專利名稱：監視－控制經可變的空間濾光后的激光波長的制作方法
相關的專利申請這項申請是美國專利申請第08／979，204號(1997年11月26日申請)的部分繼續申請，在此通過引證將其全部教導并入。
本發明的現有技術為了在不安裝新的光纖鏈路的情況下增加數據吞吐量，正在使用波分多路復用(WDM)系統。這些系統依靠半導體激光器的可調能力來訪問光纖傳播的大部分光譜。這可能導致數據速率增加一個數量級或者更多。
供這些WDM系統使用的信道間隔標準已經頒布。就光學頻率而言，頻率間隔是緊張的。就在大約1．5微米(μm)下工作的激光二極管而言，它通常是在100千兆赫(GHz)下工作的；這表現為大約0．8納米(nm)的最小波長信道間隔。新標準不斷出現，在某些情況下它們的信道間隙更狹窄。
為了在WDM系統的各種信道中運行，怎樣調諧激光二極管將取決于所用激光二極管的特定類型。分布反饋(DFB)激光二極管是通過改變二極管的溫度來調諧的。溫度控制通常是通過在激光通信模塊的前前后后使用熱電冷卻器實現的。這些器件利用珀爾帖電-熱效應以能夠進行電調制的方式吸取熱量。法布里-珀羅激光器通過控制它們的溫度進行類似地調諧。分布式布喇格(DBR)激光器是通過溫度和注入電流(injection current)調諧的。在更寬的范圍內調諧是通過改變激光二極管的結構(例如改變光柵頻率(grating freqency))來完成的。
為了在這些WDM系統中保持適當的信道間隔，人們已經提出一些解決辦法。這些建議通常是依靠精確的工廠校準(例如，在分布反饋激光器中存在著固有的制造變異性所以需要校準)和在安裝后依靠手控微調WDM模塊的波長來檢測和調節因老化和環境影響造成的波長偏移。
本發明的概述本發明涉及對激光二極管系統進行波長反饋控制和／或監視。因此，它特別適合應用于保持在WDM系統中找到的狹窄的信道間隔。本發明在依靠空間可變濾光材料確定或監視激光二極管的波長方面是獨特的。這類濾光片基于其緊湊性和可調性提供各種特殊的優點，這有利于用小巧的可調模塊實現WDM器件。
一般的說，本發明的第一方面的特點是受反饋控制的激光通信器件。通常，該器件包括激光二極管或激光放大器，它們是受調制的，即根據輸入信號調制其輸出，以便產生用輸入信號編碼的光學信號。然而，空間可變濾光材料是為至少接收激光器件所產生的部分光學信號而準備的，而且檢測器可以用于檢測經過這樣濾光的光學信號。然后，監視和控制電路系統可以利用檢測器(或檢測器組)的響應來確定波長并且有可能提供反饋控制。
在優選實施方案中，空間可變濾光材料具有隨空間變化的通頻帶。另外，低通、高通或狹窄的通頻帶隨空間變化的刻痕濾光材料(notch filter material)可能被替換，透射或反射濾光材料也可能被替換。
此外，檢測器并非是絕對必要的。可變的濾光材料可以用于把窄頻率反饋提供給在可調的窄頻帶下運行的放大器。
在優選實施方案中，空間可變濾光材料和至少一個檢測器是為對來自激光二極管或放大器背面的光線進行濾光和檢測準備的。按照這種方式，該器件可用的總輸出功率將不會減少，就該二極管而言基本上取決于自由背面光線(the free rear facetlight)。但是，在其它裝置中，可能在空間或周期的基礎上或在工廠校準期間對來自正面的光線進行采樣。
在第一實施方案中，實際上至少使用兩個檢測器。這種配置使分別檢測波長高于和低于為該器件指定的中心波長的光線成為可能。控制電路系統調整激光二極管的波長以便保持諸檢測器的響應幅度之間的預定關系。此外，激光二極管的輸出功率可以依據諸檢測器的綜合響應進行調制和控制。
這個實施方案將在制造該器件時提供某種方便和靈活性。兩個檢測器的布局將確定濾光輸出中的響應交疊點。交疊波長位置的調節方法是改變兩個檢測器的相對位置，以致響應增強并且改變交疊波長，或者使兩者相對中點相等，以致響應增強但交疊波長不變。
但是，兩個檢測器并非是必不可少的。在第二實施方案中，單檢測器是相對空間可變濾光材料安排的，以致其有效區域在空間上隨濾光片變化。于是，波長將得到控制，以便保持該檢測器的預定響應。
在另一個單檢測器實施方案中，使用線性的電荷耦合器件。每個單元代表單獨的一個波長間隔。
本發明另一方面的特點是，包括眾多信道子系統的激光二極管波分多路復用通信系統。每個子系統都把空間可變濾光材料用在波長反饋控制方案中。
在該系統的某些配置中，空間可變濾光材料是諸子系統公用的，以致一個隨空間變化的濾光片被用于多個子系統。此外，檢測器陣列(如電荷耦合器件)可以用在多重子系統的控制方案中。
一般的說，本發明的第三方面涉及利用空間可變濾光材料控制激光二極管通信系統的方法。此外，該材料可以用于校準波分多路復用的光學通信系統。
本發明的上述和其它特點(包括各種新穎的結構細節和零件組合)以及其它優點現在將參照附圖更詳細地予以介紹并且將在權利要求書中一一指出。人們應當理解展示體現本發明的特定方法和器件僅僅是為了說明的目的而不是作為對本發明的限制。在不脫離本發明的范圍的情況下，本發明的原理和特征可以在各種各樣的實施方案中使用。
附圖簡要說明在這些附圖中，相同的參考字符指的是遍及不同附圖的同一零部件。這些附圖并非一定按比例繪制，而是把重點放在圖解說明本發明的原理上。
圖1是說明依據本發明的結構二極管通信器件的方框圖；圖2是在本發明的通信器件中濾光片和檢測器布局的示意透視圖3是通頻帶中心頻率作為由空間可變濾光材料制成的空間濾光片位置的函數的變化曲線；圖4是透射光強度隨波長變化的曲線，其中空間可變濾光材料處在任意位置X0；圖5是檢測器的響應作為來自激光二極管的光學信號的函數的變化曲線；圖6是圖解說明本發明的激光二極管通信器件在激光二極管波分多路復用通信系統中作為信道子系統的裝置的方框圖；圖7是依據本發明的第二實施方案的激光二極管通信器件的方框圖；圖8是在通信器件的第二實施方案中檢測器與空間可變濾光材料的布局平面圖；圖9是說明使用空間可變反射濾光材料的替代裝置的示意方框圖；圖10是把半導體放大器與刻痕可線性變化的濾光材料用于特殊的波長鎖定操作的另一個實施方案；圖11是示意透視圖，其中空間可變濾光材料是利用模塊中的致動器調諧的。
本發明的詳細描述圖1是按照本發明的原理構成的激光二極管通信器件100的方框圖。通常在這些器件中，激光二極管110在其部分反射或不反射的正面114產生光學信號112。在一個實施方案中，激光二極管是分布反饋激光器，它是在圍繞著1．5μm的范圍內可調諧的。
根據對信息信號118的響應調整激光二極管的注入電流，借此使信息通過編碼進入光學信號112。具體地說，注入電流控制器116(它通常在通信器件100的外面)接收信息信號118并且反饋來自器件100的功率誤差信號120。控制器116調整激光二極管110的注入電流以便給信息信號編碼和保持預定的最低光強度輸出與該器件的損壞門限和用戶設計要求一致。
應當注意，本發明還應用于其它調制激光系統。例如，在替代實施方案中，該激光器可以用激光二極管和離散型調制器來代替。通常，在這種系統中極少按連續振蕩模式(a cw mode)運行，而是把信息信號提供給該調制器。
光學信號112是通過光纖10傳輸的，其中光纖10通常在通信器件100的外面，或者是作為光纖引出端被連接的。在典型的實施方案中，準直透鏡122和耦合透鏡126用于把光學信號112耦合到光纖中以便傳輸。光隔離器124(它通常包括兩個偏振片和一個居間的法拉第旋轉器)被用于提供隔離。但是，可以用其它耦合系統來取代。光纖引出端的端面透鏡可以與分立的偏振片／-旋轉器／隔離器一起使用，也可以不與它們一起使用，取決于傾向性應用。
通常，激光二極管110的溫度是受熱-電冷卻器128控制的。這些器件被用于從激光二極管吸取熱量或者給它加熱，以便保持恒定的受控工作溫度并因此保持光學信號112波長穩定。熱敏電阻130被用于檢測激光二極管110的溫度。它產生溫度信號，該溫度信號被溫度控制電路系統131接收，該溫度控制電路系統利用波長誤差信號和溫度信號來調制熱-電冷卻器128，以便給該激光二極管加熱或降溫。在上電過程中，激光二極管的波長經過調諧落在檢測電路(140和142)的俘獲范圍內。在正常運行期間，溫度控制電路系統131控制熱-電冷卻器128以便跟蹤所需的波長。但是，在這種操作期間，該熱敏電阻受到監視，以保證溫度超過高和／或低溫度門限值時，使激光二極管或其它電路系統不致被損壞。
按照本發明，至少一部分光學信號132被監視以便檢測激光二極管的瞬時工作波長。在這個圖解說明的實例中，光學信號是便于采樣的，其方法是檢測從激光二極管110背后的反射面134射出的光線。在優選實施方案中，經過采樣的光學信號部分132通過準直透鏡136。從那兒，被采樣的光線通過空間可變濾光片138進行濾光。在這個優選實施方案中，濾光片138是由線性可變濾光材料構成的，在濾光片面上其通頻帶是按X方向線性變化的。
在這個實施方案中，兩個檢測器，檢測器A 140和檢測器B142，檢測從濾光片138上兩個不同位置透射的光學信號。兩個檢測器各自的響應指示提供給波長和功率誤差信號電路144。這個電路通常根據檢測器A 140的響應與檢測器B 142的響應的差值產生波長誤差信號145，以便借助溫度控制電路131控制熱-電冷卻器128。電路144還產生功率誤差信號120，該信號可供用戶在該器件外面利用并且被注入電流控制器116使用。功率誤差信號120優選以檢測器140和142的綜合響應為基礎。
圖2展示空間可變濾光片138和檢測器140、142的布局。具體地說，來自激光二極管110背面134的光線132通過準直透鏡136在一塊獨特的空間可變濾光材料138上形成優選橢圓形的照明區150。檢測器140、142被并排安排在濾光片138的后面。在優選實施方案中，該濾光片大約500微米長并且跨其面提供0．8微米的波長偏移。
圖3是中心頻率通頻帶作為在空間可變濾光材料上空間位置X的函數圖。該對于濾波材料的中心頻率通頻帶取決于濾波片上的空間位置，在圖示的實施例方案中，通頻帶的波長隨著沿濾波片空間位置的增加而增加。
圖4說明示范通頻帶，將透射的光強度作為波長的函數作成曲線。在濾光材料上的給定位置X0，就該濾光材料的通頻帶而言存在一個唯一的中心頻率，λ(X0)。該濾光材料還有一個相對恒定的名義通頻帶寬度(B)。這個通頻帶定義在該濾光材料上給定位置光線的透射波長。具體地說，本質上只有波長在λ(X0)-0．5B和λ(X0)+0．5B之間的光線才能在空間位置X0處透射。
圖5展示檢測器A 140和檢測器B 142由于它們相對濾光材料138的布局對光譜的不同響應。具體地說，檢測器A 140定位在空間可變濾光材料138的前面，以致它具有以波長λA為中心的通頻帶。檢測器B 142定位在空間可變濾光材料138的不同位置的前面，以致它具有以波長λB為中心的通頻帶。在優選實施方案的控制電路中，通信器件100的指定波長是λN，在一個特定的裝置中該波長在λA是和λB中間。因此，波長和功率誤差電路144產生波長誤差信號以便控制二極管的波長，在這個圖解說明的實施方案中，它是借助熱-電冷卻器128實現的。檢測器140和142的響應是平衡的，因此提供反饋控制以便把激光二極管的波長保持在λN。
這個實施方案的構型特別便于制造并且為制造提供了靈活性。兩個檢測器的布局將決定濾光片輸出中的響應交疊點。通過相對一個檢測器移動另一個檢測器，交疊波長λN的響應強度(在交疊點為m)和位置兩者都可以得到調節。這樣就改變了響應強度和波長λN。另外，兩個檢測器的位置可以相對中點等距離移動。于是，響應將增強或減弱，這將分別取決于兩個檢測器究竟是彼此相向移動還是相互背離，但λN保持不變。
在相關的想象中，相對該檢測器對移動濾光材料138將改變λA、λN、λB，以適應不同的指定波長但不犧牲在靈敏度中原來的檢測器配置所提供的各種關系。這個特征較之為有許多信道(45至90或更多個信道)的WDM系統供應激光器單元所需要的產品目錄(manufacturing inventories)具有特殊的重要性。在潛在的信道范圍內工作的同屬的模塊可以事先生產。一般的說，特定的DFB激光器可以這樣生產，例如它可以基于12個潛在信道進行調諧。這種同屬模塊被儲存起來。在需要適合某個特定信道的模塊時，將覆蓋該信道的同屬模塊選出、裝上可變濾光片并且經過調節／調諧使該模塊在所需頻率上工作。
圖6展示在波分多路復用模塊200中通信器件100作為信道子系統的裝置。在這樣的系統中，每個子系統的經過二極管都是受控的，以便在激光二極管工藝的調諧能力范圍內在不同的波長λl-λk下運行。例如，一個推薦系統，其中激光二極管的最小中心頻率從195．9太赫延伸到191．7太赫(THz)，而最小的信道間隔為100千兆赫。相應的波長中心從1530．33nm延伸到1563．86nm，而且有大約0．8納米的間隔。在這樣的系統中，數十至數百個分開的信道用同一根單模光纖10傳輸，從而該光纖的總數據傳輸率相對非多路復用系統得到極大的增加。
當這種器件在模塊200中被組裝在一起時，某些元件可以被子系統100共享。例如，在某些裝置中為了降低模塊成本，每個子系統中的分立檢測器140、142可以由檢測器陣列或電荷耦合器件(CCD)陣列來代替。另外，一條濾光材料可以被用于整個模塊。每個特定的子系統只訪問該條材料的一部分。此外，波長誤差信號電路可以作為功能獨立的電路分布在諸子系統之間，或者用共享的模擬／數字控制器電路對所有的子系統提供統一控制。
圖7是激光二極管通信器件的第二實施方案的方框圖。這個實施方案的不同之處僅限于它使用單檢測器143。這個檢測器143相對可變濾光片138是這樣安排的，以致其響應幅度隨著被采樣的光學信號132的波長變化而改變。
圖8是檢測器143和空間可變濾光片138的方框圖。檢測器143本身(即檢測器離散的泊位)是按濾光片的空間變異性的方向共享的，以便提供依賴波長的操作。例如，如果激光二極管110的波長將要增加，那么濾光材料138透射的部分將按x的正方向偏移。在x的正方向上，檢測器143的有效區增大，以致它對給定波長更敏感。因此，波長誤差信號電路145調整熱-電冷卻器128使檢測器的響應保持在預定水平。在這個圖解說明的實例中，電路145調整二極管的溫度以便跟蹤波長λN。
返回圖7，因為檢測器143不容易用于功率控制，所以需要獨立的功率檢測器152，以便產生功率誤差信號120。
在其它實施方案中，使用CCD型檢測器。這些CCD元件(優選線性的)是為了在空間可變濾光材料的變異性方向上展開而準備的。每個CCD元件代表一個獨立的波長間隔。于是，激光二極管的波長受到控制，從而保持在每個間隔中檢測到的光強信號之間的預定關系。
雖然已經介紹了本發明在與分布反饋激光器結合時的用途，但是本發明可以廣泛地應用于其它類型的激光二極管器件或其它波長可調的激光器。例如，溫度受控的激光器件(如法布里-珀羅激光器和分布式布喇格反射激光器也都可以使用)。此外，通過調節內腔光柵(an intra-cavity grating)來調諧波長的外腔激光器是另一種替代品。在這種裝置中，波長誤差信號被用于控制執行元件(如壓電器件)，該器件實際上旋轉光柵以便調諧波長。
圖9展示本發明的另一個實施方案，該實施方案使用反射型空間可變濾光材料，在這個實施方案中有意義的變異在于光線是被濾光材料反射的而不是通過該材料透射。具體地說，從激光二極管的背面134發射的光線通過透鏡136準直，然后通過空間可變濾光片138-1(作為折疊式反射鏡)被再次改變方向。如上所述，在這種布局中檢測器A 140和檢測器B 142接收光線以便提供功率信號和誤差信號120、145。依據不同的配置，空間可變濾光材料138-1可以是刻痕線性可變濾光片(a notchlinearly variable filter)、或者是低通、高通或通頻帶濾光材料。
圖10展示本發明在可調激光器件結構中的又一個實施方案。在這個實施方案中，激光放大器110-2代替激光二極管。在放大器110-2中產生的光線112被傳送到調制器111。在優選實施方案中，該調制器具有帶涂層的空間反射面，該反射面定義諧振器的輸出面。從放大器110-2的其它末端射出的光線132通過透鏡136-2被聚焦到空間可變濾光材料138-2上。具體地說，空間可變濾光材料138-2是一種刻痕、線性、線性可變濾光片(NLVF)，它沿著該濾光材料在每個位置上以非常窄的頻帶反射。這些反射頻率沿著該濾光材料的全長是可隨空間變化的，優選以線性方式變化。在這個優選實施方案中，從放大器110-2的背面134射出的光線被聚焦或準直到NLVF 138-2上。這樣產生一個狹窄的帶寬反饋到放大器110-2中，以便產生實質上單一頻率的激光。因此，該激光放大器將被鎖定到這個反射波長范圍上。
這種設計的一個優點是容易完成對其波長的監控。因為在NLVF 138-2后面的兩個空間上分開的檢測器140、142，將由于它們的布局而起不同的作用，所以控制電路是以減法為基礎的，即基于檢測器A 140與檢測器B 142之間的響應差異。這個系統的一個優點是避免使用在法布里-珀羅型激光器中普遍使用的相位補償器。
最后，圖11展示對前面揭示的諸實施方案的一種潛在的改進。在某些情況下，為了設定器件的工作頻率，在制造時固定空間可變濾光材料可能是符合要求的。這類似于逐次逼近法(set-and-forget approach)。另外，本發明可以是在制造后可由用戶調諧的。具體地說，濾光片致動器164借助臂162與空間可變濾光材料138連接，從而允許線性可變濾光材料138沿著x軸移動，即滑移。在一種裝置中，致動器164是簡單的調節螺釘，其一頭優選是在模塊外面可接近的。另外，微型機電系統(MEMS)類的致動器有可能與其它方法(例如靈巧膜(smartfilms)、記憶金屬和基于壓電晶體的系統)一起使用，以便在開環或閉環控制電路中提供受電子電路控制的主動調諧。
盡管這項發明已經被具體地展示并且通過其優選實施方案做了詳細的介紹，但是熟悉這項技術的人應當理解在不脫離權利要求書所定義的本發明的精神和范圍的情況下可以在形式和細節上做各種各樣的變化。熟悉這項技術的人將承認或利用不多的例行實驗就能夠弄清許多等價于這份說明書所介紹的本發明的特定實施方案的實施方案。這些等價實施方案傾向于落在權利要求書規定的范圍內。
權利要求
1．一種受反饋控制的激光通信器件，包括激光器件，它產生光學信號；空間可變濾光材料，它是為至少接收一部分激光器件所產生的光學信號而設置的；至少一個檢測器，其將檢測由空間可變濾光材料接收和濾光的光學信號；以及控制電路系統，它利用所述至少一個檢測器的響應控制激光器件的波長。
2．根據權利要求1的激光通信器件，其中空間可變濾光材料具有隨空間變化的通頻帶。
3．根據上述權利要求中任何一項的激光通信器件，其中空間可變濾光材料和至少一個檢測器是為過濾和檢測來自激光器件背面的光線而準備的。
4．根據上述權利要求中任何一項的激光通信器件進一步包括至少兩個檢測器，這兩個檢測器是為相對空間可變濾光材料分別檢測高于和低于為所述器件指定的中心波長的光線而準備的。
5．根據權利要求4的激光通信器件，其中控制電路系統調諧所述激光器件的波長以便保持來自檢測器的諸響應之間的預定關系。
6．根據權利要求4或5的激光通信器件，其中所述激光器件的輸出功率將根據諸檢測器的綜合響應進行調制。
7．根據上述權利要求1的激光通信器件，其中檢測器相對空間可變濾光材料布局，致使其有效區域在空間上隨著濾光片改變。
8．根據上述權利要求中任何一項的激光通信器件，其中所述器件安裝在模塊內。
9．根據上述權利要求中任何一項的激光通信器件，其中所述激光器件的波長通過控制所述激光器件的溫度得以控制的。
10．根據權利要求1至8中任何一項的激光通信器件，其中激光器件的波長通過控制激光器件的腔內光柵得以控制的。
11．根據上述權利要求中任何一項的激光通信器件，其中檢測器包括線性的電荷耦合器件。
12．根據上述權利要求中任何一項的激光通信器件，其中所述激光器件是受信息信號調制的激光二極管。
13．根據權利要求1至11中任何一項的激光通信器件，其中激光器件是放大器。
14．根據權利要求13的激光通信器件進一步包括調制放大器輸出幅度的調制器。
15．根據上述權利要求中任何一項的激光通信器件，其中空間可變濾光材料具有隨空間變化的透射通頻帶。
16．根據上述權利要求中任何一項的激光通信器件，其中空間可變濾光材料具有隨空間變化的反射通頻帶。
17．一種激光波長監視系統，包括激光二極管，它產生光束；空間可變濾光材料，它是為至少接收一部分激光二極管所產生的光束而準備的；檢測器，它將檢測經過空間可變濾光材料接收和濾光的那部分光束；以及電路系統，它利用檢測器的響應監視激光二極管的波長。
18．一種波分多路復用激光通信系統，包括眾多信道子系統，每個子系統包括激光二極管，它是根據對輸入信號的響應進行調制的，以便產生光學信號；空間可變濾光材料，它是為至少接收激光二極管所產生的部分光學信號而準備的；至少一個檢測器，它將檢測被空間可變濾光材料接收和透射的光學信號；以及控制電路系統，它利用諸子系統中檢測器的響應控制激光二極管的光信號的波長。
19．根據權利要求18的激光通信系統，其中來自諸子系統的光學信號被耦合到一根光纖中。
20．根據權利要求18的激光通信系統，其中空間可變濾光材料是諸子系統共享的。
21．根據權利要求18的激光通信系統，其中控制電路系統調諧激光二極管的波長以便保持對于相應的二極管諸檢測器的響應幅度之間的預定關系。
22．一種控制激光通信系統的方法，包括根據輸入信號調制激光器件，以便產生光學信號；用空間可變濾光材料至少將激光器件產生的部分光學信號濾除；檢測濾光后的光學信號；以及根據濾光后的光學信號控制激光器件的波長。
23．根據權利要求22的方法，進一步包括為對來自激光器件背面的光學信號進行濾光而準備的空間可變濾光材料。
24．一種監視激光系統波長的方法，包括通過調制激光器產生光束；用空間可變濾光材料至少將激光器產生的部分光束濾除；檢測濾光后的光束；以及根據濾光后的光束監視激光器的波長。
25．一種校準波分多路復用光學通信系統的方法，包括把眾多信道子系統安裝在系統模塊中，這些信道子系統將產生不同的波長調制的光學信號；用空間可變濾光材料至少將諸信道子系統產生的部分光學信號濾除；以及根據濾光后的光學信號校準各個信道子系統的波長。
26．一種激光通信器件，包括激光放大器，它產生亮度增強的光線；調制器，它依據信息信號調制所述光線；刻痕可變的濾光材料，它是為將光線反饋到激光放大器中產生頻率變窄的操作而準備的。
全文摘要
這項發明揭示了一種受反饋控制的激光二極管通信器件,該器件通常包括對輸入信號作出反應產生給輸入信號編碼的光學信號的激光二極管。但是,通頻帶可隨空間變化的濾光材料是為(優選從背面)至少接收一部分激光二極管所產生的光學信號準備的并且至少使用一個檢測器來檢測經這種濾光的光學信號。然后,控制電路系統根據檢測器(或檢測器組)的響應控制激光二極管的波長,以便提供反饋控制。因此,該器件可應用于保持在波分多路復用系統中找到的密集信道間隔。
文檔編號H04B10/28GK1280723SQ98811567
公開日2001年1月17日 申請日期1998年11月24日 優先權日1997年11月26日
發明者弗蘭西斯·L·利爾德, 司考特·巴若斯, 伊亞·米爾曼 申請人:鐳射通公司