光波导器件研究的新进展
郭阳敏，M201572550
华中科技大学，武汉光电国家实验室（筹），湖北 武汉 430074
摘 要 介绍了光纤放大器、半导体光放大器、光波导放大器3种光放大器的基本工作原理和研究现状。主要分析了光波导放大器的性能特点，阐述了光波导放大器的应用现状及其存在的问题并对光波导放大器未来的发展趋势进行了展望。
关键词 光放大器；光波导放大器；进展
引 言
在科技高速发展的21世纪，信息网络已经成为人们生活中不可或缺的一部分。网络的应用越来越广泛，传统电-光网络的速度和容量已经不能满足人们的需要。光纤通信技术凭借宽频带、低损耗、不受电磁波干扰和资源丰富等优势，成为通信技术发展的新方向。
在实际的光纤通信中，不可避免的存在着吸收、散射和弯曲等损耗现象。目前，一般标准单模光纤在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。尽管光纤的损耗在短距离传输时已经可以忽略，但是在长距离光纤传输系统中光纤及系统中的不同器件仍会给整个光网络带来一定的损耗和色散，这就需要在系统中适当地设置中继放大器。常规的中继器需要光-电-光的转换过程，首先将衰弱的光信号转化为电信号，然后通过放大、均衡、识别再生等技术，恢复信号形状和幅度，最后通过半导体激光器将调试后的电信号再转化为光信号耦合回光纤传输线路。这种采用光-电-光中继器的方法会占用光网络的大部分传输时间，对于高速多波长的系统，这种方法设备复杂且成本昂贵。因此，能够避免光-电-光转换过程直接实现对光信号放大的光放大器成为人们的研究热点。
1 光放大器的基本原理
光放大器基于激光的受激辐射将泵浦光的能量转变为信号光的能量，从而实现对信号光的放大作用。光放大器直接实现对光信号的放大。图1.1为光放大器的应用原理示意图。
图1.1 光放大器应用原理示意图
目前研制的光放大器主要有以下三种：（1）半导体激光放大器（SOA）；（2）光纤放大器（FA）；（3）光波导放大器（WA）。
（1）半导体激光放大器。半导体激光型光放大器是利用粒子数反转放大发光原理，发光媒介为电子空穴对。半导体激光放大器的放大原理与半导体激光器的工作原理相同。半导体光放大器的优点是：增益带宽大，体积小，易于与其他光器件集成。目前主要应用于光子交换、波长变换、解复用和有线电视多路模拟信号的放大和处理等。半导体光放大器也存在一些缺点，如噪声大、功率小、稳定性差、信号易串扰、与光纤的耦合损耗大和对光的偏振有依赖性等。
（2）光纤放大器。光纤放大器主要利用非线性光学原理的受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）光纤放大器以及掺杂稀土元素的光纤放大器。拉曼光纤放大器和布里渊光纤放大器需要大功率的半导体激光器对光纤进行激发，因而此类放大器不适合实际应用。掺杂稀土元素的光纤放大器中最具代表性的是掺铒光纤放大器（EDFA）。EDFA也是利用粒子数反转原理制成的，使用稀土元素作为激活离子，刚好能放大1550nm的光信号[1]。与半导体光放大器相比，EDFA的偏振相关性小，因而各个通道间的串扰也小。与SRS和SBS光放大器相比较，EDFA无需瓦量级的泵浦光源。因此，EDFA在主干传输网上被广泛应用，在光纤通信中取得了巨大成功。但是EDFA在使用过程中存在浪涌问题和色散问题，且采用数十米长的光纤作为增益介质，器件的体积较大，不利于实现光路的集成化。
（3）光波导放大器。光波导放大器使用几厘米的高浓度增益介质，不需要数米长的光纤，器件尺寸小，并能够集成其他多种功能，而且制作工艺简单，集成后成本比光纤放大器低。稀土元素掺杂的光波导放大器具备了饱和输出功率大、噪声低、串扰小、增益随偏振态变化小、易与输入输出光纤耦合以及稳定性高等特点。因此，光波导放大器在光集成方面很有应用潜力。
2 光波导放大器的研究现状
根据掺杂基质的不同，光波导放大器主要分为无机光波导放大器和有机聚合物光波导放大器。
2.1 无机光波导放大器
无机基质主要包括硅酸盐、磷酸盐玻璃、铌酸锂晶体和氧化物薄膜。器件的增益特性与制备工艺的复杂性是光波导放大器制备的两个关键因素。硅酸盐、磷酸盐对Er3+、Yb3+离子包容度好，可掺入浓度高，通过离子交换的方式制备的光波导放大器工艺复杂，获得增益高但不易与其他器件集成。基于铌酸锂基体基质光波导放大器易与其他器件实现集成，但由于制备工艺的限制，波导中的Er3+离子的掺杂浓度很难得到提高，器件的增益特性受限。
2012年，英国南安普顿大学的J I Mackenzie等[2]制备了铒镱共掺碲酸盐材料波导，掺杂浓度为1×1020cm-3，荧光半高宽为50nm，亚稳态能级寿命为3ms，模拟得到在泵浦光强密度为8kWcm-2时，得到的最大相对增益为2.1dB/cm。
无机光波导放大器工艺已经基本成熟，能够得到较大的净增益及信噪比，基本能够满足通信上对于波导分立器件的要求。但是制备工艺复杂，制作成本高，不易与硅基材料器件集成等因素限制了无机光波导在平面光子集成的应用中存在困难。
2.2 有机聚合物光波导放大器
采用聚合物材料制备的有机光波导放大器[3]可以有效弥补无机光波导放大器工艺复杂、折射率改变量小、无法与硅基材料集成的缺点。聚合物材料性价比高，可以大大降低器件的成本。通过改变聚合物材料的某一组分的比例，可以很容易控制材料的折射率，实现光波导器件折射率差的精确调节。
掺铒离子光波导放大器，由于其工作波长在通信波段而获得广泛的关注和研究。掺铒聚合物光波导放大器具有Er3+离子掺杂浓度高，量子效率高，材料种类多，折射率易调节等优势，近几年取得了很好的研究进展。
2015年，Wang等[4]运用高温热分解法人工合成了NaYF4:Er3+，Yb3+纳米晶，将其掺杂于有机材料中制备放大器，纳米晶的掺杂质量浓度可达1%，掺杂浓度提高10倍。1540nm的光信号在这种纳米复合材料光波导放大器中经过15mm可获得7.6dB的增益。
相比于无机光波导放大器，聚合物光波导放大器虽然具有许多优势，但是其仍处于基础研究阶段，研究者们的主要方向仍是寻找一种能够产生较大增益并且性能稳定的材料。
3 光波导放大器的应用现状及存在问题
光波导放大器作为一种对光信号放大的器件，可以弥补光信号在传输过程中产生的损耗，在光纤通信、集成光电子学和集成光学领域都有广阔的应用前景。
光电信息转换能力滞后和电子线路传输速率的限制，已经成为制约信息传输的瓶颈。解决此瓶颈的关键是开发新型的超快非线性集成光子器件。但是非线性信息处理过程仍存在着转换效率低、产生的光信号能量弱等问题，因此在非线性光信号处理过程中如何实现光信号的在线放大是关键。以掺铒光波导放大器为例，相比于半导体激光放大器和掺铒光纤放大器，掺铒光波导放大器可以在同一衬底上提供有源和无源的集成光路。掺铒光波导放大器可以同时实现无源非线性信号处理和有源信号的在线放大[5,6]。
无机光波导放大器的研究相对较为成熟，但是制备工艺复杂的问题难以解决。有机光波导放大器是目前的研究热点，根据稀土离子掺入的有机基质的不同，可以分为两类：（1）基于稀土配合物掺杂的有机光波导放大器；（2）基于稀土纳米粒掺杂的有机-无机复合型光波导放大器。下面主要讨论有机光波导放大器存在的问题：
（1）基于稀土配合物掺杂的有机光波导放大器。这种光波导放大器存在的问题主要有：一，稀土离子的掺杂浓度是影响放大器增益的主要因素，但稀土配合物在聚合基质中的溶解度较低；二，亚稳态能级寿命短，导致发光量子效率低；三，有机配体对稀土离子的敏化传能作用在实际应用中不能较好体现。
（2）基于稀土纳米粒掺杂的有机-无机复合型光波导放大器。这种光波导放大器存在的问题主要有：一，纳米颗粒的表面效应易造成团簇及浓度猝灭，导致器件的上转换发光，上转换发光无助于信号光的放大；二，由于SiO2，LaF3等无机成分的存在，使得干法刻蚀技术制备矩形波导较为困难。 4 发展与展望
光波导放大器作为增益补偿器件在光通信网络中的应用十分广泛，在城域网和局域网中，它是光纤放大器的发展趋势之一。而聚合物基质或者有机-无机复合基质的光波导放大器在集成方面的巨大潜在优势，使得它在近些年成为光通信领域的研究热点。有机光波导的研究已经突破了前十年材料制备方面的瓶颈，在性能指标方面已经接近无机波光导放大器。对于有机光波导放大器的进一步研究可着重于在保证聚合物材料良好成膜性的前提下提高掺杂浓度，优化波导结构减少传输损耗以提高器件的增益性能。
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