TWI321384B - Thermo-optic tunable laser apparatus - Google Patents

Description

九、發明說明： C發明所屬之技術領域3 發明領域 本發明是關於光電組件，且更特別的，是關於用以促 進在雷射裝置中的調整之方法以及裝置。

L先前技術；J 發明背景 光纖電信一直需要有增加的頻寬。其中一種擴大頻寬 的方法，乃是透過稠密波長分割多工(DWDM)而達成的。 藉由一個DWDM氣體，許多不同且分開的資料流，可以同 時存在於單一條光纖内。每個資料流在光纖内代表不同的 頻道’其中每個頻道是存在於不同的頻道波長。在想要的 頻道波長操作之雷射的調變輸出光束，可產生資料流。使 用多數的雷射，以便產生多重資料流’而這些資料流被結 合在單一條光纖上’以便在其個別頻道内加以傳輸。 國際電信聯盟（ITU)目前要求大約0.4奈米（或者大約 50GHz)的頻道距離，這樣的頻道距離在目前所能獲得的光 纖以及光纖放大器之頻寬範圍内，可允許藉由單一條光纖 攜帶多達150個頻道。 由於對多數緊密隔開的頻率之要求，所以，雷射光源 及輸出頻率的穩定控制，對於系統的效能來說，就變得很 重要。DWDM系統中所使用的雷射，典型地是根據與一調 整標準量具(etalon) —起操作的分佈回饋(DFB)雷射為基礎 ’此調整標準量具可用以界定出ITU波長網格。由於製造以 及性能上的限制，所以，DFB雷射被用於作為單一頻首 射，或者作為被限制成在少數相鄰頻道之間調敕/ 因此’ DWDM的應用情形’需要多種不同二=射各 位於不同的頻道波長。 已經發展㈣續可郎外料振㈣射1以克服 Γ雷射的限制。這些雷射具有一雷射源以及末端鏡，兩 者可H烟叹㈣㈣外部共振腔。例如，在此 外部共振㈣的1整元件，例如標準4具裝置 =卜=上’此支架是被固定至雷射源與末端鏡之間沿 上°精由改變外部共振腔的光學路徑長度，控 制=的溫度’便可以調節此雷射。在網格波長之間的 個別調整，也可以藉由分糊整此娜元件而達成。 雖然這樣的雷射已經成功地使用在-些情形中’但是 ’連續可調式電信雷射’的確存在有—些設計上的考量。 运些雷射稍微有些昂貴，且製造費時。特別地在許多連 續可調式雷射中所餘件，是來自-個冗長的連 續建立過a纟此過程期間，有一些零件只能夠在其他零 件已經完紅後’才能加以製造。而且，—旦製造好之後 ，連續可調式雷射的綱整速度，則又受到組件中所使用的 調整方法之種類而限制。更明確地是，許多目前的調整方 法，要未多數相互依賴㈣統之_調整，如此又增加控 制的複雜性，且延長了調整時間。 發明概要 1321384 依據本發明之一實施例，係特地提出一種一種雷射裝 置，包含：一平台；一增益介質，其連接到該平台，該增 益介質具有第一輸出端面以及第二輸出端面，以便對應於 一電氣輸入而發射一光束；一反射器，其設置用以反射該 5 光束，且連接到該平台，該反射器及該第一輸出端面界定 出一個具有光學路徑長度的雷射共振腔；以及一熱反應性 波長選擇裝置，其設置在該雷射共振腔内，且具有一安裝 至該平台的熱反應性基板以及一可調式光學元件，該可調 式光學元件是從該熱反應性基板延伸到該雷射共振腔内， 10 以對應於熱反應性基板中的熱變化而調整光學路徑長度。 本發明亦為一種雷射裝置，包含：一平台，可對於該 平台内引起的熱變化產生反應，以便調整該雷射裝置的輸 出光束之頻率；一增益介質，其連接至該平台，該增益介 質具有第一輸出端面以及第二輸出端面，以便對應於一電 15 氣輸入而發射一光束；一反射器，其設置用以反射該光束 ，且連接到該平台，該反射器及該第一輸出端面界定出一 個具有光學路徑長度的雷射共振腔；一熱反應性波長選擇 裝置，其設置在該雷射共振腔内，且被安裝至該平台，用 以調整該輸出光束的頻率；以及一主動式光學路徑長度調 20 整裝置，其設置在該雷射共振腔内，且連接至一控制器， 用以對應於光學路徑長度調整裝置中所引起的熱變化，且 與平台内所引起的熱變化無關，來調整輸出光束的頻率。 本發明又為一種雷射操作的方法，包含以下步驟：設 置一外部共振腔雷射，其具有一增益介質，該增益介質具 7 1321384 有第一端面及第二端面，用以將一光束發射到具有一光學 路徑長度的雷射共振腔内；以及將一波長選擇裝置定位於 該雷射共振腔内，該波長選擇裝置具有一熱反應性基板以 及一從熱反應性基板延伸到該雷射共振腔内的可調式光學 5 元件，以便根據熱反應性基板内的熱變化，而調整光學路 徑長度。 圖式簡單說明 第1圖是顯示本發明實施例具有一波長選擇裝置的可 調式雷射裝置之側視圖。 10 第2圖是一波長選擇裝置的範例之立體圖，其中是以安 裝在一基板上的熱可調式標準量具之形式出現。 第3圖是用於第2圖的裝置之加熱以及感測結構之範例 的頂視圖。 第4圖是第3圖裝置的剖面圖，且顯露出一加熱層與一 15 監控層。 第5A圖是顯示在一範例性波長選擇裝置上的不同位置 處，熱加熱與冷卻的瞬間行為之圖形。 第5B圖是顯示出用於圖5A的圖形所測量到的不同位 置。 20 第6圖是顯示根據另一實施例熱加熱與冷卻的瞬間行 為。 第7A與7B圖是顯示具有在組裝期間可使用的安裝支 架之波長選擇裝置的一部份。 第8圖是顯示另一種可調式雷射裝置，其具有一個可用 8 1321384 於頻率調整的主動式光學路徑長度調整裝置。 第9圖是顯示第8圖的光學路徑長度調整裝置之詳細範 例0 第10圖是顯示另一個光學路徑長度調整裝置的詳細範 5 例，其結合有一波長選擇雷射。 \ 第11圖是顯示使用第10圖的結構之雷射裝置。 - 第12圖是顯示一個範例性調整控制，其中光學路徑調 整裝置已經被分開，用於頻率調整的獨立伺服控制。 • 【實施方式】 10 較佳實施例之詳細說明 以下的實施例提出一些雷射裝置與方法，均使用一個 外部雷射共振腔的熱-光學調整，以便提供波長的穩定性， 以及波長或頻率調整。此雷射裝置可包含一連接至一平台 的增益介質（gain medium)，此增益介質具有一發射端面， 15 用以朝向外部雷射共振腔發出第一光束。外部雷射共振腔 可具有一波長選擇裝置，用以調整雷射裝置的輸出波長， ® 例如在DWDM系統中的頻道波長。外部共振腔可被安裝在 '·Λ 一熱可調式基板上，在此基板上，可藉由一熱調整元件來 -* 控制基板的反應性，而且，對於外部共振腔的熱調整，可 20 被用來調整此雷射裝置。雖然在以下僅描述一些範例性的 實施方式，但是，波長選擇元件可以包含一或多個標準量 具、光柵、棱鏡、濾波器或類似裝置、或者其各種組合， 而且，可以機械方式，電氣方式、熱方式、或其他機制來 加以調整，以便提供波長選擇性回饋至增益介質。 9 1321384

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20 波長選擇元件可藉由一混合裝置而達成，此混合裝置 包含一熱反應性基板，上面整體地安裝有多數波長選擇元 件。此基板可以包含一導熱材質，以便對波長選擇元件以 及連接到此基板的外部共振腔中之其他元件，提供良好的 熱傳效果，以及急速的溫度變化》熱反應性基板以及波長 選擇元件，均可以使用習知的半導體技術同時製造，以便 減少組裝時間。基板以及波長選擇元件可以在半導體晶圓 上整批的製造。 …一—合別的外部共振 腔長度控制裝置’係設置在增益介倾末端反射器之間的 光束中。此光學路徑㈣裝置可以是—個主動式光學元件 ，其設置成用以對雷射裝置提供獨立的頻率調整。例如， 此光學路徑長度控制裝置，可以由熱反應性光學材質製成 ’此種材質在溫度變化下可改變其折射率。不像傳統的被 動式光學路徑長度㈣裝置，需仰财射裝置的執調敫系 統，此種光學路徑長度控制裝置可以獨立地控制，可= 用於調整整個雷射平台的魏大且較緩慢的雷射裝置之<熱 調整系統，使得此控制失調(detuning)。因此，外部並二 光學路徑長度控制裝置，可以是—部份用 調ς、 速獨立他㈣。 料③整的快 躍然參考了不同的範例來說明各種的技術，但是，古 兒明並未侷限於上述範例而已。而且，雖然圖形是用以 5尤明的目的，但是，要知道的是，這此裝疋 社姓、 一|罝也可以改變其 、。冓，或者局部地改變其結構，而這些方法也可以根據恭 10 1321384 要而過度改變’只要不違背本案文 可。而且，雖然上述的範例，主要是：:基本概念即 射加以揭示，但這些範例並未侷限 =振腔雷 的元件之相對尺寸以及开…W 纟圖”所顯示 ……離，也可以在-讀 形中加以誇大，以便使圖形-清 認為是作為限定之用。而且，文中所提:二，並™皮 只作為簡單敘述Μ B ，任何疋義’均 Φ所#用_ $應該被4疋限制型的定義。文 中所使㈣任何技術_語，均具有與本技藝中，熟知 此項技術者所常用之意義相同。要知道的是，文中所使用 10 的用心僅用以描述特定的實施例而已，並非用以限制本 發明的範圍’因此，本發明的真正範圍應由以下的申請專 利範圍限定才是。 第1圖顯示-雷射裝置11G，其使科部共振腔光學路 徑長度以及頻率調整的熱控制。此裝置11〇包括一增益介質 15 112以及一反射元件114，例如一末端鏡，此反射元件是被 連接至一導熱底座、基板或平台116上。增益介質112也可 以包含例如習知的Fabry-Perot二極體發射器晶片，其具有 一抗反射（AR)塗層端面118以及一局部反射性端面丨2〇。反 射元件114可以包含一鏡子、光柵、稜鏡、其他反射器、或 20 者回覆反射器。外部雷射共振腔其輪廓是藉由端面120以及 反射元件114加以描繪’且具有一光學路徑長度。增益介質 112可以從端面118發射出一光束119，此光束藉由透鏡122 加以對準，以便定義出一光學路徑124。光束119從末端反 射器114反射回來，且沿著路徑124返回，而藉由透鏡120返 11 1 * 回到增益介質。將一波長選擇裝置125放置在此路徑124中 ’藉此，可以一個選定的波長將光線回饋到增益介質112。 末端鏡114在一些實施例中可以形成為彎曲狀，致使，能省 略透鏡122。在其他的實施例中，對於熟知此項技術者來說 5 ’可包含例如使用環面透鏡系統，或者其他能夠在將返回 ' 光束119再度成像於一端面118上之光學元件，致使，增益 • 介質112能接收到來自外部共振腔的回饋 ，以取代透鏡122。 φ 波長選擇裝置丨25是被安裝至平台116，且被連接到一 熱控制裝置，例如電熱控制器（TEC)126，藉由熱傳導而控 1〇制整個平台116的溫度。TEC126因此可用以控制平台116的 溫度’以便用於裝置110的元件之溫度調整，其中可以使用 這樣的溫度調整來調整雷射裝置110的光學路徑長度。 導熱平台116可以由任何導熱性材質製成，不同的金屬 、金屬氮化物、金屬碳化物以及金屬氧化物、或合金、混 15合物或其複合物等，均可以使材質具有良好的導熱性，以 φ 及相當低的熱膨脹係數(CTE)。氮化鋁(A1N)在某些實施例 中可用作為平台材質。可以選擇平台116的材質，以便具有 特殊的CTE，而允許CTE吻合安裝在平台116上的元件。在 '‘ 一些實施例中，平台Π6可以包含一高CTE材質，例如鋁、 20銅、鋅或其他金屬或金屬合金，致使，可以根據TEC126的 溫度控制’而產生物理膨脹收縮的想要程度。控制器127可 以控制TEC126的操作，平台116在一些實施例中可以由矽 製成’以便允許CET吻合例如受到熱調整的標準量具等矽 元件。使用石夕來作為平台116，同時也可以允許導體路徑直 12 接整合到平台116上，以及使用習知的石夕加工與製造技術， 在平台116上形成特殊的幾何形狀。 增益介質112是被熱連接至平台116，致使，電熱控制 器126可以藉由透過平台116的熱傳導而控制增益介質 5的溫度。在此所使用的「熱連接」，意思是指任何能夠對熱 連接零件的熱控制提供有效的熱流之安裝、連接配置方式 或結構。增益介質U技被絲至—導熱載體128上，接著 被連接到平台116上。增益介質112因此可以透過載體128， 而熱連接至平台116。載體128就像平台116可包含一導熱材 W質’例如金屬、金屬氧化物 '金屬氮化物 '金屬碳化物、 或合金 '混合物或其複合物。在其他說明性並非限定性的 辄例中’載體128可以包含氮化㉝、碳⑽或者碳化石夕的混 合物（合金）。在其他實施例中，载體m可以包含一鶴化銅 (CUW)合金。而且，基板116以及載體128可以彼此在CTE 15上配合，且配合增益介質112。導熱性黏接劑或焊锡，均可 用以將増益介質U2安裝至載體128上，且將載體128及/或 其他不同的結構安裝至平台116上。 反射性元件114也可以如上所述被安裝在平台116上， 且在一些實施例中，可以使用導熱性黏接劑、焊錫及/或栽 體或支架，而熱連接至平台116 ^在雷射操作期間，反射 器114可以受到溫度控制，但這一點並非必要。反射器可以 被安裝在平台116上，而不需要熱連接。 除了透過TEC126的頻率調整之外，在所示的範例中， 波長選擇裝置125可以個別地加以調整。例如，波長選擇聿 13 置125可以包含兩個光學元件，這些光學元件是以標準量具 130、132的形式出現，且從安裝至平台ιΐ6的—個熱反應性 基板134延伸出來。這樣的結構僅作為一範例。波長選擇裝 置125可以包含一個或多個光學元件例如包含標準量具 光栅、稜鏡、或其他能夠提供回軸增益介質u2，或用 以調整外部雷射共振腔的其他元件。波長選擇裝置⑵是被 顯示成設置在增益介質112與末端反射器114之間的光學路 徑119中。波長選擇裳置125是可以調整的，致使，裝置110 在想要的波長範圍内具有單—傳送峰值，例如，在增益介 質m的增益頻寬，Ιτυ(國際電信聯盟）的「c帶」波長範圍 (大約而ΤΗζ到大約196·1ΤΗζ，或者大約1525到大約1565 奈米），或其他波長範圍。 除了控制增益介質112之外，控制器127或其他控制元 15 件可以藉由知作式連接到波長選擇裝置125，來控制此波 長選擇裝置125，以便調整或選擇波長選擇裝置125所限定 的傳送峰值之波長’且因此，調整或選擇回饋到增益介質 的光線波長。範例性的控制元件以及其他的元件，亦揭 :於美國專_，?63，G4職，該相案在此併入作為參 考。 20 第2圖顯示此裝置11()，用以更加詳細地說明波長選擇 =5的實施方式。在此範例中，波長選擇裝置125包括 與第-可調式鮮量具⑽與132，各設置在末端鏡ιΐ4 、面120所限疋的一外部共振腔内。標準量具13〇與m可 以-起操作’以便在雷射裝置11〇的操作期間，優先將選定 14 波長的光線回饋到增益介質112。標準量具130與132是以第 一與第二可調式Fabry-Perot標準量具的形式出現，可包含 平行平坦的固體、液體或氣體隔開的標準量具，且可藉由 光學厚度或路徑長度的正確尺寸，而加以調整。標準量具 5 130與132是顯示於一範例，也可以在波長選擇裝置125中， 使用較少、額外及/或其他的光學元件，例如光柵、棱鏡、 薄膜介面濾波器、或其他可調式元件。 第一標準量具130包括端面220、202，且根據端面200 、202的之間的間隔以及折射率，而具有第一自由光譜範圍 10 (FSR)。第二標準量具132包括端面204、206，且根據端面 204、206之間的間隔以及標準量具132的材質之折射率，而 具有第二FSR。標準量具130、132可以包含相同的材質，或 具有不同折射率的不同材質。而且，標準量具13〇、132可 以藉由調整其光學厚度而加以調整，以便調整各個FSR,如 15 此一來，便能對雷射裝置11〇提供選擇性的波長調整，這一 點稍後將詳細說明。標準量具130、132的調整可以包含端 面202與204、206以及標準量具130、132之間的距離調整， 及/或標準量具材質的折射率調整。可以使用含有不同技術 的其他調整機制，包括熱-光學式、電光學式、聲音光學式 20 、壓電光學式、機械式，或其他改變標準量具材質的折射 率及/或標準量具端面間隔之調整方式。可以根據本發明的 特殊實施例，同時將超過一種的調整效果，應用到一或兩 個標準量具130、132上。 在所顯示的範例中，標準量具130、132各受到熱-光學 15 的方式加以調整，其中「熱光_學式」的調整方式，意味著 藉由在標準量具材質的折射率中受到溫度所引發的改變， 還有在標準量具的厚度中受到溫度所引起的改變 ，或上述 兩種情形等之調整。 5 為了與TEC調整分開地進行標準量具130、132的熱-光 予式萄整’各標準量具是放置在熱反應性基板134中或其上 。在所示的範例中，標準量具132是被安裝在基板134中的 第〜凹穴210内，同時，標準量具132是被安裝在第二凹穴 212中。在此所示的範例中，第一凹穴21〇是被設置在第一 1〇加熱區域214，且第二凹穴是被設置在一個單獨的加熱區中 。在此範例性結構時中，每一個標準量具13〇、132可以藉 由個別控制區域214與216中的加熱，而各別地進行熱-光學 式調整。為了促進兩個區域214與216之間的熱隔離，一熱 障壁214可以將這些區域分隔開來，藉此對散熱器、平台U6 15 ’或其他裝置125在操作期間可能會卡合於其上的安裝基板 等之熱地面。可以調整障壁的厚度與組成，以便產生想要 的隔離效果，藉此’可以提供足夠的熱串擾隔離。在所示 的範例中，加熱區域214與216中的各個凹穴，是形成在基 板134内，致使，整個基板134會圍繞這些區域，而具有一 20 個熱接地的邊界220，在此邊界中，障壁218會接觸地面。 所顯示的結構，顯示出一個混合波長選擇元件組件， 其中主動式調整結構(基板134)是與被調整元件(標準量具 130、132)分開的，這一點對於習知技術來說，非常有利， 因為可允許同時處理兩種結構’藉此減少對於龐大的堆疊 16 1321384 組件之製造以及組裝時間。標準量具130、132可以在一晶 圓上整批製造，且基底134可以在一個不同的晶圓上整批製 造，當然也可以在一個晶圓上一起製造好幾組標準量具。 基底134可以藉由已知技術加以形成’包括石夕钱刻以及例如 5 氫腐酸(HFC)製造等的生產處理技術，其中玻璃基底是被以 一橫跨基板14的雷射掃描直接寫入’暴露至紫外光，然後 暴露到酸洗，以便去除未產生圖案的區域，且留下凹穴21〇 、212。在一些範例中’基底134是由具有足夠熱特性的材 質所形成的，以便允許均勻且具有時間響應的加熱，而同 10 時其機械強度足以支撐將標準量具130、132安裝至基底134 的組裝過程。 在某些實施例中所使用的標準量具材質，具有與溫度 有關的折射率以及熱膨脹係數，致使，熱-光學調整包含藉 由選擇性加熱或冷卻，同時熱控制標準量具材質的折射率 15 以及標準量具厚度的熱控制。例如矽以及砷化鎵等半導體 材質，溫度對而其折射率具有很大的變化，且因此可用於 標準量具的材質，以便有效產生熱·光學調整。在一些範例 中，標準量具130、132可以包含矽，其在整個增益頻寬， 或InGaAs、InGaAsP及其他增益媒介的輸出波長範圍上是可 20 以穿透的(transparent)。其他材質包括液晶聚合物(Lcp)或由 惰性非檢濕性(no-hydroscopic)材質。標準量具13〇、132可 以由與基板134相同或不同的材質製成。在許多範例中各 個所使用的材質’是具有類似或相等的熱膨脹係數。藉由 所形成的基板134以及標準量具130、132,波長選擇零件125 17 1321384 可藉由使用將標準量具130、132八 w刀別女裝至凹穴21〇、212 中的-拾取與放置組裝過程而加以形成…旦安裝好之後 ，標準量具13G、132可以藉由任何環氧樹脂、焊錫、或其 他黏接劑而固定在適當位置。 5 基底134可以藉由-個控制器127加以控制，例如習知

的資料處理器’且提供調整信號到裝置125上，以便根據儲 存在查询表格或其他波長的標準中的可選擇波長資訊來 進行標準量具130、132的熱調整。基板134可以包括加熱以 及熱監控元件，例如，以加熱器或電阻式溫度檢測器（RTD) 10的形式出現，可用以監控基板134上或其内部的溫度狀況， 其範例可參考第3圖與第4圖。這些元件可以經由例如第3圖 所示的焊線襯墊(wire bond pad)而操作式地連接到控制器 在所顯示的範例中，使用四個焊線襯墊300到306，以 15便監控區域214中的熱，且使焊線襯塾300與302分別黏接 214到監控導線3〇8與310上，而焊線襯墊304與306則分別連 接到監控元件導線312以及314。元件導線308至314是以一 範例方式顯示，可以使用一對（例如輸入輸出襯墊3〇〇以及 3〇6)來攜帶固定的電流，同時另一輸入/輸出對（例如襯塾 20 302與3〇4)，則可用於探測電壓下降或改變。所監控到的資 料可以提供至控制器，以便校正雷射的調整操作，或作為 調整操作的一部份伺服控制。 當焊線襯墊300至306被用於監控時，焊線襯墊320與 322則被用以形成一個熱-光學調整的加熱器。焊線襯墊32〇 18 1321384 與322是分別被連接到加熱元件324與326，以便均勻地加熱 。例如，可以在加熱元件324與326上產生圖案，以影響標 準量具130的均勻溫度變化。雖然並未詳細說明，但標準量 具132也可以具有類似的監控與加熱焊線區域328與33〇以 5及伴隨的元件。為了節省一個焊接襯堅（或銷），且降低電路 的複雜性，所以，固定的電流輸出襯墊(例如襯墊3〇8)，可 以縮短成用於第二溫度控制區域的固定電流襯墊（也就是 ’第3圖中的標準量具132)之輸入。 第4圖顯示加熱器400以及rTD4〇2的實施範例，各設置 10在基板丨34内的不同平面中。在製造過程期間，基板丨34可 以形成有一裝置層404、薄膜外層4〇6、監控層408以及加熱 層410。裝置層404可以由矽形成，而薄膜層則藉由矽化合 物（例如SiN4)而形成。監控層4〇8可以在一平行於光學轴412 的監控平面（XY平面）内，監控層4〇8可以包括rtd導線308 15 ' 310、312以及314。在所顯示的範例中，介電鈍化層411 是形成在監控層408與加熱層410之間。而且，在所顯示的 範例中，第二介電鈍化層413是形成在監控層408上方，加 熱層410可以在一個平行於光學轴412的加熱平面内，其中 要知道的是，加熱層410的加熱效果，並未侷限至此平面而 20已，且可以延伸到此平面的上方與下方，例如在整個光學 元件安裝凹穴的範圍内。加熱層410可以包括加熱元件導線 324與326。用於加熱層410以及監控層408的平面，大致上 是平行於光學轴412，但是大致上分別垂直於包含元件13〇 與132的端面414與416之入射平面。每層可以由石夕形成，且 19 刀別被金、錫或用以形成該層中導線軌跡的材質生長並 產生圖案。雖然此範例中顯示在-特殊定向中的監控與加 熱層，且可以植入在基板134的-外表面下方，但是這些定 向可以有所不同。而且，可以使用額外或較小的層，以便 5用於熱或光學目的。 ,第1至4圖的結構顯示出熱-光學可調整元件的一些範 2 ’其中可調整元件(例如標準量具)可以並聯調整(標準量 具可以與溫度變化大致相同的速率產生加熱或冷卻），以及 10 =差別地調整（以大致上不同於溫度變化的速率產生加熱 10 ,冷卻），而用餘波長調整。雖然不同的可調式元件能以不 同方式加以操作，但是’標準量具可藉由Ven^效應而產 t選擇性波長調整。藉由Vemier調整，標準量具各限定出 多數傳送峰值，這些傳導峰值一起操作，而在根據標準量 具的結合效果之波長範圍中，產生單—傳送峰值。此翠— 15結合傳送峰值的位置，是可藉由—個或兩個標準量具的熱_ 光學調整，透過與其整合在一起的熱反應性基板而加以調 •^的。在-個裝置中’藉由兩個或更多可調式調整量具而 使用調整’其具有以下的優點，比起使用單财調 式標準量具的情形’可允許在更小的操作溫度範圍内對 20波長選擇進行熱-光學調整。此較小的整個操作溫度，能夠 減少不想要的對流效果，降低能量消耗，以及避免當材質 被加熱或冷卻在較大的溫度範圍中，在許多標準量:材質 中所產生的溫度分散效應。這樣的分散可能是由於改變材 質的熱-光學矽數，改變材質的熱膨脹係數所引起的應力或 20 應變，以及在升高溫度時熱激發自由載體被釋放而導敢的 。例如，單一半導體標準量具元件的熱-光學調整，可以僅 在有限的波長範圍中產生波長調整，這是因為需要較大的 溫度範圍，而且，由於在標準量具中的熱激發自由載體， 5用以調整的高溫會導致過度損耗。 可以調整基板134，以具有一可操作的熱反應性，可岣 勻地加熱標準量具或其他可調式元件，且具有足夠的熱反 應性，能夠以相當低的能量要求執行加熱。基板134的材質 與尺寸，例如可以由具有相當小的熱膨脹係數之材質而形 10 成’以便允許更均勻的加熱。使用低CTE的材質，可避免 在基板與標準量具之間的接合點產生應變。否則，應變可 能會在標準量具的孔徑上，產生出一個非均勻的光學路徑 長度。而且，假如應變夠大的話，可能會導致在產品上升 時’接合點的不可靠性。此外，材質也可以是具有高熱反 I5 應丨生的一種材質’例如大於每輸入一瓦特的電力至加熱元 件導線時，具有超過1200K的反應。例如，一個25μιη厚的 基板沿著Ζ軸，僅使用50mW的輸入能量，可以被加熱至70 °C ’藉此，導致3400K/瓦特的熱反應性。類似的情形用於 ΙΟΟμιη厚的基板，可能導致2650K/瓦特的熱反應性。因此 20 ，基板314與500可被形成用以在一瓦特電力使用規定内， 與一些可調式雷射裝置一起操作。 範例一 第5Α圖顯示藉由第一與第二標準量具502與504(第5Β 圖）熱加熱及冷卻基板500之反應圖形的範例。對於ΙΟΟμιη 21 1321384 厚的基板來說，開始的溫度為35°C，以0.25秒的斜率在節 點B上升至10(TC，在不同的感測器節點A、B、C(或測量位 置），受到標準量具502的熱加熱情形係如圖所式。熱時間 常數，或從基板加熱的Ι/e倍鬆弛，在此範例中大約是315ms。 5 範例二 第6圖顯示對於波長選擇元件的實施方式之另一個範 例性熱反應。在此範例中，25μιη厚的基板，加熱基板持續 0.1秒’直到節點Α(在標準量具的頂端）達到ll〇°C，則熱時 間常數可大約為290ms。 10 所顯示的資料僅用於示範之用，且適合地顯示用於波 長選擇裝置之結構的快速反應時間。可以達到低於l〇〇ms 的熱時間常數，如此足以允許雷射裝置的多頻道調整及測 試，這一點可能在可調式詢答機，這一點在可調式轉發器 DWDM應用上會很有用。 15 波長選擇裝置可以是一混合組件’藉由將可調式元件 安裝至一微熱板基板中而形成的。在例如將標準量具安裝 至一基板的過程期間，可以在拾取與一放置組裝過程中， 施加足夠的力量到基板上。雖然主要是沿著Z軸且進入基板 内的這些力量’可能會導致沿著基板XY平面的橫向力量。 20 但是，為了在組裝期間提供額外的支撐效果，所以，基板 可以由一局部安裝結構加以支撐，此結構可以在組裝期間 提供施加到基板的相等並相反力量，且防止從z軸插入力轉 變成此橫向力量。例如，第7A圖顯示一設置在基板600以下 的安裝結構602 ’正對著其中所形成的一凹穴6〇4。第7B圖 22 1321384 顯示正對著凹穴204的另一個範例性安裝結構606。第7A與 7B圖的支架可以是一永久固定架，可以在機械裝配標準量 具期間，縮小張力應變。另一方面，此機械支架，可以用 工具修整，以便在標準量具的裝配與組裝期間，提供暫時 5 的支撐效果。 安裝結構604與606在此範例中為圓柱型，且可以對抗 壓縮負載，而不需要轉移有害的橫向力，這些橫向力對於 基底來說更容易造成傷害，這是由於其晶格方向以及在壓 縮與機械長度之間的差異。雖然顯示成圓柱形，但安裝結 10 構的形狀，並非侷限於此。 在調整現有雷射裝置期間，可以使用TEC來進行熱頻 率調整，但是這樣的調整，可能會影響TEC上的所有零件 ，包含雷射源、末端鏡以及波長選擇裝置。雷射裝置11〇提 供-個範例’其巾標準量具的調整可讀取調整隔離開 15來，例如藉由使熱反應性基板形成得夠厚，而將基板的加 熱平面與下表_取隔_來。也可以想像_，額外 隔離雷射裝置元件，以便整理好調整以及操作。例如，第8 圖顯不-雷射裝置7〇〇，其具由雷射源術、波長選擇元件 704，以及一末端鏡7〇6，所有的零件均安裝在一平台7⑽上 20以及TEC710上，這一點類似於上述雷射裝然而， 此裝置一包含—主動式光學路徑長度調整元件712，其 可以獨立於零件7〇4或TEC?1〇進行熱·光學式調整，而允 用於雷射的整理好或者是非互相依賴的頻率調整。光學路 徑長度調整元件712可以是一光學間隔物(未顯示）、光學模 23 1321384 形物、稜鏡、或其他光學元件。不像習知的系統 用電壓可控制裝置或其他感應元件，光學路和長产調敕使 件712可以是-熱式、機械式，或電氣式調整機制， DWDM系統的頻道波長之範圍上產生頻率調敕f彳如 由分開的加熱或冷卻，元件712可以主動地調整或^外^ 共振腔光學路徑長度，以用於全頻率調整。

將說明一些範例的公式。在電信C帶中用於石夕的調整逮 率，大約為lOGHz/K，這樣的改變速率主要是藉由熱光與 係數(dn/dT)所驅動的，CTE具有小部份的貢獻（對於矽）。2 10學路徑長度的局部改變，可以藉由 d(OPL)/OPL=(l/n)dn/dT+CTE來表示。在Vernier頻道之間跳 過所需的溫度變化，是與結合自由光譜自由範圍（JFSR)， 以及當指明此對標準量具時所選定的平均自由光譜範圍有 關。例如，8.25THZ的JFSR以及275GHz的平均自由光譜範 15圍’ 275GHz/(l〇GHz/K)=27.5K的溫度上升，可用與對付 JFSR内的任何頻道（設計調整範圍），且在兩個標準量具之 間的溫差範圍為27.5K/8.3THz/275GHz)=0.917K。 現在將重點擺在光學路徑長度調整，沒有受到溫度的 影響’可以使用以下的方程式，以便根據光學路徑長度的 20變化而鎖住雷射： △Lop丨=，(O/f)*Lopi ’ L°pi是外部共振腔雷射的光學路徑長度，f是雷 射頻率’且v是共振腔模式的間隔。例如，當Upl等於〇.〇i5m ’ f等於195THZ，v等於10GHz時，則從一共振腔模式跳到 24 1321384 一共振腔杈式，且同時調整雷射，則需要調整光學路徑長 度為ALop丨等於〇_〇〇〇〇〇77πι或大約m。 在所顯示的實施例中，元件712是一光學間隔物，其具 有第一光學表面714以及第二光學表面716，這兩個表面各 5塗有一AR塗層，以便防止在元件712的内部產生内反射。 額外地或個別地，元件712可以繞著2軸傾斜，及/或在χγ 平面旋轉大約1到2度，以便減少反射的空間重疊以及在單 一（空間）模是波長中所測量的必然光譜條紋（spectrai fringes)。而且，雖然元件712是顯示成具有平行的表面，但 10是，替代地，它也可以具有一楔形表面，以便減少邊緣的 重疊，且同樣地減少光譜條紋。當使用標準量具時，元件 712可以由與用以形成波長選擇裝置的標準量具所使用之 相同材質製成。例如，作為一光學間隔物，元件712可以由 石夕形成’其在增益頻寬或InGaAs ’ InGaAsP與其他介質的輸 15出波長範圍上是可以穿透的。其他材質包括液晶聚合物 (LCP)，或由惰性、非檢濕性材質形成的材質。 元件712可以直接定位在平台7〇8上，或藉由一安裝台 718而安裝於其上。此安裝台718可以由用於熱隔離的材質 ，或用於熱隔離的其他材質所形成的。在一些結構中，元 20件712可以是一光學間隔物’其具有監控（或RTD)電極720a 、720b、722a、722b以及加熱電極724a、724b、726a與726b ，如圖9所示’其中加熱器與監控電極可以是在不同平面中 具有圖案的導體’例如在一些範例性標準量具以及熱反應 性基板結構中所使用的。 25 1321384 另一方面，元件712可以是一個導熱光學元件，其設置 在一類似於基板134的熱反應性基板内。例如，第1〇圖顯示 一個調整組件800，其具有一波長選擇裝置802以及一個分 離的光學路徑長度調整元件804。在所示的範例中，前者包 5 括兩個標準量具806、806，這些量具是被安裝於熱反應性 基板810的凹穴内’其中基板810被分割成熱區域812、814 ’每一個熱區域是分別用於一個標準量具806、808的。基 板810亦具有一分離的熱區域816，用於控制光學路徑長度 調整元件804的溫度’其中元件804亦被放置在基板81〇内的 10 —凹穴中。元件804、806與808的溫度調整與控制件控，可 以分別藉由焊線襯墊818、820、822所驅動/監控之加熱與 RTD電極而達成的。第11圖顯示一雷射裝置，類似於第8圖 所示的範例（一此，共用相似的元件符號），但是它具有調整 組件800。 15 第11圖的結構能使雷射裝置的波長調整，不僅透過 TEC710的調整，如同在現有的系統中一樣，還可以透過使 用調整元件804的獨立光學路徑長度控制。相反的，整個 TEC710可作用為一個大型的熱質量，需花費幾十秒鐘才能 產生熱變化’調整元件804可以是一光學間隔物，或其他具 20有相當小熱質量的元件’因此，具有很小的熱時間常數(例 如，低於一秒）。如此意味著雷射裝置調整，可藉由不需要 仰賴相當長的TEC調整而達成，而可以藉由調整零件8〇4的 主動調整方式而達成。而且，可以選擇元件804的熱光學 反應性，致使，藉由TEC或其他控制機制所達成的相同光 26 1321384 學路徑長度調整，也可以藉由此小熱質量物體而達成。 由不範並非限定性的方式，_彳 曰 僅W价 厚的石夕光學間隔物 k C的溫度變化’便可以達成具有典型TEC控制 設計的光學路徑長度輕之相同量。因此，與之前城’ Γ=Γ平台上所有元件的溫度(例如，雷射介質增 a、波長選擇元件，以及末端鏡），且因此影響這歧控制變

10 數，例如：光學輸出功率、雷射偏向電壓，以及光學路徑 長度。分_主動式光學路徑長度機零件之彳丨進可允 許光學路徑長度舰控制與波長·式㈣ '雷射词服控 制’以及TEC伺服控制分離開來。

第12圖顯示調整控制結構9〇〇的一範例，其中將一系列 輸入902(例如顯示有五個輸入值），提供到一用以控制 TEC906的控制器904上’如上所述。此圖形顯示出對於 TEC906的改變，可以在多數不同的控制機制上產生影響， 15其中這些機制可此會表現出個別的4司服控制程序。對於 TEC906的改變，可能會影響雷射源的偏向電壓控制9〇8， 其中例如，已知雷射源的增益可以是與溫度有關，且因此 會隨著TEC的改變而改變。控制908是顯示成具有一電壓控 制器908a、電壓源908b以及電壓偵測器9〇8c。例如，藉由 20調整雷射源内的波導之光學路徑長度，對TEC906的改變， 也可能會影響雷射共振腔的光學路徑長度控制910〇控制 900可以包括一控制器910a、一光學路徑長度可調式元件 910b、以及一偵測器910c。對於TEC906的改變，可能會影 響光學能量位階控制902，此控制可用以防止由於熱改變所 27 1321384 導致的能量波動。控制912包括一控制器912a、雷射912b以 及一雷射輸出功率偵測器912c。而且，對TEC906的改變可 能會影響波長選擇元件控制914,此控制可以包括一控制器 914a、一標準量具調整元件914b，以及一偵測器914c。 5 這些控制910至914，各設置用以作為示範而已。要知 道的是，對於熟知此項技術者來說，這些控制都可具有不 同的結構，包含額外的、較少的，或其他零件。在所顯示 的範例中’控制910至914可以設置一回饋到控制器9〇4上， 因此’會在這些值上產生互相依賴的TEC控制；當TEC改變 10時，控制910到914所測量出來的靜態條件可能也會改變。 然而，在控制91〇中，使用個別的主動式光學路徑之長度調 整元件，可以從TEC調整中，整理出至少一光學路徑長度 調整控制機制（例如，光學間隔物）的）。也就是說，雖然藉 由一可達成頻率調整的獨立控制式光學路徑長度調整裝置 15 ，TECM舊可以被調整來控制光學路徑長度，但是，並不 需要在頻率調整期間調整TEC。相反的，TEC可以被維持在 個口疋或相當固定的溫度下，而且，雷射裝置仍可藉由 主動式頻率調整光學路徑長度調整而達成頻率調整。藉由 正理出該調整，這樣的情形之前僅用於顫動控制(dithering 2〇 control)且無法執行頻率調整，由於調整元件的較低熱質量 所以，個雷射裝置也可以更快的速率執行頻率調整。 在一些範例中，在頻率調整次數的改進可以是量值的一 次方以上》 雖然已經藉由上述内容說明了本發明的詳細結構，在 28 1321384 本發明的範圍並未侷限於此。相反地，在不違背本發明的 申請專利範圍及其等效所界定的範圍之前提下，本發明仍 可產生出其他的修改與變化實施例。 I：圖式簡單說明3 5 第1圖是顯示本發明實施例具有一波長選擇裝置的可 調式雷射裝置之側視圖。 第2圖是一波長選擇裝置的範例之立體圖，其中是以安 裝在一基板上的熱可調式標準量具之形式出現。 第3圖是用於第2圖的裝置之加熱以及感測結構之範例 10 的頂視圖。 第4圖是第3圖裝置的剖面圖，且顯露出一加熱層與一 監控層。 處 第5A圖是顯示在一範例性波長選擇裝置上的不同位置 熱加熱與冷卻的瞬間行為之圖形。 15 第5B圖是顯示出用於圖5A的圖形所測量到的不同位 置。 第6圖是顯示根據另一實施例熱加熱與冷卻的瞬間行 為 第7A與7B圖是顯示具有在組裝期間可使用的安裝支 20 架之波長選擇裝置的一部份。 第8圖是顯示另一種可調式雷射裝置，其具有一個可用 於頻率調整的主動式光學路徑長度調整裝置。 第9圖是顯示第8圖的光學路徑長度調整裝置之詳細範 例。 29 1321384 第ίο圖是顯示另一個光學路徑長度調整裝置的詳細範 例，其結合有一波長選擇雷射。 第11圖是顯示使用第10圖的結構之雷射裝置。 第12圖是顯示一個範例性調整控制，其中光學路徑調 5 整裝置已經被分開，用於頻率調整的獨立伺服控制。 【主要元件符號說明】 110.. .雷射裝置 112.. .增益介質 114.. .反射元件 116.. .平台 118.. .端面 119.. .光束 120.. .端面 Π2...透鏡 124···雜 125.. .波長選擇裝置

126.. .TEC 127.. .控制器 128.. .載體 130…標準量具 132.. .標準量具 202、204、206...端面 210…第一凹穴 212.. .第二凹穴 30 1321384 214.. .第一加熱區域 216.. .區域 218.. .障壁 220.. .端面 300、302、304、306...焊線襯塾 308、310…監控導線 312、314."監控元件導線 320、322···焊線襯墊 324、326…加熱元件 328、330...區域

400.. .加熱器 402…RTD 404.. .裝置層 406.. .薄膜外層 408.. .監控層 410".加熱層 411.. .介電鈍化層 413.. .第二介電鈍化層 600…基板 602.. .安裝結構 604.. .凹穴 606.. .安裝結構 700.. .雷射裝置 31 1321384 702.. .雷射源 704.. .波長選擇元件 706.. .末端鏡

708.. .平台 710 …TEC 712.. .主動式光學路徑長度調整元件 714.. .第一光學表面 716···第二光學表面 708.. .平台 Ή8...安裝台 720a、720b、722a、722b...監控電極 724a、724b、726a、726b...加熱電極 800.. .調整組件 802.. .波長選擇裝置 804.. .光學路徑長度調整元件 806、806...標準量具 810…基板 812、814...熱區域 816.. .熱區域 818、820、822…焊線襯墊 900.. .調整控制結構 902.. .輸入

906.. .TEC 32 1321384 904.. .控制器 908.. .偏向電壓控制 908a...電壓控制器 908b...電壓源 908c...電壓偵測器 910a...控制器 910b...光學路徑長度可調式元件 910c...偵測器 902.. .光學能量位階控制 912.. .控制 912a...控制器 912b...雷射 912c...雷射輸出功率偵測器 914…波長選擇元件控制 914a...控制器 914b...標準量具調整元件 914c...偵測器 33

Claims (1)

1321384 _ 第95123857號專利申請案申請專利範圍修正本98年07月 r ，一 十、申請專利範圍： 1. 一種雷射裝置，包含： 一平台； 一增益介質，其連接到該平台，該增益介質具有第 5 一輸出端面以及第二輸出端面，以便對一電氣輸入反應 - 而發射一光束； . 一反射器，其設置用以反射該光束，且連接到該平 Φ 台，該反射器及該第一輸出端面界定出一個具有光學路 徑長度的雷射共振腔；以及 10 —熱反應性波長選擇裝置，其設置在該雷射共振腔 内，且具有一安裝至該平台的熱反應性基板以及一可調 式光學元件，該可調式光學元件至少局部延伸到該熱反 應性基板中且從該熱反應性基板延伸到該雷射共振腔 内，以對應於熱反應性基板中的熱變化而調整該光學路 15 徑長度。 φ 2.如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該可調式光學 元件是以機械方式安裝，用於與該熱反應性基板產生熱 嚅合。 ' 3.如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中，該可調式光 20 學元件包含第一標準量具以及第二標準量具。 4.如申請專利範圍第3項之雷射裝置，其中，該第一標準 量具是被安裝在熱反應性基板中的第一凹穴内，且其中 ，該第二標準量具是被安裝在熱反應性基板中的第二凹 穴内。 1 1321384 5. 如申請專利範圍第3項之雷射裝置，其中，該第一標準 量具是被安裝在該熱反應性基板的第一熱區域中，且其 中該第二標準量具是被安裝在該熱反應性基板的第二 熱區域中，其中該第一區域是與該第二區域彼此熱隔離 5 開來。 6. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中，該熱反應性 波長選擇裝置的基板具有一加熱平面，該加熱平面是與 該可調式光學元件的雷射共振腔入射平面不同。 7. 如申請專利範圍第6項之雷射裝置，其中，該加熱平面 10 實質上平行於該雷射共振腔的光學軸，且其中，該可調 式光學元件的入射平面實質上垂直於該加熱平面。 8. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中，該熱反應性 基板以及可調式光學元件具有實質上相同的熱膨脹係數。 9. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該熱反應性基 15 板具有至少大約1200K/瓦特的熱阻。. 10. 如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中該熱反應性波 長選擇裝置是一個用於該雷射裝置的第一頻率調整元 件，其進一步包含一個是用於該雷射裝置的第二頻率調 整元件的光學路徑長度調整裝置。 20 11.如申請專利範圍第10項之雷射裝置，其中，該光學路徑 長度調整裝置是被安裝在該熱反應性基板，且與該第一 頻率調整元件熱隔離開來。 12.如申請專利範圍第1項之雷射裝置，其中，該熱反應性 基板包含一植入的熱加熱器以及一植入的溫度監控器。 2 i3·—種雷射裝置，包含： 平口可對於該平台内引起的熱變化產生反應， Μ調整該雷射裝置的輪出光束之頻率； 5 增益介質，其連接至該平台，該增益介質具有第 輪出端面以及第二輪出端面，以便對一電氣輸入反應 而發射一光束； —反射器’其設置用以反射該光束，且連接到該平 台，該反射器及該第一輪出端面界定出一個具有光學路 徑長度的雷射共振腔； 10 —波長選擇裝置，其設置在該雷射共振腔内，且被 文裝至該平台’用以調整該輸出光束的頻率；以及 一主動式光學路徑長度調整裝置，其設置在該雷射 共振腔内，且連接至一控制器，用以對光學路徑長度調 ]5 奸置中所引起的熱變化反應，且與平台内利起的熱 15 變化無關’來調整輸出光束的頻率，其中該波長選擇震 置以及該主動式光學路徑長度調整裝置包含安裝至誃 平台的一單一熱反應性基板，其中該波長選擇裝置以及 該主動式光學路徑長度調整裝置兩者皆至少局部延伸 到該單一熱反應性基板中。 2〇 Μ·如申請專利範圍第13項之雷射裝置，其中，該主動光學 路徑長度調整裝置是一光學間隔物。 15.如申請專利範圍第13項之雷射裝置，其中，該主動光學 路徑長度調整裝置包含一植入的加熱器以及一植入= 溫度監控器。 3 1321384 16.如申請專利範圍第13項之雷射裝置，其中，該光學路徑 長度調整裝置包含一安裝至該熱反應性基板的可調式 光學元件以對該熱反應性基板内的熱變化反應而調整 光學路徑長度。 5 17.—種雷射操作的方法，包含以下步驟： 設置一外部共振腔雷射，其具有一增益介質，該增 益介質具有第一端面及第二端面，用以將一光束發射到 具有一光學路徑長度的雷射共振腔内；以及 將一波長選擇裝置定位於該雷射共振腔内，該波長 10 選擇裝置具有一熱反應性基板以及一從該熱反應性基 板延伸到該雷射共振腔内的可調式光學元件，以便對該 熱反應性基板内的熱變化反應而調整該光學路徑長度 ，以及 安裝該可調式光學元件以使至少局部延伸到該熱 15 反應性基板内。 18. 如申請專利範圍第17項之雷射操作的方法，其中，可調 式光學元件包含第一標準量具以及第二標準量具，且該 方法進一步包含： 安裝該第一標準量具於該基板内的第一凹穴中，以 20 及 安裝該第二標準量具於該基板内的第二凹穴中。 19. 如申請專利範圍第18項之雷射操作的方法，進一步包含： 將該第一標準量具與該第二標準量具熱隔離開來。 20. 如申請專利範圍第17項之雷射操作的方法，進一步包含： 4 1321384 將一加熱器元件放置在該熱反應性基板中，以及 將一溫度監控器元件放置在該熱反應性基板中。 21. 如申請專利範圍第17項之雷射操作的方法，進一步包含： 將該熱反應性基板的一加熱平面定位成實質上平 5 行於該雷射共振腔的光學軸，以及 將該可調式光學元件的一入射平面定位成實質上 垂直於該加熱平面。 22. 如申請專利範圍第17項之雷射操作的方法，其中，該波 長選擇裝置是一該雷射裝置的主要熱調整裝置，該方法 10 進一步包含： 將一光學路徑長度調整裝置設置於該雷射共振腔 内，其中，該光學路徑長度調整裝置是一主動熱-光學 可控制式裝置，且 將該光學路徑長度調整裝置與該主要熱調整裝置 15 熱隔離開來。 1321384 η 的年仏月；丨日设(£)正替換頁

第95123857號專利申請案圖式修正頁97年12月

節點Β -Ο-節點C 1321384 第95123857號專利申請案圖式修正頁97年12月 第5β圖 節點：A 502 節點C 1321384 第95123857號專利申請案圖式修正頁97年12月 收(d

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