TWI460948B - 半導體光學放大器裝置及光學矩陣交換器 - Google Patents

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Description

半導體光學放大器裝置及光學矩陣交換器
本發明係關於一種半導體光學放大器裝置及一種光學矩陣交換器。
半導體光學放大器裝置(下文中稱為「SOA裝置」)係包括通常呈至少一個條帶光學波導(亦即，「一主動條帶結構」)之形式之一光學放大媒體之裝置。當用作放大器時，SOA裝置係用於在不將光學信號轉換成一電信號之情況下放大光學信號之放大器。此等裝置之結構與半導體雷射基本上相同。與雷射裝置相比，該等SOA裝置通常具有藉助抗反射塗層覆蓋以減少其光反射率之連接端部分，以使得SOA裝置通常不具有一光學共振器結構。因此，雖然一SOA裝置通常回應於輸入光學信號而輸出由於受激發射而經放大之光，但抑制雷射振盪。
一SOA裝置之主動條帶結構在將一電流注入至主動條帶結構中時放大傳入光學信號，且在無電流注入至主動條帶結構中時展現一高光吸收能力。因此，具有充當其一核心層之主動條帶結構之光學波導能夠放大以及接通及關斷所引導光。
文件EP 0 851 548 A1揭示一種包括具有一光學放大媒體之一主動條帶結構之SOA裝置。
存在對以一高度整合方式切換、廣播及放大光學信號以 建構大的全光學交叉連接或快速光學交換器之一強烈需求。
迄今為止的現有解決方案通常包括數個光學組件，藉助此等光學組件在不同離散組件中以甚至極多樣技術完成三種不同功能-切換、廣播及放大。對於切換光學阻擋器，通常使用馬赫-任德調變器(Mach-Zehhder-Modulator)及(可變)光學衰減器。對於廣播，通常使用光學分離器。最終，現有光學放大器裝置通常係基於EDFA(摻鉺光纖放大器)或SOA技術。
此外，存在對用於光學通信網路中之交叉連接應用的光學信號之光學矩陣交換器之一強烈需求。
當今使用各種技術來建構全光學交換器，如具有熱效應、壓電效應或其他物理效應之2D-MEMS、3D-MEMS、MZI；基於壓電效應之機械光束操控、基於壓電效應之微鏡等。然而，由於機械約束此等方案通常按比例調整不超過1300×1300交換器大小。另外，雖然此等機械概念通常具有不可能廣播信號之缺點，但此對於用以支持各種網路保護方案(例如，SNCP)之電信傳輸交換器係必須的。建構一光學交換器之另一方式係一光學縱橫式交換器。
T.Saito等人：「(Polymeric Waveguide Optical Switch With Bascule Structure Using Novel Trench Forming Process)」；Journal of Lightwave Technology，第27卷，第6期，第791至798頁(2009)揭示一種光學縱橫式交換器(矩陣交換器)。然而，此種類之縱橫式交換器之一個問題係 其電力損失。假設(舉例而言)每切換點僅0.1 dB之一穿過損失，然後一1000×1000交換器將具有至多100 dB損失且該損失係取決於切換點自身，此係不合意的。
本發明之某些實施例提供一種用於以一高度整合方式切換、廣播及放大光學信號之簡單但有效之光學放大器裝置且提供一種簡單但有效之光學矩陣交換器。
根據本發明之實施例之半導體光學放大器裝置(SOA裝置)包括複數個主動單元及一光學分離器裝置。每一主動單元包括一光學放大媒體之一主動條帶結構及用於將電流注入至該主動條帶結構中之一電流電路，其中每一主動條帶結構自一輸入端延伸至一輸出端。光學分離器裝置經調適以用於分離傳入信號光且用於將此傳入信號光之對應部分分配至主動條帶結構之不同輸入端中，其中光學分離器裝置經組態給每一主動條帶結構供應相同信號資訊。
傳入信號光經由一光學輸入進入光學分離器裝置且被引導至光學分離器裝置。此光學分離器裝置分離傳入信號光且將傳入信號光之對應部分分配至主動條帶結構之不同輸入端中。每一條帶結構屬於SOA裝置之一對應主動單元。光學分離器給每一主動條帶結構供應相同信號資訊(尤其係傳入信號光之完整信號資訊)。在不同主動條帶結構內，可藉助於可個別定址之電流電路個別地操縱光信號之不同部分。在此操縱之後，(經操縱)傳出信號光經由主動條帶結構之個別輸出端中之輸出端及SOA裝置之光學輸出離開SOA裝置。
根據本發明之實施例之SOA裝置在下文中稱為「n路SOA裝置」，其中n(n=2、3、...)個不同主動條帶結構界定不同路。取決於不同主動條帶結構中之不同種類之操縱，SOA裝置可用於切換、廣播及放大光學信號。在此上下文中，切換意指接通/關斷每一個別主動單元及/或在此等主動單元之間(在此等路之間)切換且廣播意指藉助於所有主動單元或至少藉助於複數個主動單元之一傳輸(多播)。
光學分離器可基於各種光學元件，如(舉例而言)稜鏡、光纖、透鏡及其組合。根據本發明之一較佳實施例，光學分離器包括具有至少一個透鏡之一透鏡系統。
根據本發明之另一較佳實施例，主動單元中之至少一者在其主動條帶結構之輸出端處包括一輸出反射器結構。較佳地，主動單元中之每一者在其主動條帶結構之輸出端處包括一輸出反射器結構。此等個別輸出反射器結構允許裝置之一設計，藉此可自由選擇光學輸出之位置。
一主動單元可在其輸入端處具有一個別輸入反射器。根據本發明之一較佳實施例，半導體光學放大器裝置具有橫跨主動條帶結構之複數個輸入端之一共同輸入反射器結構。較佳地，該共同輸入反射器結構橫跨主動條帶結構之所有輸入端。
根據本發明之另一較佳實施例，電流電路係用於將電流注入至對應主動條帶結構中之一個別可控制電流電路。該電路包括一切換裝置，如用於控制所注入電流之一電晶體。
根據本發明之又一較佳實施例，主動單元中之至少一者包括用於視情況抑制傳出信號光之一可連接阻擋裝置。該阻擋裝置可基於各種不同之可連接阻擋機制。該等阻擋機制可係(舉例而言)經由一單獨阻擋電流之輸出反射器之反射率或壓電效應之一改變。較佳地，所有單元包括此等阻擋裝置。
本發明之某些實施例係關於用於切換及/或廣播及/或放大光學信號之上述半導體光學放大器裝置之使用。
SOA裝置當前有希望用作此等光學矩陣交換器之光學閘極元件，此乃因SOA裝置每切換時間之消光比通常大於電吸收半導體調變器或光學定向耦合器交換器之每切換時間之消光比。因此，上述半導體光學放大器裝置較佳地係用於一光學矩陣交換器(光學縱橫式交換器)中之切換。
根據本發明之實施例之光學矩陣交換器(光學縱橫式交換器)包括藉助於行波導及列波導連接成一矩陣陣列之複數個上述半導體光學放大器裝置。
根據本發明之一較佳實施例，每一半導體光學放大器裝置進一步包括一輸出連接範圍，其連接輸出端及/或輸出反射器結構中之一者至行波導且連接輸出端及/或輸出反射器結構中之另一者至光學矩陣交換器之列波導。
根據本發明之另一較佳實施例，該輸出連接範圍包括用於連接之光學波導，該等光學波導具有其中一光學波導之一彎曲半徑大於對應光學波導之直徑的兩倍之各別直徑。
依據下文中所闡述之實施例將明瞭本發明之此等及其他 態樣且將參考該等實施例來闡明該等態樣。
圖1展示一半導體光學放大器(SOA)裝置10之一例示性示意性表示。SOA裝置10包括n(其中n2)個主動單元12、14。每一主動單元12、14包括一光學放大媒體之一主動條帶結構16、18且自一輸入端20延伸至一輸出端22。至少某些或較佳地所有主動條帶結構16、18彼此平行地配置，該等主動條帶結構在SOA裝置10之一側處具有輸入端20且在SOA裝置10之相對另一側處具有輸出端22。SOA裝置10之一側係具有SOA裝置10之一單個光學輸入24之一輸入側且另一側係具有SOA裝置10之複數個光學輸出26、28之一輸出側。每一光學輸出26、28可對應於主動單元12、14中之一者。
每一主動單元12、14進一步包括位於對應主動條帶結構16、18之輸出端22及對應光學輸出26、28處之一個別輸出反射器結構30、31，其中每一輸出反射器結構30、31鄰接對應主動條帶結構16、18之輸出端22。SOA裝置10進一步包括橫跨主動條帶結構16、18之複數個輸入端20之一共同輸入反射器結構32及一光學分離器裝置34。光學分離器裝置34係用於分離傳入信號光(箭頭36)且用於將傳入信號光之對應部分分配至主動條帶結構16、18之不同輸入端20中之一裝置34，其中光學分離器裝置34給每一主動條帶結構16、18供應傳入信號光之相同信號資訊。該光學分離器裝置34位於SOA裝置10之光學輸入24與主動單元12、14之共 同輸入反射器結構32之間。圖1、圖2及圖4中所展示之光學分離器裝置34可包括具有一發散透鏡40之一透鏡系統38。
每一主動單元12、14進一步包括一電路電流42，其用於將電流注入至對應主動條帶結構16、18中以用於操縱傳出信號光(箭頭44、46)。在本文中，術語「操縱」意指作為改變注入至裝置中之電流之一結果而改變一光學信號之狀態。舉例而言，當將一電流注入至主動條帶結構中時可放大傳入光學信號，且當無電流注入至主動條帶結構中時可顯著吸收(因此阻擋)傳入光學信號。
傳入信號光(箭頭36)經由光學輸入24進入光學分離器裝置34且被引導至光學分離器裝置34。此光學分離器裝置34分離傳入信號光(箭頭36)且將傳入信號光(箭頭36)之對應部分(箭頭48、50)分配至主動條帶結構16、18之不同輸入端20中。光學分離器34給每一主動條帶結構16、18供應相同信號資訊，尤其係透過分離器34自光學輸入24實質上相同地傳送(不過經分離)傳入信號光(箭頭36)之信號資訊至主動條帶結構16、18。
在不同主動條帶結構16、18內，可藉助於可個別定址電流電路42個別地操縱光信號之不同部分。在此操縱之後，(經操縱)傳出信號光(箭頭44、46)經由主動條帶結構16、18之個別輸出端22及SOA裝置10之光學輸出26、28離開SOA裝置10。
圖2展示另一SOA裝置10，其係實質上以與圖1中所展示 之SOA裝置相同之方式構造。主要差異係用於視情況抑制傳出信號光(箭頭44、46)之額外可連接(非永久性)阻擋裝置52。每一主動單元12、14可包括此等可連接阻擋裝置52中之一者，其中輸出反射器結構30、31可係阻擋裝置52之部分。阻擋裝置52可基於各種不同可連接阻擋機制。阻擋機制可係(舉例而言)經由一單獨阻擋電流之輸出反射器之反射率或壓電效應之一改變。
SOA裝置10可用於切換及/或廣播及/或放大光學信號。
此SOA裝置10之一個優勢係其允許將至少三個離散元件(在習用解決方案中情形通常如此)之個別功能(切換及/或廣播及/或放大)組合至可高度整合於一光學積體電路中之一個元件中。在光學處理域中高度整合變得高度可期望。
圖3展示包括如圖4中所展示之複數個SOA裝置10之一光學矩陣交換器(光學縱橫式交換器)54。SOA裝置藉助於列波導56及行波導58(交叉連接)連接成一矩陣陣列。
較佳地，光學矩陣交換器54之每一SOA裝置10進一步包括一輸出連接範圍60(如圖4中所繪示)，其連接輸出端22處之輸出反射器結構30、31至光學矩陣交換器54之一對應列波導56及行波導58。輸出連接範圍60包括具有一各別直徑之光學波導62、64。在此等波導彎曲之情形下，此等光學波導62、64中之每一者之彎曲半徑大於對應光學波導62、64之直徑的兩倍以確保波導62、64之足夠光導特徵。
一縱橫制(crossbar)係用於建構電交叉連接之一已知結構。可將此結構製作為如相關技術中已知之單級或多級 (例如，CLOS架構)。因此，根據本文中所闡述之實施例之具有兩個主動單元12、14之SOA裝置10(2路SOA裝置10)可用於建構一光學縱橫式交換器54。在每一交叉連接點處，一2路SOA裝置10可用於a)為傳入信號光(箭頭36)提供至充當一切換點之下一2路SOA裝置10之一實質上較少損失路徑，且b)若此係期望之輸入信號，則切換至光學輸出28，或在廣播/多播信號至眾多輸出之情形下切換至光學輸出26、28。
圖4展示用作光學矩陣交換器54中之一切換點之裝置10之更多細節。圖之左手側上之傳入光通常在2路SOA裝置10之第一主動單元12(未展示)中較少損失地穿過而切換至連接至列波導(所謂的水平波導)56之輸出，其中傳入信號光可用於對應列之每一切換點。可根據連接請求藉助2路SOA裝置10之第二主動單元14(未展示)將傳入信號切換至輸出28。來自輸出反射器結構31之信號將被饋送至藉助其將一個輸出連接至所有切換點之行波導(所謂的垂直波導)58中。通常此可使用一「光學組合器」結構來達成。由於傳入信號可變得可用於幾乎(全部)傳出信號傳出信號，因此可容易地達成傳入信號之多播及廣播。
主動SOA裝置10與被動裝置之一組合亦可認為是(例如)僅每第10個交叉為期間一主動裝置(用作一交換器)與(例如)9個被動交換器。在例如上文所提及之Journal of Lightwave Technology，第7卷，第6期，第791-798頁(2009)中之論文之文獻中已知被動交換器。
雖然已在圖式及前述說明中詳細地圖解說明及闡述了本發明之實施例，但此圖解說明及說明應視為說明性或例示性而非限制性；本發明並不限於所揭示之實施例。
根據對圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍之一研究，熟習此項技術者在實踐所主張之發明中可理解並實現所揭示實施例之其他變化形式。在申請專利範圍中，「包括」一詞並不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一」或「一個」並不排除複數個。在互不相同之附屬請求項中陳述某些措施之單純事實本身並不指示不能有利地使用此等措施之一組合。申請專利範圍中之任何參考符號皆不應解釋為限制範疇。
10‧‧‧半導體光學放大器裝置/裝置/2路半導體光學放大器裝置
12‧‧‧主動單元
14‧‧‧主動單元
16‧‧‧主動條帶結構
18‧‧‧主動條帶結構
20‧‧‧輸入端
22‧‧‧輸出端
24‧‧‧光學輸入
26‧‧‧光學輸出
28‧‧‧光學輸出/輸出
30‧‧‧輸出反射器結構
31‧‧‧輸出反射器結構
32‧‧‧輸入反射器結構
34‧‧‧光學分離器裝置/裝置/分離器
36‧‧‧傳入信號光
38‧‧‧透鏡系統
40‧‧‧透鏡/發散透鏡
42‧‧‧電流電路
44‧‧‧傳出信號光
46‧‧‧傳出信號光
48‧‧‧傳入信號光之對應部分
50‧‧‧傳入信號光之對應部分
52‧‧‧阻擋裝置/可連接阻擋裝置/非永久性阻擋裝置
54‧‧‧光學矩陣交換器/光學縱橫式交換器
56‧‧‧列波導
58‧‧‧行波導
60‧‧‧輸出連接範圍
62‧‧‧光學波導/波導
64‧‧‧光學波導/波導
圖1係展示根據本發明之一第一較佳實施例之一SOA裝置之一俯視圖之一例示性示意性表示，圖2係展示根據本發明之一第二較佳實施例之一SOA裝置之一俯視圖之一例示性示意性表示，圖3示意性地繪示包括根據本發明之一第三較佳實施例之複數個SOA裝置之一例示性光學矩陣交換器，且圖4係展示具有一輸出連接範圍(其連接輸出端及/或輸出反射器至圖3中所展示之光學矩陣交換器之行波導及列波導)之一SOA裝置之一俯視圖之一例示性示意性表示。
10‧‧‧半導體光學放大器裝置/裝置/2路半導體光學放大器裝置
12‧‧‧主動單元
14‧‧‧主動單元
16‧‧‧主動條帶結構
18‧‧‧主動條帶結構
20‧‧‧輸入端
22‧‧‧輸出端
24‧‧‧光學輸入
26‧‧‧光學輸出
28‧‧‧光學輸出/輸出
30‧‧‧輸出反射器結構
31‧‧‧輸出反射器結構
32‧‧‧輸入反射器結構
34‧‧‧光學分離器裝置/裝置/分離器
36‧‧‧傳入信號光
38‧‧‧透鏡系統
40‧‧‧透鏡/發散透鏡
42‧‧‧電流電路
44‧‧‧傳出信號光
46‧‧‧傳出信號光
48‧‧‧傳入信號光之對應部分
50‧‧‧傳入信號光之對應部分

Claims (10)

  1. 一種半導體光學放大器裝置(10)，其包括：複數個主動單元(12、14)，每一主動單元(12、14)包括一光學放大媒體之一主動條帶結構(16、18)及用於將電流注入至該主動條帶結構(16、18)中之一電流電路(42)；一輸出反射器結構(30、31)，該輸出反射器結構(30、31)在其主動條帶結構(16、18)之輸出端(22)處，其中每一主動條帶結構(16、18)自一輸入端(20)延伸至一輸出端(22)；一光學分離器裝置(34)，其用於分離傳入信號光且用於將該傳入信號光之對應部分分配至該等主動條帶結構(16、18)之該等不同輸入端(20)中，其中該光學分離器裝置(34)經組態以給每一主動條帶結構(16、18)供應具有相同信號資訊；及一共同輸入反射器結構(32)，其橫跨該等主動條帶結構(16、18)之該複數個輸入端(20)。
  2. 如請求項1之半導體光學放大器裝置，其中該光學分離器裝置(34)包括具有至少一個透鏡(40)之一透鏡系統(38)。
  3. 如請求項1或2之半導體光學放大器裝置，其中該等主動單元(12、14)中之至少一者在其主動條帶結構(16、18)之該輸出端(22)處包括一輸出反射器結構(30、31)。
  4. 如請求項1之半導體光學放大器裝置，其中該半導體光 學放大器裝置(10)具有橫跨該等主動條帶結構(16、18)之複數個輸入端(20)之一共同輸入反射器結構(32)。
  5. 如請求項1之半導體光學放大器裝置，其中該電流電路(42)係用於將電流注入至相對應之該主動條帶結構(16、18)中之一個別可控制電流電路(42)。
  6. 如請求項1之半導體光學放大器裝置，其中該等主動單元(12、14)中之至少一者包括：用於視情況抑制傳出信號光之一可連接阻擋裝置(52)。
  7. 一種如前述請求項中任一項之半導體光學放大器裝置(10)之用途，其用於切換及/或廣播及/或放大光學信號。
  8. 一種光學矩陣交換器(54)，其包括藉助於行波導(58)及列波導(56)連接成一矩陣陣列之如請求項1至6中任一項之複數個半導體光學放大器裝置(10)。
  9. 如請求項8之光學矩陣交換器，其中每一半導體光學放大器裝置(10)進一步包括：一輸出連接範圍(60)，其連接輸出端(22)及/或輸出反射器結構(30、31)中之一者至該等行波導(58)且連接該等輸出端(22)及/或該等輸出反射器結構(30、31)中之另一者至該光學矩陣交換器(54)之該等列波導(56)。
  10. 如請求項9之光學矩陣交換器，其中該輸出連接範圍(60)包括：用於連接之光學波導(62、64)，該等光學波導具有其中一光學波導(62、64)之一彎曲半徑大於相對應之該光學波導(62、64)之直徑的兩倍之各別直徑。
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