CN1371538A - 多波长的分布式布喇格反射器相控阵列激光器 - Google Patents

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Abstract

一种多波长激光器包括用于提供波长精度的相控阵列部分(2)以及与相控阵列部分(2)耦合以便与相控阵列部分(2)一起形成一激光腔(142)的分布式布喇格反射器部分(14)。

Description

多波长的分布式布喇格反射器相控阵列激光器
                             发明背景
技术领域
本发明一般涉及激光器，尤其涉及在光通信中用作发射器的分布式布喇格反射器(DBR)。
技术背景
对于波分多路复用(WDM)的光学网络，在一实际光纤上同时传输的独立信道数等于所传输的分立波长数。这些信道允许系统积分器以成本有效的方式探索高的信息通过量、灵活的带宽管理、光透明度以及增/卸光学切换。
在电信DWDM系统应用中，发射波长必须锁定在国际电话联合会(ITU)网中ITU标准波长中的一个波长，以满足串扰规范，并确保系统在其正常工作寿命(约25年)内可靠运行。对于密集型波分多路复用(DWDM)系统使用的多波长光控相控阵列天线应用中，天线阵列元件的数目等于波长的数目。
非常需要一种具有高精度波长的集成多波长激光器，用以支持上述DWDM应用。这种激光器必须满足下列要求：由制造预先决定的稳定波长梳；简化的光学包装；元件共享(诸如公共的温度冷却器和光隔离器)；简化的测试；以及小型化。上述优点应在初始采购及后续操作两方面都能降低单位波长发射器的成本。正如所知道的，激光波长梳是指具有N个激光器的激光器阵列，其输出波长被信道分隔或波长间隔所隔开。
在单个激光器芯片上可用的信道数受到材料增益带宽和信道间波长间隔的限制。为了利用基于石英的掺铒光纤放大器(EDFA)的平坦增益区，系统波长被限制在1545到1560nm。对于40个信道的系统，希望波长间隔为0.4nm(或频率间隔为50GHz)。已知一种自由交易的分布式反馈(DFB)激光器的激光波长是由其内置DFB光栅和半导体波导的折射率所决定的，该激光波长随温度变化，并且必须受温度控制。例如，DFB激光器常与温度冷却器和/或隔离器一起使用，以保持一固定波长。利用一项已知的固定DFB激光器阵列技术，可以在一给定的单片功率组合器和一共享输出半导体光放大器(SOA)之内高产量地获得±0.2nm(25GHz)的波长精确。由于多路复用器/去复用器滤波器响应的顶部平坦区域是信道间隔的一个部分，所以激光器阵列所支持的最小系统波长间隔约为1.6nm(200GHz)。特别对于需要许多滤波器级联的环形或长距离网络，波长间隔必须是准确限定。
虽然用诸如DBR激光器阵列等的波长可调谐的激光器阵列可以显著提高波长精度，但是从简单的操作和长期可靠性的角度看，相比波长可调谐的激光器阵列，更希望得到具有固定波长的激光器阵列。
实现多波长激光器的一种方法是把一个增益元件阵列与波长多路复用器集成起来，以制成相控阵列激光器。在这种相控阵列激光器中，多路复用器位于激光腔内，激光腔由一个解理边缘上的高反射镀膜小平面和一个相对的解理状态小平面所限定。
正如所知，共享增益元件是可选择的。最近在文献中已经论证了可以用低损耗的多路复用器对相控阵列激光器进行18个波长的同时连续波(CW)操作。在这个例子中，激光器的信道间隔等于波长多路复用器的信道间隔。由于波长间隔起伏处于纵模间隔的数量级(＜0.2nm)，所以期望相控阵列激光器的波长间隔非常均匀。用这种方法，可以实现具有0.4nm波长间隔的40信道组合器。但是，由于长激光腔具有长度限制，所以未能实现对相控阵列激光器进行每信道超过1Gb/s的直接调制。
由于3dB调制带宽随腔体长度增加而减小，所以不能用高比特率直接调制长腔激光器。如果峰频接近于信号谐频中的一个频率，则信号将失真。因此，对于高比特率的情况，长腔激光器需要一个高速的外部调制器，用以把峰频回移到调制带宽的中心。此外部调制器很昂贵。因此，至少存在一个节省成本的理由要把长腔激光器与一内部调制器集成起来，供外部调制用。
共享的输出光增益元件会引起严重的光学串扰，这构成另一缺点，限制了同时多信道调制。
另一种相控阵列方法是8信道数字可调谐发射器，它具有由选择区域外延法形成的电吸收调制输出。虽然已将这种数字波长可选相控阵列激光器与一个电吸收调制器集成起来，将二阶衍射光用作，但是其输出功率较低(约为一16dBm)。由于此可选相控阵列激光器需要较小的自由频谱范围和减反射(AR)/高反射(HR)的分裂涂层，并在一个小平面上，所以芯片很大，且难以施加分裂小平面涂层。因此，希望提供一种激光器，能够以超过每波长2.5Gbits/s的速率作同时多信道调制，并且在没有诸如分裂涂层等复杂结构的情况下，提供波长精度和选择性。
                          发明内容
本发明的一个方面是从激光腔制成的多波长激光器的组合起来的优点，这个腔体是由相控阵列多路复用器的第一个反射末端上的电宽带反射镜的第二个反射末端上所限定的。
在另一个方面，本发明包括作为宽带反射镜的分布式布喇格反射器。
本发明另外的特性和优点将在随后的详细描述中陈述，而其中一部分对在本技术领域中的科技人员来说，从那个描述中将会容易明了的，或通过在这此所描述的，包括随后的详细描述，权利与要求，还有附图来实践本发明而认可。
要知道，前面的一般描述和后面的详细描述都仅是本发明的示范性内容，这是为了解本发明的性质和特性，用来提供概述和框架的正如所提的 那样。附图被包括在内以提供对本发明的进一步了解，而在此引入并构成本说明书的一个部分。这些图说明了本发明的各种实施例，并与描述在一起起到了解释本发明的理原与操作的作用。
                         附图简述
图1是根据本发明的多波长相控阵列/分布式布喇格反射器(DBR)激光器的图解图；
图2是根据本发明的具有集成的外部调制器阵列的多波长相控阵列/DBR激光器的图解图；
图3是具有两个色散为5/200和10/200μm/GHz的相控阵列多路复用器的透射光谱响应图。
图4是具有KL＝1和两个不同波长为100和200μm的DBRs的反射光谱响应图；
图5分别是相控阵列多路复用器(虚线)和DBRs(实线)的透射和反射光谱响应图；
图6是图1的相控阵列/DBR腔体的通过一次的平均损耗作为频率解谐的函数的曲线图，对于DBR假设L＝100μm，和对于相控阵列多路复用器假设包色D＝10/200GHz；
图7是图1的paasar/DBR腔体的通过一次的平均损耗作为频率解谐的函数的曲线图，对于DBR假设L＝200μm和对于相控阵列多路复用器假设D＝5/200μm/GHz；
图8是根据本发明的具有集成的外部调制器的可选择波长的相控阵列/DBR激光器的示意图；
图9是根据本发明的相控阵列/DBR的示意图，它示出具有许多DBRs的相控阵列多路复用器的波长匹配；以及
图10是展示在目前技术激光器和本发明的相控阵列/DBR激光器之间的比较的图表。
                    较佳实施例的详细描述
现在详细描述本发明的几个较佳实施例，在附图中用图解说明了它们的例子。在整个附图中，在任何可能的地方，相同的标号代表相同的或类似的部件。
图1示出了根据本发明原理的称为相控阵列/DBR激光器的一类新的多波长激光器。图1例示了本发明多波长激光器的实施例，该激光器始终用标号10表示，并处于非集成或集成芯片的形式。按照本发明，本发明的多波长激光器10包括相控阵列部分2和诸如DBR部分14等宽带反射镜部分。安装在激光腔142一端的解理小平面332为所有信道波长提供了宽带反射。宽带反射镜136位于DBR部分14中，构成激光腔142的另一端，其反射带宽小于信道间隔。相控阵列多路复用器位于激光腔142中的相控阵列部分2内，处于解理小平面332和宽带反射镜136之间，其窄发射带宽小于宽带反射镜136的反射带宽，用以腔内波长过滤。换句话说，安装在激光腔中并与解理小平面耦合的相控阵列多路复用器具有一自由的光谱范围和一窄的发射带宽，用以提供腔内波长过滤。宽带反射镜构成激光腔的另一端，其反射带宽大于所述窄发射带宽但小于相控多路复用器的自由光谱范围，以便反射一选定的波长。
此相控阵列/DBR将相控阵列激光器的波长精度与集成外部电吸收调制器410阵列的能力相结合(见图2)，使得能够实现超过每波长2.5Gb/s的同时多信道调制。参阅图1，相控阵列多路复用器320安装在激光腔142的中间，位于在左侧或第一反射端的DBR136与位于右侧或第二反射端的解理状态小平面332、图2中的高反射涂层小平面132，或第二DBR(未示出)之间。只要腔内存在具有所需反射能力的某些反射器结构形式，则该腔体就应如上所述运作。
来自共享输出波导134的激光波长实际上由以下因素决定，即哪个光增益元件118将在左侧、输入侧或第一反射端受到偏压，从而从一特定梳中选出一特定波长。
如对于相控阵列多路复用器320所知道的，自由光谱范围fFSR和中心波长λc由下列表达式决定：
Figure A0081220600072
其中m是相控阵列的级数，neff是阵列波导模式的有效折射率，而ΔL是在阵列相邻波导间的长度差。采用高斯光束近似，用dB做标度的相控阵列多路复用器的透射光谱响应可以近似地用下列方程给出：其中Δf是偏离中心波长的频率失谐，We是模场的有效波导宽度，而色散D是焦点沿像平面每单位频率变化的横向位移，由下列方程给出：
Figure A0081220600074
其中nslab是平板波导模式的有效折射率，而Δα是扇入和扇出分段内相邻阵列波导之间的发散角。图3示出了具有两个不同色散5/200和10/200m/GHz的相控阵列多路复用器的透射光谱响应。有效波导宽度假设为2μm。
在相控阵列多路复用器的一给定自由光谱范围内，每个透射波长峰是由相控阵列建立的色散D以及与一光增益元件相连的每个输入波导的实际位置所决定的。因为每个透射波长峰完全由相同的相控阵列决定，所以波长组合器的信道间隔极为均匀。任何制造缺陷，诸如相控阵列中的材料折射率和层厚度变化，将等同地改变所有的透射波长峰，使得信道间隔保持不变。如果信道间隔满足系统需要，那么绝对波长误差可通过调节散热器温度来校正。
如对DBR所了解的，DBR的布喇格波长λB和反射光谱响应R(Δf)由下列方程给出：
λB＝2neffΛ                                (方程5)
Figure A0081220600081
γ2＝(α/2+j2πnΔf/c)2+κ2                 (方程7)其中L是光栅空间周期，L是光栅长度，α是波导的吸收系数，而κ是光栅耦合系数。图4示出了具有κL＝1和两个不同光栅长度100与200μm的DBR反射光谱响应。波导损耗分别假设为零(实线)和20/cm(虚线)。波导损耗降低了反射率，但对反射带宽几乎没有影响。
由于每个布喇格波长由其局部有效折射率和光栅周期所决定，所以由制造缺陷引起的布喇格波长局部变化会导致在波长组合器内信道间隔的变化，此变化可能超过系统容限。
根据本发明的原理，把两种现有结构(相控阵列和DBR)的好处综合起来，相控阵列/DBR腔的激光波长由最小平均单程反射损耗和全程多次π相位条件所决定。假设共享小平面没有反射镜损耗，那么平均单程反射损耗由下列关系式给出：
Loss(Δf)dB＝T(Δf)dB+R(Δf)dB/2图5分别示出相控阵列多路复用器(虚线)和DBR(实线)的透射与反射光谱响应。一典型相控阵列多路复用器的透射带宽远小于一典型DBR的反射带宽。因此，DBR起宽带反射镜的作用。
如本发明所教导的，图6示出相控阵列/DBR腔的平均单程通过损耗，它是频率失谐的函数。图5的曲线示出了各个光谱响应。于是，对DBR假设κL＝1和L＝100μm，并对相控阵列多路复用器假设D＝10/200m/GHz和We＝2μm。考虑到制造上的缺陷，图6中的虚线表示当DBR的布喇格波长相对相控阵列多路复用器的透射波长峰偏离±100GHz时计算得到的光谱响应。在此图中，对DBR假设kL＝1和L＝100μm，并对相控阵列多路复用器假设D＝10/200m/GHz和We＝2μm。实线表示在相控阵列多路复用器的透射波长峰和DBR的反射波长峰之间没有频率失谐。虚线代表±100GHz的频率失谐。在此失谐的情况下，最小波长损耗主要由相控阵列多路复用器所决定，不管±100GHz的失谐。即使如图5虚线所示对器件参数的要求较少，但是如图7所示，最小波长损耗是在相控阵列透射波长峰的5GHz之内，不管±100GHz的失谐。波长失谐将不会随散热器温度而改变，因为这两个部件都有相同的由材料折射率引起的温度依赖关系。在本原理中未提及小平面反射镜损耗和过波导损耗，因为这两者在波长范围1545到1560nm内都与波长无关。
除了最小损耗条件之外，激光波长必须满足全程多π相位条件。由于该相位条件引起的激光波长不确定性约为模式间隔的±一半。对长度为1cm的腔体，其模式间隔约为4GHz。考虑到损耗和相位条件两者的话，相控阵列/DBR的激光波长不确定性应类似于最佳设计的相控阵列激光器的不确定性(＜±2GHz)，以及低要求设计的不确定性＜±7GHz。两种设计都应该能够支持信道间隔为50GHz的40波长或40信道系统。
图9示出了把相控阵列多路复用器的波长组合器相对于DBR的波长组合器对准的一种方法。通过选择将受偏压的共享输出光增益元件310来选择梳子，相控阵列320的波长梳可离散调谐，使得波长失谐减至最小。当不加偏压时，未偏压输出光增益元件310不起作用，因为它们在光学上是不透明的。
图10列出了几种多波长激光器之间的比较。本发明的相控阵列/DBR激光器具有各种优点。精确波长间隔主要由可以在掺铒光纤放大器的平坦增益区内支持40波长或信道的相控阵列多路复用器确定。
根据本发明的原理，本发明的相控阵列/DBR避免了常规相控阵列激光器的多带激光发射问题。由于相控阵列多路复用器的光谱响应是循环的，所以相控阵列的激光波长不会全部来自一给定的自由光谱范围，因为半导体增益元件带宽非常宽(～100nm)。这种情况常常导致一些波长从所需的系统波长组合器中丢失。最近，提出一种由波导光栅路由器星形耦合器用正抛物线线性调频来实现的双线性调频相控阵列，用于减少旁瓣透射。但是，本发明的相控阵列/DBR激光器没有这种多带激光问题，因为DBR不是循环的。所以，相控阵列多路复用器比常规相控阵列激光器存在更多的设计自由度。
本发明的相控阵列/DBR还提供了超过每波长2.5Gb/s的低线性调频高速调制。如图2所示，外部调制器410阵列可在相控阵列/DBR激光腔142的外面被整块地集成。在此结构中，可以获得超过每波长为25Gb/s的低线性调频高速调制。在本发明的一个方面，为了简化光引出端，用图2所示的相同相控阵列多路复用器320把经调制的波长重新组合到一个输出波导中，由此完全利用了多路复用器独特的路由选择能力。为避免因输出波导134之输出小平面的回反射而引起的光串扰，图2和图1提供了镀有减反射涂层26的窗口小平面，替代了现有相控阵列激光器的高反射涂覆小平面。
如图8所示，另一个可实现的优点是波长可选操作。在此结构中，使用经线性调频的DBR 936来产生覆盖所有系统波长的宽反射带。用受偏压的光增益元件118来选择主要由相控阵列320决定的激光波长。然后用共享集成外部调制器410调制该所选的波长。输出光放大器210是可选择的。为了避免因输出波导134之小平面的回反射而引起的光串扰，采用镀有减反射小平面涂层26的窗口小平面。此创造性波长可选相控阵列/DBR激光器不具有常规相控阵列激光器的低调制速度的缺点。采用图8的波长可选激光器作为在WDM网络元件中的备用激光器是保护N个发射器的一种经济方法，其中N是可以从一块激光芯片上选择的波长数。
根据本发明的原理，就图8的集成相控阵列/DBR激光器芯片而言，所有个体元件都是熟知的，诸如与无源波导134集成的半导体光放大器(SOA)210，相控阵列去复用器320，经线性调频的DBR 936中的布喇格光栅，以及集成电吸收调制器410，它们从来未有利地组合过。因此，不用在此对它作详细的描述。
根据对DBR和相控阵列组合的说明，本领域的普通技技人员可以对本发明的多波长激光器作为修改和变化。例如，可以用另一种宽带反射镜来代替DBR，
这对于在本技术领域的科技人员是明白的，就是在不背离本发明的精神和保护范围的情况，可以对本发明作出各种修改和变化。因此，只要它们包括在所附权利要求书及其等效技术方案的范围内，本发明试图覆盖这些修改和变化。

Claims (10)

1.一种多波长激光器，其特征在于，包括：
激光腔；
相控阵列部分，它装置在激光腔内；以及
分布式布喇格反射器部分，它与相控阵列部分耦合，作为反馈反射镜与激光腔一起维持发射激光。
2.如权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，还包括：
电吸收调制器阵列，它与激光腔耦合，以便同时提供大于每波长2.5Gb/s的多信道调制。
3.如权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，还包括：
集成的外部电吸收调制器阵列，它与激光腔集成为一体，以便同时提供大于每波长2.5Gb/s的多信道调制。
4.如权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述相控阵列部分包括一相控阵列多路复用器。
5.如权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述相控阵列部分包括一安装在激光腔正中的相控阵列多路复用器。
6.如权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述分布式布喇格反射器部分包括：
分布式布喇格反射器，它形成激光腔的第一端，用于把光反射回到激光腔内。
7.如权利要求6所述的多波长激光器，其特征在于，所述相控阵列部分包括一反射面，该反射面形成激光腔的第二端，用于把光反射回到激光腔内。
8.如权利要求7所述的多波长激光器，其特征在于，所述反射面包括一解理状态的小平面。
9.如权利要求7所述的多波长激光器，其特征在于，所述反射面包括第二分布式布喇格反射器。
10.如权利要求1所述的多波长激光器，其特征在于，所述分布式布喇格反射器部分包括多个受线性调频的分布式布喇格反射器，它们用于产生覆盖激光腔所有系统波长的宽反射带。
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