CN105379159B - 具有多个序列式区段的可调谐激光器及其应用系统与方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有多个序列式区段的可调谐激光器通常包括半导体激光器主体，具有多个序列式激光器区段，各自被独立驱动以产生位于不同的各个波长范围内的一个波长的激光。与温度变化响应，每一激光器区段中产生的光线的波长被调谐到各个信道范围内的信道波长。每一个选择的激光器区段其中之一所产生的激光从激光器主体的前端面发射。通过选择性地产生激光器片段其中之一或多个的光线，选择一或多个信道波长用于激射和发射。举个例子，具有多个序列式区段的可调谐激光器用于波分复用的无源光网络中的光网络单元中的可调谐发射机以选择一个发射信道波长。

Description

具有多个序列式区段的可调谐激光器及其应用系统与方法
技术领域
本发明关于可调谐激光器，尤其是一种具有多个序列式区段的可调谐激光器，被配置为在多个不同范围的信道波长中调谐以用于波分复用(wavelength divisionmultiplexed；WDM)的无源光网络(Passive Optical Network；PON)中的可调谐发射机或收发器。
背景技术
曾经光通讯网络通常是“点对点”类型的网络，包括通过光纤连接的发射机和接收机。这种网络相对容易构造，但配备许多光纤来连接多个用户。随着与此网络连接的用户数目增加以及光纤数迅速增加，配备和管理许多光纤变得复杂且昂贵。
通过使用从网络的发送端例如光线路终端(Optical Line Terminal，OLT)到远达20公里或以上的远程分支点的单个“主干(trunk)”光纤，无源光网络解决了这个问题。开发这种无源光网络的一个挑战是有效利用主干光纤的容量，从而在主干光纤上传送最大可能数量的信息。使用波分复用在不同波长上将不同的光信号多路复用，光纤通讯网络可以增加在单个光纤上载送的信息量。举例来说，波分复用的无源光网络(WDM-PON) 中，单个主干光纤将多信道波长的光信号载送至光分支点，以及载送来自光分支点的多信道波长的光信号，以及通过引导到个体用户或者来自个体用户的不同波长的信号，分支点提供简单的路由功能。在每一用户位置，光网络终端(optical networking terminal；ONT)或光网络单元(optical networking unit；ONU)被分配一个或多个信道波长以用于发送和/或接收光信号。
然而，波分复用的无源光网络中的挑战在于设计一种网络，允许在任意用户位置的光网络终端或光网络单元中使用相同的发射机。为了便于波分复用的无源光网络中的配置和维护，期望具有其波长可被改变或调谐的“无色”的光网络终端/光网络单元(ONT/ONU)，这样单一装置可用于无源光网络上的任意光网络终端/ 光网络单元中。利用“无色”的光网络终端/光网络单元，操作人员仅仅需要具有可被配备在任意用户位置的单一、通用的发射机或收发器装置。
在波分复用系统或者网络例如WDM-PON中，一个或多个可调谐激光器用于针对光信号选择不同的波长。这些年来已经开发了多种不同类型的可调谐激光器，但是大多数被开发用于高容量的骨干网连接以实现高性能以及成本相对较高。与高容量、长距离的波分复用系统相比，很多WDM-PON应用具有较低的资料速率和较短的传输距离，因此较低性能和较低成本的激光器则可以满足。然而，当用于覆盖WDM-PON中相对广范围的信道(例如，16个信道)时，费用较低的可调谐激光器经常遭遇挑战。举个例子，通过控制温度被调谐的费用较低的分布反馈式激光器，波长变化仅仅大约0.1nm/℃。使用这种激光器覆盖16个信道波长，需要120℃的温度范围。
发明内容
符合一个实施例的可调谐激光器包括在前端面和后端面之间延伸的半导体激光器主体。激光器主体包括多个序列式激光器区段，各自被配置为单独驱动以在不同的各个波长范围内产生一个波长的激光。与温度变化响应，多个序列式激光器区段的每一个可调谐，以产生各个波长范围内的选定波长，每一选择的激光器区段其中之一所产生的激光从前端面发射。
符合另一实施例的光网络单元包括光检测器和可调谐激光器，光检测器用于接收一个接收信道波长的光信号，可调谐激光器用于发射一个发射信道波长的光信号。接收信道波长和发射信道波长为C-波段或L-波段其中之一。可调谐激光器包括半导体激光器主体，在前端面和后端面之间延伸。激光器主体包括多个序列式激光器区段，各自被配置为独立驱动以产生不同的各个波长范围内的一个波长的激光。与温度变化回应，多个序列式激光器区段的每一个可调谐，以产生各个波长范围内的选定波长，每一个选择的激光器区段其中之一所产生的激光从前端面发射。
符合另一实施例的一种波分复用系统包括与不同的各个信道波长相关的多个终端，并且被配置为在不同的各个信道波长上发射光信号。多个终端至少其一包括至少一个可调谐激光器，被配置为被调谐到信道波长各自其一。可调谐激光器包括半导体激光器主体，在前端面和后端面之间延伸。激光器主体包括多个序列式激光器区段，各自被配置为独立驱动以产生不同的各个波长范围内的一个波长的激光。与温度变化响应，多个序列式激光器区段的每一个可调谐以产生各自波长范围内的一个选定波长，以及每一个选择的激光器区段其中之一所产生的激光从前端面发射。
符合再一实施例的一种方法包括：提供一种可调谐激光器，包括在前端面和后端面之间延伸的半导体激光器主体，激光器主体包括多个序列式激光器区段，被配置为在不同的各个波长范围内产生激光；独立于其他序列式激光器区段，驱动选择的序列式激光器区段其中之一，以在各个波长范围内产生来自选择的序列式激光器区段其中之一的激光；对可调谐激光器调谐，这样在各个波长范围内依照选择的波长在选择的序列式激光器区段其一中产生激光；以及从可调谐激光器的前端面依照选择的波长发射激光。
附图说明
通过阅读以下具体实施方式以及结合图式，将更好地理解这些和其它特征和优点，其中：
图1为符合本揭露实施例的包括至少一个多区段可调谐激光器的波分复用光通信系统的示意图。
图2为符合本揭露实施例的包括至少一个多区段可调谐激光器的波分复用的无源光网络的示意图。
图3为符合本揭露实施例的多区段可调谐激光器的示意图。
图4为符合本揭露实施例的在每一激光器区段中的具有光栅的多区段可调谐激光器的示意图。
图5A和图5B为图4所示的多区段可调谐激光器的运作示意图。
图6为符合本揭露实施例的在每一激光器区段中具有光栅和相移的多区段可调谐激光器的示意图。
图6A为与图6所示的多区段可调谐激光器中的一个区段相关的波长谱和激射点的图形。
图7为符合本揭露另一实施例的在每一激光器区段中具有光栅和相移的多区段可调谐激光器的示意图。
图7A为与图7所示的多区段可调谐激光器中的一个区段相关的波长谱和激射点的图形。
图8A和图8B为图6和图7所示的多区段可调谐激光器的运作示意图。
具体实施方式
符合本文所述实施例的具有多个序列式区段的可调谐激光器通常包括半导体激光器主体，具有多个序列式激光器区段，分别被配置为独立驱动以在不同的各个波长范围内产生一个波长的激光。与温度变化响应，激光器区段的每一个中产生的光线的波长被调谐到各个波长范围内的信道波长。从激光器主体的前端面 (facet)发射每一个选择的激光器区段其中之一所产生的激光。通过选择性地产生激光器区段的一个或多个中的光线，选择一个或多个信道波长用于激射和传输。
举个例子，可调谐发射机中可以使用具有多个序列式区段的可调谐激光器，以产生选择的信道波长的光信号和/或在复用的光发射机中产生和组合多个不同信道波长的光信号。一种应用中，具有多个序列式区段的可调谐激光器用于波分复用光系统中的光发射机或收发器中。举个例子，具有多个序列式区段的可调谐激光器用于波分复用系统中的可调谐发射机或收发器中，例如波分复用的无源光网络中的光网络终端或光网络单元中，为光网络终端/光网络单元选择合适的传输信道波长。举个例子，具有多个序列式区段的可调谐激光器还用于波分复用的无源光网络中的光线路终端，以提供不同信道波长的多个光信号。
本文所使用的“信道波长”指与光信道相关的波长且包括中心波长周边的特定波长。一个例子中，国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)标准定义信道波长，比如是ITU-T高密度波分复用 (DWDM)网格(grid)。本文所使用的“调谐到信道波长”指调整激光器输出，这样发射的激光包括此信道波长。本文所使用的术语“耦合”指任何连接、耦合、链接等方式，以及“光耦合”指耦合这样来自一个元件的光线能传递至另一元件。这种“耦合”装置并非必须直接与另一个连接，以及可藉由操纵或修改这些信号的中间组件或装置被分离。本文所使用的“热耦合”指两个组件之间的直接或非直接连接或接触，导致热量从一个组件传导到另一组件。
请参考图1，图中表示和描述了符合本揭露实施例的波分复用光通信系统100，包括一个或多个多区段可调谐激光器。波分复用系统100包括一个或多个终端110、112，耦合于主干光纤或路径114的每一端部，用于在主干光路径114上发射和接收不同信道波长的光信号。波分复用系统100的每一端部的终端110、 112包括与不同信道(例如，Ch.1至Ch.n)相关的一个或多个发射机120(例如，TX1至TXn)和接收机122(例如，RX1至RXn)，用于在一个或多个终端110、112之间发射和接收不同信道波长的光信号。
每一终端110、112包括一个或多个发射机120和接收机122，发射机120和接收机122可以分离或者被集成为终端内的一个收发器。波分复用系统100的每一端部的光复用器/解复用器116、118将不同信道波长的光信号组合和分离。聚集的波分复用光信号包括组合的信道波长，在主干光路径14上载送聚集的波分复用光信号。发射机120的一个或多个可以是可调谐发射机，能够使用多区段可调谐激光器被调谐到合适的信道波长。因此，发射机120被构造为通用的、可调谐的发射机，能够用于波分复用系统100中的不同位置以及根据波分复用系统100中的位置被调谐为合适的信道波长。
请参考图2，符合本揭露实施例的一个或多个多区段可调谐激光器用于波分复用的无源光网络200中的发射机和/或收发器中。波分复用的无源光网络200使用波分复用系统提供点对多点的光网络架构。依照波分复用的无源光网络200的一个实施例，藉由光纤、波导和/或路径214、215-1至215-n，至少一个光线路终端210耦合于多个光网络终端(ONT)或者光网络单元(ONU)212-1至212-n。光线路终端210包括一个或多个多信道光收发器202a、202b。多区段可调谐激光器用于光网络终端/光网络单元中和/或光线路终端 210中，以允许调谐信道波长，以下将更加详细地加以描述。
光线路终端210位于波分复用的无源光网络200的中心局(central office)，光网络单元(ONU)212-1至212-n 位于家庭、商业或者其它类型的用户位置或经营场所。分支点213(例如，远程节点)将主干光路径214耦合到分离的光路径215-1至215-n以耦合到各个用户位置的光网络单元212-1至212-n。分支点113包括一个或多个无源耦合装置，比如光分路器(splitter)或光复用器/解复用器。一个例子中，光网络单元212-1 至212-n位于距离光线路终端210约20公里或不足20公里的位置。
波分复用的无源光网络200还包括额外的节点或网络装置，比如以太网无源光网络(EPON)或吉比特无源光网络(GPON)节点或装置，耦合于分支点213和不同位置或经营场所的光网络单元212-1至212-n之间。波分复用的无源光网络200的一种应用是提供光纤到屋(Fiber To The Home，FTTH)或光纤入户(Fiber To The Premises，FTTP)，能够跨越共同平台传送音频、数据和/或视频服务。这种应用中，中心局与提供这些音频、数据和/或视频的一个或多个来源或网络耦合。
波分复用的无源光网络200中，不同的光网络单元212-1至212-n被分配不同的信道波长以用于发射和接收光信号。一个实施例中，波分复用的无源光网络200使用不同的波长波段以相对光线路终端210传输下行和上行光信号，以避免同一光纤上接收的信号和背向反射的传输信号之间的干扰。举个例子，L-波段(例如，约1565至1625纳米)用于来自光线路终端210的下行传输，以及C-波段(例如约1530至1565纳米) 用于到光线路终端210的上行传输。上行和/或下行信道波长通常对应国际电信联盟(ITU)网格。一个例子中，上行波长对准100GHz的ITU网格，以及下行波长从100GHz的ITU网格略有偏移。
因此，光网络单元212-1至212-n在L-波段内和C-波段内被分配不同的信道波长。位于光网络单元212-1 至212-n内的收发器或接收机被配置为接收L-波段(例如，λL1、λL2、…、λLn)中至少一个信道波长上的光信号。位于光网络单元212-1至212-n内的收发器或发射机被配置为发射C-波段(例如，λC1、λC2、…、λCn) 中至少一个信道波长上的光信号。其它波长或波长波段也处于本文所述的系统和方法的范围内。
分支点213将来自光线路终端210的下行波分复用光信号(例如，λL1、λL2、…、λLn)解复用，以用于将分离的信道波长传输到各自的光网络单元212-1至212-n。或者，分支点213提供下行波分复用光信号至每一光网络单元212-1至212-n，以及每一光网络单元212-1至212-n分离且处理所分配的光信道波长。个别的光信号被加密以避免在未对特定光网络单元分配的光信道上的窃听。分支点213还将来自各个光网络单元212-1至212-n的上行光信号组合或复用，以在到光线路终端210的主干光路径214上作为上行波分复用光信号(例如，λC1、λC2、…、λCn)传输。
光网络单元212-1的一个实施例包括激光器216和光检测器(photo detector)218。激光器216用于以分配的上行信道波长(λC1)传输光信号。光检测器218例如为光电二极管，以分配的下行信道波长(λL1)接收光信号。激光器216包括多区段可调谐激光器，被配置为例如通过改变激光器216的温度而被调谐到分配的信道波长。这个实施例的光网络单元212-1还包括与激光器216耦合的双工器(diplexer)217和光检测器218 以及与双工器217耦合的C+L波段滤波器219，允许光网络单元212-1接收L-波段信道波长(λL1)和光网络单元212-1发射C-波段信道波长(λC1)。光网络单元212-1还包括温度控制系统，用于控制激光器216的温度和用于驱动激光器216的激光器驱动电路。
光线路终端210被配置为产生不同信道波长(例如，λL1、λL2、…λLn)的多个光信号，以及将光信号组合为在主干光纤或路径214上载送的下行波分复用光信号。每一光线路终端多信道光收发器202a、202b包括多信道光发射机次组件(TOSA)220，用以产生和组合多信道波长的光信号。光线路终端210还被配置为将主干路径214上载送的上行波分复用光信号分离为不同信道波长(例如，λC1、λC2、…λCn)的光信号，以及接收分离的光信号。因此，每一光线路终端多信道光收发器202a、202b包括多信道光接收机次组件(ROSA) 230，用以分离和接收多个信道波长的光信号。
多信道光发射机次组件220的一个实施例包括激光器222的阵列，藉由各自的射频数据信号(TX_D1至 TX_Dm)被调制以产生各自的光信号。激光器222包括本文所描述的多区段可调谐激光器。可以使用包括外部调制和直接调制的各种调制技术调制激光器222。光复用器224比如阵列波导光栅(arrayed waveguide grating；AWG)，将不同的各个下行信道波长(例如，λL1、λL2、…λLm)的光信号组合。通过改变激光器222 的温度调谐激光器222到信道波长。光发射机次组件220还包括温度控制系统，用于控制激光器222和复用器224的温度以维持期望的波长准确度或精确度。
所示的实施例中，光线路终端210进一步包括复用器204，用于将来自多信道收发器202a中的多信道光发射机次组件220的复用光信号和来自其它多信道收发器202b中的多信道光发射机次组件的复用光信号复用，以产生下行的集合波分复用光信号。
多信道光接收机次组件230的一个实施例包括解复用器232，用于分离各个上行信道波长(例如，λC1、λC2、…λCn)。光检测器234比如光电二极管的阵列侦测各个分离的上行信道波长的光信号以及提供接收的数据信号(RX_D1至RX_Dm)。所示的实施例中，光线路终端210进一步包括解复用器206，用于将上行波分复用光信号解复用为第一和第二波分复用光信号，被提供到每一收发器202a、202b中的各个多信道光接收机次组件。光线路终端210还包括双工器208，位于主干路径214和复用器204及解复用器206 之间，这样主干路径214载送上行和下行信道波长。收发器202a、202b还包括其它组件，比如激光驱动器、跨阻放大器(transimpedance amplifier；TIA)和控制接口，用于发射和接收光信号。
一个例子中，每一多信道光收发器202a、202b被配置为发射和接收16个信道，这样波分复用的无源光网络200支持32个下行L-波段信道波长和32个上行C-波段信道波长。波分复用的无源光网络200的一个例子使用开关键控(on-offkeying)作为调制方案，作业于1.25G波特(baud)。还可以使用其它的数据速率和调制方案。
如上所述，上行和下行的信道波长跨越100GHz的国际电信联盟网格上的信道波长的范围。举个例子，每一收发器202a、202b覆盖用于光发射机次组件的L-波段中的16个信道波长和用于光接收机次组件的C- 波段中的16个信道波长，这样收发器202a、202b共同覆盖32个信道。因此，复用器204将来自一个收发器202a的16信道和来自另一收发器202b的16个信道组合，以及解复用器206将一个32信道的波分复用光信号分离为两个16信道的波分复用光信号。为了方便复用器204和解复用器206的使用，信道波长的范围在此范围的中间部份可以跳过信道。依照波分复用的无源光网络200中使用的多信道光收发器的一个例子，期望的波长准确度或精确度为±0.05纳米，以及期望的工作温度介于-5和70℃之间。
请参考图3，更加详细地描述多区段可调谐激光器300，能够用于波分复用系统例如波分复用的无源光网络中。多区段可调谐激光器300包括半导体激光器主体302，在后端面(back facet)304和前端面306之间延伸。激光器主体302包括多个序列式可热调谐的激光器区段310-1至310-n，从后端面304向前端面306 排列为“序列式(inline)”。以下将更详细地加以描述，举个例子，透过使用不同的腔室长度和/或光栅结构，每一序列式激光器区段310-1至310-n被配置为在不同的各个波长范围内产生激光。每一序列式激光器区段310-1至310-n与一个或多个邻接的序列式激光器区段毗连，这样激光器主体302形成为单件。换言之，在同一芯片上共同制造序列式激光器区段310-1至310-n。
虽然所示实施例表示具有几乎相同长度的激光器区段310-1至310-n，激光器区段310-1至310-n的一个或多个具有不同的长度。虽然所示实施例表示三个激光器区段，多区段可调谐激光器可以包括其他数目的序列式激光器区段。
每一序列式激光器区段310-1至310-n可以被热调谐，这样在各个波长范围其中之一内，依照选择的波长λs例如选择的信道波长，从激光器主体302的前端面306发射激光。可调谐激光器300发射的激光只要位于选择的波长λs处，选择的信道以外的波长处的光线被最小化以提高性能(例如，降低噪声)。可调谐激光器300发射的激光还被过滤，以去除实质部分或选择波长以外的全部波长。
激光驱动器电路320电连接每一激光器区段310-1至310-n，用于独立驱动每一激光器区段310-1至310-n 以产生选择的激光器区段310-1至310-n其中之一且位于各个波长范围内的光线。激光驱动器电路320包括被配置为驱动半导体激光器的电路，通过应用足够的驱动或工作电流(Iop)以引发激射。举个例子，光发射机中，激光驱动器电路320利用电信号比如射频信号调制激光器区段310-1至310-n各自其一，以产生选择的信道波长的调制光信号。
通过应用高于阈值电流(例如，12毫安)的较高驱动电流，足以导致选择的或有源激光器区段中的激射，选择的激光器区段310-1至310-n其中之一(即，具有包括选择的信道波长的波长范围的激光器区段)被驱动。其他的激光器区段310-1至310-n的一或多个被关闭，或者依照低于导致激射的阈值电流的较低驱动电流被驱动。举个例子，有源激光器区段和后端面404之间的激光器区段被关闭。当来自有源激光器区段的激光穿透时，有源激光器区段和前端面306之间的激光器区段以此较低驱动电流被驱动，足够透明以降低损耗，但是没有激射。
温度控制系统330热耦合于每一激光器区段310-1至310-n，用于热调谐每一激光器区段310-1至310-n 到各个波长范围内选择的波长。与温度变化响应，使用能够调谐到选定波长的任意配置或技术，热调谐激光器区段310-1至310-n。温度控制系统330包括一个或多个温度控制装置比如热电制冷器 (thermoelectriccoolers；TEC)和/或电阻加热器，用于改变每一激光器区段的温度，足以改变那个激光器区段内产生的波长。可以使用同样的温度控制装置或者使用与各个激光器区段310-1至310-n热耦合的个体温度控制装置，改变每一激光器区段310-1至310-n的温度。温度控制系统330还包括温度传感器和/或波长监视器以及控制电路。举个例子，控制电路令温度控制装置设定温度，从而响应可调谐激光器300处的监视温度或者响应可调谐激光器300发射的监视波长。
如图所示，举个例子，激光器区段310-1被驱动且被调谐以产生波长范围λ1–λx内的一个信道波长的激光，激光器区段310-2被驱动且被调谐以产生波长范围λx–λy内的一个信道波长的激光，以及激光器区段310-n 被驱动且被调谐以产生波长范围λy–λz内的一个信道波长的激光。因此，通过驱动和热调谐区段310-1至 310-n其中之一，多区段可调谐激光器300用于产生且发射来自z信道波长的选择的信道波长λs。通过使用具有不同的各个波长范围的多序列式可热调谐激光器区段310-1至310-n，可调谐激光器300能够在较小的温度范围内被调谐为更宽范围的信道波长。
一个具有16个信道的例子中，多区段可调谐激光器300包括3个序列式激光器区段，每一波长范围各自覆盖大约4纳米且包括至少5个信道波长。虽然波长随温度漂移通常是材料特性的函数，一个例子中，每一激光器区段的波长可以被改变大约0.1nm/℃。因此，使用大约Δ40℃的相同温度范围，在C-波段的不同的各个波长范围中，每一激光器区段应该被调谐为大约5或6个不同的信道波长。
如第4图所示，例如与分布反馈式(distributed feedback；DFB)激光器类似，多区段可调谐激光器400的一个实施例使用不同的光栅结构以产生不同的各个波长的激光。多区段可调谐激光器400包括半导体激光器主体402，具有多个序列式可热调谐激光器区段410-1至410-3，包括沿半导体有源区域412-1至412-3 的各个光栅区段414-1至414-3。半导体有源区域412-1至412-3包括多个量子阱有源区域或者其他增益介质，能够发射跨越波长范围的光线光谱以及能够将反射回增益介质的光线放大。光栅区段414-1至414-3 具有光栅结构(例如，光栅周期、折射率和长度)，产生各个信道范围内的光线。举个例子，光栅区段414-1 至414-3包括分布反馈式激光器中使用的已知的衍射或者布拉格光栅结构，用于在布拉格波长处将借助布拉格反射的光线分布反馈。
如图所示，每一光栅区段414-1至414-3具有与不同的各个波长范围对应的不同结构(例如，不同的光栅周期)。所示的例子中，第一激光器区段410-1中的第一光栅区段414-1被配置为反射λ1–λ5波长范围中布拉格波长处的光线，第二激光器区段410-2中的第二光栅区段414-2被配置为反射λ6–λ10波长范围中布拉格波长处的光线，以及第三激光器区段410-3中的第三光栅区段414-3被配置为反射λ11–λ16波长范围中布拉格波长处的光线。激光器区段410-1至410-3被热调谐，以改变各自波长范围内反射的布拉格波长以及选择激射波长。
作为光栅区段414-1至414-3内的反射和反馈的结果，虽然每一激光器区段410-1至410-3内出现激射，激光传出激光器区段410-1至410-3以及有效激光腔(laser cavity)比有源的激光器区段长。因为用于激射的前端面406不需要反射，所以前端面406包括抗反射(anti-reflective；AR)涂层，例如具有低于约1％反射系数的反射率。因此，选择的激光器区段410-1至410-3其中之一所产生的激光从前端面406发出。当激光器区段具有足够的反射率时，后端面404也包括抗反射涂层。其他实施例中，后端面404包括具有至少约80％的反射率的高反射(highly reflective；HR)涂层，从而反射大多数的激光到前端面406。无论哪种情况，后端面404允许一部分激光穿透后端面404以用于监视。其他实施例中，当第一激光器区段410-1 和/或第二激光器区段410-2并非有源或者被关闭时，穿透后端面404的光线不足以用于监视目的。
图5A和图5B中更加详细地表示了多区段激光器400的实施例的运作。为了选择这个例子中第一波长范围λ1–λ5中的信道波长λ2(图5A)，较高的驱动电流(IOPH)被施加到第一激光器区段410-1，以及较低的驱动电流(IOPL)被施加到其他的激光器区段410-2、410-3。随着第一激光器区段410-1被驱动，第一激光器区段 410-1的温度被设置为使得第一激光器区段410-1被热调谐为选择的信道波长λ2。第一激光器区段410-1 中产生的光线被第一光栅区段414-1反射，并且处于第一激光器区段410-1内直到出现激射为止。然后，选择的信道波长λ2处的激光传出第一激光器区段410-1以及从前端面406发射。通过驱动处于较低驱动电流(IOPL)的其他区段410-2、410-3，随着选定信道波长λ2的激光穿透这些区段时，可以降低损耗。为了选择第一波长范围λ1–λ5中的其他信道波长，可以通过改变温度进一步调谐可调谐激光器400。
为了选择第二波长范围λ6–λ10中的信道波长λ8(图5B)，较高的驱动电流(IOPH)被施加到第二激光器区段 410-2，较低的驱动电流(IOPL)被施加到其他激光器区段410-1、410-3。或者，有源激光器区段410-2和后端面404之间的激光器区段410-1被关闭。随着第二激光器区段410-2被驱动，第二激光器区段410-2的温度被设定为使得第二激光器区段410-2被热调谐为选择的信道波长λ8。第二激光器区段410-2中产生的光线被第二光栅区段414-2反射，并且处于第二激光器区段410-2内直到出现激射为止。然后，选择的信道波长λ8处的激光传出第二激光器区段410-2以及从前端面406发射。通过以较低的驱动电流(IOPL)驱动其他区段410-1、410-3，随着选择的信道波长λ8的激光穿透这些区段，可降低损耗。为了选择第二波长范围λ6–λ10中的另一信道波长，可以通过改变温度进一步调谐可调谐激光器400。通过类似地驱动和热调谐第三激光器区段410-3，还可以选择第三波长范围λ11–λ16中的信道波长。
如图5A和图5B所示，在被驱动且有源的激光区段内，依照选定波长出现激射，但是因为光线传出激射区段的两端，所以激光腔在后端面404和前端面406之间有效延伸。因此，来自非有源区段的光栅的反射影响激光器性能。
一个实施例中，多区段可调谐激光器400中的激光器区段410-1至410-3具有不同的长度。本领域的技术人员判定用于调谐每一不同激光器区段410-1至410-3的性能(例如，效率和阈值电流)的长度。提供不同长度的激光器区段310-1至310-n，还可以降低来自非有源区段(例如，图5A所示的第二区段410-2和第三区段410-3)的背向反射对多区段可调谐激光器400的模式稳定性的影响。一个例子中，第一激光器区段410-1具有300微米的长度，第二激光器区段410-2具有400微米的长度，以及第三激光器区段410-3具有500微米的长度。
虽然图4所示的多区段可调谐激光器400的实施例的优势在于无需扩大温度范围即可扩大波长调谐范围，与分布反馈式激光器中的光栅类似，光栅区段414-1至414-3可以引起退化模式。这些退化模式的存在导致多模式运作、不可预测的模式或者模式跳变，有时被称为模式简并(mode degeneracy)。
图6和图7所示的其他实施例的多区段可调谐激光器600、700使用不同的光栅结构，这些光栅结构提供激光的相移以抑制模式简并并且提供选定波长的单模式运作。一个实施例中，相移几乎为光栅区段的布拉格波长(λB)处的激光的π/2光学相移，因为布拉格波长λB处的π/2相移等同于在光栅结构中增加Λ/2＝λB/(4ne)的区段，所以也被称为四分之一波长或者λ/4相移，其中Λ为光栅的周期，ne为具有光栅的波导的有效折射率。本文所使用的“λ/4相移”指同相的激光的光学偏移为大约π/2或者等同量，充分地抑制模式简并以提供布拉格波长处或者附近的单模式运作。术语“λ/4相移”并非必须要求与λ/4或π/2精确对应的相移、精确位于布拉格波长处的单模式运作，或者光栅本身的相位变化。术语“λ/4相移”也不需要单个的λ/4 相移，而是可以包括多个较小的等同于λ/4相移的分散相移(例如，两个λ/8相移)。虽然代表性实施例指的是λ/4相移，其他实施例的多区段可调谐激光器可以提供能够提供单模式运作的其他相移。
通过在光栅中包括π/2相移区段，图6所示的多区段可调谐激光器600提供λ/4相移。多区段可调谐激光器600包括激光器主体602，具有在后端面604和前端面606之间“序列”延伸的多个激光器区段610-1至 610-3。激光器区段610-1至610-3包括沿半导体有源区域612-1至612-3的后向光栅区段614-1至614-3 和前向光栅区段615-1至615-3。通过在一处将光栅翻转180°(即，增加Λ/2区段)，在光栅区段之间反射的激光中引入λ/4相移，后向光栅区段614-1至614-3和前向光栅区段615-1至615-3之间的相移区段616-1 至616-2提供π/2光栅位移。
除了在相移区段616-1至616-3处将光栅翻转180°以外，后向光栅区段614-1至614-3和前向光栅区段 615-1至615-3也可通过没有光栅的空白区段被分离。利用相移区段616-1至616-3将后向光栅区段614-1 至614-3与前向光栅区段615-1至615-3分离，可以产生分布式布拉格反射镜(DBR)类似功能，这样射激腔处于正在激射的每一激光器区段内。所示实施例中，后向光栅区段614-1至614-3比前向光栅区段615-1 至615-3长，从而在每一激光器区段的后向提供更高的反射率。本领域的技术人员相对于前向光栅区段 615-1至615-3选择后向光栅区段614-1至614-3的长度，作为效率和模式稳定性之间的权衡。这个实施例中，后端面604和前端面606均具有抗反射涂层。
多区段可调谐激光器600中光栅区段的光栅耦合强度处于1-4的范围，更特别地处于2-3的范围。本文所使用的“光栅耦合强度”为无单位的数值，通常被描述为耦合参数κ(一般用厘米取反cm-1测量)乘以长度l。一些实施例中，每一不同的光栅区段(例如，614-1、615-1、614-2、615-2、614-3、615-3)也具有不同的耦合强度以改善性能。
如图6A中的波长谱650所示，除非通过引入λ/4相移抑制退化模式，否则最高反射率出现在峰值的布拉格波长处，但是激射出现在虚线654所标记的一个或两个退化激射模式处。通过在每一激光器区段610-1 至610-3中提供λ/4相移，多区段可调谐激光器600抑制退化激射模式654，以及锁定布拉格波长处箭头 652所指示的单个激射波长(lasingwavelength)，从而提供单模式运作。如上所述，针对每一激光器区段610-1至610-3的布拉格波长(由此激射波长652)随着温度变化而变化。
虽然图6所示的多区段可调谐激光器600的实施例在每一多个序列式激光器区段内提供单模式运作，在光栅本身内制造相移需要每一区段中两个分离的光栅以及遭遇制造难题。通过提供没有光栅的区段(即，无光栅区段)，但是光栅结构的相位没有任何变化，图7所示的多区段可调谐激光器700在激光中提供λ/4相移。多区段可调谐激光器700包括激光器主体702，具有多个激光器区段710-1至710-3，在后端面704和前端面706之间“序列”延伸。激光器区段710-1至710-3包括沿半导体有源区域712-1至712-3的后向光栅区段714-1至714-3、无光栅区段716-1至716-3以及前向光栅区段715-1至715-3。
后向光栅区段714-1至714-3和前向光栅区段715-1至715-3的光栅为彼此“同相”，无光栅区段716-1至 716-3覆盖后向和前向光栅区段之间的长度，为错失光栅周期否则将与后向和前向光栅区段的光栅周期同相。因此，无光栅区段716-1至716-3具有与光栅区段不同的有效折射率，因为无光栅区段716-1至716-3 在后向光栅区段714-1至714-3和前向光栅区段715-1至715-3之间相当数量的错失光栅周期上延伸，所以有效地提供分散的相移区段。因此，无光栅区段716-1至716-3提供λ/4相移，不需要后向光栅区段714-1 至714-3和前向光栅区段715-1至715-3之间的实际光栅相位的变化，以及不需要后向和前向光栅区段单独形成为具有不同的光栅周期。
通过在后向光栅区段714-1至714-3和前向光栅区段715-1至715-3之间首先形成连续、均匀的具有期望光栅周期的光栅，然后去除部分光栅(例如，通过化学蚀刻)，形成无光栅区段716-1至716-3。美国专利号 6,608,855和6,638,773中更详细地描述了提供λ/4相移的无光栅结构和这种无光栅结构的形成方法的例子，上述资料皆被并入成为本文的一部分。
这个实施例中，后向光栅区段714-1至714-3比前向光栅区段715-1至715-3长，无光栅区段716-1至716-3 比后向光栅区段714-1至714-3短且比前向光栅区段715-1至715-3长。因此，后向和前向光栅区段如同分布式布拉格反射镜(即，后镜和出射镜)一样运作，以在每一激射区段710-1至710-3内形成个体激射腔。换言之，较长的后向光栅区段714-1至714-3提供足够的反射率以像后视镜一样运作，较短的前向光栅区段715-1至715-3提供足够的反射率以像出射镜一样运作，导致激射且还允许激光出射。因为后向光栅区段提供足够的反射率，后端面704不需要被涂布高反射涂层。这个实施例中，后端面704和前端面706均被涂布抗反射涂层。
一个例子中，后向光栅区段714-1至714-3具有约150微米的长度，前向光栅区段715-1至715-3具有约 50微米的长度，以及无光栅区段716-1至716-3具有约100微米的长度。举个例子，每一光栅为大约0.2 微米，后向光栅区段具有750个光栅以及前向光栅区段具有250个光栅。其他尺寸和配置也有可能且属于本揭露的范围内。
如图7A的波长谱750所示，除非通过引入λ/4相移抑制退化模式，最高的反射率出现在峰值的布拉格波长处，但是激射出现在虚线754所指示的一个或两个退化激射模式处。这个实施例中，无光栅区段716-1 至716-3提供近似的λ/4相移，抑制退化激光器模式754以及锁定到箭头752所指示的单个激射波长，处于峰值的布拉格波长处或者略有偏移。虽然激射波长752未准确地位于峰值的布拉格波长处，无光栅区段 716-1至716-3提供足够的相移以抑制模式退化，导致单模式运作。如上所述，针对每一激光器区段710-1 至710-3的布拉格波长(由此激射波长752)随温度变化而变化。
图8A和图8B更加详细地表示了多区段可调谐激光器600、700的实施例的运作。与图5A和图5B相关的上述运作类似，通过驱动合适的激光器区段和设定用于热调谐的适当温度，选择一个信道波长。如图8A 所示，举个例子，通过施加较高的驱动电流(IOPH)，驱动对应的激光器区段，例如具有包括信道波长λ2的波长范围(例如，λ1–λ5)，选择一个信道波长λ2。较低的驱动电流(IOPL)被施加到其他的激光器区段和/或有源激光器区段和后端面之间的任意激光器区段被关闭。一个例子中，较高的驱动电流(IOPH)为大约40毫安，以及较低的驱动电流(IOPL)为大约6毫安。随着对应的激光器区段被驱动，温度被设定为使得对应的激光器区段被热调谐为波长范围内的选定信道波长λ2。
如第8B图所示，通过驱动对应的激光器区段，具有包括信道波长λ8的波长范围(例如，λ6–λ10)，然后设定温度以热调谐到那个波长λ8，可以选择不同的信道波长λ8。如图所示，这些实施例中，借助上述前向和后向光栅区段，仅仅在激射区段中形成的个体激射腔内的选定波长处出现激射。因此，激射腔未延伸到这些多区段可调谐激光器的后端面和前端面。
其他实施例中，多区段可调谐激光器600的每一激光器区段之间，例如第一激光器区段610-1和第二激光器区段610-2以及第二激光器区段610-2和第三激光器区段610-3之间可以提供额外的相移区段。来自非有源激光器区段(例如，图8A所示的第二和第三激光器区段)的光栅的反射反馈到有源激光器区段(例如，图8A所示的第一激光器区段)，导致模式稳定性的问题。因此，在激光器区段之间提供额外的相移(即，除了激光器区段内的相移区段以外)可以改善激光器的性能。这些额外的相移区段所提供的相移量取决于其他设计参数例如激射区段的长度。
因此，符合本文所述实施例的具有序列式可热调谐激光器区段的多区段可调谐激光器提供相对廉价的激光器，能够在相对宽的范围内被调谐以用于波分复用应用，不需要宽范围的温度变化。多区段可调谐激光器还包括序列式激光器区段中的光栅结构，被构造为提供单个模式运作。
虽然本文已经描述了本发明的原理，本领域的普通技术人员应该理解此说明仅为示例说明以及并非限制本发明的范围。除了所示及描述的代表性实施例外，在本发明的范围内可预想到其它的实施例。本领域的普通技术人员其中之一的修改或替代被视为在本发明的范围内，本发明的范围以权利要求书为准。

Claims (28)

1.一种可调谐激光器，包括：
一半导体激光器主体，在一前端面和一后端面之间延伸，所述激光器主体包括三个序列式激光器区段，所述序列式激光器区段的长度随着靠近所述前端面而增加，每个序列式激光器区段被配置为独立驱动以在不同的各个波长范围内产生一波长的激光，其中所述多个序列式激光器区段的每一个可调谐以响应温度变化，以产生各个波长范围内的一选定波长,其中所述多个序列式激光器区段的每一个与一个或多个邻接的序列式激光器区段毗连以使得激光器主体形成为单件，以及其中每一个选择的激光器区段其中之一所产生的激光从所述前端面发射。
2.如权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于，其中不同的各个波长范围各自包括至少五个信道波长。
3.如权利要求2所述的可调谐激光器，其特征在于，其中激光器区段的每一个使用相同的温度范围可调谐到五个信道波长其中之一。
4.如权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于，所述不同的各个波长范围各自包括C-波段中的信道波长。
5.如权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于，其中激光器区段的每一个包括：
一半导体有源区域，通过受激发射，用于放大各个波长范围中的一波长的光线；以及
沿所述有源区段的一光栅区段，所述光栅区段被配置为产生各个波长范围中的波长。
6.如权利要求5所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述前端面和所述后端面包括抗反射涂层。
7.如权利要求5所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述光栅区段提供所述光栅区段的前端和后端之间的激光的一相移，以及其中所述相移被配置为提供选定波长处的单模式运作。
8.如权利要求7所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述相移提供激光的λ/4相移。
9.如权利要求7所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述光栅区段包括相移区段，将所述光栅区段的前端和后端之间的光栅翻转180度。
10.如权利要求7所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述光栅区段包括位于所述光栅区段的前端和后端之间的空白区段，以及其中所述空白区段提供所述相移。
11.如权利要求7所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述光栅区段包括后向光栅区段和前向光栅区段，所述后向光栅区段具有第一反射率，所述前向光栅区段具有比第一反射率大的第二反射率，这样所述后向光栅区段和所述前向光栅区段之间出现激射，以及激光穿透所述前向光栅区段。
12.如权利要求7所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述三个序列式激光器区段包括具有300微米的长度的第一激光器区段，具有400微米的长度的第二激光器区段，以及具有500微米的长度的第三激光器区段。
13.如权利要求7所述的可调谐激光器，其特征在于，进一步包括额外的相移区段，位于激光器区段的每一个之间。
14.如权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于，其中激光器区段的每一个包括：
一半导体有源区域，通过受激发射用于放大各个波长范围中一波长的光线；
一后向光栅区段，具有第一反射率；以及
一前向光栅区段，具有大于第一反射率的第二反射率，这样所述后向光栅区段和所述前向光栅区段之间出现激射，并且激光穿透所述前向光栅区段，以及其中所述后向光栅区段和所述前向光栅区段被配置为发射各个波长范围内的波长。
15.如权利要求14所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述后向光栅区段比所述前向光栅区段长。
16.如权利要求14所述的可调谐激光器，其特征在于，进一步包括位于所述后向光栅区段和所述前向光栅区段之间的一相移区段，以及其中所述相移区段被配置为提供激光的相移。
17.如权利要求16所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述相移区段提供激光的λ/4相移。
18.如权利要求16所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述相移区段将所述后向光栅区段和所述前向光栅区段之间的光栅翻转180度。
19.如权利要求16所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述相移区段为没有光栅的空白光栅区段。
20.如权利要求19所述的可调谐激光器，其特征在于，其中所述后向光栅区段比所述前向光栅区段长，以及其中所述空白光栅区段比所述后向光栅区段短且比所述前向光栅区段长。
21.如权利要求14所述的可调谐激光器，其特征在于，进一步包括在前端面和后端面上的抗反射涂层。
22.一种光网络单元，包括：
一光检测器，用于接收一接收信道波长的光信号，其中所述接收信道波长处于L-波段或C-波段其中之一中；以及
一可调谐激光器，用于发射一发射信道波长的一光信号，其中所述发射信道波长处于L-波段或C-波段之另一个中，所述可调谐激光器包括一半导体激光器主体，在一前端面和一后端面之间延伸，所述激光器主体包括三个序列式激光器区段，所述序列式激光器区段的长度随着靠近所述前端面而增加，每个序列式激光器区段被配置为独立驱动以在不同的各个波长范围内产生一波长的激光，其中与温度变化响应，激光器区段的每一个所产生的光线的波长可调谐到各个波长范围内的所述发射信道波长，其中所述多个序列式激光器区段的每一个与一个或多个邻接的序列式激光器区段毗连以使得激光器主体形成为单件，以及其中每一个选择的激光器区段其中之一所产生的激光从所述前端面发射。
23.一种波分复用系统，包括：
多个终端，与不同的各个信道波长相关且被配置为在不同的各个信道波长上发射光信号，所述多个终端至少其一包括至少一可调谐激光器，被配置为被调谐到信道波长的各自的一个，所述可调谐激光器包括：
一半导体激光器主体，在一前端面和一后端面之间延伸，所述激光器主体包括三个序列式激光器区段，所述序列式激光器区段的长度随着靠近所述前端面而增加，每个序列式激光器区段被配置为独立驱动以在不同的各个波长范围内产生一波长的激光，其中与温度变化响应，激光器区段的每一个所产生的光线的波长可调谐以到各个波长范围内的信道波长的各自的一个，其中所述多个序列式激光器区段的每一个与一个或多个邻接的序列式激光器区段毗连以使得激光器主体形成为单件，以及其中每一个选择的激光器区段其中之一所产生的激光从所述前端面发射。
24.如权利要求23所述的波分复用系统，其特征在于，其中所述多个终端包括位于波分复用的无源光网络中的光网络终端。
25.如权利要求24所述的波分复用系统，其特征在于，进一步包括：
至少一个光线路终端，被配置为接收包括信道波长的集合波分复用光信号；
至少一个分支点，耦合于光线路终端和多个光网络终端之间，分支点被配置为组合信道波长的光信号；以及
一主干光路径，耦合于光线路终端和分支点。
26.一种波分复用方法，包括：
提供一可调谐激光器，所述可调谐激光器包括在一前端面和一后端面之间延伸的一半导体激光器主体，所述激光器主体包括三个序列式激光器区段，所述序列式激光器区段的长度随着靠近所述前端面而增加，每个序列式激光器区段被配置为独立驱动以在不同的各个波长范围内产生一波长的激光，所述多个序列式激光器区段的每一个与一个或多个邻接的序列式激光器区段毗连以使得激光器主体形成为单件；
驱动选择的序列式激光器区段其中之一，独立于序列式激光器区段中的其他区段，以在各个波长范围内产生来自选择的序列式激光器区段其中之一的激光；
通过改变激光器的温度调谐所述可调谐激光器，这样依照各个波长范围内的一选定波长在选择的序列式激光器区段其中之一中产生激光；以及
从所述可调谐激光器的前端面发射选定波长的激光。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，其中选择的序列式激光器区段其中之一依照较高的驱动电流被驱动，足以引发选择的序列式激光器区段其中之一内的激射，以及其中序列式激光器区段的其他区段或者被关闭或者依照较低的驱动电流被驱动，以允许激光穿过但是序列式激光器区段的其他区段中没有激射。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，其中序列式激光器区段的每一个被配置为在包括C-波段的至少五个信道波长的各个波长范围内产生激光。
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