TWI413365B - 使用半導體光學放大器之光譜濾波器及分散補償 - Google Patents

Description

使用半導體光學放大器之光譜濾波器及分散補償

本發明係有關於高速資料通訊協定，尤指光纖頻道協定(Fiber Channel Protocol,FCP)與光纖連繫(Fiber Connectivity,FICON)鏈結，其包含但不限於如乙太網路、儲存以及相關應用。

在通訊工業領域中，光纖頻道協定(FCP)與光纖連繫(FICON)協定係用於網路、儲存以及相關應用。習知此技術者將發現，此說明書中光纖頻道協定與光纖連繫兩用語係可互換，因為本發明係關於此些協定的實體層面特性。光纖光學通訊定義為一種可在由ANSI定義的幾個資料速率下運作的光纖頻道協定。目前最常使用1 Gbit/s與2 Gbitls鏈結，雖然如4 Gbits/s或更高的資料傳輸速率也開始被採用。因為光纖頻道協定已成為常用的電腦網路致能基準，採用更高頻寬光纖頻道協定鏈結自有其好處。光纖頻道協定定義為支援經由單模光纖4 Gbit/s資料傳輸速率至10 km範圍。對於長波長(long wavelength,LX)光源(如，中心波長為1300 nm)，預低成本高效率地實現4 Gbits/s與更高資料傳輸速率之單模光纖仍有許多挑戰。

支援4 Gbits/sec資料傳輸速率的一種方法是利用分佈回饋(distributed feedback,DFB)雷射。DFB雷射可支援4Gbits/s資料傳輸速率，經單模光纖距離達10 km，但比法伯里－貝羅(Fabry－Perot,FP)雷射貴。法伯里－貝羅雷射常用於較低資料傳輸速率與較短(如3－5 km)之FCP鏈結。欲使FP雷射可用於4 Gbitls速率且擴及10 km，須具體上殊別設計以符合光纖頻道協定標準。

若以短波長(short wavelength,SX)(如850nm)光源透過多模光纖傳輸，當光學脈波以4 Gbit/s及更高資料傳輸速率行進時，SX光學脈波以及LX脈波同樣都會出現過量的色散。色散為雷射中心波長與光譜寬度的的函數。一般稱100－300公尺範圍為SX鏈結，10公里範圍為LX鏈結。甚至在相當短的光學鏈結中，色散也限制了光纖的功效。

光學通訊鏈結須經放大(如半導體光學放大器、半導體雷射放大器、摻雜光纖放大器等等)，以擴展其應用距離，例如作為儲存區網路之災難復原。半導體光學放大器(Semiconductor optical amplifyiers,SOAs)可應用於此。SOA作用類似光學激發的在線(in line)半導體雷射二極體。需要特長距離的傳統應用上，最重要的SOA傳統特性是具有高放大倍率(high gain)。傳統SOA係設計成具有一寬頻寬以容置較寬範圍的輸入裝置(以及某些情況裡可能的波長多路化)。它可在無須光學/電性轉換下，將輸入的光學訊號放大。

SOA自身結構類似法FB半導體雷射二極體，係利用一鏡射的光學空腔影響光學訊號行進方向上的放大倍率。利用鏡反射增加穿過放大媒體的路徑長度，因而提高整體放大效率。SOA具有較其他諸如摻雜光纖放大器的光學放大技術來說，更為前瞻的優點。然而，本發明可用於任何半導體光學放大器，亦即任一放大器，其可相對於其閥值施加偏壓，且易於整合入雷射套裝裝置，如習知此技藝者所知。SPA可整合入其他半導體裝置於一共同晶片或基板上，且以低成本大量生產。SOA易於放大含括1300 nm與850 nm之各種波長的光訊號。利用SOA可以低成本放大1300 nm與850 nm波長範圍，此為如光纖頻道協定(其他工業標準含乙太標準也用相同波長範圍)之資料通訊系統中最常用的波長。SOA經常用於放大限制組態。為最佳化可達距離，SOA亦可置於接近長距離光學鏈結的中央。

附錄中美國專利6674784揭露一種分散回饋雷射裝置。附錄中美國專利6584126揭露一種可調法伯里－貝羅雷射裝置與一種垂直式空腔表面發射雷射裝置。附錄中美國專利6894833揭露一種SOA，用於放大雷射輸出。附錄中美國專利6839481揭露一種多模光學光纖系統。

如前所述，本發明提供一種可擴展SX與LX光纖光學路徑之頻寬的裝置與方法。本發明提供一種光傳輸器封裝裝置，包含：一雷射二極體；以及一半導體光學放大器，其直接置於雷射二極體之後，直接連至或者極接近雷射。此處所述的這種組態(configuration)可稱為具有此雷射二極體之一前級放大器組態(pre－amplifier configuration)，其中半導體光學放大器係適以在一頻域下操作，使得半導體光學放大器可過濾且重塑雷射二極體之光學波長，且其中該半導體光學放大器係在低於該半導體光學放大器之一放大閥值下被偏壓。此裝置亦可包含一回饋電路，其包含一光學分光器，其中回饋電路從半導體光學放大器取樣已重塑之光學輸出，且動態地調整半導體光學放大器與雷射二極體，或此二者之一。

在本發明其他實施例中，半導體光學放大器與雷射二極體係從雷射二極體之中心點彼此相對偏移一定控制量，使得雷射二極體光學輸出之一預設量被耦合入一多模光纖。

再者，本發明之半導體光學放大器被組態成為頻域光譜過濾器，以調控雷射二極體於中心波長1300 nm或850 nm處之頻率量。習知此技藝者皆知此此說明書中，FCP之用語將指涉應用於FICON鏈結之實體層面，且更一般地指涉任何類似光纖光學資料通訊協定。

根據本發明的技術可知其他特徵與優點。本發明其他實施例與樣態將詳細描述，且視為申請專利範圍的一部分。參考此描述以及圖示可更加理解本發明之優點與特色。

若參考下列描述與圖示，將更明白本發明之此些與其他樣態實施例。然而應理解，下列描述指涉本發明之較佳實施例與其許多特徵，係作為例示而非限定。根據本發明實施例可做出變化與修改，其仍不超出本發明之精神與範圍，且本發明之實施例係包含所有如此的修改。

本發明之實施例與各種特徵及其優點可由非限定實施例解釋，參考圖示將更清楚。圖示未必按比例製作。習知元件不再贅述。其中例子只是助使理解本發明之實施方式。因此，此些範例不應限定本發明之範圍。

如上述，目前仍有增加光纖光學頻寬之需求。為此，本發明之實施例提供一種裝置與方法，其可擴展光纖光學範圍頻寬，係利用現有雷射發射器配合半導體光學放大器於一封裝裡。參考圖示，尤其是第1~3圖，其中相同符號表示對應特徵。所示者皆為較佳實施例。

第1圖中之本發明提供一光傳輸器封裝裝置(100)，包含：一雷射二極體(102)；與一半導體光學放大器(104)，該半導體光學放大器直接位於該雷射二極體之後，直接連接至或緊臨雷射，以該雷射二極體形成一前級放大器組態，其中半導體光學放大器係適以在一頻域下操作，使得半導體光學放大器可過濾與重塑雷射二極體光學輸出(112)，且該半導體光學放大器係在低於該半導體光學放大器之一放大閥值下被偏壓。此前級放大器組態包含置放半導體光學放大器緊鄰雷射二極體，使得雷射二極體光學輸出為雷射二極體之極大值。任何可提供給半導體光學放大器的放大倍率係選擇性為之的、可忽略或不提供。半導體光學放大器係於低於其放大閥值下被偏壓，且係供重塑雷射二極體光輸出之光譜性質之用。

另一實施例中，光傳輸器封裝裝置亦包含：一回饋電路(106)，其包含一光學分光器(110)，其中回饋電路從半導體光學放大器取樣已重塑之光學輸出(114)，且動態地調整半導體光學放大器與雷射二極體，或此二者之一。回饋電路連接至至少一控制電路(108)，係可動態地調整半導體光學放大器與雷射二極體或此二者之一的偏壓與/或驅動電流。

第2圖所揭露的實施例中，該裝置包含一雷射二極體(102)；與一偏移的半導體光學放大器，直接連接於雷射二極體之後，直接連接至或緊臨雷射，且雷射二極體(202)係相對於雷射二極體中心點偏移一控制量，使得雷射二極體一預設量之光學輸出可被耦合入一多模光纖(200)，其中半導體光學放大器係適以在一頻域下操作，使得半導體光學放大器過濾且重塑雷射二極體之光學輸出。半導體光學放大器之已重塑之光學輸出(114)較佳係射入(lunched into)多模光纖中的選定模式。此實施例中，無需降低模態雜訊之光學連接器於雷射二極體與半導體光學放大器之間。該偏移即可降低模態雜訊。本發明另一實施例中，該偏移範圍為光學光纖核心直徑之50%至90%間。

在另一實施例中，此具有一偏移的半導體光學放大器之裝置更包含一回饋電路(106)，其包含一光學分光器(110)，其中回饋電路設置成可從半導體光學放大器取樣已重塑之光學輸出，且連接至至少一控制電路(108)，其動態地調整半導體光學放大器與雷射二極體或此二者之一的偏壓與/或驅動電流。

第3圖說明本發明另一實施例，其描繪一方法流程，可擴展光纖光學頻寬，此方法包含直接連接一雷射二極體至一半導體光學放大器(300)；從一雷射二極體產生光學輸出(301)；接收光學輸出(302)，係藉由一半導體光學放大器，其置於緊隨雷射二極體後，形成含雷射二極體之一前級放大器組態；以及光譜過濾光學輸出，係將該光學輸出傳送至半導體光學放大器，以產生一已重塑之光學輸出(304)，重塑半導體光學放大器光學輸出的波長分佈(306)。此方法更包含動態地調整半導體光學放大器與雷射二極體或此二者之一，係調整半導體光學放大器與雷射二極體或此二者之一的偏壓與/或驅動電流(308)。

此方法另一實施例中，此方法更包含調整雷射二極體與半導體光學放大器間的偏移，其中調整偏移係可設定多模光纖之模態調控。再另一實施例中，此方法更包含耦合一預設量之光學輸出至一多模光纖，係從雷射二極體中心點偏移半導體光學放大器一控制量，且傳送已重塑之光學至多模光纖。

更具體上殊別的是，本發明的裝置與方法可經單模光纖將現有法伯里－貝羅長波長雷射範圍延伸至10 km，係利用半導體光學放大器形成一前級放大器組態(施偏壓低於閥值)，以控制雷射光譜寬度，如上所述。本發明中半導體光學放大器係施偏壓低於其放大閥值。本發明之前級放大器組態中，半導體光學放大器緊鄰雷射發射器之後，使雷射輸出功率達最高。不使用半導體光學放大器於時域來達成高放大倍率，本方法中半導體光學放大器係操作於波長過濾的頻域。如此，半導體光學放大器可作為過濾器刪除不需要的光譜成分；因此有效地窄化法伯里－貝羅雷射或其他習知雷射的光譜(例如VCSEL雷射，分佈回饋雷射等等)。

產生自半導體光學放大器的光具有不同於輸入的光譜寬。因此，進入半導體光學放大器的光學訊號將改變其光譜性質。選擇波長的放大倍率亦可使額外光學功率分布於不同頻率範圍。若半導體光學放大器操作於較高電壓或電流(仍低於閥值)，放大倍率將增加且光譜拓寬也會改變。

留存的光譜成分仍將某程度地放大，因此總光學功率輸出得以調控。半導體光學放大器之放大倍率可克服任何光學耦合或輸入損失，其可能來自半導體光學放大器耦合至相連的雷射與光學光纖。如此，雷射/半導體光學放大器之組合串連輸出將產生一光學訊號，其光譜與中心波長符合光纖頻道協定規定。

本發明包含一半導體光學放大器的使用，係施偏壓低於閥值於本裝置與方法中，半導體光學放大器位於緊隨半導體雷射光源之後。此處半導體光學放大器非利用其放大性質。而是僅作為選取頻率元件，以對雷射輸出作光譜過濾。半導體光學放大器如此作用係因半導體光學放大器操作於與需要的雷設光源相同的波長，一般為1300 nm或850 nm。半導體光學放大器不固定放大倍率，且半導體光學放大器之任何放大倍率並不如傳統半導體光學放大器應用中重要。半導體光學放大器僅需選擇性地放大雷射光譜中需要的成分，可調整整體頻率波包並極小化色散。半導體光學放大器可提供優於如摻雜光纖放大器之其他光學放大技術的好處。然而，只要放大器作於該半導體雷射之適當波長範圍內，本發明可與任何已知的光學放大器連用。

本發明之某些樣態含一半導體光學放大器之使用，其整合入短波長VCSEL(如所周知VCSEL雷射應用於任何短波長雷射)或長波長雷射二極體。半導體光學放大器直接置於雷射之後，在同一封裝或不同封裝裡。當通過一光學光纖通訊鏈結時，選擇性重塑光頻譜之雷射半導體光學放大器使得所得訊號有較少色散。半導體光學放大器作用不在於放大倍率，而是改變雷射在頻域中之光譜性質。

本發明另一實施例中更具體上殊別者，半導體光學放大器或雷射或此二者之偏壓或驅動電流可動態地調整，係利用一回饋電路，其基於取樣光學分光器之輸出光。本發明此實施利用回饋控制電路監控半導體光學放大器的偏壓，其監視與控制電路使半導體光學放大器調控雷射偏壓，作為其光譜輸出(光譜寬或中心波長或此二者)之控制手段。本發明亦可在半導體光學放大器之後取樣輸出光，且可用光譜分佈或訊號強度控制半導體光學放大器之偏壓或雷射偏壓或此二者。半導體光學放大器的驅動電流或雷射的驅動電流或此二者亦可如此調整。

具體上殊別在包含短波長鏈結與多模光纖之多模應用的實施例中，因為前述之多模鏈結的損耗，進入光纖的光量應極大化。然而，可從半導體光學放大器監控電流，且使電流與光譜重塑相關聯。此訊息可用於數位控制雷射二極體，係經由一回饋電路連至雷射二極體驅動器。多模應用裡，雷射二極體與放大器的相對校準可有一偏移，以控制模態激發型態，且較佳地僅激發某些光學光纖的模態。此偏差校準將降低可達成的光學功率峰值。然而，考慮偏移時，光學功率仍應極大化。

雷射可補償色散，係利用半導體光學放大器形成一前級放大器組態，以如上述控制雷射光譜寬度。

更具體上殊別者，前級放大器組態中的半導體光學放大器直接設於VCSEL雷射發射器之後，如上述使雷射輸出功率達最高值。半導體光學放大器過濾且消除不需要的光譜成分。如此有效地窄化與重塑VCSEL雷射的光譜。留存的光譜成分被放大一倍率，使總光學功率輸出守衡。事實上，半導體光學放大器可提供選擇的放大倍率，其可克服半導體光學放大器之任何光學耦合或輸入損失。短波長多模光學光纖可具有更高損耗(約每公里3－5dB)，高於單模光纖(0.5 dB/公里)。本實施例中可補償多模光纖色散，且可能增加耦合光學功率至光纖。另一實施例中，半導體光學放大器或雷射或此二者之偏壓或驅動電流可動態地調整，如上述，利用回饋電路，其具有一光學分光器可如上述取樣輸出光。本發明提供進入光學光纖的光之光譜成分控制。特定類型的標準光纖具有波長相關的色散，係由製造商標定。因提供光的光譜成分控制，本發明可補償光學光纖現有的的色散性質。

多模應用裡更具體上殊別者，半導體光學放大器提供另一重要功能於短波長收發器，即刻意使雷射與半導體光學放大器間有一偏差，可補償差異模延遲。一般而言，光學功率從一短波長光源進入多模光纖時，將平均激發光纖中所有傳播模。例如傳送大部光學功率進入近光纖核心造成誤差，將導致補償差異模延遲以及模態雜訊。

光可以偏差方式進入多模光纖，傳統上係以光纖連接器完成，其中光纖位移距離範圍為光學光纖核心直徑的50%至90%。

然而，此方式需要具有精準公差且昂貴的非標準光學連接器。再者，短波長雷射鏈結中需用不同與更複雜類型的多模連接器組合。本實施例中，則利用一光學收發器控制半導體光學放大器與雷射二極體間的偏移，而非結構上經連接器使光纖相對於雷射軸有偏移。本發明中，係利用光學放大器過濾，偏移過濾後進入光學光纖的光。因此，只有通過半導體光學放大器之部分雷射光被光譜重塑，且耦合入光纖；如此，半導體光學放大器亦作用如空間過濾器，且僅通過半導體光學放大器的光將傳播通過光纖。利用偏移半導體光學放大器相對於雷射中心點之一控制量，半導體光學放大器可較佳地耦合入光纖的較高階模態，且形成所需均勻功率分布，無需特殊光學連接器.

上述特殊實施例完整揭露本發明之一般特性，故易於以現有技術知識加以修改與/或使用於各種應用裡，其並未超出本發明的組合觀念，且因此，此些應用與修改應視為等同於所揭露的實施例。應理解者為此處用語目的在於描述而非限定。故上述雖以較佳實施例揭露本發明，熟悉此領域技術者將認知本發明之實施例可經修改實施而符合後列申請專利範圍之精神與範疇。

100．．．光傳輸器封裝裝置

102．．．雷射二極體

104．．．半導體光學放大器

106．．．回饋電路

108．．．控制電路

110．．．光學分光器

112．．．雷射二極體光學輸出

114．．．已重塑之光學輸出

200．．．多模光纖

202．．．雷射二極體

300、301、302、304、306、308．．．步驟

第1圖為可擴展光纖光學頻寬之一光傳輸器封裝裝置的示意圖；第2圖為可擴展光纖光學頻寬之一光傳輸器封裝裝置的示意圖，係多模光纖之應用實例；第3圖為一流程圖，說明本發明之一實施例的較佳實施方法。

300、301、302、304、306、308．．．步驟

Claims (9)

1. 一種光傳輸器封裝裝置，包含：一雷射二極體；一偏移的半導體光學放大器，係可操作式地連接至該雷射二極體；一多模光纖，係連接至該半導體光學放大器，及一回饋電路，該回饋電路包含一光學分光器，該光學分光器連接至該半導體光學放大器，其中該半導體光學放大器係自該雷射二極體之一中心點處偏移一控制量，使得該雷射二極體之光學輸出之一預設量被耦合入該多模光纖，其中該半導體光學放大器係適以在一頻域下操作，使得該半導體光學放大器過濾且光學重塑該雷射二極體之光學輸出，及其中該回饋電路係適以從該半導體光學放大器取樣已重塑之光學輸出，且動態地調整該半導體光學放大器與該雷射二極體中之至少一者。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該半導體光學放大器係適以根據該偏移產生一已重塑之光學輸出，該已重塑之光學輸出較佳係被射入該多模光纖之選定模式中。
3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該二極體與該放大器係不經中介的光學連接器而連接。
4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該回饋電路連接至一控制電路，其中該控制電路係適以調整一偏壓電位，該偏壓電位係選自該半導體光學放大器與該雷射二極體中之至少一者。
5. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該回饋電路連接至一控制電路，其中該控制電路係適以動態地調整一驅動電流，該驅動電流係選自該半導體光學放大器與該雷射二極體中之至少一者。
6. 一種擴展光纖光學通訊頻寬的方法，包含：將一雷射二極體直接連接至一半導體光學放大器；從該雷射二極體產生一光學輸出；藉由一半導體光學放大器來接收該光學輸出，該半導體光學放大器係緊隨在該雷射二極體之後，而該雷射二極體係設在含有該雷射二極體的一前級放大器組態(a pre-amplifier configuration)中；藉由將該光學輸出射入該半導體光學放大器來光學過濾該光學輸出，以產生一已重塑之光學輸出；以及故意偏移該雷射二極體與該半導體光學放大器，以該半導體光學放大器重塑該雷射二極體之該光學輸出的波長，及 藉由從該雷射二極體中心點將該半導體光學放大器偏移一控制量，並將該已重塑之光學輸出射入一多模光纖中，來將一預設量之該光學輸出耦合入該多模光纖，其中該故意偏移有助於該多模光纖中的模態調整(mode conditioning)。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包含動態地調整該半導體光學放大器與該雷射二極體中之一者或兩者。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該動態地調整更包含調整一偏壓電位，該偏壓電位係選自該半導體光學放大器與該雷射二極體中之一者或兩者。
9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該動態地調整更包含調整一驅動電流，該驅動電流係選自該半導體光學放大器與該雷射二極體中之一者或兩者。