CN102301547A - 波长变换激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及并提供了一种波长变换激光系统，其包括半导体光放大器、聚集从光放大器输出的光的光集光器、将经由光集光器的光的各波长分量引导至其他方向的衍射光栅板以及光-VLSI处理器。

Description

波长变换激光系统
技术领域
本发明涉及一种波长变换激光系统，并且更具体地，涉及一种利用光-VLSI(Very Large Scale Integration：超大规模集成电路)处理器的波长变换激光系统。
背景技术
波长变换激光的源极是构成基于WDM(wavelength divisionmodulation：波分复用技术)的光通信网络的主要构成元素。这是因为能够变换波长的激光的源极具有最大的波长选择灵活性和作为波长资源的更有效应用性。
波长变换激光能够选择波长，因此广泛应用于例如基于WDM技术的光通信等。目前作为波长变换激光利用有固体(Solid-state)激光、化学染料(chemical dye)激光等。但是由泵功率的变动导致的噪音变化较大，且需要较为复杂的泵系统，因此难以适用于实际环境中。
从而，在设计波长变换激光系统的过程中，为了寻找能够实现宽发射带(broad emission band)的激光介质(laser media)而付出了很多努力，但实际上，能够CW(Continuous Wave：持续)波长变换的固体状态以及化学染料激光是为了满足一定程度的实际必要条件而开发出的激光。
但是，这些系统的缺点在于泵浦功率(pump power)或者染料喷射(dye jet)的变化带来的噪音较大并且需要复杂的泵系统，从而导致系统体积较大，并且对环境影响较为敏感(susceptibility)。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题而提出的，其目的在于提供一种以利用半导体光放大器、SLD、光VLSI处理器等的极其简单的结构能够实现波长变换，并且结构简单且能够低价制造的波长变换激光系统。
根据本发明的一方面，提供一种波长变换激光系统，其包括：半导体光放大器；光集光器，用于聚集从所述光放大器输出的光；衍射光栅板，用于将经由所述光集光器的光的各波长分量引导至其他方向；以及，光-VLSI(超大规模集成电路)处理器，用于仅将所述被引导的各波长分量的光中的指定波长再次回送给半导体光放大器，所述光-VLSI处理器通过数据解码器和地址解码器施加电流，从而形成所需全息图。
优选，波长变换激光系统进一步包括输出端口，用于将返回到所述光集光器的所述指定波长的光通过所述半导体光放大器放大后发射到外部。
根据本发明的另一方面，提供一种波长变换激光系统，其包括：光源；光集光器，用于聚集从所述光源发射的光；衍射光栅板，用于将经由所述光集光器的光的各波长分量引导至其他方向；光-VLSI处理器，用于仅将所述被引导的各波长分量的光中的指定波长再次回送给所述光源，所述光-VLSI处理器通过数据解码器和地址解码器施加电流，从而形成所需全息图；以及，光耦合器，设置在所述光源与所述光集光器之间，用于分离从所述光-VLSI处理器返回的光。
优选，所述光耦合器具有一个输入端口，所述输入端口连接于所述光集光器，所述光耦合器具有两个输出端口，其中的一个输出端口上连接有发光二极管，另一个输出端口成为实际的输出部。
优选，在一个所述输出端口上连接有多个具有不同波长区域的光源(例如发光二极管)。
另外，作为光源可以利用SLD(超发光二极管)、EDFL(掺铒光纤激光器)。
发明的效果
根据本发明，通过利用半导体光放大器、光-VLSI处理器的非常简单的结构能够实现波长变换，因此能够实现低成本、小型化，并且通过光-VLSI处理器仅发射指定波长的光，从而能够实现非常精密的波长变换。
根据本发明，为了实现波长可变，由半导体光放大器生成的宽幅ASE频谱的任意窄波段与SOA的活动共振结构结合，这是为了利用光-VLSI处理器上的最佳化的相位全息图的增幅(amplification)。
并且，本发明通过变换光-VLSI处理器的相位全息图，实现例如10nm波长可变范围内的稳定的激光性能。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的波长变换系统的概略结构图；
图2是图1所示的光-VLSI处理器160的详细示意图；
图3示出图2所示的光-VLSI处理器用于分析闪耀光栅的像素数的相位水平；
图4是偏转多种像素模块的闪耀全息图的说明图；
图5是使用光-VLSI处理器的光束偏转原理说明图；
图6是根据本发明第一实施例的实际试验结构示意图；
图7是上述试验结构照片；
图8是由半导体光放大器生成的宽带ASE频谱示意图；
图9(a)～(c)是用于选择指定波长的数字相位全息图示意图；
图10是通过将全息图最佳化来选择单波长而测量的输出频谱示意图；
图11是根据本发明的第二实施例的波长变换激光系统的概略示意图；以及
图12是根据本发明第二实施例的波长变换激光系统的另一变形概略示意图。
具体实施方式
下面，为了详细说明本发明以使本领域技术人员能够容易实现本发明的技术方案，参照附图对本发明的优选实施例进行说明。本发明并不限定于下面的实施例，可以有多种变化，只是本发明的实施例用于使本发明的公开更加完整，并且向本领域技术人员告知本发明的保护范围。
(利用半导体光放大器和光-VLSI的波长变换系统)
图1是根据本发明第一实施例的波长变换系统的概略示意图。
如图1所示，波长变换系统10包括光谱分析仪110、半导体光放大器120、光集光器(collimator，准直仪)140、衍射光栅板150以及光-VLSI处理器160。
通过半导体光放大器120发射并放大的宽频放大自发射(broadamplified spontaneous emission)的光入射到光集光器140。通过光集光器140聚集的光经由衍射光栅板150施加在光-VLSI处理器160。
衍射光栅板150具有向光-VLSI处理器160的不同方向分配所聚集光的各波长分量的功能。为了形成所需图案，光-VLSI处理器160仅引导指定波长的光，使其再次经由光集光器140。在后面详细说明光-VLSI处理器160。
另外，经由光集光器140的指定波长光通过半导体光放大器120放大后发射到外部。从而仅发射所需波长的光，实现波长变换。这时，光谱分析仪110(OSA：Optical spectrum analyzer)起到分析发射到外部的光的作用。
光-VLSI处理器160用于将被引导的指定波长的光再次返给半导体光放大器。通过数据解码器和地址解码器施加电流来形成全息图，从而实现回送指定波长的功能。
另外，可以根据需要附加偏光控制器130，起到调节系统所需偏光的作用。
图2是图1所示的光-VLSI处理器160的详细示意图。
如图2所示，在硅基板上依次重叠铝镜、四分之一波长板、液晶材料(LC material)、ITO(Indium Tin Oxide：铟锡氧化物)、玻璃。通过数据解码器和地址解码器施加电流，从而形成所需图案。
光入射到具有上述结构的光-VLSI处理器160，则光通过由光-VLSI处理器160形成的全息图衍射，光的角度根据θ＝λ(qxd)决定。在这里，λ表示入射光的波长，q表示每单位间隔的像素数，d表示像素直径。
更加详细说明，光-VLSI处理器160生成能够调整光束方向和/或能够形成光束的数字全息衍射光栅(digital holographic diffractiongratings)。每个像素相当于用于存储数字值的规定存储元件，并且相当于选择指定输入电压值或将所选择的电压值适用于铝镜(mirrorplate)的多路复用器。
光-VLSI处理器160连接至个人电脑170等，并被电子控制。光-VLSI处理器160可配置有软件，独立偏光(polarizationindependent)。光-VLSI处理器160能够同时控制多个光束。并且大规模生产VLSI芯片是可能的，因此费用较低。并且，光-VLSI处理器160可靠性非常高。这是因为可以实现光束导向(偏转)而无需设置机械操纵部件。由于这些原因，光-VLSI技术作为能够重新配置的光网络而备受关注。
图2示出了光-VLSI处理器的优选结构。在这里，ITO(Indium-Tin Oxide)层用作透明电极，铝镜用作反射电极。在液晶和VLSI背面之间插入薄QWP(quarter-wave plate：四分之一波片)是因为能够实现对偏光不敏感(polarization-insensitive)的光-VLSI处理器。一般情况下ITO层接地，电压通过液晶材料下面的VLSI电路施加到反射电极，这是为了形成用于偏转光束的阶段性闪耀光栅(brazedgrating)。
另外，图3至图5示出了像素尺寸为d的光-VLSI处理器的偏转功能，这是由根据相位(phase)全息图(图4)的闪耀光栅驱动。图3示出了图2所示的光-VLSI处理器用于分析闪耀光栅的像素数的相位水平，图4是偏转对应的多种像素模块的闪耀全息图的说明图，图5是使用光-VLSI处理器的光束偏转原理说明图。
闪耀光栅的间距为q×d时(这时q表示每单位间距的像素数)，如图5所示，光束偏转至与光波长(λ)成正比且与q×d成反比的角度θ。
可以利用例如MATLAB或者Lab View软件生成任意间距的闪耀光栅，这是通过改变施加在各像素的电压，将像素的一模块数字化驱动至恰当的相位水平来实现。并且，入射的光束沿任意方向被动态发射。
实验例
图6是根据本发明第一实施例的实际试验结构示意图，图7是上述试验结构的照片。
图6所示的波长变换激光系统具有半导体光放大器、光集光器(collimator，准直仪)、衍射光栅板以及光-VLSI处理器。
用于实验的半导体光放大器是Qphotonics制造的off-the-self半导体光放大器。由Newport modular控制模块8000(Newport modularcontroller model 8000)驱动半导体光放大器，驱动电流为400mA。
图8是示出由半导体光放大器生成的宽带ASE的频谱的图表。宽带ASE利用直径为1mm的光纤集光器(collimator，准直仪)进行集光，被聚集的光束振荡到1200lines/mm的衍射光栅板。在这里，衍射光栅板扩散沿不同方向聚集的光束的波长元素，将波长元素映射到光-VLSI处理器的活动窗口。
用于本次实验的光-VLSI处理器具有像素尺寸为1μm的一维1×4096像素以及256相位水平，在各像素之间具有0.8μm的非激活空间(dead space，死亡空间)。
使用Lab View软件是为了生成最佳化的数字全息图，最佳化的数字全息图分别偏转沿任意方向入射的光。
为了证明所公开的能够变换波长的激光结构的原理，按照三种方案实施了调查。光-VLSI处理器加载数字相位全息图，数字相位全息图将衰减最小化，并向准直仪(collimator)回送分别为1524.8nm、1527.1nm、1532.5nm等波长并供其耦合。
图9(a)至(c)示出了用于选择指定波长的数字相位全息图和测量所选择的每个波长的半导体光放大器的输出频谱。
图9的(a)至(c)是证明使用光-VLSI处理器的激光波长变换的概念的图，示出了偏转指定波长并将指定波长返回光放大器活动共振结构并与其耦合。如图9的(a)至(c)所示，除了输出波长之外，1529nm还产生20dB以下的输出，这是由半导体光放大器腔(cavity)放大的零次(zeroth order)衍射光束导致。
图10是为通过全息图的最优化选择单波长而测量的输出频谱示意图。10nm的波长变换范围是可以通过光-VLSI处理器实现，具有约7.3mm的活动窗口。
图8是表示在半导体光放大器的ASE频谱中，测量出的3-dB带宽为约40nm是较为重要的图。波长变换范围的扩张性根据半导体光放大器的宽带频谱、活动窗口的尺寸以及光栅板的间距等发生变化。因此通过使用具有尺寸为20nm的活动窗口和600lines/mm的闪耀光栅板的光-VLSI处理器，从而能够实现40nm的波长变换范围。
为了实现波长变换，由半导体光放大器生成的宽带ASE频谱的任意较窄的波段与半导体光放大器的活动共振结构结合，这是为了利用光-VLSI处理器上的最佳化的相位全息图的放大(amplification)。
本发明通过改变光-VLSI处理器的相位全息图，能够实现例如波长可变范围为10nm的稳定的激光功能。
如图1所示，根据该实施例的波长变换系统作为能够变换波长的光过滤器利用光-VLSI处理器以及作为增益介质(gain medium)利用半导体光放大器。
最佳化的数字全息图是为了单独偏转(stirring)沿任意方向入射的波长元素而生成。指定波长通过光束偏转降低衰减，能够与光纤集光器结合。相反，其他的所有波长脱离路径，从而被衰减。
上述被耦合的波长入射到半导体光放大器内部，被放大后生成具有较高振幅的输出光学信号。通过变换上载到光-VLSI处理器的相位全息图来实现波长变换。
(利用SLD和光-VLSI的波长可变激光系统)
图11是根据本发明第二实施例的波长变换激光系统的概略示意图。
如图11所示，波长变换激光系统20包括发光二极管20、光耦合器235、光集光器(collimator)240、衍射光栅板250以及光-VLSI处理器260。
与第一实施例的主要区别在于在第二实施例，以发光二极管代替光放大器120，另外还利用光耦合器235。优选地，使用SLD(superluminescent Diode：超发光二极管)作为发光二极管220。SLD 220是具有激光二极管的较高亮度以及LED的较低相干性(coherence)的发光元件。
根据该实施例，光耦合器235设置在发光二极管220与光集光器240之间，用于分离从光-VLSI处理器260返回的光。光耦合器235优选利用一分二(2by 1)耦合器，从输入端口输入光，则以5∶95或50∶50等所需比率分离后输出。在根据该实施例的结构中，从两个输出端口中的一个输入光。即，从outoput1输入光，则光无法从output2进入，大部分入射到input。之后，经由光-VLSI处理器260返回的光的一部分进入output1，一部分进入output2。这时，构成为大部分进入output2(例如，95％输入到output2，5％输入到output1)，则大部分的光从output2输出。
从而如图11所示，光耦合器235的输入端口为一个，该输入端口连接于光集光器240，输出端口为两个，其中的一个输出端口连接至发光二极管220。
图12是根据本发明第二实施例的波长变换激光系统的另一变换概略结构图。如图12所示，发光二极管220具有多个发光二极管被连接至光耦合器235的输入端口的结构。
这时，光耦合器235的输入端口为一个，该输入端口上连接有光集光器240，并且，光耦合器235具有多个输出端口，每个输出端口连接至多个发光二极管，多个发光二极管中的至少两个具有不同的波长区域。
根据上述结构，具有可以构成较宽波段的效果，更加适用于波长变换激光系统。
根据该实施例，能够分开输入部和输出部，因此结构简单，卸装光源较为容易。
在利用光放大器时，输入部与输出部相同。从图上看没有区别，但实际将该结构组装成系统，则将输入部和输出部分开的系统更加简单。并且，由于分开了输入部和输出部，所以卸装光源较为简单，从而能够安装期望波长的发光二极管(例如SLD)。
并且，还具有与同时安装多个SLD的情况相比能够对更宽的波长进行变换的优点。在利用光-VLSI时，根据SLD或光放大器的频谱分布来决定具有多大的波长变换范围(参照图8)，与同时安装多个SLD时比，能够选择更宽的波长。
另外，可以以EDFL(Erbium doped fiber laser：掺铒光纤激光器)代替SLD(Super luminescent Diode：超发光二极管)220。

Claims (7)

1.一种波长变换激光系统，其特征在于，包括：
半导体光放大器；
光集光器，用于聚集从所述光放大器输出的光；
衍射光栅板，用于将经由所述光集光器的光的各波长分量引导至其他方向；以及
光-VLSI处理器，用于仅将所述被引导的各波长分量的光中的指定波长的光再次回送给半导体光放大器，所述光-VLSI处理器通过数据解码器和地址解码器施加电流，从而形成所需全息图。
2.根据权利要求1所述的波长变换激光系统，其特征在于，进一步包括输出端口，用于将返回到所述光集光器的所述指定波长的光通过所述半导体光放大器放大后发射到外部。
3.一种波长变换激光系统，其特征在于，包括：
光源；
光集光器，用于聚集从所述光源发射的光；
衍射光栅板，用于将经由所述光集光器的光的各波长分量引导至其他方向；
光-VLSI处理器，用于仅将所述被引导的各波长分量的光中的指定波长的光再次回送给所述光源，所述光-VLSI处理器通过数据解码器和地址解码器施加电流，从而形成所需全息图；以及
光耦合器，设置在所述光源与所述光集光器之间，用于分离从所述光-VLSI处理器返回的光。
4.根据权利要求3所述的波长变换激光系统，其特征在于，所述光耦合器具有一个输入端口，所述输入端口连接至所述光集光器，
所述光耦合器具有两个输出端口，其中的一个输出端口连接至发光二极管，另一个输出端口成为实际的输出部。
5.根据权利要求3所述的波长变换激光系统，其特征在于，所述光耦合器具有一个输入端口，所述输入端口连接至所述光集光器，
所述光耦合器具有两个输出端口，其中的一个输出端口连接至多个具有不同波长区域的发光二极管，另一个输出端口成为实际的输出部。
6.根据权利要求3所述的波长变换激光系统，其特征在于，所述光源是超发光二极管(SLD)。
7.根据权利要求3所述的波长变换激光系统，其特征在于，所述光源是掺铒光纤激光器(EDFL)。
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