專利名稱：光放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光放大器件，具體為利用一種電致發(fā)光介質(zhì)作為放大媒介的光學(xué)放大器，其適用于光通訊，光纖激光等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代光通訊及光纖激光領(lǐng)域需要光信號能夠在長距離，低損耗的情況下傳輸。光在傳輸時需要調(diào)制和解調(diào)，然后在光纖中傳輸，傳輸過程中光信號會因為耦合、材料缺陷等原因產(chǎn)生衰減。為了補償在傳輸過程中信號的衰減，需要在傳輸線路中定期地對光信號進行放大。目前光學(xué)放大器主要有稀土摻雜光纖放大器，稀土摻雜波導(dǎo)放大器以及半導(dǎo)體光放大器。稀土摻雜光纖放大器有很多優(yōu)點，但是它的主要缺點在于體積較大，放大介質(zhì)通常需要有幾米長，給實際使用帶來限制。稀土摻雜波導(dǎo)放大器和稀土摻雜光纖放大器的物理原理相似，優(yōu)點在于體積小。為了在較小體積重實現(xiàn)光信號的放大，需要在放大介質(zhì)中大量地摻雜金屬離子。但是過多的金屬離子摻雜會導(dǎo)致放大增益飽和，反過來需要更大的泵浦源輸入，這樣就降低了放大效率。半導(dǎo)體光放大器結(jié)合了稀土摻雜光纖放大器和稀土摻雜波導(dǎo)放大器的優(yōu)點，能夠利用較簡單的器件結(jié)構(gòu)較低成本地實現(xiàn)光的放大。半導(dǎo)體光放大器的主要缺點在于其放大介質(zhì)通常為單晶薄膜器件，該單晶薄膜器件需要利用化學(xué)氣相沉積法或分子束法實現(xiàn)。這兩種方法均耗時、低效率并且設(shè)備昂貴。同時由于薄膜材料帶寬的限制，大大影響了能夠放大的光的波長。另外半導(dǎo)體光放大器件耦合效率低，這些都限制了其在實際中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、放大效率高的光放大器件，可以使用電激發(fā)代替泵浦光源作為放大源，實現(xiàn)很大的信號增益；并具有生產(chǎn)、使用成本低，實用性強等優(yōu)點。為了達到上述的目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
本發(fā)明提供了一種光放大器，包括作為增益區(qū)域的放大介質(zhì)薄膜層，形成在放大介質(zhì)薄膜層上表面和下表面上的上夾層和下夾層；以及第一電極層和第二電極層，所述第一電極層通過上夾層脊型層與上夾層復(fù)合，所述第二電極層通過襯底與下夾層復(fù)合；
所述放大介質(zhì)薄膜層包括光信號傳輸載體的薄膜主體和在電場作用下受激發(fā)發(fā)光并與入射光信號相疊加的摻雜離子；
所述薄膜主體的電子-空穴對的帶寬大于摻雜離子的光子能量；
所述下夾層和上夾層的光折射率低于放大介質(zhì)薄膜層的光折射率。對于放大介質(zhì)薄膜層的薄膜主體材料，由于其作為光信號的傳輸介質(zhì)，首先其能帶寬度需滿足工作波長的光傳輸，同時其在電場作用下也要能夠?qū)诫s離子激發(fā)形成光子，故本發(fā)明中優(yōu)選地， 所述薄膜主體的材料為氧化鋅、氧化鋅硅鍺、氧化銦鎵鋁、氮化鎵、砷化鎵、氮化銦、氮化鋁、氮化銦鋁材料，其可以為直接禁帶材料，也可以為非直接禁帶材料，其晶體性質(zhì)可以為單晶材料、多晶材料或非晶材料。優(yōu)選地，所述摻雜離子為元素周期表中的過度金屬鉻、鈦、銅、鋅、銀、釔，以及鑭系稀土元素鉺、銪、鏑、銩的離子態(tài)，所述摻雜離子可以和放大介質(zhì)薄膜層的薄膜主體同步形成，也可以后期用離子注入等方法實現(xiàn)。本發(fā)明的進一步改進在于:所述摻雜離子在放大介質(zhì)薄膜層中的原子濃度為
0.1% 到 10%ο對于上、下夾層的材料可以為任何合適的滿足光在放大介質(zhì)薄膜層中傳輸?shù)牟牧?，可以為絕緣體，半導(dǎo)體或?qū)w，例如可以為無機材料氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋇鈦、氧化釔，或有機材料8-羥基喹啉鋁、三(8-羥基喹啉)鋁、聚(N-乙烯基咔唑)、齊聚苯乙烯撐。本發(fā)明中優(yōu)選地，上、下夾層的材料為無機介電材料或電絕緣材料。上、下夾層的材料可以相同，也可以不同。作為本發(fā)明的進一步改進:所述上、下夾層材料的光反射率比放大介質(zhì)薄膜層的光反射率低0.1%-20%。優(yōu)選地，所述第一電極層和第二電極層為導(dǎo)電材料銅、鎢、鋁、錫、銦或銦錫氧化物。本發(fā)明的進一步改進在于:所述第一電極層在光傳輸方向的水平方向上所覆蓋面積小于放大介質(zhì)薄膜層的覆蓋面積。保證光在放大介質(zhì)薄膜層的特點區(qū)域內(nèi)傳輸。本發(fā)明提供的光放大器，當入射光信號通過光纖輸送到放大器中傳輸時，在第一電極層和第二電極層上加上電壓，該電壓可以是直流電壓，也可以是交流電壓。在電場作用下，入射光信號被限制在由上、下夾層和放大介質(zhì)薄膜層形成的一個較小的區(qū)域內(nèi)傳輸，放大介質(zhì)薄膜層中的摻雜離子會受激發(fā)從而釋放與入射信號光同相的光子，對光信號進行放大，直至通過整個放大器進入到另一個介紹光纖。當前一信號被放大后，另外一批電子會在電場作用下受激發(fā)釋放光子，對下一個光信號進行放大。本發(fā)明設(shè)計的放大器體積??；且使用電激發(fā)代替泵浦光源作為放大源，可以實現(xiàn)很大的信號增益；放大介質(zhì)薄膜層的薄膜主體可以為多晶薄膜器件，可大大降低生產(chǎn)成本；同時本發(fā)明可以選擇不同摻雜離子實現(xiàn)不同波長的光的信號放大，實用強。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的光放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1所示的光放大器的A-A截面示意圖。圖中，1.襯底2.下夾層3.放大介質(zhì)薄膜層4.上夾層5.上夾層脊型層6.第一電極 7.第二電極8.入射光纖9.傳輸區(qū)域。
具體實施例方式為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述，該實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不對本發(fā)明的保護范圍構(gòu)成限定。如圖1、圖2所示:本發(fā)明涉及光放大器，包括作為增益區(qū)域的放大介質(zhì)薄膜層3，形成在放大介質(zhì)薄膜層上表 面和下表面的上夾層4和下夾層2 ;形成在下夾層2下表面的襯底1，襯底的下底面涂覆有第二電極7，所述上夾層4在上表面形成一脊型層5，脊型層5的上表面形成有第一電極6 ;其中，放大介質(zhì)薄膜層3包括光信號傳輸載體的薄膜主體和在電場作用下受激發(fā)發(fā)光并與入射光信號相疊加的摻雜離子。為了保證光信號在放大介質(zhì)薄膜層3中的傳輸和摻雜離子能夠在電場作用下在放大介質(zhì)薄膜層受激發(fā)發(fā)光并且與入射信號相疊加，實現(xiàn)光信號的放大。所述薄膜主體的電子-空穴對的帶寬大于摻雜離子的光子能量；所述下夾層2和上夾層4的光折射率低于放大介質(zhì)薄膜層3的光折射率，一般光反射率相差控制在0.1%到20%。本實施例中放大介質(zhì)薄膜層3的薄膜主體材料選擇氧化鋅、氧化鋅硅鍺、氧化銦鎵鋁、氮化鎵、砷化鎵、氮化銦、氮化鋁、氮化銦鋁中的一種，其可以為直接禁帶材料，也可以為非直接禁帶材料，其晶體性質(zhì)可以為單晶材料、多晶材料或非晶材料。摻雜離子選擇為元素周期表中的過度金屬鉻、鈦、銅、鋅、銀、釔，以及鑭系稀土元素鉺、銪、鏑、銩中一種元素的離子態(tài)。本實施例中放大介質(zhì)薄膜層(3)的加工方法為一般的物理氣相沉積法制備，摻雜離子為后期用離子注入法實現(xiàn)摻合。摻雜離子在放大介質(zhì)層(3)中的原子濃度一般為2%。本實施例中上、下夾層的材料為無機材料氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鋇鈦、氧化釔，或有機材料8-羥基喹啉鋁、三(8-羥基喹啉)鋁、聚(N-乙烯基咔唑)、齊聚苯乙烯撐中的一種，且上、下夾層的材料相同。本實施例中第一電極層6和第二電極層7為導(dǎo)電材料銅、鎢、鋁、錫、銦或銦錫氧化物。如圖2所示:上夾層脊型層5的寬度和第一電極6的寬度tl小于放大介質(zhì)薄膜層3的寬度t2,從而在加電后的電場作用下,更好的控制光只在傳輸區(qū)域9中傳輸。

如圖1和圖2所示:本發(fā)明入射信號通過光纖8將光信號輸送到本例中的放大器中，然后被限制在由上、下夾層和放大介質(zhì)薄膜層3形成的一個較小的傳輸區(qū)域10內(nèi)傳輸，直至通過整個放大器進入到另一個介紹光纖。放大器通過第一電極6和第二電極7加壓后在器件中形成電場，使得摻雜離子在電場中受激發(fā)，然后衰減釋放能量，形成與入射光同相的光子，光子對入射信號放大。當前一信號被放大后，另外一批電子會在電場作用下受激發(fā)釋放光子，對下一個光信號進行放大。本發(fā)明光在本實施例中的放大器件中傳輸為一維，但是放大器不限于該結(jié)構(gòu)，可以采用環(huán)繞形、圈形等形狀增長光在放大器中通過路徑的長度從而增加光信號的放大效
果O
權(quán)利要求
1.一種光放大器，其特征在于:包括作為增益區(qū)域的放大介質(zhì)薄膜層，形成在放大介質(zhì)薄膜層上表面和下表面的上夾層和下夾層；以及第一電極層和第二電極層，所述第一電極層通過上夾層脊型層與上夾層復(fù)合，所述第二電極層通過襯底與下夾層復(fù)合； 所述放大介質(zhì)薄膜層包括光信號傳輸載體的薄膜主體和在電場作用下受激發(fā)發(fā)光并與入射光信號相疊加的摻雜離子； 所述薄膜主體的電子-空穴對的帶寬大于摻雜離子的光子能量； 所述下夾層和上夾層的光折射率低于放大介質(zhì)薄膜層的光折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于:所述薄膜主體的材料為氧化鋅、氧化鋅硅鍺、氧化銦鎵鋁、氮化鎵、砷化鎵、氮化銦、氮化鋁、氮化銦鋁材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于:所述摻雜離子為元素周期表中的過度金屬鉻、鈦、銅、鋅、銀、釔，以及鑭系稀土元素鉺、銪、鏑、銩的離子態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于:所述摻雜離子在放大介質(zhì)薄膜層中的原子濃度為0.1%到10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于:上、下夾層的材料為無機介電材料或電絕緣材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于:所述第一電極層和第二電極層為為導(dǎo)電材料銅、鎢、鋁、錫、銦或銦錫氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器，其特征在于:所述第一電極層在光傳輸方向的水平方向上所覆蓋面積小于放大介質(zhì)薄膜層的覆蓋面積。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光放大器件，包括作為增益區(qū)域的放大介質(zhì)薄膜層，形成在放大介質(zhì)薄膜層上表面和下表面的上夾層和下夾層；以及第一電極層和第二電極層，所述第一電極層通過上夾層脊型層與上夾層復(fù)合，所述第二電極層通過襯底與下夾層復(fù)合。本發(fā)明中的光放大器件利用摻雜離子在加電壓下受激發(fā)發(fā)光，對信號在傳輸時進行信號的同相、同頻率放大。本發(fā)明體積小、放大效率高，并可實現(xiàn)很大的信號增益。
文檔編號H01S5/30GK103219646SQ20131009197
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者于宙 申請人:常州鐳賽科技有限公司