一种基于模式复用的片上波导多程光放大器及其放大方法

本发明涉及集成光电子器件和片上光放大，具体是一种基于模式复用的片上波导多程光放大器及其放大方法。

背景技术：

1、随着光通信、数据中心、微波光子学、片上光互连和集成光传感技术的发展，片上光放大器在提高系统链路预算、补偿片上插入损耗、增强片上光信号传输能力等方面具有重要作用。通过在片上波导中引入有源增益材料，可以在泵浦光作用下对信号光进行放大，从而实现紧凑型、可集成的片上光放大功能。

2、传统片上波导光放大器通常采用单一模式在有源波导中传播。信号光以基模进入有源增益波导，并在传播过程中与增益介质相互作用，从而获得光增益。该类结构具有形式简单、传输稳定和易于系统集成等优点，但其放大效果受到有源增益材料、泵浦吸收效率、粒子数反转程度、模场限制因子、有效模式面积和波导传输损耗等因素共同限制。

3、在单一模式单程传播的片上光放大结构中，若希望进一步提高总增益，通常需要增加有源波导长度、提高泵浦功率或提高增益介质浓度。然而，增加有源波导长度会增大芯片面积和传播损耗，并可能带来弯曲损耗和工艺非均匀性问题；提高泵浦功率会增加系统功耗和热效应；提高增益介质浓度则可能导致离子团簇、浓度猝灭或额外吸收损耗。因此，传统单模单程波导光放大结构在有限芯片面积内的增益提升受到限制。

4、多模波导可以支持基模和高阶模式等多个本征模式。不同模式具有不同的横向场分布、有效模式面积和与增益区域的重叠关系。如果能够通过模式复用和模式转换技术，使同一信号光在有源放大区域内以基模和至少一个高阶模式依次传播并分别获得放大，则可以在不单纯增加器件直线长度的情况下，提高信号光与增益介质的有效作用次数和作用长度，从而提升片上光放大效果。

5、然而，高阶模式在多模有源波导中的传输容易受到弯曲损耗、模式串扰和非期望模式耦合的影响。尤其是在有限芯片面积内采用螺旋、蛇形或折叠波导结构时，高阶模式在弯曲区域中更容易发生辐射损耗或模式转换。因此，需要对多模放大波导的宽度、有效模式面积、模场限制因子、弯曲结构和模式复用结构进行综合设计，使基模和至少一个高阶模式均能够低损耗传播并获得有效光增益。

6、此外，在片上波导光放大器中，泵浦光和信号光的合束方式也会影响器件复杂度和插入损耗。若在片上设置波分复用器，则会增加无源器件数量和设计复杂度，并可能引入额外插入损耗。通过在片外完成泵浦光和信号光的合束，并经边缘耦合器输入片上波导，可以简化片上光路结构，降低片上无源器件损耗。

7、因此，亟需一种基于模式复用的片上波导多程光放大器，通过边缘耦合器、模式转换组件、有源多模放大波导和回路波导的协同设计，使同一信号光在有源多模放大波导中以基模和至少一个高阶模式依次传播并分别获得光增益，从而在有限芯片面积内提升片上放大效率和总增益。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于模式复用的片上波导多程光放大器及其放大方法。该片上波导多程光放大器通过模式转换组件使输入信号光在基模和至少一个高阶模式之间转换，并使不同模式的信号光在有源多模放大波导中依次传播和获得光增益，最终转换为基模输出。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、本发明提出的基于模式复用的片上波导多程光放大器包括边缘耦合器组件、模式转换组件、有源多模放大波导和回路波导。

4、其中，边缘耦合器组件用于将片外合束后的泵浦光和信号光耦合至片上波导中，或者用于将片外输入的泵浦光耦合至片上波导中，并且用于将放大后的信号光从片上波导输出。边缘耦合器可以采用端面耦合器、倒锥形耦合器、模斑转换器或其他能够实现外部光纤与片上波导耦合的结构。

5、模式转换组件包括至少一个模式复用器和至少一个模式解复用器。模式复用器用于将信号光从第一模式转换为第二模式，模式解复用器用于将经过放大的第二模式转换为第一模式或目标输出模式。所述模式复用器和所述模式解复用器可以为非对称定向耦合器、多模干涉耦合器、绝热模式转换器、相位匹配模式转换器或其组合。所述基模和所述至少一个高阶模式可以包括te0模式、te1模式、te2模式、tm0模式、tm1模式和tm2模式中的两种或多种。所述第一模式可以为基模或低阶模式，所述第二模式可以为高阶模式。

6、在一个优选实施例中，所述基模和至少一个高阶模式为te0模式、te1模式和te2模式。输入信号光依次以te0模式、te1模式和te2模式在有源多模放大波导中传播并分别获得光增益，随后通过模式解复用器转换为te0模式输出。

7、有源多模放大波导用于支持基模和至少一个高阶模式的传输，并在泵浦光作用

8、下对不同模式中的信号光进行光放大。所述有源多模放大波导由能够在泵浦光作用下提供光增益的有源增益材料构成。所述有源增益材料可以为稀土离子掺杂增益材料、iii-v族半导体增益材料、量子点增益材料、有机增益材料、二维材料增益材料中的一种或多种。所述稀土离子掺杂增益材料可以选自稀土离子掺杂铌酸锂、稀土离子掺杂钽酸锂、稀土离子掺杂氮化硅、稀土离子掺杂氧化铝、稀土离子掺杂玻璃和稀土离子掺杂氧化物晶体中的一种或多种。所述稀土离子包括铒离子、镱离子、铥离子、钕离子、钬离子和镨离子中的一种或多种。

9、回路波导设置于模式解复用器和模式复用器之间，用于将经过前一程放大的信号光引导至后一程的模式转换和放大路径。通过回路波导，可以使同一信号光以不同模式多次经过有源多模放大波导，从而实现片上多程光放大。

10、所述泵浦光和所述信号光在片外经合束器件合束后，可以通过同一边缘耦合器输入片上波导。所述合束器件可以为光纤波分复用器。所述泵浦光可以由有源多模放大波导的一端输入，形成单向泵浦结构；也可以由有源多模放大波导的两端输入，形成双向泵浦结构。双向泵浦结构有利于改善有源多模放大波导中泵浦光沿传播方向的分布均匀性，降低单向泵浦导致的泵浦耗尽和增益不均匀问题。

11、在一个实施例中，泵浦光和信号光在片外通过合束器件合束，合束后的泵浦光和信号光通过同一边缘耦合器输入片上波导。所述合束器件可以为光纤波分复用器。由于泵浦光和信号光在片外完成合束，片上无需设置波分复用器，可以减少片上无源器件数量，降低片上插入损耗和设计复杂度。

12、有源多模放大波导的波导宽度根据所述基模和所述至少一个高阶模式的的传输损耗、有效模式面积和模场限制因子确定。有效模式面积用于表征光场在波导横截面中的分布范围，模场限制因子用于表征不同模式与有源增益区域之间的重叠程度。通过对波导宽度进行设计，可以使基模和至少一个高阶模式均能够在所述有源多模放大波导中传输并具有较低传输损耗和较好的增益作用效果。所述有源多模放大波导可以为螺旋形波导结构、蛇形波导结构、折叠波导结构或环绕式波导结构，以在有限芯片面积内增加有效放大长度。

13、在一个优选实施例中，有源多模放大波导为阿基米德螺旋波导结构。阿基米德螺旋波导结构可以在有限芯片面积内提供较长传播路径，并使弯曲半径沿传播方向连续变化，有利于降低高阶模式在弯曲传播过程中的辐射损耗和模式串扰。

14、在一个进一步的实施例中，有源多模放大波导的螺旋中心过渡区域采用180度欧拉弯曲波导、渐变曲率弯曲波导或圆弧弯曲波导中的一种或多种，以降低螺旋中心过渡区域中的弯曲损耗，并抑制不同模式之间的非期望耦合。

15、综上所述，所述信号光从所述边缘耦合器组件进入所述有源多模放大波导，在所述有源多模放大波导中放大后，经所述模式转换组件中的模式解复用器和模式复用器，以及所述回路波导，在所述有源多模放大波导中完成多程放大，并经所述边缘耦合器组件输出。

16、本发明还提供一种基于模式复用的片上波导多程光放大方法，包括如下步骤：将泵浦光和信号光在片外合束，并通过边缘耦合器耦合至片上波导中；或者，将信号光和第一泵浦光在片外合束后通过边缘耦合器从有源多模放大波导的一端输入，并将第二泵浦光通过另一边缘耦合器从有源多模放大波导的另一端输入；使信号光以基模进入有源多模放大波导，并在泵浦光作用下获得第一程光放大；通过模式转换组件将第一程放大后的信号光转换为至少一个高阶模式；使至少一个高阶模式再次进入有源多模放大波导，并在泵浦光作用下获得第二程光放大；根据需要，将信号光进一步转换为更高阶模式，并继续在有源多模放大波导中进行多程光放大；通过模式解复用器将最终放大后的信号光转换为基模输出。

17、在一个优选实施例中，所述信号光以te0模式在所述有源多模放大波导中获得第一程光放大后，通过te1模式复用器转换为te1模式并获得第二程光放大；所述te1模式经te1模式解复用器转换为te0模式后，再通过te2模式复用器转换为te2模式并获得第三程光放大；所述te2模式经te2模式解复用器转换为te0模式输出。

18、本发明提供的技术方案的有益效果是：

19、1.本发明通过波导模式复用技术，使同一信号光在有源多模放大波导中以基模和至少一个高阶模式依次传播并分别获得光增益，从而提高有限芯片面积内信号光与增益介质的有效作用次数和作用长度。

20、2.本发明通过片外合束器件实现泵浦光和信号光的合束，并通过边缘耦合器将合束后的泵浦光和信号光输入片上波导，片上无需设置波分复用器，有利于降低片上无源器件数量、插入损耗和设计复杂度。

21、3.本发明既可以采用单向泵浦结构，也可以采用双向泵浦结构，从而适应不同增益材料、不同泵浦功率和不同放大长度的设计需求。

22、4.本发明通过模式解复用器将放大后的高阶模式转换为基模输出，有利于与后续单模片上光路兼容。

23、5.本发明的有源多模放大波导根据不同模式的有效模式面积、模场限制因子和传输损耗进行设计，并采用阿基米德螺旋波导结构、渐变曲率弯曲结构或欧拉弯曲结构的一种或多种，在有限芯片面积内增加放大路径长度，同时降低高阶模式在弯曲区域中的辐射损耗和模式串扰，从而有利于提高不同模式在有源波导中的放大效果。

24、6.本发明的有源多模放大波导可基于稀土离子掺杂增益材料、iii-v族半导体增益材料、量子点增益材料、有机增益材料等多种片上增益平台，具有较好的可扩展性。