CN1802807B - 由注入光信号进行波长锁定的能够发射激光的光源 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了各种方法、系统和设备，其中由注入光信号将能够发射激光的光源(101)进行波长锁定。诸如法布里-珀罗激光二极管的、能够发射激光的光源(101)可以在能够发射激光的光源(101)的一个或多个端面上具有增透涂层。能够发射激光的光源(101)从宽带光源(113)接收光信号的光谱片段，以将能够发射激光的光源(101)的输出波长锁定到注入光信号的带宽之内。电流泵(141)可以将能够发射激光的光源(101)进行偏置以作为反射再生半导体光放大器进行操作，从而在被放大和波长锁定之后，所述注入的光被反射回去并从前端面发射出去。电流泵(141)还可以偏置能够发射激光的光源(101)，从而从外部注入到能够发射激光的光源(101)的窄带光信号抑制注入的非相干光的带宽之外的激光发射模式。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及波分复用无源光网络。更具体地说，本发明的实施例涉及由注入光信号进行波长锁定的能够发射激光的光源。
背景技术
某些波分复用无源光网络(WDM PON)需要从中心局的发射器到将信号分发给订户的远端站点中的设备的信号波长之间具有精确的波长对准。在无源光网络中，包括信号分发设备的远端节点通常位于没有任何电源的户外。户外信号分发设备的波长的传输带可以根据外部温度的变化而改变。在分发信号的设备的操作波长和所传输信号之间的波长失准在该信号中引入了额外的插入损耗。
将这种失准最小化的一种可能的方法是使用窄线宽分布的反馈激光二极管(DFB LD)，作为光发射器的这种激光二极管基本上总是落在多路复用器的偏移带宽之内从而满足波长对准条件。但是，由于每个被准确稳定的DFB LD的价格较高所以这种安排不是一种经济的解决方案。
某些PONS还使用具有高比特率和用于支持高比特率的适当增益量的光发射器。某些无源光网络可以使用宽带发光二极管(LED)作为光发射器。但是，LED的调制带宽可能较窄，从而使得难于以高比特率发送数据。而且，由于来自LED的相干弱功率输出，所以很难用LED在无源光网络中进行长距离传输。
已经进行了一些将信号注入到激光器中的尝试。但是，300微米左右的标准激光器芯片长度可能不能产生足够的增益，这是由于在注入信号的带宽和激光器的腔模(cavity mode)之间没有重叠。而且，当考虑制造公差和温度漂移时，某些标准的激光器不能产生合适的增益以在操作频率范围上支持足够的信号质量。
发明内容
本发明描述了不同的方法、系统、和设备，其中由注入光信号将能够发射激光的光源进行波长锁定。诸如法布里-珀罗激光二极管(Fabry-Perot laserdiode，FP LD)的、能够发射激光的第一光源在能够发射激光的光源的一个或多个端面上具有增透涂层。该能够发射激光的第一光源从宽带光源接收宽带光信号的第一光谱片段，从而将能够发射激光的第一光源的输出波长波长锁定在注入光信号的带宽内。电流泵可以将能够发射激光的第一光源进行偏置以作为反射再生半导体光放大器操作，从而在将所注入的光放大和波长锁定之后将其反射回去并从前端面发射出去。电流泵还可以偏置该能够发射激光的第一光源，使得从外部注入到该能够发射激光的第一光源中的窄带光信号抑制注入的非相干光的带宽之外的激光发射模式。选择该能够发射激光的第一光源的激光芯片的大小，使得该注入的光信号的带宽内的波长与该能够发射激光的第一光源的一个或多个腔模重叠。
通过附图和下面的详细说明，本发明的其他特点和优点将变得明显。
附图说明
通过例子来说明本发明但是本发明并不限于附图中的图例，其中在附图中，相同的附图标记指示相同的元件，其中：
图1示出了使用由注入光信号进行波长锁定的光发射器的波分复用无源光网络的实施例的框图；
图2示出了具有一个或多个端面以及激光器芯片的、能够发射激光的光源的实施例的框图；
图3示出了对于能够发射激光的光源的实施例，注入光信号的输入功率谱密度相对波长的示意图；
图4示出了对于能够发射激光的光源的实施例，在注入光信号之前和在注入光信号之后功率相对波长的示意图；和
图5a和5b示出了对于能够发射激光的光源的实施例，诸如FPLD的、能够发射激光的光源的增益形状相对于波长的示意图。
具体实施例
下面将描述能够发射激光的不同光源。对于一个实施例，诸如法布里-珀罗激光二极管的、能够发射激光的光源在法布里-珀罗激光二极管的一个或多个端面上具有增透涂层。法布里-珀罗激光二极管从宽带光源接收光信号的某个光谱片段，以将法布里-珀罗激光二极管的输出波长波长锁定到注入光信号 的带宽之内。电流泵将法布里-珀罗激光二极管进行偏置，以作为反射再生半导体光放大器操作，从而所注入的光在放大之后被反射回去并从前端面发射出去。这种再生放大过程使得有效地将法布里-珀罗激光二极管波长锁定到宽带光源的注入光谱片段。电流泵还偏置法布里-珀罗激光二极管，使得从外部注入到法布里-珀罗激光二极管中的窄带光信号抑制注入的非相干光的带宽之外的激光发射模式。而且，可以选择注入光信号的带宽和在法布里-珀罗激光二极管中的激光器芯片的长度，从而通常使得在所注入光信号的带宽中的波长与法布里-珀罗激光二极管的一个或多个腔模重叠。而且，法布里-珀罗激光二极管的激光器芯片可以具有大于40纳米的增强的增益带宽值，从而当用数据流调制法布里-珀罗激光二极管时，在系统的有效操作范围上支持波长锁定同时保持可以使用的信号质量。
图1示出了使用被注入光信号波长锁定的光发射器的波分复用无源光网络的实施例的框图。波分复用无源光网络100包括诸如中心局的第一位置、诸如远端节点的远离第一位置的第二位置、和多个订户位置。
示例中心局包括发射第一波长带中的光信号的第一组光发射器101-103、接收第二波长带中的光信号的第一组光接收器104-106、第一组谱带分裂滤波器107-109、波长跟踪元件130、第一1×n双向光多路复用器/多路分解器112、光耦合器115、第一宽带光源114、和第二宽带光源113。
第一光多路复用器/多路分解器112将从第一宽带光源114接收的第一波长带进行光谱分割，并且将从第二光多路复用器/多路分解器116接收的第二波长带进行多路分解。诸如第一宽带分割滤波器107的谱带分裂滤波器将第一波长带和第二波长带的信号分割到不同的端口。第一多路复用器/多路分解器112耦合到第一组谱带分裂滤波器107-109。在第一组光发射器101-103中的每个光发射器接收第一波长带中的分立的、光谱分割的信号，并且将该光发射器的操作波长对准到所接收的光谱分割的信号的带宽之内的波长。
诸如法布里-珀罗激光二极管的每个光发射器可以与诸如第一电流泵141的电流泵和诸如第一调制器140的调制器合作。第一电流泵141偏置第一光发射器101，从而使得从外部注入到第一光发射器101中的窄带光信号抑制注入的非相干光的带宽之外的激光发射模式。第一调制器140用数据流直接调制由光发射器产生的输出信号。
第一控制器142还与第一光发射器101合作，通过偏移该光发射器的一 个或多个腔模以便与注入光信号的带宽重叠，来为注入光信号提供最优化的增益。第一控制器可以改变第一光发射器101的温度或者施加到第一光发射器101的电流，以偏移光发射器101的腔模。或者，可以独立于诸如第一控制器142的外部设备来选择注入光信号的带宽和激光器芯片的大小，从而使得在注入光信号的带宽中的波长大致重叠于第一光发射器101的一个或多个腔模，以偏移第一光发射器101的模式。
第一光发射器101具有带有增透涂层的一个或多个端面以及带有一个或多个腔模的激光器芯片。第一电流泵141可以偏置第一光发射器101以作为反射再生半导体光放大器来操作。第一光发射器101的前端面接收光谱片段光信号，以将第一光发射器101的输出波长波长锁定在注入光信号的带宽之内。第一光发射器101在注入的光被放大之后将其反射回去并且从前端面发射出去。第一光发射器101在第一波长带中的唯一波长上发射调制的信号。
每个谱带分裂滤波器107-109耦合到在第一组光发射器101-103中的给定光发射器和在第一组光接收器104-106中的给定光接收器。在第一组光接收器104-106中的每个光接收器接收在第二波长带中的分立的多路分解的信号。
波长跟踪元件130包括电或光功率累加器件110和温度控制器111。功率累加器件110测量一个或多个光接收器104-106的输出信号的强度，以确定在第一多路复用器/多路分解器112和第二多路复用器/多路分解器116之间在传输波长带中的差异。温度控制器111控制第一光多路复用器/多路分解器112的操作温度，以将来自光接收器104-106的所测量的输出信号的强度最大化。当第一多路复用器/多路分解器112和第二多路复用器/多路分解器116的传输波长带匹配时，来自光接收器104-106的所测量的输出信号的强度处于其最大值。因此，可以将位于中心局和远端节点的光多路复用器/多路分解器112、116的多路复用的/多路分解的传输波长彼此锁定。
示例远端节点包括第二1×n双向光多路复用器/多路分解器116。第二1×n双向光多路复用器/多路分解器116经由单个光纤128连接到中心局。第二1×n光多路复用器/多路分解器116将包含第一波长带的宽带光信号和包含第二波长带的宽带光信号两者都进行双向多路复用和多路分解。第二1×n光多路复用器/多路分解器116将来自第二宽带光源113的第二波长带进行光谱分割。
通常，多路复用是将多个信道的光信息合并为单个光信号。多路分解是将单个光信号分解为包含光信息信道的多个分立的信号。光谱分割是将宽波长带分割为小片的波长带。
每个示例订户位置，例如第一订户位置，包括谱带分裂滤波器117、用于发射第二波长带中的光信号的光发射器123、和用于接收第一波长带中的光信号的光接收器120。第二多路复用器/多路分解器116将第一波长带进行多路分解并且将第二波长带进行光谱分割。第二多路复用器/多路分解器发送这些信号到每个谱带分裂滤波器117-119。谱带分裂滤波器117-119用于根据输入信号带将输入信号分割到输出端口。诸如第二光发射器123的每个光发射器接收第二波长带中的光谱分割的信号，并且将其操作波长对于该光发射器对准在光谱分割的信号内的波长。每个订户用在第二波长带之内的不同的光谱片段与中心局进行通讯。
与中心局类似，每个光发射器与调制器、电流泵和控制器进行合作。例如，第二电流泵144偏置第二光发射器123，从而外部注入到第二光发射器123的窄带光信号抑制所注入的相干光的带宽之外的激光发射模式。第二调制器143用数据流直接调制由第二光发射器123产生的输出信号。第二控制器145还与第二光发射器进行合作，通过改变第二光发射器的温度或者改变施加到第二光发射器的电流来偏移该光发射器的一个或多个腔模与所注入的光信号的带宽重叠，从而给注入的光信号提供优化的增益。
第二光发射器123可以具有带有增透涂层的一个或多个端面以及带有两个或多个腔模的激光器芯片。注入光信号的带宽和激光器芯片的大小可以进行匹配，以大致使得在注入光信号的带宽内的波长重叠于第二光发射器的一个或多个腔模而不依赖于诸如第二控制器145的外部设备，以将第二光发射器的模式进行偏移。因此，注入信号的带宽包括光发射器的至少一个腔模或者落在两个腔模之间，但是在注入光信号带两端处的波长非常接近于FP LD的对应的腔模，以至于在该波长带两端处的反射的输出波长从信号强度上来说至少比激光器的其他法布里-珀罗模式大3dB。
而且，耦合到光发射器的输入端面的诸如第一光纤146的光纤可以对准光发射器以实现10％到100％之间的耦合效率。耦合效率可以测量为由耦合的测量的功率除以未耦合的测量的功率的值。光纤可以是耦合到光发射器的前端面的单模光纤。耦合回该单模光纤的光发射器的输出波长的功率可以在 +3dBm(相对于1毫瓦以分贝测量的光功率)和-20dBm之间。
诸如放大的自发发射源的第一宽带光源114将第一波长带的光经由第一多路复用器/多路分解器112提供给在第一组光发射器101-103中的给定光发射器，从而将该光发射器的传输波长带进行波长锁定。因此，通过将这些光谱分割的信号注入到在第一组光发射器101-103中的这些光发射器的每一个，在中心局中的该组光发射器101-103的操作波长范围与在中心局的第一路多路复用器/多路分解器112的操作波长相匹配。将每个光发射器的波长锁定在通过谱带分裂滤波器的特定光谱片段，解决了在1×n多路复用器/多路分解器112中在下行流信号上的较大的功率损耗的问题。以这种方式，将来自光发射器101-103的信号的波长和在中心局的多路复用器/多路分解器112的传输波长带之间的失准而导致的较大的功率损耗最小化。
类似地，第二宽带光源113将光的第二波长带提供到给定光发射器123-125以将第二组光发射器的传输波长带进行波长锁定。因此通过将这些光谱分割的信号注入到第二组光发射器中的这些光发射器的每一个，在订户本地的第二组光发射器123-125的操作波长与第二多路复用器/多路分解器116的操作波长范围相匹配。将每个光发射器的波长锁定在通过谱带分裂滤波器的特定光谱片段解决了下述问题，即由于在远端节点的设备中依赖温度变化的波长失调导致的、在1×n光多路复用器/多路分解器116中在上行流信号上的较大的功率损耗。以这种方式，将来自光发射器123-125的信号的波长和在远端节点的多路复用器/多路分解器116的传输波长带之间的失准而导致的较大的功率损耗最小化。通过使用无热多路复用器/多路分解器112和116或者通过多路复用器/多路分解器112的温度控制，可以实现多路复用器/多路分解器112和多路复用器/多路分解器116之间的波长对准，从而将中心局和订户之间的传输损耗最小化。
图2示出了具有一个或多个端面以及激光器芯片(laser chip)增益介质的能够发射激光的光源的实施例的框图。诸如法布里-珀罗激光二极管的光发射器在法布里-珀罗激光二极管201的一个或多个端面250、251上具有增透涂层。因为前端面250的低反射率，所以具有增透涂层的法布里-珀罗激光二极管201可以获得较好的消光比，并且比标准的无涂层的法布里-珀罗激光二极管具有更好的误码率。而且，因为由于输入端面250具有这种增透涂层导致FP LD 201具有较低的插入损耗，所以法布里-珀罗激光二极管201可以具有 更好的边模抑制比。因此，注入光信号可以具有较低的量值并且可以将FP LD201的增益设置得更低，从而造成不将法布里-珀罗激光二极管201的不期望的边模进行放大的能量匮乏环境(energy starved environment)。
可以将法布里-珀罗激光二极管201的前端面250涂上增透涂层以减小反射率。前端面250的光反射率值可以在0.1％到25％的范围内。可以不涂覆后端面251从而具有大约30％的反射率。或者，将后端面251涂覆为具有范围在10％到100％内的光反射率。
相对于注入光信号的带宽而调整激光器芯片252的大小有助于减小与法布里-珀罗激光二极管201关联的腔模的间隔。这增加了下面情况的概率，即注入光信号的带宽中的波长将与法布里-珀罗激光二极管201的一个或多个腔模重叠。激光器芯片252的芯片长度的增加可以在450微米到1200微米的范围之间。标准法布里-珀罗激光二极管的芯片长度通常是大约300微米。
激光器芯片252的增益区可以具有在该增益区中的一个或多个啁啾量子阱(chirped quantum well)、在该增益区中的一个或多个应变量子阱(strainedquantum well)、在该增益区中的一个或多个量子点(quantum dot)、在该增益区中超过标准掺杂的增加的掺杂、或者其他的增强措施，以改进FP LD来增加法布里-珀罗激光二极管201的增益带宽。增强的增益带宽支持FD LD的更宽的波长锁定范围。
法布里-珀罗激光二极管201可以作为反射再生半导体光放大器操作。即使在该激光器的两种腔模之间产生窄带注入噪声信号，法布里-珀罗激光二极管201还可以作为再生半导体放大器工作而将注入的光信号进行放大。如所讨论的，注入光信号的带宽和激光器芯片252的大小可以进行匹配从而大致使得注入光信号的带宽中的波长与FP LD 201的一个或多个腔模重叠。在注入光信号带的带宽的两端处的波长非常接近于FP LD的对应的腔模，以至于在该波长带两端处的放大的波长从信号强度上来说至少比法布里-珀罗激光二极管201的其他边模大3dB。或者，控制器改变FP LD 201的操作温度或者改变施加到FP LD 201的电流以偏移FP LD的腔模来与注入光/噪声信号的带宽重叠，从而提供优化的增益给注入信号。法布里-珀罗激光二极管201通常反射并且放大注入的、光谱分割的噪声信号。
图3示出了对于能够发射激光的光源的实施例，注入光信号的输入功率谱密度相对于波长的示意图。传送到FP LD的前端面的注入光信号355的输 入功率谱密度(每波长带的功率)354可以具有-10dBm/0.1nm带宽到-30dBm/0.1nm带宽之间的功率谱密度。可以在比峰值低(例如)-3dB的值处截取光谱片段356的带宽作为光谱宽度。还可以在比峰值低-20dB的值处截取光谱片段356的带宽作为光谱宽度。由于注入光信号355实际需要的低功率，所以因为激光器的饱和水平和准激光发射行为(quasi-lasing action)减小了噪声因此抑制了边带。
在输入端面上所接收的窄带输入注入信号355的光谱带宽356可以从5GHz到500GHz变化。由于在一个或多个端面上涂有增透涂层，所以法布里-珀罗激光二极管产生具有3dB到35dB之间的值的边带抑制比。边带抑制比是在注入带宽内的模式对于注入带宽外的模式的光输出功率之比。
宽带光源可以产生具有许多大致相等的偏振状态的光信号。注入到激光二极管中的输入光信号355通常没有被偏振，从而呈现与该激光二极管的偏振状态匹配的偏振状态。在法布里-珀罗激光二极管的输入端面上接收到的注入光信号355可以具有0dB到3dB之间的偏振度。偏振度是指任何两个垂直的输入偏振状态之间的最大功率比率。因此，注入功率的偏振度的范围可以从0dB到3dB。
图4示出了对于能够发射激光的光源的实施例，在注入光信号之前和在注入光信号之后，功率相对于波长的示意图。对于上图，实线示出了当偏置电流在激光发射阈值电流之上并且没有注入时能够发射激光的光源的输出光谱。在上图的虚线示出了注入到能够发射激光的光源中的宽带光的光谱。对于下图，实线示出了带有注入光信号的能够发射激光的光源的输出光谱。在下图中的虚线示出了当截至到FP LD的偏置电流时，能够发射激光的光源的输出光谱。其表示注入的宽带光的反射的光谱。当没有输入信号被注入到激光器中时，电流泵偏置法布里-珀罗激光二极管以在激光发射阈值附近或者之上进行操作。当将光信号注入到激光器中时，该激光器的增益被抑制到低于自由运行(free-running)的激光器的增益。FP LD的操作泵电流的范围可以是自由运行的激光器的激光发射阈值的0.9到1.5倍。通过将外部窄带信号注入到法布里-珀罗激光二极管中并且在其自由运行激光器阈值附近操作泵电流，可以实现最大反射增益的条件同时抑制在注入波长带之外的法布里-珀罗模式的激光发射。
注入的非相干光的带宽之外的法布里-珀罗模式导致3dB到35dB之间的 边带抑制比。将增透涂层添加到具有固定泵电流的FP LD增加了该FP LD的边带抑制比。
调制器可以直接数据调制由法布里-珀罗激光二极管产生的输出信号。直接调制的信号的消光比可以大于5dB。数据调制速率的范围可以从100Mbps到175Mbps、600到650Mbps、和1000到1500Mbps(每秒兆比特)。较大的边带和噪声抑制与注入光信号的放大组合在一起允许WDM PON中较高的传输比特率。
图5a和5b示出了对于能够发射激光的光源的实施例，诸如FP LD的能够发射激光的光源的增益形状相对于波长的示意图。参照图5a，实线表示法布里-珀罗激光二极管的标称增益曲线580，而矩形方框表示有效的实际操作范围(ΔλO)579，当用数据流调制诸如FP LD的、能够发射激光的光源时在所述实际操作范围中存在合适的信号质量。水平线表示波长锁定范围(ΔλL)581，当用数据流调制FP LD时在该范围中存在合适的信号质量。虚线示出了可能由于制造公差而导致的FP LD的增益曲线中潜在的中心波长偏移582。点线示出了可能由于制造公差和FP LD的温度漂移产生的偏移而导致的FP LD的增益曲线中潜在的中心波长偏移583。点划线示出了包括具有未改进的增益区的激光器芯片的法布里-珀罗激光二极管的增益曲线587。
当将输入非相干信号注入到FP LD中时存在有波长锁定范围(ΔλL)581，当用数据流调制FP LD时在该范围上存在合适的信号质量。对于标准FP LD，波长锁定范围大约可以是(ΔλL)＝±15纳米(nm)。对于使用间隔0.8纳米的32个信道的典型WDM-PON系统结构，需要将FP LD波长锁定于其上的所需要的系统带宽大约是±13nm。但是，标准FP LD自己可能不能够适当地覆盖所需要的系统带宽。在WDM PON系统中，由于温度和制造公差可能使得FP LD的中心波长变化。
如果由于温度变化或者制造公差使得FP LD不在该系统带宽之中的中心，则FP LD的有效实际操作范围581将会减小。下面表达式描述了各种参数之间的这种关系，并且参照图5a图解示出。
ΔλL＝ΔλO+ΔλC+ΔλT
其中ΔλL是FP激光二极管的所需要的锁定范围，ΔλO是在考虑温度和制造公差的变化之后FP LD的有效操作范围，ΔλC是由于制造公差引起的增益曲线中心的变化，并且ΔλT是由于FP LD的温度变化引起的增益曲线的偏移。
例如，考虑±10C的受控的操作温度范围、ΔλC＝±5nm的制造公差和ΔλO ＝±13nm的所需要的系统带宽(有效操作范围)。因为FP LD的增益曲线的典型调谐因数可以是0.5nm/C，所以±10C温度范围对应于ΔλT＝±5nm的中心波长变化。用于该示例激光二极管的所需要的锁定范围变成ΔλL＝±23nm(±13nm、±5nm、±5nm)。由于标准FP LD具有大约±15nm的锁定范围所以这就产生了问题。如果WDM PON使用±25C的不受控的温度范围和±10nm的标准制造公差，则这种问题还会增大。当用数据流调制法布里-珀罗激光二极管时，所需要的锁定范围变成ΔλL＝±35.5nm以支持可以使用的信号质量。
WDM PON可以用许多方法来解决这种问题。
一种方案是使用带有比标准值的波长锁定范围更大波长锁定范围(通过更宽的标称增益曲线580)的FP LD，来预测温度漂移和制造公差对于增益光谱的中心的影响。FP LD可以使用其增益带宽大于约±15nm的标准值的增益带宽的非标准激光器芯片。可以通过改进激光器芯片的增益区以产生更宽的标称增益曲线580来制造这些类型的激光二极管。用于增加半导体激光器的增益带宽的某些方法包括：增加增益区中的掺杂、使用用于增益区的啁啾量子阱、使用用于增益区的应变量子阱或者使用用于增益区的量子点，或者其他类似方法。
具有增强的增益区的法布里-珀罗激光二极管的激光器芯片具有大于40纳米(±20nm)的增益带宽值，以在被注入了输入非相干信号之后支持在该带宽上的波长锁定，同时当用数据流调制法布里-珀罗激光二极管时还支持可使用的信号质量。在被调制之后，FP LD所产生的可使用的输出信号具有在所调制的操作范围中的可接受的误码率。
参照图5b，提高波长锁定操作的另一个解决方案是使用多种类型的激光二极管。每种法布里-珀罗激光二极管具有带有未改进的增益区587的激光器芯片。用不同的偏置中心波长585、586来制造每种FP LD。将激光器分组(bin)到特定的波长区域，从而可以将两个或多个不同的激光器进行合并用于信道方案的不同部分。
参照图1，诸如第三光发射器124a和第四光发射器124b的、能够发射激光的多个光源耦合在第二多路复用器/多路分解器116的输出端。第三光发射器124a和第四光发射器124b以大致相同的波长发射输出信号，并且由注入的光谱分割的窄带光信号将每个输出信号进行锁定。第三光发射器124a可 以包括具有第一中心波长的激光器芯片。第四光发射器124b可以包括具有第二中心波长的第二激光器芯片。将第二中心波长偏离于第一中心波长。能够发射激光的第一光源的波长锁定范围的带宽和能够发射激光的第二光源的波长锁定范围的带宽进行合并，以等于或大于系统带宽的操作范围、由于制造公差产生的中心波长变化、以及由于温度改变产生的增益曲线的偏移之和。
而且，可以将在订户处的光发射器分成两个或多个组，从而可以将两个或多个不同的激光器进行合并以覆盖全部的系统带宽。第一组包括具有第一中心波长的激光器芯片并且独立地连接到多路复用器/多路分解器的上半部分端口中的一个端口。例如，第二光发射器123可以包括具有第一中心波长的激光器芯片并且连接到多路复用器/多路分解器116的上半部分端口中的第一端口。第二组包括具有第二中心波长的激光器芯片并且独立地连接到多路复用器/多路分解器的下半部分端口中的一个端口。例如，第五光发射器125可以包括具有第二中心波长的激光器芯片并且独立地连接到多路复用器/多路分解器116的下半部分端口中的第N端口。
参照图5b，使用具有不同中心波长585、586的多个FP LD允许将所需要的系统带宽分成较小的区域或组，从而每个激光器所需要的操作范围也就变小了。例如，如果所需要的系统带宽是±13nm并且我们使用两种不同的激光器来覆盖这个区域，则每个激光器所需要的操作范围可以只是ΔλO＝±6.5nm。通过减小不同激光器的操作范围，可以减小必须的锁定范围Δλ。虽然在上面的例子中仅仅使用两个组，但还可以使用更多的组。组的最大数量可以等于在通讯系统中所使用的WDM信道的数量。将分组不同类型的FPLD和具有增强的增益带宽的激光器芯片进行结合还有助于解决技术限制和成本之间的折衷问题。
参照图1，波分复用无源光网络100可以在下行流信号中和上行流信号中使用不同的波长带，诸如对于下行流信号使用第一波长带，对于上行流信号使用第二波长带。下行流信号表示从中心局的光发射器101-103到订户的信号，上行流信号表示从订户的光发射器123-125到中心局的信号。下行流信号的波长例如可以是λ1、λ2、....、λn，而上行流信号的波长例如可以是在不同的波长带中承载的λ1*、λ2*、λn*，其中由多路复用器/多路分解器的自由光谱范围分隔λ1和λ1*。
如上所述，1×n光多路复用器/多路分解器116具有将来自左侧端口的光 信号多路分解到右侧的n个端口的功能。而且，同时将来自右侧n个端口的光信号多路复用到左侧的一个端口。1×n光多路复用器/多路分解器116将第二波长带光谱分割为窄光谱波长宽度。因为可以在多于两个的波长带上操作光多路复用器/多路分解器，所以可以同时多路复用和多路分解在不同波长带上双向传播的上行流信号和下行流信号。可以将光多路复用器/多路分解器在其上操作的每个波长带偏移光多路复用器/多路分解器的自由光谱范围的一个或多个间隔。
对于一个实施例，上行流波长带可以在从1520nm到1620nm的波长范围内。这是由于例如掺铒光纤放大器等在该波长范围内可用的较高功率ASE源导致的。下行流波长带可以在从1250nm到1520nm的带宽范围内。对于窄带应用，上行流和下行流的波长范围可以分别是1525～1565nm和1570～1610nm。或者，第二波长带可以是具有离第一波长带的峰值波长5-100纳米之间的光谱分隔的波长带。第一波长带和第二波长带之间的光谱分隔应该足够大到能够防止在到订户的滤波的光谱分割的下行流信号和来自该订户的滤波的上行流信号之间发生干扰。
注意，不应该将特定的参考数字理解为按照字面的顺序，而是应该理解为第一波长带不同于第二波长带。因此，所述的特定细节仅仅是示例性的。某些其他的实施例可以包括下面的情况。单个设备可以提供第一宽带光源和第二宽带光源两者的功能。WDM PON可以使用多于两个不同的波长带。每个多路复用器/多路分解器可以是无热排列的波导光栅。每个多路复用器/多路分解器仅仅是分割输入光信号而不是光谱分割输入的光信号。存在多于一个的远端节点。光发射器可以用连续波操作并且由外部调制器等进行调制。接收器输入功率对于100Mb/s到大约170Mb/s可以从-27dBm到-36dBm变化。中心局和远端节点之间的光纤长度可以长至20公里。远端节点和订户之间的光纤长度可以长至15公里。可以例如由电流调制来直接调制每个光发射器以将信息嵌入到由光发射器发出的特定波长上。每个光发射器包括能够发射激光的光源。一个或多个光发射器可以是注入了来自放大自发发射光源的光谱分割的宽带非相干光的法布里-珀罗半导体激光器。一个或多个光发射器可以是波长引晶(wavelength-seeded)反射半导体光放大器(SOA)。一个或多个光发射器支持高比特速率调制和长距离传输。反射SOA还可以作为调制设备工作。可以使用波长引晶将光发射器进行调制和波长锁定，该光发射器可以 给光谱片段之内的波长提供信号增益并且增加注入波长和该光谱片段之外的波长之间的消光比。宽带光源可以是基于半导体光放大器的光源、基于稀土离子掺杂光纤放大器的光源、发光二极管、或类似设备。宽带光源可以提供带有任何特性的光，诸如相干或非相干光。
可以由包括集成波导光栅、使用薄膜滤波器的器件、衍射光栅或类似器件的排列的波导光栅来实现光多路复用器/多路分解器。光多路复用器/多路分解器还可以是介电干涉滤波器或类似器件。多路复用器/多路分解器可以具有在独立的波长信道之间的、25千兆赫到400千兆赫之间的波长间隔。激光二极管的温度控制的使用限制了激光器的波长偏移。可以使用靠近激光器的小加热器来将它们的温度控制在40摄氏度到50摄氏度之间。这限制了波长偏移并且减小了激光二极管所需的锁定范围。还可以使用其他值的温度范围。
无源光网络包括没有被提供电源的无源光器件而在中心局和光订户之间没有任何有源设备。光分配网络的拓扑结构可以是星形拓扑，其包括具有靠近订户放置的光多路复用器/多路分解器的远端节点，并且用于通过单条光纤中继与中心局的通讯并通过多个用户自己的光纤向/从每个订户分发信号。第二多路复用器/多路分解器可以在远端位置，从而周围环境与第一多路复用器/多路分解器的环境足够不同，以当第二多路复用器/多路分解器的传输波长带与第一多路复用器/多路分解器的传输波长带匹配时充分地改变第二多路复用器/多路分解器的传输波长带。
在上述讨论中，已经参考本发明的示例实施例来描述了本发明。但是很明显在不偏离所附权利要求所述的本发明较宽的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和变化。因此应该将说明书和附图当作说明性而不是限制性的。
Claims (48)
1.一种光源设备，包括：
能够发射激光的第一光源，在该能够发射激光的第一光源的一个或多个端面上具有增透涂层，其中该能够发射激光的第一光源从宽带光源接收宽带光信号的第一光谱片段，以将该能够发射激光的第一光源的输出波长波长锁定到注入光信号的带宽之内；和
电流泵，用于偏置该能够发射激光的第一光源，以使得注入到该能够发射激光的第一光源的光信号抑制该注入的光信号的带宽之外的激光发射模式，其中选择该能够发射激光的第一光源的激光芯片的大小，使得该注入的光信号的带宽内的波长与该能够发射激光的第一光源的一个或多个腔模重叠。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述能够发射激光的第一光源是法布里-珀罗激光二极管。
3.根据权利要求2所述的设备，还包括：
法布里-珀罗激光二极管，其具有带有两个或多个腔模的激光器芯片，其中注入光信号的带宽和激光器芯片的大小进行匹配，以大致使得在注入光信号的带宽内的波长与法布里-珀罗激光二极管的一个或多个腔模重叠。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述激光器芯片的大小具有从450微米到1200微米的芯片长度。
5.根据权利要求2所述的设备，其中用于前端面的光反射率具有可从0.1％到25％变化的值。
6.根据权利要求2所述的设备，其中用于后端面的光反射率具有可从10％到100％变化的值。
7.根据权利要求2所述的设备，其中所述电流泵偏置法布里-珀罗激光二极管以作为反射再生半导体光放大器操作。
8.根据权利要求2所述的设备，其中所述法布里-珀罗激光二极管在一个或多个端面上具有增透涂层以产生具有从3dB到35dB的值的边模抑制比。
9.根据权利要求2所述的设备，还包括：
控制器，用于通过改变法布里-珀罗激光二极管的温度来将法布里-珀罗激光二极管的一个或多个腔模偏移至与注入光信号的带宽重叠，从而为注入光信号提供优化的增益。
10.根据权利要求2所述的设备，还包括：
控制器，用于通过改变被施加到法布里-珀罗激光二极管的电流来将法布里-珀罗激光二极管的一个或多个腔模偏移至与注入光信号的带宽重叠，从而为注入光信号提供优化的增益。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备是无源光网络的组成部分，该设备还包括：
宽带光源，用于将包含第一波长带的光信号提供给多路复用器/多路分解器，其中法布里-珀罗激光二极管耦合到多路复用器/多路分解器的端口以从该宽带光源接收光信号的光谱片段。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述多路复用器/多路分解器在每个独立的波长信道之间具有在25千兆赫兹到400千兆赫兹之间的波长间隔。
13.根据权利要求2所述的设备，还包括：
调制器，用于使用数据流来数据调制由法布里-珀罗激光二极管产生的输出信号，其中法布里-珀罗激光二极管的激光器芯片具有大于40纳米的增益带宽值，以在被注入了输入光信号之后支持该带宽上的波长锁定，同时在用数据流调制法布里-珀罗激光二极管时仍支持可以使用的信号质量。
14.根据权利要求2所述的设备，其中激光器芯片的增益区具有在该激光器芯片的增益区中的一个或多个啁啾量子阱。
15.根据权利要求2所述的设备，其中激光器芯片的增益区具有在该激光器芯片的增益区中的一个或多个应变量子阱。
16.根据权利要求2所述的设备，其中激光器芯片的增益区具有在该激光器芯片的增益区中的一个或多个量子点。
17.根据权利要求2所述的设备，其中将所述激光器芯片的增益区进行修改，以通过超过该激光器芯片的增益区中的标准掺杂的增加的掺杂，来增加法布里-珀罗激光二极管的增益带宽。
18.根据权利要求2所述的设备，其中所述电流泵将偏置泵电流提供给法布里-珀罗激光二极管，该偏置泵电流的值是当没有将输入光信号注入到激光器时发生的激光发射阈值电流的0.9到1.5倍。
19.根据权利要求2所述的设备，还包括：
调制器，用于直接数据调制由法布里-珀罗激光二极管产生的输出信号，其中所述直接调制的信号的消光比大于5dB。
20.根据权利要求2所述的设备，还包括：
光纤，其耦合到法布里-珀罗激光二极管的输入端面并且与所述输入端面对准以实现大于20％的耦合效率。
21.根据权利要求2所述的设备，还包括：
法布里-珀罗激光二极管的输入端面；其中在所述输入端面上接收的注入光信号具有负10dBm/0.1nm带宽到负30dBm/0.1nm带宽之间的功率谱密度。
22.根据权利要求2所述的设备，还包括：
单模光纤，其耦合到法布里-珀罗激光二极管的前端面，其中耦合回所述单模光纤的法布里-珀罗激光二极管的输出波长的功率可以在+3dBm和-20dBm之间。
23.根据权利要求2所述的设备，还包括：
法布里-珀罗激光二极管的输入端面，其中在所述输入端面上接收的注入光信号具有0dB到3dB之间的偏振度。
24.根据权利要求2所述的设备，还包括：
法布里-珀罗激光二极管的输入端面，其中在所述输入端面上接收的注入光信号的带宽从5千兆赫兹到500千兆赫兹。
25.根据权利要求2所述的设备，其中所述电流泵在没有将输入光信号注入到该法布里-珀罗激光二极管时，偏置法布里-珀罗激光二极管以在该激光发射阈值之上进行操作，并且在将光信号注入到所述法布里-珀罗激光二极管时，将该法布里-珀罗激光二极管的增益抑制到低于自由运行的法布里-珀罗激光二极管的增益。
26.一种光源设备，包括：
能够发射激光的光源，其具有一个或多个端面以及带有一个或多个腔模的激光器芯片，其中该能够发射激光的光源的前端面从宽带光源接收光信号的光谱片段，以将该能够发射激光的光源的输出波长波长锁定到注入光信号的带宽之内，并且在被放大和波长锁定之后所述注入光信号被反射回去并从第一端面发射出去；
电流泵，用于偏置能够发射激光的光源以作为反射再生半导体光放大器进行操作，其中注入光信号的带宽和激光器芯片的大小进行配合以大致使得在该注入光信号的带宽内的波长与该能够发射激光的光源的一个或多个腔模重叠，而不依赖于影响该能够发射激光的光源的、偏移该能够发射激光的光源的模式的外部设备。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述能够发射激光的光源是法布里-珀罗激光二极管。
28.根据权利要求27所述的设备，还包括：
单模光纤，其耦合到法布里-珀罗激光二极管的前端面，其中耦合回所述单模光纤的法布里-珀罗激光二极管的输出波长的功率可以在+3dBm到-20dBm之间。
29.根据权利要求27所述的设备，其中所述电流泵在没有将输入光信号注入到该激光器时，偏置法布里-珀罗激光二极管以在该激光发射阈值之上进行操作，并且当将光信号注入到所述法布里-珀罗激光二极管时，将该激光器的增益抑制到低于运行的法布里-珀罗激光二极管的增益。
30.根据权利要求27所述的设备，其中所述电流泵将偏置泵电流提供给法布里-珀罗激光二极管，该偏置泵电流的值是当没有将输入光信号注入到激光器时发生的激光发射阈值电流的0.9到1.5倍。
31.根据权利要求27所述的设备，还包括：
调制器，用于直接数据调制由法布里-珀罗激光二极管产生的输出信号，其中所述直接调制的信号的消光比大于5dB。
32.根据权利要求27所述的设备，还包括：
调制器，用于使用数据流直接数据调制法布里-珀罗激光二极管；其中法布里-珀罗激光二极管的激光器芯片具有大于40纳米的增益带宽值，以在被注入了输入光信号之后支持该带宽上的波长锁定，同时在用数据流调制法布里-珀罗激光二极管时支持可以使用的信号质量。
33.根据权利要求27所述的设备，其中至少一个端面具有增透涂层。
34.根据权利要求27所述的设备，其中所述设备是无源光网络的组成部分，该设备还包括：
宽带光源，用于将包含第一波长带的光信号提供给多路复用器/多路分解器，其中法布里-珀罗激光二极管耦合到多路复用器/多路分解器的端口以从该宽带光源接收光信号的光谱片段。
35.根据权利要求27所述的设备，其中激光器芯片具有增益区，该增益区具有一个或多个啁啾量子阱。
36.根据权利要求27所述的设备，其中激光器芯片具有增益区，该增益区具有一个或多个应变量子阱。
37.根据权利要求27所述的设备，其中激光器芯片具有增益区，该增益区具有一个或多个量子点。
38.根据权利要求27所述的设备，其中激光器芯片具有增益区，将所述增益区进行修改，以通过超过该激光器芯片的增益区的标准掺杂的增加的掺杂来增加法布里-珀罗激光二极管的增益带宽。
39.根据权利要求27所述的设备，其中用于偏置法布里-珀罗激光二极管的所述泵电流对于注入光信号的带宽之外的法布里-珀罗模式产生具有大于3dB的值的边模抑制比。
40.根据权利要求27所述的设备，其中所述激光器芯片的尺寸具有从450微米到1200微米的芯片长度。
41.根据权利要求27所述的设备，还包括：
法布里-珀罗激光二极管的输入端面，其中在所述输入端面上接收的注入光信号具有0dB到3dB之间的偏振度。
42.根据权利要求27所述的设备，还包括：
法布里-珀罗激光二极管的输入端面，其中在所述输入端面上接收的注入窄带光信号的带宽从5千兆赫兹到500千兆赫兹。
43.根据权利要求27所述的设备，还包括：
法布里-珀罗激光二极管的输入端面，其中在所述输入端面上接收的注入窄带光信号具有-10dBm/0.1nm带宽到-30dBm/0.1nm带宽之间的功率谱密度。
44.根据权利要求1所述的设备，还包括：
宽带光源，产生宽带光信号；
多路分解器，其将宽带光信号进行光谱分割以产生宽带光信号的多个光谱片段；
其中该能够发射激光的第一光源耦合在多路分解器的第一输出端，其中能够发射激光的第一光源包括具有第一中心波长的第一激光器芯片，并且由第一注入的宽带光信号的光谱片段进行波长锁定；和
第二光源，其能够发射激光并且耦合在多路分解器的第二输出端，其中，能够发射激光的第二光源包括具有第二中心波长的第二激光器芯片，并且由第二注入的宽带光信号的光谱片段进行波长锁定。
45.根据权利要求44所述的设备，其中能够发射激光的所述第一光源的波长锁定范围的带宽和能够发射激光的所述第二光源的波长锁定范围的带宽合并起来等于或大于所述系统的带宽的操作范围、由于制造公差引起的中心波长变化、以及由于温度变化引起的增益曲线偏移之和。
46.根据权利要求44所述的设备，其中所述电流泵用于偏置能够发射激光的第一光源以作为反射再生半导体光放大器进行操作。
47.根据权利要求44所述的设备，其中注入到能够发射激光的第一光源中的宽带光信号的第一光谱片段抑制在所述第一注入窄带光信号的带宽之外的法布里-珀罗模式的激光发射。
48.根据权利要求44所述的设备，其中所述第一注入宽带光信号的光谱片段的带宽之外的法布里-珀罗模式产生从3dB到35dB的边模抑制比。
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