一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器与制备方法

本发明涉及光放大器领域，更具体地，涉及一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器与制备方法。

背景技术：

1、光纤通信承载着全球互联网90％以上的数据传输，全球互联网流量持续急剧增加，对光纤通信网络宽带产生了巨大的压力。受光纤的非线性效应影响，目前单模光纤中的传输容量已经接近其理论传输极限，对光纤通信网络宽带产生了巨大的压力，为满足下一代超大通信容量的需求，空分复用技术有望从根本上解决单模光纤的容量瓶颈，成为未来宽带网络通信的重要解决方案。而长距离的传输链路以及空分复用器件的使用会带来不可忽略的光能量损耗，因此光放大器是长距离通信系统以及集成光学系统中必不可少的器件，用于补偿光信号在模式变换或者是传输过程中能量损失。商用的单模掺铒光纤放大器(edfa)无法与空分复用光纤系统直接兼容，而且这种光纤放大器因为体积庞大和非集成化，难以满足未来的需求，比如在海底光缆的应用场景中，提供给光放大器的空间非常有限，因此数量受限的传统光纤放大器将无法支持大容量传输的光纤通信系统。

2、随着集成光路和导波光学的发展，芯片传输光信号的能力日渐成熟，进一步通过在片上设计特殊的结构，使得芯片具有与传统光纤通信器件相同的功能，与传统edfa相同，片上波导放大器采用稀土离子掺杂的方式，在通信波段上能够实现高增益、低噪声和宽谱段的放大，可以将数米以上的有源光纤取代为厘米量级的波导，最终将多个商用edfa集成到一个微型芯片上，具有微型化、集成化和易实现规模化制备的优点。但受到加工条件的限制，无机平面edwa无法完美匹配光纤中的光学模式，与现有的光网络通信系统并不兼容。而采用三维加工工艺制备的聚合物edwa，具有工艺可控、结构灵活、拓展性高、材料种类丰富和集成化程度高等众多优势，并且其制备的三维精密波导支持光纤模式的传输，这是常规二维平面波导目前无法企及的，因此聚合物三维光波导放大器在光纤通信领域具有良好的发展及应用前景，为空分复用光纤系统中信号放大提供了一种可靠且极具潜力的替代方案。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术所述的商用的单模掺铒光纤放大器无法与空分复用光纤系统直接兼容，而且因为这种光纤放大器体积庞大和非集成化，难以满足未来的需求的问题，提供一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器与制备方法。

2、本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

3、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

4、一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，包括泵浦光传输波导、多条信号光输入传输波导、多条信号光输出传输波导、多个波分复用器、基底、泵浦光波导一分多路的耦合部分和上包层，所述泵浦光传输波导、信号光输入传输波导和信号光输出传输波导一端与外部光纤连接，所述基底上表面生长有多条所述信号光输入传输波导、多条信号光输出传输波导、多个波分复用器和泵浦光波导一分多路的耦合部分，上包层与所述基底共同将信号光输入传输波导和信号光输出传输波导包裹，所述信号光输出传输波导中掺杂稀土纳米颗粒，所述泵浦光传输波导的输入端与泵浦光波导一分多路的耦合部分连接，所述波分复用器的一端与所述泵浦光波导一分多路的耦合部分和信号光输入传输波导的输入端连接，所述波分复用器的另一端与信号光输出传输波导连接。

5、进一步，所述泵浦光传输波导、信号光输入传输波导和信号光输出传输波导均为三维空间结构，所述三维空间结构由双光子光刻生长得到。

6、进一步，所述三维空间结构包括圆柱体、长方体、圆锥体和球体。

7、进一步，所述三维空间结构支持高斯基模、矢量模式、线性偏振模式和轨道角动量模式中的至少一种光学模式的传输。

8、进一步，所述信号光输出传输波导中掺杂稀土纳米颗粒，包括：

9、将所述稀土纳米颗粒通过超声方法均匀混合到所述信号光输出传输波导的材料中，稀土离子种类为铒、镱、铥和镨中的至少一种，所述稀土掺杂纳米颗粒为nayf4：yb，er纳米粒子、nayf4：er纳米粒子和layf4：yb，er纳米粒子中的至少一种。

10、进一步，所述信号光输入传输波导之间和多路并行的信号光输出传输波导之间的间隔距离均为1～1000μm，所述泵浦光传输波导与信号光输入传输波导的之间距离为1～100μm，所述泵浦光传输波导、信号光输入传输波导、信号光输出传输波导和波分复用器的材质均为高分子聚合物，所述高分子聚合物为ip-dip、ip-s、su-8等光刻胶中的至少一种。

11、进一步，所述基底的厚度为10～1000μm，在信号光为1.5μm的波长处的折射率为1.4～2.0，所述折射率小于泵浦光传输波导、信号光输入传输波导和信号光输出传输波导。

12、进一步，所述信号光输入波导、波分复用器和泵浦光传输波导的材质均为无稀土离子掺杂的高分子聚合物。

13、进一步，所述上包层的厚度为1～1000μm，所述上包层的材质为聚甲基苯烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸缩水甘油酯和紫外固化胶中的一种，在信号光为1.5μm波长处的折射率为1.4～2.0，该折射率小于泵浦光传输波导、信号光输入传输波导和信号光输出传输波导。

14、一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器的制备方法，所述制备方法应用于所述的聚合物三维光波导片上放大器，包括以下步骤：

15、s1：将所述稀土纳米颗粒通过超声方法均匀混合到高分子聚合物中，得到信号光输出传输波导的加工材料；

16、s2：根据信号光输出传输波导的预设结构将信号光输出传输波导的加工材料构建信号光输出传输波导，得到稀土掺杂的信号光输出传输波导；

17、s3：根据泵浦光传输波导、泵浦光波导一分多路的耦合部分和波分复用器的预设结构利用双光子光刻技术在所述基底上表面生长泵浦光传输波导、泵浦光波导一分多路的耦合部分和波分复用器；

18、s4：对生长后的泵浦光传输波导和泵浦光波导一分多路的耦合部分进行显影操作，去除显影操作后未聚合的部分，得到多路并行的泵浦光传输波导和泵浦光波导一分多路的耦合部分；

19、s5：根据信号光输入传输波导的预设结构利用双光子光刻技术在基底上表面生长信号光输入传输波导；

20、s6：对生长后的信号光输入传输波导进行显影操作，去除显影操作后未聚合的部分，得到多路并行的信号光输入传输波导；

21、s7：在所述基底的上表面按照预设的上包层结构刻蚀上包层，得到片上放大器。

22、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

23、本发明的稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，利用双光子光刻技术可以在微型芯片上灵活制备三维空间结构的有源波导，突破平面波导的加工限制，可以兼容光纤中各类的光学模式，实现高阶模式的放大传输，具有高度集成化和微型化的特点，一方面解决光放大器体积大、非集成的问题，另一方面片上放大器能够与多芯少模光纤适配，提供可靠稳定的信号放大方案。

技术特征：

1.一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，其特征在于，包括泵浦光传输波导(1)、多条信号光输入传输波导(21)、多条信号光输出传输波导(22)、多个波分复用器(3)、基底(4)、泵浦光波导一分多路的耦合部分(6)和上包层(5)，所述泵浦光传输波导(1)、信号光输入传输波导(21)和信号光输出传输波导(22)一端与外部光纤连接，所述基底(4)上表面生长有多条所述信号光输入传输波导(21)、多条信号光输出传输波导(22)、多个波分复用器(3)和泵浦光波导一分多路的耦合部分(6)，上包层(5)与所述基底(4)共同将信号光输入传输波导(21)和信号光输出传输波导(22)包裹，所述信号光输出传输波导(22)中掺杂稀土纳米颗粒，所述泵浦光传输波导(1)的输入端与泵浦光波导一分多路的耦合部分(6)连接，所述波分复用器(3)的一端与所述泵浦光波导一分多路的耦合部分(6)和信号光输入传输波导(21)的输入端连接，所述波分复用器(3)的另一端与信号光输出传输波导(22)连接。

2.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，其特征在于，所述泵浦光传输波导(1)、信号光输入传输波导(21)和信号光输出传输波导(22)均为三维空间结构，所述三维空间结构由双光子光刻生长得到。

3.根据权利要求2所述的一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，其特征在于，所述三维空间结构包括圆柱体、长方体、圆锥体和球体。

4.根据权利要求3所述的一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，其特征在于，所述三维空间结构支持高斯基模、矢量模式、线性偏振模式和轨道角动量模式中的至少一种光学模式的传输。

5.根据权利要求2所述的一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，其特征在于，所述信号光输出传输波导(22)中掺杂稀土纳米颗粒，包括：

6.根据权利要求5所述的一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，其特征在于，所述信号光输入传输波导(21)之间和多路并行的信号光输出传输波导(22)之间的间隔距离均为1～1000μm，所述泵浦光传输波导(1)与信号光输入传输波导(21)的之间距离为1～100μm，所述泵浦光传输波导(1)、信号光输入传输波导(21)、信号光输出传输波导(22)和波分复用器(3)的材质均为高分子聚合物，所述高分子聚合物为ip-dip、ip-s、su-8等光刻胶中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，其特征在于，所述基底(4)的厚度为10～1000μm，在信号光为1.5μm的波长处的折射率为1.4～2.0，所述折射率小于泵浦光传输波导(1)、信号光输入传输波导(21)和信号光输出传输波导(22)。

8.根据权利要求7所述的一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，其特征在于，所述信号光输入波导(21)、波分复用器(3)和泵浦光传输波导(1)的材质均为无稀土离子掺杂的高分子聚合物。

9.根据权利要求8所述的一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器，其特征在于，所述上包层(5)的厚度为1～1000μm，所述上包层(5)的材质为聚甲基苯烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸缩水甘油酯和紫外固化胶中的一种，在信号光为1.5μm波长处的折射率为1.4～2.0，该折射率小于泵浦光传输波导(1)、信号光输入传输波导(21)和信号光输出传输波导(22)。

10.一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器的制备方法，其特征在于，所述制备方法应用于权利要求1至9任一项所述的聚合物三维光波导片上放大器，包括以下步骤：

技术总结本发明涉及光放大器领域，更具体地，涉及一种稀土掺杂的聚合物三维光波导片上放大器与制备方法，所述的三维光波导片上放大器，自下而上依次包括基底、泵浦光传输波导、信号光传输波导、波分复用器、上包层，所述泵浦光传输波导、信号光传输波导具有三维空间结构以支持高阶光学模式的传输，所述基片上表面具有数路并行的信号光增益通道，所述的每一路信号光增益通道都会有泵浦光传输通道，为其提供泵浦源，本发明不仅具有高的增益性能和平坦的增益光谱，具有高度集成化和微型化的特点，为长距离的多芯少模光纤系统提供可靠稳定的信号放大。技术研发人员：萧勇光,李朝晖,宋景翠,王春旭,陈庆明,李焱受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13