CN104570403B - 可调谐波长滤波器及其在外腔型可调谐波长激光器的应用 - Google Patents

Abstract

提供了具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器和外腔型可调谐波长激光器模块。详细地说，具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器和外腔型可调谐波长激光器模块通过使用金属薄膜在利用聚合物制造光波导的过程期间，在根据在与光波导具有相同的温度分布的等温层上的点上的温度的阻抗变化，形成金属温度传感器，以准确地测量光波导的温度，来实现波长稳定性。

Description

可调谐波长滤波器及其在外腔型可调谐波长激光器的应用

相关申请的交叉引用

本专利申请根据35 U.S.C.§119要求于2013年10月24日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0127282和于2014年10月16日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2014-0139725的权益，该发明通过参考的方式以其整体内容并入本文中。

技术领域

以下公开涉及一种具有嵌入式金属温度传感器和外腔型可调谐波长激光器模块的可调谐波长滤波器。详细地说，具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器和外腔型可调谐波长激光器模块通过使用金属薄膜在利用聚合物制造光波导的过程期间在根据在与光波导具有相同的温度分布的等温层上的点上的温度的阻抗变化，形成金属温度传感器，以准确地测量光波导的温度，来实现波长稳定性。

背景技术

波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)光通信技术是一种当前并且主要应用到支柱网络和城域网中的技术的一种，并且涉及用于在包括光纤的光线路上执行波分复用(WDM)和发送多个高速信号的技术。WDM传输网络要求选择性地分支/结合一些波长的光分插复用器(optical add/drop multiplexer,OADM)功能而无需转换和传递其它一些波长。OADM可以连接出现在波长单元的传送线上的中间节点，从而扩大网络连接性并且增强效率。重新配置的OADM(ROADM)是有利的，因为分支的/结合的波长可以在远程位置重新配置并且在没有专家的情况下整个网络的波长连接状态可以有效地被重新配置，以弹性地处理流量状态的变化，从而显著地减少网络维护成本。

ROADM被大体地归类和使用在基于开关的结构和广播及选择(broadcast andselect，BS)型结构中。近日，使用后者的方法更有利于以低路径损失容纳多个节点，并且因此在系统中更优选。BS型ROADM系统是用于通过光分配器、波长复用器/解复用器、可变光衰减器(variable optical attenuator，VOA)、可调谐波长滤波器和可调谐波长激光器来配置系统的主要组件。具体的，通过集成可调谐波长激光器和可调谐波长滤波器而配置的可调谐发射机应答器提供在远程位置改变波长和重新配置网络的功能，并且因此对于网络运营商而言，支持光纤组件的库存负担减少以减少网络管理的时间，并且可以分/插随机波长以便选择要分/插波长的以有效地处理流量状态中的改变。因此，可调谐发射机应答器是用于减少维护成本的最有效的ROADM技术。

但是，因为可调谐波长滤波器技术未被增强并且可调谐波长激光器非常贵，所以阻碍可调谐波长发射机应答器的发展。

关于可调谐波长滤波器，尽管当前基于光纤布拉格光栅(Bragg grating)的滤波器已经得到发展，但是可调谐波长响应时间为5秒，这是非常长的并且滤波器的价格也是很高的，因此，对于经济的系统而言，可调谐波长滤波器的使用是非常低的。

关于可调谐波长激光器，尽管使用分布式反馈(distributed feedback，DFB)的激光器已经被开发和使用，但是可调谐波长具有10nm或更少的窄范围，并且因此，可调谐波长激光器不利于使用三到四组可调谐波长DFB激光器模块以为了支持在C频带(1535nm-1565nm)内的所有波长。另外，使用DFB激光器的可调谐波长发射机应答器使用昂贵的光源并且需要准备多通道发射机应答器以备份。因此，可调谐波长发射机应答器不是用于对网络运营商减少库存负担的有效技术方案。

因此，为了实现对于ROADM系统而言有效的并且经济的可调谐波长发射机应答器，需要开发外腔型可调谐波长光源，其使用可调谐波长滤波器通过一个模块而改变WDM带(C频带)的所有需要波长，并且可调谐波长滤波器提供宽带可调谐波长功能。

可调谐波长滤波器技术的实例包括可调谐法布里-珀罗(Fabry-Perot)滤波器、微电机设备、马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪、光纤布拉格光栅、声光可调谐滤波器、电光可调谐滤波器、阵列波导光栅(Arrayed waveguide grating，AWG)、有源滤波器、环共振器可调谐滤波器等。

使用布拉格光栅的光波导型聚合物可调谐波长滤波器技术公开在美国专利No.6,303,040(于10月16日，2001年10月16日注册，题目为：制造热光可调谐波长滤波器的方法)。

用于聚合物光波导型可调谐波长滤波器的常规方法涉及使用热-光效应改变介质的折光率和可选择地反射或传递所需要的具体光波长的技术，并且使用加热元件13(通常为金属薄膜)在聚合物光波导12的上端局部地生成热量，以为了改变聚合物光波导12的有效折射率，以改变滤波器的操作波长(见图5)。

但是，使用金属加热元件的常规技术是不利的，因为不总是提供不变的滤波器操作波长而不管关于外部环境如何，因为当外部环境改变时从金属加热元件生成的加热值和要求的滤波器操作波长之间的关系是根据外部环境而改变的。

因此，需要使用用于根据来自外部环境的改变而补偿温度的配置。

但是，通常，作为用于测量温度的通用芯片的热敏电阻11需要定位在晶片的表面上或紧挨着晶片，该晶片由于热敏电阻11的特征而与用于传递光的波导间隔。因此，热敏电阻11和实际经历温度变化的波导之间的温度变化发生。

在这种情况下，热敏电阻和直接经历影响激光器波长的温度改变的波导之间的温度差可能严重地或不利地影响波长的稳定。

【所引用的参考】

【专利文件】

美国专利No.6,303,040(在10月16日，2001年10月16日登记，题目为：制造热光可调谐波长过滤的方法)

发明内容

根据本发明的实施方式在于提供具有用于实现波长稳定性的嵌入式金属温度传感器的一种可调谐波长滤波器，通过使用金属薄膜在利用聚合物制造光波导的过程期间在根据在与光波导具有相同的温度分布的等温层上的点上的温度的阻抗变化，形成金属温度传感器，以准确地测量光波导的温度，来实现波长稳定性。

本发明的另一个实施方式提供用于在大量生产期间用于实现高生产率的外腔型可调谐波长激光器模块以及使用具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器提供热、电以及机械稳定性。

在一个通常的方案中，具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器包括：光波导；在该光波导上形成的一个或多个布拉格光栅；在包括该布拉格光栅的该光波导上形成的可调谐波长薄膜加热器；形成在该光波导上并且形成为在长度方向以预定距离与该布拉格光栅间隔的用于相位调节的薄膜加热器；形成在该光波导和形成为在宽度方向上以预定距离与该可调谐波长薄膜加热器间隔的金属温度传感器；和设置在基板的下表面上的热电冷却器，该光波导和该布拉格光纤形成在基板上。

不论外部环境如何，基于该金属温度传感器测量的温度可以调节布拉格光栅的反射带。

该金属温度传感器可以定位在与光波导的核心具有相同温度分布的等温层上。

在这种情况下，该金属温度传感器可以在宽度长度上形成在该可调谐波长薄膜加热器的相对侧的每个上，并且该金属温度传感器可以用和可调谐波长薄膜加热器相同的金属来制造。

该金属温度传感器可以在该可调谐波长薄膜加热器的制造期间使用与该可调谐波长薄膜加热器相同的过程的来制造。

另外，可以形成根据本发明的外腔型可调谐波长激光器模块以包括具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器，该可调谐波长激光器模块可以连续地改变波长。

其它特征和方案可以从权利要求和以下的详细说明、附图中显而易见。

附图说明

图1为根据本发明的具有嵌入式金属传感器的可调谐波长滤波器10的透视图。

图2为根据本发明的外腔型可调谐波长激光器模块的平面图。

图3为根据本发明的外腔型可调谐波长激光器模块的侧视图。

图4为示出根据本发明的具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长激光器的垂直截面图中的温度分布等温层的图表。

图5为常规的外腔型可调谐波长激光器模块的透视图。

[主要元件的详细描述]

1：外腔型可调谐波长激光器模块

10：具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器

20：基板

100：光波导

110：上复合层

120：下复合层

200：布拉格光栅

300：可调谐波长薄膜加热器

400：用于相位调节的薄膜加热器

500：金属温度传感器

600：热电冷却器

700：半导体激光芯片

800：芯片主干

具体实施方式

在下文中，将参考附图来详细描述示例性实施方式。

附图仅仅是出于描述具体实施方式的目的而不是想要限制本发明。

图1示出具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器10。如图1中所显示的，根据本发明的实施方式的具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器10包括：光波导100、布拉格光栅200、可调谐波长薄膜加热器300、用于相位调节的薄膜加热器400、金属温度传感器500和热电冷却器600。

光波导100通常为用于聚集和输入从光源输出的光的路径，并且可以包括用于引导总内部反射的上复合层110、下复合层120和用于在其中发送光的核心130(参见图3)。

在这种情况下，因为由光透镜聚集的光被输入至核心130，所以在包括激光器的模块状态中，面对光波导100的透镜表面的焦点可以定位在核心130的输入表面上，在核心的输入表面上光由透镜来指示。

光波导100可以设置在用于物理支撑的基板20上，并且基板20可以为硅基板20、聚合物板或玻璃板等。

布拉格光栅200可以形成在光波导100上，并且在光波导100上入射的光的波长可以根据外部条件例如温度或强度的改变而被改变。

在本发明中，和光波导100相同，布拉格光栅200也可以是由聚合物形成的聚合物布拉格光栅200。用于形成光波导100或布拉格光栅200的聚合物可以包括卤素元素并且包括通过超声射线或热度来变硬的功能性群组。

另外，一个或多个布拉格光栅200可以在纵向方向上以预定间隔形成并且可以形成在光波导100的复合板110和120或者核心120上。

在这种情况下，用于形成核心130的材料的反射系数可以高于形成复合板110和120的材料，并且用于形成布拉格光栅200的材料的反射系数可以在形成核心130的材料的反射系数和形成复合板110和130的材料的反射系数的范围内。

在单个光波导100中，多个布拉格光栅200周期性地串联连接。布拉格光栅200可以具有1、3、5或7的独立顺序并且光波导100的几何结构可以为肋状结构、桥结构、反肋状结构，反桥结构或通道结构。

可调谐波长薄膜加热器300可以形成在包括布拉格光栅200的光波导上，并且用于相位调节的薄膜加热器400形成在光波导上以在长度方向上与预定距离与布拉格光栅200间隔。

可调谐波长薄膜加热器300和用于相位调节的薄膜加热器400可以为被施加功率以生成热的任意通常的金属薄膜加热器，并且具体地，可以为包括从包括铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、钛(Ti)、铝(Al)及其合金例如锡铬合金的组中选出的薄膜型加热元素。

具体地，热电冷却器600可以设置在基板20的下表面上，其中，在基板20上，光波导100、布拉格光栅200和金属温度传感器500被形成为与每个加热器300或400具有相同的高度，并且在宽度方向上以预定距离与可调谐波长薄膜加热器300间隔，以根据可调谐波长薄膜加热器300的周围温度改变补偿特征改变，并且在其上设置用于相位调节的薄膜加热器400。

通常，热电冷却器600可以为用于冷却集成的设备或装置的任意冷却器，并且具体地，可以为包括热电偶的冷却器。热电冷却器600根据预定热信号吸收热以执行冷却。

在如所述的来配置的本发明中，布拉格光栅200的反射波长带可以使用由薄膜加热器300和400引起的热电效应来调节。在这种情况下，可调谐波长薄膜加热器300、用于相位调节的薄膜加热器400和热电冷却器600的热吸收和加热温度可以基于用于使用金属薄膜的阻抗改变来测量温度的金属温度传感器500所测量的温度来调节，因而调节布拉格光栅200的反射带，而不管外部环境如何。

简而言之，根据本发明的具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器10可以包括设置在光波导100上的可调谐波长薄膜加热器300，光波导100包括形成在其中的布拉格光栅，可调谐波长滤波器10包括设置在可调谐波长薄膜加热器300的一侧或相对侧的金属温度传感器500，并且包括在包括形成在其中的布拉格光栅200的光波导100下方的热电冷却器600，从而实现有效地和正确的热电效应。

在这种情况下，形成在光波导100上的金属温度传感器500可以定位在具有与光波导100的核心130相同的温度分布的等温层上(参考图5)。就这点而言，由于测量温度的常规位置和光波导100的位置之间的差异而造成发生错误的问题可以被克服，因而将与光波导100之间的温度差异最小化，并且光波导100的核心130的温度改变可以被监视。

另外，金属温度传感器500可以设置在位于和光波导100的核心具有相同的温度分布的等温层上的两点处，即，可调谐波长薄膜加热器300在宽度方向上的相对侧，从而改进正确性。

金属温度传感器500可以由和可调谐波长薄膜加热器300相同的金属制成，并且因此可以在在常规的薄膜加热器过程期间同时制造金属温度传感器500和可调谐波长薄膜加热器300，而不需要另外的过程，并且可以以最低成本调节温度而无需另外的热敏电阻和热敏电阻主干(支撑层)。

也就是说，根据本发明，聚合物布拉格光栅200的温度可以使用被制造为定位在具有和光波导100的核心130相同的温度分布的等温层上的金属温度传感器500来稳定地调节。可以经由金属温度传感器500的阻抗改变来测量温度，并且可调谐波长薄膜加热器300、用于相位调节的薄膜加热器400和热电冷却器600的电流值可以基于所测量的温度来调节，从而使波长稳定性最大化。

图2和图3示出根据本发明的外腔型可调谐波长激光器模块1。

使用前文提到的可调谐波长滤波器10的外腔型可调谐波长激光器模块1可以使用半导体激光器芯片700或包括聚焦透镜的罐型(TO-can)封装型宽带光源，其中可调谐波长滤波器10具有嵌入式金属温度传感器，并且具有嵌入金属温度传感器作为输出耦合器的可调谐波长滤波器10可以同时使用可调谐波长薄膜加热器300、用于相位调节的薄膜加热器400、金属温度传感器500和热电冷却器600，并且可以在滤波器操作期间关于外部环境独立地改变反射带的中央波长。

现将详细描述根据本发明的外腔型可调谐波长激光器模块1的操作过程。根据本发明的外腔型可调谐波长激光器模块1可以使用用于使用光波导100的热电效应来调节从布拉格光栅200反射的波长的方法，以调节激光器输出波长。更详细地，从光源发出的宽带光可以经由光耦合输入到光波导100的核心130，并且从形成在光波导100中的布拉格光栅200反射的波长的光可以获得振荡波长，其根据重输入至光源的光发射表面的共振，具有布拉格光栅200的反射带的中央波长。

光波导100的有效反射系数根据安装在光波导100的上复合板100上的可调谐波长薄膜加热器300生成的热而改变，并且因此，滤波器操作的中央波长改变。

然后，独立的控制器(未示出)可以电连接至可调谐波长薄膜加热器300、金属温度传感器500和热电冷却器600，并且可以基于从金属温度传感器400输入的温度而调节可调谐波长薄膜加热器300和热电冷却器600的加热和热吸收，从而改变与外部环境独立地振荡的激光器的中央波长。

另外，控制器还可以电连接至用于相位调节的薄膜加热器400并且可以执行通过调节用于相位调节的薄膜加热器400的温度而良好地调节可调谐波长激光器腔体的长度的功能，以调整震荡激光器的模式的相位。这个功能将主要影响可调谐波长激光器的波长稳定性的激光器模式跳变效果最小化并且用于改进波长稳定性。

也就是说，根据本发明的外部腔体型可调谐波长激光器模块可以连续地改变波长而没有模式之间的跳变。通常，因为激光器为腔体，所以仅仅具有基于特定情况的预定不变时间间隔的不连续频率(波长)才振荡。基于特定情况的频率的波长可以被称为模式并且模式间的过渡可以称为跳变。换句话说，激光器以任意一种模式振荡并且然后由于其它因素，例如周围的温度等而跳变至相邻模式的现象可以被称为模式跳变。

因此，当使用根据本发明的用于相位调节的薄膜加热器400将腔体的总长度调节为期望长度时是有利的，因为可以调节不同模式之间的时间间隔以防止跳变并且可以连续地改变波长。

在这种情况下，当用于相位调节的薄膜加热器400和用于可调谐波长功能的可调谐波长薄膜加热器300之间的距离是太短以至于引起热干扰时，可调谐波长功能和安全功能相互影响以使激光器输出不稳定。因此，如图1至图3中所显示的，用于相位调节的薄膜加热器400可以不与可调谐波长薄膜加热器300相邻。

具体地，根据本发明，如图4中的所显示的，金属温度传感器500和光波导100的核心可以集成在具有和核心130相同的温度分布的等温层上。因此，当热敏电阻设置在常规外腔型激光器模块1外时，由于热敏电阻和光波导100的温度之间的温度差而造成的、影响激光器的波长的波长不稳定的问题可以被克服，从而是波长稳定性最大化。

简而言之，根据本发明的具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器10是有利的，因为在利用聚合物制造光波导100的过程期间，使用阻抗根据的温度的金属薄膜的改变，在和光波导100具有相同的温度分布的等温层上的点处，形成金属温度传感器500，并且因此，光波导100的温度可以被准确地测量以实现波长稳定性。

另外，其可以是有利的是因为金属温度传感器500和用于相位调节的薄膜加热器400、可调谐波长薄膜加热器300可以以相同的材料形成并且可以简单地使用常规薄膜加热器的过程来制成而没有另外的过程。

另外，其可以是有利的是因为根据本发明的外腔型可调谐波长激光器模块1可以使用前文提到的具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器10，因而实现在大量生产期间的高生产率和热、电以及机械稳定性。

未描述的编码芯片主干800用作半导体激光器芯片700的支撑层。

本发明并不限于前文提到的实施方式，并且不需要说的是，各种范围是可能的。例如，本发明还可以用于使用热电效应来衰减光信号的强度的可变光衰减器(VOA)例如本发明所指出的可调谐波长滤波器。另外，本发明的技术人员将会理解在其中可以形式和细节中的各种变化而没有偏离精神。

根据本发明的具有嵌入金属温度传感器的可调谐波长滤波器是有利的，因为在利用聚合物制造光波导的过程期间，使用根据温度的金属薄膜的阻抗变化的金属温度传感器形成在具有和的光波导相同的温度分布的等温层上的点处，以便准确测量光波导的温度，从而实现波长稳定性。

根据本发明，优点在于金属温度传感器、用于相位调节的薄膜加热器和可调谐波长薄膜加热器可以以相同的材料形成并且因此可以简单地使用常规薄膜加热器处理来制造而没有另外的过程。

另外，优点在于根据本发明的外腔型可调谐波长激光器模块可以使用前文提到的具有嵌入式金属传感器的可调谐波长滤波器，以便实现在大量生产期间的高生产率和热、电以及机械稳定性。

Claims (4)

1.一种具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器包括：

光波导；

在所述光波导上形成的一个或多个布拉格光栅；

在包括所述布拉格光栅的所述光波导上形成的可调谐波长薄膜加热器；

形成在所述光波导上并且形成为在长度方向与所述布拉格光栅间隔预定距离的用于相位调节的薄膜加热器；

形成在所述光波导上并且形成为在宽度方向上与所述可调谐波长薄膜加热器间隔预定距离的金属温度传感器；和

设置在基板的下表面上的热电冷却器，所述光波导和所述布拉格光纤形成在所述基板上；

其中，所述金属温度传感器定位在与光波导的核心具有相同的温度分布的等温层上，

其中，所述金属温度传感器以与可调谐波长薄膜加热器相同的金属来制造，以及

其中，所述金属温度传感器在所述可调谐波长薄膜加热器的制造处理期间使用与所述可调谐波长薄膜加热器相同的过程的来制造。

2.根据权利要求1所述的具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器，其中，所述金属温度传感器在宽度方向上形成在所述可调谐波长薄膜加热器的每个相对侧上。

3.一种外腔型可调谐波长激光器模块，其被形成为包括如权利要求1至2中任意一项所述的具有嵌入式金属温度传感器的可调谐波长滤波器。

4.根据权利要求3所述的外腔型可调谐波长激光器模块，其中，所述可调谐波长激光器模块连续地改变波长。