CN1894871A - 无源光网络的激光源和检测器的集成 - Google Patents
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Abstract
描述了各种方法和设备,其中在单个集成单元中包含能够发射激光的光增益介质的阵列。所述阵列可以包括四个或者更多发射激光的光增益介质。各个发射激光的光增益介质将包含与所述阵列中其他发射激光的光增益介质不同的波长频带的单独光信号提供给第一多路复用器/多路分离器。存在输出光纤连接以将光信号传输到无源光网络并且从无源光网络接收光信号。
Description
技术领域
本发明的实施例一般的涉及一种光网络。特别的,本发明的实施例的一个方面涉及包含在单个集成单元中能够发射激光的光增益介质阵列。
背景技术
光纤系统通常在中央工作站和多个住宅及商务位置之间来回传输光信号。各个住宅或者商务位置可以分配整个光信号中窄带波长或者信道以与中央工作站进行通信。随着使用光纤系统的用户数量增加,中央工作站中器件的数量也增加以对这些用户传输和接收光信号。
发明内容
下面描述在单个集成单元中包含能够发射激光的光增益介质阵列的各种方法和设备。所述阵列可以包括四个或者更多能够发射激光的光增益介质。发射激光的各个光增益介质将包含与阵列中其他发射激光的光增益介质不同的波长频带的单独光信号提供给第一多路复用器/多路分离器。存在输出光纤连接以将光信号传输到无源光网络或者从无源光网络接收光信号。
本发明的其他特征和优点可以通过附图和下面的详细描述而更加明白。
附图说明
本发明通过附图中的示例而阐述,但是并不限于此,其中相似参考数字表示相似元件,其中:
图1显示了能够发射激光的具有多个波长光增益介质的阵列的实施例的结构图;
图2显示了集成单元中具有四个或者更多分布式反馈激光器的阵列的实施例的结构图,具有四个或者更多分布式反馈激光器的阵列202中的每一个耦合到功率分配器212;
图3显示了将光信号提供给包含在集成单元中的各个激光器的激光器和宽带光源的阵列的实施例的结构图;
图4显示了集成在单个集成单元内的具有四个或者更多光接收器和多路复用器/多路分离器的阵列的实施例的结构图;
图5显示了包含在集成单元中的能够发射激光的光增益介质阵列和光接收器阵列的实施例的结构图;以及
图6显示了集成单元中的激光器阵列和光接收器阵列的实施例的结构图。
具体实施方式
总体而言,描述了在单个集成单元中包含能够发射激光的光增益介质阵列和光接收器阵列的各种方法和设备。所述阵列可以包括四个或者更多能够发射激光的光增益介质。发射激光的各个光增益介质将包含与阵列中其他发射激光的光增益介质不同的波长频带的单独光信号提供给第一多路复用器/多路分离器。类似的,第二多路复用器/多路分离器可以将光信号传输到光接收器阵列。存在输出光纤连接以将光信号传输到无源光网络或者从无源光网络接收光信号。
图1显示了能够发射激光的具有多个波长光增益介质的阵列的实施例的结构图。平面光波回路100可以包括四个或者更多诸如激光器之类的能够发射激光的光增益介质102的阵列、多路复用器/多路分离器112、光放大器104、宽带波长反射器106、电子调制源108、输出光纤连接110以及连接到波分复用无源光网络的输出光纤114。
能够发射激光的多个光增益介质102,例如第一增益介质116至第N增益介质118,可以存在于平面光回路100中。各个增益介质102提供具有与其他增益介质不同的波长(λ)窄带的光信号。各个增益介质102耦合到多路复用器/多路分离器112上的自身端口。宽带波长反射器106耦合到多路复用器/多路分离器112的输出。波长反射器106通过多路复用器/多路分离器112将各个光信号的一部分作为再生反馈传输到提供该光信号的增益介质102。
调制源108可以提供数据信号到增益介质阵列102以直接调制所述阵列中的增益介质。电子调制源108通过直接提供数据给特定增益介质而直接调制能够发射激光的所述增益介质。例如,调制源108可以直接调制能够发射激光的第一增益介质116。数据信号通过能够发射激光的第一增益介质116以大约在其一个或多个空腔谐振模(cavity mode)附近的波长频带而被放大。能够发射激光的第一增益介质116将调制后的信号传输到多路复用器/多路分离器112的第一输入120。
多路复用器/多路分离器112将调制后的信号传输到波长发射器106。波长反射器106通过多路复用器/多路分离器112将调制后信号的一部分作为再生反馈传输回提供该调制后信号的能够发射激光的第一增益介质116。调制后信号和调制后信号的反射部分在能够发射激光的第一增益介质116的共振频率下在相位上互相加强。调制后信号和调制后信号的反射部分也通过能够发射激光的第一增益介质116而放大。
然后,能够发射激光的第一增益介质116通过多路复用器/多路分离器112传输加强后的调制后信号并且所述加强后的调制后信号的一部分通过波长反射器106到达输出光纤连接110。并且,如上所述,波长反射器106通过多路复用器/多路分离器112将加强后的调制后信号的一部分反射回第一增益介质。所述窄带的再生放大对各个能够发射激光的增益介质102进行。各个能够发射激光的增益介质102放大其自身特有的窄带波长。
多路复用器/多路分离器112作为窄带滤波器以限定通过能够发射激光的增益介质116产生的波长频带。多路复用器/多路分离器112的内在特性是在其各个输出上通过不同的波长频带。例如,第一输出可以通过从1530至1531纳米(nm)的波长频带。第二输出可以通过从1531至1532nm的波长频带。因此,多路复用器/多路分离器112产生了传输回各个能够发射激光的增益介质102的窄带波长。因此,各个能够发射激光的增益介质102产生并且放大在对应于该增益介质的空腔谐振模的波长频带内的共振波长。当放大后的波长频带通过反射的调制后信号而加强后,增益介质产生足够功率的光信号以在无源光网络上传输到用户住所。加强后的调制后信号提供共振反馈到能够发射激光的增益介质。
能够发射激光的增益介质102的阵列、多路复用器/多路分离器112、光放大器104以及宽带波长反射器106均可以集成在单个集成单元上。所述集成单元可以为单个基底,所有器件均植于该单个基底上。可替换的,集成单元可以为不同材料制成并且物理连接在一起的两个或者更多基底。
所述集成单元在集成单元的光路径上可以使用除了光纤122之外的光耦合,例如空气、透镜阵列或者其他波导。光纤通常要求最小的弯曲半径并且具有其他缺陷而不允许在狭小空间中使用。然而,除了光纤122之外的其他光耦合例如空气或者透镜阵列可以在很小的物理空间中使用从而允许将光信号从一个光学器件传输到另一个光学器件。而且,在所有能够发射激光的增益介质102都植于相同基底上的集成单元中,增益介质之间的物理间距与各个能够发射激光的增益介质102制造为单独的器件并且置于公共平台上的情况相比可以具有更短更小的物理尺寸。
所述基底可以由磷化铟组成,其中有源设备例如能够发射激光的增益介质、光放大器以及调制器可以与无源设备例如波导和多路复用器/多路分离器一起集成。所述基底还可以由其他材料组成,例如掺铒二氧化硅。
能够发射激光的增益介质102的阵列可以包括大量作为增益介质的激光器,例如32个或者64个激光器,然而所述增益介质阵列也可以为四个左右的作为能够发射激光的增益介质的激光源。能够发射激光的光增益介质可以为分布式反馈激光器,其中心波长由植于单个基底上的布拉格光栅、法布里-珀罗(Fabry Perot)激光二极管、反射式半导体光放大器或者类似激光器而设定。各个能够发射激光的增益介质具有其自身的谐振波长并且可以偏移以在激光发射阈值之上或者之下工作。
反射式半导体光放大器可以是具有很高反射率例如90%的后表面的能够发射激光的增益介质,前表面则与反射式半导体光放大器的光波导成非正交角/非垂直角。所述高反射率后表面导致更多的入射波长被放大并且反射出反射式半导体光放大器。非正交角的前表面波导减少前表面的反射率并且允许在反射式半导体光放大器中在入射波长上发生激光发射之前通过反射式半导体光放大器提供更大的增益。
耦合到多路复用器/多路分离器112的光放大器104可以放大来自多路复用器/多路分离器112的光信号以增加总体增益并且补偿任何插入损耗(insertion loss)。输出光纤连接110存在于多路复用器/多路分离器112的输出光路径至无源光网络上。无源光网络可以具有分光器件例如波分复用器。
能够发射激光的增益介质还可以为通过单独的调制器阵列调制而不是直接调制的连续波源。各个连续波调制器连接到其自身增益介质。连续波调制器数据调制来自能够发射激光的增益介质的连续波。多路复用器/多路分离器112可以为阵列波导、eschelle光栅或者其他类似技术以将多个独特波长组合到具有很低信号功率损失的单个波导中。
波长反射器106还可以位于平面光波回路100的输出以提供再生光反馈给各个能够发射激光的增益介质102,从而产生该增益介质的谐振波长。波长反射器106可以通过在波导中蚀刻垂直面以产生折射率改变而制造出来,或者为布拉格光栅,或者可以为集成单元/输出光纤接口的基底边缘的反射材料涂覆以将光信号的一部分反射回多路复用器/多路分离器112,或者可以为位于引入(pigtail)到平面光波回路100的光纤114入口处的光栅。
具有能够发射激光的增益介质的阵列的平面光波回路100的构造与具有外部空腔的分布式激光器相似,所述激光器可以在激光发射阈值之上或者之下工作以产生或者加强具有不同波长频带的多个频带的波长。因此,分布式激光器的构造可以定义为从能够发射激光的增益介质部分通过多路复用器/多路分离器112至波长反射器106并且通过多路复用器/多路分离器112返回至各个增益介质部分。增益介质部分中的各个激光器可以具有或者不具有反射前表面。
图2显示了集成单元中具有四个或者更多分布式反馈激光器的阵列的实施例的结构图。具有四个或者更多分布式反馈激光器的阵列202中的每一个耦合到功率分配器212。阵列202中的各个分布式反馈激光器将包含与阵列中其他分布式反馈激光器不同的波长频带的单独光信号提供给功率分配器。阵列中的各个分布式反馈激光器具有该波长频带的中心波长,所述中心波长由分布式反馈激光器的输出处的布拉格光栅设定。例如,第一分布式反馈激光器216具有与第一分布式反馈激光器216的增益介质混合的由第一布拉格光栅224设定的从激光器提供的波长频带的中心波长。半导体光放大器204可以存在于功率分配器212的输出光路径上以补偿由于功率分配器212产生的插入损耗。输出光纤连接210将来自功率分配器212或者至少功率分配器212的输出光路径中的光信号传输到波分复用无源光网络。分布式反馈激光器的阵列202可以集成在第一基底226上。半导体光放大器204、功率分配器212以及连接210可以集成在与第一基底226连接的第二基底228上,并使用光耦合222例如空气或者透镜阵列而不是光纤在第一基底和第二基底之间传输光路径中的光信号。
因此,有源器件可以制造在第一基底226上并且无源器件可以制造在第二基底228上,第一基底226和第二基底228合并在一起并且物理结合在集成单元上。所述第一基底226可以为二氧化硅、磷化铟或者类似基底。注意,也可以使用分布式布拉格反射激光器替代分布式反馈激光器以产生包含所述波长频带的光信号。分布式布拉格反射激光器可以在激光器的输出处具有布拉格光栅以设置该激光器的中心波长。
图3显示了将光信号提供给包含在集成单元中的各个激光器的激光器和宽带光源的阵列的实施例的结构图。集成单元可以包括具有四个或者更多激光器的阵列,例如第一基底326上的法布里-珀罗激光二极管302。集成单元可以包括第二基底328,其中包含多路复用器/多路分离器312、宽带光源330以及连接310。
宽带光源330通过光耦合器331将包含宽带波长例如C带(1530nm~1560nm)的光信号提供给多路复用器/多路分离器312。阵列302中的各个法布里-珀罗激光二极管耦合到多路复用器/多路分离器312上的自身端口。阵列302中的各个法布里-珀罗激光二极管从宽带光源330接收光信号的光谱片段以将该法布里-珀罗激光二极管的输出波长锁定在输入的光谱片段的带宽内。例如,第一法布里-珀罗激光二极管316可以接收1530至1531nm的光谱片段。然后第一法布里-珀罗激光二极管316可以通过多路复用器/多路分离器312将所述光谱片段反射并且放大回到连接310。连接310耦合到输出光纤314以将光信号传输到波分复用无源光网络。
阵列302中的法布里-珀罗激光二极管、多路复用器/多路分离器312、连接310以及宽带光源330集成在紧凑的集成单元上。宽带光源330还可以与集成单元分离。宽带光源330可以包括两个或者多个连接起来的超亮二极管以提供正交偏振信号,作为宽带光源的铒光纤,掺铒波导,通过保偏光纤(polarization persevering fiber)连接到集成单元的单个超亮二极管,单个片上超亮二极管,或者其他类似发光源。所有这些器件可以位于单个平面光波回路中。
图4显示了集成在单个集成单元内的具有四个或者更多光接收器和多路复用器/多路分离器的阵列的实施例的结构图。所述集成单元可以包括具有四个或者更多光接收器432的阵列例如第一光接收器434至第N光接收器436、用于处理所接收的数据信号λ1至λn的电子处理芯片438、多路复用器/多路分离器430以及用于从波分复用无源光网络接收输入光纤的连接410,所述网络具有用于组合来自该无源光网络用户的多个光信号的器件。阵列432中的每个光接收器可以包括一个或者多个感光检测器。
包含接收器440的集成单元可以位于中央工作室,需要在该中央工作室中本地处理返回信号。注意,能够发射激光的光增益介质的集成单元也可以位于中央工作室,其中优选的最小化各个器件占用的空间并且所有器件可以紧凑的中央定位。具有光接收器阵列432的第一基底426可以由磷化铟、砷化镓、二氧化硅或者其他类似半导体基底组成。第一基底426可以在平面光波回路中耦合到第二基底428上的多路复用器/多路分离器430。包含对来自阵列432中的光接收器的信号进行处理的电子处理器件的电子处理芯片438也可以位于由二氧化硅制成的第三基底442上。第三基底442可以耦合并且物理结合到第一基底426。集成单元中的基底426、428可以通过波导而不是光纤传输光信号,例如第一非光纤波导422、第二非光纤波导423以及第三非光纤波导425。所有基底426、428、442可以制造为单个集成单元440。
图5显示了包含在集成单元中的能够发射激光的光增益介质阵列和光接收器阵列的实施例的结构图。能够发射激光的光增益介质的阵列550可以产生N个单独波长频带。各个能够发射激光的光增益介质通过无源光网络传输光信号到对应用户,例如第一用户位置552。光接收器的阵列554可以从这些用户接收N个单独波长频带。例如,第一接收器可以接收从第一用户位置552产生的光信号。光接收器的阵列554可以包括与能够发射激光的增益介质的阵列中的能够发射激光的增益介质相同数量的接收器。例如,光接收器第一阵列554可以包括32个接收器并且能够发射激光的增益介质的第一阵列可以包括32个能够发射激光的增益介质。能够发射激光的光增益介质的阵列550和光接收器的阵列554可以在单个基底上或者在集成单元556中互相连接的单独基底上。
各个阵列550、554可以包括多路复用器/多路分离器或者功率分配器以对来自和到达无源光网络558的信号进行分配。在各个阵列550、554上,器件可以植于各个基底上以使得各个器件之间的间距尽可能小。集成单元556也可以包括频带分割滤波器560和宽带光源。宽带光源562也可以在集成单元556外部。
宽带光源提供包含宽带波长例如L带波长的光信号给光增益介质阵列550中的多路复用器/多路分离器。如上所述,多路复用器/多路分离器将窄带光信号传输到阵列550中的各个光增益介质以将能够发射激光的光增益介质的输出波长锁定在输入光谱片段的带宽之内。
能够发射激光的光增益介质的阵列550通过其多路复用器/多路分离器可以经过无源光网络558传输单个光信号到远程多路复用器/多路分离器564,所述单个光信号包括例如包含在C带内的32个单独波长频带。远程多路复用器/多路分离器564可以将来自阵列550中的各个能够发射激光的光增益介质的单独波长频带分配到对应的用户位置。例如,远程多路复用器/多路分离器564可以将来自能够发射激光的第二光增益介质的波长频带分配到第二用户位置566。远程多路复用器/多路分离器564可以通过这种方式将来自能够发射激光的光增益介质的阵列550的所有N个波长频带分配到对应用户位置。
用户组也可以传输L带(1570nm~1600nm)中的光信号到中央工作站中的接收器阵列554。频带分割滤波器560将L带波长与C带波长分开。频带分割滤波器560将L带信号传输到光接收器阵列554,并且将来自宽带光源的C带波长传输到能够发射激光的光增益介质的阵列550。
中央工作站中的发送器可以使用第一频带例如L带以传输信息到用户并且用户处的发送器使用另一频带例如C带以传输信息到中央工作站。因此,能够发射激光的光增益介质可以产生不同波长频带的单独光信号,例如S带(1300nm附近),S带(1480nm附近)等等。
光接收器阵列554中的第二多路复用器/多路分离器将C带中的各个信号传输到各个对应的光接收器。各个光接收器接收包含与阵列554中其他光接收器不同的波长频带的单独信号。能够发射激光的光增益介质的阵列550和光接收器阵列554可以定位在设定角度,例如相对于频宽分割滤波器560大约为90度和大约180度,从而通过波导、透镜或者空气传输光信号而不使用光纤。
图6显示了集成单元中的激光器阵列和光接收器阵列的实施例的结构图。激光器阵列650和接收器阵列664可以各自耦合到透镜阵列670、672。集成单元676可以包括激光器阵列650、频宽分割滤波器660、多路复用器/多路分离器674、光接收器阵列664、第一透镜阵列670、第二透镜阵列672以及到达无源光网络的连接610。多路复用器/多路分离器674传输来自/到达接收器阵列664和激光器阵列650的信号。多路复用器/多路分离器674来回传输来自无源光网络的信号。光接收器阵列664置于靠近多路复用器/多路分离器674从而从频带分割滤波器660反射的C带波长的角度保持为很小的角度。光接收器阵列664可以定位在设定角度例如45度或者更少以通过空气和第二透镜阵列672传输光信号。覆盖标准绝缘涂覆的频带分割滤波器660可以分割不同波长,例如C带波长和L带波长。
单个集成单元中光接收器和激光器阵列的制造可以通过使用以小角度反射光信号到所述阵列的频带分割滤波器而以更加简单的方式实现。如果激光器阵列在O带1300纳米附近而不是L带中工作,则反射角度可以为大约90度,这样通过使用分光棱镜可以使得封装更加容易。上面所述的所有结构可以集成在无源光网络中。无源光网络可以通过入射窄带放大同步发射光到作为能够发射激光的增益介质的激光二极管而锁定或不锁定能够发射激光的增益介质的波长。
在上述说明中,参考特定示例实施例描述了本发明。然而,可以对其作出各种修改和变化而不背离所附权利要求书中给出的本发明的实质和范围。因此说明书和附图仅应被认为是示例性的而非限制性的。
Claims (24)
1.一种设备,包括:
具有四个或者更多能够发射激光的光增益介质的阵列,所述发射激光的各个光增益介质将包含与所述阵列中其它发射激光的光增益介质不同的波长频带的单独光信号提供给多路复用器/多路分离器;以及
输出光纤连接,将所述多路复用器/多路分离器的输出光路径中的第一光信号传输到无源光网络,其中所述四个或者更多能够发射激光的光增益介质、所述多路复用器/多路分离器以及所述连接集成在集成单元中的一个平面光波回路中。
2.根据权利要求1所述的设备,其中所述集成单元包括单个基底。
3.根据权利要求2所述的设备,其中所述单个基底由磷化铟组成。
4.根据权利要求1所述的设备,其中所述集成单元包括两个或者更多物理结合在一起的基底,所述基底在所述集成单元的光学路径中使用除光纤之外的光耦合。
5.根据权利要求1所述的设备,其进一步包括:
耦合到所述多路复用器/多路分离器的光放大器,用于放大来自所述多路复用器/多路分离器的所述第一光信号。
6.根据权利要求1所述的设备,其进一步包括:
耦合在所述多路复用器/多路分离器的输出光路径中的波长反射器,用于在各个所述能够发射激光的光增益介质提供的波长频带上提供反馈。
7.根据权利要求6所述的设备,其中所述波长反射器通过所述集成单元和所述输出光纤之间的接口而提供。
8.根据权利要求1所述的设备,其中能够发射激光的第一光增益介质在激光发射阈值以下工作以放大第一波长频带。
9.根据权利要求1所述的设备,其中能够发射激光的第一光增益介质在激光发射阈值以上或者以下工作以放大第一波长频带。
10.根据权利要求1所述的设备,其中能够发射激光的第一光增益介质为由布拉格光栅设定其中心波长的分布式反馈激光器。
11.根据权利要求1所述的设备,其中能够发射激光的第一光增益介质为法布里-珀罗激光二极管。
12.一种设备,包括:
具有四个或者更多分布式反馈激光器的阵列,所述各个分布式反馈激光器将包含与所述阵列中其他分布式反馈激光器不同的波长频带的单独光信号提供给功率分配器;以及
输出光纤连接,将所述光功率分配器的输出光路径中的第一光信号传输到波分复用无源光网络,其中所述四个或者更多分布式反馈激光器、所述光功率分配器以及所述连接集成在第一基底中。
13.根据权利要求11所述的设备,其中第一分布式反馈激光器的中心波长由布拉格光栅设定。
14.根据权利要求12所述的设备,其进一步包括:
所述功率分配器的输出光路径中的半导体光放大器。
15.一种方法,包括:
在集成单元中制造具有四个或者更多能够发射激光的光增益介质的阵列和多路复用器/多路分离器,其中所述各个能够发射激光的光增益介质配置为将包含与其他能够发射激光的光增益介质不同的波长频带的单独光信号提供给波分复用无源光网络。
16.根据权利要求15所述的方法,其进一步包括:
制造光接收器阵列,其中所述各个光接收器将包含与所述阵列中其他光接收器不同的波长频带的单独光信号接收到所述集成单元中。
17.根据权利要求15所述的方法,其进一步包括:
制造除光纤之外的光耦合以传输所述集成单元内的所有光信号。
18.一种设备,包括:
具有四个或者更多反射半导体光放大器的阵列;
多路复用器/多路分离器;
宽带光源,提供包含第一宽波长频带的光信号给所述多路复用器/多路分离器,其中所述各个反射半导体光放大器耦合到所述多路复用器/多路分离器的自身端口以从所述宽带光源接收光信号的光谱片段,从而将所述反射半导体光放大器的输出波长锁定在输入的光谱片段的带宽内;以及
输出光纤连接,传输所述多路复用器/多路分离器的输出光路径中的第一光信号到波分复用无源光网络,其中所述四个或者更多反射半导体光放大器、所述多路复用器/多路分离器以及所述连接集成在单个基底上。
19.根据权利要求18所述的设备,其进一步包括:
调制器,用于直接调制所述四个或者更多反射半导体光放大器。
20.根据权利要求18所述的设备,其中所述多路复用器/多路分离器为阵列波导。
21.一种设备,包括:
具有四个或者更多光接收器的阵列,所述各个光接收器接收包含与所述阵列中其他光接收器不同的波长频带的单独光信号;
多路复用器/多路分离器,提供信号给所述各个光接收器;以及
输入光纤连接,从波分复用无源光网络接收所述多路复用器/多路分离器的输入光路径中的第一光信号,其中所述四个或者更多光接收器和所述多路复用器/多路分离器集成在单个基底中并且所述四个或者更多光接收器、所述多路复用器/多路分离器以及所述连接集成在单个集成单元中。
22.根据权利要求21所述的设备,其进一步包括:
频带分割滤波器,用于传输光信号到所述多路复用器/多路分离器。
23.根据权利要求21所述的设备,其进一步包括:
能够发射激光的光增益介质的阵列,用于提供与其他能够发射激光的光增益介质所提供的波长频带不同的波长频带,其中所述能够发射激光的光增益介质的阵列也包含在所述集成单元中。
24.一种多波长光源,包括:
具有四个或者更多增益介质的阵列,其中所述各个增益介质提供与其他增益介质不同的波长频带;
多路复用器/多路分离器,其中所述四个或者更多增益介质中的每一个耦合到所述多路复用器/多路分离器的自身端口;以及
波长反射器,用于通过所述多路复用器/多路分离器将光信号的一部分作为再生反馈传输到第一增益介质,其中所述多路复用器/多路分离器进行滤波以限定所述第一增益介质产生的波长频带。
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