CN101416426A - 具有集成光滤波器的直接调制激光器 - Google Patents
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Abstract
一种集成光源,包括直接调制激光器(DML)和与DML一起设置在共用衬底上的滤波器。该滤波器被配置用以接收形式为调制啁啾光信号的输入信号。该滤波器还被配置用以提供被优化以便在光纤中进行长距离传输的形式为幅度调制和/相位调制光信号的输出光信号。
Description
技术领域
本发明涉及直接调制激光器(DML)。更具体而言,本发明的实施例涉及具有集成光滤波器的DML。
背景技术
计算和组网技术已经改变了世界。随着通过网络传送的信息量的增加,高速数据传输已经变得更为关键。由于光纤的大带宽以及光纤的处理高速数据传输的能力,因此许多高速数据传输网络依赖于光线网络。因此光纤网络在从有限的小型局域网(LAN)到形成因特网主干的网络的这一广泛高速应用中随处可见。
通常,部分地通过使用光发射器如激光器来实施在这样的网络中的数据发送。光发射器响应于驱动电流来发出光,而发出的光的强度依赖于电流量值。一般通过光接收器来实施在这样的网络中的数据接收,光接收器的一个例子是光电二极管。具体而言,光接收器接收光信号并生成电流,其中生成的电流的量值依赖于接收到的光信号的强度。
在许多光纤网络中,常常需要使用直接调制激光(DML)源作为光发射器以便降低总的***成本。直接调制激光器的例子包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、法布里-珀罗(FP)激光器、分布式反馈激光器(DFB)以及分布式布拉格反射激光器(DBR)。
对于传统的单模光纤通信,直接调制边缘发射激光器如FP、DFB以及DBR激光器通常用于需要1310nm和1550nm波长的应用。在直接调制边缘发光激光器中,FP激光器通常是实施成本最低的并且能够多纵模发射。然而,由于传输光纤中的光纤吸收和色散,因此FP激光器一般限于通过单模光纤的较短距离或者较低数据速率的应用。
另一方面,DFB和DBR激光器制作起来比FP激光器相对更复杂和昂贵,但是因DFB和DBR激光器有源区中的光栅或者DBR镜而导致的单纵模行为使光信号能够在单模光纤中传播得比在使用FP激光器时更远。
然而,由于直接调制激光器中固有的大啁啾(chirp),因此对于例如10Gb/s或者更大速度以及40km和更长距离这样的较高速度和较长距离的链路而言,许多直接调制激光器缺乏足够的性能。具体而言,直接调制激光器的波长在这些激光器由信号数据调制时略有改变。这一波长变化或者啁啾造成光纤中的光波形失真,导致所发送的数据信号受到破坏。
一种针对高速、长距离应用中的啁啾问题的解决方式是使用外部调制激光器(“EML”)或者具有外部调制器的其它光源来减少啁啾并延长距离。然而,这样的解决方式需要使用昂贵的外部调制器和电子控制,这增加了***的总成本。
另一针对啁啾问题的解决方式是将直接调制激光器与外部光滤波器结合使用,以便将频率调制或者啁啾转换成幅度调制。然而,由于***的复杂封装以及附加的设备和电子控制,所以将外部光滤波器与DML一起使用的这一解决方式实施起来仍然成本很高。
发明内容
这里公开的实施例涉及一种使高速、长距离光纤通信***的成本减少的光源。该光源可以例如在光收发器的光发射组件(TOSA)中实施。
在示例实施例中,光源包括直接调制激光器(DML)和集成到DML中的滤波器。所述滤波器被配置用以接收形式为调制啁啾光信号的输入信号。所述滤波器还被配置用以提供形式为以下中至少一种的输出光信号:幅度调制光数据信号、相位调制光数据信号或者幅度和相位都经调制的光数据信号。
附图说明
为了进一步阐明本发明的上述和其它优点及特征,将参照附图中所图示的本发明的具体实施例来给出对本发明的更为具体的描述。可以理解,这些附图仅描绘了本发明的典型实施例,因此不应视为对本发明范围的限制。将通过附图的使用、以附加的特性和细节来描述和说明本发明,在附图中:
图1是光收发器模块例子的透视图;
图2是示出了图1的光收发器模块的各种方面的简化框图;
图3是包括具有集成光波长滤波器的直接调制激光器的组件例子的示意图;以及
图4是图3的组件的光波长滤波器例子的图示。
具体实施方式
这里描述的示例实施例涉及光源,这些光源包括具有集成到共用衬底上的滤波器的直接调制激光器(“DML”)。DML可以是DBR、DFB或者FP激光器。在一个实施例中,所述滤波器包括p型包层、有源区和n型包层。在一些实施例中,所述滤波器外延地生长到DML所在的同一衬底上,并且同时DML也生长。在其它实施例中,所述滤波器在后续再生长过程中生长到DML所在的同一衬底上。
前文提到在工作过程中调制DML,使得DML在输出信号中产生啁啾。所述集成滤波器使啁啾信号转换成线宽相对窄的幅度和/或相位调制信号。所述幅度和/或相位调制信号可以在光纤中长距离传播,而经历很少的信号色散或者不经历信号色散。
I.示例工作环境
先参照图1,图1描绘了总体上表示为100的示例光收发器模块(“收发器”)的透视图,该模块用于结合外部主机来发射和接收光信号,所述外部主机在一个实施例中操作性地连接到通信网络。如图所示,图1中所示的收发器包括各个部件,这些部件包括接收器光接收组件(“ROSA”)10、光发射组件(“TOSA”)20、电接口30、各个电子部件40例如激光驱动器/后置放大器和控制模块、以及支撑电子部件40的印刷电路板50。
在所示实施例中,在收发器100中包括两个电接口30,每个电接口用来将ROSA 10和TOSA 20电连接到设置在PCB 50上的多个导电垫。电子部件40也附接到PCB 50。边缘连接器60设置在PCB 50的一端,以使收发器100能够与主机(未示出)电对接和机械对接。此外,收发器100的上述部件部分地容纳于壳70内。尽管未示出,但是一些实施例包括与壳70配合的罩,以便为收发器100的部件限定封套。
现在参照图2,该图是在图1中表示为100的光收发器例子的简化框图,描绘了收发器各个物理和操作方面。尽管将具体描述光收发器100,但是光收发器100仅作为示例、而不是为限制本发明的范围被描述。如上文提到的,在一个实施例中的光收发器100适合于在包括1Gbit/s、2Gbit/s、4Gbit/s、10Gbit/s以及甚至更高数据速率等的多种每秒数据速率的光信号发射和接收。另外,这里描述的实施例可以在符合不同形状因子以及多种不同通信协议的光收发器中实施,这些形状因子的例子包括但不限于XFP、SFP以及SFF,这些通信协议的例子包括但不限于GiGE、SONET以及光纤通道。
继续参照图2并参照图1,收发器100包括印刷电路板(“PCB”)50,该印刷电路板上装配有收发器的各个电子部件。一个这样的部件是控制模块105。控制模块105通过连接105A和105B而连接到集成后置放大器/激光驱动器(“PA/LD”)102。如下文将更具体描述的,这些连接允许控制模块105监测后置放大器/激光驱动器102的操作。控制模块105连接到持久存储器106,该持久存储器存储用于配置控制模块105的微代码,并且还用来存储工作参数。如所示出的,控制模块105还能够通过串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)来与外部主机111通信。
收发器100包括发射路径和接收路径,现在将描述这两个路径。接收路径包括ROSA 10,该ROSA 10将输入的光数据信号变换成电数据信号。电数据信号然后被提供到PA/LD 102的后置放大器部分。后置放大器放大并处理电数据信号,并且经由连接102A而将电数据信号提供到外部主机111。
对于发射路径,外部主机111生成电数据信号并经由连接102B将电数据信号提供到PA/LD 102的激光驱动器部分。激光驱动器处理电数据信号并驱动TOSA 20,这使TOSA 20发射光数据信号。
现在将更具体地描述收发器100的操作。在工作中,光收发器100以与下文将要更完全描述的方式、经由ROSA 10而从光纤110A接收光数据信号。ROSA 10将接收到的光数据信号变换成电数据信号。ROSA 10然后将所得电数据信号提供到后置放大器。在所示实施例中,后置放大器与激光驱动器合并为集成PA/LD 102。这样,PA/LD 102驻留于单个集成电路芯片上并且作为部件与其它电子部件40一起包括在PCB 50上,其中一些其它电子部件40在下文中进一步加以描述。在其它实施例中,后置放大器和激光驱动器在PCB 50上实施为分立部件。
PA/LD 102的后置放大器部分放大接收到的电数据信号,并通过信号路径102A将放大的数据信号提供到外部主机111。外部主机111可以是能够与光收发器100通信的任何计算***。外部主机111包含主机存储器112,该主机存储器可以是任何易失性或者非易失性存储源。在一个实施例中,光收发器100的一些部件可以驻留于主机111上,而收发器的其它部件驻留于与主机111分离的PCB 50上。
光收发器100也可以从主机111接收用于发射到光纤110B上的电数据信号。具体而言,PA/LD 102的激光驱动器部分经由数据路径102B从主机111接收电数据信号,并驱动TOSA 20内的光源。光源的一个例子是DML,其使TOSA 20将代表由主机111提供的电数据信号中的信息的光数据信号发射到光纤110B上。
ROSA 10、PA/LD 102以及TOSA 20的行为可能由于诸多因素而动态地变化。例如,温度变化、功率波动以及反馈条件每个都可能影响这些部件的性能。因而,收发器100包括控制模块105,该控制模块可以评估环境条件如温度、激光器的使用年限和/或工作条件如电压,并且通过连接105A从PA/LD 102的后置放大器部分接收信息,并通过连接105B从PA/LD的激光驱动器部分接收信息。这一布置允许控制模块105优化激光器的性能以便补偿动态变化的条件。
具体而言,如连接105A和105B所表示的那样,控制模块105通过调节PA/LD 102上的设置来优化收发器100的操作。这些设置调节可以是间歇性的并且一般仅在温度或者电压或者其它低频变化允许时才进行。
控制模块105具有对持久存储器106的访问权,在一个实施例中,持久存储器106为电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。持久106也可以是任何其它非易失性存储源。持久存储器106用来存储用于配置控制模块105的微代码,并且用于存储控制模块105已经测得的工作参数。在无限制的情况下,持久存储器106和控制模块105可以一起封装在同一封装中或者封装于不同封装中。
可以分别利用SDA和SCL线从主机111提供数据和时钟信号到控制模块105。另外也可以从控制模块105提供数据到主机111以允许发送诊断数据如环境和/或工作参数。控制模块105包括模拟部分108和数字部分109。在本例中,模拟部分108和数字部分109一起使控制模块能够数字地实施逻辑,而仍然主要利用模拟信号来与光收发器100的其余部件对接。
已经参照图1和图2描述了示例环境,将理解这样的环境仅仅是可以利用这里所述实施例的无数架构之一。如上所述,这里所述的实施例并非旨在限于任何特定环境中的实施。
II.具有DML和集成滤波器的示例光源的方面
参照图3,光源的一个例子总体上表示为300。如图所示,光源300包括DML 310和光滤波器420。DML 310和滤波器320由共用衬底330支撑。在一些实施例中,衬底330包括磷酸铟(InP),不过这不是必需的,因为其它类型的衬底例如砷化镓(GaAs)也可以用于衬底330。在一些实施例中,DML 310和/或滤波器320均直接设置在衬底330上,而在其它情况下,中间部件、结构和/或层可以介于DML 310和滤波器320中的一个或者两个与衬底330之间。
DML接触340耦合到DML 310。一般而言,DML接触340用来将电流、电压或者其它信号提供到DML 310以便用于调谐、偏置以及其它目的。在一些实施例中,DML接触340充当用于接收电流的连接节点,该电流对DML 310进行配置。以类似的方式,滤波器接触350耦合到滤波器320,该滤波器320被配置用以提供偏置和其它信号。在光源300中还包括检测器360,该检测器360被配置用以监测DML 310。
光源300可以实施于图1和图2的TOSA 20中,并且通过将电数据信号转换成光数据信号来充当光换能器。如前文提到的,光源300包括整体地集成到共用衬底330上的DML 310和滤波器320。如图3中所示,一些实施例被配置成使得DML 310和滤波器320以限定气隙315这样的方式来设置。在一些其它实施例中,DML 310与滤波器320邻接。
有多种不同方法用于将滤波器320设置到DML 310所在的同一衬底上。例如,在一些实施例中,滤波器320可以通过在产生DML 310的同时执行的外延生长工艺而集成到DML 310所在的同一衬底上。在其它实施例中,先制作DML 310,随后利用外延再生长工艺在DML 310所在的同一衬底上设置滤波器320。也可以使用其它半导体制造方法来产生光源300。应当注意,在图3中公开的实施例仅为例子而不应当用来以任何方式限制权利要求的范围。
继续参照图3,DML 310一般可以包括任何直接调制激光源,比如法布里-珀罗(FP)激光器、分布式反馈激光器(DFB)或者分布式布拉格反射激光器(DBR)。在一个例子实施例中,DML 310实施为1550纳米DFB激光器。
在一些实施例中采用的DFB激光器的一个例子采用堆叠的形式,该堆叠包括(从衬底沿堆叠向上)外延生长的n型磷酸铟(InP)缓冲层、n型磷酸砷化镓铟(InGaAsP)包层、n型InGaAsP腔间隔物级、包括由InGaAsP阻挡层分离的约5-10个量子井的有源区、p型InGaAsP腔间隔物级、p型InGaAsP包层以及p型InGaAsP接触层。当然,可以替选地采用其它的层组合和布置,而本发明的范围不限于前述例子配置。这一例子DFB激光器还包括InGaAsP的有源区光栅层,该有源区光栅层包括节距在约100纳米到约500纳米范围内的光刻限定周期性细线,然而可以替选地采用各种其它节距。除了其它方面之外,DFB层结构中的光栅层还使得能够选择DFB激光器将发出激光的单纵模式。在掩埋式异质结构(BH)激光器中,执行附加的回蚀和外延再生长步骤以便在横向方向上限定有源区。
如前文提到的,DML 310也可以实施为DBR激光器。DBR激光器具有与先前说明的DFB激光器类似的结构,不同之处在于DBR激光器的光栅设置在有源区之外。这样的布置的一个结果是激光器经历相对较少的因激光发射腔的折射率变化而造成的波长变化。
在一些其它实施例中,DML 310实施为FP激光器。这样的FP激光器的一个例子实施为包括FP后镜和FP前镜的堆叠。FP后镜和FP前镜在本例中采用多层镜的形式。更具体而言,FP后镜实施为高反射率多层涂层,而FP前镜实施为电介质多层涂层。FP前镜和后镜也可以是适合于FP激光器的任何其它类型的镜结构和/或材料。位于前镜与后镜之间的是FP激光腔。
前文提到本发明的实施例包括设置在DML 310所在的同一衬底上并且在光学路径中紧邻DML 310的滤波器320。除了其它方面之外,这一集成布置还允许成本相对较低的封装和操作。如下文讨论的,可以采用各种滤波器配置。
可以用各种不同方式来实施滤波器320的实施例。如图4中进一步所示,滤波器320的一个例子采用堆叠的形式,该堆叠包括n型磷酸铟(InP)缓冲层、n型磷酸砷化镓铟(InGaAsP)包层、n型InGaAsP腔间隔物级、具有光栅区的未掺杂InGaAsP腔层、p型InGaAsP腔间隔物级、p型InGaAsP包层以及p型InGaAsP接触层。应注意,虽然不同的层在图4中图示为相等厚度,但是这仅仅是为了方便图示。可以设想,在操作因素和/或其它因素允许时,各个层可以有不同的厚度。由于这一例子结构类似于至少一些DFB激光器的结构,因此比如通过导致透明腔间隔物层的选择区再生长过程,利用对有源区生长速率的任何必要修改,滤波器320可以与DFB激光器一起外延地生长。
替选地,滤波器320可以在DFB激光器生长之后在DFB激光器附近单独地生长。尽管这一分离的方式包括附加的再生长步骤,但是这一方式也允许滤波器320的独立优化。
继续参照例子滤波器320,滤波器320的有源区腔间隔物包括在光传播方向上形成腔的高反射率镜。可以有多种方式实施这些高反射率镜。例如,高反射率镜可以实施为DBR镜,或者利用光子带隙材料来实施。对于一些应用,滤波器320具有约10GHz的3dB带宽。例如可以通过选择适当的腔设计、光栅强度、镜反射率或者光子带隙设计来实现这一性能。
在所示实施例中,滤波器320还包括滤波器接触350。除了其它方面之外,滤波器接触350还可以用来将电流、电压或者其它信号提供到滤波器320,以便用于调谐、偏置以及其它目的。例如,通过改变滤波器320的偏置电流,有源区腔内部的载流子密度将变化,这又将调节滤波器腔的折射率并且因此调节滤波器的准确通带波长范围。此外,由偏置电流导致的任何加热也将调节滤波器波长。通过滤波器接触350施加到滤波器320的偏置电流因此可以作为“调谐旋钮”来工作,该调谐旋钮除了其它方面之外还使得能够相对于DML 310的波长而微调滤波器320的波长,以便优化激光器(在本例中为DML 310)的设备啁啾性能、老化补偿。
最后,例子光源300包括检测器360。在一种实施方式中,检测器360包括配置和布置用以监测从DML 310发射的光强度的监测光电二极管(“MPD”)。此外,检测器360也可以实施成为波长控制过程提供反馈。
III.包括具有集成光滤波器的DML的示例光源的操作方面
继续参照附图,现在将描述示例光源300的操作方面。在这一例子实施例中,DML 310从收发器或者其它的***激光驱动电路(比如图2的后置放大器/激光驱动器102的激光驱动器部分)来接收偏置和调制电流。
例如,为了确立一个二进制值,相对低的偏置电流经过DML 310的有源区,以由此使相对低的光功率水平发射到光纤上。为了确立相反的或者高的二进制值,相对高的电流经过有源区313,使得具有相对高的光功率水平的信号、特别是偏置电流加上最大调制电流发射到光纤上。因而,通过在偏置电流上叠加在零调制电流与最大调制电流之间变化的调制电流,可以发射出适当的位序列。然而如前文提到的,在偏置电流上叠加调制电流导致在信号中出现啁啾。该啁啾使所发射光波的波长不稳定,并且因此在高数据速率和/或长距离时造成信号色散。
由DML 310产生的啁啾信号然后传递到滤波器320。应注意,滤波器320能够产生相位调制信号、幅度调制信号或者幅度和相位都经调制的信号。结合了相位调制和幅度调制的信号特别好地适合于在长距离光传输应用中使用。例如,滤波器320被偏置到所需波长谐振,并且通过仅使DML 310调制啁啾信号的所需波长通过、并使其余波长衰减来充当窄带滤波器。所通过的调制信号所需波长因此由滤波器320转变成幅度和/或相位调制信号。滤波器320然后将幅度和/或相位调制信号提供到光纤。所述幅度和/或相位调制信号可以在相对高的数据速率如10Gb/s或者更高速率以及最高达200km或者更长的相对长距离上发射,而经历很少的信号色散或者不经历信号色散。
在一个例子中,光源300的使用允许长距离通信信号,所述长距离通信信号具有等于或者大于10Gb/s的数据速率并且传播等于或者大于120Km的距离,而经历很少的信号色散或者不经历信号色散。
光源300的其它有用方面与DML 310和滤波器320的邻近性有关。具体而言,DML 310与滤波器320的相对紧密的邻近性意味着二者的温度实质上相同,因此无论外部温度如何都将很大程度地维持DML 310和滤波器320的光谱匹配。除了其它方面之外,本例中的DML 310与滤波器320之间的热关系消除了对昂贵的温度控制器的需要,由此降低了总的***成本并且简化了***构造。
在不脱离本发明的精神或者实质特征的情况下,可以用其它具体形式来实施本发明。所述实施例在所有方面都被认为仅是示例性的而不是限制性的。本发明的范围因此由所附权利要求而不是前文描述来指明。落入权利要求的等同含义和范围内的所有变化都将包括在权利要求的范围内。
Claims (25)
1.一种集成光源,包括:
衬底;
由所述衬底支撑的直接调制激光器;以及
由所述衬底支撑并且紧邻所述直接调制激光器设置的滤波器,其中所述滤波器的输入包括调制啁啾光数据信号,而所述滤波器的对应输出包括幅度调制光数据信号、相位调制光数据信号或者结合幅度和相位调制的光数据信号中的至少一种。
2.根据权利要求1的光源,其中所述滤波器包括:
后镜部;
前镜部;以及
介于所述前镜部与所述后镜部之间的腔间隔物区。
3.根据权利要求1的光源,其中所述滤波器包括可调谐滤波器,使得所述输入的调制光数据信号的变化对应于所述滤波器的预定特征的变化。
4.根据权利要求1的光源,其中所述滤波器和直接调制激光器由气隙分离。
5.根据权利要求1的光源,其中所述滤波器和直接调制激光器相互接触。
6.根据权利要求1的光源,其中所述滤波器具有约10GHz的约3db带宽。
7.根据权利要求1的光源,其中所述滤波器包括在光传播方向上形成的腔。
8.根据权利要求1的光源,其中所述直接调制激光器是法布里-珀罗(FP)激光器、分布式反馈激光器(DFB)或者分布式布拉格反射激光器(DBR)中的一种。
9.根据权利要求1的光源,其中在所述光源的工作温度上,所述滤波器和直接调制激光器基本彼此在光谱上匹配。
10.根据权利要求1的光源,其中所述滤波器包括集成光滤波器。
11.根据权利要求1的光源,其中所述滤波器包括分布式布拉格反射器。
12.一种光发射组件(TOSA),包括:
衬底;
由所述衬底支撑的直接调制激光器;
由所述衬底支撑并且紧邻所述直接调制激光器设置的滤波器,其中所述滤波器的输入包括调制啁啾光数据信号,而所述滤波器的对应输出包括幅度调制光数据信号、相位调制光数据信号或者结合幅度和相位调制的光数据信号中的至少一种;
发射节点,耦合到所述滤波器并且配置用以将光信号传递到光纤;以及
连接节点,耦合到所述直接调制激光器并且配置用以接收一个或者多个电信号。
13.根据权利要求12的光发射组件,其中所述滤波器包括:
后镜部;
前镜部;以及
介于所述前镜部与所述后镜部之间的激光发射腔间隔物区。
14.根据权利要求12的光发射组件,其中所述滤波器包括可调谐滤波器,使得所述输入的调制光数据信号的变化对应于所述滤波器的预定特征的变化。
15.根据权利要求12的光发射组件,其中所述滤波器包括在光传播方向上形成的腔。
16.根据权利要求12的光发射组件,其中所述滤波器和直接调制激光器在所述光源的工作过程中彼此基本在光谱上匹配。
17.根据权利要求12的光发射组件,其中所述滤波器具有约10GHz的约3dB带宽。
18.根据权利要求12的光发射组件,其中所述滤波器包括集成光滤波器。
19.根据权利要求12的光发射组件,其中所述直接调制激光器是法布里-珀罗(FP)激光器、分布式反馈激光器(DFB)或者分布式布拉格反射激光器(DBR)中的一种。
20.一种光收发器,包括:
光接收组件(ROSA),配置用以接收光信号并且生成对应的电信号;
后置放大器,配置用以处理由所述光接收组件生成的所述电信号;以及
光发射组件(TOSA),配置用以将光信号发射到光纤,并且所述光发射组件包括:
衬底;
由所述衬底支撑的直接调制激光器;
由所述衬底支撑的滤波器,其中所述滤波器的输入包括调制啁啾光数据信号,而所述滤波器的对应输出包括幅度调制光数据信号、相位调制光数据信号或者结合幅度和相位调制的光数据信号中的至少一种;以及
激光驱动器,配置用以将电信号提供到所述光发射组件。
21.根据权利要求20的光收发器,其中所述光收发器是1Gb/s激光收发器、2Gb/s激光收发器、4Gb/s激光收发器、8Gb/s激光收发器或者10Gb/s激光收发器中的一种。
22.根据权利要求20的光收发器,其中所述滤波器包括在光传播方向上形成的腔。
23.根据权利要求20的光收发器,其中所述光收发器基本上符合以下形状因子之一:XFP;SFP;SFF。
24.根据权利要求20的光收发器,其中所述直接调制激光器是法布里-珀罗(FP)激光器、分布式反馈激光器(DFB)或者分布式布拉格反射激光器(DBR)中的一种。
25.根据权利要求20的光收发器,其中所述滤波器包括集成光滤波器。
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