[发明专利]双波长泵激的波导放大器

说明书

                           发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及放大器。尤其是，本发明涉及使用双波长泵激的光放大器，它通过重新增加亚稳态能级的粒子数来减少中间终态能级上的稳态粒子数。可调节第二泵激的功率和/或波长来改变放大器增益谱的形状。

2.技术背景

光放大器通过一种称为受激发射的过程来增加光波的振幅，在这个过程中，作为输入信号提供的光子诱发光学材料中高能级的电子，向低能级跃迁。在这过程中，材料发射具有与初始光子相同频率、方向和极化的光子。此两光子再激发另外两个光子的发射，以此类推。这结果是相干光的放大。当光子能量几乎等于原子跃迁的能量差时，受激发射就发生了。是故，这过程在由原子谱线宽度决定的一个或几个频带中产生放大。

尽管目前使用许多不同的光放大器结构，但光纤结构是十分普遍的，尤其是在光通信的应用中。光纤放大器一般由诸如玻璃等光学材料与稀土掺杂剂结合而构成，并构造成光波导。目前流行的是掺稀土的石英光纤，部分是因为它们对单模导波光学提供好处。可把光纤放大器做得能在波长的一个广大的范围内工作，这是由基质和稀土掺杂剂的原子性质所决定。

通信技术和信息技术的惊人发展对寻找新的光纤材料引起浓厚的兴趣，所述新材料将增加信号信道带宽，并使工程师们能开发出新的频带。

稀土材料遭遇到的一个困难与材料固有的多声子低衰减率有关。希望在亚稳态能级中有长的寿命，因为它有助于受激发射。然而，如果该特殊材料在中间的终能级上显示出类似的长寿命，则是不希望的。

作为例子，掺镨的硫属化物玻璃一般具有¹G₄(亚稳态能级)的寿命约为300μs，辐射的量子效率大于50％。但是，此多声子低衰减度的结果是，³H₅能级(1.3μm跃迁的中间终能级)具有相对较长的寿命。在硫属化物玻璃中，³H₅能级的典型寿命值是在100μs的范围以内。

在用这种材料制造的光放大器中，以1020nm供给的泵能量可把该材料中的原子从³H₄基能态激发到¹G₄亚稳态。输入的光信号在这个激发态上与该材料相互作用，通过受激发射产生光子，从而使亚稳态的下迁到³H₅中间终能级上。尽管电子处在中间的³H₅能级上，但它们不能再利用。只有在它们衰减回到基能态³H₄之后，它们才能重新泵激到亚稳能级¹G₄，再在此能级上进一步加入受激发射过程。

因此，当此材料用作光纤放大器时，³H₅能级的长寿命具有不利的影响。³H₅的粒子数降低了放大器的效率，并倾向于使峰值工作波长从所要的波长上移开。

上面所提到的困难不是掺镨(Pr^3r)的硫属化物玻璃所独有；相反，它也存在于其它低、中的声子能量玻璃中，包括掺铥(Tm³⁺)或钬(Ho³⁺)的硫属化物、卤化物、亚碲酸盐、锗酸盐、铅酸盐和镓酸盐玻璃光纤中的任何一种。

                          发明概述

本发明的一个优点是提供一种放大器和泵激技术，它能克服与某些掺稀土诸材料所显示出中间中止能级的长寿命相关的困难。

本发明的光放大器的各种实施例在所附的权利要求书中予以陈述。更准确地说，根据本发明的一个实施例，光放大器包括一含有稀土掺杂剂的光基质的光波导。基质和掺杂剂限定了基能态。放大器还包括耦合到这波导的第一泵。这第一泵以第一波长把先能提供给波导。这第一泵在基能态之上建立起亚稳能态。耦合到光波导的输入引入待要放大的光信号，此此放大由来自亚稳能态的光子的受激发射加以产生。这就在第一亚稳能态之下和在基能态之上建立起一个终能态。光放大器还包括光耦合到波导的第二泵，它以第二波长把光能提供给波导。这第二泵通过减少终能态的粒子数来重新增加第一亚稳能态的粒子数。最后所得到的光放大器结构适合用于许多不同的光纤材料，包括掺镨的硫属化物玻璃光纤，尤其是硫属化物玻璃，玻璃诸如诸如硫属化物，卤化物，亚亚碲酸盐，锗酸盐，铅酸盐和镓酸盐的一类玻璃。