CN1347224A - 光波长变换器 - Google Patents

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Abstract

一种把许多光比特从第一波长变换为第二波长的光波长变换器。该光波长变换器采用定向耦合器。该定向耦合器有第一波导,用于接收第一波长中的许多光比特,还有第二波导,用于接收第二波长中的连续波(cw)信号。该定向耦合器还包括一输出端口和一耦合区。对第一波长中许多光比特的某一光比特的响应,是当该比特为二进制1时,把cw信号从第二波导耦合至输出端口。

Description

光波长变换器
技术领域
本发明一般涉及光通信，更具体说，是涉及光波长变换器。
背景技术
在高密度波分复用(“DWDM”)系统的短程和远程应用中，为光信号的传输提供许多波长信道。DWDM系统为了有效地利用有限的光带宽频谱，使用波长变换器重新安排和重新分配各波长信道。在1300纳米波段(短程应用)与1500纳米波段(远程应用)间变换光信号的波长变换器，需求日益增长。
在1300nm波段与1500nm波段间的波长变换器，历史上已经用于光-电-光(“OEO”)设计。但是，把光数据信号变换为电的表示，然后又变换回光的模式，限制了数据传输速率。把基于OEO波长的系统用于1300nm与1500nm变换，速率约为620MB/s。因此，已经开展大量的研究，发展只用少量电的部件的光网络，力求把数据传输速率增加至大于2.5GB/s。
这些努力导致光-光(“OO”)波长变换器的发展。Barnsley和Fiddyment在IEEE Photonics Technology Letters，Vol.3，No.3，March 1991上公开一种OO波长变换器(本文后面称为“Barnsley”)，采用半导体光放大器(“SOA”)配置把1500nm波段的光功率放大。Barnsley建议，用1300nm波段中数据流的每个比特的二进制值，调制放大了的1500nm波段连续波(“cw”)信号。结果产生1500nm波段的数据流。但是，放大1500nm波段cw信号以形成1500nm波段数据流，该SOA配置也在1500nm波段产生放大的自发辐射。因此，Barnsley的OO变换器，在与被变换的1500nm波段数据流相同波长上产生不需要的噪声。
另一种OO变换器已经由Lacey等人在IEEE PhotonicsTechnology Letters，Vol.8，No.7，July 1996上提出(本文后面称为“Lacey”)。Lacey建议用有两个波导分支的Mach-Zehnder干涉仪(“MZI”)，每一分支接收1500nm波段的cw光信号。在一个分支中，1300nm波段的数据流在1300nm波段的SOA中引起约180度的相对相移。在两分支间的相对相移出现时，导致相消干涉，减小MZI输出信号的振幅。据此，MZI在1500nm波段的数据流输出，与1300nm波段数据流的每个比特的补码对应。因此，Lacey的OO变换器与产生准确的180度相移有关。遗憾的是，按照1300nm波段数据信号输入功率与SOA产生的相移之间的现有关系，Lacey的OO变换器对输入功率特别敏感。
因此，需要一种OO波长变换器，把光数据在1300nm波长与1500nm波长之间变换，又不带来放大的自发辐射噪声。同时还需要一种OO波长变换器，把光数据在1300nm波长与1500nm波长之间变换，又对输入信号不敏感。
发明内容
我们已经发明一种用定向耦合器的OO波长变换器，把光数据从第一波段变换为第二波段。
本发明的一个实施例公开一种OO波长变换器，把许多光比特从1300nm波段变换为1500nm波段。该OO波长变换器采用至少有一个诸如SOA的光学单元的定向耦合器，用于响应1300nm波段内接收的光功率而改变它的折射率。在许多光比特的某一比特是二进制的1时，该SOA使1500nm波段内的连续波(“cw”)信号与输出端口耦合。结果，通过该输出端口传播的光信号，工作在第二波长且按二进制值与该1300nm波段的许多光比特对应。
结合后面的权利要求书和附图，阅读下面的详细说明后，本领域熟练人员将更清楚本发明的这些和别的实施例、优点、和目的。
附图说明
参照附图阅读下面的非限制性实施例的说明，将对本发明有更深刻的了解，附图有：
图1画出本发明的第一实施例；和
图2画出本发明的第二实施例。
具体实施方式
本发明的OO波长变换器把数据在第一波段与第二波段之间变换。在一个实施例中，该OO波长变换器把1300nm波段某一波长上的许多光数据比特，变换为1500nm波段某一波长上的许多光数据比特。但是，在阅读这里公开的内容后，本领域熟练人员显然知道，也可以用于其他的波段。
参考图1，该图按照本发明的第一实施例画出OO波长变换器100。波长变换器100包括定向耦合器120。定向耦合器120包括第一输入波导125，用于从第一输入端口105接收许多光数据比特。该许多光比特工作在第一波段内。定向耦合器120还采用第二输入波导130，用于从第二输入端口110接收工作在第二波段内的连续波(“cw”)光信号。在一个实施例中，该许多比特的各个比特具有1310nm的第一波长λ1，而cw信号具有1550nm的第二波长λ2。
与第一输入波导125耦合的有第一半导体光放大器(“SOA”)135和第一输出波导145。SOA 135的设计，要能使它的折射率n1响应接收的第一波段内的光功率而改变。SOA 135是前向偏置的，且用电流源(未画出)供电，以便能工作在它的饱和区内。
同样，第二波导130与第二半导体光放大器(“SOA”)140和第二输出波导150耦合。SOA 140具有折射率n2。在第一波段内没有光功率时，折射率n2基本上等于折射率n1。SOA 140是前向偏置的，且用电流源(未画出)供电，以便能工作在它的饱和区内。
应当指出，在本发明公开的内容中，波导125、130、145、和150，是作为耦合在一起的个别的单元波导来说明的。但是，第一输入和输出波导125和145，可以作为单个波导形成并按此制作。类似地，第二输入和输出波导130和150，可以按单个波导制作。在一个实施例中，定向耦合器120、波导125、130、145、和150，以及SOA 135和140，是在单个衬底115上形成的集成光部件。
工作时，定向耦合器120利用本文下面还要详细说明的耦合效应，响应第一波段内许多光数据比特的每个比特的二进制值，在第一和第二输出波导145和150之间引导cw信号。按照这种安排，与许多光数据比特二进制值对应的在cw信号波长上的光信号，通过第二输出波导150传播。同样，与许多光数据比特二进制值补码对应的在cw信号波长上的光信号，通过第一输出波导145传播。
更详细地说，在许多光数据比特中某一比特的二进制值是0时，定向耦合器120引导来自第二输入波导130的cw信号，通过第一输出波导145。在此情况下，定向耦合器120是平衡的。在平衡状态，折射率n1和n2基本上相等。于是，由于耦合效应，定向耦合器120能使cw信号从第二输入波导130跨至第一输出波导145，对此本文后面还要更详细讨论。
反之，在许多光数据比特中某一比特的二进制值是1时，定向耦合器120引导来自第二输入波导130的cw信号，通过第二输出波导150。在此情况下，SOA 135的折射率n1响应第一波段内的光功率，相对于SOA 140的折射率n2发生变化。由于折射率n1和n2彼此不再相等，定向耦合器120切换至不平衡状态。一旦不平衡，耦合效应基本上变成最小，从而定向耦合器120能使cw信号从第二输入波导130传播至第二输出波导150。
如上面指出，定向耦合器120依赖于耦合效应。耦合效应是一种熟知的现象，其中两个波导彼此十分靠近，使它们的场可以重叠，以致光信号能从一个波导耦合至另一波导。增强了耦合效应的定向耦合器，市面上可以买到。关于一般定向耦合器的更多信息，以及更专门涉及耦合效应的更多信息，请参见Saleh与Teich的书“TheFundamentals of Photonics”，Wiley and Sons 1991，和Tamir的书“Integrated Optics”，(第二版)Springer-Verlag 1979。
为了实现耦合效应，定向耦合器120要有一耦合区170。耦合区170包括SOA 135和140以及波导125、130、145、和150的末端部分。耦合区170有助于响应输入波导125输入的许多光比特的二进制数值，促进耦合效应。在第一波段内的许多光数据比特中某一比特的二进制值是0时，SOA 135和140的折射率n1和n2基本上彼此相等。本文下面还要详细论述，给定这些条件及耦合区的特定设计后，该耦合效应能使cw信号从第二输入波导130传播至第一输出波导145。
cw信号从第二输入波导130到第一输出波导145的有效传输，与耦合区170的设计参数有关。耦合区170有一隙d，它定义为一对波导分开的最接近的距离，以便它们的势场能重叠。此外，耦合区170有长度L，它定义为该对波导被隙d分隔的距离。隙d和长度L的选取，要能达到特定的结果-即特定波段内的光信号能从一个波导耦合至另一波导。应当指出，耦合效应也能引起需要的波段以外的光信号在波导之间传输。因此，隙d和长度L的选取，要能使1500nm波段的光功率在该对波导之间有最佳耦合，同时又使需要的波段以外的光信号的有效传输最小。
本领域熟练人员从上面所述易见，定向耦合器120响应输入的许多比特中各个比特的二进制数值，把cw信号引导至输出波导145或150之一。于是，二进制的1是通过接收被引导的cw信号的输出波导而传播的，而二进制的0则通过不接收被引导的cw信号的输出波导而传播。因而，按照上述配置，在cw信号波段的许多光比特，可以通过第二输出波导150和输出端口160传播。在输出端口160的许多光比特，与输入端口105接收的许多光比特的二进制值相对应。同样，在cw信号波段的许多光比特，通过第一输出波导145和补码输出端口155传播。但是，在补码输出端口155的许多光比特，与输入端口105接收的许多光比特的二进制值的补码相对应。
应当指出，在给定的制作公差下，耦合效应还可能引起第一波段内许多光比特光功率的小的百分比，从第一输入波导125耦合至第二输出波导150。为把该第一波长的光功率从第二波段内的许多光比特中滤去，也可以把一SOA(未画出)耦合在第二输出波导150与输出端口160之间，并且该SOA可以方便地形成在衬底115上。该输出SOA可以设计成吸收从而衰减第一波段内的光。该输出SOA也可以设计成放大第二波长的光功率，以增加经输出端口160传播的第二波段内许多光比特的信号功率。
在另一个实施例中，还可以在输入端口105与输入波导125之间引入一输入预放大器SOA(未画出)。该输入预放大器SOA在第一波段的许多光比特到达耦合区170之前，把它放大。通过引入该预放大器SOA，第一波段的许多光比特在耦合进端口105时产生的散射杂散光和噪声，可以大大降低。此外，本发明可以采用低功率的光信号进行波长变换-例如，第一波长中许多光比特的二进制1，可以小于2mW。
参考图2，图上按照本发明的第二实施例，画出OO波长变换器300。波长变换器300的工作原理与图1的变换器100十分类似。但是，波长变换器300采用一个输入端口310，既接收工作在第一波段内的许多光比特，也接收工作在第二波段内的连续波(“cw”)光信号。像用图1的变换器100一样，变换器300在输出端口360上产生波长变换了的输出信号，并在输出端口355产生波长变换了的补码输出信号。通过用一个输入端口310接收许多光比特和cw信号，可以简化变换器300的组装。
波长变换器300的设计与图1的变换器100类似。变换器300包括定向耦合器320，定向耦合器320有一个输入波导330，用于从输入端口310接收许多光比特和cw信号。与输入波导330耦合的是第一SOA 340和第一输出波导350。SOA 340的折射率n1响应接收的第一波段内的光功率而改变。
定向耦合器320还包括一光学单元335。光学单元335的折射率是n2，当存在第二波段的光功率时，它不发生变化。光学单元335可以用本领域熟练人员熟知的各种适当部件实现，包括SOA。与光学单元335耦合的是第二输出波导345和输出端口355。
定向耦合器320响应许多光数据比特中每一比特的二进制值，在第一与第二输出波导350与345之间引导cw信号。由于这种安排，与许多光数据比特二进制值对应的cw信号波长上的光信号，通过第一输出波导350传播。类似地，cw信号波长上的光信号的补码，通过第二输出波导345传播。
定向耦合器320包括耦合区370。耦合区370有助于响应输入波导330输入的许多光比特的值，促进耦合效应。耦合区370包括SOA340、光学单元335、和波导325、330、345、与350的末端部分。
运行时，在第一波段内许多比特的某一比特的二进制值是0时，SOA 340和光学单元335相应的折射率n1和n2被设计成基本上彼此相等。因此，耦合效应使cw信号从第一输入波导330传播至第二输出波导345。反之，在第一波段内许多比特的某一比特的二进制值是1时，SOA 340的折射率n1相对于光学单元335的折射率n2发生改变。结果，折射率n1和n2彼此不再相等，导致cw信号从第一输入波导330传播至第一输出波导350。
应当指出，波长变换器100和300的每一个，也可以把许多光比特从第一波长变换至多种其他波长。这里，每一个都有第二波段内不同波长的若干cw信号，被馈进定向耦合器的一个输入端口。该定向耦合器按本文详细说明的相同方式，引导每个cw信号。结果，输出端口在每一cw信号的波长上给出许多光比特。
本发明的定向耦合器可以用InP基半导体处理技术制作。制作步骤包括在InP衬底上生长半导体层。在生长的半导体层上制作图形、蚀刻、和再生长。然后淀积金属，形成触点。在本发明的一个实施例中，定向耦合器有一对在InP基衬底上形成的有源波导层。该有源波导层包括GaInAsP。每一GalnAsP层由InP包层包围。应当指出，本文公开的材料、尺寸、和参数，只是示范性质，可以借鉴本文公开的内容而改变，从本发明中受益。
在本发明的一个示例性实施例中，定向耦合器为3mm长。每个有源波导层宽度是1.0μm，厚度为0.2μm。此外，定向耦合器的耦合区中，由两层有源波导层控制连续波信号的方向。耦合区有一位于两层有源波导层之间的2.0μm的隙d，长度L为600μm，以实现耦合区内波导间的耦合效应。每个波导包层部分即InP的折射率，当存在1550nm波长的光时，是3.166，当存在1310nm波长的光时，是3.203。类似地，每个波导层有源部分即GaInAsP的折射率，当存在1550nm波长的光时，是3.43，当存在1310nm波长的光时，是3.53。
按照该示例性实施例，两个波导中任一个的有源区，应该对1550nm的连续波光信号给出可忽略的损耗。但是，在把连续波光信号耦合进定向耦合器的耦合损耗，加上定向耦合器波导形状带来的散射损耗，估计约在10至16分贝(“db”)的范围。给定这些损耗后，连续波光信号的输入功率可以选择在约1mW至10mW的范围。
相比之下，与1310nm的输入数据流相关的光功率，必须能启动本文详细说明的切换行为。要求实现该切换的功率依赖于若干参数，包括把数据信号耦合进定向耦合器的耦合损耗、偏振损耗、定向耦合器内的耦合常数、和热耗散。在本配置中，估计的确定输入数据流功率的可操作参数包括：小于-6db的耦合损耗、-2db的偏振依赖损耗、和0.3W至1.5W范围的热耗散。通常，输入数据流将在二进制0的0mW与二进制1的10mW之间切换。
给定上面估计的可操作参数后，假定二进制1与二进制0的功率比-也称为消光比-将近似为100。要使消光比最大化，每个制作的SOA要运行在饱和状态-例如偏置电流为100mA和偏置电压为1.5V。通过这种安排，估计本发明在数据传输速率为10GB/s时，将获得近似20分贝的消光比。
虽然本独特发明已经参照列举的实施例加以说明，本说明不表示在限制意义下的约束。应当知道，虽然已经说明了本发明，但对本领域熟练人员来说，参照本说明，无需偏离如后面的权利要求书所述的本发明的精神，显然存在列举的各实施例的各种变化和本发明另外的实施办法。因此，虽然本文公开的内容详细说明，用一对SOA控制通过定向耦合器的连续波信号的方向，但也可以用具有类似功能的装置达到同一效果。同样，虽然公开了用一对半导体光放大器，但本领域熟练人员显然清楚，也可以采用一个SOA结合本发明来实现本发明相同的结果。本领域熟练人员显然还知道，该定向耦合器也可以设计成在收到第一波段的光功率时，从非平衡状态切换至平衡状态。因此可以认为，后面的权利要求书将覆盖属于本发明真正范围的任何这类变化或实施办法。

Claims (19)

1.一种光波长变换器，包括：
一定向耦合器，把许多光比特从第一波段变换至第二波段。
2.按照权利要求1的光波长变换器，其中的定向耦合器至少接收一个第二波段的连续波(cw)信号，并且，在该许多比特的某一比特是二进制的1时，该定向耦合器通过输出端口传播该cw信号。
3.按照权利要求2的光波长变换器，其中的定向耦合器至少有一半导体光放大器(SOA)，用于响应接收的第一波段内的光功率而改变折射率。
4.按照权利要求3的光波长变换器，其中至少一个SOA在该许多比特的某一比特是二进制的1时，引导该cw信号到达输出端口，并且，该SOA在该比特是二进制的0时，引导该cw信号到达补码输出端口。
5.按照权利要求4的光波长变换器，其中的定向耦合器包括：
至少一个波导，接收第一波段内的许多光比特和第二波段内的cw信号；和
一耦合区，在该许多比特的该比特是二进制的1时，把cw信号从该至少一个波导耦合至输出端口，并且，在该许多比特的该比特是二进制的0时，把cw信号从该至少一个波导耦合至补码输出端口，于是，通过输出端口传播的第二波长的光功率，与第一波段内的许多光比特的二进制值相对应。
6.按照权利要求5的光波长变换器，还包括：
第一波导，接收第一波段内的许多光比特；
第二波导，接收第二波段内的cw信号。
7.按照权利要求5的光波长变换器，其中，在该许多比特的该比特是二进制的0时，定向耦合器是平衡的，使cw信号耦合至补码输出端口，而在该许多比特的该比特是二进制的1时，定向耦合器是不平衡的，使cw信号传播至输出端口。
8.按照权利要求7的光波长变换器，其中的定向耦合器因折射率的改变而不平衡。
9.按照权利要求5的光波长变换器，还包括：
一组合器，把第一波段的许多光比特与cw信号组合，该组合器与该至少一个波导耦合。
10.按照权利要求5的光波长变换器，还包括一输出半导体光放大器，用于衰减通过输出端口传播的第一波段内的许多光比特。
11.一种光波长变换器，把许多光比特从第一波段变换为第二波段，该光波长变换器至少接收一个第二波段内的连续波(cw)光信号，该光波长变换器包括：
接收该许多光比特和该cw信号的波导；
定向耦合器，包括：
至少一个半导体光放大器(SOA)，用于在收到第一波段内的光功率时，改变折射率，该至少一个SOA与该波导耦合；和耦合区，在该许多比特的某一比特是二进制的1时，通过输出端口耦合该cw信号，使与第一波段许多数据比特的二进制值对应的第二波段的许多光比特，通过该输出端口传播。
12.按照权利要求11的光波长变换器，其中
耦合区有一定长度和一隙，使cw信号能从一波导耦合至补码输出端口；
在该许多比特的该比特是二进制0时，定向耦合器是平衡的；和
在该许多比特的该比特是二进制1，以改变该至少一个SOA的折射率并使该cw信号能通过该输出端口传播时，定向耦合器是不平衡的。
13.按照权利要求12的光波长变换器，其中的定向耦合器、一个波导、输出端口、和补码输出端口，都是在单个衬底上形成的。
14.按照权利要求12的光波长变换器，还包括一输入半导体光放大器，用于放大第一波长中的光功率。
15.按照权利要求12的光波长变换器，还包括一输出半导体光放大器，用于衰减第一波段中的光功率。
16.一种光波长变换器，把许多光比特从第一波长变换为第二波长，该光波长变换器至少接收一个连续波(cw)光信号，该光波长变换器包括：
第一波导，接收第一波段中的许多光比特，该第一波导有第一半导体光放大器(SOA)，以便响应第一波段中的光功率而改变折射率；
第二波导，接收该cw信号，该第二波导有第二SOA；和
具有耦合区的定向耦合器，在该许多比特中的某一比特是二进制1时，通过输出端口耦合该cw信号，而在该许多比特的该比特是二进制0时，通过补码输出端口耦合该cw信号，于是，与第一波段内许多数据比特的二进制值对应的第二波段内的许多光比特，通过该输出端口传播，其中：
该耦合区有一定长度和一隙，使cw信号能从第二波导耦合至补码输出端口；
在该许多比特的该比特是二进制0时，定向耦合器是平衡的，而在该许多比特的该比特是二进制1，以改变该至少一个SOA的折射率并使该第二波段内的cw信号能通过该输出端口传播时，定向耦合器是不平衡的。
17.按照权利要求16的光波长变换器，还包括一输入半导体光放大器，用于放大第一波段中的光功率。
18.按照权利要求16的光波长变换器，还包括一输出半导体光放大器，用于衰减第一波段中的光功率。
19.按照权利要求16的光波长变换器，还包括一补码输出半导体光放大器，用于衰减第一波段中的光功率。
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