CN101529757B - 用于光纤数据通信的光发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于扩展短波长和长波长光纤长度的带宽的器件和方法。本发明提供了一种光发射机封装器件，包括：激光二极管；以及直接连接至激光二极管之后并且非常靠近激光二极管的半导体光放大器，其中所述半导体光放大器适于在这样的频域中进行操作，从而所述半导体光放大器对来自所述激光二极管的光波长进行过滤和整形，并且其中所述半导体光放大器偏置到用于所述半导体光放大器的放大阈值之下。该器件还可以包括反馈电路，其包括分光器，其中反馈电路对来自半导体光放大器的经过整形的光输出进行采样，并且动态地调节半导体光放大器和激光二极管中的一个或者二者。在多模光纤的情况下，本发明提供了提供受控的偏移发送到光纤中的额外能力，以及在没有专用光连接器的情况下控制模式噪声的能力。

Description

用于光纤数据通信的光发射机
技术领域
本发明的实施方式总体上涉及高速数据通信协议。
背景技术
在数据通信业中，光纤信道协议(FCP)和光纤连接性(FICON)协议被用于联网、存储以及相关的应用。本领域技术人员将会理解，本公开中的术语“FCP”与术语“FICON”可以互换，因为在此记载的本发明的公开涉及这些协议的物理层属性。已经针对在多个数据率上进行操作的FCP协议定义了光纤光链路，如ANSI所定义的。目前，1Gbit/s和2Gbit/s链路最常使用，尽管正在开始出现诸如4Gbit/s及以上的更高数据率。由于FCP已经被建立作为计算机网络的关键使能器，因此采用较高带宽的FCP链路将是有益的。FCP定义为在最多10km的单模光纤上支持4Gbit/s数据率。以廉价、有效的方式在具有长波长(LX)源(例如，1300nm的中心波长)的单模光纤上实现4Gbit/s以及更高的数据率仍然是一个挑战。
支持4Gbit/s数据率的一种方式是通过使用分布式反馈(DFB)激光器。DFB激光器可以在10km的单模光纤上支持4Gbit/s数据率，但是其相对于Fabry-Perot激光器而言是昂贵的。Fabry-Perot(FP)激光器在较低数据率和较短(例如，3-5km)的FCP链路中可靠地使用。为了使FP激光器能够在10km上以4Gbit/s进行工作，在设计中需要额外的复杂性，以符合FCP标准。
当光脉冲以短波长(SX)光源(例如，850nm)在多模光纤上进行4Gbit/s以及更高数据率的实现来传播通过线路时，短波长(SX)光脉冲以及LX脉冲存在过度的色散。色散是激光中心波长和谱宽的函数。与LX链路的10km相比，SX链路通常规定在100米-300米内。即使是在很短的光链路中，色散也是BER性能的限制因素。
光通信链路需要放大(例如，半导体光放大器、半导体激光放大器、掺杂光纤放大器等)，以便扩展其距离以用于诸如存储区域网络中的故障恢复的应用。已经证明，半导体光放大器(SOA)在这方面是有用的。SOA十分类似于光泵浦的直列半导体激光二极管。在需要极长距离的传统应用中，最为期望的传统SOA特征是高增益。传统SOA设计为具有宽谱宽来适应较大范围的输入设备(以及在某些情况下可能的波长复用)。其放大传入的光信号，而不需要光/电转换。
SOA本身在构造上非常类似于Fabry Perot半导体激光二极管，其使用镜式光腔来实现光信号传播方向的增益。使用镜来增加通过增益介质的有效路径长度，并由此增加总增益。相对于诸如掺杂光纤放大器的其他光学放大技术，SOA可以提供潜在的优点。然而，可以利用任何半导体光放大器(也即，可以相对于其阈值设置进行偏置、并且易于与激光器封装进行集成的放大器)来实施在此公开的本发明。SOA可以与其他半导体器件单片集成在公共芯片或者衬底上，并且以低价大规模生产。SOA可以容易地放大各种波长(包括1300nm和850nm)的光。SOA是放大在诸如FCP的数据通信系统中最常用的1300nm和850nm波长窗口(包括以太网的其他工业标准也使用相同的波长窗口)的一种低价解决方案。在增益箝位(gainclamping)配置中，也经常使用SOA。为了优化可达到的距离，还可以将SOA置于靠近长距离光链路的中部。
通过引用在此并入的美国专利6,674,784，公开了一种分布式反馈激光器器件。通过引用在此并入的美国专利6,584,126公开了一种可调谐Fabry-Perot激光器器件以及一种垂直腔面激光发射(VCSEL)器件。通过引用在此并入的美国专利6,894,833公开了一种用来放大激光器输出的半导体光放大器。通过引用在此并入的美国专利6,839,481公开了一种多模光纤系统。
发明内容
鉴于上文，本发明的实施方式提供一种用于扩展SX和LX光纤长度的带宽的器件和方法。本发明提供一种光学发射机封装器件，包括：激光二极管；以及半导体光放大器，其直接置于激光二极管之后，或者直接连接至或是非常靠近激光器。在此描述的这种配置可以称为具有激光二极管的前置放大器配置，其中半导体光放大器适于在这样的一个频域操作，从而半导体光放大器对来自激光二极管的光学波长进行滤波和整形，并且其中半导体光放大器偏置到用于该半导体光放大器的放大阈值之下。该器件还包括反馈电路，其包括分光器，其中反馈电路对来自半导体光放大器的已整形光输出进行采样，并且动态地调节半导体光放大器和激光二极管中的一个或二者。
在其他实施方式中，本发明的半导体光放大器和激光二极管从激光二极管的中心点相互偏离一个受控的量，使得激光二极管的预定量的光输出耦合至多模光纤。
而且，可以将本发明的半导体光放大器配置为频域谱滤波器，以便调整在1300nm或者850nm标称中心波长的激光二极管的频率内容。本领域的技术人员可以理解，贯穿本说明书，将使用术语“FCP”，可以理解，这里的描述适用于FICON链路的物理层，并且更一般地适用于任何类似光纤光数据通信协议。
通过本发明的技术，将认识到其他特征和优点。在此详细描述了本发明的其他实施方式和方面，并且将其视作要求保护的本发明的部分。为了更好地理解本发明的优点和特征，参考说明书和附图。
当结合下文描述和附图来考虑时，本发明实施方式的这些以及其他方面将得到更好的认识和理解。然而，应当理解，尽管示出了本发明的优选实施方式及其多个具体细节，下文的描述是作为示范而非限制给出的。在本发明实施方式的范围内，可以在不背离其精神的情况下进行多种改变和修改，并且本发明的实施方式包括所有这种修改。
附图说明
现在，将参考附图并且仅作为示例来描述本发明的实施方式，其中：
图1示出了用于扩展光纤带宽的光学发射机封装器件的示意图；
图2示出了用于在多模光纤应用中扩展光纤带宽的光学发射机封装器件的示意图；以及
图3是示出了本发明实施方式的优选方法的流程图。
具体实施方式
将参考非限制性实施方式来更为全面地阐释本发明的实施方式及其各种特征和有益细节，其中非限制性实施方式在附图中示出，并且在下面描述中详述。应当注意，附图中所示的特征未必是按比例绘制的。为了避免不必要地混淆本发明的实施方式，省略了对公知部件和处理技术的描述。在此使用的示例仅仅意在促进对可以实施本发明实施方式的方法的理解，以及进一步使本领域技术人员能够实施本发明的实施方式。因此，不应认为示例是对本发明实施方式的范围的限制。
如上所述，存在着提高光纤带宽的需求。本发明的实施方式通过提供一种器件和方法来实现该需求，该器件和方法使用已有的激光发射机结合共同封装中的半导体光放大器来扩展光纤光长带宽。现在将参考附图，并且更具体地，参考图1到图3，其示出了本发明的优选实施方式，其中贯穿附图，类似的参考文字始终表示相应的特征。
图1的实施方式示出了光发射机封装器件(100)，其包括：激光二极管(102)；以及半导体光放大器(104)，该半导体光放大器直接置于激光二极管之后，或者直接连接至或是非常靠近激光器，在具有激光二极管的前置放大器配置中，其中半导体光放大器适于在这样的频域中操作，从而半导体光放大器对来自激光二极管的光输出(112)进行滤波和整形，并且其中半导体光放大器偏置到用于该半导体光放大器的放大阈值之下。对该前置放大器进行配置包括：将半导体光放大器置于邻近激光二极管处，使得激光二极管的光输出对于激光二极管而言是最高的。半导体光放大器可以提供的任何增益是可选的、可忽略的，或者不提供的。半导体光放大器偏置到放大阈值之下，并且提供对激光二极管的光线输出的光谱属性进行整形。
在另一实施方式中，光发射机封装器件还包括：反馈电路(106)，其包括分光器(110)，其中反馈电路对来自半导体光放大器的经过整形的光输出(114)进行采样，并且动态地调节半导体光放大器和激光二极管中的一个或二者。反馈电路连接到至少一个控制电路(108)，该控制电路动态地调节半导体光放大器和激光二极管中一个或二者的偏压和/或驱动电流。
在图2所示的实施方式中，器件包括激光二极管(102)；以及偏移半导体光放大器，其直接连接在激光二极管之后，或者直接连接到或者非常接近激光器，所述半导体光放大器(202)从激光二极管的中心点偏移一个受控的量，使得激光二极管的预定量的光输出耦合至多模光纤(200)，其中半导体光放大器适于在这样的频域操作，从而半导体光放大器对来自激光二极管的光输出进行滤波和在光谱上进行整形。优选地，将来自半导体光放大器的经过整形的光输出(114)发送到多模光纤的选定模式中。在此实施方式中，在激光二极管与半导体光放大器之间不需要降低模式噪声的光连接器。偏移允许模式噪声的降低。在本发明的又一实施方式中，偏移位于光纤芯直径的50％到90％的范围内。
在本发明的又一实施方式中，具有偏移半导体光放大器的器件还包括反馈电路(106)，其包括分光器(110)，其中反馈电路适于对来自半导体光放大器的经过整形的光输出进行采样，并且连接到至少一个控制电路(108)，所述控制电路动态地调节半导体光放大器和激光二极管中一个或二者的偏压和/或驱动电流。
图3示出了本发明的另一实施方式。图3示出了用于扩展光纤带宽的方法的流程图，该方法包括：将激光二极管直接连接至半导体光放大器(300)；从激光二极管生成光输出(301)；由在具有激光二极管的前置放大器配置中，紧靠激光二极管之后放置的半导体光放大器接收所述光输出(302)；以及通过将光输出发送到半导体光放大器而在光谱上对光输出进行滤波，以产生经过整形的光输出(304)，对来自半导体光放大器的光输出的波长进行整形(306)。该方法还包括：通过调节半导体光放大器或者激光二极管中一个或二者的偏压和/或驱动电流，来动态地调节半导体光放大器和激光二极管中的一个或二者(308)。
在该方法的另一实施方式中，该方法包括有意地偏移激光二极管和半导体光放大器，其中有意地偏移有助于多模光纤中的模式调节。在又一实施方式中，该方法还包括：通过将半导体光放大器从激光二极管中心点偏移一个受控的量、以及将经过整形的光发送到多模光纤中，从而将预定量的光输出耦合至多模光纤。
更特别地，在此公开的器件和方法可以将已有的Fabry-PerotLX激光器在单模光纤上扩展到10km，这是通过使用前置放大器配置中的半导体光放大器(SOA)(其被偏置到阈值之下)来控制激光器谱宽而实现的，如上所讨论的那样。本发明的SOA偏置到其放大阈值水平之下。本发明的前置放大器配置将SOA置于紧靠激光发射机之后，其中在该处激光输出功率已为最高。不同于在时域中使用SOA来实现高增益，本发明的SOA在频域中进行操作，用于波长滤波。这样，SOA充当了丢弃不需要的光谱分量的滤波器；这有效地使Fabry-Perot激光器或者本领域内已知的其他激光器(例如，VCSEL激光器、DFB激光器等)的光谱变窄。
从SOA发出的光具有与输入光的光谱不同的谱宽。由此，进入SOA的光信号的光谱属性将发生改变。波长选择性增益还可以导致额外光功率在不同频率范围间分布。如果SOA在较高的电压或者电流操作(仍然在阈值之下)，则增益增加，并且光谱扩展同样改变。
其余光谱分量仍可以经历某些增益，由此可以调控总的光功率输出。来自SOA的增益可以克服与耦合至所连接激光器和光纤的SOA相关联的任何光耦合或者插入损耗。以此方式，结合的激光器/SOA级联的输出产生其光谱和中心频率符合FCP规范的光信号。
本发明包括在这里公开的器件和方法中使用SOA，该SOA被偏置到阈值之下，并且置于紧靠半导体激光源之后。在这种情况下，不是针对其放大属性而使用SOA。相反，其仅用作频率选择性组件，以便在光谱上对激光器输出进行滤波。SOA以这种方式工作，是因为SOA操作在与期望的激光源相同的波长(通常是1300nm或者850nm)。SOA不进行增益箝位，并且实际上，SOA产生的任意量的增益都并不如其在传统SOA应用中那样关键或者重要。如在此描述的，SOA仅需要选择性地放大激光器光谱所期望的那些分量，以调节整体频率包络以及最小化色散。与诸如掺杂光纤放大器的其他光放大技术相比，SOA可以提供潜在的优点。然而，可以利用本领域技术人员已知的任何光放大器来实施在此公开的发明，只要该放大器操作在半导体激光器的适当波长范围内。
本公开的一些元件包括使用与短波长(SX)VCSEL(应理解，贯穿说明书，对VCSEL激光器的任何讨论适用于本领域已知的任何SX激光器)或者长波长(LX)激光二极管集成的半导体光学放大器(SOA)。SOA直接置于相同封装或者不同封装中的激光器之后。SOA选择性地对激光的光谱内容进行整形，使得结果信号在通过光纤通信链路传播时将经历较少的色散。SOA不提供增益，而是在频域中修改激光的光谱属性。
更特别地，在本发明的又一实施方式中，可以使用基于对输出光进行采样的分光器的反馈回路来动态调节SOA和激光器的偏压或者驱动电流或者二者。本发明的此实施方式使用反馈控制回路来监测SOA偏压，其中具有允许SOA调控激光器偏压的监测和控制电路，作为控制其光谱输出(其谱宽、中心波长或者二者)的手段。本发明还在输出光通过SOA之后对其进行采样，并且可以使用光谱内容或者信号强度来控制SOA偏压和激光器偏压中的一个或者二者。由此，还可以调节SOA驱动电流和激光器驱动电流中的一个或二者。
更特别地，对于包括涉及SX链路和多模光纤的多模应用的实施方式，由于如前所述的多模链路的高损失，发送到光纤的光量应当最大化。然而，可以监测来自SOA的电流，并将其与光谱整形相关联。该信息可以用来通过去往激光二极管驱动器的反馈电路来数字化地控制激光二极管。在多模应用中，有意地偏移激光二极管与放大器的对齐，从而控制模式发送分布，以及优选地仅仅激励光纤的某些模式。这种不对齐将降低可达到的峰值光功率。然而，将偏移考虑在内，光功率应当仍然是最大化的。
如贯穿本公开所描述的，可以通过使用前置放大器配置中的半导体光放大器(SOA)对激光进行色散补偿，以控制激光谱宽。
甚至更特别地，如前所述，前置放大器配置中的SOA位于紧靠VCSEL激光发射机之后，其中激光输出功率已为最高。SOA滤除并且丢弃掉不需要的光谱分量。这有效地使VCSEL激光器的光谱变窄，并对其进行了整形。其余光谱分量经历增益，由此保留了总的光功率输出。实际上，SOA可以提供可选的增益，其可以克服与SOA相关联的任何光耦合或者插入损耗。与单模式光纤的损耗(0.5dB/km)相比，短波长的多模光纤可能具有高得多的损耗(大约每km3-5dB)。本实施方式可以补偿多模光纤色散，以及潜在地增加耦合到光纤中的光功率。在另一实施方式中，如这里所讨论的，可以使用基于如前所述对输出光进行采样的分光器的反馈回路来动态地调节SOA、激光器的偏压或者驱动电流或者二者。本发明提供了控制进入光纤的光的光谱内容。某些类型的标准光纤经历与波长有关的色散，这是由这些器件的制造商规定的。通过提供对光的光谱内容的控制，本发明允许对光纤的已知色散属性进行补偿。
甚至更特别地，对于多模应用，SOA提供了SX收发机中的另一重要功能，也即，激光器与SOA之间有意的不对齐允许对差分模式延迟(DMD)进行补偿。一般地，当将来自SX源的光功率发送到多模光纤中时，应当等同地激活光纤内的所有传播模式。不这么做(例如，通过将多数光功率发送到靠近纤芯附近的模式)导致差分模式延迟(DMD)和模式噪声。
光以非校准的方式发送到多模光纤中，传统上这可以使用光纤连接器/套管来实现，其中光纤在光纤芯直径的50％到90％的范围内位移一定距离。
然而，该方法需要非标准的光连接器，其具有精确的容差，并且是昂贵的。而且，需要用于SX激光链路的不同和较复杂类型的多模连接器组件。相反，本实施方式包括在光收发机内的SOA与激光二极管之间受控的对齐偏移。与关于连接器中的激光器轴来偏移光纤的机械套管不同，本发明通过使用光放大器滤波器来对进入光纤的经过滤波的光进行偏移。由此，只有通过SOA的激光光线的一部分将在光谱上被整形并耦合到光纤；由此，SOA还充当空间滤波器，并且只有通过了SOA的光才将通过光纤传播。通过将SOA从激光器中心点偏移一个受控的量，SOA可以优选地耦合至光纤的较高阶模式，并且实现期望的统一功率分布，而无需特定的光连接器。
对特定实施方式的上文描述相当全面地揭示了本发明的一般特性，通过应用当前的知识，其他人员可以容易地针对各种应用来修改和/或改造这些实施方式，而不背离一般性的概念，因此，应当并且意在将这些改造和修改包含在所公开实施方式的等效项的含义和范围之内。应当理解，在此使用的措辞和术语是出于描述而非限制的目的。因此，尽管已经按照优选实施方式描述了本发明的实施方式，本领域技术人员将认识到，可以以在所附权利要求书的范围内的修改的方式实施本发明的实施方式。

Claims (13)

1.一种光发射机器件，包括：
激光二极管；
半导体光放大器，所述半导体光放大器直接连接至所述激光二极管；以及
控制电路，所述控制电路可操作于将所述半导体光放大器偏置到用于所述半导体光放大器的放大阈值之下，
其中所述半导体光放大器适于在频域中进行操作，从而所述半导体光放大器对来自所述激光二极管的输出光进行滤波和整形，
其中所述半导体光放大器放置在接近所述激光二极管处，使得当所述半导体光放大器接收所述输出光时，所述输出光不显示损耗。
2.如权利要求1所述的器件，还包括：
反馈电路，其包括连接至所述半导体光放大器的分光器，
其中所述反馈电路适于对来自所述半导体光放大器的经过整形的输出光进行采样，以及动态地调节所述半导体光放大器和所述激光二极管中的至少一个。
3.如权利要求2所述的器件，其中所述反馈电路连接至控制电路，其中所述控制电路适于调节选择自所述半导体光放大器和所述激光二极管的至少一个的偏压。
4.如权利要求2所述的器件，其中所述反馈电路连接至控制电路，其中所述控制电路适于动态地调节选择自所述半导体光放大器和所述激光二极管的至少一个的驱动电流。
5.如权利要求1所述的器件，还包括：
连接至所述半导体光放大器的多模光纤，
其中所述半导体光放大器从所述激光二极管的中心点偏移受控的量，使得所述激光二极管的预定量的输出光耦合到所述多模光纤中。
6.如权利要求5所述的器件，其中所述半导体光放大器适于根据所述偏移产生经过整形的输出光，该经过整形的输出光优选地发送到所述多模光纤的选定模式中。
7.如权利要求5所述的器件，其中所述二极管和所述放大器在没有涉及光连接器的情况下连接。
8.一种用于操作光发射机器件的方法，包括：
将激光二极管直接连接到半导体光放大器；
从所述激光二极管生成输出光；
由直接连接至所述激光二极管的所述半导体光放大器来接收所述输出光；以及
通过将所述输出光发送到所述半导体光放大器中而在光谱上对所述输出光进行滤波，以产生经过整形的输出光；以及
对来自从所述激光二极管生成的、并由所述半导体光放大器接收的所述输出光的波长进行整形，
其中所述半导体光放大器放置在接近所述激光二极管处，使得当所述半导体光放大器接收所述输出光时，所述输出光不显示损耗。
9.如权利要求8所述的方法，还包括：动态调节所述半导体光放大器和所述激光二极管中的一个或者二者。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述动态调节还包括：调节选择自所述半导体光放大器和所述激光二极管中的一个或者二者的偏压。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述动态调节还包括：调节选择自所述半导体光放大器和所述激光二极管中的一个或者二者的驱动电流。
12.如权利要求8-11中任一项所述的方法，还包括：
在具有所述激光二极管的前置放大器配置中，将所述半导体光放大器放置在所述激光二极管之后；以及
有意地偏移所述激光二极管与所述半导体光放大器，
其中所述有意偏移有助于多模光纤中的模式调节。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：通过将所述半导体光放大器从所述激光二极管中心点偏移受控的量、并将所述经过整形的光发送到所述多模光纤中，来将预定量的所述输出光耦合至所述多模光纤。
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