CN103038956A - 经由输出耦合器的调制的激光器的振幅及相位调制 - Google Patents

Abstract

提供一种输出耦合器调制激光器。该激光器包括用于光在其内循环的光谐振器、容纳在光谐振器内的增益介质、以及泵。包括在光谐振器中的输出耦合器响应于控制信号，以在激光器输出端口产生调制光信号，以及在通过端口产生互补信号，以便将循环光保留在光谐振器内。输出耦合器与泵是共同可控制的，以将循环光的功率级基本上保持在选择的稳态级，并使激光器的调制响应与循环光的由于与增益介质的相互作用而造成的固有响应去耦合。输出耦合器可配置用于简单振幅调制、相位偏移键控（PSK）、正交振幅调制（QAM），并适合与高精密的微米或毫米级谐振器一起使用。

Description

经由输出耦合器的调制的激光器的振幅及相位调制

技术领域

本发明的实施例总体上涉及激光器，更具体地，涉及实现发射的光信号的直接振幅及相位调制的用于激光器的可控输出耦合器。

背景技术

光通信***使用光来发送信息并且在某些方面性能优于诸如电线线路通信***的其他类型的通信***。例如，光通信***往往具有更大的带宽和更低的损耗，这使得它们适合于更远距离、高比特率传输链路。用于光***中的发射机通常是发光二极管或激光二极管的形式，其输出耦合到下游光缆中。为了以光学方式发送信息，光波被调制（即改变）以对传输数据信号进行编码。已经开发出用于调制激光器输出的不同技术，包括直接调制和外调制方案两者。光发射机的物理特性通常会对可用的调制方案造成限制。在针对光数据调制来优化激光器设计方面仍有改进的需要。

发明内容

根据本发明实施例的方面，提供一种调制激光器。所述激光器包括用于光在其内循环的光谐振器。增益介质容纳在光谐振器内的循环光的路径中，以及泵向增益介质传递高于光谐振器的激光器阈值的激发能量，以使循环光发生相干振荡。光谐振器还包括在循环光的路径中的输出耦合器。输出耦合器响应于控制信号，以选择性地允许一部分循环光作为调制光信号离开光谐振器。

输出耦合器可以具有输入端口和输出耦合端口，循环光通过该输入端口接收到输出耦合器中，调制光信号通过该输出耦合端口发出。输出耦合器的通过端口（through port）也包括在输出耦合器中，未发出的光通过该通过端口保留在光谐振器内。通过端口可以与输出耦合端口互补。

输出耦合器还可以包括将输入端口与输出耦合端口和通过端口中的每一个光耦合的干涉部。干涉部的操作特性可以由控制信号控制，以在干涉部中提供选择性的光干涉，在输出耦合端口产生调制光信号，以及在通过端口产生与调制光信号互补的光信号。干涉部的操作特性可以是折射率和/或增益/衰减变化中的一个。输出耦合器的干涉部可以与光谐振器整体地形成。

输出耦合器可以包括至少一个Mach-Zehnder干涉仪（MZI）。输出耦合器还可以包括定向耦合器、十字开关耦合器、多模干涉耦合器、波导接头和分离器、布拉格反射器、或者谐振器。

响应于控制信号，输出耦合器可以调制该调制光信号中的振幅和相位中的至少一个。具体地，输出耦合器可以将振幅调制、相位偏移键控（PSK）和正交振幅调制（QAM）方案中的任一个应用于该调制输出信号。

输出耦合器和泵是共同可控制的，以使激光器的调制响应与在光谐振器内循环的光的由于与增益介质相互作用造成的固有响应去耦合。以此方式，激光器从而可以基本上继承输出耦合器的调制响应。

输出耦合器和泵是共同可控制的，以将循环光的功率级保持在选择的稳态功率级附近的可操作范围内。

输出耦合器可以是以选择为超过激光器的弛豫谐振频率的调制速率可控制的，并提供输出耦合的系数的幅度变化。

泵可以配置为向增益介质传递激发能量，以将循环光的功率级保持在选择的稳态功率级附近的可操作范围内。在一些实施例中，激发能量可以是dc激发能量。

调制输出信号可以没有啁啾或者具有可控制的啁啾。

光谐振器可以包括环形结构，该环形结构具有与输出耦合器的输入端口和通过端口光耦合的相对端，从而限定出用于循环光的环形谐振器。可替换地，光谐振器还可以包括光耦合到输出耦合器的输入端口与通过端口中的每一个的反射器，从而对于光谐振器中的循环光创建驻波图。反射器可以是分布式反馈（DFB）光栅或分布式布拉格反射器（DBR）几何形状。反射器中的一个或多个还可以容纳增益介质。

调制激光器还可以包括至少一个波长调谐部，其包括在光谐振器的循环光的路径中，或者可替换地在反射器中。波长调谐部可以选择性地调整光谐振器的折射率或光反馈，以控制调制光信号的波长。反射器中的一个或多个可以提供波长调谐部。

可以在半导体晶片上的光谐振器内单体地形成输出耦合器。可替换地，输出耦合器可以异体地集成在光谐振器内。光谐振器可以是高精密的、微米或毫米级谐振器。

根据本发明实施例的另一方面，提供一种调制激光器的方法，所述激光器包括用于光在其内循环的光谐振器以及容纳在光谐振器内的循环光的路径中的增益介质。所述方法包括向增益介质传递高于光谐振器的激光器阈值的激发能量，以使循环光发生相干振荡，在光谐振器内的循环光的路径中提供输出耦合器，以及确定用于输出耦合器的控制信号。响应于控制信号，使输出耦合器选择性地允许一部分循环光离开光谐振器。所述方法还包括使用控制信号来控制输出耦合器，以产生调制光信号。

控制输出耦合器可以包括将光谐振器中循环的光接收到输出耦合器的输入端口中；响应于控制信号，在输出耦合器的输出耦合端口产生调制光信号，以及将未发出的光引导到输出耦合器的通过端口，以保留在光谐振器内。

干涉部可以将输入端口与输出耦合端口和通过端口中的每一个光耦合。可以使用控制信号来控制干涉部的操作特性，以在干涉部中提供选择性的光干涉。控制干涉部的操作特性可以在输出耦合端口产生调制光信号，以及在通过端口产生与调制光信号互补的光信号。干涉部的操作特性可以是折射率和/或增益/衰减变化中的一个。

控制输出耦合器可以包括响应于控制信号，调制该调制光信号中的振幅和相位中的至少一个。具体地，可以控制输出耦合器，以将振幅调制、相位偏移键控（PSK）和正交振幅调制（QAM）方案中的任一个应用于调制输出信号。

所述方法还可以包括共同控制输出耦合器和泵，以使激光器的调制响应与在光谐振器内循环的光的由于与增益介质相互作用而造成的固有响应去耦合。以此方式，激光器从而可以基本上继承输出耦合器的调制响应。

所述方法还可以包括共同控制输出耦合器和泵，以将循环光的功率级保持在选择的稳态功率级附近的可操作范围内。

控制输出耦合器可以包括选择超过激光器的弛豫谐振频率的调制速率，并以所选择的调制速率控制输出耦合器。控制输出耦合器还可以包括控制输出耦合的系数的幅度变化。

传递到增益介质的激发能量可以是dc激发能量。

调制输出信号可以没有啁啾或者具有可控制的啁啾。

所述方法还可以包括通过使用包括在光谐振器内的循环光的路径中的至少一个波长调谐部，选择性地调整光谐振器的折射率或光反馈，来控制调制光信号的波长。

在此描述并说明将明了的实施例的这些及其他特征。

附图说明

以下通过示例的方式参照附图提供多个实施例的详细说明。

图1是示出激光器的组件的示意图。

图2是示出激光器的直接泵调制的示意图。

图3是示出图2所示的泵调制激光器的示例性小信号调制响应的曲线图。

图4是示出激光器的外调制的示意图。

图5是示出根据本发明实施例的具有调制输出耦合器的环形激光器的示意图。

图6是示出图5所示的调制输出耦合器的示意图。

图7是示出图6所示的调制输出耦合器的实施例的示意图，其适合于实现振幅调制和相位偏移键控（PSK）调制方案。

图8是示出图6所示的调制输出耦合器的实施例的示意图，其适合于实现正交振幅调制（QAM）方案。

图9是示出图5所示的激光器的可替换实施例的示意图，其包括波长调谐部。

图10是示出根据本发明实施例的具有调制输出耦合器的驻波激光器的示意图。

图11是示出图10所示的激光器的可替换实施例的示意图，其中增益介质容纳于反射器中。

图12是示出图10所示的激光器的可替换实施例的示意图，其包括定向耦合器。

图13是示出图10所示的激光器的可替换实施例的示意图，其包括定向耦合器。

图14是示出图10所示的激光器的可替换实施例的示意图，其包括定向耦合器，并且其中增益介质容纳于反射器中。

应理解，对附图的引用仅为了举例说明目的，并非旨在以任何方式限制下文说明的实施例的范围。为了方便，图中的附图标记也可以重复（有或无偏移），用以指示类似的组件或特征。

具体实施方式

应理解，以下论述将包括与本发明实施例的多个方案相关的具体细节，但也可以在方便或适合省略其它细节的位置进行省略。例如，可以多少简化可替换实施例中相似或类似特征的论述。为了简洁，也不再详细地讨论公知的思想或概念。技术人员会认识到，在任一情况下，实现本发明的实施例可以无需某些特别说明的细节，将其包含在本文中仅是为了提供对实施例的透彻理解。类似地，显然，在不脱离所公开内容的范围的情况下，根据公知常识，易于对所述实施例进行少许变更或变化。实施例的以下详细说明不应认为是以任何方式限制本发明的范围。

首先参考图1，在此示出根据示例性实施例的激光器的示意图。激光器20包括光谐振器22，其限定出用于限制在光谐振器22内的光的循环路径。应理解，可以根据不同的机制，例如通过较高折射率材料与较低折射率材料之间的边界在光谐振器22中提供光的限制。以诸如泵26的适合的激发源对容纳在光谐振器22内的增益介质25进行泵浦。增益介质25可以由任何适合的光学放大材料制成，非限制性地，可以由固体、液体、气体或等离子体制成。在二极管激光器的具体情况下，增益介质25可以包括适合的半导体材料。泵26可以配置为向增益介质25传递不同形式的能量。例如，泵26可以配置为传递电能（例如，施加的电压）、光能（包括激光或非相干光），或者技术人员将意识到的任何其它适合的能量形式。在此使用的术语“光谐振器”应理解为包括光学谐振腔。

通过受激发射相干地放大穿过增益介质25的特征波长的光。如应理解的，当将增益介质25泵浦到光谐振器22的激光器阈值及以上时，在光谐振器22中循环的光达到激光振荡，激光器20输出相干光波。在增益介质25的增益饱和与由泵26传递的激发能量之间的平衡在光谐振器22内产生稳态功率；这一稳态功率确定激光器20的操作点，并可以通过控制泵26的输出来选择。

激光器20还包括输出耦合器28，该耦合器28允许在光谐振器22内循环的一部分光离开。通常，输出耦合器28是无源（即，非有源地受控的）元件，例如，部分透明的镜子。大多数到达镜子表面的光反射回到光谐振器22中，同时一小部分光（内部稳态功率的~1-5%）透射通过镜子，并成为激光器输出信号30。在这样的配置中，输出耦合器28不会直接被控制。为了调制输出信号30，需要对其它***组件进行有源控制。例如，如技术人员将理解的，可以使用直接泵调制和外调制方案。激光器20也可以以模式锁定或Q开关配置操作，以提供可变的激光器输出。可替换地，根据本发明实施例的方案，并且如以下更详细说明的，包括在光谐振器22中的调制输出耦合器（见图5）可以用于实现激光器输出信号30的伪直接调制。在可用操作带宽、信号失真（例如，啁啾）、功率效率和尺寸方面，这样的设置相对于其它调制方案会具有显著的优势。

图2示意性示出泵调制激光器。激光器120类似于图1所示的激光器20，但还包括产生用于泵126的控制信号134的控制器132。根据具体情况而定，控制器132可以集成到激光器120内，或者作为分离电路而提供。控制信号134确定传递到增益介质125的泵激励信号136的速率和幅度。同样，增益介质125容纳于光谐振器122内，并且通过输出耦合器128允许激光器输出信号130离开光谐振器122。增益介质125对变化的激励信号136的响应导致光谐振器122中循环的功率量的可控变化，其随后通过输出耦合器128无源地耦合，以产生调制输出信号130。以此方式，调制输出信号130由于直接泵调制而继承增益介质125的调制响应。

然而，泵调制的激光器120的操作的有用范围除了其他事物以外，受到光谐振器122和增益介质125的物理特性的限制。具体地，激光器120的特征在于其驰豫谐振频率，对于半导体，其近似为：

${\mathrm{\ω}}_R=\sqrt{\frac{{\mathrm{AP}}_0}{{\mathrm{\τ}}_p}},---\left(1\right)$

其中，A表示增益介质125的微分增益常数，P₀表示光谐振器122内的稳态光子密度，τ_p表示光谐振器122内的光子寿命。驰豫谐振频率ω_R提供了增益介质125可以多快对内部循环功率的变化做出响应的量度，反之亦然。实际上，驰豫谐振频率ω_R对泵126的调制速率设定了在调制输出信号130的响应将过度失真和/或过小，而不能对传输数据信号进行编码之前的有效上限。

图3示出图2所示的泵调制激光器120的示例性小信号调制响应的曲线图。曲线图140描绘了相对于y轴上的调制响应（以dB为单位）的x轴上的调制频率（以GHz为单位）。应理解，曲线图140仅仅是泵调制激光器120的一个示例性调制响应，并且不同的泵调制配置可以产生不同的响应。曲线图140中没有任何数值范围或特征是限制性的。

曲线142包括在低调制频率范围的大体平坦区144，在其中光谐振器122的调制响应显示出对调制信号的大响应，并且没有对调制频率的显著依赖性。在这一低频率范围内，调制激发能量信号136产生了光谐振器122的腔内场强的相应变化，其随后无源地耦合出光谐振器122，以产生调制输出信号130。大体平坦区144因此可以表示泵调制激光器120的有用操作区。

然而，一旦曲线142进入滚降（roll-off）区146，调制响应即表现出对调制频率的依赖性。换句话说，对于由滚降区146定义的频率范围中的较大调制频率，对激发能量信号136的变化的调制响应开始减小。实际上，增益介质125不再能够足够迅速地响应激发能量信号136的变化。结果，调制输出信号130不再继承对激发能量信号136的变化的调制响应。大体平坦区144与滚降区146之间的转变点是光谐振器122的弛豫谐振频率ω_R，由曲线142中的拐点148指示。因此，依据曲线142的特性，显然弛豫谐振频率ω_R表示泵调制激光器120的调制速率的有效频率上限。

弛豫谐振频率ω_R主要由光谐振器122、增益介质125的物理特性和激光器120的操作偏置确定。存在用以通过改变谐振器物理特性来增大弛豫谐振频率ω_R的技术，其可以增大泵调制激光器120的有用操作范围。例如，这些技术包括激活介质中量子限制的工程学、利用注入锁定技术、和使用腔量子电动力学效应。然而，由于弛豫谐振频率ω_R倾向于与谐振器品质因数（“Q因数”）逆相关，如等式1中所示的，增大弛豫谐振频率ω_R常常将Q因数降低相应的量。对于需要大Q因数谐振器的应用，必需在较低的调制速率上折衷，否则必需使用外调制器（例如图4中所示的）。因此，泵调制并非对于所有光传输应用都是可接受的。

激光器120的直接泵调制也会无法避免地遭受调制光信号130中的啁啾。随着从泵126传递到光谐振器122的激发能量被调制，光谐振器122内的增益介质125的增益和折射率两者都将改变以作为响应。作为这些变化的结果，不希望出现的相位偏移（或“啁啾”）无法避免地引入到调制输出信号130中，即使仅仅积极致力于控制调制输出信号130的振幅（例如，简单强度调制）。因此，啁啾代表对直接泵调制方案的效用的另一潜在的重要限制。

现在参照图4，其中示出外调制激光器的示意图。激光器220类似于激光器20，除了包括对由控制器252产生的控制信号254做出响应的外调制器250。在外调制激光器220中，泵226向增益介质225传递相对恒定的激发能量，从而保持相对恒定的稳态功率在光谐振器222中内部循环。输出耦合器228同样可以是无源元件，但这次向外调制器250提供连续波（CW）光信号256，用于振幅和/或相位调制。响应于控制信号254，外调制器250将CW光信号256变换为调制输出信号230。例如，外调制器250可以包括一个或多个例如基于Mach-Zehnder干涉仪（MZI）或电吸收调制器的可变开关，它们可由控制信号254配置，以调制CW光信号256。例如，外调制器250可以提供CW光信号256的增益、吸收、相长干涉或相消干涉中的一个或多个，以实现调制。通过适当产生控制信号254，调制输出信号230可以根据一个或多个不同调制方案来对传输数据信号进行光编码。

外调制器250克服了在此描述的泵调制激光器120固有的一些限制。例如，配置外调制器250中的MZI用于推挽式（push-pull）操作可以产生理想上没有啁啾的调制输出。涉及振幅和相位两者的同时调制的正交振幅调制（QAM）也可以通过在外调制器250中的MZI的每一个臂中包括嵌套的MZI来实现。外调制器250的调制速率也可以大大超过激光器220的弛豫谐振频率ω_R。这些多种考虑使得外调制器250适合用于高数据速率光传输链路中。

同时，调制器250会倾向于需要相对大的振幅输入驱动。CW光信号256的功率已经表示由于输出耦合器228的低传输系数造成的光谐振器222的内部稳态功率的显著减小。对于许多实际的光通信***，来自激光器220的输出光功率（即，CW光信号256的功率）将处于在传输链路上无误地发送调制光信号230所需的数量级。因此，为了在传输功率无明显损耗的情况下实现调制器250内的高消光比，需要相对大的输入驱动振幅的大微分相位延迟（或者可替换地，增益/吸收）将是所需的。例如，对CW光信号256施加至少在约π或

数量级的大相位偏移，以最大化调制输出信号230的消光比，对于调制器250来说是必需的。如将参考图5进一步解释的，激光器输出耦合器的调制，而不是诸如调制器250的外部开关，使得相当大的内部功率在光谐振器222中循环以实现调制的显著效率增益，同时保持了大调制带宽，并实现了调制输出信号230的振幅-相位调制。有利地，因为大内部循环功率是期望的，也可以使用附加地提供增大的自由光谱范围（FSR）的高精密微米级谐振器。

图5示出根据本发明实施例的结合有调制输出耦合器的环形激光器的示意图。激光器320包括限定出光在其中循环的限制路径的光谐振器322、泵326和调制输出耦合器360。增益介质325容纳在光谐振器322内，并位于激光在光谐振器322内循环的路径中。如图5所示，输出耦合器360的相对端可以光耦合到环形结构358对应的相对端，以限定出光谐振器322中的圆形限制路径，以使得环形结构358和输出耦合器360中的每一个均提供光谐振器322的一部分。在输出耦合器360与环形结构358之间的连接提供它们之间的光耦合，限定出用于光谐振器322的环形几何形状，即环形谐振器。可以在半导体晶片上以单体方式形成输出耦合器360。可替换地，输出耦合器360可以与环形结构358异体地集成到光谐振器322内。在一些实施例中，光谐振器322也可以是高精密微米级谐振器。例如，光谐振器322可以是微米或毫米级的。

如在此描述的，容纳在光谐振器322中的增益介质325实现了激光器操作。泵326向增益介质325传递高于激光器阈值的激发能量，以实现光谐振器322中的相干振荡并产生激光器输出。部分由环形结构358和输出耦合器360形成的光谐振器322为限制在光谐振器322内的激光提供连续路径用以循环。因此，在图5所示的实施例中，激光在光谐振器322中以行波方式循环。

输出耦合器360包括在光谐振器322中的激光的循环波的路径中，并对由控制器362产生的控制信号364做出响应。响应于控制信号364，从环形结构358接收到输出耦合器360中的光或者耦合到激光器输出或者返回到环形结构358中。结果，输出耦合器360选择性地允许一部分循环光作为调制输出信号330从光谐振器322离开。接收到输出耦合器360中但不从光谐振器322离开的光保留在光谐振器322中，在此其继续循环。

输出耦合器360可以是可变耦合器，其可由控制信号364选择性地配置，以调制输出信号330。具体地，可以在振幅和相位之一或二者，并且根据简单或更高级的调制方案调制输出信号330。例如，可以与适当配置的输出耦合器360一起产生控制信号364，以便将信息给与调制输出信号330的振幅和相位之一或二者。这使得激光器320能够通过将相位偏移键控（PSK）和正交振幅调制（QAM）方案两者应用于调制输出信号330来操作。当然，技术人员将理解，其他调制方案也可以应用，包括例如幅移键控（ASK）和简单振幅调制。方案的这一列举不应理解为限制性的。

图6示意性地示出更详细的图5所示的输出耦合器360。耦合器360的输入端口370被连接并光耦合到环形结构358的与输入端口370相邻的相应第一端，并为要从此接收到输出耦合器360中的光提供低损耗接口。输出耦合器360还包括输出耦合端口372，调制光信号330从该输出耦合端口372例如发射到诸如光纤的下游光通信链路。输出耦合器360的通过端口374也被连接并光耦合到环形结构358的与通过端口374相邻的相应相对端，并为要发送返回到此的光提供另一低损耗接口。使用输出耦合端口和通过端口372、374的这一配置，未通过输出耦合端口372离开光谐振器322的光借助通过端口374保留在光谐振器322内。输出耦合器360的输入端口和通过端口370、374与环形结构358结合，从而为光谐振器322内的激光的连续循环提供闭合环路。

输入端口370馈入干涉部376，其下游端与输出耦合端口和通过端口372、374两者光耦合。因此，输出耦合器360的干涉部376可以集成地形成在光谐振器322内，如与在光谐振器322外部提供的相反（如外调制方案中的情况）。由控制器362产生并提供给输出耦合器360的控制信号364配置干涉部376，以使得在输入端口370接收的输入光功率在输出耦合端口与通过端口372、374之间分配。因此，可以如下给出在输出耦合端口372见到的光波的电场，表示为E_out(t)且其代表调制输出信号330的振幅和相位

E_out(t)=κ(t)·E_in(t)，        （2）

其中，κ(t)表示输入端口370与输出耦合端口372之间的耦合系数，E_in(t)表示入射到输入端口370的在光谐振器322中内部循环的电场。如将理解的，光谐振器内的循环功率与|E_in(t)|²成比例，以使得|κ(t)|²相应地表示光谐振器322中循环功率P_in(t)耦合到输出耦合端口372的百分比。假设是无损输出耦合器360，输入功率P_in(t)会保存在输出耦合端口与通过端口372、374之间，以使得

|κ(t)|²+|σ(t)|²=1，            （3）

其中，σ(t)表示输入端口370与通过端口374之间的耦合系数，在满足等式（3）的情况下，其与输出耦合系数κ(t)互补。传统上，绝对值平方表示功率。因此，借助等式（3），提供给通过端口374的信号可以与从输出耦合端口372发射的调制输出信号330互补。取决于输出耦合器360是有损的还是具有净增益，也可以修改等式（3）中指定的关系。在有损的情况下，等式（3）的左侧可以求和为小于1的值。在净增益的情况下，其可以求和为大于1。

依据等式（2）显然地，耦合器360的输出通常取决于光谐振器322中的内循环场E_in(t)，以及由输出耦合系数κ(t)表示的输出耦合端口372的瞬时选通。然而，如果可以在光谐振器322中保持E_in 0表示的基本上稳定的（即稳态）内循环场振幅，则可以简化等式2，以使得光输出仅取决于输出耦合系数κ(t)。对输出耦合的控制于是会实际上导致激光器输出的调制。

对于在E_in,0处实现基本稳态的E_in(t)，可以将泵326配置为向增益介质325传递激发能量，以保持循环场的准恒定振幅。传递到增益介质325的激发能量可以是dc激发能量，但也可以具有如下所述的时变补偿分量。另外，为了实现基本稳态的内场E_in,0，可以将输出耦合器360的调制速率选择为远大于光谐振器322的弛豫谐振频率ω_R。对于远大于弛豫谐振频率ω_R的调制速率，光谐振器322内的光子密度将不再能够对其操作条件的变化做出响应，并因此将保持很大程度上不受输出耦合系数κ(t)的小变化的影响。然而，如将更详细说明的，输出耦合系数κ(t)的大变化会干扰内循环场离开其近似稳态值。因此，通过结合输出耦合系数κ(t)的幅度和调制速率一起共同控制来自泵326的激发能量供应，光谐振器322内的内循环场基本上保持在E_in0，并基本上不受输出耦合器360的调制干扰。在这些条件下，由于循环激光与增益介质325之间的相互作用，激光器的调制响应可以与光谐振器322的固有响应去耦合。

相反地，在低调制频率（小于或接近弛豫谐振频率ω_R）和/或输出耦合系数κ(t)有大变化的情况下，内循环场E_in(t)将强烈响应输出耦合系数κ(t)的变化，导致调制输出信号330的潜在的显著信号失真。因此，将不再是内循环场保持基本上不受输出耦合器330的调制干扰的情况。然而，通过将调制频率选择为远高于弛豫谐振频率ω_R，其中，与失真频带的重叠较低，并通过控制输出耦合器来仅仅提供输出耦合系数κ(t)的幅度的小变化，内循环场的振幅可以保持相对恒定（或“准恒定”），在选择的稳态级附近仅有较小波动。可以再次强调，以远高于弛豫谐振频率ω_R的调制速率操作耦合器调制激光器320以减小调制输出信号330的失真，与泵调制激光器20的操作相反，其反而需要以不超过弛豫频率ω_R的调制速率操作。

将内循环场理想地保持在选择的稳态振幅E_in,0。然而，当调制输出耦合器360，且泵326向增益介质325传递dc激发能量时，并非总是可以在光谐振器322中实现真正的稳态。由于仅可以将内循环场的振幅保持在准恒定级，可任选地控制泵326以提供时变激发能量，用以补偿光谐振器322中内循环场的一些波动。即使在此情况下，完全稳定也是不可能的。因此，定义在期望稳态值附近的可操作范围内的一定波动是可容许的，在一些情况下，可以约为期望稳态值的5%，甚至有可能多达20%。可操作范围的准确大小可以取决于光谐振器322的物理参数以及下游光传输链路的特性。例如，特定范围可以足够小，以使得在期望稳态值附近的内循环场的波动不会大到使得调制光信号330中产生的失真超过对传输链路指定的容限。用于不同传输链路的不同容限可以提出不同的指定范围。

光谐振器322中内循环场的波动也不应大到使得光谐振器322遭受到激光器开/关动态。应理解，如果过多地消耗内循环能量，则会失去光谐振器322内的平衡，并且激光器振荡会停止。因此随着光谐振器322内的平衡恢复，调制输出信号330中会因此产生由于过度自发发射和激光器模式竞争造成的失真。在任一情况下，都可以选择输出耦合系数κ(t)，以使得其幅度的变化小到足以将内循环场保持在避免在此所述的失真效应的期望稳态值附近的可操作范围内。当然，应理解，所选择的调制速率和期望稳态功率也可以影响输出耦合系数κ(t)的幅度变化为多少是可接受的。

也可以通过减小ω_R并减小输出耦合系数κ(t)的变化的幅度来最小化调制输出信号330的失真显著的调制频率的范围。如在此描述的，弛豫谐振频率ω_R倾向于与谐振器Q因数逆相关。因此，尽管为了泵调制激光器应用中较高的调制速率而常常牺牲Q因数，但对于耦合器调制激光器320则是相反的。替代地，可以将光谐振器322设计为使其Q因数最大，从而同样通过减小弛豫谐振频率ω_R来减小调制输出信号330的失真。

对于光谐振器，谐振器精密性是另一个通常利用的性能度量。应理解，精密性提供了谐振器中预期损耗（类似于Q因数）与谐振器自由光谱范围（FSR）的组合指示，其定义为谐振器中心频率与最近的谐振模式之间的频率差。由于较小的谐振器往往具有较大的FSR并且与较大的谐振器相比，损耗较小，通常它们也会具有相对大的精密性。由于如果调制输出信号330的带宽与谐振器FSR具有不可忽视的重叠就会产生显著失真，具有相对低的弛豫谐振频率ω_R的高精密微米级谐振器尤其适合于实现光谐振器322。在一些实施例中，光谐振器322是与调制输出耦合器360以单体方式在半导体晶片上形成的微米谐振器。如提及的，例如微米或毫米级谐振器是适合的。

对于来自泵326的激发能量的给定输入，小的高Q，即高精密性，谐振器也有益于表现出相对大的内循环功率|E_in，0|²，以保持循环场的准恒定振幅。用以优化激光器输出功率的输出耦合系数κ(t)的幅度也会随着精密性增大而减小。因此，输出耦合器360运用在光谐振器322中循环的内场E_in 0的大振幅来仅实现非常小的输出耦合系数κ(t)及其小变化，以产生足够传输功率级的调制输出信号330。如所论述的，输出耦合系数κ(t)的小变化具有最小化对于循环场E_in,0的干扰的额外益处，这反过来限制了在调制输出信号330中所见到的失真的量。与图4中所示的外调制方案相对的，因为提供给外调制器250的CW输出信号256已经使其输出功率减小到传输级，相对于输出耦合器360的输出耦合系数κ(t)所需的变化，将需要外调制器250的传输系数的大得多的变化，以产生等效的调制。因此，输出耦合器360中也需要较小的输入驱动幅度来产生输出耦合系数κ(t)的适合的变化。输出耦合器360中对于强度调制的效率节省会相当显著，其近似等于

通过使用例如具有大调制带宽的一个或多个Mach-Zehnder干涉仪（MZI）来实现输出耦合器360，可以实现在此所述的优点。泵326可配置为向保持循环场的准恒定振幅的增益介质325传递激励信号，并且可以以远超过弛豫谐振频率ω_R的调制速率调制输出耦合器360，以保持相对恒定的功率P_in,0在光谐振器322中内循环。也可以设计并操作输出耦合器360，以使得调制输出信号330无啁啾，或者至少具有可控的啁啾。通过运用大内循环功率P_in,0，仅需要相对小的输出耦合系数κ(t)及其小变化，以在调制输出信号330中产生足够的功率级用于数据传输。由于对输出耦合系数κ(t)的小变化可通过到输出耦合器360的相对小的输入驱动振幅来实现，潜在的显著效率增益是可能的。输出耦合器360也可配置用于实现许多通常的数据调制方案，如将会更详细说明的。

参照图7，根据本发明的实施例在此示出的是调制输出耦合器360'，其适合于实现振幅、二进制相位偏移键控（BPSK）和差动相位偏移键控（DPSK）调制方案中的任一种。包括在输出耦合器360'中的MZI 380可任选地在一端耦合到输入端口370，并包括上支路381和下支路382。应理解，术语“上支路”和“下支路”仅是为了便于参考图7，并非旨在是限制性的。因此，在不影响输出耦合器360'的操作的情况下，可以倒置上下支路381和382的相对位置。这些元件同样可以简称为第一和第二支路。

在输入端口370的光场分离器在上支路381与下支路382之间分离入射光。光场分离器可以是定向耦合器、十字开关耦合器、多模干涉耦合器、y形接头或一些其他适合类型的耦合器。在上下支路381与382之间分离的能量可以相等（例如，适当设计的y形接头的情况），但也可以是任意的。光场分离器可以将光同相耦合到上下支路382、382，但也可以在耦合到上支路381的光与耦合到下支路382的光之间施加相对的相位偏移。上下支路381、382也在MZI 380的相对端光耦合到耦合器383。耦合器383可以是3dB耦合器，具有四个不同的端口，包括耦合到上支路381的第一输入端口384、耦合到下支路382的第二输入端口385，以及第一输出端口386和第二输出端口387，它们分别耦合到输出耦合器360'的输出耦合端口372和通过端口374。耦合器383可以是定向耦合器、十字开关耦合器、多模干涉耦合器、或一些其他适合类型的耦合器。

如已知的，PSK是通过控制（即调制）基准载波信号的相位来对数据进行编码的数字调制方案。在一些情况下，PSK将唯一的二进制模式映射到基准载波信号中相应的离散相位。通过感测基准载波信号中离散相位的序列，可以在光传输链路的接收机端重构所编码的二进制模式。通常，离散相位的集合将在范围(0，2π)上均匀分布。例如，两个离散相位的集合(0,π)可以用于对单位二进制模式(0，1)进行编码。这一形式的PSK有时称为二进制相位偏移键控（BPSK）。可替换地，四个离散相位的集合(0，π/2，π，3π/2)可以用于对两位二进制模式(00，01，10，11)进行编码，因此有时称为正交相位偏移键控（QPSK）。多半仅由实际光通信***的信号范围比来限制，任何数量的离散相位都可以映射到不同位模式。通过指定较大的相位集合来增大编码位模式的阶可以增大通过相位偏移键控进行编码的信息的数据率，因为每一个相位偏移可以表示更长的位序列。在其它情况下，代替将离散相位映射到位模式，可以将相位偏移的差映射到不同位模式。因此，在此类差动PSK中，相位偏移的特定变化表示相应的位模式。可以在调制输出耦合器360'中实现任一类型的相位偏移键控。

MZI 380和耦合器383可以包括在调制输出耦合器360'的干涉部376中。从输入端口370接收到MZI 380中的光在上下支路381、382之间分离。因此，将到MZI 380的部分功率输入引导到上支路381，部分输入功率引导到下支路382。功率分离在上支路381与下支路382之间可以相等，尽管如可理解的，也可以不相等。此外，光信号通过上下支路381、382经受的各自的相位偏移可使用控制信号364而独立控制。例如，在一些实施例中，控制信号364包括施加到容纳在支路381、382中的材料的电压，其折射率响应于所施加的电压而变化。控制所施加的电压的幅度从而控制每一个支路381、382的有效光路长度，并允许通常不同相位的光信号在耦合器383中耦合在一起，以提供受控的光干涉。

作为可控地改变上下支路381、382中的折射率以提供输出调制的替代，也可以替代地可控地改变上下支路381、382中的增益和/或衰减（“增益/衰减”）。同样，例如，控制信号364包括施加到容纳在上下支路381、382中的材料的电压，仅是现在其增益/衰减响应于施加的电压而变化。通过改变增益/衰减的量，通常不同幅度的光信号可以在耦合器383中耦合在一起，以提供受控的光干涉。根据本发明的实施例，使用控制信号364对干涉部376中折射率和增益/衰减的一个或多个的控制是可能的。对干涉部376的其它操作特性的控制也同样是可能的。

上支路381和下支路382分别耦合到耦合器383的第一和第二输入端口384、385，其中，传输通过这些支路的信号是光干涉的。通常，干涉可以是相消的或者相长的，但若需要，也可以是部分相消的。如由其散射参数确定的，耦合器383将光干涉信号交叉耦合到输出耦合端口372，并根据等式3，将与光干涉信号互补的信号交叉耦合到通过端口374。假设是无损耦合器360'，没有从输出耦合端口372发射的光将路由到通过端口374，并从而保留在光谐振器322内。通过控制上下支路381、382之间的差动相位偏移（或者可替换的，差动增益/衰减或一些其它操作特性），耦合器383可以实现在输出耦合端口372产生调制输出信号330所需的不同输出耦合系数κ(t)。为了将激光保留在光谐振器322内以继续循环，也可以在通过耦合端口374实现互补的通过耦合系数σ(t)。

可以通过偏置MZI 380以使得从输出耦合端口372发出的调制输出信号330具有初始非零振幅，并使得调制输出信号330在调制时没有显著地相位偏移，而在输出耦合器360'中实现简单振幅调制。调制输出信号330的非零振幅可以表示光谐振器322中内循环功率的一些小数部分。对于无啁啾调制，可以在上下支路381、382之间平等地分离来自输入端口370的功率，并可以由控制信号364控制上下支路381、382，以提供施加到MZI 380的偏置点的分别为

和

的相等但相反的相位偏移。因此，上下支路381、382可以用作相位超前和相位延迟支路。这有时称为推挽式操作。可以通过随时间改变MZI 380的偏置点附近的增量相位偏移Δθ(t)的大小来实现振幅调制。由此，输出耦合器360将从光谐振器322选择性地发出或多或少的激光。受控的增量相位偏移Δθ(t)表示所编码的数据信号，或者至少可与所编码的数据信号相关。可替换地，简单振幅调制可以通过可控地改变在MZI380的偏置点附近的上下支路381、382各自的增益/衰减而应用于调制输出信号330，也是可实现的。

为了在输出耦合器360'中实现BPSK或者DPSK，偏置MZI 380用于到输出耦合端口372的零传输。换句话说，在偏置点，在输出耦合端口372不会见到可察觉的光输出，导致激光基本上保留在光谐振器322内用于内循环。上下支路381、382同样由控制信号364以推挽式配置分别控制为大约零传输偏置点的

和

相位偏移。应理解，相反的配置也是可能的，其中，上支路381可以提供相位延迟，而下支路382可以提供相位超前。由于MZI 380操作于零传输偏置点，偏置点附近的增量相位偏移Δθ(t)的调制驱动MZI 380通过其最大消光点，并且从而产生如对于BPSK或DPSK所需的，0或π的输出调制信号330的可控相位偏移。

为了在零传输偏置点偏置输出耦合器360'，取决于输出耦合器360'的特定实现方式，可以将额外的相位偏移施加到

增量相位偏移。仅出于说明目的，假设输入端口370与上下支路381、382之间的光场分离器是y形接头。假设光分离器在上下支路381、382之间提供相等的功率分离，并且在耦合到上支路与下支路的光之间不额外地施加相位偏移。仅出于说明目的，还假设耦合器383提供相等的光功率的交叉耦合与通过耦合，并且在通过耦合与交叉耦合的光之间额外施加

相位偏移。应理解，术语“通过耦合”描述入射于耦合到输出端口386的输入端口384的光的量，同样在输入端口385与输出端口387之间的。术语“输出耦合”类似地描述入射于耦合到输出端口387的输入端口384的光的量，同样在输入端口385与输出端口386之间的。这一耦合是典型的3dB定向耦合器。在这一说明性例子中，可以将

的相位偏移施加到上下支路381、382，以设定MZI 380的零传输偏置点，从而分别产生

和的总相位偏移。在这些条件下，在输出调制信号330中得到的相位偏移的量0或π是取决于MZI 380中的增量相位偏移Δθ(t)的极性而可控的。

当由此配置输出耦合器360'用于BPSK或DPSK时，考虑到以上输出耦合器360'所做的说明性假设，可以表明输出耦合与通过耦合系数将具有形式

$\mathrm{\κ}\left(t\right)=e^{\mathrm{j\π}/4}\sin \left(\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right)$

(4a)

$\mathrm{\σ}\left(t\right)=e^{\mathrm{j\π}/4}\cos \left(\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2}\right)$

它们通过满足等式3确实是互补的表达式。应注意，等式4a假设输出耦合器360'的无损操作。因此，如将理解的，用于κ(t)和σ(t)的这些表达式可以仅是近似的，而不是通式。当然，对于输出耦合器360'所做的其他配置或假设，等式4a的准确形式会不同。

在光谐振器322中运用振幅E_in,0的比较大的内循环场允许由MZI 380实现在其零传输偏置点附近的非常小的增量相位偏移Δθ(t)。例如，对于输出功率P_out仅等于循环功率P_in,0的大约1-2%常常是足够的，这需要仅几度的相位偏移。输出耦合系数κ(t)的表达式于是可以简化为

$\mathrm{\κ}\left(t\right)\≈e^{\mathrm{j\π}/4}\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2},---\left(4b\right)$

对于小幅角使用公知的正弦函数的近似法。至少部分由于能够提供BPSK或DPSK的小增量相位偏移，输出调制耦合器360'能够相对于外调制器250实现大的效率增益。将回顾起，外调制器250需要大得多的相位偏移（从而同样大得多的输入驱动振幅）来对具有可相比较的输出振幅的BPSK实现相同的倒相。与用于现有光通信***中的调制器相比，由输出耦合器360'实现的功率节省可以高达2或3个数量级的幅度。

现在参照图8，在此根据本发明实施例示出的是调制输出耦合器360″，其适合于实现正交振幅调制（QAM）方案。输出耦合器360″包括第一MZI400、第一耦合器401、第二MZI 402、和第二耦合器403。第一和第二耦合器401、403可以是3db耦合器。第一MZI 400在一端光耦合到输入端口370，以将循环光接收到输出耦合器360″中。第一MZI 400的上支路404和下支路405耦合进第一耦合器401的各自的输入端口。同样，第一耦合器401的第一输出端口406和第二输出端口407分别耦合进第二MZI 402的上支路408和下支路409。如第一MZI 400的情况，上下支路408、409耦合进第二耦合器403的各自的输入端口。最后，如所示的，输出耦合器360″的输出耦合端口372耦合到第二耦合器403的第一输出端口410，同时通过端口374耦合到第二输出端口411。术语“上支路”和“下支路”同样仅是出于方便参照图8。如同图7的情况，第一和第二耦合器401、403之一或二者可以是定向耦合器、十字开关耦合器、多模干涉耦合器、或一些其他适合的耦合器。可以配置MZI 400、402和耦合器401、403在干涉部376中的布置，用以将QAM应用于调制输出信号330。

在输出耦合器360″的这一配置中，第一和第二MZI 400、402中的上下支路是可控的，借助控制信号364的适当计算，提供将QAM应用于调制输出信号330的各自的相位偏移。具体地，可控制第一MZI 400以便在上支路404中提供相位超前

在下支路405中提供共轭相位延迟类似地，可以控制第二MZI 402，以便在在上支路408中提供相位超前

在下支路409中提供共轭相位延迟

分别通过增量同相和正交相位偏移ΔθI(t)和ΔθQ(t)的适当时间变化，从输出耦合端口372发出的调制光信号330将包括如QAM中所需的同相和正交调制信号分量两者。将与调制输出信号330互补的信号引导到通过端口374，用于光谐振器322内的内循环，如前所见到的。

如将理解的，QAM（模拟或数字的）在调制光信号330的振幅和相位两者上给与信息（以传输数据信号的形式），意味着调制输出信号330应具有任意且可控的振幅和相位。这一条件在将不同振幅的两个光信号提供给第二MZI 402时，在输出耦合器360″中被满足，其中这两个光信号受到差动相位偏移，并随后耦合到输出耦合端口372；第一MZI 400与第一耦合器401的组合可以配置为产生必需的不同振幅光信号。更具体地，通过控制信号364控制上支路404，以提供

的增量相位超前，同时控制下支路405，以提供相应的的增量相位延迟。增量相位偏移ΔθI的大小确定出现在耦合第二MZI 402的输出端口406、407的两个信号之间的分离比。控制信号364进一步控制上支路408，以提供的增量相位超前，并控制下支路405，以提供相应的

的增量相位延迟。因此，第一MZI 400和第二MZI 402两者同样可以以推挽式配置操作。由第二耦合器403引导到输出耦合端口372的信号，即调制输出信号330，则是由第一耦合器401产生的并且在第二MZI 402中相位偏移的两个不同振幅信号的总和。如对于高Q或高精密光谐振器所期望的，为了偏置输出耦合器360″以用于相对于内循环场Ein,0的小输出耦合系数κ(t)，将额外的相位偏移施加到

和

增量相位偏移，这取决于输出耦合器360″的特定实现方式。

显然，图8中所示的调制输出耦合器360″的配置将在调制输出信号330中产生同相和正交分量，如QAM所需的。同样仅出于说明目的，假设输入端口370与上下支路404、405之间的光场分离器在上下支路404、405之间提供相等的功率分离，并且在耦合到上支路404与下支路405的光之间不额外施加相位偏移，这是典型的适当设计的y形接头。仅出于说明目的，假设每一个耦合器401、403均提供如上所述的交叉耦合和通过耦合，这同样是典型的3dB定向耦合器。在这个说明性例子中，为了偏置输出耦合器360″以用于小输出耦合系数κ(t)，可以连同施加到上下支路408、409的

的额外相位偏移一起，将

的额外相位偏移分别施加到上下支路404、405。这将导致支路404、405、408、409中分别为

和

的总相位偏移。

分别使用同相和正交控制信号Δθ_I(t)和Δθ_Q(t)来控制第一和第二MZI400和402，调制输出耦合器360″可以表现出实现由以下给出的输出耦合和通过耦合系数

$\mathrm{\κ}\left(t\right)=\frac{e^{\mathrm{j\π}/4}}{\sqrt{2}}\sin \left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_I\left(t\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Q\left(t\right)}{2}\right)+\frac{{\mathrm{je}}^{\mathrm{j\π}/4}}{\sqrt{2}}\sin \left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_I\left(t\right)-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Q\left(t\right)}{2}\right)$

(5a)

$\mathrm{\σ}\left(t\right)=\frac{e^{\mathrm{j\π}/4}}{\sqrt{2}}\cos \left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_I\left(t\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Q\left(t\right)}{2}\right)-\frac{{\mathrm{je}}^{\mathrm{j\π}/4}}{\sqrt{2}}\cos \left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_I\left(t\right)-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Q\left(t\right)}{2}\right),$

其中，同样κ(t)表示输出耦合的系数，σ(t)表示通过耦合的系数，并且依据等式3，κ(t)与σ(t)互补。对于小角度Δθ_I(t)和Δθ_Q(t)，输出耦合系数κ(t)的表达式同样可以简化为

$\mathrm{\κ}\left(t\right)\≈\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_Q\left(t\right)}{2}+j\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_I\left(t\right)}{2},---\left(5b\right)$

这或许是更有用的形式。依据等式5b显然的，Δθ_I(t)和Δθ_Q(t)的变化允许κ(t)的实分量和虚分量的任意且可控的调制，反过来实现了调制输出信号330中振幅和相位的任意和可控的调制。

现在参照图9，其是示出图5所示的耦合器调制激光器320的波长可调谐的替代实施例的示意图。耦合器调制激光器420包括以图7的输出耦合器360'实现的光谐振器422，尽管应理解，可以替代地包括图8的输出耦合器360″。增益介质425容纳在光谐振器422内，并供应有来自适合的泵（未示出）的激发能量。耦合器调制激光器420进一步包括波长调谐部429，该波长调谐部429包括在光谐振器422中内循环的激光的路径中。响应于由波长控制器（未示出）提供的波长调谐控制信号，波长调谐部429选择性地调整光谐振器422的折射率，从而改变光谐振器422的谐振波长。因此，可以调谐调制输出信号330的波长。当然，应理解，调制输出信号330的波长也可以取决于光谐振器422的其他物理特性，并且可能的调谐的程度是有限的。因此对于波长的较大变化，调整或重新配置光谐振器422会是必需的。

现在参照图10，其是示出根据本发明实施例的结合有调制输出耦合器的驻波激光器的示意图。耦合器调制激光器520包括包含在光谐振器522中的输出耦合器360'。同样应理解，可以替代地包含输出耦合器360″。例如可以是分布式反馈（DFB）光栅或布拉格反射器的第一反射器521光耦合到输出耦合器360'的输入端口370。此外，第二反射器523光耦合到输出耦合器360'的通过端口374。可以以可调谐反射光谱来调谐反射器521、523之一或二者。如之前的，增益介质525容纳在光谐振器522内，其限定出光在其中循环的限制路径。可替换地，例如如图11所示，增益介质525可以容纳在反射器521、523之一或二者中。

入射在第一反射器521上的内部激光将通过增益介质525反射回到输入端口370中，正如入射在第二反射器523上的激光将反射回到输出耦合器360'中。如果在输出耦合端口372与通过端口374之间实现了良好的隔离，则仅有进入通过端口374的可忽略量的光被引导到输出耦合端口372，并将避免调制输出信号330的显著失真。循环激光的大部分将被引导通过到输出耦合器360'的输入端口370，从而在光谐振器522中产生驻波图。也可以调谐反射器521、523，以通过影响光谐振器522中光反馈的量来控制调制输出信号330的波长。激光器520中的调制输出耦合器360'可如在此描述地工作。

现在参照图11，其是示出图10中所示的耦合器调制激光器520的替代实施例的示意图。耦合器调制激光器620包括包含在光谐振器622中的输出耦合器360'″。输出耦合器360″类似于输出耦合器360'，但包括用于上支路381和下支路382中的每一个的相应输入端口。第一反射器621（例如，DFB光栅或布拉格反射器）光耦合到上支路输入端口。第二反射器623光耦合到输出耦合器360'″的通过端口。第三反射器625也光耦合到下支路输入端口。可以以可调谐反射光谱来调谐反射器621、623、625中的一个或多个。输出耦合器360'″和反射器621、623和625都可以形成在光谐振器622中。如所示的，光谐振器622的增益介质容纳在反射器625中，但可以替代地容纳在反射器621、623和625中的任意一个或全部中。同样利用输出耦合器360'″的通过端口与输出耦合端口之间的良好隔离，反射器621、623、625中的反射在光谐振器622中产生驻波图。基本上如在此描述的，使用控制信号364控制输出耦合器360′'将因此产生调制光信号330。

现在参照图12，其是示出图9中所示的耦合器调制激光器420的替代实施例的示意图，其中输出耦合器包括定向耦合器。耦合器调制激光器720包括光谐振器722，在此情况下使用定向耦合器760来实现，或者可能是代替组合MZI-3dB耦合器的十字开关耦合器。增益介质725容纳在光谐振器722内的循环光的路径中，并供应有来自适合的泵（未示出）的激发能量。光谐振器722进一步包括可任选的波长调谐部729，该波长调谐部729也包括在循环激光的路径中。通过将控制信号364施加于定向耦合器760，在光谐振器722中循环的激光可控地耦合进入定向耦合器760中，其中，通过输出耦合器760的调制，输出耦合光作为调制光信号330离开定向耦合器760。如将理解的，与用于调制输出耦合器360'的控制信号相比，需要不同的控制信号364来调制输出耦合器760。除此以外，输出耦合器760可以基本上按照在此描述的本发明实施例工作。

现在参照图13，其是示出图10中所示的耦合器调制激光器520的包括定向耦合器的替代实施例的示意图。耦合器调制激光器820包括定向耦合器760，以代替组合MZI-3dB耦合器。第一反射器821（同样例如DFB光栅或布拉格反射器）光耦合到第二反射器823。同样可以以波长可调谐反射光谱来调谐反射器821、823。第一反射器821和第二反射器823可以为光谐振器822提供终端反射点，其中，增益介质825同样容纳在在此限定的波导中，并供应有激发能量。如之前的，反射器821、823可以是波长可调谐的，并可以容纳增益介质825。在光谐振器822中循环的光将在两个反射器821、823之间形成驻波图，将该光的一些可控地耦合进定向耦合器760中。同样，可以施加控制信号364以控制定向耦合器760的诸如折射率的操作特性，以选择性地耦合光能量。由于定向耦合器760是4端口装置，如果需要，调制输出信号330'可以从定向耦合器760的一端发出，同时第二调制信号330″可以从其相对端发出。可替代地，可以产生仅一个调制输出信号。除此以外，输出耦合器760可以基本上根据在此描述的本发明的实施例工作。

现在参照图14，其是示出图10中所示的耦合器调制激光器520的包括定向耦合器的替代实施例的示意图，其中，增益介质容纳在反射器或波导中。耦合器调制激光器920包括定向耦合器760，以代替组合MZI-3dB耦合器。第一反射器921（例如，DFB光栅）光耦合到第二反射器925。增益介质示出为容纳在反射器925中，尽管其可以替代地容纳在光谐振器922中限定的波导中。第一反射器921和第二反射器925可以为光谐振器922提供终端反射点，以及为调制输出信号330提供波长调谐。在光谐振器922中循环的光将在两个反射器921、932之间形成驻波图。通过将定向耦合器760定位为接近第二反射器925，并响应于适合的控制信号364的施加，反射进反射器925中的一些光可以可控地耦合进定向耦合器760中。同样，可以施加控制信号364以控制定向耦合器760的诸如其折射率的操作特性。同样如果需要，调制输出信号330'可以从定向耦合器760的一端发出，同时第二调制信号330″可以从其相对端发出。可替代地，可以提供仅一个输出。除此以外，定向耦合器760可以基本上根据在此描述的本发明的实施例工作。

尽管以上说明提供了多个实施例的示例和具体细节，但应理解，所述实施例的一些特征和/或功能允许在不脱离所述实施例的范围的情况下进行修改。例如，调制输出耦合器可以适合于与许多不同配置的激光器操作。在此呈现的实施例的详细说明旨在举例说明本发明，本发明的范围仅由所附权利要求的表述来限定。

Claims (36)

1.一种调制激光器，包括：

光谐振器，用于光在其内循环；

增益介质，容纳在所述光谐振器内的循环光的路径中；

泵，用于向所述增益介质传递高于所述光谐振器的激光器阈值的激发能量，以使所述循环光发生相干振荡；以及

输出耦合器，包括在所述光谐振器内的所述循环光的所述路径中，所述输出耦合器响应于控制信号，以选择性地允许一部分所述循环光作为调制光信号离开所述光谐振器。

2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输出耦合器包括用于将所述循环光接收到所述输出耦合器中的输入端口、用于发出所述调制光信号的输出耦合端口、以及与所述输出耦合端口互补的用于将未发出的光保留在所述光谐振器内的通过端口。

3.根据权利要求2所述的激光器，其中，所述输出耦合器还包括在所述输入端口与所述输出耦合端口和所述通过端口中的每一个之间提供光耦合的干涉部，所述干涉部具有可由所述控制信号控制以在所述干涉部中提供选择性的光干涉的操作特性。

4.根据权利要求3所述的激光器，其中，所述干涉部的所述操作特性是可控制的，以在所述输出耦合端口产生所述调制光信号以及在所述通过端口产生与所述调制光信号互补的光信号。

5.根据权利要求4所述的激光器，其中，所述干涉部的所述操作特性是折射率和增益/衰减中的一个。

6.根据权利要求5所述的激光器，其中，所述输出耦合器的所述干涉部与所述光谐振器整体地形成。

7.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输出耦合器包括至少一个Mach-Zehnder干涉仪（MZI）。

8.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输出耦合器包括定向耦合器、多模干涉耦合器、波导接头和分离器、布拉格反射器和谐振器中的至少一个，并且其中，所述输出耦合器的折射率和增益/衰减中的一个可由所述控制信号控制，以产生所述调制光信号。

9.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输出耦合器响应于所述控制信号，以调制所述调制光信号中的振幅和相位中的至少一个。

10.根据权利要求9所述的激光器，其中，所述输出耦合器响应于所述控制信号，将振幅、相位偏移键控（PSK）和正交振幅调制（QAM）调制方案中的至少一个应用于所述调制光信号。

11.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输出耦合器和泵是共同可控制的，以使所述激光器的调制响应与所述循环光的由于与所述增益介质相互作用而造成的固有响应去耦合，所述激光器从而实质上继承所述输出耦合器的调制响应。

12.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输出耦合器和泵是共同可控制的，以使所述循环光的功率级保持在选择的稳态功率级附近的可操作范围内。

13.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输出耦合器是以选择为超过所述激光器的弛豫谐振频率的调制速率可控制的。

14.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输出耦合器是可控制的，以提供输出耦合的系数的幅度变化。

15.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述泵配置为向所述增益介质传递dc激发能量。

16.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述调制输出信号没有啁啾或者具有可控制的啁啾。

17.根据权利要求1所述的激光器，还包括至少一个波长调谐部，所述至少一个波长调谐部包括在所述光谐振器中的所述循环光的所述路径中，所述波长调谐部选择性地调节所述光谐振器的折射率或光反馈，以控制所述调制光信号的波长。

18.根据权利要求2所述的激光器，其中，所述光谐振器包括环形结构，所述环形结构具有与所述输出耦合器的所述输入端口和所述通过端口光耦合的相对端，所述环形结构与输出耦合器限定出用于所述循环光的环形谐振器。

19.根据权利要求2所述的激光器，其中，所述光谐振器还包括光耦合到所述输出耦合器的所述输入端口和所述通过端口中的每一个的反射器，所述反射器对于所述循环光构建驻波图。

20.根据权利要求1所述的激光器，其中，在半导体晶片上的所述光谐振器内单体地形成所述输出耦合器。

21.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述输出耦合器异体地集成在所述光谐振器内。

22.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述光谐振器是高精密的、微米或毫米级谐振器。

23.一种调制激光器的方法，所述激光器包括用于光在其内循环的光谐振器和容纳在所述光谐振器内的循环光的路径中的增益介质，所述方法包括：

向所述增益介质传递高于所述光谐振器的激光器阈值的激发能量，以使所述循环光发生相干振荡；

在所述光谐振器内的所述循环光的所述路径中提供输出耦合器；

确定用于所述输出耦合器的控制信号，所述输出耦合器响应于所述控制信号，以选择性地允许一部分所述循环光离开所述光谐振器；以及

使用所述控制信号控制所述输出耦合器，以产生调制光信号。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，控制所述输出耦合器包括：

将所述循环光接收到所述输出耦合器的输入端口中；

响应于所述控制信号，在所述输出耦合器的输出耦合端口产生所述调制光信号；以及

将未发出的光引导到所述输出耦合器的通过端口，以保留在所述光谐振器内。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，干涉部在所述输入端口与所述输出耦合端口和所述通过端口中的每一个之间提供光耦合，以及控制所述输出耦合器包括使用所述控制信号来控制所述干涉部的操作特性，以在所述干涉部中提供选择性的光干涉。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，控制所述干涉部的操作特性在所述输出耦合端口产生所述调制光信号以及在所述通过端口产生与所述调制光信号互补的光信号。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述干涉部的操作特性是折射率和增益/衰减中的一个。

28.根据权利要求23所述的方法，其中，控制所述输出耦合器包括调制所述调制光信号中的振幅和相位中的至少一个。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，控制所述输出耦合器包括将振幅、相位偏移键控（PSK）和正交振幅调制（QAM）调制方案中的至少一个应用于所述调制光信号。

30.根据权利要求23所述的方法，还包括共同控制所述输出耦合器和所述泵，以使所述激光器的调制响应与所述循环光的由于与所述增益介质相互作用而造成的固有响应去耦合。

31.根据权利要求23所述的方法，还包括共同控制所述输出耦合器和所述泵，以使所述循环光的功率级保持在选择的稳态功率级附近的可操作范围内。

32.根据权利要求23所述的方法，其中，控制所述输出耦合器包括选择超过所述激光器的弛豫谐振频率的调制速率，以及以所选择的调制速率控制所述输出耦合器。

33.根据权利要求23所述的方法，其中，控制所述输出耦合器包括控制输出耦合的系数的幅度变化。

34.根据权利要求23所述的方法，其中，所述激发能量包括dc激发能量。

35.根据权利要求23所述的方法，其中，所述调制输出信号没有啁啾或者具有可控制的啁啾。

36.根据权利要求23所述的方法，其中，所述方法还包括通过使用包括在所述光谐振器内的所述循环光的所述路径中的至少一个波长调谐部，选择性地调节所述光谐振器的折射率或光反馈，来控制所述调制光信号的波长。

Images