化和性能尤其是增益指標要求越來越高，因此，急需一種尺寸小且增益高的光放大器。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術中小尺度下光放大器增益的不足，本發(fā)明旨在提供一種短長度高增益光波導放大器，具體的技術方案如下：一種短長度高增益光波導放大器，耦合于光纖中，用于放大信號光源的信號光，包括依次設置的泵浦光發(fā)射裝置、光纖耦合器、前端自聚焦透鏡、摻鉺離子玻璃棒及后端自聚焦透鏡，工作時，所述泵浦光發(fā)射裝置發(fā)射泵浦光，所述光纖耦合器的輸入端接收所述泵浦光和信號光并通過前端自聚焦透鏡傳輸至摻鉺離子玻璃棒，所述摻鉺離子玻璃棒吸收泵浦光的能量并轉移至信號光中，使信號光得到放大，放大后的信號光經后端自聚焦透鏡傳輸至光纖中。

所述摻鉺離子玻璃棒在玻璃棒中摻雜鉺離子，所述鉺離子的摻雜濃度為10²⁴-10²⁷個/m³。

所述摻鉺離子玻璃棒在玻璃棒中摻雜鉺離子和鐿離子，所述鉺離子的摻雜濃度為10²⁴-10²⁷個/m³，所述鐿離子的摻雜濃度為10²⁴-10²⁷個/m³。鐿離子對泵浦光有寬的吸收波段和大的吸收截面，而且鐿離子的發(fā)射波段與鉺離子的吸收波段在光譜上存在著很大程度的重疊，使得鐿離子到鉺離子有較高的能量傳遞效率。因此，在摻鉺離子玻璃棒中加入鐿離子可以敏化鉺離子并大大提高鉺離子對泵浦光的吸收，進一步改善摻鉺離子玻璃棒的光譜性質，即鐿離子能使鉺離子吸收更多的泵浦光能量，進而使的鉺離子傳遞給信號光的能量更多，進一步提高該光波導放大器的增益。

所述摻鉺離子玻璃棒在玻璃棒中同時摻雜鉺離子和鐿離子，所述鉺離子與鐿離子的摻雜比例為1:2～1:3。

所述摻鉺離子玻璃棒的長度為1cm-10cm，直徑為0.01-1mm。

所述摻鉺離子玻璃棒的基質材料為磷酸鹽或碲酸鹽或硅酸鹽等。

所述泵浦光發(fā)射裝置包括泵浦光源，所述泵浦光源的為泵浦激光二極管，用于發(fā)射波長為793nm或800nm或808nm或973nm或980nm等的泵浦光。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明通過長度為1cm-10cm，直徑為0.01-1mm的摻鉺離子玻璃棒作為主要的放大器件，相比于傳統(tǒng)的摻鉺光纖，在相同增益的情況下，玻璃棒的長度會更小，且結構簡單。

(2)本發(fā)明在摻鉺離子玻璃棒中同時摻雜鉺離子和鐿離子，鐿離子對泵浦光有寬的吸收波段和大的吸收截面，而且鐿離子的發(fā)射波段與鉺離子的吸收波段在光譜上存在著很大程度的重疊，使得鐿離子到鉺離子有較高的能量傳遞效率。因此，在摻鉺離子玻璃棒中加入鐿離子可以敏化鉺離子并大大提高鉺離子對泵浦光的吸收，進一步改善摻鉺離子玻璃棒的光譜性質，即鐿離子能使鉺離子吸收更多的泵浦光能量，進而使的鉺離子傳遞給信號光的能量更多，進一步提高該光波導放大器的增益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明僅摻雜鉺離子的磷酸鹽玻璃棒的信號增益隨泵浦光功率變化曲線；

圖3是本發(fā)明鉺，鐿離子共摻碲酸鹽玻璃棒的信號增益隨泵浦光功率變化曲線。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示，本發(fā)明提供的短長度高增益光波導放大器，耦合于光纖7中，用于放大信號光源1發(fā)出的信號光，包括依次設置的泵浦光發(fā)射裝置2、光纖耦合器3、前端自聚焦透鏡4、摻鉺離子玻璃棒5及后端自聚焦透鏡6，工作時，泵浦光發(fā)射裝置2發(fā)射泵浦光，光纖耦合器3的輸入端接收泵浦光和信號光并通過前端自聚焦透鏡4傳輸至摻鉺離子玻璃棒，摻鉺離子玻璃棒吸收泵浦光的能量并轉移至信號光中，使信號光得到放大，放大后的信號光經后端自聚焦透鏡6傳輸至光纖7中。

而傳統(tǒng)的摻鉺光纖放大器一般采用10—30米長甚至更長的一段摻雜鉺離子或其他稀土離子的光纖作為信號光放大的主要功能部件，一般摻鉺光纖的尺寸都非常大，導致光放大器的尺寸也會很大，而本發(fā)明突破傳統(tǒng)的結構，將傳統(tǒng)的摻鉺光纖采用摻鉺玻璃棒代替，由于玻璃棒制作成本低，制作簡單且結構尺寸靈活多變，根據實際使用需要，可以調整其直徑或長度，進而改變其體積，改變摻雜的鉺離子和鐿離子的濃度，在同樣的增益下，可將摻鉺玻璃棒的長度做到很小，使光放大器小型化。

本發(fā)明在摻鉺離子玻璃棒的前后采用自聚焦透鏡，減少了光的折射。

為了獲得更高的增益，本發(fā)明在玻璃棒中同時摻雜鉺離子和鐿離子，由于鐿離子對泵浦光有寬的吸收波段和大的吸收截面，而且鐿離子的發(fā)射波段與鉺離子的吸收波段在光譜上存在著很大程度的重疊，使得鐿離子到鉺離子有較高的能量傳遞效率。因此，在摻鉺離子玻璃棒中加入鐿離子可以敏化鉺離子并大大提高鉺離子對泵浦光的吸收，進一步改善摻鉺離子玻璃棒的光譜性質，即鐿離子能使鉺離子吸收更多的泵浦光能量，進而使的鉺離子傳遞給信號光的能量更多，進一步提高該光波導放大器的增益。

在鉺離子和鐿離子共摻的玻璃棒中，由鐿離子直接吸收泵浦光能量傳遞至鉺離子進而傳遞給信號光實現(xiàn)光放大，在這個機制中，一方面，鐿離子首先被激活，在其兩能級(基態(tài)和上能級)間會存在一定的粒子數(shù)反轉形成波段1.06μm的自發(fā)輻射光，當泵浦光頻率較高時，躍遷至上能級的鐿離子數(shù)目會較多，形成的粒子數(shù)反轉會很大，導致鐿離子的自發(fā)輻射光對放大器的輸出功率產生比較嚴重的限制，另一方面，鉺離子在亞穩(wěn)態(tài)壽命較長，存在著能量向鐿離子反向回傳的情況，造成儲能的一部分浪費，所以在考慮光波導放大器設計時，需合理選擇鉺離子與鐿離子的摻雜比例與摻雜濃度，在本發(fā)明中，鉺離子的摻雜濃度為10²⁴-10²⁷個/m³(可以選擇為10²⁷個/m³、10²⁴個/m³、10²⁶個/m³等)，鐿離子的摻雜濃度為10²⁴-10²⁷個/m³(可以選擇為10²⁷個/m³、10²⁴個/m³、10²⁶個/m³等)，鉺離子與鐿離子的摻雜比例為1:2～1:3(可以選擇為1:2，1:2.5，1:3等)，如此設計，能夠減小能量回傳、減小鐿離子的自發(fā)輻射光對放大器的輸出功率的限制。

當然，也可只摻雜鉺離子，摻雜濃度為10²⁴-10²⁷個/m³(可以選擇為10²⁷個/m³、10²⁴個/m³、10²⁶個/m³等)。或者，也可以摻雜其他種類的稀土離子，以達到相同的效果。

為了在較高增益的情況下，保證光波導放大器的尺寸較小，本發(fā)明的摻鉺離子玻璃棒的長度為1cm-10cm(可以為1cm、10cm等)，直徑為0.01mm-1mm(可以為0.01mm、1mm等)，相比傳統(tǒng)的摻鉺光纖放大器，本發(fā)明采用尺寸小的摻鉺離子玻璃棒，相比傳統(tǒng)的摻鉺光纖大大縮小了放大器的尺寸。

進一步的，摻鉺離子玻璃棒的基質材料為磷酸鹽或碲酸鹽或硅酸鹽，磷酸鹽/硅酸鹽相比于硅酸鹽能更好的融合鉺離子、鐿離子等稀土離子，有效保證了鉺離子和鐿離子的摻雜濃度和吸收泵浦光能量的效果。

進一步的，泵浦光發(fā)射裝置包括泵浦光源，泵浦光源的為泵浦激光二極管，用于發(fā)射波長為793nm或800nm或808nm或973nm或980nm的泵浦光。

對于僅僅摻雜鉺離子的玻璃棒，泵浦光的波長在808nm能使得鉺離子發(fā)生三級能級躍遷，獲得更大的能量，提高放大器的增益。

對于鉺離子和鐿離子共摻的玻璃棒，鐿離子對波長為980nm的泵浦光有很高的吸收峰，因此，采用發(fā)射980nm的泵浦激光二極管，鐿離子能實現(xiàn)三能級躍遷，獲得更大的能量并傳遞給鉺離子，提高放大器的增益。

在本發(fā)明一實施例中，信號光的波長為1535nm，泵浦光的波長為980nm，泵浦光功率范圍為30～250mW，摻鉺離子玻璃棒的鉺離子摻雜濃度為3.8ⅹ10²⁶個/m³，長度為7.1cm，半徑為2.0mm，放大器的增益隨泵浦光功率的仿真曲線如圖2所示，橫坐標表示泵浦光的功率，縱坐標表示放大器的增益。

在本發(fā)明另一實施例中，信號光的波長為1530nm，泵浦光的波長為980nm，泵浦光功率范圍為60～780mW，摻鉺離子玻璃棒采用碲酸鹽為基質材料，鉺離子摻雜濃度為5.25ⅹ10²⁶個/m³，鐿離子摻雜濃度為1ⅹ10²⁷個/m³，摻鉺離子玻璃棒的長度為3cm，半徑為2.0mm，放大器的增益隨泵浦光功率的仿真曲線如圖3所示，橫坐標表示泵浦光的功率，縱坐標表示放大器的增益。

顯然，本領域的技術人員可以對發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。