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田贺斌 杨天新 周佳凝 王颖 李世忱
摘要 介绍了Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器（EDWA）的原理、结构、制备及其优势与局限，同时还介绍了多种基于EDWA的集成放大器件以及它们在城域网/接入网、CATV等光通信领域的应用。
关键词 波导放大器 EDWA 玻璃光波导
1 引言
未来通信将是全光通信已成为共识，与电通信的发展相似，光通信将向小型化、集成化方向发展。工作在1550nm光通信波段的Er3+:Yb3+共掺玻璃波导放大器（EDWA）是继掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体激光放大器（SOA）研制成功以来又一种具有发展前途的光放大器。EDWA制造成本低、单位长度增益高、结构紧凑、尺寸小巧，很适合于有限空间内的灵活应用；另外，EDWA功能集成、简便经济，它能够非常容易的与任何损耗器件集成在一起，如隔离器、相位阵列波导、分插复用器、调制器、光开关、光交叉连接器等，从而为集成光路引进多种有源元件。凭借这些优势，EDWA将在光通信领域发挥越来越大的作用。下文对EDWA发展状况作一个比较系统的介绍，包括器件的制备、优势与局限以及应用等。
2 EDWA的制备
EDWA由内嵌制作在Er3+:Yb3+共掺杂玻璃基片上的光波导组成。光波导结构能够将泵浦光能量约束在截面积非常小、长度较长的区域内，从而提高泵浦光功率密度和有效作用长度，得到很高的单位长度激光增益，约为光纤结构的100倍。
EDWA的制作过程可分为六步：准备玻璃基片、光刻制作保护掩膜、制作光波导、切割打磨、装配尾纤以及封装。
其中制作光波导是以上过程中最关键的一步，光波导结构的优劣决定了EDWA整体性能的高低。光波导的制作主要与基片材料的选择和加工工艺有关，下面分别对这两个方面作简单的介绍。
2.1 基片材料的选用
制作波导的玻璃基片多使用Er3+:Yb3+共掺的硅酸盐或磷酸盐玻璃，这两种玻璃适合作为稀土元素的宿主，它们能够接受非常高的Er3+、Yb3+掺杂率（超过1026原子/m3），这比硅玻璃至少要高100倍。此外，这些玻璃的敏化量子系数接近于1，制作出的波导损耗也比较低。材料中掺杂的Yb3+是泵浦吸收敏化剂，负责将吸收的泵浦光能量转移给Er3+。Yb3+在980nm附近有一个很强的吸收截面，这样就可以使用技术十分成熟的商用980nm半导体激光器作为泵浦源。泵浦源容易获取也是EDWA实用化优势之一。
为了更好的提高玻璃基片的光学性能，还需要寻求最佳掺杂浓度、抑制上转换发光和反向能量传递、减少自吸收、提高热导率、控制OH-离子浓度。也有报道介绍，氟铝酸盐玻璃具有更大的荧光强度和较小的浓度猝灭效应，但是尚未见到应用此种材料制作光波导的文章。
2.2 光波导的制作
现在Er3+:Yb3+共掺玻璃光波导的制作方法主要有五种，分别是离子注入法（Ion-implanted）、RF溅射/等离子体增强化学汽相沉积法（DVD+RIE）/火焰水解涂覆法（FHD+RIE）、离子交换技术（Ion-exchanged）、复合波导和熔胶凝胶技术（Sol-gel）。
目前常用的方法是电场辅助热扩散型离子交换法（FAIE-Field-assisted Ion-Exchanged）。用FAIE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，能够更好的与光纤兼容。
以K+-Na+交换为例，玻璃基片中的Na+能够比较自由的迁移，基片浸入熔融状态下的纯KNO3时，在玻璃表面处会形成K+、Na+浓度梯度，离子将由高浓度区域向低浓度区域扩散以达到平衡。这样，玻璃中心的K+会继续与玻璃中的Na+进行交换从而扩散到更深的玻璃内部，扩散区域的折射率会因K+含量不同而产生相应的增加。如果选通过光刻技术在玻璃表面制作好一定开口宽度的保护掩膜（如铝掩膜、铬-金双层掩膜等）再进行离子交换，就可以得到特定折射率增量分布的条形光波导。但是只进行离子交换形成的光波导的截面是半椭圆形的，它的折射率极大值在表面处，为非对称分布。这种波导稳定性较差，而且在与折射率对称分布的光纤进行对接耦合时，二者会由于模场失配而造成较高的耦合损耗，这会大大影响EDWA的实际应用，所以需要对其进行再处理。若在制作波导的玻璃表面与另一表面之间加适量电场时，由离子交换形成的波导会向玻璃内部整体移动，从而形成折射率极大值位于中心的对称分布掩埋型玻璃波导。
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