CN1067811C - 半导体激光器和光纤光栅混合集成波长转换器 - Google Patents
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Abstract
一种半导体激光器和光纤光栅混合集成波长转换器是光通信系统中的关键元件。它广泛用于光开关、光交换、波长路由和波长再用的技术中。它包含密封于管壳内固定在管座上有N≥1个基本转换单元。基本转换单元含有2x2光纤分束器，由半导体激光二极管芯片与λo光纤光栅耦合构成的光纤光栅外腔激光器，光纤光栅滤波器，输入信号源和输入信号监控接收器。具有无须另外加入泵浦源、结构简单、操作容易、稳定性好、效率高、灵敏等特点。
Description
本发明属于用半导体激光器和光纤光栅实现光波长转换的器件。它是波分多路(Wavelength Division Multiplex,WDM)和波分多址(Wavelength Division Multiple Access,WDMA)光通信系统中的关键元件，在光开关、光交换、波长路由、波长再用技术中有着广泛的应用。它的主要特点是，取代现有的先光电转换而后电光转换的结构，高效、可靠、简便地把带有信号的光从一个波长(λi)转换到另一波长(λo)，从而使波分多路(WDM)和波分多址(WDMA)系统的容量大大提高，使通信网络管理更为灵活、合理。
已有技术：
由于高速光通信发展的要求，光波长转换技术受到了很大的重视。已经报道多种类型的波长转换器件，主要有：
(1)采用交叉耦合增益调制的半导体光放大(Cross Gain Modulation-SemiconductorOptical Amplifier,XGM-SOA)波长转换器；
(K.E.Stubkjar et.al.,IOOC*95,Technical Digest,Vol.3,p54)
(2)采用交叉耦合相位调制的半导体光放大(Cross Phase Modulation SemiconductorOptical Amplifier,XPM-SOA)波长转换器；
(C.Joergensen et.al.,同上，p58)
(3)利用分布布喇格反射(Distributed Bragg Reflector,DBR)激光器中增益饱和机制波长转换器；
(T.Duehuus et.al.,IEEE Photonic Technology Letters,Vol.5,No.1,pp86-88,
1993)
(4)利用分布布喇格反射(DBR)激光器或Y型激光器中光吸收双稳态波长转换器；
(K.Kondo et.al.,IOOC*89,Technical Digest,Vol.2,p130；
O.Hildebrand et.al.,ECOC/IOOC*91,Technical Digest,pp39-46)
(5)利用半导体光放大器中的四波混频(Four Wave Mixing in SemiconductorOptical Amplifier,FWM-SOA)波长转换器；
(J.Zhou et.al.,IEEE Photonic Technology Letter,Vol.6,No.1,pp50-52,1994)
(6)利用周期性波导中准相位匹配的四波混频效应的波长转换器；
(T.P.Lee,A Lacture during visit in China,1995)
(7)利用光纤中四波混频效应(FWM)的波长转换器；
(P.A.Andrekson et.al.,Electronic Letters,Vol.27,No.11,pp922-924,1991)
这些波长转换器件，各有不同特点和利弊。因此发展的程度也有很大的差异。有的还处于原理性的研究，有些虽在实验系统中试用，但离开实用化还有一定的距离。归纳起来有以下几个问题需要加以改进或克服：
(1)以半导体光放大器(SOA)和光纤中四波混频为基础的波长转换器，必须要有一个单纵模泵浦源才能工作，且转换效率较低，要求信号功率大，总体结构较为庞大、复杂。
(2)上述的波长转换器件结构均比较复杂，都需作专门的设计。无论是半导体光放大器(SOA)型或是分布布喇格反射激光二极管(DBR-LD)型都涉及到半导体光放大器(SOA)与波导的匹配。单片集成分布布喇格反射(DBR)激光器，涉及增益区、调相区和波导区的集成；准相位匹配周期性波导，涉及多次外延生长和芯片直接键合技术。二种器件的制备工艺均相当复杂，难度十分高，价格昂贵。
(3)光双稳型器件在结构上稍有简化，但调制频率不高，难以适合现代高速光通信的要求。
(4)分布布喇格反射激光二极管(DBR-LD)型波长转换器，虽不用泵浦光源，但半导体材料的布喇格(Bragg)波长受温度、工作电流影响大。因此转换波长稳定性差。特别对密集波分复用的波长转换，此缺陷更加突出。
(5)以半导体光放大器(SOA)为基础的增益交叉调制或相位交叉调制，均需另外一个单纵模泵浦光源，总体结构也相当庞大。
本发明的目的是提供一种无须另外加入泵浦光源、光波长稳定性好、效率高、灵敏、结构简单、使用方便的光波长转换器。
本发明的波长转换器，包括管壳和带有管脚的管座11，在管座11上固定有N≥1个基本转换单元13；基本转换单元13包括由2×2光纤分束器3的四个端口A、B、C、D分别连接有光纤光栅外腔激光器12，光纤光栅滤波器4，输入信号源14和输入信号监控接收器6。光纤光栅滤波器4的输出端为接入系统15的输出端口7。其中光纤光栅外腔激光器12是由带有半导体制冷器和作为测量温度的热敏电阻元件的法布里-珀洛(F-P)腔半导体激光二极管(LD)芯片1与λo光纤光栅2耦合而构成外腔分布布喇格反射(DBR)激光器。如图2所示。
上述所用的光纤光栅的传输谱典型特性和半导体激光二极管(LD)芯片1的增益谱特性如图1所示。首先是法布里-珀洛(F-P)腔半导体激光二极管(LD)芯片1腔面镀增透膜后，与λo光纤光栅2耦合在一起构成一个外腔分布布喇格反射(DBR)光纤光栅外腔激光器12，并在直流偏置下工作于激射状态，输出波长为光纤光栅的布喇格(Bragg)波长λo。当带有调制信息的、波长为λi的光，通过2×2光纤分束器3注入到法布里-珀洛(F-P)腔半导体激光二极管(LD)芯片1的有源区时，由于有源区的增益饱和效应，引起载流子密度的调制，导致从尾纤输出的、波长为λo的光功率发生同样速率的调制。这样就把高比特率的信号从λi波长转移到λo波长上，实现了全光波长转换的功能。
根据所述的物理过程，可知(1)转换后的光信号的相位与输入信号之间有一个p的相位差，这并不影响信息的转换；(2)输出端含有经放大的输入信号波长的成份。须用一个波长为λi的带阻滤波器滤去λi的波长成份。本发明采用另外一段峰值波长为λi的光纤光栅作为滤波器，故称为光纤光栅滤波器4。由于光纤光栅恰好具有带阻特性，因而结构简单，而且稳定性好。
本发明的核心是采用λo光纤光栅2或λo光纤光栅带有附件(调谐元件8)，以不同排列构成半导体外腔布喇格激光器，并且利用光纤光栅或带有附件作为输出光纤光栅滤波器4，构成完整的光波长转换器。
在上述本发明波长转换器的结构中，所用的主要元部件：
(1)法布里-珀洛(F-P)腔半导体激光二极管芯片1。二个腔面须根据不同的排列结构，采用端面镀膜技术进行增透或高反处理。
(2)光纤光栅(FBG)。根据使用要求设计和选定布喇格(Bragg)波长λo,λi，以及它们的峰值反射率。其中，波长为λo的λo光纤光栅2作为光纤分布布喇格反射器(DBR)。其光纤端面经加工后成为微透镜，与半导体激光二极管芯片1的一个增透端面进行耦合，构成光纤光栅外腔激光器12、其中波长为λi的光纤光栅作为光纤光栅滤波器4，以滤去输出端残留的λi波长。它的一端用光纤对接结构与2×2光纤分束器3端口B的输出臂光纤连接，另一端是输出端口7，做成光纤活络接头接入系统15，系统15是探测系统，或者是使用系统。
(3)2×2光纤分束器3，其四个端口A、B、C、D分别连接光纤光栅外腔激光器12、光纤光栅滤波器4、输入信号源14，和输入信号监控接收器6。
为满足不同应用场合的需要，在混合集成波长转换器内，还应包括光控、温控的功能，根据实用要求进行组件的封装。因此，本发明的波长转换器所用的元部件尚需包括：
(1)选用光二极管(Photo-Diode,PD)作为光纤光栅外腔激光器12的输出光功率监控元件5；选用高速PIN型光二极管作为输入信号监控接收器6。
(2)半导体致冷器及热敏电阻，用于半导体激光二极管芯片1的温度稳定的自动控制。
(3)管壳封装，可采用标准管座11如有双列14脚、扁平双排14脚和mini型双排8脚的管座，管壳加以改形，并按不同要求分类定型。
当上述元件之间的耦合调整到最佳的状态时，用激光焊接技术固定在管座11上各元件之间的位置，最后在管壳内充入氮气并密封。
本发明的光波长转换器有多种结构形式：(详见附图)
(1)λo光纤光栅2与输入信号源14位于法布里-珀洛(F-P)腔半导体激光二极管(LD)芯片1的同侧，如图2所示；
(2)λo光纤光栅2与输入信号源14分别位于法布里-珀洛(F-P)腔半导体激光二极管(LD)芯片1的两侧，如图3所示；
(3)具有多个不同波长光纤光栅串接构成的光纤光栅滤波器4的波长转换器，适用于不同波长的信号转换为同一波长的使用要求，如图4所示；
(4)λo光纤光栅2有附加调谐元件8的波长转换器，适用于同一波长转换为不同波长的使用要求，如图5所示；
(5)光纤光栅滤波器4的光纤光栅有附加调谐元件8的波长转换器，适用于不同波长转换为同一波长的使用要求，如图6所示；
(6)输入信号源14与2×2光纤分束器3端口C之间连接有1×N光纤分束器9，在1×N光纤分束器9的输出端连有N(＞1)个基本转换单元13。适用于一个波长转换为多个波长的组合型转换器，如图7所示；
(7)有N(＞1)个输入信号源14连接有N(＞1)个基本转换单元13，N个基本转换单元13的端口B连有N×1光纤分束器10，N×1光纤分束器10的输出端有N个并联的光纤光栅滤波器4。适用于波分多址的多个输入和输出的组合型波长转换器，如图8所示。
上面所说的调谐元件8，是压电陶瓷、或者是磁致伸缩元件、或者是机械拉伸结构，或其他调谐元件。
本发明的光波长转换器主要适用于1.55mm、1.3mm波段，也可扩展到其他波段，只要采用相应波长的半导体激光器，和光纤光栅或其他的波导光栅。
发明的优点：
综上所述，本发明的波长转换器的特点和优点是：
(1)无另外加入泵浦光源，结构简单，操作容易。
(2)光纤光栅布喇格(Bragg)波长稳定性为0.01nm/oC，比已有技术的半导体分布布喇格反射激光二极管(DBR LD)的转换波长稳定性提高一个量级。
(3)转换波长带宽大，信息速率高，灵敏。
(4)采用光纤光栅作为外腔和滤波器，自动具备光纤输出和连接的端口，易于同光纤系统直接连接；
(5)所用的元部件制备工艺技术成熟、且已产业化生产。元器件稳定可靠，价格低，易于推广应用和形成产业化。
附图说明：
图1、本发明所用的LD芯片1增益谱典型特性曲线(a)，和光纤光栅传输谱典型特性曲线(b)。横坐标为波长λ，纵坐标为强度。
图2、λo光纤光栅2与输入信号源14位于LD芯片1同侧的波长转换器的结构示意图。
图3、λo光纤光栅2与输入信号源14分别位于LD芯片1两侧的波长转换器的结构示意图。
图4、具有多个不同波长光纤光栅串接构成光纤光栅滤波器4的转换器结构示意图。
图5、λo光纤光栅含有附加调谐元件8的波长转换器的结构示意图。
图6、光纤光栅滤波器4的光纤光栅有附加调谐元件8的波长转换器的结构示意图。
图7、含有1×N光纤分束器9的，可以转换为多个波长的组合型转换器的结构示意图。
图8、含有N×1光纤分束器10的用于波分多址的多个输入和输出的组合型波长转换器的结构示意图
图9、实施获得的波长转换波形曲线，
(a)1521nm输入波形。
(b)1529nm输出波形；
实施例：
用图2结构的波长转换器，实施本发明的具体元件是：法布里-珀洛(F-P)型半导体激光二极管芯片1，其增益谱位于1550nm波段，λo光纤光栅2的布喇格(Bragg)波长为1529nm，2×2光纤分束器3的分束比为52∶48(3dB分束器)，系统15为探测系统包括光电二极管(PD)、CCD探测器、放大器及示波器等。当输入信号源14采用1521nm的输入光信号的波长时，在注入功率为-12dBm的情况下，测到了波长转换信号。取得的结果见图9所示。(a)为1521nm输入信号λi波形，(b)为1529nm输出信号λo波形。表明已获得了间隔为8nm的波长转换，最小注入信号功率比已有技术的半导体分布布喇格反射激光二极管(DBR-LD)的波长转换器要小得多。并从输入与输出信号之间存在180度的位相差的实验事实，验证了本发明的所具有的特性和优点。
Claims (9)
1、一种半导体激光器和光纤光栅混合集成波长转换器，含有管壳和带有管脚的管座(11)，固定于管座(11)上的元件被密封在管壳内，管壳内充有氮气，其特征在于：
<1>密封在管壳内固定于管座(11)上的元件有N≥1个基本转换单元(13)；
<2>基本转换单元(13)包括2×2光纤分束器3的四个端口A、B、C、D分别连接有光纤光栅外腔激光器(12)，光纤光栅滤波器(4)，输入信号源(14)和输入信号监控接收器(6)；
<3>光纤光栅外腔激光器(12)是由带有半导体制冷器的法布里-珀洛(F-P)腔半导体激光二极管(LD)芯片(1)与λo光纤光栅(2)耦合而构成外腔分布布喇格反射(DBR)激光器；
<4>光纤光栅外腔激光器(12)还带有输出光功率监控元件(5)，在光纤光栅滤波器(4)的输出端由输出端口(7)接入系统(15)。
2、根据权利要求1的一种波长转换器，其特征在于基本转换单元(13)中，λo光纤光栅(2)与输入信号源(14)是位于法布里-珀洛(F-P)腔半导体激光二极管(LD)芯片(1)的同侧。
3、根据权利要求1的一种波长转换器，其特征在于基本转换单元(13)中，λo光纤光栅(2)与输入信号源(14)是分别位于法布里-珀洛(F-P)腔半导体激光二极管(LD)芯片(1)的两侧。
4、根据权利要求1、或2、或3的一种波长转换器，其特征在于λo光纤光栅(2)是单一光纤光栅，或者是光纤光栅附加有调谐元件(8)。
5、根据权利要求1的一种波长转换器，其特征在于光纤光栅滤波器(4)是单一光纤光栅，或者是光纤光栅附加有调谐元件(8)，或者是多个光纤光栅串接而成。
6、根据权利要求1的一种波长转换器，其特征在于输入信号源(14)与2×2光纤分束器(3)的端口C之间连接有1×N光纤分束器(9)，在1×N光纤分束器(9)的输出端口连有N个基本转换单元(13)。
7、根据权利要求1的一种波长转换器，其特征在于有N个基本转换单元(13)就要连接有N个输入信号源(14)，N个基本转换单元(13)的端口连有N×1光纤分束器(10)，N×1光纤分束器(10)的输出端有N个并联的光纤光栅滤波器(4)。
8、根据权利要求5的一种波长转换器，其特征在于调谐元件(8)是压电陶瓷，或者是磁致伸缩元件，或者是机械拉伸结构。
9、根据权利要求1的一种波长转换器，其特征在于系统(15)是探测系统，或者是使用系统。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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