CN1997924A - 用于wdm传输网络的无制冷且波长栅格漂移的集成光路(pic) - Google Patents

用于wdm传输网络的无制冷且波长栅格漂移的集成光路(pic) Download PDF

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Abstract

诸如半导体电吸收调制器/激光器(EML)或无制冷光发射器集成光路(TxPIC)等的无制冷集成光路(PIC)可以在不需要环境冷却或气密式封装的情况下工作在比室温高的一个很宽的温度范围中。因为在TxPIC芯片上有N个光传输信号WDM通道的大规模集成，所以一种具有新颖检测手段和自适应算法的新DWDM系统解决方案可提供对该PIC的智能控制，以使其性能达到最佳并允许DWDM系统中的光发射器和接收器模块在不加冷却的情况下工作。此外，单片通道激光光源的波长栅格可能在WDM波带内热漂移，其中激光光源的各个发射波长并非正中标准化波长栅格上的各个波峰，而是有可能随环境温度的变化而左右移动。然而，控制仍然得以维持，使得在热漂移的波长栅格中相邻的激光光源之间，多个信号通道中各通道之间的通道光谱间隔无论是周期性间隔还是非周期性间隔，都保持着固定的关系。然后，在光接收器处提供一些装置，以便发现并锁定发送过来的WDM信号的漂移波长栅格，这之后对发送过来的WDM信号进行多路分配以便于OE转换。

Description

用于WDM传输网络的无制冷且波长栅格漂移的集成光路(PIC)
技术领域
本发明一般而言涉及集成光路(PIC)，尤其涉及用作WDM发射器或接收器的未冷却的PIC，并且还涉及在工作时信号通道的波长栅格有漂移的这种PIC，其中信号通道之间的空间分离持续保持固定。
定义
为了更好地理解本文所公开的内容，下文给出了与本文所使用的某些术语有关的定义：
术语“调制源”包括直接调制的激光器和带有外部调制器的连续波激光器或可在给定波长处提供凋制信号的任何元件。术语“外部的”在本领域中的这种环境下使用时是指“独立的或与激光器分离的”，并且该凋制器是在与该激光器相同的基片上的集成器件。
激光器或激光源是相同的元件。
“元件”与“组件”同义，是指集成光路(PIC)上所集成的任一个有源或无源光学器件，该光学器件在该PIC上执行某一个功能。示例包括但不限于激光器、调制器、PCE、MFE、可固定或设置在某一偏压处并具有固定的插入损耗的单元、波导、合波器或分波器、耦合器、或分束器。
本文所提及的“WDM”旨在包括“DWDM”和“CWDM”。术语“通道”或“信号通道”一般是指PIC芯片上的调制源，使得如果有N个信号通道，则就有N个调制源。本文所提及的回路集成型激光源/调制器信号通道按其名称就是指激光源及其相关的调制器，它们一起构成了调制源并提供调制信号输出。在这种情况下，这样一个通道也充当一个光波导。
本申请的描述中所使用的“有源区”是指半导体器件中载流子发生复合的区域，该区域可以由单层半导体有源层构成，或者可以由带有任何相关联的光限制层的多层半导体层构成，这对于本领域的技术人员都是公知的。
“通道”是指最少要包括调制源或像光检测器(PD)这种其它有源元件的单通道EML或多通道PIC中的一条用于传播光信号的集成光信号通道波导路径，在集成光路(PIC)中，有N个信号通道形成于该PIC上的阵列中且N等于2或更大，而在EML中N等于1。
“合波器或分波器”是指波长选择合波器或分波器以及自由空间合波器或分波器。“波长选择合波器或分波器”是指区分波长的合波器或多个波长通道信号的多路复用器。“自由空间合波器/分波器”是一种在组合不同波长通道信号时不区分波长的合波器。更具体地讲，来自波长选择合波器的单位为dB的输出功率可以被定义成
Figure A20058001607800111
其中Pi是输入到合波器中的光输入功率，N是输出的数目，而IL是插入损耗因子。对于自由空间合波器而言，它通常被定义为
Figure A20058001607800112
其中Pi是输入到合波器中的光输入功率，N是输入的数目，而IL是插入损耗因子。可以很容易看出，不同功率输出是主要差异。波长选择合波器/分波器的示例包括但不限于阵列波导光栅(AWG)、Echelle光栅、级联Mach-Zehnder于涉仪、准波长选择星形耦合器或椭圆超光栅(supergrating)。自由空间合波器/分波器的示例包括但不限于多模干涉(MMI)耦合器、自由空间耦合器、星形耦合器、或带有多模耦合区域的任何此类光耦合器。
在本文中，集成光路(PIC)可以是包括硅器件在内的任何半导体器件，该器件至少具有两个集成在光路中的元件。因此，PIC可以是EML、TxPIC、RxPIC、或在其中形成有多个无源或有源元件的任何其它回路。
“激光发射波长”是指激光器的发射输出波长。
“有源区波长”是指集成光路(PIC)中所形成的信号通道元件的有源区中的光致发光峰值波长或增益峰值波长，所提及的有源区可以位于下列元器件中：激光光源；调制器；监控元件，比如光检测器；功率改变元件(PCE)，比如半导体光放大器(SOA)、可变光衰减器(VOA)或诸如组合SOA/VOA器件等可变增益/损耗元件。
“光谱间隔(Δλ)”是指集成光路(PIC)中相邻的信号通路之间或分立的调制源之间的激光发射波长差。
“激光失谐偏置”是指对单个通道而言激光发射波长和激光有源区波长之间的差值。
“正的波长失谐”或“正失谐的波长”是指大于零的激光失谐偏置。在本文中，“正的波长失谐”也可以包括稍微负的波长失谐，即刚刚好在零之下，因为在制造PIC过程中，本来正失谐的波长也有可能最终稍微负失谐几个纳米。
“激光-调制器失谐”是指对相同的信号通道而言激光发射波长和调制器有源区波长之间的差。
“工作窗口”是指激光光源通道发射波长的范围，在该范围中对于PIC特别指定的应用而言调制源的损耗和比特误码率(BER)特性都可以让人接受。
“PCE”是指在集成光路(PIC)的一个或多个通道中所集成的功率改变元件(功率变化元件或固定损耗元件)，该元件改变在其中传播的光的功率水平。PCE的示例是光检测器、半导体光放大器(SOA)、可变光衰减器(VOA)、或也可被称为ZOA的组合SOA/VOA、Δ-β耦合器、可改变干涉仪臂之间所分开的光的相位的Mach-Zehnder干涉仪、或在信号通道中形成预定长度的吸收区域这样一种部署。
多个调制源的波长栅格和合波器或分波器的波长栅格也被称为“波长梳”。
“转换速率”被定义为与无制冷(加热)环境中波长栅格在频率方面移动或变化得有多快相关的速率，这可以按nm/℃或GHz/℃来测量。作为一个示例，在本文所描述的TxPIC中，激光光源转换速率在16.5 GHz/℃左右，比如大约在室温和70/℃之间的环境中。
背景技术
过去，对于长通信距离的远程通信而言，光发射器主要包括由光纤耦合的分立的半导体激光光源和分立的外部调制器。在大多数情况下，可选的激光光源都是DFB激光器，而可选的调制器都是Mach-Zehnder铌酸锂凋制器。近来，这两种组件的集成已进入普通商用阶段，其中包括在同一基片上集成的单片DBR或DFB激光器/电吸收(EA)调制器(EAM)。多数情况下可选的激光光源都是DFB激光器。这些器件也被称为EML(电吸收凋制器/激光器)。非常期望将EA调制器与单频率激光器(比如DFB或DBR激光器)单片集成起来。与直接调制激光光源相比，这种外部调制激光光源(比如EA调制器)因其固有的低静态啁啾而更具吸引力。这些EML比之前分立的激光器/调制器有利的是：(1)激光器和调制器之间的耦合或插入损耗减小了或可以忽略，从而实现了稳定且可靠的调制源；(2)至少部分程度上因激光器/调制器接口或调制器平面处的反馈反射而导致的激光啁啾即使不可以忽略也会有所减小；以及(3)生产这种集成器件的成本更低。
在器件的有源区中，EML通常使用多量子阱(MQW)。然而，制造这些集成器件的问题是，与激光器部分的MQW相比，调制器部分的MQW要具有更宽的有效带隙。如果集成的激光器部分和调制器部分具有共同的有源区，则上述这一点会很难实现，因为最初的观点是为了在这些部分之间实现必要的带隙，这些器件各自的有源区必须具有实际上不同的带隙。
电吸收调制器/激光器(EML)器件现在部署在比特率高达10Gb/s的光传输网络的发射器系统中。这些器件通常是集成的DFB激光器和电吸收凋制器，并且因其集成和更低的封装成本而具有改进的性能。在凋制器处，改进的性能还包括实现了高消光比和低啁啾特征。EML或调制源阵列中的波导芯最好是AlInGaAs多量子阱(MQW)，缩写为AQ MQW，这种量子阱与InGaAsP MQW或PQ MQW形成对比，可以改善高温下的激光器性能。例如，可以参阅M.R.Gokhale等人题为“Uncooled，10Gb/s 1310nm Electroabsorption ModulatedLaser”的文章(Optical Fiber Communication Conference & Exposition (OFC2003)，Post-deadline(PD)paper 42，pp.1-3，March 23-28，2008)。该论文报道了一种具有AQ双波导的10Gb/s 1310纳米EML，该EML工作在0℃到85℃的未冷却状态中，并且在上述温度范围中平均功率和调制器消光比都保持得相当好。双波导的部署状况要求附加的生长步骤，还要求在DFB激光器和EAM之间要有一种良好且高产的可再现的耦合机制。更简单的解决方案是一种用于激光器和调制器的单有源区/波导芯，尽管本领域中已认识到来自调制器的后反射进入激光器会是个问题但该问题尚可以解决。因此，1550纳米激光器已全部冷却，例如，可以用在其上安装激光器的热电制冷器(TEC)来进行这种冷却。
在目前一些EML中，DFB激光器光栅被设计成具有比有源区材料增益峰值波长更长的光栅周期，这被称为正失谐，在某些情况下甚至可以稍微负失谐一点。
在Randal A.Salvatore等人的题为“Electroabsorption Modulated Laser forLong Transmission Spans”的论文(IEEE Journal of quantum Electronics，Vol.28(2)，pp.464-476，May 2002)中，公布了一种带有复杂耦合AQ有源区/波导的冷却的(例如，冷却到25℃或室温)1550纳米范围EML。因此，1.5微米AQEML是已有的，但是并非工作在未冷却的状态下，即它们包括热电冷却器(TEC)。
人们所期望的是一种未冷却的1500纳米范围EML，这种EML可以在室温以上或以下很宽的温度范围中工作，同时还可以在这种温度范围中提供基本上均匀的功率输出。
现在参照下面的美国专利申请：10/267,331，公布号为US 2003/0095737A1；10/267,304，公布号为US 2004/0033004 A1；10/267,330，公布号为US2003/0095736 A1；10/267,346，公布号为US 2003/0081878 A1，所有这些专利都是2002年10月8日提交的，均为本文的受让人所拥有，并且被包括在本文中作为参考。这些申请公布了早先的以光大规模集成(P-LSI)为基础的集成光路(PIC)。在这些芯片上所形成的以InP为基体的光发射器集成光路(TxPIC)包括调制源阵列，该阵列可以是直接凋制激光器(DML)的集成阵列，或者可以是带有相应的诸如EAM等光耦合集成电光调制器(EOM)的激光光源的集成阵列。无论那种情况，它们包括诸如DFB激光器或DBR激光器等激光光源的阵列。各个激光光源工作在不同的波长处，这些波长又分别被设置到诸如ITU栅格等标准化波长栅格上的波长。因此，来自每一个激光光源/调制器(也被称为“调制源”，这也旨在将直接凋制激光器包括到这种信号通道中)的每一个调制信号都是一个其频率与其它信号通道不同的信号通道，所有这些都集成在单片上。这些通道信号作为输入被提供给集成光合波器，它可以是波长选择合波器或滤波器，比如阵列型波导光栅(AWG)、Echelle光栅、级联Mach-Zehnder干涉仪、或准选择性波长星形耦合器。另一方面，光合波器可以是功率耦合器、星形耦合器或MMI耦合器。在上文所识别的被包括的申请中，尤其是上文序列号为10/267,331的美国申请中，可以看到上述这些的示例。
以InP为基体的光接收器集成光路或RxPIC包括一个半导体芯片，该芯片具有一个用于多路复用信号的输入，这种信号可以先由芯片外的EDFA或芯片上的光放大器来放大。然后，芯片上的分波器或滤波器对该信号进行多路分配，其中来自分波器的多个输出波导包括多个不同的调制光信号，每一个波导的末端耦合到各个芯片上所集成的光检测器，比如PIN光电二极管。来自光检测器的光电流信号被提供给互阻抗放大器(TIA)，以便将每一个光电流转化为电压信号，该电压信号是光信号的电学再现。这种TIA可以是RxPIC芯片的一个集成部分。在上文提及的序列号为10/267,304的美国专利申请中公开了与RxPIC芯片相关的更多细节和示例。
目前，在从远程通信服务提供商设备制造商那里可以买到的常规密集波分复用(DWDM)通信系统中，有大量的热能产生是常见的现象，并且这对减小系统的尺寸、功率和成本而言是个主要障碍。使用单片集成光子器件(比如上文讨论过的EML、TxPIC和RxPIC，这些光子器件将多个功能包含到单个半导体芯片中)可以显著地减小光发射模块的整体功率要求。这些集成光路(PIC)类型的大规模集成使功能增加了许多，同时整体功率、重量、尺寸和成本显著减小了许多。尽管已经证明集成可以减小功耗，但是冷却这些PIC芯片所用的热电制冷器(TEC)或Peltier制冷器所消耗的功率可能是被冷却以便工作在指定温度下的芯片本身功率的四到十倍。通过使用这种制冷器而带来的如此大的功耗使这种大规模集成器件在器件功率要求方面所作出的改进效果显著变小了。此外，TEC所用的附加功率常常使所需的散热器尺寸、重量和成本以指数形式增大。因此，在这种PIC中，除了技术挑战以外，还有这样一个主要原因要去掉TEC。
实现未冷却的DWDM光发射器的主要挑战在于，如何控制多个芯片上激光二极管的工作波长。DWDM意味着要对发射器波长进行精确控制，而改变TxPIC中的环境温度必然会改变芯片上激光二极管发射器的波长。本发明的目的是采用一种新的且令人印象深刻的DWDM系统解决方案，该方案与新颖的检测手段和自适应算法一起可为光学应答器或收发器模块中诸如EML、TxPIC或RxPIC等PIC芯片提供智能控制，以便使其性能达到最佳并且允许这些半导体连续无冷却地工作。为了确保令人满意的品质数据传输，也要求对像发射器啁啾这样的高速性能参数进行控制。
发明目的
本发明的一个目的是消除或基本上减少上文所讨论的本领域中的各个问题。
本发明的另一个目的是提供一种不需要冷却但仍然满足所要求的性能标准且可以提供不昂贵的封装的PIC，因为像昂贵的TEC(热电制冷器)这种封装好的制冷器不再需要了，并且气密式封装这样的要求即使没有取消也基本上不那么严格了。
本发明的另一个目的是提供一种集成在PIC上的激光器阵列，该阵列工作在一个比室温相对高的扩展温度工作范围中，其中该范围的最小温度由PIC集成电路加热器来维持以便保持各个激光器的工作波长，但是在更高的工作温度下(即在最小温度以上且在高温工作范围内)加热器被用来调谐激光波长，以便使激光波长处于与阵列中相邻激光器有关的预定频率间隔之内。
本发明的另一个目的是提供一种可在扩展后的温度范围中工作的PIC，该温度范围可以是但不限于约-20℃到小于100℃，该范围约为20℃到70℃更佳。
本发明的另一个目的是提供一种集成激光器阵列，比如PIC中的EMLS阵列或激光光源阵列，它们不受温度控制，所以包括激光器阵列的光输出的波长梳可以在工作温度范围中漂移。然而，在该阵列中相邻激光器之间的波长间隔保持一恒定值，即该激光器阵列的波长梳锁定到固定的频率间隔，其中阵列激光器中的这种间隔可以是均匀的或非均匀的。
本发明的另一个目的是提供一种自适应光接收器，当通过发送过来的漂移波长梳的固定间隔对信号通道进行多路分配和标识、调谐到表示信号通道的各个漂移波长、并且在各通道信号在光接收器处从光转化为电的同时跟踪信号波长的漂移栅格的时候，该自适应光接收器能够识别信号波长的漂移栅格。
本发明的另一个目的是一种反馈系统，当PIC的环境温度在很广的工作温度范围中变化时，该反馈系统可以用相邻激光光源之间固定的波长间隔来监控并锁定PIC上集成激光光源阵列的波长梳，所以单个激光光源的工作波长因其固定的通道间隔而具有固定的栅格，并且可以在某一工作温度范围中随温度而变化。
本发明的另一个目的是提供波长检测器，这些检测器被集成在集成光路或PIC中，用于检测来自有源或无源器件(比如TxPIC或EML中的激光光源)的输出信号波长或来自RxPIC中的波长选择分波器的输出信号波长。
在本发明的其余描述中，其它目的将变得很明显。
发明内容
根据本发明，诸如EML、TxPIC和RxPIC等PIC可以在很宽的温度范围中不加冷却地工作，所以无论是长通信距离、城域、WAN或是LAN，在用于光传输或通信网络的光应答器或收发器模块中，诸如要求气密式封装和附带制冷器的TEC辅助安装等昂贵的封装即使没有消除，在多数情况下也不那么严格了。实现不加冷却的WDM发射器所遇到的主要挑战在于，比如DWDM系统中的工作波长的控制，在本发明中即发射器波长的精确控制，而环境温度变化必然会改变发射器的波长。本发明涉及一种带有新颖的检测手段和自适应算法的新DWDM系统解决方案，该方案可提供PIC的智能控制，以便使其性能达到最佳并且允许DWDM系统中的光发射器和接收器工作在不加冷却的状态中。诸如发射器啁啾等高速性能参数的控制仍然可连续地确保实现令人满意的品质数据传输。
本发明的另一个重要特征是，提供光发射器和光接收器以便在光传输网络中部署在某一终端处，可用作中跨光再生器或中继器(OEO再生)、或中跨插/分/穿透模块，其中光发射器的工作波长发生漂移，即工作波长并不固定地接近标准化栅格上的某一个波长而是可以随温度的上升和下降变长或变短，但是光发射器组的波长栅格仍然保持不变并且具有恒定的间隔，比如50GHz、100GHz或200GHz间隔。该原理也可以同样应用于目前常规的光应答器，比如那些在光发射器处使用分立激光器和外部调制器或在光接收器处使用光检测器以及使用通道EML的光应答器。
因此，本申请所揭示的多波长信号通道的漂移波长栅格原理不仅可以应用于EML或PIC，也可以同样应用于目前具有大冷却系统的应答器，从而保持与预定的或已建立的波长栅格(比如ITU栅格)接近的传输通道波长。因此，本发明与之前已建立好的标准相比明显不符，已建立好的标准要求，在网络通道信号发生器中单个光发射器的工作波长必须保持在波长栅格上指定波长(比如C波段中的波长)位置附近几个纳米范围之内。相比之下，本发明允许通道信号发生器信号通道的波长位置随温度范围中的温度变化而向上或向下移动(比如在C波段内或进入诸如L波段等其它这样的波段中)，只要信号通道的波长栅格间隔仍然固定就可以。在这种情况下，所有信号通道之间的固定间隔可以是均匀的或完全相同的，或者它们可以具有预定模式而并不均匀，比如某些信号通道具有比其它信号通道大的间隔，或者按特定关系单调增大或减小，同样，只要在发射器波长的漂移波长栅格上相邻信号通道之间的波长间隔仍然连续大体上固定就可以。
本发明的另一个特征是一种在诸如光发射器PIC(TxPIC)等集成光路(PIC)中集成的无制冷半导体电吸收调制器/激光器(EML)或调制源阵列，其中每一个EML都包括集成连续波激光光源和诸如电吸收调制器(EAM)或Mach-Zehnder调制器等电光调制器，其中有源区形成于EML或PIC中，用于引导连续波激光光源所产生的光穿过波导芯，该有源区包含四个一组的AlGaInAs(AQ)并且激光光源相对于该有源区材料的自然光致发光(PL)峰或增益峰正失谐。结果，EML或TxPIC可以在不需要环境冷却的情况下工作在很宽的温度范围中，同时可以提供基本上均匀的输出功率，其中激光阈值电流处于很宽的温度范围特别是很宽的高温范围中，比如从室温附近到100℃以下的某一温度，比如约20℃到70℃和85℃之间。
本发明的另一个特征是提供了以III-V族材料为基体的PIC(例如，EML、TxPIC或RxPIC)，比如具有两个或更多集成元件且以InP为基体的PIC，这种PIC可以在没有PIC制冷器的情况下工作并且使用加热器来维持固定的工作点或为该PIC设置工作条件。用于PIC的加热器可应用于该PIC上的至少一个元件，比如该PIC上所集成的激光器、调制器、半导体光放大器(SOA，可变光衰减器(VOA)、波长选择合波器/分波器或滤波器或任何其它功率改变元件(PCE))。
本发明的另一个特征是包括集成的波长检测器的PIC，该检测器用于检测同样集成在该PIC上的一个或多个元件的输出波长。基于这方面的考虑，检测器可以用作集成的波长锁定装置，以便使波长稳定或使波长栅格稳定。因此，本特征包括一种PIC，它包括与其它集成PIC元件一起集成在该PIC中的集成波长控制元件。这种PIC可以在无制冷(加热)的情况下工作，或可以在具有诸如TEC等制冷器的情况下工作。
结合附图，参照下文的描述和权利要求书，本发明的其它目的和成就将变得很清楚并且对本发明的理解将更全面，在附图中相同的数字表示相同的结构元件和特征。这些附图没有必要按比例绘制，因为重点在于说明本发明的原理即可。
附图说明
在附图中，相同的标号指代相同的部件。
图1是含本发明的无制冷电吸收调制器/激光器(EML)的无制冷PIC的平面图。
图2是图1的EML的侧面正视图。
图3是图2中的EML沿线条3-3的横截面图。
图4是多个EML的平均功率与环境温度的函数关系图示，该图示出了在很大的工作温度范围中输出功率基本上均匀。
图5是多个EML的平均激光阈值功率与环境温度的函数关系图示，该图示出了在很大的工作温度范围中阈值电流基本上均匀。
图6是无制冷PIC的另一个实施例的平面图，该PIC包括图1所示的无制冷EML并且还包括用于该EML的电热丝式加热器。
图7是无制冷PIC的另一个实施例的平面图，该PIC包括图1所示的无制冷EML并且还包括功率改变元件(PCE)，该PCE包括集成的半导体光放大器(SOA)。
图8是一种包括光发射器集成光路(TxPIC)的无制冷PIC的平面图，该TxPIC包括本发明的特征。
图9是一种包括光接收器集成光路(RxPIC)的无制冷PIC的平面图，该RxPIC包括本发明的特征。
图10是一种具有多通道PIC的光传输网络的第一实施例的示意图，其中多通道PIC利用了本发明的漂移波长栅格。
图11是一种具有多通道PIC的光传输网络的第二实施例的示意图，其中多通道PIC利用了本发明的漂移波长栅格。
图12是一种具有多通道PIC的光传输网络的第三实施例的示意图，其中多通道PIC利用了本发明的漂移波长栅格。
图13是集成在PIC中的单片波长检测器的第一实施例的示意图。
图14是集成在PIC中的单片波长检测器的第二实施例的示意图。
图15是集成在PIC中的单片波长检测器的第三实施例的示意图。
图16是集成在PIC中的单片波长检测器的第四实施例的示意图。
图16是集成在PIC中的单片波长检测器的第五实施例的示意图。
图17是集成在PIC中的单片波长检测器的第六实施例的示意图。
图18是集成在PIC中的单片波长检测器的第七实施例的示意图。
图19是集成在PIC中的单片波长检测器的第八实施例的示意图。
图20是集成在PIC中的单片波长检测器的第九实施例的示意图。
图21是集成在PIC中的单片波长检测器的第十实施例的示意图。
图22是集成在PIC中的单片波长检测器的第十一实施例的示意图。
图23是集成在PIC中的单片波长检测器的第十二实施例的示意图。
图24是集成在PIC中的单片波长检测器的第十三实施例的示意图。
图25是集成在PIC中的单片波长检测器的第十四实施例的示意图。
图26是集成在PIC中的单片波长检测器的第十五实施例的示意图。
图27是集成在PIC中的单片波长检测器的第十六实施例的示意图。
图28是诸如TxPIC等中的多个激光光源的波长栅格或梳的示例图。
图29是诸如EML或TxPIC等PIC中的电光调制器的横截面图，其中加热器安装在该电光调制器的脊形波导顶部之上。
图30是10个信号通道TxPIC上前方光检测器(FPD)或前方PIN光电二极管或FPIN光电流与后方光检测器(RFD)或后方PIN光电二极管或BPIN光电流的比值的半对数和温度之间的函数关系图。
图31是10个信号通道TxPIC上前方光检测器(FPD)或前方PIN光电二极管或FPIN光电流与后方光检测器(RFD)或后方PIN光电二极管或BPIN光电流的比值的半对数和温度之间的函数关系经线性拟合后的图。
具体实施方式
现在参照图1-3，涉及本发明的一种形式为无制冷电吸收调制器/激光器或EML 10的无制冷PIC。EML 10以单片形式包括集成的激光光源12和电吸收调制器(EAM)14。激光光源12可以是DFB或DBR激光器，但在本文的实施例中DFB激光器较佳。如图3所示，EML 10具有很浅的脊形波导36。然而，该脊形也可以是深脊形波导器件、带凸纹的波导、或嵌入式异质结波导。
应该注意到，根据本发明的目的，调制器14也可以是Mach-Zehnder调制器(MZM)，在上文提及的专利10/267,331中公布了它的一个示例。MZM可以是一个“纯粹的”MZM，即不在其带边工作的MZM，或者可以是带边MZM，即在带边工作的MZM。然而，在不加冷却的状态中(无制冷环境)操作一个纯粹的MZM仍然是令人期待的，比如在控制凋制器啁啾的情况下。对于带边MZM的情况，要求使用加热器进行无制冷操作，以便将其操作保持在带边以内，因为当沿带边工作时波长可能随温度快速变化，使得如果没有保持严格的温度控制则功率将会下降并崩溃。
如图2和3所示，无制冷EML 10可以包括n-InP类型或半绝缘(InP：Fe)基片16，在基片16上通过MOCVD外延沉积了n-InP缓冲层(未示出)、n-InP限制层18，其后是四个一组的(“Q”)光栅层20，该光栅层可以是InGaAsP(“PQ”)或AlInGaAs(“AQ”)。在激光光源12的区域中，DFB光栅22形成于Q光栅层20中，这在本领域中是已知并常实施的。所示的结构进一步包括n-InP平整化/分离层24，其后是包括AQ即AlInGaAs的有源区26，该有源区可以是聚合层，是多个应变量子阱和阻挡层则更佳，其中可能有约4到6个这样的量子阱。可以提供由无意掺杂的(NID)InP构成的可选的平整化层28，其后生长一层由InP、AlInAs、InAlGaAs、InAlAsP或InAlGaAsP构成的可选的NID层30，层30可充当形成浅脊形波导36的停止蚀刻层。这之后可以生长p-InP限制层32以及P++-InGaAs接触层34，这在本领域中是已知的。尽管在上文中以InP为基体的情况作为示例，但是其它III-V族情况也可以使用，其中包括以GaAs为基体的情况。
在接触层34的表面上，执行合适的分离的金属喷镀(未示出)，其中的接点通过隔离区35而电隔离。隔离区35可以是凹槽或离子注入，这在本领域中都是已知的。在基片16的下表面执行n-接触金属喷镀(未示出)。
有源区26中形成的波导芯最好是AlInGaAs或AQ，该波导芯允许DFB激光光源12高温工作，还可提供更宽的调制器窗口，该窗口可以用于可能的激光发射波长的带宽，特别用于多通道/多波长PIC。激光光源12主要正失谐，即适当选择DFB激光器12的光栅节距22，使得该激光器工作在有源区26的增益峰或PL峰的波长更长的那一侧。这种失谐可使激光性能在更宽的温度范围中基本上都均匀，特别是，随着工作或环境温度的升高，激光增益得以保持或实际上有所增大。激光器12被制造成在正失谐波长下工作，例如，在离增益峰约60纳米到100纳米的范围中工作。将激光器失谐发射波长选为调制器AQ有源波导芯的吸收边缘，由此在激光光源的性能并未因正失谐的应用而显著下降的情况下确保了激光器12和EAM 14之间最佳的波长一致性。换句话说，激光器12的发射波长相对于EAM 14的传输波长的激光器-调制器失谐向红光方向移动了。因为在激光器有源区26中使用了应变多量子阱层，所以在激光光源12工作过程中实现了很宽的增益谱。DFB激光器12的这种失谐加上在EAM 14处部署负啁啾系统便可以提供初始的调制脉冲压缩，这种压缩允许光信号在高色散光纤上进行扩展传输，从而使用作对比的这种光纤段上的BER更低。最终结果是如图4和5所示的那样，在相当宽的温度范围中激光器功率输出和激光器阈值电流都并不变化多少。图4和5中的图形数据是大量EML PIC的平均结果，特别地是六十个这种器件的平均结果。从与图4中的曲线38有关的结果中可以看到，这些器件的输出功率在14毫瓦和15毫瓦之间变化，即在15℃到40℃这样一个很宽的工作温度范围中只在约1毫瓦之内变化。如图5所示，借助与曲线39有关的相同标记，在该温度范围中的阈值电流仅变化了约5毫安。因此，当用AQ有源区来制造EML 10、激光发射波长相对于该有源区的波长正失谐并且该激光发射波长位于设置得更宽的调制器工作窗口之内的时候，在不使用任何环境冷却的情况下可以在约25℃温度范围中实现基本上均匀的功率和激光器阈值电流。
此外，所实现的另一个好处是，因为EAM 14的失谐和激射波长(激光器-调制器失谐)减小了，所以频率啁啾特征改善了，从而使BER更低了。
此外，激光光源12的减小的正失谐将会朝着PL峰移动，而PL峰也将会随着器件温度的上升而朝着失谐激光器工作波长移动，这是有益的，因为激光器增益将会随着环境温度的上升而相应地增大。因此，EML PIC 10的环境温度上升会使DFB激光器12的有源区26的带隙移动，从而使增益峰的失谐朝着激光器12的激射或工作峰减小，进而使增益更大。如上所述，从图4和5的结果中可以看到，功率输出和激光器阈值电流的最终结果在很宽的工作温度范围中很少变化。随着EML 10的环境温度上升，激光器的增益将会朝着PL峰移动，速率通常约为0.16nm/℃，同时PL光谱将会朝着正失谐激光发射波长移动，速率通常约为0.5nm/℃，最终结果便是激光增益随激光器温度的上升而变大。因此，随着EML 10持续升温，激光器工作增益朝着光致发光(PL)峰增大，而不具备本申请所阐明的各属性的大多数其它激光器的最终效果都是激光器增益会随温度的上升而下降。通常将这种激光器调谐到光致发光峰或使其负失谐，使得随着温度的升高，激光器增益将在更高的温度下下降。因此，正失谐是本发明的一个重要方面，这可以提供激光器/调制器波长一致性，并且能够在EML PIC工作温度上升时使增益变大或至少使增益稳定。
如图6所示，可向图1-3的实施例提供的一个附加特征是向EML PIC 10添加一个加热器33。在靠近PIC有源元件处添加一个加热器33可以使EML PIC10A的温度漂移达到最小。如图6所示，沿集成电光元件12和14的侧面，EMLPIC 10A包括了一个电热丝式加热器33。电热丝式加热器33是薄膜加热器，它可以是沉积在EML PIC 10A上表面上的Pt/Ti双层、W层、Pt膜、Cr膜、NiCr膜、TaN膜，还可以是本领域已知用于制造这种电热丝式或块状加热器的任何其它材料。
DFB激光器12被设计成可以在40℃的温度范围中工作，比如，在约30℃到70℃之间。如上所述，通常激光器的工作波长大约按0.16nm/℃增大，所以在上述温度范围中其工作波长可以在约4纳米的可调谐波长范围中变化。在本申请中，使用图6的加热器33加热EML PIC 10A，特别是将激光器12加热到其最大工作温度。然后，通过监控电路来监控环境温度，该监控电路包括一个用于监控激光器12的温度的热敏电阻。如果环境温度升到激光器12的最大工作温度以上，则监控电路将减小为加热器33设置的预偏置电压条件，这会使激光器工作温度回到其最大工作温度或至少回到有限的工作温度范围中。最大工作温度也处于DFB激光器12的预期工作波长窗口内。作为一个特定的示例，如果激光器12的工作温度约从约40℃到约70℃并且激光器12的预期波长工作温度接近45℃，则加热器33将被预偏置，以便使EML PIC 10A的环境温度保持在约40℃到50℃。结果，可能产生的最大温度偏移便从约70℃减小到约20℃。工作性能方面最终的变化将会很小。20℃的温度漂移会把DFB激光器发射波长限制到约200GHz，这仍然满足CWDM通道间隔的要求，同时还可以保持长距离光信号的品质。
从上文中可以看到，部署加热器33替代与激光器结合的TEC，以便使与预期应用温度相关的温度漂移达到最小，同时还使任何温度漂移都保持在ITU波长栅格上的WDM信号所允许的波带内，所以加热器33在功能方面替代了TEC或其它这种制冷器，这些制冷器是比较昂贵的PIC组件，会占据更大的面积，并且要求气密式封装，所有这些都使诸如光发射器等集成PIC的成本增大许多，对于本发明的无制冷EML PIC 10和10A而言这些成本通常都是不需要的。因此，加热器33在基本上不需要对EML PIC 10A作气密式封装的情况下允许在无制冷环境中对激光器12进行温度控制，同时将所要求的激光器工作温度维持在通道信号所允许的波带容限之内。在本领域中之前尚未认识到，对于DFB激光器或EML PIC而言，集成加热器33的使用消除了对TEC的需求，同时在高温工作范围中维持了所要求的激光器可接受温度和波长工作条件以及性能。
除了上文的温度调谐以外，其它方法的精细调谐也可以被包括到波长调谐激光光源12中，作为加热或冷却的补充手段。例如，可通过改变激光器驱动电流进行电流调谐，或当激光光源12是DBR激光器且具有相位调谐部分时进行相位调谐。
图7中的10B是无制冷EML PIC的另一个实施例，它包括了一个可变增益/损耗元件35，元件35充当SOA/VOA并且被集成在EAM 14之后的EML光路中。在通过改变激光器12的驱动电流而进行精细调谐时，这也会改变其输出功率，所以当这种电流变化伴随着功率下降时，增益/损耗元件35在正偏压下工作，从而充当SOA，以便通过对元件35加正偏压而将功率输出增大到预期维持的功率水平。这一点对于不加冷却的EML PIC而言尤其重要，因为随着温度的上升，功率输出相应地下降。此外，随着无制冷环境中EML PIC的工作温度的上升，激光光源的电流也可能减小以便维持工作特征。电流的减小是输出功率的减小，所以可以使增益/损耗元件35开始工作，以便将信号功率增大到可接受的水平。通过相同的标记，如果这种电流随着伴有功率增大而发生变化或在较高的最佳功率处工作以使某些激光器工作特征最大化，则增益/损耗元件35工作在负偏压的状态下，从而充当VOA，以便通过对元件35加负偏压进行功率吸收而将EML PIC 10B的输出功率减小到预期维持的功率水平。
通常，随着EML PIC 10B或任何上述实施例的温度升高，激光器-调制器失谐都会下降。尽管EAM 14的Q因这一点而提高或保持不变，但是EML PIC10B的功率输出将减小或下降。集成功率控制元件35的部署可以提供设计自由，以确保在允许的工作温度范围中输出功率在高温下不变同时保持EML PIC的Q性能。在这种情况下，通过同时使用电热丝式加热器33和元件35，图6和7的实施例可以组合起来，在很高的工作温度范围中控制激光光源12和EAM14的工作特征。考虑到这一点，应该认识到，电热丝式加热器33可以分割成两个单独的部分33A和33B，一个用于激光光源12而另一个用于EAM，从而对这两个电光元件进行独立的温度控制，在下文中将结合可以应用上述无制冷工作原理的发射器集成光路或TxPIC进行更为详细的描述。上述实施例处理了无制冷EML PIC的工作方案。无制冷工作原理也可以应用于无制冷多通道PIC的阵列，其中包括单片InP基芯片，比如图8所示的那种类型。图8揭示了一种发射器集成光路或TxPIC芯片50，该芯片是以In为基体的芯片，其结构细节在上文所提及的美国专利申请10/267,330和10/267,331中有描述。然而，在这种情况下，TxPIC芯片50工作在无制冷模式中，即它在工作时不使用任何像TEC这样的制冷器。如图8所示，无制冷单片PIC芯片50包括各组集成的且光耦合的有源和无源组件，其中包括诸如DFB半导体激光器或DBR半导体激光器等激光光源52的集成阵列。每一个激光光源52工作在彼此不同的波长λ1-λN处，其中波长组提供了一个与ITU波长栅格这样的标准化波长栅格接近的波长栅格。图28示出了这样一个波长栅格。如图28所示，激光光源波长栅格尽可能地具有均匀的或周期性的通道波长节距或阵列光谱间隔Δλ、以及均匀的通道宽度。然而，在下文会详细解释的本发明的一个重要特征中，可以允许芯片50在预定的温度范围中漂移而栅格或通道间隔同时保持不变或固定。换句话说，一方面，允许波长栅格在温度变化时也在波长方面发生变化，这意味着激光光源的各个波长也随温度而变化，但另一方面，阵列光谱间隔被设置成保持不变，例如，在均匀间隔的情况下可以设置到25GHz、50GHz、100GHz或200GHz。栅格间隔也可以设置成不均匀的间隔，但该间隔保持不变。
在激光光源52的后面，可以设置集成的后方光检测器51，这是可选的。光检测器51可以是PIN光电二极管或雪崩光电二极管(APD)。如图8的配置所示，激光光源52可以是直接调制的，或者可以是被操作的连续波并且带有相关联的外部电光调制器54。因此，激光光源52的连续波输出光耦合到构成通道调制源的各个电光调制器54。这种光强调制器54可以是电吸收调制器(EAM)或Mach-Zehnder调制器(MZM)，这在上文提及的专利申请10/267,331中有详细描述，但是EAM最好与DFB激光光源一起在无制冷的状态下工作。调制器54将电调制信号加到从激光光源52中接收到的连续波激光上，从而从多个通道中产生出多个不同波长的光调制信号，以便在光传送或传输网络中的光链路上进行传输。来自调制器54的调制输出可以光耦合到前方光检测器56。光检测器56的单片部署是可选的。或者，借助一个单片光抽头，光检测器56也可以被制造成偏离激光光源输出轴，从而将主光通道或波导路径中的调制输出的一小部分提供给偏置的集成光检测器。前方光检测器56可以是PIN光电二极管或雪崩光电二极管(APD)。光检测器51和56也可以一起用来监控各个激光光源52的输出功率或工作波长。另外，光检测器56也可以充当负偏压下的可变光衰减器(VOA)，以便选择性地调节调制源输出功率，使激光光源52的整个阵列上的光输出功率均等，从而提供单片集成预加重。此外，光检测器56可以用作正偏压下的单片半导体光放大器(SOA)。因此，这些器件可以执行VOA/SOA功能，以结合图7的PIC实施例所讨论的方式提供功率水平补偿。此外，作为另一个实施例，可以将不同的频率特性加到每一个前方光检测器56上，以便提供激光光源标记或标识，这在上文提到的美国专利申请10/267,330中有描述。
如上所述，并且像上文提到的专利申请10/267,331所详细解释的那样，调制器54的调制光信号输出通过前方光检测器56再经光输入波导58而分别耦合到单片波长选择合波器或滤波器即本文所示的阵列波导光栅或AWG 60，其总数是调制源的信号通道的数目。包括其它波长选择合波器或分波器也在本发明的范围中，比如可以使用的有：Echelle光栅；级联Mach-Zehnder干涉仪(MZI)；宽带多路复用器(其类型在美国专利6,580,844中有示出，该专利被包括在此作为参考)；或所谓的自由空间衍射光栅(FSDG)。这种波长选择合波器或多路复用器更有益于TxPIC芯片50上更高的通道信号计数。然而，与非波长选择类型的光合波器结合起来实施本发明也在本发明的范围中，这种合波器的示例有：功率耦合器；星形耦合器；MMI耦合器；或具有多模耦合区的光耦合器，该多模耦合区可以像美国公开专利申请2003/0012510所揭示的那样包括多个波导，或者该多模耦合区可以像美国专利7,745,618所揭示的那样部分是多个波导部分是自由空间，这两个专利引用在此作为参考。每一个调制源或每一个半导体调制器/激光器(SML)信号通道或更具体地讲每一个EML信号通道都表示TxPIC芯片5上的一个光信号通道，TxPIC芯片5可能具有多达40个信号通道或者更多。在图8中，TxPIC芯片50上有N个(N＝10)通道。在芯片50上可以有少于10或多于10个通道。在图8中，各个集成的EML信号通道的每一个信号通道输出耦合到各个波导58(1)至58(10)，到达AWG 60的零阶布里渊区输入。
为了在调制源阵列上预加重这一目的而让光检测器56充当VOA或SOA的做法仍在本发明的范围中，其中这种预加重在更高的温度范围中工作时是不同的。在某种程度上不同之处在于，在更高的工作温度下PIC元件可能具有更宽的灵敏度(与增益或损耗有关)，所以可能需要更宽的用于设置通道功率的动态范围。此外，在正确理解上文所提及的专利申请的情况下，光检测器51和56、激光光源52和调制器54彼此电隔离。
此外，应该注意到，每一个激光光源(DFB或DBR)的输出能力都对所设计的激光光源光栅很敏感，该光栅设置了来自有源区波峰的发射波长。通过设计与增益峰有关的激光光源光栅使得在更高的温度下两者之间的一致性提高，便可以获得温度上的性能改进，所以可以使无制冷TxPIC 50具有这样一个改进优点。特别是，具有相对较大的失谐波长的激光光源可以利用这个优点的积极效果，尽管在某些情况下激光光源阈值电流可能会上升。此外，TxPIC激光光源在高温下工作并不影响其单模特性，这从其侧面模式抑制定额(SMSR)中可以看出，即使在约70℃，该SMSR也接近40dB。作为单片激光光源52的DFB激光器的总调谐率约为0.16nm/℃或-20GHz/℃。另一方面，作为单片合波器的AWG的调谐率约为-16.25GHz/℃。如果DFB激光器偏压保持不变，则很自然调谐率会低于20GHz/℃并且将更接近AWG调谐率。无论哪种情况，恒定功率下的DFB激光器和AWG之间的微分调谐约为3.75GHz/℃，这已是相当小了，所以热跟踪和控制都可以很容易实现(而这一点正是本发明的基本目的)，从而在整个高温工作范围中使激光光源波长栅格与光合波器通带之间基本上保持栅格一致性。此外，在更高的工作温度范围中，AWG的插入损耗相当恒定。然而，与合波器相伴的激光光源的局部工作温度变化可能对这两个单片元件之间(即激光光源和AWG或合波器之间)的信号通道中的相关联调制器带来很不利的影响。随着TxPIC的环境温度上升，与有源区波长的PL峰有关的激光光源波长失谐有所减小，所以有源区的带边比激光光源工作波长红移得更快。这将导致通道EAM导通时的损耗或其整体的插入损耗有所增加，因为吸收边移动得更接近激光光源信号或工作波长。较佳地，这种插入损耗是不可容忍的，因为在TxPIC发射器的光纤中光信号所能达到的距离大体上受到了不利的影响。因此，在这种变化的温度环境中有必要调节EAM的有效啁啾参数，所以加热调制器，以便使EAM吸收边进一步远离激光光源工作波长。在这种情况下，应该注意到，用于激光器和调制器的加热器必须是分开的加热器。此外，为了在变化的温度条件下使EAM的性能达到最佳时的复杂性最小化，较佳地，调制器摆动电压保持恒定，而调制器偏置电压则随凋制器的温度变化而变化。
如上所述，每一个信号通道通常都被分配一个最小通道间隔或带宽，以避免与其它光通道串扰。例如，50GHz、100GHz或200GHz是信号通道之间常见的通道间隔。信号通道的物理通道间隔或中心到中心间隔68可以是100微米、200微米或250微米，以便在更高的数据传输速率下(比如，10Gb/s或更大)使电或热串扰最小化并且方便该芯片上所形成的多个PIC光学组件或元件的接合焊点之间的互连布线。尽管为了简化而没有示出，但是除了芯片边接合焊点群55以外，在PIC芯片50内部可以设置多个接合焊点，以便为特定的单片电光组件提供导线接合。
如图8所示，再次参照包括AWG的合波器60，来自电光调制器52的各个调制输出被耦合到光波导58(1)到58(10)，并到达AWG 60的输入。AWG 60包括输入自由空间区域59，该区域59耦合到多个衍射光栅波导或臂61，衍射光栅波导或臂61又耦合到输出自由空间区域62。来自AWG 60的多路复用光信号输出被提供给多个输出波导63，在自由空间区域62的输出面62A处，这些输出波导63包括沿零阶布里渊区的微调输出。输出波导63延伸到TxPIC芯片60的输出面69，其中选定的微调输出63可以光耦合到输出光纤(未示出)。部署多个微调输出63提供了这样一种手段，通过该手段可以选择出最佳的AWG 60输出，其中在不同的工作高温范围中AWG 60的波长栅格通带都与已建立的激光光源波长栅格匹配得最好。图8示出了7个微调输出63。应该认识到，任何数目的此类微调输出都可以使用。此外，此类微调输出的数目可以是奇数或偶数。
在工作过程中，AWG 60接收来自相耦合的输入波导58的N个光通道信号λ1-λN，这些信号穿过输入自由空间区域69，在该区域69中这些波长被分配到衍射光栅臂或波导61中。衍射光栅波导61是多个长度不同的光栅臂，相邻波导之间相差ΔL，所以根据波长λ1-λN会在波导61中建立起预定的相位差。因为在光栅臂61中的各波长之中有预定的相位差，所以光栅臂61中的每一个信号在输出自由空间区域62中的聚焦位置基本上都相同，所以各个信号波长λ1-λN主要聚焦到输出面62A的中心部分或零阶布里渊区上。微调输出63接收从AWG 60中输出的多路复用信号的各种通带表示。沿输出面62A的更高阶布里渊区接收多路复用信号输出的重复的通带表示，但是其强度更低。光栅臂输出到零阶布里渊区上的聚焦可能沿包括该零阶的面62A并不均匀，这是因为制造芯片50的过程中所使用的制造技术本身就不精确。然而，当使用多个输出微调时，可以选择某一输出微调，使其就功率和强度来看具有最佳的组合信号输出。
在上文与EML PIC有关的实施例中，具有N个调制源集成阵列的PIC芯片50可以在无制冷的情况下工作。芯片50的有源区可以包括AQ，以便在调制源阵列上提供一个更宽的基本上稳定的温度窗口，对于单个EML PIC而言该调制源阵列包括图4所示的信号通道1到10。当部署了AQ有源区时，在比如从大约40℃到70℃的宽工作温度范围中，芯片上的激光光源阵列在适当失谐的情况下，其输出功率将很少变化。此外，与在芯片上使用AQ有源区相结合的是，激光光源12正失谐，即各个DFB激光器52的反馈光栅的光栅节距被选择成使得激光器工作在增益峰的波长更长的那一侧。如上所述，这种失谐可以使激光性能在更宽的温度范围中基本上均匀，特别是，随着工作温度或环境温度的上升，激光增益得以保持或实际上有所增大。激光光源52可以被制造成，工作在从增益峰起约25纳米到40纳米的范围中的一个特定的正失谐波长处。激光器失谐传输波长接近调制器AQ有源波导芯的吸收边，从而在不使激光光源的性能因加上正失谐而显著下降的情况下确保了激光光源52和相应的EAM54之间的最佳波长一致性。
另外，如图8所示，芯片50可以包括加热器53A，加热器53A形成在每一个激光光源52的旁边。这些加热器用于对工作波长进行精细调谐，进而对阵列中相邻激光光源之间的结果波长间隔进行精细调谐。在EAM 54附近也可以使用电热丝式加热器53B。对于芯片50上的MZM，加热器53B沿Mach-Zehnder干涉仪每一条臂的一部分而放置。此外，如图29所示，EAM结构15(它可能是图8所示的每一条信号通道中的调制源的一部分)在顶部包括一层电介质层35，该电介质层35可以是例如Si3N4，在该电介质层上沿调制器的长度纵向形成加热器的电热丝37。加热器37可以由沉积在电介质35上表面上的Pt/Ti双层、W层、Pt膜、Cr膜、NiCr膜、TaN膜构成。在每一个EAM 15或54顶部放加热器37对于热传导而言最为有效，因为加热器离调制器的有源区26仅有约1微米。这比美国专利6,665,105中所建议的加热器位置要更有效，该专利中所建议的位置不那么有效而且还很难制造。使用加热器37或53B后，因为使激光器阵列的波长栅格产生了波长变化，所以可使调制器15和54的工作状态达到最佳。EAM的工作特征可能因热变化而偏离最佳条件，因此，其相应的激光光源12或52的波长也会发生偏离。因此，应该监控调制器的温度，因为与激光光源的失谐发射波长相比EAM带隙偏移可以随激光光源工作温度的变化而变化。受监控的温度被用于随温度来改变调制器DC偏置电压。此外，根据温度变化而导致的调制器吸收变化，将不得不调节调制器的DC偏置电压，以便实现最佳的调制器性能。因此，加热器53B可用来独立地调节EAM，从而用所加的偏压使吸收、带边和调制器啁啾或其吸收调节达到最佳，进而使其消光比(ER)达到最佳。此外，如图8所示，可以为合波器60提供加热器60A。因为DFB激光光源52和合波器60之间的调谐或转换速率很近似，所以可以同步调谐波长栅格，以便使它们保持近似的栅格关系。加热器60A可以是形成于芯片的合波器区域上的螺旋形金属电热丝。该加热器螺旋形电热丝可以由沉积在电介质上表面上的Pt/Ti双层、W层、Pt膜、Cr膜、NiCr膜、TaN膜构成，该电介质可以是形成于合波器60区域上的Si3N4。此外，在AWG多路复用器60的光栅臂61上使用加热器来控制AWG 60的中心波长的做法也在本发明的范围中，这种做法可以使其栅格基本上与激光光源52的波长栅格匹配。在美国专利5,617,234中可以看到上述被加热的光栅臂的示例，该专利整体引用在此作为参考。
在EAM 54和前方PD 56之间的每一条通道中包括功率改变元件(PCE)的做法也处于图8所示实施例的范围中。这种PCE可以是SOA、VOA或SOA/VOA的组合。该PCE也可以具有相伴的加热器，以便移动增益峰，或使增益峰在激光光源增益峰前后移动。
如上所述，当加热器53A和60A产生温度变化以便维持TxPIC芯片50无制冷工作所需的信号通道间隔时，可以在无需TEC或Peltier制冷器的情况下实现用加热器37和53B来控制调制源，由此便不需要昂贵的制冷器组件。使用加热器50和60A将激光光源52的工作温度稳定到可接受的温度范围中而又不使用TEC的做法可以显著减小封装成本，占据更小的面积，并且即使尚未消除气密式芯片封装的要求也使该要求不那么严格了，从而产生了无制冷TxPIC传输芯片。
现在参照图9，图9示出了用于RxPIC 40的典型布局图。应该注意到，RxPIC芯片40只是可以用在数字光传输网络中的一个实施例。可以参看美国专利申请10/267,304中的不同实施例，该专利整体引用在此作为参考。一个特定的示例是在RxPIC芯片40上提供集成的光放大器(OA)42，比如半导体光放大器(SOA)或增益钳制半导体光放大器(GC-SOA)。RxPIC 40是以InP为基体的半导体芯片，该芯片在41处具有一个输入，以便接收来自光耦合光纤链路的多路复用光信号。光放大器42可以集成在该电路中，以便在多路分配之前提高多路复用信号的增益。在WDM信号输入到芯片上的波导41中之前，放置一个光纤放大器，便可以在芯片外实现这种放大。在芯片波导43中接收到多路复用信号，并且将接收到的信号作为输入提供给分波器44，该分波器44可以是AWG。该多路复用信号被提供给AWG 44的输入板或自由空间区域46A。AWG44包括本领域所熟知的输入板46A、长度不同的光栅臂44A的阵列以及输出板46B。在第一布里渊区中，输出板46B具有多个输出，每一个输出用于每一个多路分配后的通道波长信号，这些信号分别被提供给PIN光电二极管49(1)...49(12)。尽管图示的芯片40具有12个通道，但是来自AWG 44的这种带有相应的光检测器49的通道信号输出可以多达40个或更多。在RxPIC芯片40上，为了监控信号的波长、功率或提供FEC解码，也可以提供在47A处的更高阶的布里渊输出通道，以便将通道光输出提供给PIN光电二极管48。此外，注意到，根据本发明，分波器44也具有一个局部加热器45，它与图8所示的加热器60A相似。这个加热器45可以是在芯片的分波器区域上形成的螺旋形金属电热丝。该加热器螺旋形电热丝可以由沉积在电介质上表面上的Pt/Ti双层、W层、Pt膜、Cr膜、NiCr膜、TaN膜构成，该电介质可以是形成于分波器44区域上的Si3N4。
现在参照图10，图10示出了实施本发明的一个实施例，该实施例在漂移栅格光传输WDM网络中使用了上述的无制冷TxPIC和RxPIC芯片40和50，该WDM网络在调制源的工作波长栅格梳发生“漂移”这种条件下工作，这意味着允许工作着的调制源波长可以随环境温度的变化在给定的温度范围中漂移，或者调制源可以被加热到PIC的高工作温度范围中的最大温度，但是在激光光源阵列中相邻的调制源之间给定或预定的波长或阵列光谱间隔保持在一个固定的值，即TxPIC激光器阵列的波长梳锁定到一个固定的频率间隔，其中TxPIC中任两个激光光源之间的阵列光谱间隔可以是均匀的(全部相同的带宽)或非均匀的(不同的带宽，其中包括一个或多个与栅格中其余皆不相同的带宽，或在栅格上相邻激光光源之间单调增大或减小的带宽)。随PIC环境温度的变化，由N个信号通道构成的漂移波长栅格可以根据预定的高工作温度范围在给定的波长带宽中上下改变波长，但是信号通道之间的激光光源阵列波谱间隔仍然保持固定不变。TxPIC芯片被允许工作在更高的温度环境中，比如，工作在室温和70℃或更高的温度(比如也可能高达85℃)之间。
这种漂移波长栅格解决方案与SONET/SDH标准相背，在该标准中沿标准化的ITU波长栅格维持各信号通道。然而，通过使用这种漂移栅格解决方案，可以实现某些优点。首先也是最重要的是，单个PIC芯片上的多个信号通道的自适应使其能够更好地对该芯片上的有源或无源组件或元件进行温度控制，而不是试图通过TEC制冷器来使芯片环境稳定。其次，用于PIC芯片的温度稳定系统若包括一个价格不菲的芯片制冷器则会非常广泛，并且在包括军事部署等高温恶劣的环境下操作PIC芯片会更便宜、更容易。第三，TxPIC封装通常不需要是气密式封装。
图10所示的漂移栅格光传输网络包括TxPIC芯片100，在光学点对点传输系统中，芯片100通过光学链路119以光学方式链接到RxPIC芯片120。TxPIC100包括多个集成组件，它们位于被标识为λ1到λN且延伸到AWG多路复用器110的N个信号通道的多个通路中，其中每一条这样的通路都包括激光光源102(图中示出的是DFB激光器)、电光调制器106、以及耦合到AWG 110的第一级输入的SOA或VOA 108。每一个激光光源102都是连续波输出，且峰值波长与其它光源都不同。用各个凋制器106(1)...(N)处的信息信号来调制每一个激光光源102的输出。调制器106可以是上文解释过的半导体电吸收(EA)调制器或Mach-Zehnder(MZ)调制器。通过像SOA或VOA这样的功率改变元件(PCE)108，然后可以为调制后的信号提供附加的增益或衰减。SOA和/或VOA108是可选的。或者，PCE 108可以是前置光检测器(FPD)，用于监控功率和/或波长，同时还充当PCE(比如充当VOA)。元件108的输出作为输入被提供给AWG多路复用器110。AWG多路复用器110的组合WDM输出以光学方式耦合到芯片外，到达光学链路119。
为了使TxPIC芯片100在无制冷模式中工作，每一个DFB光源102都配有相应的集成加热器102A，每一个调制器106都选择性地配有相应的加热器106A。此外，AWG 110也选择性地配有加热器110A。DFB加热器102A用于激光器波长的精细调节，以便使相邻信号通道之间保持适当的波长栅格通道间隔。调制器加热器106A用于使具有最佳消光比和偏置的调制器保持其吸收特征，因为激光光源102(它未调谐到有源区波长的增益峰)的工作特征也会受到温度变化的影响，而这也会影响调制器的性能。用于AWG 110的第三加热器110A维持着AWG波长梳或栅格与激光光源102的波长梳或栅格的一致性。加热器110A可以是置于AWG 110上的螺旋形电热丝式加热器，并且借助电介质层而与AWG 110分离。在AWG 110附近形成加热器110A也在本发明的范围内。
从AWG 110中输出的多路复用通道信号的一小部分样本通过位于从AWG110输出到光电二极管(PD)112的多路复用信号处的光抽头而提供，光电二极管(PD)112将光电流输入提供给可编程逻辑控制器(PLC)116。PLC 116在不同的通道信号中区分λ1...λN，从而确定DFB光源的工作波长是否是它们期望的发射波长，所期望的发射波长对应于从有源区峰值波长失谐的合适的频率或光谱间隔。通过在TxPIC 100上的每一个凋制源的调制通道信号上使用高频振动信号，便可以实现这种区分过程，从而为每一个这样的信号提供一个标识标签。结果，可以根据其波长对每一个通道信号进行分离和分析，以便确定相对于相邻信号通道它是否在图28所示的期望的固定通道光谱间隔下工作，以及该工作波长是否足够接近通道带宽内所期望的通道峰值波长。如果任何特定激光光源102的通道间隔偏离相邻信号通道之间所期望的固定通道间隔，则通过使用由PLC 116提供给加热器控制电路(HCC)120A和120B的信号，便可以将其工作波长改变为期望的栅格波长间隔，其中HCC 120A和120B将温度控制信号提供给相应的激光光源加热器104A，通过使其相应的激光光源102的工作温度升高或降低一个量值(该量值是使其工作波长带宽增大或减小到基本上位于所期望的通道光谱间隔所必需的量值)，便可以精细调谐比如几个纳米或几十个纳米。尽管为了控制功率可以调节激光光源102(1)...102(N)的电流，但这不是所期望的，因为会发生相伴的波长调谐。较佳的做法是，在可靠性和预期工作波长的限制之内将激光光源102偏置到最高的可用电流水平，并且在108处使用单片VOA或充当VOA的前方光检测器或其它PCE，以便补偿激光光源波长梳或栅格与合波器波长栅格或通带之间的不一致而产生的功率损耗，而这种不一致则是因激光光源102的功率随温度变化而下降或因老化而导致的。在这种较佳的方法中，在TxPIC高性能工作过程中，上述通过加热器102A对激光光源102进行精细调谐是宝贵的优点。这样，加热器102A也可以用于调谐激光光源102(1)...102(N)的工作波长，以便使激光光源阵列的漂移通道栅格保持固定的通道间隔。因此，加热器102A能够在给定的温度范围中进行精细的波长调谐。这些对于图8所示实施例中的加热器53A和53B而言也是真实的。应该注意到，通过加热器53A和102A的调谐速率相当恒定，在约20℃到70℃甚至高达85℃之间该速率约为1GHz/mW。该波长调谐与加热器功率消耗也成线性关系。为了将激光器波长栅格锁定到所期望的漂移栅格光谱间隔，在该给定温度范围中各激光光源的发射波长必须是已知的。作为一个特定的示例，如果阵列中的DFB激光器的调谐速率约为-20GHz/℃，则对于其通道光谱间隔为200 GHz的TxPIC而言，就转换为约10℃的温度范围。当已知激光光源的凋谐速率时，用TxPIC芯片的支架上的热敏电阻(未示出)来控制TxPIC芯片100的温度，如此便可以实现激光光源的粗调，这在上文提及和包括的专利申请10/267,330中有过描述。例如，通过使用控制器(PLC)116中的查询表格，便可以根据热敏电阻变化着的阻值来推断出激光光源的温度。
如上所述，可以单独使用来自RPD 101的光电流，来测量激光光源输出功率。来自TxPIC 100的一小部分TxPIC输出被分出来，并且被提供给带有标准具的Fabry-Perot波长锁定装置(FPWL)，以便表示TxPIC 100的平均输出功率和单个信号通道的平均功率和波长，这些信号通道在每一个通道信号上使用不同的低频特性，其方式在上文提及和包括的专利申请10/267,330中有解释和阐明。然后，控制器116提供下面的反馈校正信号来调节下面的参数：(1)将激光光源偏置电流调节到激光光源最高的可靠输出功率水平。这也将改变各激光光源的工作波长。(2)调节用于细调的激光器加热器电流，即适应激光光源波长随时间的漂移并适应因激光光源偏置电流和温度的变化而导致的波长变化。(3)为了TxPIC预加重而调节FPD(VOA)108偏置水平，即在TxPIC芯片100的N个信号通道上使输出功率平稳化。
在本发明的另一个实施例中，热敏电阻的使用可以被位置108(1)...108(N)处所使用的集成后方光检测器(RPD)101(1)...101(N)和集成前方光检测器(FPD)代替。FPD 108与RPD 101的比值可以很好地指示TxPIC的温度。在FPD(VOA)108和激光光源102之间是调制器106，和来自RPD 101的光电流相比，来自FPD 108的光电流更容易受TxPIC的温度影响。图30是FPD 108与RPD 101的比率的半对数图，以便在N＝10的TxPIC 100上对通道1和10之间的比率求平均。对于所有通道而言，光电流的比率大约随温度呈指数变化。在这种情况下，参照图31的半对数线性说明图，该图示出了在很宽的温度范围中(与来自其各自的FPD 108和RPD 101的光电流比率有关)10通道TxPIC 100的激光光源发射波长之间的关系。除了温度范围控制边界以外，激光光源的发射波长基本上与FPD/RPD光电流比率成线性关系。该信息及其它因素可以用于激光光源102的细调。用FPD/RPD光电流比率来控制激光光源波长的一个优点是，这些器件具有很大的动态范围以便实现这种控制。通过使FPD 108的集成制造长度不同于RPD 101的集成制造长度，便可以进一步提高灵敏度。
可选地，可以用热敏电阻113来监控TxPIC 100处的AWG 110的温度，热敏电阻113通过输入115为PLC 116提供当前的AWG环境温度信息。PLC116可以接着将控制信号提供给加热器控制电路(HCC)118，从而将温度控制信号提供给加热器110A，以便增大或减小AWG 110的环境温度。这样，当N个激光光源102的波长梳发生漂移时，AWG 110的波长通带栅格可能会移动并被调节成使AWG 110的波长栅格或通带达到最佳。
此外，AWG 110的输入侧包括与AWG 110输入侧的更高阶布里渊区有关的端口117，用于通过光学链路119接收来自RxPIC 120的服务信号λs，这在下文中会详细描述。该服务信号经AWG 110多路分配后，作为输出信号被提供给端口117，然后通过集成的单片PD 114转换到电域。从芯片中取出来自PD 114的电信号，并将该电信号作为输入119而提供给PLC 116。在RxPIC芯片120中，AWG多路分配器123包括更高阶的布里渊区输出125A和125B，用于接收各个通道信号(比如，λ1和λ2或任何其它这种信号对)，从而确定通过链路119从TxPIC 100中接收到的漂移波长栅格或梳位于确定的波长范围中，该确定的波长范围由允许波长栅格在其中漂移的温度范围来确定。此外，通过将这两个通道信号用作波长栅格样本，便可以确定AWG波长是否移动以及如果移动的话究竟移动了多少。在连接到可编程逻辑控制器(PLC)127的输出线路126A和126B上，光检测器125A和125B提供了对光信号的电响应。这些PD125A和125B对整个栅格输出中的峰值光响应很敏感，并且可以被部署在电域中以便确定漂移波长栅格的光谱位置，从而锁定该栅格并且接着多路分配通道信号的锁定栅格，并且经由芯片120上所集成的光检测器126(1)...126(N)将它们转换为电信号。此外，如果δ移动，则信号栅格的δ被检测为红移或蓝移，δ移动值可以通过服务通道λOSC传回TxPIC 110，目的在于在用接收器芯片120处立刻接收到的通道信号栅格进行热调节的过程中，更多地调准接下来从发射器芯片110处发送过来的通道信号栅格。基于WDM信号漂移栅格的确定的δ移动，接收器PLC 127可以首先通过连接到AWG加热器123A的线路132，借助加热器控制电路(HCC)130，对接收器AWG波长栅格做出调节，以便增大或减小AWG 30的周围工作温度并使其波长栅格向更长或更短的中心波长移动从而与输入通道信号的漂移栅格相匹配。如果该栅格调节不充分，则与通道信号漂移栅格有关的数据可能会作为服务通道信号λs被转发，以便在漂移波长栅格的发射器末端进行热调节。在这些情形中，PLC 127可以通过电校正数据信号输出线路128，将这种栅格校正数据作为服务通道信号λs转发到服务信号通道调制器129，调制器129可以包括单片组合集成激光光源和电光调制器，从而使该信号穿过AWG 123和计数器，再通过光学链路119传播到网络的发射器那一端处的TxPIC芯片100。该服务通道信号λs经AWG 110多路分配后，到达更高阶的布里渊输出117，然后到达PD 114。PLC 116对电转换后的服务信号数据进行译码，PLC 116通过HCC 120A来调整激光光源102的热环境，如有必要的话还通过HCC 118来调整AWG 110的热环境。如下文所述，使激光光源102和AWG 110的热环境基本上保持相同，因为热属性的变化率和波长栅格匹配方面的变化彼此近似。通过改变PLC 116的偏置水平变化并且通过加热器106A改变其工作温度，上述过程也可以选择性地包括改变光源102的电流水平以及相应的调制器106A的偏置水平和消光比。此外，在108(1)...108(N)处的前方光检测器(FPD)可以充当功率改变元件，以便提供单片预加重，该单片预加重是因激光光源102所形成的漂移波长梳或栅格的调节过程中这些激光光源的工作电流水平变化而导致的。
图11示出了实施本发明的另一个实施例，其中包括漂移栅格网络140。网络140包括在发射器这一端的至少一个TxPIC 142以及至少一个RxPIC 144，它们都耦合到光传输链路146上。TxPIC 142包括N个信号通道，它们由激光光源LD(1)...LD(N)、调制器M(1)...M(N)和光检测器PD(1)...PD(N)构成。或者，如图10的实施例所讨论的那样，光检测器可以替换成功率改变元件(PCE)。N个通道的信号输出作为输入而耦合到合波器148，合波器148是作为波长选择合波器而示出的，该合波器将组合后的WDM信号提供到链路146上。如图10所示实施例中那样，TxPIC 142包括抽头149处的反馈，该反馈由一部分WDM输出信号构成并被提供给可编程逻辑控制器(PLC)150。在PLC 150处，来自抽头149的光反馈信号以本领域的技术人员所知的方式被转换为波长识别过程中所使用的电信号。PLC 150也具有到达N个激光光源的加热器141的电信号输出、到达N个调制器的加热器143的电信号输出、以及到达合波器148的加热器145的电信号输出。
在接收器这一端，RxPIC 144通过PIC输入处的光放大器155接收到来自链路146的WDM信号。RxPIC 144包括分波器147，该分波器在这里是作为波长选择分波器而示出的，它具有H个光信号输出，每一个输出到达各自的单片光检测器(PD)151，以便对多路分配后的信号进行OE转换。在跨阻放大器/自动增益控制电路152中，对转换后的信号进行放大，之后，在本领域所知的CDR电路154中执行时钟和数据恢复。此外，在加法器电路156中，将来自电路152的所有N个信号加起来，并且将加起来的值提供给接收器可编程逻辑控制器158。如图11所示，提供PLC 158的输出，以便控制分波器147的加热器153的温度。
如图11的顶部所示，TxPIC 142提供了组合信号157的漂移波长栅格，其栅格中心波长在给定温度T1处。TxPIC 142不具有任何冷却机制，但通过将加热器控制信号应用于单片加热器141、143和145上便可以对温度进行控制。在这种情况下，温度控制可能延伸到高温范围中，比如在室温和70℃或更高温度之间，并且可以将TxPIC的工作温度设置到该高温范围中的最大工作温度。无论对TxPIC 142不施加任何维持温度，还是施加维持温度，因环境温度在给定温度范围中变化而导致的任何通道波长移动(这种波长移动由图11顶部的箭头157A表示)都是允许的，但相邻信号通道之间的光谱间隔要像上文所述那样保持一固定值。然而，作为激光光源波长栅格温度漂移的结果，在RxPIC144中可能接收到漂移波长栅格，其不同的栅格中心波长因环境温度的不同而已经有了波长移动，移至T2处。通过PLC 150和158之间的通信(由虚线160表示)，PLC 158可以移动分波器147的波长过滤梳，以便识别(检测)其中心波长位于温度T2处的移动后的通道波长梳，并且锁定该检测到的波长栅格。
通常，图12所示实施例的操作方法需要，在156处对来自RxPIC 144的所有分波信号值求和，再由PLC 158来接收并且被用作一种参考手段，来确定漂移波长栅格在预定带宽内的位置、温度情况。为此，在包括查询表格的接收器一侧，控制器158可以使用求和后的值，来确定接收器分波器加热器153为了锁定输入的漂移波长栅格所必需的热增量，其中这种锁定是通过PLC 158控制多路分配器加热器153的温度而实现的。换句话说，控制器158调谐接收器分波器滤波栅格以便与漂移栅格相匹配，所以可以实现对接收到的WDM信号中的N个通道信号进行智能分波或多路分配。
图12示出了实施本发明的另一个实施例，其中在RxPIC 162处接收器一侧接收到WDM信号的漂移波长栅格。发射器一侧的TxPIC 142与图11中的TxPIC 142相同。然而，在接收器一侧，RxPIC 162的不同之处在于接收器检测到漂移波长栅格的方式。RxPIC 162包括至少一个宽带可调谐栅格滤波器164，该滤波器164可以是阵列光栅臂梳滤波器或其它波长选择滤波器。通过使用滤波器加热器165，部署滤波器164以便锁定通过链路146接收到的WDM信号梳157。因此，滤波器164可以是任何栅格滤波器，只要它能够以某种方式调节自身的波长梳从而检测信号梳157并定位信号梳157的中心即可。
在滤波器164能够锁定波长梳157之后，在波长选择分波器166处对WDM信号进行分波。分波后的输出接着被提供给光检测器168以便进行OE转换。输入的信号梳157也包括信号头部中的OSC信号或数据、参考信号λR，该参考信号λR向PLC 169示出了信号梳157的预期中心温度T1和通道信号之间固定的波长梳光谱间隔。或者，该信号可以是一个起始中心波长信号λC，该信号表示与TxPIC 142处的温度T1有关的信号梳157的中心波长。基于这些信息信号之一，PLC 169可以通过加热器165来移动滤波器164的滤波梳，之后，锁定所发现的栅格，该栅格可能具有一个新的位于温度T2处的梳中心波长。
图12所示实施例的操作方法需要，首先传输来自TxPIC 142的信号通道的梳光谱间隔以及栅格的波长参考信号λR或启动中心波长参考信号λC。其次，在RxPIC 162处，基于与发射器波长梳有关的信号λR或λC来确定栅格位置位于已知的信号带宽内，并且锁定接收到的WDM信号中所检测到的栅格或梳。第三，基于在滤波器164处实现并被发现的栅格，来调节接收器通道信号分波器166的波长栅格位置。第四，通过一个或多个分波器166，对通道波长进行分波或多路分配，以便转换为电域信号。第五，通知TxPIC 142已经实现所确定的栅格位置，并且如果期望的话，表示光接收器处漂移波长栅格的即时锁定位置的参考信号λR可以被发送到光发射器，该信号表示在发送过来的漂移波长栅格上已经实现了锁定。如果在光服务通道(OSC)中并不发送波长参考信号λR，则发送过来的信号帧可以在额外的帧中指定一个预留字节或其它字节，以便包含与参考或控制信号信息有关的信息。
与图12所示实施例有关的另一个解决方案是，在相应的发射器和接收器中，启动TxPIC 142和RxPIC 162之间的通信交换时，将用于漂移波长栅格的频率键λK从光发射器传输到光接收器，所以接收器PIC在已知该键的情况下可以跟踪该栅格。作为一个示例，发射器一侧的键可能是基于发射器控制器处的查询表格而设置的值，该值与发射器漂移波长栅格的瞬时中心波长相关联。因为在启动时可能有一些瞬时现象，所以无论情况如何，直到光接收器可以锁定输入的测试或关联信号的波长栅格，才可以开始用频率键进行跟踪，其中该测试或关联信号表示发射器处的漂移栅格和接收器处所识别出的漂移栅格之间的温度跟踪基本上匹配。这时，通过告诉光发射器已经实现了锁定状态，接收器便可以建立信号交换，所以客户通道信号可以现在就发送。根据频率键，通过移动其波长栅格来调谐光接收器分波器的波长栅格，这样便可以连续改变栅格以便对来自光发射器的组合通道信号进行合适的多路分配或分波。然后，可以在发射器和接收器照常工作的同时继续连续(例如，在空中)跟踪，因为预计漂移栅格随温度、时间的移动将按更慢、更缓和的方式移动，从而使这种跟踪更容易。在一个示例中，通过BER反馈系统与发射器的通信，可以实现接收器处的跟踪。
如上文所述并且如图11、12和26所预先假设的那样，在TxPIC上波长栅格形式中相邻激光光源之间的频率或通道光谱间隔可以是均匀的或周期性的，即在激光器阵列上基本上一致，或者在TxPIC上波长栅格形式中相邻激光光源之间的阵列光谱间隔可以是非均匀的或非周期性的，即在阵列上光谱宽度单调变化(增大或减小)，或者阵列中的一些相邻激光光源可以是一个光谱宽度，而阵列中其余的则是不同的光谱宽度。无论是周期性的栅格还是非周期性的栅格，只有两个检测到的通道波长一起构成一个键，从而在给定的信号波带中定位该栅格，其中该信号波带取决于无制冷TxPIC所允许的温度摆动。一旦同时发现两个波长键，则可以锁定该栅格，因为其它栅格波长将因其与这两个频率键的固定关系而自动地被发现。调谐多路分配器，以便对自动发现的栅格进行多路分配。在另一个实施例中可以看到，实现这种自动发现的一个方法是，在似乎合理的TxPIC温度范围中允许的低端处启动接收器多路分配器，然后在光接收器控制器或PLC的控制下对多路分配器持续加热，直到两个频率键同时匹配为止。在启动期间这种功能最有用，可以在最初阶段使多路分配器栅格与输入的发射器WDM通道信号栅格相匹配。影响TxPIC处的通道波长的温度变化这时应该处于更小的粒度水平。这种键控功能方法可能是最可行的方法，因为在通道信号栅格内同时检测两个空间通道波长或两个参考波长将会锁定整个通道栅格，因为通道频率或光谱间隔是固定的。
在与键控有关的另一个实施例中，就像使用频率键控的上述实施例中所解释的那样，可以用声调键控来替代这种频率键控。在信号通道上，低频声调(比如，数十KHz的调制信号)可以用作的信号通道上的信号通道标识标记。这些低频信号通道标记并不干扰Gb范围中的高调制频率信号，因为它们在频率域中彼此远离，所以彼此是透明的。在TxPIC上的各个激光光源处或在每一条通道的前方光检测器或SOA或VOA处，可以将这种声调信号添加到各通道上。在美国专利申请10/267,330中，揭示了这种声调通道标识标记的示例。在这种实施例中，发射器也将这些声调作为键发送到接收器，以便检测要被发送到接收器的通道栅格。声凋键可能在启动时以额外的信号帧的形式来发送，或作为OSC信号来发送。部署这种低频声调键的优点在于，接收器可以很容易识别这些声调，即使它们小了40dB，这意味着发射器漂移通道栅格已经移动了不少。可以在接收器处部署电路，以便通过使用本领域已知的Fabry-Perot鉴别器技术在不同的声凋中作区分，并且基于检测到的声调来移动宽带可调谐栅格滤波器的滤波光谱，从而基于该声调键来检测栅格和栅格带宽。通过热光效应、电光效应、或折射率变化效应，可以实现这种滤波器光谱移动。此外，另一个优点是，和用作通道频率键的更高的通道频率相比，这些低频声调具有更佳的灵敏度。基于一个、两个或更多个或检测到的全部声调，在接收器处用于识别输入信号通道栅格的可调谐滤波器可以被调谐成与该栅格匹配，从而标记了通道栅格中存在的信号通道，然后移动宽带可调谐栅格滤波器的滤波器光谱以匹配于检测到的栅格带宽。因为在通道栅格上任何固定的周期性或非周期性通道间隔都将是固定的，所以可以用至少一个通道声调键来实现对通道栅格的声调键控。
关于图10-12所示的实施例，应该理解并认识到，在光传输网络中的发射器处，有两种部署漂移波长栅格操作的方法。在第一种方法中，信号波长因PIC处缺乏温度控制而热漂移，即在TxPIC处信号波长可以随温度变化而自由移动，同时相邻信号波长之间的光谱间隔还保持固定的值。在这种情况下，TxPIC上有源元件的环境温度可以是调节好的温度，从而使得发送过来的WDM信号的波长梳157可以更容易在接收器一侧检测到。这种温度调节可以借助从接收器到发射器的反馈来实现，从而提高热漂移信号梳157的接收器实现栅格检测的速率。在第二种方法中，借助TxPIC上的有源元件加热器的操作，发射器处的波长梳157可以被设置到TxPIC的指定工作温度范围内的最大温度T1。在到达温度T1之后，激光光源、调制器和 PCE或PD的工作参数可以在该温度下设置为最佳。这些参数是电流偏置、啁啾、调制消光比和电压摆动边限。波长梳157的任何移动或漂移都可以继续用TxPIC PLC来调节。这样，接收器可以迅速地锁定接收到的WDM信号的漂移波长栅格，从而获知所设置的最大工作温度T1，该最大温度T1作为OSC信号或发送过来的WDM信号的WDM信号头部的一部分从发射器被传送到接收器。
在发射器处具有不止一个TxPIC的做法也在本发明的范围中，所以存在至少两个具有固定通道间隔的漂移信号波长栅格，其中一个波长栅格比其它的波长要长，并且在波长光谱上两个栅格不会重叠。在这种情况下，这两个TxPIC工作和保持在高温范围中(比如，室温和约70℃或更高之间)的不同温度水平下，所以栅格带宽通过发射器的控制而处于规定的且分离的栅格带中，所以这两个栅格不会因环境温度在预定温度范围中变化而彼此重叠。接收器处的至少两个多路分配器(通常它们前面还有波带去交错器)可以独立地锁住分离的栅格，并且对输入的多路复用通道信号进行多路分配。在本实施例中，发射器可能以额外的信号帧的形式或通过OSC信号通道来传输不同的信号带及其热操作范围的规定边界条件。在本实施例中，光接收器最好能够接收比实际发送要多的不同波长通道，这样接收器能够智能化地检测多个或若干个不同的但空间分离的漂移信号通道栅格，这些栅格由光传输网络中的一个或多个不同的光发射器发送。
此外，本领域的技术人员应该清楚，如果激光光源的带宽因通道间隔较窄(比如，通道之间有50GHz间隔)而很窄，则在光接收器处可能需要多个级联的多路分配级，以便很好地锁定从光发射器发送过来的漂移信号栅格。特定的示例是在光接收器处有两个级联的AWG多路分配系统，它们分别执行滤波器功能，即执行两种不同的滤波器功能。第一种滤波器功能是键控，即使AWG波长栅格与输入的多路复用通道信号的漂移波长栅格对齐。在这种情况下，发射器可能已经发送了一个与其当前工作温度有关的键或AWG波长栅格应该被键控到的参考波长。第二种滤波器被用于保证在信号通路中存在低串扰。可能有不止一个AWG用于执行这第二种功能，其中每一个AWG都接收来自第一AWG的输出。在另一个实施例中，级联滤波器可能包括：第一宽带多路分配器，用于发现并调谐到输入多路复用通道信号的漂移但固定的通道间隔栅格；以及第二窄带多路分配器，用于对这些通道信号进行多路分配，作为多个通道信号，以便从光域转换为电域。另一个实施例是针对第一种滤波功能的，该功能将包括两个带抽头的光栅，一个光栅位于输入的信号波长栅格的预期光谱的长波长一端，另一个光栅位于输入的信号波长栅格的预期光谱的短波长一端。当实现了同时发现栅格的最低和最高的可能的频率时，输入的信号栅格的全部梳都已经被检测过了并且被锁定了。基于第一AWG多路复用器所实现的栅格锁定，可以使第二AWG多路分配器的栅格与输入的信号栅格相匹配，目的在于对多路复用后的通道信号进行多路分配处理。
根据上述内容和图10-12的实施例，应该理解：锁定到输入信号通道栅格上最好包括特别在启动时回到发射器的OSC信号，信号通道栅格已被感测或自动发现，并且已为适当的信号交换方法而实现锁定条件。
关于任何上述实施例，也应该认识到，发射器可以在启动时发送一个初始OSC信号，或者以额外的哑信号帧的形式发送接收器所预期的指定启动温度。例如，接收器可以不从可接受的工作温度范围的底部开始(比如，从40℃开始)，作为替代，指定启动温度可以由发射器发送过来，定为温度范围中更高的温度(比如50℃)。最初，接收器可以将多路分配器锁定到该温度或与该多路分配器的带宽(此带宽可能不同于输入的通道栅格的带宽)所适合的查询表格相对应的一温度。在这种初始启动过程之后，接收器多路复用器可以继续检测输入通道栅格的变化或移动，此变化或移动是因发射器处环境温度变化而导致的，这些变化连续地从光发射器中发送过来，或通过光接收器处的自动发现而被检测出。无论哪种情况，如果接收器失去了其对输入信号通道栅格的锁定状态，则它可以通过OSC信号通知发射器已出现未锁定状态并且启动过程需要重新启动，其后便重新传输丢失的通道信号。
本领域的技术人员应该认识到，作为发射器和接收器处热致动的AWG的示例，上述本发明的网络传输实施例可以替换成电光调谐的类型，而非热调谐的类型。2002年11月21日公布的申请号为2002/0172463的美国专利申请中揭示了一种电光调谐类型的示例，该专利申请引用在此作为参考。在本示例中，通过横跨每一根AWG光栅臂施加电场，可以单独改变这些光栅臂的长度，从而凋谐该AWG使其与调制源阵列的波长栅格或多路复用后的通道信号相匹配。
关于前述实施例还应该认识到，在某些情况下，针对TxPIC上存在的各信号通道的峰值波长，不需要使用芯片外的激光光源波长稳定和反馈系统，而倒是可以提供频率检测系统和/或如上文所述的在调制源的信号输出上提供预增频，其中频率检测系统可以检测激光光源波长和/或功率，重新调节TxPIC上相邻激光光源之间的波长通道光谱间隔，然后维持该间隔。为实现该目标，检测激光光源波长工作情况的较佳方式是在反馈系统中使用窄带电滤波器，这种滤波器可以检测一对快速响应光检测器(这对光检测器用于监控一个或两个激光光源输出)的干涉图案。在这种情况下，这些光检测器与TxPIC集成在一起较佳。这种方案将替代目前常用于激光光源波长检测的较大的外部标准具。图13-19和25-27揭示了可以部署在TxPIC芯片上的这种双波长集成检测器的示例。图20-21、23和24揭示了多个单片波长光检测器位于单片合波器(例如AWG)的输出处的其他实施例。芯片上所集成的最灵敏的波长监控器件将是AWG多路复用器，并且可以像图13-27中的其它检测器方案那样被用于波长控制，从而代替部署本领域已知的常规的外部标准具。图22示出了一个或多个光学环形谐振器，与之相结合的是用于每一个调制源的单个光检测器。然而，应该认识到，使用不依赖于温度且用于跟踪和辨别激光光源工作波长的偏置标准具也在本发明的范围之中。此外，使用与相关激光光源温度匹配以跟踪激光光源发射波长的标准具也在本发明的范围之中。在这方面，较佳的实施例是将这种标准具(例如以InP为主体的集成标准具)集成到TxPIC芯片上。
在对图13-27所示的集成波长检测器的各种实施例进行解释之前，应该着重强调，这些集成的检测器并不需要仅被部署于经由加热器进行无制冷操作的PIC中，而是也可以与用制冷器(比如TEC)控制温度的PIC结合使用。换句话说，应该清晰地理解，本文所揭示的集成检测器可以用在任何有温度控制(制冷器或加热)或无温度控制(漂移)的环境中。
图13-19所示的每一个检测器表示都是TxPIC上集成的双光检测器，用于监控来自激光光源的后方输出。在图13中，示出了N个通道中的一个PIC信号通道170，它的前部具有PIN光电二极管171、EAM 172和激光二极管光源(LD)173。激光光源173的后面是Y形分支波导174，其末端174A与激光光源173的后面结合在一起，在Y形分支波导臂174B和174C的末端是光检测器175A和175B(比如，可以是PIN或APD光电二极管)。第一级光栅176A和176B分别在Y形分支波导174的臂174B和174C中。各光栅176的中心波长偏置在激光光源LD 173的目标发射波长的相反两侧，使得光检测器175A和175B的零交叉即高斯输出位于其目标波长处。可以使这两个光栅在过滤强度方面足够地弱，从而使到激光光源173的任何有害的反射反馈达到最小。在Y形分支臂174B和174C之一中，可以选择性地部署移相器。
图14所示的集成通道170A与图13的实施例基本相同，不同之处在于，两个光栅176A和176B被设置成中心波长位于激光光源173的目标发射波长处，并且1/2相移区域177形成于Y形分支臂之一174C中。只要目标发射波长不在谐振处，臂光检测器175A和175B所检测到的光电流都将是不同的。在谐振处即在目标发射波长处，将会有强烈的光散射，但是这两个光检测器175A和175B的响应将会因目标波长处的光栅光散射而达到最小或接近零。对于这种检测方案所涉及的单个目标发射波长而言，在177处需有相移。朝向激光光源173的后向散射光将在Y分支接合处174A处发生相消干涉，由此抑制或消除有可能进入激光光源173内的干涉频率反馈。
在图15的实施例中，通道170B并不包括前两个实施例中的光栅176或移相器177。而是在一个臂174B中放置了一个具有复杂的折射率变化的吸收器178，该吸收器178可提供与各个光检测器175A和175B所检测到的光有关的光检测器功率和相位差。
图16是PIC上单个信号通道180的集成光检测器对的侧面正视图，其中所示的通道波导部分通过单个波导181耦合到激光光源(未示出)的后面。此处的概念包括高阶光栅182(其中心波长位于激光光源的目标发射波长)，并且被部署在波导181中，以便消除波导中的后向反射同时将后向传播的光向上散射，主要是朝着两个波导外的光检测器中的第一个(183处的PD1)散射。184处的光检测器PD2将接收比较少的光用于检测。既然检测器184和其它光检测器183相比离激光光源更远，则这些不同的光检测器的吸收光电流比率将是不同的。当激光光源中实现了目标发射波长时(比如因其温度或电流偏置变化)，光检测器183和184之间检测到的光的比率将达到最小，因为散射光将使任一光检测器所吸收的光量更均等。作为与图16有关的另一个实施例，图16中的光栅可以被目标发射波长处的炫耀光栅或有角光栅替代，从而实现偏轴反射并且也消除了到波导181末端185的后向光栅波导内部反射。
图17的实施例是一张平面图，其工作方式基本上与图16的实施例相同，不同之处在于，在通道180A中186处的一个光检测器PD1处于波导187的腔体外部并且耦合到激光光源(未示出)，而188处的光检测器PD2则位于波导187的末端。因此，在一个波导187耦合到激光光源的情况下，可以获得来自光检测器186和188的光电流的比率。光栅182被设置在激光光源的目标发射波长处，所以186处的PD1所接收到的光量将是非谐振条件下最小的。当实现谐振时(比如因改变激光光源的工作温度或电流偏置)，光栅182会将大量的光散射到光检测器186和188，所以这两个光检测器之间检测到的光的比率将达到最小，因为所散射的光将使任一光检测器所吸收的光量更均等。注意到，光栅182可以被调节成将更多的光散射到188处的PD2，而非186处的PD1。本实施例的另一个可选方案是制造长度不同(由此吸收长度不同)的光检测器186和188，并且重新定位光检测器186和188以便从激光光源中接收更均等的光量。光检测器的吸收比率将是不同的，所以当实现谐振时，光检测器186和188之间检测到的光的比率将达到最小，因为散射光将使任一光检测器所吸收的光量更均等。图18所示用于信号通道190的集成光检测器排布包括Mach-Zehnder干涉仪(MZI)192，其中该器件的耦合器195A和195B之间的臂193和194具有不同的长度(臂193大于臂194)，并且充当非对称的MZ零差。来自MZI 192的耦合器195A的相移或其它输出均由集成光检测器196和197来检测。这种检测器对激光光源(未示出)处的波长变化非常灵敏，并且具有很窄的工作范围。在一个实施例中，这种检测器方案可以用于对激光光源的发射波长进行细调，而粗调则可以由另一种检测器排布来应对，比如图20所示的基于微调的检测器排布。
图19所示实施例中的通道190A是图18所示实施例的变体，不同之处在于，只有一个耦合区域198。这种共向耦合区198长度很长，并且被设计成当激光光源工作在目标发射波长处时只在某些波长处有交叉耦合，所以这对光检测器196和197将处于其零交叉点。检测到的输出可以被提供给差动放大器，当检测到的信号处于零交叉时该输出将是空或零，这表示它们是完全相同的并且已经实现了锁定条件。在图19的另一个实施例中，可以将高频振动信号加到激光光源上，使得当达到空(峰值)时，很难确定信号的交叉是否已经漂移。通过激光光源高频振动，可以消除这种无法检测到的条件位置。
图20所示实施例包括PIC合波器200的使用，它可以是波长选择合波器(比如AWG)。应该注意到，本实施例和接下来的实施例中的合波器也可以是非波长选择合波器或分波器，比如图27所示的多模干涉耦合器或波长选择分波器。单个激光光源并不从TxPIC的多个调制源中确定或检测其发射波长。如图20所示，AWG的中心输出是来自AWG 201的零阶布里渊多路复用后的WDM信号输出201。中心输出201邻侧的其它零阶布里渊输出202在其末端集成了光检测器204。不同的光检测器204彼此之间的功率比是多发射波长的波长移动的测量标准，这些发射波长出现在光检测器204所检测到的每一个各自的通道输出中。尽管图20所示的微调检测器可以提供用于细调发射波长的波长自动发现，但是微调输出202也可以被置于某些多温度移动处(140GHz＝10℃变化)，以便提供粗发射波长调谐排布。
在图21所示实施例的合波器205中，更高阶布里渊区(BZ)106A和106B像本领域所知的那样是零阶布里渊的完全相同的波长复制品。为BZ输出206A和206B的数目所表示的多个通道中的每一个通道，提供光检测器(PD)201，其通带偏置于各信号通道的目标波长的任一侧。从206A处的+1BZ输出和206B处的-1BZ输出中检测到的信号可以充当零交叉差动检测器。
在图22的实施例中，示出了TxPIC或单个EML的单个通道210，其中有一个集成在同一芯片上的环形振荡器211，该振荡器211在根据该环的大小而确定的给定波长处谐振。环形振荡器211可以被设计成设置在激光光源(LD)212的目标发射波长。环形振荡器211的一侧耦合到激光光源212和调制器(EAM)214之间的波导213，而其另一侧则耦合到波导215，波导215在其任一端放置一个光检测器(PD)216。当激光光源212的发射波长与环形振荡器211的环形频率相同时，PD 216处检测到的信号达到最大。可以串联多个耦合的振荡器环211，但是每一个通道有一个这样的环211应该就足够了。
在图23所示的实施例中，图19和20所示的集成检测器组合起来了。在合波器220的222A和222B处的两个更高阶+和-布里渊区(BZ)处，多个环形振荡器224与光耦合的光检测器226一起沿布里渊区(BZ)波导222A和222B耦合。环形振荡器224被设置成具有各个单片激光光源的各目标发射波长的环形频率。因此，对于TxPIC的N个信号通道，有N个组合环形振荡器/光检测器。此处，在本实施例中，N＝8。波导22A和22B上的布里渊区(BZ)输出具有多个组合后的WDM信号波长。当该输出中的任一个波长与给定的环形振荡器224谐振时，这表示所检测到的激光频率与振荡器环形频率相同。该环形频率光的一部分将从环形振荡器224中泄漏到其相应的PD226中，然后这表明已经实现了激光光源发射波长。在图23t的另一个实施例中，波长偏置技术可以被用于波长检测，或者零交叉差动检测器方案可以被用在本实施例中。
图24所示的与合波器230有关的实施例是图23所示合波器220的实施例的另一个变体，其中部署了一组单片或集成的Echelle光栅232，用于根据波长按预定角度将BZ输出从光栅232上散开。耦合的各激光光源被散开的波长又耦合到各个单片波导234中，各个波导234在其末端具有光检测器236以便检测接收到的光的振幅。在另一个实施例中，可以调谐Echelle光栅的散光特性，使得通过使用来自各个BZ检测到的输出的两个不同的输出，便可以进行差动检测。
图25所示的单个波导通道240的实施例与图16所示的实施例相似，其中检测器244和246沿波导242串行耦合到激光光源(未示出)，但并不使用任何光栅。光检测器244和246所检测到的信号的比率将随波长而变化，因为这些检测器的吸收随波长而变化。既然光检测器244和246的吸收长度随温度而变化，那么光检测器244和246也将检测到随激光光源温度而变的波长变化，所以该效应将在两个光检测器之间被放大，因为光检测器244和246的光电流的信号差值随环境温度而不同。这种放大条件在图16所示实施例中是不可能的，因为光栅的存在导致没有被放大的量。在另一个实施例中，该可选实施例可以与图15所示实施例基本相同，但是没有波导内部的光栅而且在臂174B和174C之一中包括吸收器178，所以包含吸收器的臂174B稍有不同地吸收光，因为存在吸收器178时相位效应将在两个光检测器之间被放大，因为光检测器244和246的光电流的信号差值随环境温度而有大小差异。结果，因为OSNR有所提高，所以在这些前述实施例中的一部分中该检测方案可能是较佳的。应该意识到，对于图25所示的集成光检测器实施例而言，附加的一系列光检测器可以被包括到诸实施例中，以提高检测灵敏度。此外，在与图15相似的上一个实施例中，可以将本实施例扩展成，在每一个波导242的末端包括一个功率分束器并且具有从每一个分束波导末端延伸出来的多个臂，其中每一个这样的波导都以光检测器为末端。在这种情况下，增大每一个通道的光检测器数目，将会提高检测灵敏度。
参照图26，它示出了单片集成波长检测的另一个实施例。在本实施例中，像上述实施例那样，只示出了一个信号通道250，该信号通道250包括激光光源251、调制器252和PIN光检测器或功率改变元件(PCE)253。该集成器件包括双模式干涉(TMI)波导254，它是一种非对称激励的多模式波导，并在激光光源251的波导250A的254A处进行非对称地耦合，图26以夸张的形式示出了其耦合偏置。波导254具有单模Y形分支分束器255，并且来自Y形分支分束器255的波导254B和254C的末端各有一个光检测器(即256处的PD1和257处的PD2)。该器件在美国专利6,714,566中的图1的20、22、24a、24b和40处也出现了，该美国专利引用在此作为参考。其工作原理与多模干涉(MMI)耦合器相似，到单片集成Y形分支波导254的激光光源后面输出相对于波导250A的254A处的多模波导输入而言有偏移，该偏移激励了多模波导254的两个最低阶模式，这两个最低阶模式搏动以便根据波长来产生干涉图案。当二阶模式占据Y形分支255时，这些模式在连接到各个光检测器256和257的波导分支254B和254C中行为不同，其中这种行为方面的不同表示激光器发射波长随温度的变化。
现在参照图27所示的实施例，它是形如多模干涉(MMI)耦合器260的波长检测器。大多数这种耦合器通常都被设计成工作在谐振情况下，以致它们对波长高度不敏感。然而，对于波长检测而言，耦合器必须被设计成具有较高的波长灵敏度。如图27所示，到MMI耦合器260的输入262具有偏移的后方输出263和264(比如来自两个相邻的信号通道)，其中到耦合器260的输入262也偏移中心。如图所示，来自两个通道的输出功率可以在中心处或偏离中心，并且这些通道的两个输出263和264可以耦合到输出263和264处各自的光检测器(未示出)，其中光检测器的两个高斯输出之间256处的交叉点表示相邻信号通道之间的空间频率分隔或光谱间隔。这样，便可以监控两个相邻通道之间所期望的空间频率，并且可以改变一通道或两个通道的波长从而保持所期望的通道空间频率分隔。
如上所述，PIC上的AWG是单片波长检测方案所用的最灵敏的器件，它替代了目前发射器多波长检测所广泛使用的常规外部标准具。在以InP为主体的AWG中，尽管中心波长按大约16.25GHz/℃的速率进行调谐，但是光谱通道间隔仍然相对恒定。例如，在约20℃到约80℃之间的温度范围中，PIC A WG和相应的DFB激光光源横跨约1000GHz进行调谐，但是通道之间的分隔的变化仍然相对很小。对于DFB激光光源而言，该范围约±20GHz到约±30GHz。然而，单片AWG甚至更稳定，其变化大约仅±5GHz，即仅约总调谐范围的0.5％。这种温度稳定性就是为什么图20到24所示单片波长检测实施例被认为可能是较佳实施例的原因。
关于增宽具有漂移波长栅格的TxPIC的工作温度范围，尚未解决的问题之一便是对单片EAM在室温以下工作的限制，例如，这种限制源于当这些器件被设计成能适应带隙EAM相对于其相应通道的DFB在更高工作温度下的发射波长而进行带隙红移时，EAM在较低温度下会有很大的失谐。这种很大的失谐导致EAM的消光比和芯片性能更差。有两种方式可以缓和EAM的这种不足并扩展TxPIC的工作范围(即在约20℃到70℃最适宜)到更低温度工作。第一种方式是，在TxPIC上的每一条信号通道中包括一个跟在EAM后面的SOA，来减小激光器-调制器失谐的量。较小的失谐将确保EAM在较低的温度下正常工作，并且单片SOA将补偿EAM在接通状态下较高的损耗(这是因EAM相对于DFB激光光源的失谐更小而导致的)。此外，SOA将被用于维持较高温度下所需的输出水平，其中激光光源的偏压可能随环境温度的增大而变化。此外，如上所述，在每一个通道中相应的SOA之后，可以使用具有负偏压的单片VOA，目的在于在调制后的光源阵列上进行单片预增频。
第二种方法(上文已提到过并讨论过)是提供与每一个EAM相关联但与DFB激光光源加热器相分离的加热器，并且使用EAM加热器来保持较大的激光器-凋制器失谐。EAM加热器将基于来自粗热传感器或检测器(比如热敏电阻)的反馈而进行工作，以便监控TxPIC芯片的环境温度。随着TxPIC芯片温度的下降，局部的EAM加热器通过增大其相应EAM的温度来补偿该温度下降，以便维持其最佳温度，从而维持调制器消光比(ER)及其啁啾性能。不像DFB那样而是与发光器件相似，除了激光器-调制器失谐随温度改变更剧烈以外，EAM的动态性能对温度变化不太敏感。
尽管已经结合若干具体的实施例对本发明进行了描述，但是对于本领域的技术人员而言，根据上文的描述许多其它替换、修改和变体都是很明显的。其中一个重要的示例便是，本发明的漂移波长栅格技术也可以用于具有分立的发射器的常规WDM传输系统中，只要这些发射器能够在相同温度环境下具有热漂移波长就可以。然而，应该认识到对于这种分立的发射器设备，控制多个信号通道中的通道间隔很可能更困难。因此，当信号通道热环境相对足够小时，用于常规WDM系统的方法变得更可以接受，所以在同一时间等温变化以基本上完全一样的方式作用于所有的信号通道。这种小环境在TxPIC芯片(例如，在单个半导体芯片上有10到80个通道)中是一种自然的结果。因此，本文所描述的发明旨在包括所有这些替换、修改、应用和变体，只要它们落在所附权利要求书的精神和范围之内。

Claims (75)

1.一种无制冷集成光路(PIC)，它包括：
多个调制源，所述多个调制源提供多个调制通道信号，每一个调制通道信号具有不同的工作波长，这些不同的工作波长一起构成了信号通道的波长栅格，所述波长栅格具有相邻信号通道之间设定的光谱间隔；
所述通道信号组合起来构成WDM信号，以便于在光学链路上传输，
所述波长栅格随变化的温度而漂移，从而在所述波长栅格的相邻信号通道之间的光谱间隔彼此相对保持不变的情况下，各个通道波长都随温度而变化。
2.如权利要求1所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述漂移栅格是在预定的温度范围内实现的。
3.如权利要求2所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述温度范围大约是在室温和100℃以下的某一高温之间。
4.如权利要求3所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述温度范围大约是在20℃和85℃之间。
5.如权利要求1所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，来自所述PIC的WDM信号经传输之后，在光接收器处发现并锁定WDM信号的漂移波长栅格的光谱位置。
6.如权利要求1所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述PIC是发射器集成光路(TxPIC)，所述TxPIC在每一条信号通道中都包括调制源。
7.如权利要求6所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述TxPIC还在每一条信号通道中包括功率改变元件(PCE)。
8.如权利要求6所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述TxPIC包括多个集成半导体调制器/激光器(SML)。
9.如权利要求8所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述SML包括电吸收调制器/激光器(EAM)。
10.如权利要求1所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，没有任何制冷器用于将所述PIC维持在给定温度。
11.如权利要求1所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述热漂移波长栅格保持在比室温高的温度下。
12.如权利要求1所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述PIC被加热到某一设定的工作温度并保持在该工作温度下。
13.如权利要求12所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述设定的工作温度在室温之上。
14.如权利要求13所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述设定的工作温度大约在85℃以下。
15.如权利要求1所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，每一个调制源中的激光器都具有有源区，各有源区具有各自的有源区波长，所述激光器发射波长与所述有源区波长的峰值有失谐偏差，与所述峰值的失谐偏差对于每一个激光器而言都是不同的。
16.如权利要求15所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述失谐偏差基本上都是正的波长失谐。
17.如权利要求15所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，每一个调制源中的调制器都具有自己的有源区波长，该有源区波长与其相应的激光器发射波长比也有失谐。
18.如权利要求1所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，每一条信号通道中的调制源都包括激光器和调制器，所述调制器有源区波长与其激光器发射波长比有失谐。
19.一种包括至少一个调制源的无制冷集成光路(PIC)，所述至少一个调制源包括加热器，用于在不使用任何制冷器的情况下将所述PIC加热到在室温和较高的工作温度之间的温度范围中，从而除了所述加热器使所述PIC温度保持在所述温度范围中之外，所述PIC在没有任何温度控制的情况下热漂移。
20.如权利要求19所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述调制源包括具有至少一层含铝层的有源区。
21.如权利要求20所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述含铝层包括AlGaInAs(AQ)。
22.如权利要求19所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述PIC在比室温高的温度下漂移。
23.如权利要求19所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述PIC被加热到并维持在比室温高的最大工作温度。
24.如权利要求23所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，在所述PIC工作温度已被设定为所述最大工作温度之后，所述PIC的调制源中的激光器在恒定的温度下工作。
25.如权利要求23所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述最大工作温度在大约30℃到85℃的范围内。
26.如权利要求19所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述PIC具有一条带调制源的信号通道。
27.如权利要求19所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述PIC具有多条信号通道，每一条信号通道都带有调制源，从而构成了信号通道的漂移波长栅格。
28.如权利要求19所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述PIC包括来自III-V族系的材料。
29.如权利要求28所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述材料族系是以InP为主体的族系。
30.如权利要求28所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述材料族系是以GaAs为主体的族系。
31.一种在工作时不需要TEC或Peltier制冷器的单片发射器集成光路(TxPIC)，它包括：
在所述PIC中形成N个信号通道的多个调制源以及耦合成接收来自所述调制源的N个调制信号的合波器，每一个所述调制源中的激光光源具有一个工作发射波长并且与其它激光光源一起构成波长栅格发射波长；
所述光学合波器具有一个通带波长栅格；
与所述PIC相关联的至少一个加热器，用于使所述光路保持在室温以上较高的工作温度下工作；以及
反馈装置，用于改变所述激光光源的发射波长以便使所述调制源的相邻激光光源之间具有固定的周期性或非周期性光谱间隔，使所述激光器波长栅格保持与所述合波器的通带波长栅格基本上对准的状态，以及用所述栅格对准过程所产生变化使所述调制器的工作情况最佳化。
32.如权利要求31所述的单片发射器集成光路(TxPIC)，其特征在于，所述反馈装置包括可编程逻辑控制器(PLC)。
33.一种单片发射器集成光路(TxPIC)，它包括：
在所述光路中的多个调制源，每一个调制源都提供一条信号通道，每一条信号通道都具有与其它信号通道不同的发射波长，在每一条通道中每一个调制源也以光学方式耦合到光检测器，以便将每一条通道的输出提供给控制器，从而确定一个或多个调制源的工作波长；
将一个或多个所述的调制源加热到室温以上的较高工作温度的装置，使得所述TxPIC在没有任何制冷器用于所述光路的情况下工作；
所述控制器用于改变一个或多个调制源的工作波长，使得相邻信号通道之间的光谱间隔保持为一个预定的间隔。
34.如权利要求33所述的单片发射器集成光路(TxPIC)，其特征在于，所述加热装置是形成于所述光路上的电热丝式加热器。
35.如权利要求33所述的单片发射器集成光路(TxPIC)，其特征在于，所述预定的间隔是周期性的或非周期性的。
36.如权利要求33所述的单片发射器集成光路(TxPIC)，其特征在于，所述光检测器通过所述控制器来检测因光路环境的温度条件变化而导致变化的发射波长条件。
37.如权利要求33所述的单片发射器集成光路(TxPIC)，其特征在于，多个所述调制源具有所述加热装置。
38.如权利要求33所述的单片发射器集成光路(TxPIC)，其特征在于，所述光学合波器也具有加热装置。
39.一种无制冷集成光路(PIC)，它包括：
多个调制源，所述多个调制源具有含铝的有源区并且在所述PIC上形成多个信号通道；
所述调制源提供多个调制通道信号，每一个调制通道信号具有不同的工作波长，从而一起形成了信号通道的波长栅格，所述波长栅格具有相邻信号通道之间设定的光谱间隔；
所述信号通道组合起来形成了WDM信号以便于在光学链路上传输，
所述PIC没有温度控制，从而所述波长栅格随环境温度变化而热漂移，从而导致各个通道波长随温度而变化；
所述波长栅格的相邻信号通道之间的光谱间隔保持彼此相对不变。
40.如权利要求39所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述调制源的每一条通道都包括激光光源和电光调制器。
41.如权利要求40所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述激光光源是DFB激光器或DBR激光器。
42.如权利要求40所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述电光调制器是Mach-Zehnder调制器或电吸收调制器。
43.如权利要求40所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述Mach-Zehnder调制器在其频带边缘处或远离其频带边缘工作。
44.如权利要求39所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述含铝的有源区是AlGaInAs(AQ)。
45.如权利要求39所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述PIC在室温以上某一较高的温度下工作。
46.如权利要求45所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述PIC具有至少一个加热器，用于使所述PIC保持在所述较高的温度。
47.如权利要求46所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述较高的温度在大约40℃到85℃的温度范围内。
48.如权利要求46所述的无制冷集成光路(PIC)，其特征在于，所述加热器包括与至少一个调制源相邻的电热丝式加热器，用于使所述调制源的环境温度保持在所述较高的温度。
49.如权利要求48所述的无制冷集成光路(PIC)，还包括形成于每一条信号通道中的功率改变元件(PCE)或光检测器。
50.一种用于操作具有多个信号通道的集成光路(PIC)的方法，所述多个信号通道具有不同的发射波长，从而一起构成了在所述信号通道之间具有预定信号通道间隔的栅格，所述方法包括如下步骤：
在没有任何环境温度控制的情况下无制冷地操作所述光路；以及
在相邻通道之间保持固定的信号通道光谱间隔的同时，准许所述通道波长栅格随光路环境温度的变化而热漂移。
51.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述通道之间的光谱间隔是周期性的。
52.如权利要求50所述的方法，其特征在于，所述通道之间的光谱间隔是非周期性的。
53.如权利要求50所述的方法，还包括准许所述通道波长栅格在比室温高的某一温度下发生热漂移的步骤。
54.如权利要求53所述的方法，其特征在于，所述较高的温度在约30℃到85℃的温度范围内。
55.如权利要求50所述的方法，还包括将所述PIC加热到室温以上的最大工作温度的另一步骤。
56.如权利要求55所述的方法，其特征在于，所述最大工作温度在大约30℃到85℃的温度范围内。
57.如权利要求50所述的方法，还包括用III-V族材料化合物来形成所述PIC的另一步骤。
58.如权利要求57所述的方法，其特征在于，所述III-V族材料来自InP系或GaAs系。
59.一种光传输网络，它包括：
不制冷且不加热的光发射器，用于提供多条具有不同发射波长的信号通道，相邻信号通道之间保持固定的光谱间隔并且所述不同的发射波长形成了发射波长栅格，其中所述波长栅格以及发射波长自由地随环境温度的变化而变化，从而导致信号通道的热漂移波长栅格；
将所述通道信号组合起来形成WDM信号以便在光学链路上传输的装置；
光接收器，用于通过所述光学链路接收来自所述光发射器的WDM信号；
所述光接收器具有基于从所述光发射器中接收到的信息发现并锁定信号通道的热漂移波长栅格的装置；以及
用于将所述锁定的WDM信号分解成所述多个通道信号的装置。
60.如权利要求59所述的光传输网络，其特征在于，所保持的信号通道光谱间隔是周期性的或非周期性的。
61.如权利要求59所述的光传输网络，其特征在于，所述光发射器包括至少一个发射器集成光路(TxPIC)芯片。
62.如权利要求59所述的光传输网络，其特征在于，所述光接收器包括至少一个接收器集成光路(RxPIC)芯片。
63.如权利要求59所述的光传输网络，其特征在于，所述光发射器还包括控制器，用于连续地维持所保持的信号通道光谱间隔。
64.如权利要求59所述的光传输网络，其特征在于，所述光接收器还包括具有波长梳的滤波器，所述波长梳进行光谱移动以便锁定所述WDM信号的热漂移波长栅格。
65.如权利要求64所述的光传输网络，其特征在于，所述波长梳是通过加热装置进行光谱移动的。
66.如权利要求64所述的光传输网络，其特征在于，所述波长梳是通过电光装置进行光谱移动的。
67.如权利要求59所述的光传输网络，其特征在于，所述信号通道的热漂移波长栅格在比室温高的某一温度发生热漂移。
68.如权利要求67所述的光传输网络，其特征在于，所述较高的温度在大约30℃到85℃的范围内。
69.如权利要求59所述的光传输网络，其特征在于，所述信号通道的热漂移波长栅格被加热到并且被维持在室温以上的最大工作温度。
70.如权利要求69所述的光传输网络，其特征在于，所述信号通道的热漂移波长栅格。
71.如权利要求70所述的光传输网络，其特征在于，所述较高的温度在大约30℃到85℃的范围内。
72.一种集成光路(PIC)，它包括：
形成于所述PIC中的源，沿所述光路中的波导在所述源的输出处提供至少一个具有预定波长的信号；
多个光检测器，所述多个光检测器集成在所述光路中，并且形成于所述波导中、或与所述波导相邻、或与所述波导接近地隔开；
所述光检测器通过集成在所述光路中且与所述波导相通的微分装置，单独地或组合式地解析所述波导中的信号的波长。
73.如权利要求72所述的集成光路(PIC)，其特征在于，所述的源包括激光器或合波器/分波器。
74.如权利要求72所述的集成光路(PIC)，其特征在于，所述微分装置包括下列之中的至少一个：光栅；移相器；吸收器；非对称Mach-Zehnder干涉仪；由所述波导形成的对切波导，其中所述对切波导之一比另一个对切波导要长；来自所述源的更高阶布里渊区输出；环形振荡器；Echelle光栅或多模干涉耦合器，它具有至少一个偏置输入和输出。
75.如权利要求74所述的集成光路(PIC)，其特征在于，所述源包括激光器或合波器/分波器。
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