專利名稱：波分復用光波長轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于將具有第一波長的已調制輻射轉換到相應的具有第二波長的已調制輻射的波分復用(WDM)光波長轉換器。
在光通信系統(tǒng)中，業(yè)務量通過與通信業(yè)務量調制在一起的光輻射來進行輸送。在本發(fā)明背景下，光輻射被定義為從560nm到2000nm的自由空間波長范圍內的電磁輻射，但在這個范圍中優(yōu)選使用基本上為1550nm的自由空間波長。在WDM光通信中，輻射被劃分為多個離散的波段(經(jīng)常被稱為波長信道)，每個波段與相應的通信信道相關聯(lián)。該多個波段被稱為WDM梳(WDM comb)或格柵。例如，典型的WDM系統(tǒng)可以包括用0.8nm的波長間隔隔開的32個波長信道；這種間隔對應于1550nm處100GHz的信道頻率間隔。
對未來WDM系統(tǒng)的一個關鍵要求是能夠將由WDM格柵的一個波長信道承載的通信業(yè)務量轉換到另一個波長信道上。這樣的轉換在下文中被稱為波長轉換。波長轉換提供了系統(tǒng)靈活性并使得波長信道能夠在通信系統(tǒng)的單獨節(jié)點處被分配而不是被全局性分配，并且如果發(fā)生波長爭用，它允許轉換到備用波長信道。此外，它允許對信道進行疏導以便最大化系統(tǒng)的頻譜效率。
一種波長轉換的方法是將已調制的光波長載波轉換回到相應的電信號，然后再使用該電信號對要求的新波長信道中的連續(xù)光載波進行調制。但是，轉換回到電信號限制了系統(tǒng)性能，所以，優(yōu)選使用全光波長轉換。
已經(jīng)提出了利用半導體光放大器(SOA)的非線性來提供全光波長轉換，正如在參考文獻[1]中所評論的。已經(jīng)研究了波長轉換的三種主要機制交叉增益調制(XGM)、四波混頻(FWM)和交叉相位調制(XPM)。
另一種被提出的全光波長轉換器包括固定波長DFB(分布式反饋)激光器，該激光器被配置成在需要進行波長轉換的波長上進行操作(發(fā)出激光)。已調制的要被波長轉換的輻射入射到DFB激光器波導中，在那里，由激光器產(chǎn)生的c.w.輻射通過XGM處理相應地被調制。
對于用于在1550nm處工作的全光波長轉換器的研究集中在使用集成的SOA/DFB激光二極管設備[2，3]。

圖1是這種波長轉換器2的示意性表示，該波長轉換器2包括集成的InP/InGaAsP SOA 4和9FB激光器6[2]。波長轉換器2包括在n摻雜的InP基片8上制作的分層結構。該分層依次包括未摻雜的InGaAsP層10、MQW(多量子阱)層12、另一個未摻雜的InGaAsP層14和p摻雜的InP層16。層10到14構成了光波導/光產(chǎn)生層。在未摻雜的InGaAsP層14中定義有布拉格光柵18。為了確保單縱模工作(即，單波長工作)，該光柵包含沿著其長度位于大約三分之一和三分之二處的兩個π/4(即λ/8)的相移。相應的電極20，22被提供在SOA 4和DFB激光器6區(qū)域上的層16中，并且該電極20，22被施加以相應的控制電流ISOA和IDFB。
在操作中，具有第一波長λ1的已調制的輻射通過該設備的端面入射到SOA的層10到14。當已調制的輻射傳播通過該設備時，SOA 4對它進行放大。DFB激光器6被配置從而發(fā)射具有固定的波長λ2的激光。經(jīng)過放大的已調制輻射然后傳播進入DFB激光器，然后，它在該DFB激光器中主要地通過交叉增益調制(XGM)處理來調制由激光器產(chǎn)生的輻射。XGM機制(增益飽和轉換機制)導致激光器模式中邏輯上反相的輸出，這樣，該轉換器就通過端面輸出波長為λ1的已調制輻射以及相應的波長為λ2的邏輯上反相的已調制輻射(波長發(fā)生了轉換)。
使已調制輻射入射到SOA中的好處是，這降低了在激光器內實現(xiàn)增益飽和所需輻射的輸入功率。
集成的SOA和DFB激光器的優(yōu)點是它降低了系統(tǒng)復雜度，因為用于提供波長轉換的輻射源對于該設備來說是固有的。已經(jīng)用集成的SOA和DFB激光器展示了用于速率高達10Gb/s的NRZ(不歸零)數(shù)據(jù)的波長轉換(從λ1＝1559nm到λ2＝1553.5nm)[2]。隨后，這種波長轉換器已經(jīng)被證明能夠通過使用于波長轉換的輸入輻射入射到DFB激光器中而不是SOA中從而在高達40Gb/s的數(shù)據(jù)速率上進行波長轉換[3]。
雖然前述波長轉換器(即SOA和集成的SOA/DFB激光器設備)已經(jīng)被證實能夠提供適當?shù)牟ㄩL轉換，但是每一個都有同樣的限制，即，它們只能提供到固定波長的波長轉換。迄今為止，公布的波長轉換實現(xiàn)都是“任意輸入波長”到“固定輸出波長”類型的。雖然這對于特定的應用是可以接受的，但是有幾種預期的應用希望或者必須能夠對輸出波長進行調諧。這樣的應用包括例如可重新配置的光交叉連接，其中，可調諧波長轉換器可以被用于疏導WDM波長信道以及避免波長爭用，并且在光路由器中，可調諧波長轉換可以被用來根據(jù)波長信道的波長有選擇地為該波長信道選路。
本發(fā)明的目的在于試圖提供至少部分地克服已知設備的限制的光波長轉換器。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種WDM光波長轉換器，用于將第一WDM波長信道中的已調制輻射轉換為另一個WDM波長信道中相應的已調制輻射，該WDM光波長轉換器包括與半導體光放大器集成在一起的半導體激光器，其特征在于，該激光器可以在至少多個波長信道范圍內進行波長調諧。
有利地，該激光器可以在WDM格柵中的所有波長信道范圍內進行波長調諧。
在一種設置中，該光放大器可操作用來接收已調制輻射以便進行波長轉換?？商鎿Q地，該激光器可操作用來接收已調制輻射以便進行波長轉換。
有利地，在前一種情況下，該波長轉換器還包括另一個集成的半導體光放大器。
在一種設置中，該激光器是波長可調諧的分布式反饋(DFB)激光器。優(yōu)選地，該DFB激光器具有被分成多個部分的有源區(qū)，這些部分可以互相獨立地調諧以便提供所需的波長調諧。
可替換地，該激光器是分布式布拉格反射鏡(DBR)激光器。最優(yōu)選地，該DBR激光器為四部分設備，包括第一反射鏡、相位、增益和第二反射鏡部分。優(yōu)選地，每個反射鏡部分包括采樣布拉格光柵?？商鎿Q地，它們每一個都可以包括超結構布拉格光柵。
激光器的波長調諧可以通過對激光器施加電壓偏置并使用諸如量子限制Stark效應(QCSE)或Franz-Keldysh效應之類的效應來進行?？商鎿Q地，它可以通過電流注入從而得以實現(xiàn)。將激光器微調到WDM波長信道可以通過改變激光器的溫度來實現(xiàn)。
為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將僅僅通過舉例的方式并參照附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的光波長轉換器，在附圖中圖1是如上所述的已知光波長轉換器[2]的示意性表示；圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光波長轉換器的示意性表示；
圖3是圖2的轉換器在“A”方向的端視圖；圖4圖示了圖2所示實施例的特性；圖5a到5c是對圖2的轉換器測量的“眼”圖；和圖6a到6d是圖2的轉換器內各個不同位置處的信號的示意性表示，并且分別圖示了(a)在波長轉換之前的輸入信號，(b)經(jīng)過波長轉換的信號，(c)在傳遞通過SOA的一半以后的經(jīng)過波長轉換的信號，和(d)從轉換器輸出的經(jīng)過波長轉換的信號；和圖7是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光波長轉換器的示意性表示。
參照圖2和圖3，其中顯示了根據(jù)本發(fā)明的光波長轉換器30的示意性表示。圖3描繪了圖2的轉換器在“A”方向上的端視圖。
轉換器30包括半導體光放大器(SOA)部分32和半導體激光器部分34。SOA 32和DFB激光器34被制造為n摻雜的InP基片36上的集成設備。
轉換器30被制造為基片36上的分層結構。該層依次包括未摻雜的InGaAsP層38、MQW(多量子阱)層40、另一個未摻雜的InGaAsP層42和p摻雜的InP層44。層38到42構成了轉換器的光波導/光產(chǎn)生層。未摻雜的InGaAsP層42被配置為隆起結構46(圖3)以便提供層38到42內輻射的橫向限制，正如圖3中的虛線48所指示的。應該理解的是，層38到42由此構成了如圖2所示SOA 32和激光器34公用的沿從左到右走向的光波導。在制造期間，在隆起46的上表面內定義了布拉格光柵50，該布拉格光柵50在激光器部分34的長度上延伸(圖2)。為了確保高的邊模抑止比，該布拉格光柵包括多個沿著其長度隔開的相移(圖中沒有示出)。
電極52在SOA部分32上的層44中被提供，并且被施加以相應的控制或偏置電流ISOA。
與上述已知的波長轉換器(圖1)相對照，用于驅動激光器部分34的電極被分成三個分立的電極50、52、54，并且被施加相應的控制(偏置)電流I1、I2、I3。為了方便制造，電極可以通過有所選擇地蝕刻穿過導電電極層和下面的接觸層(圖中沒有示出)來定義，該接觸層用于將該導電電極層接到p摻雜的PnP層44。這種接觸的設置使得不同的電流密度可以入射到激光器部分34的相應的工作區(qū)域，因而使得可以調諧激光器的工作波長。在圖2所示的實施例中，SOA 32和激光器區(qū)域的三個部分54、56、58的長度分別是500、300、200和300μm。
通過將不同的電流施加到激光器的每個工作區(qū)域，可以對激光器的輸出進行不連續(xù)地波長調諧。這意味著可以通過向電極54、56、58施加適當?shù)目刂齐娏鱽磉x擇已調制的輸入輻射將要轉換到的波長。
對于特定的偏置電流條件，輸出波長可能是高度不穩(wěn)定的(有時會導致出現(xiàn)兩個截然不同的單縱模)，該波長隨著時間而改變。但是，其它偏振條件提供了穩(wěn)定的輸出。圖4顯示了對于五組偏壓電流，用于波長轉換器30的用A到E表示的五個頻譜(即，測量出的輸出功率(dBm)與波長之間關系的曲線)。
從圖4可以很明顯地看到的是，可以實現(xiàn)大約6nm的波長調諧跨度，并且SMSR(邊模抑止比)總是超出30dB，但是典型地是大于40dB。這樣一個波長跨度代表了間隔為0.8nm的七個以上WDM波長信道的調諧范圍。該波長跨度可以根據(jù)可接受的頻譜質量和峰值功率電平在每個波長方向稍微延伸。被用來獲得圖4的頻譜的激光器偏置電流I1、I2、I3是
現(xiàn)在將描述波長轉換器的工作情況。具有第一波長λx的已調制輻射通過轉換器的端面入射到SOA 32。當已調制輻射傳播通過SOA部分時，SOA 32將它放大?？烧{諧激光器部分34被調諧從而發(fā)出波長為對應于要求的轉換波長的波長λy的激光。放大了的已調制輻射λx傳播到激光器34中，在這里，它然后就通過交叉增益調制(XGM)處理來調制激光器產(chǎn)生的輻射λy。波長轉換器通過端面輸出波長為λx的已調制輻射以及波長為λy的相應的邏輯上反相的已調制輻射(經(jīng)過波長轉換)。
使用本發(fā)明的波長轉換器的光波長轉換已經(jīng)通過實驗得以證實。圖5圖示了對波長為1547nm的已調制輸入輻射(圖5a)、以及波長轉換到1558nm(圖5b)和1553nm(圖5c)后輸出的已調制輻射的測量到的“眼”圖。該“眼”圖用于已經(jīng)使用數(shù)據(jù)速率為2.488Gb/s的PRBS(偽隨機二進制序列)對其進行調制并且已經(jīng)傳輸通過50km的標準(17ps/nm/km)單模光纖的光輻射。
從該“眼”圖可以看出，在輸入信號和經(jīng)過波長轉換的信號之間沒有顯著的惡化。
可以通過調整轉換器的溫度微調該轉換器的輸出波長。使用這種技術，可以進行每攝氏度大約0.1nm的調諧，最大到1-2nm。這種微調允許將設備精確地調諧到選定的WDM波長信道。
一種對本發(fā)明的波長轉換器進行操作的替換和優(yōu)選模式是將用于波長轉換的已調制輻射入射到激光器部分而不是SOA中。在這樣的設置中，在SOA中，在共同傳播的輸入輻射和波長轉換的輻射之間發(fā)生了額外的非線性相互作用，因為每一個都競爭SOA的光增益。用于這樣的操作模式的波長轉換機制在圖6a到6d中描繪，這些圖分別圖示了圖6a圖示了在波長轉換前的波長為λ1的輸入信號，圖6b圖示了在進入SOA之前從激光器輸出的相應的波長為λ2的經(jīng)過波長轉換的信號，圖6c圖示了在傳遞通過一半的SOA之后的經(jīng)過波長轉換的信號，以及圖6d圖示了從轉換器輸出的經(jīng)過波長轉換的信號(即，已經(jīng)通過SOA的信號)。正如可以從圖6b中看出來的，激光器內的λ1的輸入信號(圖6a)和激光器產(chǎn)生的λ2的c.w.信號之間的交叉增益調制(XGM)處理產(chǎn)生了輸入信號的反相形式，它具有有限的帶寬和消光比。在存在原始輸入信號(圖6a)并且SOA被施加大的電偏置進入飽和的情況下，將經(jīng)過波長轉換的信號(圖6b)傳遞通過SOA使得飽和的SOA中的快速的動態(tài)處理能夠增加轉換過的信號(圖6c和6d)的帶寬和消光比。特別地，與共同傳播輸入信號的增益競爭銳化了轉換后的脈沖(邏輯“1”)的上升沿和下降沿，同時，反相的λ1的信號的存在導致耗盡了脈沖之間間隙的增益，因而增加了轉換過的信號的消光比。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這個非線性相互作用、相應的降低了的瞬變時間和改進的消光比使得波長轉換能夠在高達40Gb/s的更高速率上進行。應該理解，在這樣的設置中，輸入輻射的功率需要具有增加的大小以便有效地進行波長轉換。這個可以通過例如在波長轉換之前使用位于轉換器外面的光放大器對輸入輻射進行光學放大來實現(xiàn)，或者可替換地，將第二SOA集成到轉換器中以便它在輸入端和輸出端都有SOA。
參考圖7，顯示了根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實施例的波長轉換器70，它用于在c波段(1530-1560nm)的WDM光通信網(wǎng)絡中工作，該WDM光通信網(wǎng)絡具有波長間隔為0.4nm(50GHz)的80個波長信道λ1到λ80且數(shù)據(jù)速率為2.5或10Gb/s。轉換器70能夠實現(xiàn)從波長信道λ1到λ80中的任何一個到其它任何一個波長信道的可選擇的波長轉換。
轉換器70包括與四個部分的(four-section)采樣光柵分布式布拉格反射鏡(SGDBR)激光器74集成在一起的半導體光放大器(SOA)72。該四個激光器部分包括第一采樣光柵反射鏡76、相位部分78、增益部分80和第二采樣光柵部分82。SOA 72和激光器74在n摻雜的InP基片84上被制造為集成的分層結構。
該層依次包括未摻雜的InGaAsP層86、MQW(多量子阱)層88、另一個未摻雜的InGaAsP層90和p摻雜的InP層92。層86到90構成了轉換器的光波導/光產(chǎn)生層。未摻雜的InGaAsP層90被配置為隆起結構以便提供層86到90內輻射的橫向(即，進入圖7所示紙平面的方向)限制，使得后者構成了如圖7所示由SOA 72和激光器74公用的從左到右走向的光波導。
MQW層88包括8個壓縮的InGaAsP阱和8個拉伸的InGaAsP阱，其間有InGaAsP勢壘。通過適當?shù)剡x擇材料屬性，量子阱被以已知的方式配置為張應力或壓縮應力的狀態(tài)。非常重要的一點是同時具有這兩種類型的阱從而確保波長轉換器可以對水平或垂直偏振的輸入輻射進行操作，這樣就能確保設備是與輸入輻射偏振無關的。
在制造期間，在隆起的上表面定義有激光器的第一76和第二82反射鏡部分內的相應的采樣布拉格光柵94，96。優(yōu)選地，光柵94，96具有如英國專利GB 2337135所公開的形式，該英國專利在此通過參考文獻的方式被引入作為參考。正如在GB 2337135中所描述的，這樣的光柵包括在沿著其長度的選定位置上具有π/2不連續(xù)性的布拉格光柵(即，恒定周期)。這樣的光柵結構具有這樣的反射特性，包括多個具有相等的波長間隔的反射峰值或反射最大值的光梳。兩個反射鏡76，78的反射峰值的間隔被配置為不同，使得在任何時間只有每個反射鏡的單個反射峰值可以被對齊，這樣的對齊對應于發(fā)射激光的波長。正如US 4896325所公開的，波長調諧是這樣實現(xiàn)的通過用一個波長梳置換另一個波長梳，通過將電流注入到兩個光柵中的一個或兩個光柵，使得一組新的峰值以類似于游標尺的方式被對齊。
Ti/Pt/Au合金電極98，100，102，104，106位于分別覆蓋于第一反射鏡部分76、相位部分78、增益部分80、第二反射鏡部分82和SOA 72上的層92上。電極98到106通過p+摻雜的InP壓蓋層108連接到InP層92。相應的控制電流IR1、IPHASB、IGAIN、IR2、ISOA被分別施加到電極98到106以便操作波長轉換器。
如同上述波長轉換器30一樣，要波長轉換的輸入輻射入射到激光器部分或SOA中，雖然前者是優(yōu)選的。因為已經(jīng)有文件對四個部分的DBR激光器的控制操作進行了記載，所以，不對其作進一步描述。
應該理解，可以對具體實施例進行修改而不偏離本發(fā)明的范圍。例如，如果其它形式的可調諧激光器能夠在其中有轉換器進行工作的WDM光通信系統(tǒng)中的多個波長信道上，優(yōu)選地是在所有的波長信道上提供了所需的波長調諧，則可以使用所述其它形式的可調諧激光器。這樣的激光器包括例如超結構光柵分布式布拉格反射鏡激光器。
此外，在前述描述中，SOA和激光器內量子阱的數(shù)目相同從而使得設備能夠被容易地制造。在可替換設置中，可以根據(jù)設備的每個部分對量子阱結構進行優(yōu)化。無論如何，已經(jīng)得到證明的是為了優(yōu)化性能，8到20個之間的量子阱是優(yōu)選的。
參考文獻[1]D Nesset，T Kelly，D Marcenac(1998)“All-OpticalWavelength Conversion Using SOA Nonlinearites”IEEE Comms.Mag.December 1998.MFC Stephens，RV Penty，IH White，MJ Fice，RA Saunders，JEA Whiteaway(1998)“Low Input Power Wavelength Conversionat 10Gb/s Using an Integrated Amplifier/DFB Laser andSubsequent Transmission Over 375km of Fibre”IEEE Photon.Tech.Lett.，Vol.10，pp.878-880.MFC Stephens，D Nesset，KA Williams，AE Kelly，RVPenty，IH White，and MJ Fice(1999)“Wavelength conversion at40Gbit/s via cross-gain modulation in distributed feedbacklaser integrated with semiconductor optical amplifier”Electron. Lett.，Vol.35，No.20，pp.1762-1764.
權利要求
1.一種WDM光波長轉換器(30；70)，用于將第一WDM波長信道中的已調制輻射轉換為另一個WDM波長信道中相應的已調制輻射，該WDM光波長轉換器包括與半導體光放大器(32；72)集成在一起的半導體激光器(34；74)，該轉換器的特征在于，該激光器(34；74)可以在至少多個波長信道上進行波長調諧。
2.如權利要求1所述的波長轉換器，其中，該激光器可以在WDM格柵中的所有波長信道上進行波長調諧。
3.如前述權利要求中任何一項所述的波長轉換器，其中，該光放大器(32；72)可操作用來接收已調制輻射以便進行波長轉換。
4.如權利要求1或2所述的波長轉換器，其中，該激光器(34；72)可操作用來接收已調制輻射以便進行波長轉換。
5.如前述權利要求中任何一項所述的波長轉換器，還包括另一個集成的半導體光放大器。
6.如前述權利要求中任何一項所述的波長轉換器，其中，該激光器(34)是分布式反饋(DFB)激光器。
7.如權利要求6所述的波長轉換器，其中，該DFB激光器(34)具有被分成多個部分的有源區(qū)，這些部分可以互相獨立地進行調諧。
8.如權利要求1到5中任何一個所述的波長轉換器，其中，該激光器(74)是分布式布拉格反射鏡(DBR)激光器。
9.如權利要求8所述的波長轉換器，其中，該DBR激光器(74)包括第一反射鏡(76)、相位(78)、增益(80)和第二反射鏡(82)部分。
10.如權利要求9所述的波長轉換器，其中，每個反射鏡(74，82)部分包括采樣布拉格光柵(94，96)。
11.如權利要求1到5中任何一項所述的波長轉換器，其中，該激光器超結構光柵分布式布拉格反射鏡激光器。
12.如前述權利要求中任何一項所述的波長轉換器，其中，所述激光器具有基于電壓偏置并使用了諸如QCSE或Franz Keldysh效應的效應的調諧機制。
13.如權利要求1到11中任何一項所述的波長轉換器，其中，該激光器具有基于電流注入的調諧機制。
14.如前述權利要求中任何一項所述的波長轉換器，還包括通過改變激光器的溫度來微調激光器。
全文摘要
一種WDM光波長轉換器(70)，用于將第一WDM波長信道(λ
文檔編號H01S5/125GK1554138SQ02817689
公開日2004年12月8日 申請日期2002年7月17日 優(yōu)先權日2001年7月18日
發(fā)明者I·H·惠特, R·V·龐蒂, A·沃富爾, I H 惠特, 龐蒂, 歡 申請人:馬科尼英國知識產(chǎn)權有限公司