CN101779348B - 用于外腔二极管激光器的半导体光学放大器 - Google Patents

用于外腔二极管激光器的半导体光学放大器 Download PDF

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Abstract

在一个实施例中，外腔二极管激光器(ECDL)的增益介质包括：增益部分，用于对ECDL中的光能量提供增益操作，所述增益操作由第一电信号控制；被设置成与所述增益部分相邻的半导体光学放大器(SOA)部分，用于响应于第二电信号而放大所增益的光能量；以及被设置在所述增益部分和所述SOA部分之间的沟槽，用作集成镜。还描述并请求保护其他实施例。

Description

用于外腔二极管激光器的半导体光学放大器
背景技术
在密集波分复用(DWDM)光纤***中，多个独立的数据流同时在单个光纤中传播，其中在特定信道频率或波长下，由激光器的调制输出生成每个数据流。可实现约0.4纳米波长或约50千兆赫(GHz)的信道分离，其允许单个光纤在现行的光纤和光纤放大器的带宽范围内承载多达128个信道。将来，更大的带宽需求或许将导致更小的信道分离。
DWDM***在很大程度上基于分布式反馈(DFB)激光器，该激光器利用与反馈控制回路有关的基准校准器(reference etalon)来操作，其中基准校准器定义了波长栅格。与分立的DFB激光器的制造有关的统计变化导致信道中心波长在整个波长栅格上分布，由此，分立的DFB发射器仅用于单信道或少量相邻信道。
已经研发出了连续可调外腔二极管激光器(ECDL)，并得到了普及，这是因为其优越的光学性能、高可靠性和高产率。外腔激光器必须能够在选择的波长下提供稳定的、单模输出，并且同时有效地抑制在腔的增益带宽范围内的所有其他外腔模式有关的激光作用，这是很难实现的。
一种典型的ECDL包括增益介质二极管，其具有抗反射涂层面和反射或部分反射面、端面镜以及波长选择元件(光学滤光器)。端面镜和反射面形成外激光腔。通常，选择增益介质的参数以最大化ECDL的输出功率。其中，通过加大增益介质的增益和工作电流来最大化ECDL的输出功率。典型地，ECDL可达到的输出功率值在10至20毫瓦(mW)的范围内。
尽管与诸如DFB激光器和分布式布拉格反射器(DBR)激光器的集成发射器相比，ECDL通常提供较高的光功率，但它们的输出功率仍然比某些网络构建者所需要的低一半。这种功率限制是由模式稳定性需要和可靠性问题所决定的。增加增益介质的增益和操作电流来最大化ECDL的输出功率能够导致ECDL在单模下变得不稳定，并产生多模激光。换言之，ECDL在某些频率之间会同时或者相间的产生不同频率的激光。如上所述，当增益介质用于诸如光通信***中的可调ECDL的应用中时，这种不稳定性是无法接受的。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的外腔二极管激光器的方框图。
图2是示出了根据本发明的一个实施例的增益芯片的方框图。
图3是示出了根据本发明的另一实施例的增益芯片的方框图。
图4是根据本发明的一个实施例的***的方框图。
图5是根据本发明的另一实施例的***的方框图。
具体实施方式
在各个实施例中，在无需将无源部件集成到ECDL的增益介质中的复杂情况下，可以形成外腔二极管激光器(ECDL)以便使得能够产生较高的功率输出光束。即，在各个实施例中，增益芯片或其他增益介质可包括两个独立的部分，即，增益部分和单独的半导体光学放大器(SOA)。与使用常规ECDL设计制成的结构相比，这些独立控制的有源部分能提供更高的光功率。本文中使用的“有源”是指与发射波长重叠的材料的增益/吸收峰值在正向偏置情况下产生增益，且在负向偏置情况下产生吸收。“无源”是指增益/吸收峰值从发射波长解调为更短的波长(更宽的带隙材料)。这种材料不会放大或吸收光，而是在正向偏置或负向偏置情况下改变其折射率。使用这样的实施例，可调谐激光发射器可以在诸如C带或L带的整个光带上提供40毫瓦(mW)或更大的输出功率。
现在参考图1，其示出了配置用于光通信的ECDL 100的方框图。ECDL100包括增益介质，其可采用增益芯片102的形式。增益芯片102可以包括部分反射的正面106和基本不反射的背面104，背面104涂布有抗反射(AR)涂层以最小化该面的反射。可选地，增益芯片102可以在增益介质上具有弯曲波导结构，以实现不反射背面104。外腔元件包括准直透镜108、一个或多个腔内滤光元件110以及反射元件114。通常，反射元件114可以是外部反射元件，例如镜子、光栅、棱镜、也可以提供调谐滤光功能而替代调谐元件110的其他反射器或回射器。正如将在下文进一步描述的那样，增益芯片102的至少一部分还可被认为是腔体的一部分。
除了ECDL腔元件之外，ECDL 100采用了用于隔离和数据调制的多个输出侧元件。图1中所示的输出侧元件包括输出准直透镜116、光学隔离器118、光纤耦合透镜120和输出光纤部分130，其可以是光纤的一部分。
在各个实施例中，增益芯片102可以包括一对部件或部分，即第一部分20和第二部分30。更具体而言，第一部分20可以是腔增益部分，而第二部分30可以是SOA部分。通过这种方式，增益部分20可以为激光腔提供增益，且SOA部分30可以放大沿着波导25延伸通过增益芯片102的输出光。在各个实施例中，各个部分可以利用不同的阳极电极和共用的阴极电极来单独控制。然而，在其他实施方式中，用于各个部分的电极可以是完全独立的(即，单独的阴极和阳极电极)。如图1中所示，沟槽40可以形成在第一部分20和第二部分30之间，以形成激光腔的输出镜。在这种情况下，面106被制成为基本不反射。这可以通过施加抗反射(AR)涂层和/或使靠近该面处的波导弯曲来实现。在各个实施例中，可以使用蚀刻技术或聚焦离子束(FIB)研磨来形成沟槽40。沟槽40可相对窄和浅。例如，在一个实施例中，沟槽40的宽度可以小于约1微米，且可具有小于约4微米的深度，尽管本发明并不限于上述数值。
如图1中进一步示出，偏置电路130可以耦合到增益芯片102。偏置电路130可以为增益部分20和SOA部分30的阳极电极提供偏置电流。
注意到，通过控制独立于增益部分20的SOA部分30，根据所提供的偏置电流的极性，SOA部分30可作为所谓的快门。即，如果为SOA部分30提供负向偏置，则其可作为快门，用于吸收由增益部分20所传送的大部分光。这种负向偏置可以在ECDL 100从一个信道调谐到另一信道时提供，以便阻挡沿着与其耦合的光纤传输的不清晰的瞬变光。但是当所期望的光能量被提供到SOA部分30时，响应于偏置电流的水平，偏置电路130可以提供正向偏置电流来放大光能量。
因为增益芯片102不包括单个衬底上有源/无源集成所需的任何无源部分(更高的带隙材料)，所以可以实现低成本的制造过程和改进的产率。因此可以避免需要复杂的处理步骤，例如用于将无源元件(例如布拉格反射镜或相位调制器)与有源增益部分的集成的再生长或量子阱混合。
ECDL 100的基本操作如下。将第一和第二可控电压提供至增益芯片102，且更具体而言，分别提供至增益部分20和SOA部分30，从而产生流过二极管结的电流，该二极管结产生光能量(即光子)的发射，该光能量的发射在增益部分20中被增益并在SOA部分30中被放大。所发射的光子在部分反射的集成沟槽镜40和反射元件114之间往返，它们(即上述两个反射器)共同定义了“有效”激光腔的端部。在光子往返时，产生了多个谐振或“激光发射”模式。除了一种模式以外，其他所有模式都被腔内滤光元件110抑制。仅在激光发射模式下，一部分光能量(光子)暂时占据了外激光腔，并在此同时，外激光腔中的一部分光子最终穿过部分反射沟槽镜40。
包括通过部分反射沟槽镜40从激光腔出射的光子的光穿过SOA部分30，这增加了光子的数量并且输出至准直透镜116，该透镜将光准直为光束。然后，输出光束穿过光学隔离器118。光学隔离器118被用来防止向后反射的光传输至外激光腔，且光学隔离器118是可选元件。光束穿过光学隔离器之后，其被发射至输出光纤130。
通过对输入电流(通常用于高达2.5GHz的通信速率)的适当调制或通过对设置在输出光束的光路中的外部元件的调制，数据可被调制到输出束中，以产生光学数据信号。然后，可以将这种信号发射至光纤130中，并在基于光纤的网络上进行传输以提供非常高的带宽通信能力。
如上所述，已经考虑和/或实施了其他类型的可调谐激光器设计，包括DFB和DBR激光器。DBR和DFB激光器两者被认为是“集成的”激光器，这是因为所有的激光器部件都被集成在一个公共部件中。虽然这有利于制造，但是这种集成的方案意味着调谐与激光器二极管操作耦合，这就导致了与ECDL相比较低的调谐质量。
例如，随着老化DFB激光器存在问题。更具体而言，在使用DFB激光器时，增益部分的特性会随着时间而变化。这种现象被称为“老化”。因为频率基准和有源增益部分被耦合到一个芯片中，所以老化导致波长偏移。相反地，频率基准(即，滤光元件)从ECDL的增益芯片解耦，随着时间的推移，提供了改善的频率稳定性。
ECDL设计相对于高集成度DFB和DBR设计所固有的优势在于ECDL的可调谐滤光器未从增益区域解耦，且因此能够做得非常稳定。结果，与DFB和DBR激光器不同，ECDL激光器可以无需外部波长锁定装置。ECDL中的独立调谐器可被控制为基本与其他被控参数(例如激光器二极管电流)没有串扰，且这能够导致与典型的完全集成的可调谐激光器相比更简单且更健壮的调谐算法。
现在参考图2和3，其示出具有不同特征的增益芯片的替代实施例。具体而言，图2和3示出了被不同配置的波导的实施方式，所述波导从背面部分延伸穿过增益部分、可以被耦合用作镜子的沟槽，直至SOA，该SOA又与增益芯片的正面接触。参考图2，增益芯片200具有背面210和正面215。波导250适当地穿过增益芯片200，使得其接触背面210，穿过增益部分220，穿过沟槽240和穿过SOA部分230，直至又与正面215紧密配合。注意在图2的实施例中，波导250被配置为相对于背面210和正面215中的每一个成一角度(即，非垂直)。还注意到在图2的实施例中，沟槽240被配置为垂直于波导250。图2还示出了耦合到增益部分220的第一电极260以及耦合到SOA部分230的第二电极270。虽然在图2的实施例中未示出，但是应当理解的是，任何一个公共阴极或接地电极可以存在于增益部分220和SOA部分230两者中，或者分离的接地电极可以存在于增益芯片200的不同部分中。
参考图3，增益芯片300具有背面310和正面315。波导350适当地穿过增益芯片300，使得其接触背面310，波导350延伸穿过增益部分320，穿过沟槽340并且穿过SOA部分330，直至又与正面315紧密配合。注意到在图3的实施例中，波导350被配置为弯曲的。波导350在芯片的中心部分相对垂直于背面310和正面315中的每一个，且在接近背面310和正面315处成一角度(即，非垂直)。还注意到在图3的实施例中，沟槽340被配置为垂直于波导350。图3还示出耦合到增益部分320的第一电极360和耦合到SOA部分330的第二电极370。公共阴极或接地电极可以存在于增益部分320和SOA部分330两者中，或者分离的接地电极可以存在于增益芯片300的不同部分中。
在图2的实施例中，波导250可以是倾斜的，从而在两个面处提供约6度的倾斜。还注意到在图2的实施例中，沟槽240被配置为垂直于波导250。因此，在图2的实施例中，采用倾斜的波导几何形状。即，在这种配置中，形成沟槽340的平面相对于形成增益芯片200的衬底材料的结晶平面结构倾斜一个角度。相反地，增益芯片300使用弯曲的波导几何形状以便在面附近实现相同的倾斜。在本实例中，沟槽340平行于衬底材料的结晶平面，而波导/面的界面仍然成一角度。为了获得这种配置，部分波导350可以是弯曲的或是圆弧的。
利用公知的光学现象的优势来配置成角度的且垂直的波导/结界面。更具体而言，该光学现象关注于光穿过具有不同折射率的两种材料之间时的行为。根据折射率和入射角之间的差异，将反射不同量的入射功率。在法向入射的情况下，基本所有反射的光都耦合进波导，而在成角度(最佳的是约6度)入射的情况下，大部分反射的光离开波导(被散射)，并因此不会与腔中的光相互作用。
由于考虑到上述光学现象，在一个实施例中，沟槽可以通过去除或改变增益和SOA部分之间材料的平面部分而形成，以便在这两部分之间形成间隙。这就形成了与折射率之间的差异有关的两种材料空气界面。这些折射率差异与垂直配置一起在间隙处产生部分反射，导致了低反射率镜(即，2-10％)。因此，沟槽定义了用于ECDL的有效激光腔的一个反射器(例如，图1的反射元件40)，其中激光腔的另一端由外部反射元件(例如，图1中的反射元件114)定义。
在各个实施例中，增益介质可以包括衬底层和有源层。有源层可以具有量子阱和阻挡层。阻挡层可以是n或p掺杂的磷化铟(InP)层。量子阱层可以是磷砷化铟镓(InGaAsP)层。此外，在阻挡层中可以具有一种或多种掺杂物。在本发明的一个实施例中，阻挡层可以掺杂有n型掺杂物，例如硫(S)、硒(Se)、碲(Te)或其他合适的掺杂物，以便控制(例如，降低)增益介质的透明电流(Itr)。量子阱层中的材料与阻挡层的材料之间可能存在晶格失配(也称为应变量子阱或应变层结构)。
图4是根据本发明的实施例的光学***500的总体方框图。光学***500的实例包括发射器502，用于将光学信号发送给接收器504，且它们可以由光纤进行耦合。发射器502可以包括ECDL 100、调制器510和数据源512。在光学***500中，数据源512提供待发送的数据。例如，数据源512可以提供数据、语音、图形、视频等。调制器510根据来自数据源512的数据对来自ECDL 100的激光束进行调制。
图5示出了根据本发明的另一实施例的通信***900，其中光网络通过利用可调谐ECDL的光学***耦合到多个数据和声音用户线。通信***包括光网络902、网络交换机904、数据终端906和语音终端908。通过多个接入协议可以将被调制的数据承载到多个信道中，所述多个接入协议包括但不限于：波分复用(WDM)、密集波分复用(DWDM)、频分复用(FDMA)等。
网络交换机904提供网络交换操作，通过安装在光纤线卡910上的光收发器来促进该操作。各光纤线卡包括多路复用器/解复用器(mux/demux)912、包括环形器914的环形器组、包括接收器916的接收器组，以及包括发射器918的发射器组。所述mux/demux是无源光学器件，其从多信道光学信号中分离波长(或信道)，或者根据光的传播方向，将相应光路上的各波长(或信道)组合成一个多信道光学信号。
在接收模式中，在解复用之后，各独立的信道经由环形器组中的相应环形器914传输至接收器组中的相应接收器916。各接收器916可以包括光电探测器、成帧器和解码器(未示出)。开关(未示出)将相应用户线920上的接收器分别耦合到数据或语音终端906或908。
在发射模式中，各线卡发射器组包括激光器组922，其包括n个(例如128个)在电信波长栅格的每一信道的所选择的一个中心频率处辐射光的ECDL。各用户数据流被光学调制到具有根据上文描述的本发明的实施例的构造和操作的相应ECDL的输出光束上。成帧器924允许对来自半集成的ECDL组和相关驱动器的传输数据进行成帧、指针产生和加扰。来自各激光器的经调制的信息经由相应环形器传输进入mux/demux 912，从而将输出耦合到单光纤用于传输。本实施例中的光纤线卡的操作是双向的，这意味着双向通信成为可能。
虽然已经参考有限数量的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将可以认识到可对其进行多种改进和变型。附加的权利要求覆盖本发明的真正精神和范围所涵盖的所有这些改进和变型。

Claims (11)

1.一种用于进行增益操作和放大操作的装置，包括：
集成结构，所述集成结构具有经由穿过其间的波导进行光学连接的正面和背面，所述集成结构还包括：
增益部分，用于对外腔激光器中的光能量提供增益操作，所述增益操作由第一电信号控制，其中，所述增益部分是所述外腔激光器的一部分，并且所述增益部分耦合到第一独立电极和公共电极；
被设置成相邻于所述增益部分的半导体光学放大器部分，用于响应于第二电信号放大由所述外腔激光器发射的所述光能量，其中所述半导体光学放大器部分耦合到第二独立电极和所述公共电极；以及
被设置在所述增益部分和所述半导体光学放大器部分之间的具有宽度和深度的沟槽镜，其中所述增益部分和所述半导体光学放大器部分是有源部分；以及
偏置电路，被耦合以用于向所述第一独立电极和所述第二独立电极中的每一个提供独立的偏置电流，其中在从第一信道调整到第二信道期间，当所述偏置电路向所述第二独立电极提供负向偏置时，所述半导体光学放大器部分基本遮蔽由所述外腔激光器发射的所有光能量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述沟槽镜是经由聚焦离子束(FIB)操作形成的。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述正面和背面包括抗反射涂层。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述集成结构包括含有所述增益部分和所述半导体光学放大器部分的衬底，所述衬底具有形成在其上的多个半导体层。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波导相对于所述集成结构的所述正面和背面倾斜，并且所述沟槽镜基本垂直于所述波导进行取向，其中，所述沟槽镜以相对于所述集成结构的衬底的结晶平面结构成一角度形成。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述波导是弯曲的，使得所述波导在靠近所述沟槽镜处基本垂直于所述集成结构的所述正面和背面，并且在靠近所述正面和背面处相对于所述集成结构的所述正面和背面成一角度，其中，所述沟槽镜平行于所述集成结构的衬底的结晶平面。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述集成结构的所述半导体光学放大器部分为所述光能量提供大于3分贝(dB)的增益。
8.一种用于进行增益操作和放大操作的装置，包括：
外腔激光器的外腔部分，包括准直透镜、滤光器和反射部分；
所述外腔激光器的增益介质，所述增益介质具有经由穿过其间的波导进行光学连接的正面和基本不反射的背面，所述增益介质还包括：
增益部分，用于响应于第一电信号而增益自发发射，其中所述增益部分耦合到第一独立电极和公共电极；以及
经由具有宽度和深度的沟槽镜耦合到所述增益部分的半导体光学放大器部分，用于响应于第二电信号而放大由所述外腔激光器发射的光能量，其中所述半导体光学放大器部分耦合到第二独立电极和所述公共电极，所述增益部分和所述半导体光学放大器部分是有源部分，并且所述增益介质包括具有量子阱层和阻挡层的有源层，并且所述有源层在所述量子阱层与所述阻挡层之间存在晶格失配；以及
偏置电路，被耦合以用于向所述第一独立电极和所述第二独立电极中的每一个提供独立的偏置电流，其中在从第一信道调整到第二信道期间，当所述偏置电路向所述第二独立电极提供负向偏置时，所述半导体光学放大器部分基本遮蔽所有所增益的光能量。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述增益介质包括含有所述增益部分和所述半导体光学放大器部分的衬底，所述衬底具有形成在其上的多个半导体层，并且所述偏置电路用于提供所述第一电信号和所述第二电信号。
10.一种用于进行增益操作和放大操作的***，包括：
复用器/解复用器；
耦合到所述复用器/解复用器的环形器组；
耦合到所述环形器组的发射器组，所述发射器组具有发射器，各发射器包括外腔二极管激光器，所述外腔二极管激光器包括具有从背面延伸至正面的波导的增益介质，所述增益介质还包括：增益部分，用于响应于第一电信号而增益沿着所述波导传输的光能量，其中所述增益部分耦合到第一独立电极和公共电极；被设置成相邻于所述增益部分的半导体光学放大器部分，用于响应于第二电信号而放大沿着所述波导传输的所增益的光能量，其中所述半导体光学放大器部分耦合到第二独立电极和所述公共电极：以及形成于所述增益部分和所述半导体光学放大器部分之间的具有宽度和深度的沟槽镜，其中所述增益部分和所述半导体光学放大器部分是有源部分；以及
偏置电路，被耦合以用于向所述第一独立电极和所述第二独立电极中的每一个提供独立的偏置电流，其中，在从第一信道调整到第二信道期间，当所述偏置电路向所述第二独立电极提供负向偏置时，所述半导体光学放大器部分基本遮蔽所有所增益的光能量。
11.根据权利要求10所述的***，其中，所述增益介质包括含有所述增益部分和所述半导体光学放大器部分的衬底，所述衬底具有形成在其上的多个半导体层，并且所述偏置电路用于提供所述第一电信号和所述第二电信号。
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