吴国锋
中国电子科技集团公司第34研究所
摘要：本文介绍了掺铒波导光放大器的应用领域、常用的制作工艺和方法并回顾了其最近的进展情况。
关键词：掺铒波导光放大器 离子交换法 溅射法 平面光波导
1前言
随着光传送网不断向边缘网领域延伸，各类新的低成本光器件将不断涌现并将在这些领域发挥重要的作用。网络营运商需要一种能在城域网和接入网特定节点上按需给出特定增益量的放大器，这种放大器必须做到价格低廉、维护成本最少、充分利用现有的光纤，并能随着城域网的发展而扩容。2001年出现的商用化掺铒波导光放大器（EDWA）就是其中一种，是适合于城域网应用的新型集成光器件产品，其优势在于它的紧凑性、可靠性、灵活性和较低的制造成本。相对于EDFA，EDWA在尺寸、增益和成本上都有所下降，这样EDWA就可以根据需要在网络的多个地点安装。由于结构紧凑、尺寸小巧，很适合于有限空间内的灵活应用，相对于半导体光放大器，EDWA具有低噪声指数、很小的增益偏振相关性以及不存在通道间的串扰等一些固有优势。
2材料种类及制作方法
EDWA是由嵌入掺铒玻璃基片上的波导组成的，选用合适的波导材料，只需使用数厘米长高浓度的掺铒增益介质，就可以得到常规掺铒光纤几十倍的单位长度光增益。由于单纯增加铒离子浓度会降低铒离子的转换效率，因此，在制造过程中必须要精确地微调并保持平衡才能制造出所需增益的光波导放大器。研究表明，每厘米获得2到3dB的增益是较好的平衡点，根据不同的波导材料，一般采用5到10厘米长的掺铒波导，就可以获得可靠、高效的EDWA。
EDWA的波导材料主要有三类：氧化薄膜(Al2O3、Y2O3、SiO2)、聚合物及纯硅。荷兰原子与分子研究所的实验结果表明：对于氧化薄膜材料，采用1mm2的Al2O3波导材料的最小放大器在10mW的泵浦光下可提供2.3dB的增益；在Y2O3波导材料中共掺杂Eu可提高增益性能并降低上转换影响；在SiO2波导材料中掺入Yb离子或引入Si量子点能改善泵浦效率，通过优化配置，可使放大器的增益高达4.1dB/cm。在聚合物中掺Er可在1.5um波段实现70nm的增益带宽，但量子效率较小。在Si基上生长SiO2缓冲层，再在其上沉积600nm厚、4cm长的Al2O3掺铒波导，上面覆盖SiO2包层，端面抛光，用1480nm波长、10mW的泵源泵浦，在1530nm处可得到4dB的增益，除去波导损耗，实际可得到2.3dB。在硅基上的1cm长的磷硅酸盐（由Er2O3、Al2O3、Na2O、La2O3、P2O5组成）玻璃波导，用21mW的1480nm波长泵浦，在1535处可得到4.1dB的增益。
制造商生产掺铒玻璃波导主要是基于20世纪90年代发展起来的硅基沉积二氧化硅光波导技术，其方法主要有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD）、离子注入法、离子交换法、溅射法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。
目前，制作波导放大器最先进的两种方法是法国Teem光子公司开发的离子交换法和朗讯开发的溅射法。用离子交换法在氧化物玻璃基片上制作出的波导掩埋于玻璃表面下，这样可以保证波导稳定并使其性能得到优化，这种波导具有更低的传输损耗和偏振相关性，可以支持限定的模式，且能够更好的与光纤兼容。溅射法是通过离子束的照射，将块状溅射靶玻璃上的离子溅射出来并在硅片上形成一层掺铒玻璃薄膜，再经过刻蚀工艺形成增益介质波导。波导在覆盖层的保护下，可以在适当的传输损耗下支持高度约束的模式。在这两种制作EDWA的方法中，相对说来离子交换法工艺简单、成本低，应用最多也最成熟。
3产品研制情况
EDWA不仅可以提供单波长而且可以提供多波长的光放大，并且可采用双源双向泵浦的方式以提高各信道的增益；可在同一个基片上集成多个EDWA，形成阵列型的光放大器，大大缩小体积，并可方便地实现DWDM系统中多波长增益的动态调节；在Er波导中共掺Yb或Eu可提高增益性能并提高增益谱的平坦性；根据实际应用需要，可将AWG与EDWA阵列集成在一起，以实现光信道的动态增益均衡；波导型分路器与EDWA集成在一起可应用于接入网。由于技术门限较高，目前能推出商用化EDWA产品的主要还是集中在以下几家公司。
法国Teem光子公司于1998年末首先发布采用非刻蚀或沉积的离子交换法，在玻璃薄片而不是在硅片上制作波导，具有非常低的偏振和损耗特性。随后，美国Northstar光子公司及JDSU也采用了此技术。Teem的EDWA具有低功耗、高性能及低成本，适于接入网及城域网应用，尺寸为81mm´35mm´12mm，仅有半张信用卡大小。该公司在OFC2002上展出的C带功放EDWA集成了一个980的非制冷泵源，提供增益平坦性能，输出功率可从10到15dBm，可支持一到几个信道的DWDM城域网系统。
丹麦NKT集成公司推出的C带(1528-1562nm)20dB高增益EDWA，采用了980nm/100mW泵源，噪声指数小于4.5dB，并可单片集成多个放大器。
美国Molecular光电子公司(MOEC)在OFC2002上展出了其大功率的WaveDaemonTM系列掺铒波导放大器增益模块。在1528-1560nm范围内，小信号增益大于13dB，最大饱和输出功率大于20dBm，噪声指数小于5dB，尺寸为37mm´102mm´13mm。
2002年9月，Teem光子公司和NKT集成公司同时发布采用PECVD制造技术，基于multi-source agreement(MSA)发展的4端口全集成EDWA，尺寸为110mmx95mmx12mm，4端口的增益可分别控制，每端口可达10dBm的输出。此外NKT公司还可提供4及8端口可以分别控制的EDWA，且采用的是非致冷的980nm泵源，其可靠性测试通过了Telcordia GR-1312标准。
美国Waveguide公司推出的1528-1565nm范围的EDWA，在输入光功率为-30dBm时，也能获得12dB的增益，其偏振相关增益小于0.2dB。体积大小为40mm´140mm´10mm。
2000年底成立的美国Inplane光子公司在今年的OFC2003上宣布推出两种新的城域网EDWA放大器产品。其中GEM-A2000产品采用泵浦光共享的方式，集成了4个EDWA，每个放大器可以独立地控制光增益大小，在9x25mm大小的PLC（平面光波回路）芯片上集成了包括分路器、波分复用器、可变光衰减器、泵浦光带阻滤波器及光监控抽头等32种功能光路。而另一种WA-2000产品则采用了集成化的隔离器、WDM耦合器、泵浦光带阻滤波器，是目前全球体积最小的EDWA产品，尺寸大小仅为50mm´10mm´6mm。
此外，Teem光子公司在今年1季度发布的称为PM Metro EDWA-SC的偏振光保持EDWA，尺寸极小(81x35x12mm)，并采用非制冷泵源，可作为城域网单信道功放和前放并可放置于相干光检测器前以改善信号质量。
4结语
EDWA是随着城域网和接入网的广泛应用和发展而出现的，它能够非常容易的与隔离器、相位阵列波导、分插复用器、调制器、光开关等损耗器件集成在同一基片上，从而制成多种光通信集成有源器件，并以其集成度高、体积小、单位长度增益大、成本低、使用灵活等优势正赢得设备制造商和营运商的青睐，而其本身的技术发展和市场应用潜力很大，相信在几年内必将在城域网、接入网及CATV等领域得到大规模的推广应用。
参考文献
1 W.Huang, et al. Fiber-Device-Fiber Gain From a Sol-Gel Erbium-Doped Waveguide Amplifier， IEEE Photonics Technology Letters, Vol.14,No.7,July.2002, pp959-961
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3 A. Polman, Erbium implanted thin film photonic materials, J. Appl. Phys. 82, pp1, 1997.
4 Y.C. Yan, et al. Erbium-doped phosphate glass waveguide on silicon with 4.1dB/cm gain at 1.535um, Appl. Phys. Lett. 71, pp2922, 1997
5 J Shmulovich, High Gain Planar Optical Amplifiers/Arrays ， OFC2003, Vol.1,WK5，pp37
摘自 光纤新闻网
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