CN103503254A - 半导体光学放大器装置及光学矩阵开关 - Google Patents

半导体光学放大器装置及光学矩阵开关 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半导体光学放大器装置(10)。根据本发明，所述半导体光学放大器装置(10)包括：-多个有源单元(12、14)，每一有源单元(12、14)包括光学放大介质的有源条带结构(16、18)及用于将电流注入到所述对应有源条带结构(16、18)中的电流电路(42)，其中每一有源条带结构(16、18)从输入端(20)延伸到输出端(22)；以及-光学分离器装置(34)，其用于分离传入信号光且用于将所述传入信号光的对应部分分配到所述有源条带结构(16、18)的所述不同输入端(20)中，其中所述光学分离器装置(34)经配置以给每一有源条带结构(16、18)供应相同信号。本发明进一步涉及一种对应光学矩阵开关(54)。

Description

半导体光学放大器装置及光学矩阵开关
技术领域
本发明涉及一种半导体光学放大器装置及一种光学矩阵开关。
背景技术
半导体光学放大器装置(下文中称为“SOA装置”)是包括通常呈至少一个带状光学波导(即，“有源条带结构”)的形式的光学放大介质的装置。当用作放大器时，SOA装置是用于在不将光学信号转换成电信号的情况下放大所述光学信号的放大器。这些装置的结构与半导体激光器基本上相同。与激光装置相比，所述SOA装置通常具有用抗反射涂层覆盖以减小其光反射率的连接端部分，使得SOA装置通常不具有光学共振器结构。因此，SOA装置通常响应于输入光学信号而输出由于受激发射而经放大的光，但抑制激光振荡。
发明内容
SOA装置的有源条带结构在将电流注入到有源条带结构中时放大传入光学信号，且在无电流注入到有源条带结构中时展现高光吸收能力。因此，有源条带结构充当其核心层的的光学波导能够放大以及接通及关断所导引光。
文件EP0851548Al揭示一种包括具有光学放大介质的有源条带结构的SOA装置。
存在对以高度集成方式切换、广播及放大光学信号以构建大的全光学交叉连接或快速光学开关的强烈需求。
迄今为止的现有解决方案通常包括数个光学组件，借助这些光学组件在不同离散组件中以甚至极多样技术完成三种不同功能-切换、广播及放大。对于切换光学阻挡器，通常使用马赫-曾德调制器及(可变)光学衰减器。对于广播，通常使用光学分离器。最终，现有光学放大器装置通常是基于EDFA(掺铒光纤放大器)或SOA技术。
此外，存在对用于光学通信网络中的交叉连接应用的光学信号的光学矩阵开关的强烈需求。
当今使用各种技术来构建全光学开关，如具有热效应、压电效应或其它物理效应的2D-MEMS、3D-MEMS、MZI；基于压电效应的机械光束导向、基于压电效应的微镜等。然而，由于机械约束，此些方案通常不能按比例缩放超过1300×1300开关大小。另外，此些机械概念通常具有不可能广播信号的缺点，但此对于电信输送开关来说是支持各种网络保护方案(例如，SNCP)必不可少的。构建光学开关的另一方式是光学纵横式开关。
T.齐藤(T.Saito)等人：“使用新颖沟槽形成工艺具有吊桥式结构的聚合波导光学开关(Polymeric Waveguide Optical Switch With Bascule Structure Using Novel TrenchForming Process)”；光波技术期刊(Journal of Lightwave Technology)，第27卷，第6期，第791到798页(2009)揭示一种光学纵横式开关(矩阵开关)。然而，此种类的纵横式开关的一个问题是其电力损耗。假设(举例来说)每切换点仅0.1dB的穿过损耗，则1000×1000开关将具有最多100dB损耗且所述损耗取决于切换点自身，此为不合意的。
本发明的一些实施例提供一种用于以高度集成方式切换、广播及放大光学信号的简单但有效的光学放大器装置且提供一种简单但有效的光学矩阵开关。
根据本发明的实施例的半导体光学放大器装置(SOA装置)包括多个有源单元及一光学分离器装置。每一有源单元包括光学放大介质的有源条带结构及用于将电流注入到所述有源条带结构中的电流电路，其中每一有源条带结构从输入端延伸到输出端。光学分离器装置适于分离传入信号光且将此传入信号光的对应部分分配到有源条带结构的不同输入端中，其中所述光学分离器装置经配置以给每一有源条带结构供应相同信号信息。
传入信号光经由光学输入进入光学分离器装置且被导引到光学分离器装置。此光学分离器装置分离传入信号光且将所述传入信号光的对应部分分配到有源条带结构的不同输入端中。每一条带结构属于SOA装置的对应有源单元。光学分离器给每一有源条带结构供应相同信号信息(尤其是传入信号光的完整信号信息)。在不同有源条带结构内，可借助于可个别寻址的电流电路个别地操纵光信号的不同部分。在此操纵之后，(经操纵)传出信号光经由有源条带结构的个别输出端中的输出端及SOA装置的光学输出离开SOA装置。
根据本发明的实施例的SOA装置在下文中称为“n路SOA装置”，其中n(n=2、3、…)个不同有源条带结构界定不同路。取决于不同有源条带结构中的不同种类的操纵，SOA装置可用于切换、广播及放大光学信号。在此上下文中，切换意指接通/关断每一个别有源单元及/或在这些有源单元之间(在这些路之间)切换且广播意指借助于所有有源单元或至少借助于多个有源单元的发射(组播)。
光学分离器可基于各种光学元件，如(举例来说)棱镜、光纤、透镜及其组合。根据本发明的优选实施例，光学分离器包括具有至少一个透镜的透镜系统。
根据本发明的另一优选实施例，有源单元中的至少一者包括在其有源条带结构的输出端处的输出反射器结构。优选地，有源单元中的每一者包括在其有源条带结构的输出端处的输出反射器结构。这些个别输出反射器结构允许对装置的设计，借此可自由选择光学输出的位置。
有源单元可在其输入端处具有个别输入反射器。根据本发明的优选实施例，半导体光学放大器装置具有横跨有源条带结构的多个输入端的共同输入反射器结构。优选地，所述共同输入反射器结构横跨有源条带结构的所有输入端。
根据本发明的另一优选实施例，电流电路为用于将电流注入到对应有源条带结构中的个别可控制电流电路。所述电路包括切换装置，如用于控制所注入电流的晶体管。
根据本发明的又一优选实施例，有源单元中的至少一者包括用于任选地抑制传出信号光的可连接阻挡装置。所述阻挡装置可基于各种不同的可连接阻挡机制。阻挡机制可为例如经由单独阻挡电流对输出反射器的反射率或压电效应的改变。优选地，所有单元包括此些阻挡装置。
本发明的一些实施例涉及前述半导体光学放大器装置用于切换及/或广播及/或放大光学信号的用途。
SOA装置当前有希望用作此些光学矩阵开关的光学门控元件，因为SOA装置每切换时间的消光比通常大于电吸收半导体调制器或光学定向耦合器开关每切换时间的消光比。因此，前述半导体光学放大器装置优选地用于光学矩阵开关(光学纵横式开关)中的切换。
根据本发明的实施例的光学矩阵开关(光学纵横式开关)包括借助于列波导及行波导连接成矩阵阵列的多个前述半导体光学放大器装置。
根据本发明的优选实施例，每一半导体光学放大器装置进一步包括输出连接范围，所述输出连接范围将输出端及/或输出反射器结构中的一者连接到光学矩阵开关的列波导且将输出端及/或输出反射器结构中的另一者连接到光学矩阵开关的行波导。
根据本发明的另一优选实施例，所述输出连接范围包括用于连接的光学波导，所述光学波导具有相应直径，其中光学波导的弯曲半径大于对应光学波导的直径的两倍。
依据下文中所描述的实施例将明了本发明的这些及其它方面且将参考所述实施例来阐明所述方面。
附图说明
图1是展示根据本发明的第一优选实施例的SOA装置的俯视图的示范性示意性表示，
图2是展示根据本发明的第二优选实施例的SOA装置的俯视图的示范性示意性表示，
图3示意性地描绘包括根据本发明的第三优选实施例的多个SOA装置的示范性光学矩阵开关，且
图4是展示具有输出连接范围的SOA装置的俯视图的示范性示意性表示，所述输出连接范围将输出端及/或输出反射器连接到图3中所展示的光学矩阵开关的列波导及行波导。
具体实施方式
图1展示半导体光学放大器(SOA)装置10的示范性示意性表示。SOA装置10包括n(其中n≥2)个有源单元12、14。每一有源单元12、14包括光学放大介质的有源条带结构16、18且从输入端20延伸到输出端22。至少一些或优选地所有有源条带结构16、18彼此平行地布置，在SOA装置10的一侧处具有输入端20且在SOA装置10的相对另一侧处具有输出端22。SOA装置10的所述一侧是具有SOA装置10的单个光学输入24的输入侧且所述另一侧是具有SOA装置10的多个光学输出26、28的输出侧。每一光学输出26、28可对应于有源单元12、14中的一者。
每一有源单元12、14进一步包括位于对应有源条带结构16、18的输出端22及对应光学输出26、28处的个别输出反射器结构30、31，其中每一输出反射器结构30、31邻接对应有源条带结构16、18的输出端22。SOA装置10进一步包括横跨有源条带结构16、18的多个输入端20的共同输入反射器结构32以及光学分离器装置34。光学分离器装置34是用于分离传入信号光(箭头36)且用于将传入信号光的对应部分分配到有源条带结构16、18的不同输入端20中的装置34，其中光学分离器装置34给每一有源条带结构16、18供应传入信号光的相同信号信息。所述光学分离器装置34位于SOA装置10的光学输入24与有源单元12、14的共同输入反射器结构32之间。图1、2及4中所展示的光学分离器装置34可包括具有发散透镜40的透镜系统38。
每一有源单元12、14进一步包括电流电路42，其用于将电流注入到对应有源条带结构16、18中以用于操纵传出信号光(箭头44、46)。在本文中，术语“操纵”意指作为改变注入到装置中的电流的结果而改变光学信号的状态。举例来说，当将电流注入到有源条带结构中时可放大传入光学信号，且当无电流注入到有源条带结构中时可显著吸收(因此阻挡)传入光学信号。
传入信号光(箭头36)经由光学输入24进入光学分离器装置34且被导引到光学分离器装置34。此光学分离器装置34分离传入信号光(箭头36)且将传入信号光(箭头36)的对应部分(箭头48、50)分配到有源条带结构12、14的不同输入端20中。光学分离器34给每一有源条带结构16、18供应相同信号信息，尤其是通过分离器34将传入信号光(箭头36)的信号信息从光学输入24实质上相同地传送(但经分离)到有源条带结构16、18。
在不同有源条带结构16、18内，可借助于可个别寻址电流电路42个别地操纵光信号的不同部分。在此操纵之后，(经操纵)传出信号光(箭头44、46)经由有源条带结构16、18的个别输出端22及SOA装置10的光学输出26、28离开SOA装置10。
图2展示另一SOA装置10，其是实质上以与图1中所展示的SOA装置相同的方式结构化的。主要差异是用于任选地抑制传出信号光(箭头44、46)的额外可连接(非永久性)阻挡装置52。每一有源单元12、14可包括这些可连接阻挡装置52中的一者，其中输出反射器结构30、32可为阻挡装置52的部分。阻挡装置52可基于各种不同可连接阻挡机制。阻挡机制可为(举例来说)经由单独阻挡电流对输出反射器的反射率或压电效应的改变。
SOA装置10可用于切换及/或广播及/或放大光学信号。
此SOA装置10的一个优势是其允许将至少三个离散元件(在常规解决方案中情况通常如此)的个别功能(切换及/或广播及/或放大)组合到可高度集成于光学集成电路中的一个元件中。在光学处理领域中，高度集成变为高度合意的。
图3展示包括多个如图4中所展示的SOA装置10的光学矩阵开关(光学纵横式开关)54。所述SOA装置借助于行波导56及列波导58(交叉连接)连接成矩阵阵列。
优选地，光学矩阵开关54的每一SOA装置10进一步包括输出连接范围60(如图4中所描绘)，输出连接范围60将输出端22处的输出反射器结构30、31连接到光学矩阵开关54的对应行波导56及列波导58。输出连接范围60包括具有相应直径的光学波导62、64。在此些波导弯曲的情况中，这些光学波导62、64中的每一者的弯曲半径大于对应波导62、64的直径的两倍以确保波导62、64的充足光导引特征。
纵横杆是用于构建电交叉连接的已知结构。可将此结构制作为如相关技术中已知的单级或多级(例如，CLOS架构)。因此，根据本文中所描述的实施例的具有两个有源单元12、14的SOA装置10(双程SOA装置10)可用于构建光学纵横式开关54。在每一交叉连接点处，双程SOA装置10可用于
a)为传入信号光(箭头36)提供到充当切换点的下一双程SOA装置10的实质上较少损耗的路径，及
b)如果光学输出28为所要的输入信号，那么切换到光学输出28，或在将信号广播/组播到众多输出的情况中，切换光学输出26、28。
图4展示用作光学矩阵开关54中的切换点的装置10的更多细节。图的左手侧上的传入光通常在双程SOA装置10的第一有源单元12(未展示)中较少损耗地穿过而切换到连接到行波导(所谓的水平波导)56的输出，其中传入信号光可用于对应行的每一切换点。可根据连接请求借助双程SOA装置10的第二有源单元14(未展示)将传入信号切换到输出28。来自输出反射器结构31的信号将被馈送到借助其将一个输出连接到所有切换点的列波导(所谓的垂直波导)58中。通常此可使用“光学组合器”结构来完成。由于传入信号可变得可用于所有传出信号，因此可容易地完成传入信号的组播及广播。
有源SOA装置10与无源装置的组合也可被认为是(例如)使仅每第10个交叉作为有源装置(用作开关)且其间具有(例如)9个无源开关。在例如光波技术期刊(第27卷，第6期，第791到798页(2009))中的上文所提及论文的文献中已知无源开关。
虽然已在图式及前述说明中详细地图解说明及描述了本发明的实施例，但此图解说明及说明应视为说明性或示范性而非限制性；本发明并不限于所揭示的实施例。
根据对图式、揭示内容及所附权利要求书的研究，所属领域的技术人员在实践所主张的发明中可理解并实现所揭示实施例的其它变化形式。在权利要求书中，“包括(comprising)”一词并不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一(a或an)”并不排除多个。在互不相同的附属权利要求中陈述某些措施的单纯事实本身并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何参考符号均不应解释为限制范围。

Claims (10)

1.一种半导体光学放大器装置(10)，其包括
多个有源单元(12、14)，每一有源单元(12、14)包括光学放大介质的有源条带结构(16、18)及用于将电流注入到所述有源条带结构(16、18)中的电流电路(42)；
输出反射器结构(30、31)，所述输出反射器结构(30、31)在有源单元(12、14)的有源条带结构(16、18)的输出端(22)处，其中每一有源条带结构(16、18)从输入端(20)延伸到输出端(22)；
光学分离器装置(34)，其用于分离传入信号光且用于将所述传入信号光的对应部分分配到所述有源条带结构(16、18)的所述不同输入端(20)中，其中所述光学分离器装置(34)经配置以给每一有源条带结构(16、18)供应相同信号信息；以及
共同输入反射器结构(32)，其横跨所述有源条带结构(16、18)的所述多个输入端(20)。
2.根据权利要求1所述的半导体光学放大器装置，其中所述光学分离器装置(34)包括具有至少一个透镜(40)的透镜系统(38)。
3.根据权利要求1或2所述的半导体光学放大器装置，其中所述有源单元(12、14)中的至少一者包括在其有源条带结构(16、18)的所述输出端(22)处的输出反射器结构(30、31)。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的半导体光学放大器装置，其中所述半导体光学放大器装置(10)具有横跨所述有源条带结构(16、18)的多个输入端(20)的共同输入反射器结构(32)。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的半导体光学放大器装置，其中所述电流电路(42)为用于将电流注入到所述对应有源条带结构(16、18)中的个别可控制电流电路(42)。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的半导体光学放大器装置，其中所述有源单元(12、14)中的至少一者包括用于任选地抑制传出信号光的可连接阻挡装置(52)。
7.一种根据前述权利要求中任一权利要求所述的半导体光学放大器装置(10)用于切换及/或广播及/或放大光学信号的用途。
8.一种光学矩阵开关(54)，其包括借助于列波导(58)及行波导(56)连接成矩阵阵列的多个根据权利要求1到6中任一权利要求所述的半导体光学放大器装置(10)。
9.根据权利要求8所述的光学矩阵开关，其中每一半导体光学放大器装置(10)进一步包括输出连接范围(60)，所述输出连接范围(60)将所述输出端(22)及/或所述输出反射器结构(30、31)中的一者连接到所述光学矩阵开关(54)的所述列波导(58)且将所述输出端(22)及/或所述输出反射器结构(30、31)中的另一者连接到所述光学矩阵开关(54)的所述行波导(56)。
10.根据权利要求9所述的光学矩阵开关，其中所述输出连接范围(60)包括用于所述连接的光学波导(62、64)，所述光学波导具有相应直径，其中光学波导(62、64)的弯曲半径大于所述对应光学波导(62、64)的直径的两倍。
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