折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器及制备方法

1.本发明属于聚合物光波导放大器技术领域，具体涉及一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着网络通信技术的飞速发展，基于单模光纤的光通信系统正逐渐接近其容量上限。在目前通信需求的巨大压力下,模分复用(mdm)利用正交模式维度作为少模光纤的并行信道，可以突破单模传输容量的限制，是成倍提升现有光通信能力的新型复用方案。该方案在国内外都获得了广泛关注，被普遍认为是下一阶段解决通信需求的关键技术。
3.光信号在传输过程中，各种模式器件如模式转换器和复用/解复用器等器件产生的模式色散、耦合损耗以及传输损耗都会降低信号的传输距离，增加误码，影响mdm系统的性能。而光放大器可以有效解决这一问题，光放大器直接对光信号进行放大，无需经过光电信号的转换，是补偿信号光传输功率减弱不可或缺的器件。少模光波导放大器能够同时对多个模式信号进行放大，有效补偿由模式器件带来的相关损耗，改善mdm系统性能。
4.少模光波导放大器对多个模式信号放大时不可避免会产生各模式间增益差(dmg)，较大的模式间增益差将会导致系统容量的下降和中断概率的升高。因此，高增益、均衡放大的少模光波导放大器的研制已成为研究热点，也是难点。目前，少模光波导放大器调控增益均衡主要采用泵浦模式调控方案和稀土离子浓度分层掺杂方案。泵浦模式调控方案依赖多个模式泵浦，通过调控不同泵浦模式与信号模式的交叠情况调控模式间增益差。这种方案需要使用多个泵浦源，导致系统复杂、体积大、成本高、不利于集成，同时引入多个泵浦模式将会加强模式串扰，影响信号传输质量。稀土离子浓度分层掺杂方案将有源芯层分为高、低稀土离子掺杂两个区域，通过调配信号模式与增益介质间相互作用的强弱来实现增益均衡，常通过牺牲最大模式增益值来实现低模式增益差。


技术实现要素：

5.针对现有矩形波导结构，基模光场分布主要分布在芯区中心，光场非常集中，光功率占比较高，而高阶模光场主要分布在芯区边缘，在芯区中心分布较少，光功率占比较低，导致高阶模的增益较基模增益低等问题，本发明提供了一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器及其制备方法，该方法基于双层冠状结构少模波导，在稀土离子掺杂浓度为最佳掺杂浓度的条件下，通过对内、外芯层波导折射率微调，调整各模式光场分布，采用单一模式泵浦即可实现高增益、低模式增益差，并且测试系统简单，易于集成，能够补偿片上模分复用系统损耗，为实现高保真度和低串扰的多信号模式传输提供新思路，推动模分复用技术的发展。
6.本发明通过如下技术方案实现：
7.一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器，从下至上依次由二氧化硅衬底1、内芯层2、外芯层3、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)上包层4组成；内芯层2和外芯层3均
为条形结构，内芯层2、外芯层3和聚甲基丙烯酸甲酯上包层4共同位于二氧化硅衬底1之上，内芯层2被包覆在外芯层3之中，外芯层3被包覆在聚甲基丙烯酸甲酯上包层4之中，内芯层2和外芯层3均为掺杂纳米粒子浓度相同的聚合物材料，构成双层冠状结构芯层。
8.进一步地，所述二氧化硅衬底1的折射率为1.444，外芯层3的折射率为1.57-1.58，大于内芯层2折射率，内、外芯层折射率差为0.01-0.02，上包层4的折射率为1.48-1.50。
9.进一步地，所述内芯层2的宽度为3-4μm，厚度为3-4μm，外芯层3的宽度为6-7μm，厚度为1-2μm，且包覆在内芯层2上，二氧化硅衬底1之上的上包层4厚度为7-10μm；掺杂浓度数量级为10
20-10
21
cm-3
。
10.进一步地，掺杂的纳米粒子为nayf4:er
3+
,yb
3+
纳米粒子、bayf4:er
3+
,yb
3+
纳米粒子或nayf4:er
3+
,yb
3+
,ce
3+
纳米粒子。
11.进一步地，内芯层采用的聚合物材料为su-8 2005，外芯层采用的聚合物材料为su-8 2002,但不限于这两种su-8聚合物材料，只需掺杂纳米粒子的聚合物材料折射率符合设计的折射率数值即可。所用上包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯，但不限于这种材料。
12.另一方面，本发明还提供了一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器的制备方法，具体包括如下步骤：
13.s1、使用丙酮、乙醇、去离子水依次对二氧化硅衬底进行清洗；
14.s2、制备掺杂纳米粒子的内、外芯层聚合物溶液；
15.s3、采用旋涂法将内芯层溶液涂覆在二氧化硅衬底上,加热固化形成内芯层；
16.s4、将光刻板ⅰ与芯层对准，紫外曝光、后烘、显影，将光刻板ⅰ上的图案转移到芯层上，加热固化坚膜形成内芯层波导；
17.s5、采用旋涂法将外芯层溶液涂覆在内芯层上，加热固化形成外芯层；
18.s6、将光刻板ⅱ与内芯层波导对准，紫外曝光进行套刻，后烘、显影，将外芯层波导套刻到内芯层波导上，加热固化坚膜形成外芯层波导；
19.s7、采用旋涂法将聚甲基丙烯酸甲酯的环戊酮溶液涂覆在波导上，加热固化形成上包层。
20.进一步地，步骤s2中，芯层聚合物溶液的制备，具体包括如下内容：
21.取浓度为1mg/ml的nayf4:20％yb
3+
,2％er
3+
@nayf4纳米粒子溶液分别与su-8 2005、su-8 2002按照质量比1：11掺杂，并在超声机里40khz频率超声3h使其充分混合，分别配备内、外芯层材料，测得er
3+
的掺杂浓度为2.8
×
10
20
cm-3
，yb
3+
的掺杂浓度为2.8
×
10
21
cm-3
。
22.与现有技术相比，本发明的优点如下：
23.本发明的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器及其制备方法，为了平衡各阶模式与芯区增益介质的重叠，同时使泵浦模式和信号模式光场最大程度的重叠，提出双层冠状波导结构，将传统芯区分割为内芯层和外芯层，通过提高外芯层折射率来增强高阶模光功率占比，提高高阶模与增益介质的相互作用，以此来实现少模增益均衡；利用聚合物折射率易于调节的优点选择合适的聚合物作为掺杂纳米粒子的基质能够有效调节内外芯层折射率；同时内、外芯层纳米粒子均一掺杂，掺杂浓度为能掺杂的最高浓度即为最佳浓度，不以牺牲最大模式增益值来换取增益平衡为代价，能够实现高模式增益；本发明使用的稀土离子掺杂的有机聚合物材料具有基质材料种类多种多样、稀土离子掺杂浓度
高、工艺简单、易于集成、成本低、折射率易于调节等突出优势。
24.本发明所述的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器仅使用单一模式泵浦即可实现高模式增益以及少模增益均衡，且测试系统简单，易于集成，可以很好地解决现有技术中存在的缺陷，有效补偿片上模分复用系统中各种模式器件产生的损耗，解决光通信系统大容量传输问题，推动模分复用技术的发展。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
26.图1：本发明的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器结构示意图以及折射率分布图；
27.图2：本发明实施例中增益材料nayf4:20％yb
3+
,2％er
3+
@nayf4纳米粒子的透射电镜照片，粒子分布均匀，平均粒径约为32nm；
28.图3：本发明实施例中利用980nm红外激光激发nayf4:20％yb
3+
,2％er
3+
@nayf4纳米粒子的发射谱；
29.图4：本发明的基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器的制备方法流程示意图；
30.图5：本发明的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器在comsol软件中利用光束传播法对三个信号模式(lp01、lp11a、lp11b)以及泵浦光模式(lp21b)的光场分布仿真图；
31.图6：利用matlab软件编程仿真得到的本发明的一种基于折射率分布调节的增益均衡光波导放大器的增益随泵浦功率的变化关系曲线；
32.图7：对本发明的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器进行前向泵浦测试的测试系统图。
具体实施方式
33.为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
34.实施例1
35.如图1所示，本实施例提供了一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器，所述少模光波导放大器从下至上依次由二氧化硅衬底1、内芯层2、外芯层3、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)上包层4组成；内芯层2和外芯层3均为条形结构，内芯层2、外芯层3和聚甲基丙烯酸甲酯上包层4共同位于二氧化硅衬底1之上，内芯层2被包覆在外芯层3之中，外芯层3被包覆在聚甲基丙烯酸甲酯上包层4之中，内芯层2和外芯层3均为掺杂纳米粒子浓度相同的聚合物材料，构成双层冠状结构芯层。
36.在本实施例中，所述内芯层2为折射率n1为1.56的su-8 2005，外芯层3为折射率n2为1.57的su-8 2002，折射率差n2-n1为0.01，但不限于这两种su-8聚合物，只需掺杂纳米粒子的聚合物材料折射率符合设计的折射率数值即可。
37.在本实施例中，所述内芯层2的宽度为4μm，厚度为4μm，外芯层3的宽度为6μm，厚度为1μm，且包覆在内芯层2上，二氧化硅衬底1之上的聚甲基丙烯酸甲酯上包层4厚度为7μm。
38.在本实施例中，本发明实施例中所掺杂的纳米粒子为nayf4:20％yb
3+
,2％er
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@nayf4核壳结构纳米粒子，但不限于该纳米粒子(还可以为bayf4:er
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,yb
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、nayf4:er
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,ce
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等)，掺杂浓度数量级为10
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；从图2中可以看出，本实施例的采用的nayf4:20％yb
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,2％er
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@nayf4纳米粒子的粒子分布均匀，平均粒径约为32nm。
39.本实施例的少模光波导放大器在1550nm处可以同时传输放大3个lp模式，分别是lp01、lp11a、lp11b，并且可以通过单一模式泵浦(lp21b)使模式间增益差小于1db，实现少模增益均衡。
40.实施例2
41.如图4所示，本实施例提供了一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器的制备方法，具体包括如下步骤：
42.s1、二氧化硅基片的清洗：采用丙酮棉擦拭除去基片表面的油污，再用乙醇棉擦拭除去无机盐等，最后用去离子水冲洗，清洗干净后吹干待用；
43.s2、芯层材料配备：取浓度为1mg/ml的nayf4:20％yb
3+
,2％er
3+
@nayf4纳米粒子溶液与su-8 2005、su-8 2002按照质量比1：11掺杂，并在超声机里40khz频率超声3h使其充分混合，分别配备内、外芯层材料，测得er
3+
的掺杂浓度为2.8
×
10
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cm-3
，yb
3+
的掺杂浓度为2.8
×
10
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cm-3
；
44.s3、上包层聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)配备：用油纸称量3g聚甲基丙烯酸甲酯粉末放入锥形瓶中，加入27g环戊酮，再加入转子，然后放在加热磁力搅拌器上，设置参数200r，温度45℃，搅拌8h左右；
45.s4、旋涂内芯层材料：将超声后的内芯层材料通过0.45μm分子筛过滤后旋涂在二氧化硅基片上，用尖头镊子使基片微倾斜，将材料铺满整个基片，然后利用匀胶机进行旋涂，旋涂的参数是3000rad/min，时间20秒；
46.s5、前烘：使用电热板将样片烘干：采用阶梯升温法进行烘干，先升温至60℃，并保持此温度10分钟，然后继续升温至90℃，保持20分钟，关闭电热板，自然降至室温，形成厚度为4μm的内芯层薄膜；
47.s6、光刻：利用具有条形结构的光刻版做掩膜，进行紫外光刻(紫外曝光灯参数：波长365nm，19-22mw/cm2)，曝光时间为7秒，将内芯层制成预设形态波导；
48.s7、后烘：将光刻后的样片放在电热板上烘干，同样采用阶梯升温法,先升温至65℃，并保持此温度10分钟，然后继续升温至95℃，保持20分钟,关闭电热板，自然降至室温，使用椭偏仪测得折射率为1.5662；
49.s8、显影：用su-8专用显影液对样片进行显影，然后用异丙醇清洗残留显影液，并用去离子水冲洗干净。显影至波导结构清晰即可，过分显影或显影不足会影响波导性能；
50.s9、固化：将显影后的样片放在电热板上加热固化坚膜，去除残余溶剂，温度为120℃，时间30分钟，关闭电热板，自然降至室温；
51.s10、旋涂外芯层材料：将超声后的外层芯层材料通过0.45μm分子筛过滤后旋涂在内芯层上，用尖头镊子使基片微倾斜，将材料铺满整个基片，利用匀胶机进行旋涂，旋涂的参数是3000rad/min，时间20秒；
52.s11、前烘：使用电热板将样片烘干。采用阶梯升温法进行烘干，先升温至60℃，并保持此温度10分钟，然后继续升温至90℃，保持20分钟，关闭电热板，自然降至室温，形成厚度约为1μm的外芯层薄膜；
53.s12、光刻：利用套刻专用的光刻版做掩膜，对版标记，将外芯层波导中心与内芯层波导中心对准，进行紫外光刻(紫外曝光灯参数:波长365nm，19-22mw/cm2)，曝光时间为7秒，将外芯层制成预设形态波导；
54.s13、后烘：将光刻后的样片放在电热板上烘干，采用阶梯升温法,先升温至65℃，并保持此温度10分钟，然后继续升温至95℃，保持20分钟,关闭电热板，自然降至室温，使用椭偏仪测得折射率为1.5763；
55.s14、显影：用su-8专用显影液对样片进行显影，然后用异丙醇清洗残留显影液，并用去离子水冲洗干净。显影至波导结构清晰即可，过分显影或显影不足会影响波导性能；
56.s15、固化：将显影后的样片放在电热板上加热固化坚膜，去除残余溶剂，温度为120℃，时间30分钟，关闭电热板，自然降至室温；
57.s16、旋涂pmma上包层：使用实验室配制的pmma作为上包层，使用前放在加热磁力搅拌器上一段时间，使得材料不致过于黏稠，用匀胶机旋涂pmma上包层。旋涂的参数是3000rad/min，时间20秒，使用椭偏仪测得折射率为1.485；
58.s17、固化：将旋涂过上包后的样片放在电热板上加热固化坚膜，温度为120℃，时间30分钟,关闭电热板，自然降至室温。
59.对制备的波导的光场进行模拟，如图5所示为在comsol软件中利用光束传播法对三个信号模式(lp01、lp11a、lp11b)以及一个泵浦模式(lp21b)的光场仿真图，可以发现光场被很好地限制在波导芯区，通过重叠积分因子计算公式可以计算得到三个信号模式分别与泵浦模式之间的重叠积分因子，可以发现三个重叠积分因子之间差值较小，代入matlab代码中可以仿真得到增益结果。如图6所示为利用matlab软件编程对实施例中制作的光波导放大器的增益随泵浦功率的变化关系仿真曲线。仿真结果表示在980nm泵浦光泵浦功率400mw泵浦模式为lp21b的条件下，lp11b增益为13.33db，lp11a的增益为13.16db，lp01的增益为12.79db，模式间增益差最大为0.54db，由此可以证明本实施例的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器可以在单一模式泵浦条件下实现高模式增益、低模式增益差，具有测试系统简单、成本低、易于集成等优点。
60.基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器测试系统如图7所示，可调谐激光信号源(tls)输出信号光，通过分束器(bs)被等分成三束，并分别注入模式选择光子灯笼1(mspl1)lp01、lp11a和lp11b单模光纤端口激发三种信号模式，980nm泵浦光注入至mspl1的lp21b单模光纤端口，经光子灯笼少模光纤输出端将lp01、lp11a和lp11b信号光与lp21b泵浦光复用在一起，并注入少模波导放大器。被放大后的信号光通过端面耦合输入光子灯笼2(mspl2)少模光纤端口，并进行模式解复用，光子灯笼2(mspl2)的lp01、lp11a和lp11b单模光纤输出端口分别与光谱仪(osa:andoaq-6315a)相连，以分别测试各信号模式增益特性。同时，用ccd相机分别观测放大前后的各模式光斑。
61.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
62.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
63.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

技术特征：
1.一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器，其特征在于，从下至上依次由二氧化硅衬底(1)、内芯层(2)、外芯层(3)、聚甲基丙烯酸甲酯上包层(4)组成；内芯层(2)和外芯层(3)均为条形结构，内芯层(2)、外芯层(3)和聚甲基丙烯酸甲酯上包层(4)共同位于二氧化硅衬底(1)之上，内芯层(2)被包覆在外芯层(3)之中，外芯层(3)被包覆在聚甲基丙烯酸甲酯上包层(4)之中，内芯层(2)和外芯层(3)均为掺杂纳米粒子浓度相同的聚合物材料，构成双层冠状结构芯层。2.如权利要求1所述的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器，其特征在于，所述二氧化硅衬底(1)的折射率为1.444，外芯层(3)的折射率为1.57-1.58，大于内芯层(2)折射率，内、外芯层折射率差为0.01-0.02，上包层(4)的折射率为1.48-1.50。3.如权利要求1所述的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器，其特征在于，所述内芯层(2)的宽度为3-4μm，厚度为3-4μm，外芯层(3)的宽度为6-7μm，厚度为1-2μm，且包覆在内芯层(2)上，二氧化硅衬底(1)之上的上包层(4)厚度为7-10μm；掺杂浓度数量级为10
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。4.如权利要求1所述的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器，其特征在于，掺杂的纳米粒子为nayf4:er
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纳米粒子、bayf4:er
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纳米粒子或nayf4:er
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,yb
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,ce
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纳米粒子。5.如权利要求1所述的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器，其特征在于，内芯层采用的聚合物材料为su-82005，外芯层采用的聚合物材料为su-8 2002。6.如权利要求1所述的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：s1、使用丙酮、乙醇、去离子水依次对二氧化硅衬底进行清洗；s2、制备掺杂纳米粒子的内、外芯层聚合物溶液；s3、采用旋涂法将内芯层溶液涂覆在二氧化硅衬底上,加热固化形成内芯层；s4、将光刻板ⅰ与芯层对准，紫外曝光、后烘、显影，将光刻板ⅰ上的图案转移到芯层上，加热固化坚膜形成内芯层波导；s5、采用旋涂法将外芯层溶液涂覆在内芯层上，加热固化形成外芯层；s6、将光刻板ⅱ与内芯层波导对准，紫外曝光进行套刻，后烘、显影，将外芯层波导套刻到内芯层波导上，加热固化坚膜形成外芯层波导；s7、采用旋涂法将聚甲基丙烯酸甲酯的环戊酮溶液涂覆在波导上，加热固化形成上包层。7.如权利要求6所述的一种基于折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器的制备方法，其特征在于，步骤s2中，芯层聚合物溶液的制备，具体包括如下内容：取浓度为1mg/ml的nayf4:20％yb
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,2％er
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@nayf4纳米粒子溶液分别与su-8 2005、su-8 2002按照质量比1：11掺杂，并在超声机里40khz频率超声3h使其充分混合，分别配备内、外芯层材料，测得er
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技术总结
本发明公开了折射率分布调节的增益均衡少模光波导放大器及制备方法，属于聚合物光波导放大器技术领域；该少模光波导放大器从下至上依次为二氧化硅衬底、芯层以及聚甲基丙烯酸甲酯上包层，所述芯层包括内芯层和外芯层，所述内芯层的折射率大于所述上包层和衬底的折射率，所述外芯层的折射率略高于内芯层的折射率，内外芯层为掺杂纳米粒子浓度相同的聚合物材料。本发明公开的制备方法，包括旋转涂覆、加热固化、光刻显影、套刻等步骤。本发明所设计的少模光波导放大器能够在单一模式泵浦条件下实现少模信号均衡放大，测试系统简单，模式间增益差小，能够补偿片上模分复用系统损耗，推动模分复用技术的发展。动模分复用技术的发展。动模分复用技术的发展。


技术研发人员：张美玲 高立瞻 于成 史佳慧
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/9/23