CN100525148C - 保持法布里-珀罗激光器的模式锁定状态的方法及其光源 - Google Patents

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Abstract

公开了在WDM光通信中使用的一种保持法布里-珀罗(FP)激光器的模式锁定状态的方法和使用该方法的WDM光源。不使用温度控制器，通过光谱分割由光源单元产生的非相干光和射入该光谱分割的光至该FP激光器，可以保持该模式锁定状态，而不考虑温度的变化，然后该FP激光器仅仅放大和输出与该射入光的波长一致的产生激光模式，其中该FP激光器的产生激光的模式间隔被设置为小于该射入光的3dB线宽，以使在该射入光的3dB线宽内至少存在一个产生激光模式，而不考虑外部温度的变化。

Description

保持法布里-珀罗激光器的模式锁定状态的方法及其光源
技术领域
本发明涉及波分多路复用(WDM)光通信，特别地涉及不考虑周围的温度变化保持法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光器的模式锁定状态的方法和结合这种方法的WDM光源。
背景技术
WDM无源的光学网络(PON)通常使用分配给每个用户的唯一的波长提供高速的、宽带通信业务。同样地，WDM-PON可以保证通信的机密性。另外，它可以适应每个用户请求的通信容量扩展，并且仅仅通过增加分配给新的用户的唯一的波长容易地扩大用户的数量。不考虑这些优点，WDM-PON尚未投入实用，是因为它给用户增加了沉重的经济负担，这是由于需要提供中心局(CO)、和具有特定的产生激光或者振荡波长的光源的每个用户终端、以及用于稳定该光源的波长的附加的波长稳定电路。
因此，经济的WDM光源的开发是实现WDM-PON所必须的。为此目的，已经提出了分布反馈(DFB)激光阵列，多频率激光器(MFL)，光谱分割的(spectrum-sliced)光源和具有非相干光的模式锁定的法布里-珀罗(FP)激光器。但是，DFB激光器阵列和MFL要求复杂的制造工艺并且昂贵。另外，光源的波长稳定和正确的波长选择是实现波分多路复用的根本。近来，已经开发了光谱分割的光源，以通过由光学滤光镜或者波导光栅路由器(WGR)光谱分割宽带光信号，来提供多个波分信道。例如：已经提出了发光二极管(LED)，超发光二极管(SLD)，法布里-珀罗(FP)激光器，光纤放大器光源和超短脉冲光源，并且这些单元不要求该光谱分割光源使用特定的产生激光的波长和用于实现波长稳定的外加设备。
建议作为光谱分割光源，LED和SLD不贵并且还具有宽的带宽。但是，LED和SLD适于用作具有较低调制率的上行信号的光源，而不是作为下行信号的光源，是由于它们具有低的调制带宽和低的输出功率。FP激光器是低价格、高输出的单元，但缺点是：它不能提供大量的波分信道，因为它的带宽小，而且当以高速调制和发送光谱分割信号时由于模式分配噪声严重，它的性能降低。超短脉冲光源是相干的，并且还具有非常宽的光源光谱带，但是它难于实现，因为产生激光的光谱稳定性低，而且它的脉冲宽度仅仅几个皮秒。
为了解决上述光源中的缺陷，已经提出了光谱分割的光纤放大器光源，作为通过光谱分割由光纤放大器产生的ASE(放大自发发射)光的大量高功率、波分信道。但是，这个光源必须使用另外的高价格的外部调制器，诸如LiNbO3调制器，用于允许该信道发送彼此不同的数据。
另一个建议的光源被称为具有产生模式锁定信号的非相干光的模式锁定法布里-珀罗(FP)激光器。为了产生模式锁定信号，在从非相干光源诸如LED或者光纤放大器光源中通过波导光栅路由器(WGR)或者光学滤光镜产生宽带宽的光信号之后，将它光谱分割，然后射入没有隔离器的FP激光器。当预定功率电平或者更高的光谱分割信号射入FP激光器时，FP激光器仅仅产生并且输出具有与该射入信号的波长一致的波长的光。这样的具有非相干光的模式锁定FP激光器能够根据数据信号通过直接地调制FP激光器更经济地执行数据传输。
然而，宽带宽、高功率的光信号必须被射入FP激光器，以便使FP激光器输出适合于高速、长距离传输的模式锁定信号。另外，在没有控制外部温度时，当温度变化时，该法布里-珀罗激光器模式改变为另一模式。这个模式变化使得法布里-珀罗激光器从锁定状态释放，偏离与射入的光谱分割信号的波长一致的波长。因此，该模式锁定法布里-珀罗激光器无法适合于作为WDM光源。因此当使用这样的模式锁定法布里-珀罗激光器作为WDM光源时，要适应这样的模式锁定法布里-珀罗，外部的温度控制器(即，TEC控制器)是不可缺少的。
图1表示具有温度控制器的常规的法布里-珀罗(FP)激光器的配置。正如所表示的，常规的FP激光器包括TEC(热电冷却器)控制器1，热敏电阻2，FP激光器3和TEC 4。TEC控制器1通过热敏电阻2检测FP激光器3的温度，并且使用TEC 4控制FP激光器3的温度。
但是，常规的FP激光器增加了包装费用，因为热敏电阻和TEC必须连接到FP激光器，并且需要提供另外的TEC控制器，进一步增加整个费用。这些给用户增加了高的经济上的负担，所以WDM-PON还没有被广泛地接受。
发明内容
通过提供保持法布里-珀罗激光器的模式锁定状态的方法而不考虑温度变化和使用该方法的经济的WDM光源，本发明已经克服了上面的问题并且提供另外的优点。本发明的光源及其方法通过外部的光射入允许保持模式锁定状态而不考虑温度变化，不要求另外的温度控制器。
在本发明的一个方面中，通过从光源单元产生光谱分割非相干光并且射入该光谱分割的光到FP激光器中，实现了保持法布里-珀罗(FP)激光器的模式锁定状态而不考虑温度变化的方法。因此，仅仅放大和输出与该射入光的波长一致的产生激光的模式。在这里，FP激光器的产生激光的模式间隔被设置为小于该射入光的3dB线宽，以便使在射入光的3dB线宽内至少存在一个产生激光的模式而不考虑外部温度的变化。
最好是FP激光器的产生激光的模式间隔大于射入光的3dB线宽的一半，以防止在射入光的3dB线宽内存在两个或者更多个产生激光的模式。FP激光器的产生激光的模式间隔可以通过控制FP激光器的激光腔的长度来控制。
更好地，该射入光相对于它的中心波长具有左右不对称的光谱，以防止在射入光的3dB线宽内存在两个或者更多个产生激光的模式。
根据本发明的另一个方面，提供了一个WDM(波分多路复用)光源，并且它包括一个光源单元；一个法布里-珀罗(FP)激光器，用于仅仅放大和输出与射入到FP激光器的光的波长一致的产生激光的模式的光，同时抑制与射入光的波长不一致的产生激光的模式；一个WDM设备，用于光谱分割从该光源单元产生的光，提供光谱分割的光作为到该FP激光器的射入光，并且多路复用由该FP激光器模式锁定的信号；和一个环行器，用于输入从光源单元产生的光给该WDM设备，并且输出由该WDM设备多路复用的信号给传输链路，其中FP激光器的产生激光的模式间隔被设置为小于射入光的3dB线宽，以便使在射入光的3dB线宽内至少存在一个产生激光的模式，从而保持FP激光器的模式锁定状态而不考虑外部温度的变化。
最好是FP激光器的产生激光的模式间隔大于射入光的3dB线宽的一半，以防止在射入光的3dB线宽内存在两个或者更多个产生激光的模式。FP激光器的产生激光的模式间隔可以通过控制FP激光器的激光腔的长度来控制。
更好地，该射入光相对于它的中心波长具有左右不对称的光谱，以防止在射入光的3dB线宽内存在两个或者更多个产生激光的模式。
附图说明
本发明的上面的和其它的特征以及其它优点从以下结合附图的详细的叙述中会得到更清楚地理解，其中：
图1表示具有温度控制器的常规的法布里-珀罗(FP)激光器的配置；
图2表示根据本发明的优选实施例、采用模式锁定法布里-珀罗(FP)激光器的WDM(波分多路复用)光源的配置；
图3说明一般的FP激光器的模式锁定现象；
图4a至4d说明在FP激光器的产生激光或者振动方式间隔Δλ大于射入光的3dB线宽A的情况下由于周围的温度变化FP激光器的输出光和射入的外部光的波长变化；
图5a至5d说明在FP激光器的产生激光模式间隔Δλ小于射入光的3dB线宽A的情况下由于周围的温度变化FP激光器的输出光和射入的外部光的波长变化；和
图6a以及6b说明在产生激光模式间隔Δλ和FP激光器的空腔长度之间的关系。
具体实施方式
现在参见附图详细描述本发明的优选实施例。在附图中，相同的或者类似的单元以相同的标号表示，即使它们出现在不同的附图中。为了清楚和简明起见，将省略在此包括的已知的功能和配置的详细叙述，因为它可能使得本发明的主题不清楚。
图2表示根据本发明的优选实施例采用模式锁定法布里-珀罗(FP)激光器的WDM(波分多路复用)光源的配置。WDM光源100能够产生给光传输链路200的波分多路复用的光信号，并且包括ASE(放大自发发射)源101、环行器102、AWG(阵列波导光栅)103和FP激光器104。
由于非相干光源具有宽的线宽，因此ASE源101产生并且输出射入FP激光器104的非相干光。
包括第一至第三端口的环行器102通过第一端口接收由ASE源101产生的非相干光，并且通过第二端口输出接收的光给AWG 103。同时，环行器102通过第二端口从AWG 103接收具有非相干光的模式锁定的WDM光，并且通过第三端口输出收到的光到传输链路200。
AWG 103布置在环行器102和FP激光器104之间，并且包括单个多路复用端口和N个解复用端口。AWG 103分别起着光谱分割通过第二端口输入给多路复用端口的ASE光束、然后输出该光谱分割的光束给FP激光器104的作用。AWG 103还起着多路复用从FP激光器104输入的模式锁定的光束、然后输出该多路复用的光束到环行器102的作用。
FP激光器104分别连接到AWG 103的N个解复用端口，并且响应于由AWG 103光谱分割的非相干光束输出模式锁定的光束。在详细地讨论根据本发明的FP激光器的操作前，在下文中叙述一般的FP激光器的模式锁定现象和外部温度变化的有关的影响。
图3说明一般的FP激光器的模式锁定现象。在这个图中，“10”表示一般的FP激光器的光谱，“20”表示输入到FP激光器40的外部非相干光的光谱，和“30”表示当它响应于输入的外部非相干光被模式锁定时FP激光器40的光谱。
如在图3的光谱10中表示的，与输出单个波长的分布反馈(DFB)激光器相反，FP激光器40根据该激光器的材料的增益特性和激光二极管的谐振波长，输出位于单个波长中间以特定的波长间隔安排的多个产生激光的模式。一旦从外部收到相干光或者如在光谱20中表示的非相干光，FP激光器40就仅仅放大并且输出与该射入光的波长一致的产生激光的模式，同时抑制与该射入光的波长不一致的产生激光的模式，正如在光谱30中表示的那样。
如果外部温度变化，则在它没有温度控制设备的情况下，上述的FP激光器从该模式锁定状态释放，以便保持它的工作温度一致。这是因为FP激光器的波长对温度的变化率大约为0.1nm/℃，而用于射入光的光谱分割的AWG的比率大约是0.01nm/℃。因此，由于温度变化，FP激光器的产生激光的模式的光和该射入光之间的光谱重叠不可避免地改变了。
图4a至4d说明了在FP激光器的产生激光模式间隔Δλ大于射入光的3dB线宽的情况下，由于周围的温度变化FP激光器的输出光和射入的外部光的波长变化。在图4a中，“T0”表示周围的温度，并且可以从图4b至4d看到，由于温度增加了ΔT，FP激光器的产生激光的波长是红色偏移。在图4a和4d中，在射入光的3dB线宽A内存在的产生激光模式是模式锁定的，正如粗的箭头所表示的。另一方面，在图4b和4c中，在射入光的3dB线宽A内不存在产生激光的模式，在此该模式锁定现象消失了。
因此，如果即使外部温度变化也可能满足在射入光的3dB线宽A内存在FP激光器的产生激光模式的条件，则FP激光器的模式锁定状态可以被保持，而不考虑温度变化。即，在FP激光器的模式间隔Δλ小于射入光的3dB线宽A的情况下，始终满足上面的条件。
现在参见图5和6说明本发明的教导。
图5a至5d说明在FP激光器的产生激光模式间隔Δλ小于射入光的3dB线宽A的情况下由于周围的温度变化该FP激光器的输出光和射入的外部光的波长变化。在图5a中，“T0”表示周围的温度，并且可以从图5b至5d看到，由于温度增加了ΔT，FP激光器的产生激光的波长是红色偏移。在图5a至5d的所有的情况中，在射入光的3dB线宽A内至少存在一个产生激光的模式，以保持该模式锁定状态，正如粗的箭头表示的。因此，可以知道，图5a至5d的这些情况是与图4b和4c的前者的情况是迥然不同的，图4b和4c的情况在射入光的3dB线宽A内没有产生激光的模式，中断了该模式锁定现象。
参见图2和5，根据AWG 103的特性确定由阵列波导光栅(AWG)103光谱分割的射入光的3dB线宽A，并且通常大约为AWG 103的信道间隔的40％。因此通过控制AWG 103的信道间隔可能使得射入光的3dB线宽A大于FP激光器104的产生激光的模式间隔Δλ。但是，最好是该射入光的线宽比FP激光器的产生激光的模式的线宽大的不太多，以便有效地获得模式锁定现象。也限制射入光的3dB线宽的控制，是因为FP激光器的产生激光模式的线宽具有相对的固定值。
另外，FP激光器104的产生激光模式间隔Δλ取决于它的激光腔长度而变化。图6a以及6b说明了在产生激光模式间隔Δλ和FP激光器104的空腔长度之间的关系。
正如在图6a中表示的，当激光腔长度为d时，产生激光模式间隔Δλ由以下等式表示：
Δλ＝λ2/2nd.
正如在图6b中表示的，当激光腔长度为2d时，产生激光模式间隔Δλ由以下等式表示：
Δλ＝λ2/4nd.
在这些等式中，λ和n分别表示波长和折射率。
换句话说，如果FP激光器的空腔长度增加两倍，则该产生激光模式间隔减少了一半。这样，通过改变该激光腔长度可能控制产生激光模式间隔。
同时，可能有一个关心的问题，即在FP激光器104的产生激光模式间隔Δλ小于3dB线宽A的一半(即当Δλ<A/2)的情况下，在该射入光的3dB线宽A内始终捕捉两个或者更多个产生激光模式。因此，最好是，FP激光器104的产生激光模式间隔Δλ被设置为大于射入光的3dB线宽A的一半(A/2)并且小于3dB线宽A(即A/2<Δλ<A)。而且，在3dB线宽内存在两个或者更多个产生激光的模式的这种特定情况下，存在一个条件，其中在这些模式之间出现增益竞争(gain competition)，因此仅仅一个模式振荡或者产生激光。在射入光相对于它的中心波长具有左右不对称的光谱的情况下，这样的仅仅允许该单模产生激光的条件可以更有效地实现。
正如从上面的叙述中看到的，本发明提供了不使用温度控制器保持法布里-珀罗激光器的模式锁定状态而不考虑外部温度变化的一种方法，和使用该方法的WDM光源。本发明的优点在于：它可能实现不要求温度控制器的经济的和有效的WDM光源，和使用该光源的WDM-PON。
虽然为了说明的目的已经披露了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员可以理解，在不偏离附加权利要求书中披露的本发明的范围和精神的情况下，各种的修改、增加和替代是可能的。

Claims (11)

1.一种保持法布里-珀罗FP激光器的模式锁定状态的方法，该方法包括步骤：
a)设置FP激光器的产生激光的模式间隔小于在其中接收到的光的3dB线宽；
b)光谱分割从光源单元产生的非相干光并且射入该光谱分割的光到该FP激光器；和
c)由FP激光器仅仅放大并且输出与射入光的波长一致的产生激光模式的光，
其中，通过控制该FP激光器的激光腔的长度来控制该FP激光器的产生激光模式间隔。
2.根据权利要求1的方法，其中该FP激光器的产生激光的模式间隔大于射入光的3dB线宽的一半，以防止在射入光的3dB线宽内存在两个或者更多个产生激光的模式。
3.根据权利要求1的方法，其中该射入光相对于它的中心波长具有左右不对称的光谱，以防止在该射入光的3dB线宽内存在两个或者更多个的产生激光的模式。
4.根据权利要求1的方法，其中该光源单元包括一个放大自发发射ASE源。
5.根据权利要求1的方法，其中至少一个产生激光模式位于该射入光的3dB线宽内，而与外部温度的变化无关。
6.一种波分多路复用WDM光源，包括：
一个光源单元；
一个法布里-珀罗FP激光器，用于仅仅放大和输出与射入到FP激光器的光的波长一致的产生激光的模式的光，同时抑制与射入光的波长不一致的产生激光的模式；
一个WDM设备，用于光谱分割该光源单元产生的光，提供光谱分割的光作为到该FP激光器的射入光，并且多路复用由该FP激光器模式锁定的信号；和
一个环行器，用于输入从光源单元产生的光给该WDM设备，并且输出由该WDM设备多路复用的信号给传输链路，
其中该FP激光器的产生激光的模式间隔被设置为小于射入光的3dB线宽，以便使在该射入光的3dB线宽内至少存在一个产生激光的模式，从而保持FP激光器的模式锁定状态而不考虑外部温度的变化，以及
通过控制该FP激光器的激光腔的长度来控制该FP激光器的产生激光模式间隔。
7.根据权利要求6的WDM光源，其中该FP激光器的产生激光的模式间隔大于射入光的3dB线宽的一半，以防止在射入光的3dB线宽内存在两个或者更多个产生激光的模式。
8.根据权利要求6的WDM光源，其中该射入光相对于它的中心波长具有左右不对称的光谱，以防止在该射入光的3dB线宽内存在两个或者更多个的产生激光的模式。
9.根据权利要求6的WDM光源，其中该光源单元包括一个非相干光源。
10.根据权利要求9的WDM光源，其中该非相干光源包括一个放大自发发射光源。
11.根据权利要求6的WDM光源，其中该波分多路复用设备包括一个1×N阵列波导光栅AWG。
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