CN1862898A - 可调谐激光器 - Google Patents

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Abstract

一种可调谐激光器包括：多环形谐振器，包括分别具有环形波导和不同光程的多个环形谐振器；输入/输出侧光波导，耦合到多环形谐振器；光输入/输出器件，例如激光二极管，耦合到输入/输出侧光波导；反射侧光波导，耦合到多环形谐振器；光反射器，耦合到反射侧光波导；波长变化装置，用于改变多环形谐振器的谐振波长；以及滤波器，用于使高阶模式的光避免被引入多环形谐振器并且在多环形谐振器中传播基模的光。

Description

可调谐激光器
技术领域
本发明涉及一种可以改变其振荡波长的可调谐激光器。
背景技术
随着宽带通信越来越普及，试图引进能够在单根光纤上以多个不同光波长进行通信以便有效地使用光纤传输路径的WDM(波分复用)传输系统。近年来，复用几十个波长的光信号以便于更高速传输的DWDM(密集WSD)设备的使用正处于增长中。正在努力使用于在光网络中每一个节点处插入或分接希望波长的光信号的ROADM(可重新配置光分插复用器)商业化。如果ROADM系统被引入到通信环境中，则光网络的灵活性将显著增加，因为它们能够通过改变波长来进行光路切换，并且由波长复用增加了传输能力。
WDM传输系统需要与采用的波长数目同样多的光源。因此，随着WDM传输系统复用的波长数目增加，需要的光源数目同样增加。
因为使用的简易性和可靠性，在单个轴向模式中振荡的DFB-LD(分布式反馈激光二极管)被广泛用作WDM传输系统中的光源。DFB-LD具有完全处于谐振器中的大约30nm深度的衍射光栅。DFB-LD稳定地在与衍射光栅的周期和等价折射率两倍值的乘积相对应的波长处在单个轴向模式中振荡。然而，因为不可能针对较宽范围的振荡波长来调谐DFB-LD，基于DFB-LD的WDM传输系统采用具有针对各个ITU(国际电信联盟)网格的不同波长的DFB-LD设备。使用具有不同波长的DFB-LD设备的需要使得基于DFB-LD的WDM传输系统成问题，因为闲置控制(shelfcontrol)成本较高，并且对DFB-LD故障做准备需要DFB-LD的冗余存量。如果能够通过改变波长来进行光路切换的ROADM系统采用普通的DFB-LD，则波长范围的可变程度局限于可随着温度改变而改变的大约3nm，使得难以构成具有有效使用波长资源的ROADM特征的光网络。
对可调谐激光器进行了深入研究，以便解决当前的DFB-LD的问题，并且在较宽波长范围内实现单轴向模式振荡。在Isao Kobayashi所写的“Hikari Syuseki Devices(光集成器件)”第一版，第二次印刷，Kyoritsu Shuppan Co.Ltd.，2000年12月，104-122页中公开了这种研究努力的一个示例。下面给出在该文献中描述的一些示例以描述传统的可调谐激光器。
可调谐激光器通常分为两类，即具有位于激光器单元内的波长变化装置的可调谐激光器和具有位于激光器单元外的波长变化装置的可调谐激光器。
一种提出的具有位于激光器单元内的波长变化装置的可调谐激光器是DBR-LD(分布式布拉格反射器激光二极管)，DBR-LD具有用于产生增益的有源区以及用于利用衍射光栅来产生反射的DBR区，有源区和DBR区都位于一个激光器单元内。DBR-LD具有至多大约10nm的可变波长范围。还提出了一种采用非均匀衍射光栅的DBR-LD，其具有用于产生增益的有源区以及将有源区夹在中间的前和后DBR区。有源区和DBR区都位于一个激光器单元内。在前和后DBR区中，非均匀衍射光栅产生多个反射峰，它们相距的间隔在前和后DBR区中略微不同。因为这种结构产生微调效应(vernier effect)，具有非均匀衍射光栅的DBR-LD可以在非常宽的范围内改变波长，并且可以在超过100nm的范围内实现波长变化操作，并且可以在40nm的范围内实现准连续波长变化操作。
一种提出的具有位于激光器单元外的波长变化装置的可调谐激光器是一种具有位于激光器单元外的衍射光栅的可调谐激光器，可以旋转衍射光栅以将特定波长的光返回到激光器单元。这种可调谐激光器需要一种用于连续地监控振荡波长的装置。以前，例如标准具等的波长选择组件被结合在模块中，用于监控振荡波长。
尽管作为传统可调谐激光器提出了多种结构，然而因为包括模式跳跃、复杂的波长控制、较弱的振动阻尼以及由于器件增大而导致的高成本的各种问题，难以实际使用这些结构。
DBR-LD通过将载流子注入DBR区以改变其折射率，来改变波长。如果由于电流注入而导致出现晶体缺陷，则折射率改变与电流注入的比变化较大，使得难以在恒定的波长处在较长时间段上维持激光振荡。因为DBR-LD是一种复杂结构，通常具有较大尺寸。根据当前的化合物半导体器件制造工艺技术，不可能使激光器衬底的尺寸增加2英寸(50.8mm)或更多。因此，难以降低当前的DBR-LD的价格。
具有位于激光器单元内的波长变化装置的可调谐激光器由于振动而易于产生模式跳变。这些可调谐激光器需要大振动阻尼装置，并且通常具有较大的模块尺寸和增加的成本。因为除了用于监控振荡波长的标准具之外可调谐激光器还需要多个光组件(例如光电探测器)，所以可调谐激光器还经受增加的组装成本。通常利用透镜使激光发射表面和标准具空间地互相耦合，用于波长监控。根据习惯的方式，标准具的轻微位置误差会改变波长的精确度。因此，需要高精确的安装技术将标准具安装在适当的位置。然而，高精确的安装技术也增加了可调谐激光器的组装成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调谐激光器，能够解决传统可调谐激光器的问题，具有高可靠性、高性能和低成本，并且具有简单的用于监控波长的设置。
上述目的可以由一种可调谐激光器来实现，所述可调谐激光器包括：多环形谐振器，包括分别具有环形波导和不同光程的多个环形谐振器；第一光波导，耦合到多环形谐振器；光输入/输出器件，耦合到第一光波导；第二光波导，耦合到多环形谐振器；光反射器，耦合到第二光波导；波长变化装置，用于改变多环形谐振器的谐振波长；以及滤波器，用于使高阶模式的光避免被引入到多环形谐振器中，并且用于在多环形谐振器中传播基模的光。
在该可调谐激光器中，从光输入/输出器件发射出的光被引入第一光波导，然后连续地通过多环形谐振器以及第二光波导，到光反射器，随后返回，连续地通过第二光波导和多环形谐振器，并且作为返回光从第一光波导施加到光输入/输出器件。因为在上述光路的某个位置布置了滤波器，从第一光波导施加到光输入/输出器件的返回光是基模的光。因为多环形谐振器的环形谐振器具有略微不同的FSR(自由光谱区)，返回光在多环形谐振器的谐振波长处变得最强，在各个环形谐振器中发生的反射(透射)的周期性变更互相重合的波长(即谐振波长)处发生更强的反射。第一光波导还被称为输入/输出侧波导，因为第一光波导被放置于多环形谐振器和光输入/输出器件之间，并且第二光波导还被称为反射侧波导，因为第二光波导被放置于多环形谐振器和光反射器之间。
利用这种设置，通过环形谐振器的直通端口的光在多环形谐振器的谐振波长处最小。如果用于光耦合环形谐振器的光耦合器被放置于多环形谐振器中，则可以通过检测光耦合器的直通端口处的光的量来检测多环形谐振器的谐振波长。
周期性变更互相重合处的波长基于环形谐振器的周长和波导折射率的变化而较大地改变。因此，可调谐激光器可以有效地工作，通过改变波导折射率来改变振荡波长。例如可以根据热光效应来改变波导折射率。热光效应指材料的折射率随着其温度增加而增加的现象。任意的普通材料在各种不同程度上显示出热光效应。根据本发明，可以根据环形谐振器的温度特性来改变多环形谐振器的谐振波长。波长变化装置可以部分地或整个地加热或冷却环形谐振器，以便改变环形谐振器的波导折射率。波长变化装置优选地可以包括用于加热环形谐振器的环形波导的膜加热器。
根据本发明，周长互相略微不同的环形谐振器彼此串联耦合，以提供多环形谐振器，并且使用由多环形谐振器所提供的微调效应，通过改变环形谐振器的谐振波长，来较大地整体改变多环形谐振器的谐振波长。
下面描述在根据本发明的可调谐激光器中设置的滤波器的结构和操作细节。
为了可调谐激光器实现用户所需的高输出特性，需要最大地减少每一个环形谐振器所引起的损耗。根据本发明，滤波器有效地使高阶模式的光避免通过环形谐振器。即，使高阶模式的光避免循环通过环形谐振器，以便在环形谐振器中实现良好的波长特性。模式滤波器的引入有效地使高阶模式的光避免被引入到多环形谐振器中，并且在多环形谐振器中仅传播基模的光。模式滤波器可以包括具有收缩部分的收缩波导或者具有特定曲率半径的弯曲波导。可选地，模式滤波器可以包括由两个弯曲波导组合而成的S形波导。模式滤波器增加了可调谐激光器的模式选择性，允许可调谐激光器稳定地在单个轴向模式中振荡。因此，根据本发明，互相结合在一起的多环形谐振器和滤波器使得可调谐激光器可以在良好的波长选择性下进行工作，并且还在较长的时间段上稳定地在单个轴向模式中振荡。
根据本发明的可调谐激光器还可以包括：衬底，在其上可以放置多环形谐振器、第一光波导以及第二光波导。衬底包括例如PLC(平面光波回路)衬底。如上所述，波长变化装置用于根据每一个环形谐振器的温度特性来改变多环形谐振器的谐振波长，并且具体地，波长变化装置可以包括位于衬底之上的膜加热器。因为例如可以通过在衬底上沉积金属膜来容易地设置膜加热器，所以可以容易地制造膜加热器。光反射器优选地可以是位于衬底的端面上的高反射膜。
光输入/输出器件可以包括激光二极管(下文中称为LD)、半导体光放大器(下文中称为SOA)、光纤放大器等。
根据本发明的可调谐激光器还可以包括：光电检测器，用于检测传播通过多环形谐振器的光；以及控制电路，用于根据光检测器所检测的光来控制波长变化装置。光电检测器可以包括半导体光电检测器，例如光电二极管、光电晶体管等，并且检测在环形谐振器之一的直通端口处的光。控制电路包括用于通过波长变化装置执行反馈控制的电路，从而使传播通过多环形谐振器的光的谐振波长恒定。
根据本发明，虽然可调谐激光器具有用于改变多环形谐振器的谐振波长的简单结构，但是，根据较小的操作动作，可以实现较大的波长改变，并且多环形谐振器和滤波器互相结合，使得可调谐激光器可以在良好的波长选择性下进行工作，并且还在较长的时间段上稳定地在单个轴向模式中振荡。根据本发明的可调谐激光器比传统的可调谐激光器更廉价、更高性能、并且更可靠。利用其上安装了多环形谐振器的衬底上所放置的光输入/输出器件，可调谐激光器可以通过改变多环形谐振器的谐振波长，在非常宽的波长范围内产生激光束。
因为根据本发明的可调谐激光器可以改变振荡波长，而不需要将电流注入到半导体激光器中，并且也不需要活动的组件，所以该可调谐激光器在操作中非常可靠。具体地，因为可调谐激光器具有简单的设置，其中，光输入/输出器件被安装在其上放置了多环形谐振器、光反射器和第一以及第二光波导的衬底上，可以容易、且廉价地制造该可调谐激光器。根据本发明的可调谐激光器不需要例如标准具等的光学组件，可以容易地安装，并且具有较低的模块成本，然而仍然具有要结合可调谐激光器的传输系统所需的功能。
即，根据本发明的可调谐激光器具有没有外部镜子的简单结构，并且能够在比普通DFB-LD可以改变波长更宽的范围内改变波长。此外，因为与普通外部镜子可调谐激光器不同，这种可调谐激光器不具有活动组件，所以在操作中非常可靠，并且对振动和震动具有较强的抵抗力。因为例如可以通过控制提供给膜加热器的电功率，来调谐可调谐激光器的波长，所以该可调谐激光器的特性老化远小于通过将电流注入半导体波导来改变波长的可调谐激光器。
如上所述，根据本发明的可调谐激光器远比传统的可调谐激光器要好，并且因为可以以低成本制造，实际上非常有用。
参考附图，从下面的描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点变得显而易见，附图示出了本发明的示例。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的可调谐激光器的平面图；
图2A、2B和2C分别是根据第一、第二和第三示例、在图1所示的可调谐激光器中使用的模式滤波器的平面图；
图3是根据本发明第二实施例的可调谐激光器的平面图；
图4是示出了图3所示的可调谐激光器的操作原理的图；以及
图5是包括图3所示的可调谐激光器以及向其添加的控制电路的改进可调谐激光器的平面图。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明第一实施例的可调谐激光器50具有PLC衬底55，在衬底55上放置了多环形谐振器60、输入/输出侧波导52以及反射侧波导54。多环形谐振器60包括分别具有环形波导和不同光程的两个环形谐振器61、62。环形谐振器61、62通过定向耦合器63、64以及耦合波导65互相耦合，从而构成多环形谐振器50。输入/输出侧波导52的一端通过定向耦合器51耦合到环形谐振器61。反射侧波导54的一端通过定向耦合器53耦合到环形谐振器62。反射侧波导54的另一端延伸到在其上放置了高反射膜56作为光反射器的PLC衬底55的一端。通过反射侧波导54传播到其另一端的光被高反射膜56反射到反射侧波导54中，并且向着与环形谐振器62相耦合的一端传播。可以通过例如向PLC衬底55的端面蒸发或涂覆电介质多层膜，来形成高反射膜56。分别在输入/输出侧波导52、耦合波导65以及反射侧波导54中设置模式滤波器71、72、73，用于使高阶模式的光避免被引入多环形谐振器60并且在多环形谐振器60中只传播基模的光。
根据PLC技术制造环形谐振器61、62。包括环形谐振器61、62的环形波导、输入/输出侧波导52、反射侧波导54和耦合波导65的各种波导包括由沉积在硅衬底或玻璃衬底上的石英玻璃制成的石英玻璃光波导。可选地，波导可以是由铁电材料的薄膜制成的铁电光波导。例如，铁电波导的铁电材料可以是铌酸锂(LiNO3)。
用于改变多环形谐振器60的谐振波长的膜加热器62h被放置于环形谐振器62上。膜加热器62h包括例如沉积在环形谐振器62上的铝(Al)膜，并且铝膜具有用作激励电极的相对端。可以通过蒸发或涂覆金属膜到PLC衬底55，来沉积膜加热器62h，并且膜加热器62h可以由除了铝之外的铂(Pt)、铬(Cr)等制成。
可以将PLC衬底55安装在作为温度调节装置的Peltier器件(未示出)上，以便可以控制PLC衬底55的整体温度。Peltier器件使PLC衬底55的温度保持恒定，以便使环形谐振器61的FSR与ITU网格相匹配。
作为光输入/输出器件的LD 57通过非反射膜572耦合到输入/输出侧波导52的另一端。LD 57通过被动对准技术被直接安装在PLD衬底55上。被动对准技术是一种使用PLC衬底55的表面上的标记图案和LD 57的芯片上的标记图案来定位LD 57的技术。被动对准技术不需要此前在光学模块的制造中执行的光轴对准，并因此有效地减少了制造光学模块的成本并缩短了提前期。可选地，LD 57可以通过透镜耦合到PLC衬底55，而不是安装在PLC衬底55上。
下面描述根据第一实施例的可调谐激光器50的操作。
从LD 57发射出的光从光输入/输出端571进入输入/输出侧波导52，并且相继地通过模式滤波器71、定向耦合器51、多环形谐振器60、模式滤波器72、定向耦合器53和插入了模式滤波器73的反射侧波导54，传播到高反射膜56。光被高反射膜56反射，并且相继地通过反射侧波导54和模式滤波器73、定向耦合器53、多环形谐振器60、定向耦合器51以及插入了模式滤波器71的输入/输出侧波导52，返回到光输入/输出端571。因为在光路中设置了模式滤波器71、72、73，所以返回的光是基模的光。因为多环形谐振器60的环形谐振器61、62具有略微不同的FSR，所以返回的光在多环形谐振器60的谐振波长处变得最强，在各个环形谐振器61、62中发生的反射(透射)的周期性变更互相重合的波长(即谐振波长)处发生更强的反射。
周期性变更互相重合处的波长基于环形谐振器61、62的周长和波导折射率的变化而较大地改变。可以使用膜加热器62h，根据热光效应，来改变波导折射率。具体地，可以根据环形谐振器61、62的温度特性，改变多环形谐振器60的谐振波长。对于根据本实施例的可调谐激光器50，如上所述，周长或光程互相略微不同的环形谐振器61、62彼此串联耦合，这提供了多环形谐振器60，并且使用由多环形谐振器60提供的微调效应，来实现较宽范围的可变波长。
在根据本实施例的可调谐激光器50中，位于PLC衬底55上的波导、多环形谐振器60以及高反射膜66用作激光器单元(即LD 57)的谐振器。例如，如果要在WDM传输系统中使用可调谐激光器50所产生的激光束，则从LD 57远离光输入/输出端571的端面上发射出的激光束被引入WDM传输系统，如图1中箭头所示。
下面描述在可调谐激光器50中使用的模式滤波器71、72、73。
为了环形谐振器61、62实现良好的波长特性，必须防止高阶模式的光在环形谐振器61、62中传播。图1所示的可调谐激光器50采用模式滤波器71、72、73，用于使高阶模式的光避免被引入多环形谐振器60，并且在多环形谐振器60中仅传播基模的光。尽管为了更好的波长选择性，优选地在可调谐激光器50中使用所有三个模式滤波器71、72、73，但是在可调谐激光器50中可以仅使用一个或两个模式滤波器。
通常，高阶模式的光不易于被限制在光波导的芯部中，并且更易于泄漏出光波导的芯部。如果高阶模式的光在收缩波导中传播，则其更可能泄漏并辐射出芯部，并且不太可能在芯部中传播。因此，收缩波导可以被用作用于阻挡高阶模式的光的滤波器。被限制在弯曲波导的芯部中的基模的光从中传播，而不会辐射出去。然而，进入包层的高阶模式的光易于从弯曲波导中辐射出来。因此，弯曲波导同样可以被用作用于仅传播基模的光并阻挡高阶模式的光的滤波器。因此，模式滤波器71、72、73的每一个包括具有较窄局部部分的收缩波导或具有特定曲率半径的弯曲波导。
图2A、2B和2C示出了根据不同示例、可以在根据本实施例的可调谐激光器中使用的模式滤波器。
图2A示出了收缩光波导形式的模式滤波器70a。收缩波导包括收缩部分，该收缩部分的宽度在其未收缩部分的宽度的大约10％至90％的范围内，使得模式滤波器70a增加了高阶模式的光的损耗并且有效地传播基模的光。如图2A所示，由W2表示收缩波导的收缩部分的宽度，并且由W1表示收缩波导的未收缩部分的宽度。宽度W2应该满足下面的关系：
0.1W1≤W2≤0.9W1
如果0.9W1＜W2，则收缩部分的光传播特性实质上与未收缩部分的光传播特性相同，并且收缩波导将不能够有效地作为用于阻挡高阶模式的光的模式滤波器。如果W2＜0.1W1，则因为波导中折射率的非对称分布，收缩波导甚至不能够传播基模的光。上面的公式定义了宽度W2的上限和下限。
图2B示出了弯曲光波导形式的模式滤波器70b。弯曲波导具有大致与环形谐振器61、62的曲率半径相同的曲率半径R，用于有效地去除高阶模式的光。优选地，曲率半径R应该小于环形谐振器61、62的曲率半径的两倍的值。如果曲率半径R大于环形谐振器61、62的曲率半径的两倍的值，则弯曲波导将不能够明显地与其他波导区分开，并且不能够明显地阻挡高阶模式的光。
图2C示出了两个弯曲光波导形式的模式滤波器70c。模式滤波器70c具有由两个弯曲波导组合而成的S形光波导，并且按照与模式滤波器70b相同的方式工作。
结合了上述模式滤波器的可调谐激光器具有更好的模式选择性，并且能够稳定地在单个轴向模式中振荡。
如上所述，根据第一实施例的可调谐激光器50具有一种没有外部镜子的简单结构，并且能够在比普通DFB-LD可以改变波长的更宽范围内改变波长。此外，因为与普通的外部镜子可调谐激光器不同，可调谐激光器50没有活动组件，所以可调谐激光器50在操作中非常可靠，并且对振动和震动具有较强的抵抗力。因为通过控制提供给膜加热器62h的电功率来调谐可调谐激光器50的波长，所以可调谐激光器50的任何特性老化都比通过将电流注入半导体波导来改变波长的可调谐激光器要小。此外，双组件多环形谐振器60和模式滤波器71、72、73的组合使得可调谐激光器50具有良好的波长选择能力，导致在较长时间上保持稳定的单轴向模式振荡特性。
根据第一实施例的可调谐激光器50可以具有光电探测器和控制电路，如下面所述。
如图3所示，根据本发明第二实施例的可调谐激光器10具有PLC衬底15，位于PLC衬底15之上有多环形谐振器20、输入/输出侧波导12、以及反射侧波导14。多环形谐振器20包括通过定向耦合器24、25、26、27以及耦合波导28、29耦合的三个环形谐振器21、22、23。耦合波导28分别通过定向耦合器24、25耦合到环形谐振器21、22，并且耦合波导29分别通过定向耦合器26、27耦合到环形谐振器22、23。分别在输入/输出侧波导12、耦合波导28、耦合波导29以及反射侧波导14中设置模式滤波器31、32、33、34，用于使高阶模式的光避免被引入多环形谐振器20并且在多环形谐振器20中仅传播基模的光。模式滤波器31、32、33、34的每一个具有可以是一种包括收缩部分的收缩波导或者具有特定曲率半径的弯曲波导的形式的结构，如图2A、2B或2C所示。尽管为了更好的波长选择性，优选地在可调谐激光器10中使用所有四个模式滤波器31、32、33、34，但是可以在可调谐激光器10中仅使用一个或两个或三个模式滤波器。
输入/输出侧波导12的一端通过定向耦合器11耦合到环形谐振器21。定向耦合器11具有与用于检测多环形谐振器20的谐振波长的光电探测器21相连的直通端口11t。光电探测器21p可以包括光电二极管。
SOA(半导体光放大器)17具有通过非反射膜(未示出)与输入/输出侧波导12的另一端相连的光输入/输出端172，因此SOA 17耦合到输入/输出侧波导12。SOA 17具有保持与其光输入/输出端172相接触的相位控制区域171。SOA 17控制流过相位控制区域171的电流，以控制施加到SOA 17或从SOA 17发射出的光的相位。因为具有相位控制区域171的SOA 17属于一般类型，下面不对其结构和操作原理进行详细描述。
反射侧波导14的一端通过定向耦合器13耦合到环形谐振器23。反射侧波导14的另一端延伸到其上布置了高反射膜16作为光反射器的PLC衬底15的端面。通过反射侧波导14传播到其另一端的光被高反射模16反射到反射侧波导14中，并且向着其耦合到环形谐振器23的一端传播。可以通过向PLC衬底15的端面的蒸发或涂覆电介质多层膜来形成高反射模16。
例如，根据PLC技术制造环形谐振器21、22、23。包括环形谐振器21、22、23的环形波导、输入/输出侧波导12、反射侧波导14以及耦合波导28、29的各种波导包括由沉积在硅衬底或玻璃衬底上的石英玻璃制成的石英玻璃光波导。可选地，波导可以是由铁电材料的薄膜制成的铁电光波导，与第一实施例相同。
分别与环形谐振器22、23相对应地布置用于改变多环形谐振器20的谐振波长的膜加热器22h、23h。膜加热器22h、23h包括分别沉积在环形谐振器22、23上的弓形铝膜。每一个铝膜具有作为激励电极的相对端。如第一实施例所述，可以通过向PLC衬底15蒸发或涂覆金属膜来沉积可以由除了铝之外的铂、铬等组成的膜加热器22h、23h。
可以将PLC衬底15安装在作为温度调节装置的Peltier器件(未示出)上，因此可以控制PLC衬底15的整体温度，如第一实施例所述。
下面描述根据第二实施例的可调谐激光器10的操作原理。
从SOA 17发射出的光从光输入/输出端172进入输入/输出侧波导12，并且依次通过模式滤波器31、定向耦合器11、其中插入了模式滤波器32、33的多环形谐振器20、定向耦合器13以及其中插入了模式滤波器34的反射侧波导14，传播到高反射膜16。光被高反射膜16反射，并且依次通过其中布置了模式滤波器34的反射侧波导14、定向耦合器13、其中布置了模式滤波器32、33的多环形谐振器20、定向耦合器11、其中布置了模式滤波器31的输入/输出侧波导12，传播回到光输入/输出端172，因此传播到SOA 17。因为在光路中设置了模式滤波器31、32、33、34，返回的光是基模的光。因为多环形谐振器20的环形谐振器21、22、23具有略微不同的FSR，返回的光在多环形谐振器20的谐振波长处变得最强，在各个环形谐振器21、22、23中发生的反射(透射)的周期性变更互相重合的波长(即谐振波长)处发生更强的反射。传输通过定向耦合器11的直通端口11t的光在多环形谐振器20的谐振波长处变得最小。因此，可以利用光电探测器21p，通过检测直通端口11t处的光量，来检测多环形谐振器20的谐振波长。
谐振波长(即，周期性变更互相重合处的波长)基于环形谐振器21、22、23的周长和波导折射率的变化而极大地改变。可以根据热光效应，来改变波导折射率。具体地，可以通过控制流过膜加热器22h、23h的电流量，根据环形谐振器22、23的温度特性，来改变多环形谐振器20的谐振波长。此时，通过控制流过相位控制区域171的电流量，改变从SOA 17发射出的光的波长。对于根据本实施例的可调谐激光器，如上所述，周长或光程互相略微不同的环形谐振器21、22、23彼此串联耦合，这提供了多环形谐振器20，并且使用由多环形谐振器20提供的微调效应，并且控制流过相位控制区域171的电流量，来实现较宽范围的可变波长。
在根据本实施例的可调谐激光器10中，位于PLC衬底15上的波导、多环形谐振器20以及高反射膜16用作激光器单元(即SOA 17)的谐振器。例如，如果要在WDM传输系统中使用可调谐激光器10所产生的激光束，则从SOA 17远离光输入/输出端172的端面上发射出的激光束被引入WDM传输系统，如图3中箭头所示。
图4示出了当图3所示的可调谐激光器10的环形谐振器21、22、23分别具有4000μm、4400μm和4040μm的周长或光程时观察到的波长和反射率之间的关系。所使用的反射率是针对从SOA 17发射出、传播通过多环形谐振器20并且返回到SOA 17的光的。膜加热器22h被用于波长微调，并且膜加热器23h被用于波长的粗调。此外，通过改变流过SOA 17的相位控制区域171的电流量，来控制几十皮米(pm)量级的波长。
图5示出了改进的可调谐激光器的平面图，该可调谐激光器包括图3所示的可调谐激光器10和向其添加的控制电路。由相同的标号表示图5所示的可调谐激光器中与图3所示的可调谐激光器相同的部分，并且下面不进行详细描述。
添加到可调谐激光器10的控制电路18主要包括诸如DSP(数字信号处理器)或MPU(微处理单元)之类的处理器以及用于存储要由处理器执行的程序的存储器。控制电路18控制流过膜加热器22h、23h和相位控制区域171的电流量，以便使光电探测器21p所检测的光的量最小化，即，使谐振波长保持在恒定值。例如，控制电路18控制流过膜加热器22h、23h和相位控制区域171的电流量，从而以正弦方式改变波长，并且搜索由光电探测器21p所产生的光电流的幅度变为最小处的波长。这样搜索到的波长是要确定的波长。
下面参考图3至5来一般性地描述根据第二实施例的可调谐激光器10。
可调谐激光器10具有这样的结构：使用环形谐振器21、22、23的分接端口的波长透射特性，来选择在单个轴向模式中振荡的谐振模式。多环形谐振器20的三个环形谐振器21、22、23具有略微不同的周长。因为三个环形谐振器21、22、23的谐振峰值波长在几十纳米(nm)的宽波长范围内仅互相重合一次，并且还因为由模式滤波器31、32、33、34的插入增加了模式选择性，所以可调谐激光器10能够稳定地在单个轴向模式中振荡。
主要通过改变流过环形谐振器22、23上的膜加热器22h、23h的电流量，来改变波长。由光电探测器21p提取没有膜加热器的环形谐振器21的直通端口11t的输出光，并且将其转换为电流，以检测波长误差。不仅可以从环形谐振器21、22、23的分接端口，还可以从其具有波长阻挡能力的直通端口，来提取输入光。根据本实施例，使用来自直通端口的输出光，来检测波长。
根据本实施例的可调谐激光器的特点主要在于：具有用于检测来自直通端口11t的光的光电探测器21p，并且用于划分检测光的环形谐振器21的FSR与ITU网格相匹配。根据单轴向模式振荡，后一特征允许要获得的振荡波长成为与ITU网格相匹配的离散波长。此时，模式滤波器31、32、33、34的波长选择性有效地起到作用。然而，出现一个问题：与ITU网格的偏差是未知的。根据本实施例，通过控制用来改变波长的环形谐振器22、23的相位或SOA 17的相位，以便使来自环形谐振器21的直通端口11t的输出光最小化，解决了该问题。具体地，通过稍微改变波长并且选择一个波长以使作为结果而产生的检测信号的幅度最小化，精确地执行了波长控制。
本发明不局限于上述实施例。多环形谐振器不局限于包括两个或三个环形谐振器，而是可以具有互连的四个或更多的环形谐振器。可以仅通过定向耦合器来直接连接环形谐振器。可以将LD或SOA与多环形谐振器一体地集成在一个衬底上。
尽管使用特定术语描述了本发明的优选实施例，这种描述仅仅只是作为演示，并且应该理解，可以在不脱离所附权利要求的精神和范围的前提下进行改变和修改。

Claims (16)

1.一种可调谐激光器，包括：
多环形谐振器，包括分别具有环形波导和不同光程的多个环形谐振器；
第一光波导，耦合到所述多环形谐振器；
光输入/输出器件，耦合到所述第一光波导；
第二光波导，耦合到所述多环形谐振器；
光反射器，耦合到所述第二光波导；
波长变化装置，用于改变所述多环形谐振器的谐振波长；以及
滤波器，用于使高阶模式的光避免被引入所述多环形谐振器并且在所述多环形谐振器中传播基模的光。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器，还包括衬底，其中，所述多环形谐振器、所述第一光波导以及所述第二光波导位于所述衬底上。
3.根据权利要求2所述的可调谐激光器，其中，所述滤波器包括位于所述衬底上的模式滤波器。
4.根据权利要求2所述的可调谐激光器，其中，所述多环形谐振器具有将所述多个环形谐振器耦合的光耦合器。
5.根据权利要求4所述的可调谐激光器，其中，所述光耦合器具有耦合波导，所述滤波器包括位于所述衬底上的模式滤波器，并且所述模式滤波器被插入在所述耦合波导、所述第一光波导以及所述第二光波导的至少一个中。
6.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其中，所述模式滤波器包括收缩波导，所述收缩波导具有用于在其中传播通过所述基模的光的宽度。
7.根据权利要求3所述的可调谐激光器，其中，所述模式滤波器包括弯曲波导，所述弯曲波导具有用于在其中传播通过所述基模的光的曲率半径。
8.根据权利要求5所述的可调谐激光器，其中，所述模式滤波器包括收缩波导，所述收缩波导具有用于在其中传播通过所述基模的光的宽度。
9.根据权利要求5所述的可调谐激光器，其中，所述模式滤波器包括弯曲波导，所述弯曲波导具有用于在其中传播通过所述基模的光的曲率半径。
10.根据权利要求1所述的可调谐激光器，还包括：
光电探测器，用于检测传播通过所述多环形谐振器的光；以及
控制电路，用于根据所述光探测器所检测的光来控制所述波长变化装置。
11.根据权利要求10所述的可调谐激光器，其中，所述光反射器包括光反射膜。
12.根据权利要求10所述的可调谐激光器，其中，所述光输入/输出器件包括激光二极管或半导体光放大器。
13.根据权利要求10所述的可调谐激光器，其中，所述波长变化装置包括用于改变所述多环形谐振器的至少一部分的温度的加热器。
14.根据权利要求10所述的可调谐激光器，其中，所述光电探测器包括半导体光电探测器。
15.根据权利要求3所述的可调谐激光器，还包括：
光电探测器，用于检测传播通过所述多环形谐振器的光；以及
控制电路，用于根据所述光探测器所检测的光来控制所述波长变化装置。
16.根据权利要求15所述的可调谐激光器，其中，所述波长变化装置包括用于改变所述多环形谐振器的至少一部分的温度的加热器，所述衬底包括PLC衬底，所述光电探测器包括半导体光电探测器，并且所述控制电路包括用于控制流过所述加热器的电流量以使所述半导体光电探测器所检测的光的量最小化的电路。
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