DE69819219T2

DE69819219T2 - Stabilisation der Wellenlänge in verstimmbaren Halbleiterlasern

Info

Publication number: DE69819219T2
Application number: DE69819219T
Authority: DE
Inventors: John Evan New Providence Johnson
Original assignee: Agere Systems Optoelectronics Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 1997-02-11
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: EP0858138B1; DE69819219D1; JP3301376B2; US5832014A; EP0858138A3; EP0858138A2; JPH10223964A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein abstimmbare Laser und andere abstimmbare optische Signalquellen und insbesondere Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge eines optischen Signals, das durch eine abstimmbare optische Signalquelle erzeugt wird.
Allgemeiner Stand der Technik
Ein Haupthindernis für die weitverbreitete Kommerzialisierung von abstimmbaren Halbleiterlasern ist die langfristige Wellenlängenstabilität. Bei vielen abstimmbaren Lasern wird die Ausgangswellenlänge geregelt, indem Strom an einen Abstimmabschnitt angelegt wird, um den Brechungsindex über den Plasmaeffekt zu ändern. Bei einem typischen, auf zwei Abschnitte verteilten Braggschen Reflektor- (DBR-) Laser zum Beispiel, der einen Verstärkungsabschnitt und einen Abstimmabschnitt aufweist, wird die Ausgangswellenlänge abgestimmt, indem die Braggsche Wellenlänge λ_B des Abstimmabschnitts der folgenden Gleichung entsprechend geändert wird: λB = 2neff Λg wobei n_eff der effektive Brechungsindex des Abstimmabschnitts und Λ_g die Gitterweite eines Gitters im Abstimmabschnitt ist. Die Ausgangswellenlänge ist also eine Funktion des Brechungsindexes, der wiederum proportional zur Ladungsträgerdichte in einer aktiven Halbleiterschicht des Abstimmabschnitts ist.
Bei vielen praktischen Anwendungen ist es wünschenswert, den Laser mit einer festen Einstellung zu betreiben, in welcher der Abstimmstrom, der an die aktive Schicht angelegt wird, im Wesentlichen konstant ist. Da stromabgestimmte Laser aber unter konstanten Vorlastbedingungen altern, neigt die Ladungsträgerdichte dazu, aufgrund von Faktoren wie der Nukleierung strahlungsloser Fehler oder der Zunahme von Leckströmen um die aktive Schicht herum abzunehmen, wodurch die Wellenlänge verschoben wird. Diese Verschiebung kann erheblich sein und sogar dazu führen, dass der Laser große diskrete Modensprünge durchführt. Nähere Informationen in Bezug auf die Wellenlängenstabilisierungsprobleme bei DBR-Lasern sind zum Beispiel in „The Effects of Aging on the Bragg Section of a DBR Laser" von S. L. Woodward et al., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 5, Nr. 7, S. 750–752, Juli 1993, zu finden.
Konventionelle Ansätze zur Lösung des Wellenlängenstabilisierungsproblems bei abstimmbaren Halbleiterlasern beinhalten allgemein die Überwachung der Laserwellenlänge mit präzisen Filtern. Beispielhafte Filtertechniken sind zum Beispiel in „Active Wavelength Measurement System Using an InGaAs-InP Quantum-Well Electroabsorption Filtering Detector" von T. Coroy et al., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 8, Nr. 12, S. 1686–1688, Dezember 1996, „100-GHz-Spaced 8-Channel Frequency Control of DBR-Lasers for Virtual Wavelength Path Cross-Connect System" von M. Teshima und M. Koga, IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 8, Nr. 12, S. 1701–1703, Dezember 1996, und „Method for Setting the Absolute Frequency of a Tunable, 1,5 μm Two-Section DBR Laser" von C. R. Giles und T. L. Koch, IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 2, Nr. 1, S. 63– 65, Januar 1990, zu finden.
Diese Filtertechniken können aber kostspielig und bei vielen praktischen Anwendungen schwer implementierbar sein. Darüber hinaus sind die erforderlichen Filter oft nicht dazu geeignet, mit dem Halbleiterlaser auf einem Chip integriert zu werden.
Eine andere konventionelle Wellenlängenstabilisierungs technik wird in „A Control Loop Which Ensures High Side-Mode-Suppression Ratio in a Tunable DBR Laser" von S. L. Woodward et al., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 4, Nr. 5, S. 417–419, Mai 1992, beschrieben. Diese Technik verwendet einen Regelkreis, um den an einen Abstimmabschnitt eines DBR-Lasers angelegten Strom auf der Basis einer Messung des Laserlichts zu regeln, das den Abstimmabschnitt durchdringt. Das Laserlicht wird in einem integrierten Sensor erkannt, und der Regelkreis stellt den Abstimmstrom so ein, dass die Wellenlänge des ausgegebenen Laserlichts stets im Zentrum des Braggschen Bands liegt. Der Regelkreis gewährleistet, dass der DBR-Laser trotz der Alterungseinflüsse im Einmodenbetrieb bleibt. Diese Technik ist aber nur bei wenigen abstimmbaren DBR-Laserdesigns verwendbar und eignet sich allgemein nicht zur Verwendung bei einem abstimmbaren Laser, der mit einer anderen Wellenlänge betrieben wird als der, die dem Zentrum des Braggschen Bands entspricht.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12 zur Wellenlängenstabilisierung bei einem abstimmbaren Halbleiterlaser oder anderen optischen Signalquellen bereit, umfassend das Erkennen der spontanen Emission (SE) aus einem Abstimmabschnitt der optischen Signalquelle und das Verwenden der erkannten SE in einem Regelkreis, um die Wellenlänge eines von der Signalquelle erzeugten optischen Signals zu regeln.
Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform wird eine wellenlängengeregelte abstimmbare optische Signalquelle bereitgestellt, die einen Verstärkungsabschnitt und mindestens einen Abstimmabschnitt umfasst. Ein Sensor wird verwendet, um die SE aus dem Abstimmabschnitt der optischen Signalquelle zu erkennen. Der Sensor kann mit dem Verstärkungsabschnitt und dem Abstimmabschnitt in einem Chip integriert sein oder benachbart zum Chip angeordnet sein, um die SE von einer Seite des Abstimmabschnitts zu erkennen. In beiden Fällen können ein oder mehrere Isolationsbereiche auf dem Chip ausgebildet sein, um den Sensor von der SE zu isolieren, die vom Verstärkungsabschnitt erzeugt wird, sowie vom Laserlicht, das durch den Verstärkungsabschnitt gestreut wird. In anderen Ausführungsformen kann die SE erkannt werden, indem ein Anteil der optischen Signalleistung aus einer Ausgangsfaser an einen externen Sensor gekoppelt wird. Die Kopplung aus der Ausgangsfaser kann mit einem optischen Spalter, einem wellenlängenmultiplexierten (WDM) Koppler oder einem anderen geeigneten optischen Signalkoppler implementiert werden. Vor dem Sensor kann eine Filterung verwendet werden, um jede gekoppelte SE des Verstärkungsabschnitts oder das Laserlicht aus der Ausgangsfaser auszufiltern. Die von einem internen oder externen Sensor erkannte SE wird dann in einem Regelkreis verwendet, um die Wellenlänge des optischen Signals zu regeln. Der Regelkreis kann zum Beispiel betrieben werden, um die erkannte SE des Abstimmabschnitts auf ein im Wesentlichen konstantes Niveau zu halten, so dass der Wellenlänge des ausgegebenen Laserlichts trotz der Abnahme der Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht stabilisiert wird, die durch Einflüsse wie z. B. Alterung bedingt ist.
In einer anderen Ausführungsform kann die Ausgangswellenlänge einer abstimmbaren optischen Quelle mit mehrfachen Abstimmabschnitten mit Hilfe von entsprechenden mehrfachen SE-Sensoren und Regelkreisen stabilisiert werden. Ein DBR-Laser mit mehreren Abschnitten kann zum Beispiel einen Verstärkungsabschnitt, einen DBR-Abstimmabschnitt und einen Phasenabstimmabschnitt umfassen. Ein erster integrierter oder externer SE-Sensor, der zum DBR-Abstimmabschnitt gehört, erkennt SE aus dem DBR-Abstimmabschnitt und treibt einen Eingang einer ersten spannungsgeregelten Stromquelle. Die Stromquelle regelt die Strommenge, die dem DBR-Abstimmabschnitt zugeführt wird, so, dass die SE, die aus dem DBR-Abstimmabschnitt erkannt wird, auf einem ersten Niveau gehalten wird. Ein zweiter integrierter oder externer SE-Sensor, der zum Phasenabstimmabschnitt gehört, erkennt die SE aus dem Phasenabstimmabschnitt und treibt einen Eingang einer zweiten spannungsgeregelten Stromquelle. Die zweite Stromquelle regelt die Strommenge, die dem Phasenabstimmabschnitt zugeführt wird, so, dass die SE, die aus dem Phasenabstimmabschnitt erkannt wird, auf einem zweiten Niveau gehalten wird. Die elektrische Isolation zwischen den zwei SE-Sensoren kann durch geätzte oder implementierte Isolationsbereiche vorgesehen werden, die auf geeignete Weise angeordnet werden. Dies ermöglicht die separate Regelung der SE aus dem DBR-Abstimmabschnitt und aus dem Phasenabstimmungsabschnitt sogar in Anwendungen, bei denen die SE-Spektren des DBR-Abstimmabschnitts und des Phasenabstimmabschnitts sich überschneiden. Die vorliegende Erfindung lässt sich daher optional in abstimmbaren Quellen mit mehrfachen Abstimmabschnitten implementieren, durch Verwendung mehrfacher Regelkreise, wobei jeder dieser Regelkreise die Wellenlänge des ausgegebenen Laserlichts der SE entsprechend regelt, die aus einem bestimmten Abstimmabschnitt erkannt wird.
Die vorliegende Erfindung stellt Wellenlängenstabilisierungstechniken bereit, die leichter implementierbar und weniger kostspielig sind als konventionelle Stabilisierungstechniken wie z. B. solche, die eine präzise Filterung beinhalten. Die Erfindung kann zum Beispiel mit einem oder mehreren SE-Sensor(en) implementiert werden, die geeignet sind, mit einem abstimmbaren Halbleiterlaser in einen Chip integriert zu werden. Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus den beiliegenden Zeichnungen und der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen beispielhaften abstimmbaren Halbleiterlaser mit Wellenlängenstabilisierung, der einen integrierten Sensor verwendet, um die spontane Emission (SE) aus einem Abstimmabschnitt des erfindungsgemäßen Lasers zu erkennen.
2A ist eine detaillierte Ansicht eines Abschnitts des abstimmbaren Lasers von 1.
2B ist eine Querschnittsansicht des Abschnitts des abstimmbaren Lasers, der in 2A dargestellt ist.
3 zeigt eine beispielhafte Implementierung eines externen SE-Sensors, der geeignet ist, zur erfindungsgemäßen Wellenlängenstabilisierung verwendet zu werden.
4 zeigt eine andere beispielhafte Implementierung eines externen SE-Sensors, der geeignet ist, zur erfindungsgemäßen Wellenlängenstabilisierung verwendet zu werden.
5 zeigt einen beispielhaften abstimmbaren Halbleiterlaser mit Wellenlängenstabilisierung, der eine Inline-Überwachungstechnik verwendet, um die SE aus einem Abstimmabschnitt des erfindungsgemäßen Lasers zu erkennen.
6 zeigt ein beispielhaftes optisches Spektrum in der überwachten Leitung von 5 und ein entsprechendes Ansprechverhalten eines Bandpassfilters, das geeignet ist, mit der Inline-Überwachungstechnik von 5 verwendet zu werden.
7 zeigt eine andere Implementierung einer Inline-Überwachungstechnik, die verwendet werden kann, um die SE aus dem Abstimmabschnitt des abstimmbaren Lasers von 5 zu erkennen.
8 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines wellenlängenstabilisierten abstimmbaren Halbleiterlasers mit mehrfachen Abstimmabschnitten, SE-Sensoren und erfindungsgemäßen Regelkreisen.
9 ist eine graphische Darstellung eines optischen Ausgabespektrums, das vom Laser mit mehrfachem Abstimmabschnitt in der beispielhaften Ausführungsform von 8 erzeugt werden kann.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird unten in Verbindung mit beispielhaften abstimmbaren Halbleiterlasern veranschaulicht. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung eines bestimmten Lasertyps beschränkt ist, sondern vielmehr allgemein auf jede optische Quelle anwendbar ist, in welcher die Wellenlänge durch Rückkopplungsregelung der erkannten spontanen Emission (SE) stabilisiert werden kann. Die Erfindung ist zum Beispiel zur Verwendung mit einem abstimmbaren einfachen, auf zwei Abschnitte verteilten Braggschen Reflektor (DBR)-Laser geeignet, der einen Verstärkungsabschnitt und einen einzigen Abstimmabschnitt aufweist, sowie mit komplexeren Geräten wie z. B. einem abstimmbaren DBR-Laser mit vier Abschnitten und Gitter, der einen Verstärkungsabschnitt, zwei DBR-Abstimmabschnitte und einen Phasenabstimmabschnitt aufweist. Die Erfindung kann aber auch mit anderen abstimmbaren Lasern verwendet werden, die keine DBR-Laser sind. Der Begriff „abstimmbarer Laser" schließt hier optische Signalquellen jeder Art ein, in denen die Ausgangswellenlänge abgestimmt oder auf andere Weise geregelt werden kann, indem der am Abstimmabschnitt angelegte Strom oder andere Betriebsparameter variiert werden. Der Begriff „Stabilisierung" schließt nicht nur das Halten der Ausgangswellenlänge auf einen bestimmten Vorgabewert ein, sondern auch andere Arten der Wellenlängenregelung, einschließlich des Vorsehens einer gewünschten Änderung der Wellenlänge, die zeitabhängig, temperaturabhängig oder von anderen Betriebsbedingungen abhängig sein kann. Der Begriff „spontane Emission" schließt jede Art von Rauschen oder ein anderes Signal oder andere Signale ein, die von einem Laser oder von einer anderen optischen Quelle emittiert werden, welches proportional zur Ladungsträgerdichte in der aktiven Schicht und daher zur Ausgangswellenlänge ist. Der Begriff „Abstimmabschnitt" schließt sowohl DBR-Gitterabstimmabschnitte als auch Phasenabstimmabschnitte ein, sowie Abstimmabschnitte anderen Typs. Der Begriff „Laserlicht" bezieht sich hier auf das gewünschte optische Primärsignal, das von einem Laser oder von einer anderen optischen Quelle erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Wellenlängenstabilisierung wird durch Überwachung der spontanen Emission (SE) aus einem Abstimmabschnitt eines abstimmbaren Lasers erreicht. Die vorliegende Erfindung basiert zum Teil darauf, dass die SE aus einem Abstimmabschnitt eines DBR-Lasers oder eines anderen abstimmbaren Lasertyps allgemein proportional zur Ladungsträgerdichte in der oder den aktiven Schicht(en) des Abstimmabschnitts ist. Die erkannte SE des Abstimmabschnitts kann daher in einem Regelkreis benutzt werden, der die Ausgangswellenlänge stabilisiert, indem er die erkannte SE und dadurch die Ladungsträgerdichte der aktiven Schicht auf gewünschten Niveaus hält. Der Regelkreis kann zum Beispiel verwendet werden, um ein erkanntes SE-Signal auf ein vorgegebenes konstantes Niveau zu halten, so dass die Ladungsträgerdichte der aktiven Schicht und dadurch der effektive Brechungsindex n_eff des Abstimmabschnitts ebenfalls konstant bleiben, wodurch das Ausgangslaserlicht eine im Wesentlichen konstante Wellenlänge aufweist.
1 zeigt einen beispielhaften erfindungsgemäßen wellenlängenstabilisierten abstimmbaren Halbleiterlaser 10. Der Laser 10 umfasst einen abstimmbaren DBR-Chip 12 mit einem Verstärkungsabschnitt 14 und einem Abstimmabschnitt 16. Der Verstärkungsabschnitt 14 wird durch einen Verstärkungsstrom I_gain getrieben, während der Abstimmabschnitt 16 durch einen Abstimmstrom I_tune getrieben wird. Ein optischer Wellenleiter 18 verläuft über oder durch den Verstärkungsabschnitt 14 und den Abstimmabschnitt 16 des DBR-Chips 12. Der Abstimmabschnitt 16 umfasst ein Gitter, das in dieser Abbildung als eine Anzahl von parallelen vertikalen Linien dargestellt ist, die den Wellenleiter 18 schneiden. Der DBR-Chip 12 erzeugt ein optisches Ausgangssignal, das eine bestimmte Wellenlänge und eine optische Gesamtausgabe P_out aufweist. Der DBR-Chip 12 ist ein Laser mit zwei Abschnitten, wobei die Ausgangswellenlänge geregelt wird, indem die Größe des Stroms I_tune, der an den Abstimmabschnitt 16 angelegt wird, wodurch der Brechungsindex n_eff des Abstimmabschnitts variiert wird. Die Ausgangswellenlänge ist auch abhängig von der Gitterweite Λ_g, die dem Abstand zwischen benachbarten Gitterelementen des Gitters im Abstimmabschnitt 16 entspricht.
Der wellenlängenstabilisierte Laser 10 umfasst außerdem einen integrierten SE-Sensor 20. Der Sensor 20 ist zusammen mit dem Verstärkungsabschnitt 14 und dem Abstimmabschnitt 16 im DBR-Chip 12 integriert. Der Sensor 20 ist gegenüber der oder den Wellenlänge(n) der vom Abstimmabschnitt 16 emittierten SE empfindlich und benachbart zum Abstimmabschnitt 16 angeordnet, um die SE zu empfangen, wie in 1 durch die in den Sensor 20 eindringenden Pfeile dargestellt. Der Sensor 20 erzeugt ein Stromsignal I_det „SE erkannt", das proportional zur Menge der erkannten SE ist. Das Stromsignal I_det „SE erkannt" wird über eine Rückkopplungsleitung 22 zu einem ersten Eingang einer spannungsgeregelten Stromquelle 24 geleitet. Der erste Eingang der Stromquelle 24 ist über einen Widerstand R₁ mit dem Massepotenzial verbunden. Ein zweiter Eingang der Stromquelle 24 ist über einen Regelwiderstand R_set mit einer Spannungsquelle V_cc und über einen Widerstand R₂ mit dem Massepotenzial verbunden. Der Widerstand R_set wird geregelt, um eine Sollspannung zu ändern, die am zweiten Eingang der Stromquelle 24 anliegt. Die Stromquelle 24 erzeugt den Abstimmstrom I_tune, der an den Abstimmabschnitt 16 des DBR-Chips 12 angelegt wird, um die Ladungsträgerdichte der aktiven Schicht und dadurch den effektiven Brechungsindex n_eff und die Ausgangswellenlänge des optischen Signals wie oben beschrieben zu regeln. Der wellenlängenstabilisierte Laser 10 in dieser Ausführungsform umfasst daher einen Regelkreis, der den integrierten SE-Sensor 20, die Leitung 22 und die spannungsgeregelte Stromquelle 24 einschließt. Der Regelkreis wird betrieben, um den Abstimmstrom I_tune so zu regeln, dass die erkannte SE eine entsprechende Spannung am ersten Eingang der Stromquelle 24 erzeugt, die der Sollspannung am zweiten Eingang der Stromquelle 24 entspricht. Auf diese Weise wird der Regelkreis von 1 betrieben, um die erkannte SE auf eine im Wesentlichen konstante Menge zu halten, und dadurch die Ladungsträgerdichte der aktiven Schicht, den effektiven Brechungsindex n_eff und die Wellenlänge des ausgegebenen Laserlichts im Wesentlichen konstant zu halten.
2A und 2B zeigen den beispielhaften DBR-Chip 12 von 1 mit näheren Details. 2A zeigt, dass der Chip 12 in dieser Ausführungsform konfiguriert wurde, um einen ersten elektrischen Isolationsbereich 30 zu enthalten, der den Verstärkungsabschnitt 14 vom Abstimmabschnitt 16 und dem integrierten Sensor 20 trennt, und einen zweiten elektrischen Isolationsbereich 32, der den Abstimmabschnitt 16 vom integrierten Sensor 20 trennt. Die Isolationsbereiche 30, 32 können als Graben oder implantierte Bereiche implementiert werden und sind vorgesehen, um die Menge des Licht, das keine SE ist, oder des SE-Lichts aus dem Verstärkerabschnitt zu reduzieren, die am integrierten Sensor 20 einfällt. 2B zeigt eine Querschnittsansicht eines DBR-Chips 12 entlang der Schnittlinie B-B' von 2A. Wie zu sehen ist, ist der DBR-Chip 12 ein Mehrschichtenaufbau, der in dieser Ausführungsform ein Substrat 40 vom Typ n-InP, aktive Bereiche 41 und 43, die eine Anzahl von im Wesentlichen intrinsischen InGaAsP-Schichten umfassen, und einen oberen Überzugsbereich 42 vom Typ p-InP umfasst. Der obere Überzugsbereich 42 kann auch eine oder mehrere InGaAsP-Schichten umfassen. Der Mehrschichtenaufbau umfasst zudem eine Anzahl von stromsperrenden Bereichen 44, die durch mehrfache Schichten aus InP gebildet werden, die so dotiert sind, dass Ladungsträger, die aus den n-InP- und p-Inp-Bereichen 40 und 42 zugeführt werden, von den seitlich angeordneten intrinsisch aktiven Bereichen 41 und 43 eingeschlossen werden. Der elektrische Isolationsbereich 32 ist zwischen den elektrischen Kontaktschichten 16a des Abstimmabschnitts 16 und den elektrischen Kontaktschichten 20a des Sensors 20 angeordnet.
Die Bereiche 40, 41, 42, 43 und 44 des DBR-Chips 12 bilden allgemein eine Anzahl von positiv-intrinsischnegativen (p-i-n) Diodenstrukturen. Die p-i-n-Diodenstruktur, die zum Abstimmabschnitt 16 gehört, der durch die Bereiche 42, 41 und 40 gebildet wird, sorgt für einen maximalen elektrischen Einschluß der zugeführten Ladungsträger sowie für den optischen Einschluß des Laserlichts, das im Verstärkungsabschnitt 14 erzeugt wird. Im Betrieb weist die zum Abstimmabschnitt 16 gehörige p-i-n-Diodenstruktur allgemein eine Durchlassvorspannung auf, die bewirkt, dass die SE aus dem aktiven Bereich 41 emittiert wird, wie allgemein durch die gewellten Pfeile in 2B angezeigt. Die zum integrierten Sensor 20 gehörige p-i-n-Diodenstruktur, die durch Bereiche 42, 43 und 40 gebildet wird, ist allgemein angeordnet, um einen Teil der vom Bereich 41 emittierten SE zu absorbieren. Die zum integrierten Sensor 20 gehörige p-i-n-Diodenstruktur ist allgemein im Sperrichtungsbetrieb. Der beispielhafte Mehrschichtenaufbau, der in 2B gezeigt wird, ist vom Typ, der mit einem konventionellen „capped-mesa buried heterostructure" (CMBH)-Laserverfahren hergestellt wird. Es ist anzumerken, dass die Erfindung mit abstimmbaren Lasern implementiert werden kann, die mit einer großen Vielfalt anderer Strukturen mit jedem anderen Verfahren hergestellt werden.
3 und 4 zeigen zwei beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, wobei der integrierte SE-Sensor 20 des wellenlängenstabilisierten Lasers 10 von 1 durch einen externen SE-Sensor ersetzt wird. 3 zeigt den DBR-Chip 12 mit dem Verstärkungsabschnitt 14, dem Abstimmabschnitt 16 und dem Wellenleiter 18, wie oben beschrieben. Die SE aus dem Abstimmabschnitt wird in 3 durch einen p-i-n-Diodensensor 50 erkannt, der von einem Befestigungsblock 52 getragen wird. Der Sensor 50 ist mit seiner Vorderseite benachbart zu einer Seitenkante des DBR-Chips 12 angeordnet, um die SE aus der entsprechenden Seite des Abstimmabschnitts wie gezeigt zu empfangen. Der DBR-Chip 12 umfasst einen Isolationsbereich 54, der als Graben oder implantierter Bereich implementiert werden kann. Der Isolationsbereich 54 reduziert die Mengen der SE aus dem Verstärkungsabschnitt und des gestreuten Laserlichts, die auf den externen p-i-n-Diodensensor 50 einfallen. Der externe Sensor 50 kann auch einen integrierten Filter auf seiner Vorderseite umfassen, um für eine zusätzliche Ausfilterung der SE aus dem Verstärkungsabschnitt und des gestreuten Laserlichts zu sorgen. 4 zeigt den DBR-Chip 12 mit dem Verstärkungsabschnitt 14, dem Abstimmabschnitt 16, dem Wellenleiter 18, dem externen p-i-n-Diodensensor 50, dem Befestigungsblock 52 und dem Isolationsbereich 54, wie oben beschrieben. Die Ausführungsform in 4 umfasst auch eine Linse 5b, die die SE aus dem Abstimmabschnitt 16 sammelt und auf den externen Sensor 50 fokussiert. Ein Filter 58 ist zwischen der Linse 56 und dem Sensor 50 angeordnet, um eine zusätzliche Ausfilterung der SE des Verstärkungsabschnitts und des gestreuten Laserlichts zu gewährleisten. Obwohl die Ausführungsform von 4 allgemein sperriger ist als die von 3, kann sie bei bestimmten Anwendungen eine größere Empfindlichkeit für die Erkennung der SE des Abstimmabschnitts und eine bessere Ausfilterung der SE des Verstärkungsabschnitts und des gestreuten Laserlichts gewährleisten.
5 zeigt einen wellenlängenstabilisierten abstimmbaren Laser 10 N, wobei die SE aus dem Abstimmabschnitt in einer Lichtleitfaser 60 überwacht wird, die an einen Ausgang des DBR-Chips 12 gekoppelt ist. Die Lichtleitfaser 60 kann eine konventionelle Einmodenglasfaser sein. Der DBR-Chip 12 erzeugt eine optische Gesamtausgabe Pout, die auf konventionelle Weise an die Faser 60 gekoppelt wird. Die optische Ausgabe P_out umfasst die SE aus dem Verstärkungsabschnitt 14, die SE aus dem Abstimmabschnitt 16 und Laserlicht, dessen Wellenlänge vom Abstimmstrom I_tune abhängig ist, der am Abstimmabschnitt 16 angelegt wird. Ein Anteil der optischen Gesamtausgabe P_out an die Faser 60 wird über einen optischen Koppler 62 an einen Eingang eines Bandpassfilters 64 gekoppelt. Der verbleibende Anteil P_outN der optischen Gesamtausgabe P_out erscheint am Ausgang der Lichtleitfaser 60. Der Koppler 62 kann als ein optischer Spalter oder als ein optischer Signalkoppler eines anderen geeigneten Typ implementiert werden und so konfiguriert werden, dass etwa 1% bis 10% der optischen Signalleistung, die vom DBR-Chip 12 erzeugt wird, an den Eingang des Bandpassfilters 64 gekoppelt wird. Der Bandpassfilter 69 ist vorgesehen, um die Wellenlängen der SE aus dem Abstimmabschnitt durchzulassen, während er die Wellenlängen der SE aus dem Verstärkungsabschnitt und des Laserlichts sperrt.
6 zeigt eine beispielhafte Spektralkurve der optischen Gesamtausgabe P_out des DBR-Chips 12 als eine Funktion der Wellenlänge λ und ein entsprechendes Ansprechverhalten R(λ) für den Bandpassfilter 64. Die Kurve P_out(λ) zeigt die SE des Abstimmabschnitts, die auf einer Wellenlänge von etwa 1,3 bis 1,4 μm zentriert ist, die SE des Verstärkungsabschnitts, die auf einer Wellenlänge von etwa 1,55 bis 1,6 μm zentriert ist, und das Laserlicht. Das Ansprechverhalten R(λ) des Bandpassfilters 64 ist auf die mittlere Wellenlänge der SE des Abstimmabschnitts von 1,3 bis 1,4 μm zentriert und lässt daher die SE des Abstimmabschnitts durch, während es die SE des Verstärkungsabschnitts und das Laserlicht dämpft. Die spezifische Charakteristik des Bandpassfilters, die in einer bestimmten Anwendung verwendet wird, ist allgemein von Faktoren wie die relativen Wellenlängen und Leistungspegel der SE des Abstimmabschnitts, der SE des Verstärkungsabschnitts und des Laserlichts abhängig. In anderen Ausführungsformen kann der Bandpassfilter 64 durch einen Tiefpassfilter ersetzt werden, der vorgesehen wird, um die SE des Abstimmabschnitts durchzulassen, während die SE des Verstärkungsabschnitts und das Laserlicht ausgefiltert werden.
Wieder auf 5 Bezug nehmend, wird die gefilterte SE des Abstimmabschnitts an den SE-Sensor 66 angelegt, um ein Stromsignal I_det „SE erkannt" zu erzeugen, das an einen Eingang der spannungsgeregelten Stromquelle 24 angelegt wird. Die Quelle 24 erzeugt den Abstimmstrom I_tune, der an den Abstimmabschnitt 16 angelegt wird, um die Wellenlänge des vom DBR-Chip 12 erzeugten Laserlichts zu regeln. Die Quelle 24 ändert den Strom I_tune so, dass die Spannung, die durch den Widerstand R₁ vom Stromsignal I_det „SE erkannt" am ersten Eingang der Quelle 24 erzeugt wird, im Wesentlichen einer Sollspannung entspricht, die am zweiten Eingang der Quelle 24 durch den Spannungsteiler des Widerstands R₂ und den Regelwiderstand R_set erzeugt wird. Der wellenlängenstabilisierte Laser von 5 weist daher einen Regelkreis auf, der den optischen Koppler 62, den Bandpass filter 64, den SE-Sensor 66 und die spannungsgeregelte Stromquelle 24 umfasst. Wie der entsprechende Regelkreis von 1 wird der Regelkreis von 5 betrieben, um den Abstimmstrom I_tune so zu regeln, dass die erkannte SE des Abstimmabschnitts eine Spannung am ersten Eingang der Stromquelle 24 erzeugt, die der Sollspannung am zweiten Eingang der Stromquelle 24 entspricht. Der Regelkreis von 5 hält die Menge der erkannten SE des Abstimmabschnitt im Wesentlichen konstant, wodurch die Ladungsträgerdichte der aktiven Schicht, der effektive Brechungsindex n_eff und die Wellenlänge des ausgegebenen Laserlichts im Wesentlichen konstant bleiben.
7 zeigt eine andere Ausführungsform des wellenlängenstabilisierten abstimmbaren Lasers von 5, wobei der optische Koppler 62 als wellenlängenmultiplexierter (WDM) Koppler 70 implementiert ist. Der WDM-Koppler 70 teilt die optische Gesamtausgabe P_out des DBR-Chips 12 in einen ersten Kanal, der an eine Lichtleitfaser 72 gekoppelt ist, und in einen zweiten Kanal auf, der an eine Lichtleitfaser 74 gekoppelt ist. Der erste Kanal kann auf eine Wellenlänge von etwa 1,55 μm zentriert sein, während der zweite Kanal auf eine Wellenlänge von etwa 1,3 μm ist. Wenn das Spektrum der Gesamtausgabeleistung P_out, die vom DBR-Chip 12 erzeugt wird, dem in 6 gezeigten entspricht, schließt der erste Kanal, der mit der Lichtleitfaser 72 verbunden ist, die SE des Verstärkungsabschnitts und das Laserlicht ein, während der zweite Kanal, der mit der Lichtleitfaser 74 verbunden ist, die SE des Abstimmabschnitts einschließt. Die SE des Abstimmabschnitts wird daher über den WDM-Koppler 70 und die Faser 74 zum SE-Sensor 66 geleitet. Die erkannte SE des Abstimmabschnitts wird dann in einem Regelkreis verwendet, wobei die spannungsgeregelte Stromquelle 24 den Abstimmstrom I_tune so regelt, dass die SE des Abstimmabschnitts auf ein vorgegebenes Niveau gehalten wird und die Wellenlänge des ausgegebenen Laserlichts im Wesentlichen konstant bleibt. Die Wellenlängenkanäle des WDM-Kopplers sind für eine optimale Kopplung der SE des Abstimmabschnitts an die Faser 74 spezifiziert, mit maximaler Sperrung der SE des Verstärkungsabschnitts und des Laserlichts. Die Verwendung des WDM-Kopplers, wie in 7 gezeigt, kann gegenüber der Ausführungsform von 5 einige Vorteile bieten, wie z. B. erhöhte Empfindlichkeit und Kostensenkung. Es ist anzumerken, dass die Inline-Überwachungstechniken, die in 5 und 7 dargestellt sind, zur Verwendung mit manchen optischen Quellen nicht geeignet sind, wie z. B. Geräte mit elektroabsorbierenden (EA) Modulatoren, die die SE des Abstimmabschnitts stark dämpfen, Geräte, in denen die SE-Wellenlängen des Abstimmabschnitts zu nahe an den Wellenlängen der SE des Verstärkungsabschnitts oder des Laserlichts liegen, oder Geräte mit mehrfachen Abstimmabschnitten, die sich überschneidende SE-Spektren erzeugen. In diesen Fällen können jedoch Ausführungsformen wie die in Verbindung mit 1, 3 und 4 beschriebenen verwendet werden, um eine Wellenlängenstabilisierung zu erreichen.
8 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zwei Regelkreise verwendet, um die erkannten SE-Signale aus zwei verschiedenen Abstimmabschnitten eines abstimmbaren Lasers 100 zu überwachen und zu regeln. Der in 8 gezeigte wellenlängenstabilisierte abstimmbare Laser 100 umfasst einen DBR-Chip 102 mit drei Abschnitten, der einen Verstärkungsabschnitt 104, einen DBR-Abstimmabschnitt 106 und einen Phasenabstimmabschnitt 112 aufweist. Der Verstärkungsabschnitt 104, der DBR-Abstimmabschnitt 106 und der Phasenabstimmabschnitt 112 werden durch jeweilige Stromsignale I_gain, I_DBR und I_phase angetrieben. Dieser Chip 102 erzeugt eine optische Gesamtausgabe P_out am Ausgang eines optischen Wellenleiters 108, der über oder durch die drei Abschnitte 104, 106 und 112 verläuft. Der Chip 102 umfasst einen ersten integrierten SE-Sensor 110 und einen zweiten integrierten SE-Sensor 114. Der erste Sensor 110 erkennt die SE aus dem DBR-Abstimmabschnitt 106 und legt das resultierende Stromsignal „SE erkannt" über die Leitung 22 an einen Eingang der spannungsgeregelten Stromquelle 24 an. Die Stromquelle 24 verwendet das Stromsignal „SE erkannt", um den Strom I_DBR zu regeln, der auf ähnliche Weise wie oben in Verbindung mit 1 beschrieben an den DBR-Abstimmabschnitt angelegt wird. Der erste Regelkreis, der den Sensor 110, die Leitung 22 und die Stromquelle 24 umfasst, wird daher betrieben, um die erkannte SE aus dem DBR-Abstimmabschnitt 106 auf einem ersten vorgegebenen Niveau zu halten, und dient daher dazu, die Wellenlänge des Laserlichts am Ausgang des Chips 102 zu stabilisieren.
Der zweite Sensor 114 erkennt die SE aus dem Phasenabstimmabschnitt 112 und legt das resultierende Stromsignal „SE erkannt" über die Leitung 122 an einen Eingang einer zweiten spannungsgeregelten Stromquelle 129 an. Die zweite Stromquelle 124 wird in Verbindung mit den Widerständen R₁N, R₂N und R_setN so betrieben, dass die Spannung, die durch den Widerstand R₁N vom Stromsignal „SE erkannt" erzeugt wird, einer Sollspannung entspricht, die durch einen Spannungsteiler von R₂N und R_setN festgelegt wird. Der zweite Regelkreis, der den Sensor 114, die Leitung 122 und die Stromquelle 124 umfasst, wird daher betrieben, um die gemessene SE aus dem Phasenabstimmabschnitt 112 auf einem zweiten vorgegebenen Niveau zu halten, und dient daher in Verbindung mit dem ersten Regelkreis auch dazu, die Wellenlänge des ausgegebenen Laserlichts zu stabilisieren. Der DBR-Chip 102 umfasst zudem eine Anzahl von implantierten oder geätzten Isolationsbereichen 130, 132, 134 und 136, die für die elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Bereichen des Chips 102 und den integrierten Sensoren 110 und 114 sorgen. Dadurch wird gewährleistet, dass das auf die integrierten Sensoren 110 und 114 einfallende Licht hauptsächlich die SE einschließt, die jeweils von den Abstimmabschnitten 106 und 112 erzeugt wird. Jeder SE-Sensor ist daher so angeordnet, dass er die SE erkennt, die in seinem jeweiligen Abstimmabschnitt erzeugt wird, statt die SE aus dem Verstärkungsabschnitt, das Laserlicht, das keine SE ist, oder die SE aus dem benachbarten Abstimmabschnitt zu erkennen. Dies ist besonders bei Abwendungen von Vorteil, in denen sich die SE-Spektren der Abstimmabschnitte vollständig oder teilweise überschneiden.
9 ist eine graphische Darstellung eines beispielhaften optischen Spektrums, die die optische Gesamtausgabe P_out als eine Funktion der Wellenlänge λ zeigt, die vom DBR-Chip 102 mit drei Abschnitten von 8 erzeugt werden können. Das Spektrum P_out(λ) schließt die SE aus dem Verstärkungsabschnitt 104, die SE aus dem DBR-Abstimmabschnitt 106, die SE aus dem Phasenabstimmabschnitt 112 und das Laserlicht ein. Die SE aus dem DBR-Abstimmabschnitt 106 und die SE aus dem Phasenabstimmabschnitt 112 überschneiden sich wie gezeigt in der Wellenlänge. Die Ausführungsform von 8 erlaubt die gleichzeitige Überwachung der SE aus dem DBR-Abstimmabschnitt 106 und der SE aus dem Phasenabstimmabschnitt 112 in zwei getrennten Regelkreisen, indem zwei separate elektrisch isolierte Sensoren wie oben beschrieben verwendet werden. Es ist anzumerken, dass die Ausführungsform von 8 auch mit den externen Sensoranordnungen von 3 und 4 sowie mit anderen Sensoranordnungen implementiert werden kann und sich leicht auf Anwendungen ausdehnen lässt, in denen die optische Quelle drei oder mehr Abstimmabschnitte aufweist.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung dienen nur der Veranschaulichung. Zahlreiche andere Ausführungsformen können vom Fachmann ersonnen werden, ohne vom Umfang der folgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Regeln der Wellenlänge des optischen Signals, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: Erkennen der spontanen Emission von einem Abstimmabschnitt (16) einer abstimmbaren optischen Signalquelle (10); und Verwenden der erkannten spontanen Emission in einer Rückkopplungsregelschleife (22, 24), um die Wellenlänge eines optischen Signals zu regeln, das von der optischen Signalquelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Verwendens der erkannten spontanen Emission in einer Rückkopplungsregelschleife (22, 24) weiterhin das Betreiben der Rückkopplungsregelschleife (22, 24) umfasst, so dass der Anteil der spontanen Emission auf einem im Wesentlichen konstanten Pegel gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erkennens der spontanen Emission von dem Abstimmabschnitt (16) weiterhin die folgenden Schritte umfasst: Konfigurieren der abstimmbaren optischen Signalquelle (10), um einen Detektor (20), der auf einem gemeinsamen Chip mit dem Abstimmabschnitt (16) integriert ist, und einen Verstärkungsabschnitt (14) einzuschließen, so dass der Detektor (20) von dem Verstärkungsabschnitt (14) durch einen Isolationsbereich (30) getrennt wird; Erkennen der spontanen Emission von dem Abstimm abschnitt (16) in dem integrierten Detektor (20).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erkennens der spontanen Emission von dem Abstimmabschnitt (16) weiterhin den Schritt des Erkennens der spontanen Emission in einem Detektor (50) umfasst, der außerhalb eines Chips (12) angeordnet ist, der den Abstimmabschnitt (16) enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Erkennens der spontanen Emission in einem Detektor (50), der außerhalb eines Chips (12) angeordnet ist, der den Abstimmabschnitt (16) enthält, weiterhin den Schritt des Erkennens der spontanen Emission in einem äußeren Detektor für p-i-n-Diode (50) umfasst, der auf einem Befestigungsblock (52) abgestützt und angeordnet ist, μm die spontane Emission zu erkennen, die von einer Seite des Abstimmabschnittes (16) emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Erkennens der spontanen Emission in einem Detektor (50), der außerhalb eines Chips (12) angeordnet ist, der den Abstimmabschnitt (1b) enthält, weiterhin den Schritt des Erkennens der spontanen Emission in einem äußeren Detektor (50) umfasst, der angeordnet ist, um die spontane Emission zu erkennen, die von einer Seite des Abstimmabschnittes (16) emittiert und auf den äußeren Detektor (50) über die Fokussierungsoptik (56) fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Erkennens der spontanen Emission von dem Abstimmabschnitt (16) weiterhin den Schritt umfasst: Erkennen der spontanen Emission in einem Abschnitt eines Ausganges der optischen Quelle (10).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Erkennens der spontanen Emission in einem Abschnitt des Ausganges der optischen Quelle (10) weiterhin den Schritt des Anlegens des Ausganges der optischen Quelle (10) an einen Wellenlängen-Multiplex-Koppler (70) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin den Schritt des Filterns des Abschnittes des Ausganges der optischen Quelle (10) vor dem Schritt des Erkennens der spontanen Emission in dem Abschnitt des Ausganges der optischen Quelle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Signalquelle (10) eine Mehrzahl von Abstimmabschnitten (106, 112) umfasst, der Schritt des Erkennens der spontanen Emission weiterhin den Schritt des Erkennens der spontanen Emission von den Abstimmabschnitten (106, 112) unter Verwendung einer entsprechenden Mehrzahl von Detektoren (110, 114) umfasst, und der Schritt des Verwendens der erkannten spontanen Emission in einer Rückkopplungsregelschleife weiterhin den Schritt des Verwendens der spontanen Emission umfasst, die von der Mehrzahl von Abstimmabschnitten (106, 112) in einer entsprechenden Mehrzahl von Rückkopplungsregelschleifen (22, 24; 122, 124) erkannt wird, um die Wellenlänge des optischen Signals zu regeln.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Mehrzahl von Abstimmabschnitten einen Phasenabstimmabschnitt (112) und einen Abstimmabschnitt des verteilten Bragg-Reflektors (106) umfasst.
Wellenlängengeregelte abstimmbare optische Signalquelle (10), umfassend: mindestens einen Abstimmabschnitt (16) und gekenn zeichnet durch einen Detektor (20) für das Erkennen der spontanen Emission von dem Abstimmabschnitt (16) der optischen Signalquelle (10); und eine Rückkopplungsregelschleife (22, 24), in welcher die durch den Detektor (20) erkannte spontane Emission verwendet wird, um die Wellenlänge eines optischen Signals zu regeln, das von der optischen Quelle (10) erzeugt wird.
Optische Signalquelle nach Anspruch 12, wobei die Rückkopplungsregelschleife (22, 24) betrieben wird, um den Anteil der erkannten spontanen Emission von dem Abstimmabschnitt (16) auf einem im Wesentlichen konstanten Pegel zu halten.
Optische Signalquelle nach Anspruch 12, wobei der Detektor (20) auf einem gemeinsamen Chip (12) mit dem Abstimmabschnitt (1b) und einem Verstärkungsabschnitt (14) integriert ist, und der Detektor (20) von dem Verstärkungsabschnitt (14) durch einen Isolationsbereich (30) getrennt wird.
Optische Signalquelle nach Anspruch 12, wobei der Detektor (20) außerhalb eines Chips (12) angeordnet ist, der den Abstimmabschnitt (1b) enthält.
Optische Signalquelle nach Anspruch 15, wobei der Detektor als ein äußerer Detektor für p-i-n-Diode (50) realisiert wird, der auf einem Befestigungsblock (52) abgestützt und angeordnet ist, um die spontane Emission zu erkennen, die von einer Seite des Abstimmabschnittes (16) emittiert wird.
Optische Signalquelle nach Anspruch 15, wobei der Detektor als ein äußerer Detektor (50) angeordnet wird, um die spontane Emission zu erkennen, die von einer Seite des Abstimmabschnittes (1b) emittiert und auf den äußeren Detektor über die Fokussierungsoptik (56) fokussiert wird.
Optische Signalquelle nach Anspruch 12, weiterhin umfassend einen optischen Koppler (62) für das Koppeln eines Abschnittes eines Ausganges der optischen Quelle (10), wobei die spontane Emission in dem gekoppelten Abschnitt erkannt wird.
Optische Signalquelle nach Anspruch 18, wobei der optische Koppler ein Wellenlängen-Multiplex-Koppler (70) ist.
Optische Signalquelle nach Anspruch 18, weiterhin umfassend ein Filter (64) für das Filtern des gekoppelten Abschnittes, bevor die spontane Emission in diesem Abschnitt erkannt wird.
Optische Signalquelle nach Anspruch 12, weiterhin umfassend: eine Mehrzahl von Abstimmabschnitten (106, 112); eine Mehrzahl von Detektoren (110, 114), wobei jeder der Detektoren die spontane Emission von einem entsprechenden der Mehrzahl von Abstimmabschnitten (106, 112) erkennt; und eine Mehrzahl von Rückkopplungsregelschleifen (22, 24; 122, 124), wobei jede der Regelschleifen die spontane Emission verwendet, die von einem der Mehrzahl von Abstimmabschnitten (110, 114) erkannt wird, um die Wellenlänge des optischen Signals zu regeln.
Optische Signalquelle nach Anspruch 21, wobei die Mehrzahl von Abstimmabschnitten einen Phasenabstimmabschnitt (112) und einen Abstimmabschnitt des verteilten Bragg-Reflektors (106) umfasst.