顶泵浦光学设备 【技术领域】
本发明涉及一种顶泵浦(top-pumped)光学设备，更特别地涉及一种当来自泵浦光源的光被有效地吸收到位于泵浦光源下面的增益介质结构中时泵浦效率提高的光学设备。
背景技术
一般来说，激光已经被用在光学设备如光波导放大器的泵浦中。激光源具有很高的效率。此外，因为激光的高相干性使其不发散，因此激光源能够以高强度泵浦这些设备。但是，激光源只发射有限波段的光。因此，为了解决这一问题，使用大功率闪光灯作为泵浦光源，以输出宽波段的光。但是，这种闪光灯具有如下缺点，即尺寸大且效率低，并且在操作过程中需要高电压或高电流。
因此，由于近来开发的LED(发光二极管)所输出的光波段更宽且效率更高，因此已经提议使用LED作为常规泵浦光源的替代物。但是，如果将LED用作泵浦光源，由于光从LED的非常小的区域向各个方向散射，因此LED光源的有效泵浦效率将会小于LED光源的理论泵浦效率。因此，在光学设备的顶泵浦布置中一般不采用LED光源。
在2000年3月28授权给Delavaux等人的美国专利6,043,929公开了一种绝热波导放大器。在该专利中，光波导结构包括三个不同宽度的独立区域，即，单模区，绝热区和多模区，由此提高放大器的放大效率。但是，上述专利公开的技术采用了侧泵浦(side-pumping)布置，其中来自泵浦光源地泵浦光经输入终端入射到波导中，因此产生如下所述的几个缺点。
第一，在泵浦光入射到波导的多模区的情况下，由于泵浦光不能在整个多模区中均匀散射，因此信号光不能被均匀放大。
第二，由于泵浦光输入到多模区中，在其中进行大部分的放大，在泵浦光穿过单模区和绝热区之后，a不再对放大起作用，因此放大的实际强度很弱。
【发明内容】
因此，本发明是鉴于上述问题而进行的，本发明的一个目的是提供一种提高了泵浦效率的光学设备，其中来自泵浦光源的光被有效地吸收在位于泵浦光源下面的增益介质结构中。
本发明的另一个目的是提供一种光学设备，在其结构中，来自泵浦光源的光入射到增益介质区域上，并在增益介质区域中进行大部分的放大而不会降低光的强度。
依照本发明，上述和其他目的可以通过提供一种顶泵浦光学设备而实现，该光学设备包括：基体；在基体上形成的下包层；在下包层上形成并通过吸收泵浦光而激发的增益介质结构；以及置于该增益介质结构上的光源，用于通过从光源向下射出的光来泵浦增益介质结构，其中一部分增益介质结构包括在光源束斑中，该部分具有比增益介质结构的其他部分更大的面积。
优选地，顶泵浦光学设备可进一步包括在增益介质结构上形成的上包层，该上包层由可以被泵浦光源辐射的光透射的材料制成。
此外，优选地，增益介质结构在光学设备的信号波段内不具有强吸收性能，但在其他波段内具有强吸收性能，并且增益介质可由下列一组物质中的一种制成：掺杂受激元素的大分子基体，掺杂受激元素的硅基基体，掺杂受激元素的硫系玻璃基体，以及掺杂受激元素的GaN或GaN基基体。更优选地，增益介质可以掺杂奈米晶体和受激元素，最优选地，受激元素可以是稀土元素。
此外，优选地，泵浦光源可以是LED。
此外，优选地，增益介质结构可以在较大面积部分与其他部分之间包括绝热部分。
【附图说明】
本发明的上述和其他目的，特征以及其他优点将从下面结合附图的详细描述中更清楚地理解，其中：
图1是说明常规顶泵浦光学设备如光波导放大器的操作的示意图；
图2是依照本发明一种实施方式的光波导放大器的示意图；以及
图3是说明在图2的光波导放大器中使用的光波导宽度绝热变化的示意图。
【具体实施方式】
现在，在描述本发明的优选实施方式之前，参照图1描述常规顶泵浦光学设备如光波导放大器的操作。
参照图1，在基体100上形成由硅制成的下包层110，在下包层110上形成由掺杂奈米晶体和稀土元素的硅基基体制成的芯层。这里，芯层用作波导120。在波导120上形成由硅制成的上包层130。宽带光源(未示出)安装在波导120上，以便使泵浦光从光源照射到波导120的顶面上。入射到波导120的光在奈米晶体中产生重新结合的电子和空穴，由此来激发稀土元素。入射光从受激稀土元素接收能量，在穿过波导120过程中被放大，然后从波导120射出。
在下文，参照图2和3详细描述依照本发明实施方式的光波导放大器。
图2表示依照本发明实施方式的光波导放大器。这里，为了描述的清楚起见去掉了上包层。
参照图2，在基体100上形成由硅制成的下包层110，在下包层110上形成由掺杂奈米晶体和稀土元素的硅基基体制成的芯层，该芯层作为波导120a。与上述常规波导120的线性结构不同，本发明的波导120a的结构具有包括在LED光源150的束斑中的部分，这一部分具有比其他部分更大的面积。省略的上包层的厚度大约为几十微米，并且它的材料能够透过LED光源150辐射的泵浦光，从而使泵浦光到达波导120a。用作泵浦光源的LED光源150安装在省略的上包层之上。LED光源150可以与省略的上包层间隔开指定的距离，或者与省略的上包层接触。具有上述结构的波导120a吸收从LED光源150辐射的大量泵浦光，并提高光波导放大器的放大效率。用于产生入射到波导120a中的泵浦光的LED光源150不采用LED光源与波导120a的输入终端相连的常规侧泵浦布置，而是采用LED光源150位于波导120a上面的顶泵浦布置，因此来自LED光源150的泵浦光均匀地辐照到波导120a的更大面积上。由此，可以均匀地放大信号波。此外，由于泵浦光在只穿过具有大约几十微米厚的上包层之后直接入射到波导120a的更大面积上，因此可以防止泵浦光强度的任何降低。
图3表示在图2的光波导放大器中使用的光波导120a的宽度绝热变化。这里，光波导120a的宽度绝热变化在光波导领域中已经是众所周知的。光波导的宽度不是突然地改变，而是逐渐地改变，以防止穿过光波导的信号波的模式特性突变。参照图3，光波导分为具有小宽度(a)的窄部和具有大宽度(W)的宽部。光波导120a窄部和宽部之间的宽度变化设定为使光波导120a的宽度在绝热部分T1和T2处逐渐变细。对本发明实施方式中使用的光波导120a进行加工，使其窄部具有10μm的小宽度(a)，宽部具有100μm的大宽度(W)和100μm的长度(L)，绝热部分T1和T2具有1cm的长度。如果可通过波导120a的结构来防止穿过波导120a的信号波的模式特性变化，那么波导120a不限于上述的参数集合，而是可以具有其他各种参数集合。在波导120a制成之后，参数集合可以由穿过波导120a的信号波来确定。但是，一般来说，根据模拟的结果预测和确定参数集合，接着根据确定的参数集合来制造波导120a。
为了防止穿过波导的信号波的模式特性变化，可以使用其他方法而不是波导的面积绝热变化。例如用于调整包层折射率的方法已经频繁地用在波导领域中。
尽管出于说明的目的公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不背离如附属的权利要求书所公开的本发明的范围和精神的各种修改，增加和替换都是可以的。
也就是说，本发明获得的光学设备不只是用在波导放大器中，而是还可以用在无源PIC(光子集成电路)中，如分光器，光信号分离器，或者光多路复用器。
工业实用性
如从上面描述中显而易见，本发明提供一种泵浦效率提高的顶泵浦光学设备，其中，来自泵浦光源的光被有效地吸收在位于泵浦光下面的增益介质结构中。