专利名称：宽带锁模激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光通信设备并且，更确切地说，涉及光通信系统中使 用的光源。
背景技术：
现代光通信系统使用波分多路复用(WDM)信号在通信节点之间传 输信息。在这样的系统中WDM信号的产生依赖于能够产生适当的多波 长(频率)电磁辐射的光源。 一种这样的光源是半导体锁模 (mode-locked, ML)激光器，其实用性归功于它相对小的尺寸、高功 率、低噪声以及低成本。然而，现有技术的半导体ML激光器的普遍问 题是，由这种激光器提供的波长(光谱带宽)其典型范围相对窄，例 如，大约20纳米(nm)。发明内容根据本发明的原理，通过具有光学空腔的锁模激光器解决了现有 技术的问题，其中光学空腔包含了 (i)多个光放大器，每个专用于由 该激光器生成的光信号的相应光谱部分，(ii )用于管理腔内色散效应 的装置，以及(iii )损耗调节元件。光学空腔色散效应可通过使用每 个这种光谱部分的分离的腔内相位调谐器来管理，和/或通过适当配置 的对应于不同光谱部分的波导来管理。有利地，由光放大器提供的相 对宽的组合增益光谱和由所述相位调谐器和/或波导提供的腔内色散补 偿，使这个激光器能够实现锁模状态，使得发射出具有相对宽(例如， 倍频程宽度)频谱的光脉冲串。在一个实施例中，本发明的锁模激光器的光学空腔具有最佳光谱 取样的阵列波导光栅(AWG),其具有多个重叠的光通带。对于每个通 带，光学空腔具有与专用相位调谐器串行连接的专用的光放大器。每 个光放大器适用于为相应的光通带提供光增益，且各个相位调谐器适 用于主要在所述光通带内提供色散补偿。所述光学空腔还具有耦合到4AWG的调制元件，且适用于在所述腔内调制光损耗，以便光脉冲串被发 射。
图1A-B说明了有代表性的现有技术的锁模(ML)激光器； 图2A-B说明了根据本发明的一个实施例的ML激光器；以及 图3示出了根据本发明另一实施例的ML激光器。
具体实施方式
在此提到的"一个实施例，，或"实施例"意味着与所述实施例一 起描述的独特特点、结构或特性可被包含在本发明的至少一个实施例 中。在说明书的不同位置出现的短语"在一个实施例中，，不必都涉及 相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的分离或替换的实施例。锁模是一种从称作锁模(ML )激光器的激光器获得超短光脉沖的方 法。ML激光器的光学空腔包含主动的调制元件(例如，光调制器)或 者非线性的被动调制元件(例如，可饱和吸收体)或者二者都有，这使 得一个或多个在激光空腔中循环的超短波脉冲得以形成。每次循环脉 冲击中输出耦合器(例如，部分透明的反射镜)，光就从激光器发射， 从而生成光脉冲串。脉冲串中的脉冲重复速率(通常在千兆赫范围)由 空腔来回时间和空腔中的脉冲数量决定。脉沖串中的每个脉冲的持续 时间由光调制器和/或可饱和吸收体的特性决定，且通常落入毫微微秒 (femtosecond)到微微秒(picosecond)时间范围。主动锁模(例如，使用声光或电光调制器、Mach-Zehnder集成光 学调制器、或半导体电吸收调制器)生成光脉沖，其与驱动调制器的信 号同步。为达到稳定的运行，设计整数倍数的驱动信号周期以便充分 匹配空腔中的来回时间，以避免强烈的定时抖动或者甚至于混沌的激 光发射行为，这可能由两个这样的参数之间严重的失配而造成。具有可饱和吸收体的被动锁模通常导致相对于通过主动锁模所获 得的光脉冲更短的光脉冲，因为被动可饱和吸收体相对于主动光调制 器来说可以更快地调制空腔损耗，假如可饱和吸收体具有足够短的恢 复时间。此外，如果遵守特定的设计方针，甚至可以获得比可饱和吸 收体的恢复时间还短的脉冲持续时间。用于被动锁模的可饱和吸收体可以是真实的吸收体器件或人造的可饱和吸收体，例如，那些基于克尔(Kerr)透镜锁模或附加脉冲锁模的可饱和吸收体。混合锁模通常包含主动和被动锁模的一些组合，并且通常在单块 半导体激光器中使用。虽然混合锁模增加了激光器整体结构的复杂 性，但提供了取得期望激光特性的灵活性，并且提供了主动和被动锁 模二者技术的优点和好处。由ML激光器生成的脉沖串的光谱由彼此分离实际上等于脉冲重复 速率的恒定频率间隔的分立谱线组成。因而，ML激光器的光谱通常被 称作光频率梳。频率梳的总谱宽由增益谱以及腔内色散和非线性的效 应决定。例如，由于色散效应，如在光增益介质中，空腔模式的谐振 频率通常不是严格等距离的。然而，所述锁模机制强制激光器发射在 等距离的同时可以在某种程度上偏离这些谐振频率的频率。尽管如 此，频率偏离不会是任意高的，并且只有当有效的腔内色散足够小 时，才可获得宽带谱，因此谐振频率实质上等距离且足够接近相应的 梳状频率。在时域中，这种情形可通过由色散引起的脉冲的时间上的 加宽来理解，其主要是由锁模机制来补偿的。光学非线性起重要的作 用，因为它们影响时间上的加宽，并且同样影响谐振频率和梳状频率之 间的关系。图1A-B说明了有代表性的现有技术的ML激光器100,其由M. J.R. Heck， P. Munoz， E. A. J.M. Bente等在"Simulation and Design'of Integrated Pulse Shaping Components for Femtosecond Modelocked Ring Lasers"中公开，其发表于第12界欧洲集成光学会议(2005, ECIO， 05)的会议论文集，其教导将在此通过引用而合成一体。特别 地，图1A是激光器100的电路图，图IB图示了在所述激光器中使用的 阵列波导光栅(AWG) 108a-b的通带特性。激光器100表现了现有技术 通过划分发射光谱并为每个光谱部分提供分离的增益元件以增加激光 器带宽的努力。参看图1A，激光器100是环形腔激光器，使用通过插入环形腔的 可饱和吸收体(SA) 102实现的被动锁模来运行。光脉冲可以在激光器 100的环形腔中以顺时针方向和逆时针方向循环。顺时针循环的脉沖经 由输出耦合器104被耦合到输出波导106a。类似地，逆时针循环的脉 冲耦合到输出波导106b。激光器100的增益介质包括多个被置于两个AWG 108a-b之间的半 导体光放大器(SOA) 110,具有AWG 108a-b的目的之一是实现所谓的 "呼吸模式"配置，其中在进入到SOA之前光脉冲被展宽，然后被再 压缩。例如，对于顺时针循环的脉冲，因为AWG 108a的每个通带限制 相应于各个SOA 110的光谱带宽并且因此增加了该SOA中的脉冲宽度， 因此得到了展宽。来自不同的SOA 110的放大了的信号在AWG 108b中 重组，在AWG 108b中这些信号互相干扰使得所产生的组合信号包含相 对窄的压缩脉冲.关于呼吸模式配置的更多细节可在例如B. Resan和 P. J. Delfyett的、发表于IEEE Journal of Quantum Electronics, 2004，vol.40，No.3，214-221页 的"Dispersion-Managed Breathing—Mode Semiconductor Mode-Locked Ring Laser: Experimental Characterization and Numerical Simulations" 中找 到，其教导在此通过引用而合成一体。图IB示出了 AWG 108中两个相邻的通带118和128的透射特性。 每个通带118和128基本上具有高斯形状，高斯形状的中心频率之间的 光谱间隔大约是200GHz。 AWG 108的其他通带(未在图IB中示出)相 似地被置于200GHz光栅上并且具有与通带118和128的那些透射特性 相似的特性。要注意的是通带118和128的交点具有大约30dB的衰减 量。结果，AWG 108的总透射光镨具有深零位，每个零位都位于相邻高 斯形状的中心频率之间的半程。该透射光谱的一个结果是，激光器IOO 可以通过空腔模式选择，每通带仅支持一根频率梳线，如图IB中的纵 向实线所指示的。因此，为获得稳定的锁模，激光器100应当在通带 间距和空腔长度之间具有固定的关系。更特别地，在优选的配置中， 激光器100中的通带间距是空腔长度的整数倍(当空腔长度被表示为 Hz)。例如，200GHz的通带间距，可接受的空腔长度是40GHz，这导致在每个方向上有五个激光脉冲在空腔中循环。激光器100的一个问题是，由于SOA 110中的自相位调制，激光器 的结构非常分散，这导致通过不同SOA的光信号具有不同的有效光程 长度。因此，只有相对窄的锁模状态可被用于激光器IOO。此外，自相 位调制限制可获得的脉冲持续时间，并且附加的腔外色散补偿元件被 用于生成毫微微秒脉冲。 一个代表性的腔外色散补偿器可包含一对附 加的AWG,其中在这些AWG之间耦合多个相位调制器。这些腔外色散补偿元件的增加使得整个激光器结构明显变得复杂，但仍然不能改善激
光器100的锁模状态，其仍然保持相对地窄。
图2A-B说明了根据本发明一个实施例的ML激光器200。更特别 地，图2A是激光器200的电路图，图2B图示了在所述激光器中使用的 AWG 208a-b的通带特性。由下面的描述将变得清楚的是，激光器200 可以有利地具有一个相对宽的(例如，倍频程)光谱带宽，同时对于建 立期望的锁模状态而言非常灵活。
参看图2A，激光器200是一个环形腔激光器，使用由位于环形腔 中的可饱和吸收体(SA) 202和光调制器(OM) 222实现的混合锁模来 运行.OM 222被配置为由驱动器224驱动，其提供对应于激光器200 的空腔长度的适当的驱动信号。在一个实施例中，可饱和吸收体202 可从激光器空腔省略以实现完全的主动锁模。在另一实施例中，光调 制器222可同样从激光器空腔省略以实现完全的被动锁模。激光器 200可被设计为具有相对短的空腔长度，以支持相对高的脉沖重复速率 (例如，lOGHz)且生成适当间隔的频率梳线，以适用于期望的高数据 传输速率。
光脉冲可在激光器200的环形腔中以顺时针或逆时针方向循环。 顺时针循环脉冲经由输出耦合器204耦合到输出波导206a。逆时针循 环脉沖相似地被耦合到输出波导206b。在一个实施例中，在相应的一 个波导206a-b从激光器结构中省略时，方向光隔离器(未在图2A中示 出)可被用于抑制顺时针或逆时针循环的脉冲。
与激光器100(图l)类似，激光器200实现了一种呼吸模式配置。 特别地，对于顺时针循环的脉冲，由于AWG 208a中的带通滤波，脉冲 展宽得以实现，以及通过AWG208b中的光谱分量再组合，脉沖压缩得 以实现。对于逆时针循环的脉冲，脉冲展宽和压缩可以通过AWG 208的 相对于顺时针循环脉冲所起的作用相反的作用类似地获得。
图2B示出了根据本发明一个实施例的AWG 208的透射特性。AWG 208的通带在图2B中仅示出了三个(218， 228和238 ),其被设计为 使得AWG的整体透射光谱是基本平坦且无波紋的，如实线240所指示的 那样。例如，AWG 208中的通带形状使得相邻两个通带的交点，例如通 带218和228的交点，具有大约3dB的衰减量。由此AWG 208与AWG 108 (图l)有显著的不同，例如，因为AWG 208不具有位于相邻通带之间的相对深的透射零位(transmission null) 。 AWG 208a-b相对平的透 射光谱的一个结果是，激光器200能够支持每通带多个梳状线，如图 2B中纵向实线所指示的，其中至少一些，也可能是全部的梳状线在不 同的相邻通带之间共用。与AWG 208a-b类似的AWG有时被称作"高度 光谱取样，，的AWG。允许极佳的平坦光谱的取样数量被称作最佳光谱取 样。当取样增加到超过所述数量时，光谱保持充分平坦。最佳光谱取 样的AWG的几个例子，包括它的波导电路实现，可在例如美国专利 No. 6， 603， 898以及C, R. Doerr、 R. Pafcheck和L. W. Stulz的，出版 于 IEEE Photonics Technology letters,2003，vol.15，No.8，第 1088-1090 页的论文 "Integrated Band Demultiplexer Using Waveguide Grating Routers"中找到。这两篇文献的技术都在此通过 引用合成一体。为了简要概括那些技术，如果AWG的输出波导的间隔 是6微米，那么光栅区域所占据的孔径角将小于A/b (其中X是波 长)以便比最佳光取样更优或更高。
AWG 208a-b使激光器200能够实现下面至少三个功能的一个或更 多个
1. 乂^潜_^*^。光信号的不同光谱部分具有他们各自的、以耦 合到AWG 208a-b的相应部分的各专用的S0A 210为形式的增益池。增 益的光谱形状可通过适当配置不同的SOA210来控制，以便允许整个增 益谙的人为加宽，以及梳状线数量的增加。
2. ^我^A偿。将光谱分成多个较窄的光谱部分允许使用位于AWG 208a-b的相应部分之间的不同专用相位调谐器(PT) 212来进行独立的 光语相位匹配。如上所述，S0A中的自相位调制产生信号色散，其数量 对于每个通带是不同的。同样，材料和波导特性产生了额外的色散。 每个专用相位调谐器212为相应的通带提供色散补偿，而所有的相位 调谐器212—起为激光器200的全部带宽提供有效的色散补偿。比激光 器100 (图1 )更有利的是，激光器200的腔内色散补偿与相对宽的增 益曲线结合使该激光器能够具有相对灵活的和宽的可调整锁模状态。
3. *##4'^减>、。如前面已经提到的，AWG 208a, b之中的 带通滤波展宽了进入每个个别SOA210的光脉沖，并且因此减少了每个 SOA中的光脉冲所经历的非线性的不利作用。所述非线性抑制有利地改 善了脉冲串特性。在一个实施例中，连接AWG 208a-b的相应端口的波导被设计为具 有基本相等的光程。所述波导配置有助于获得适合的锁模，因为对应 于AWG不同通带的不同光语部分经历相同的有效空腔长度。从而，在 该实施例中，相位调谐器212被设计为具有相对宽的相位调谐范围， 以便为光信号的相应的光谱分量提供适量的色散补偿。
激光器200的这个实施例与激光器100的不同，因为激光器100能 被锁模，即便由于每通带其仅具有一根空腔模式线的事实导致了相对 大的光程长度差别(参见图1B)。由此激光器100 (图1)不具有实质 上相等的光波导长度，也不具有基于腔内色散效应而选择的波导长度 差别。与之相反，激光器200中每通带具有多个空腔模式线(参见图 2B)，为获得锁模，腔内色散效应通过使用相对小的和/或特殊的在不 同的光谱分量之间的光传送长度差来进行管理。
在另一实施例中，连接AWG 208a-b的相应部分的波导被设计为具 有不同的光程，该光程差别与不同通带相对应的腔内色散量有关。该 实施例使得可以使用的相位调谐器212具有相对窄的相位调谐范围， 因为(i )波导长度差用来提供光信号相应的光谱分量之间的固定相移， 以及(ii)由于对每个通带来说加入各个相位调谐器212的波导长度差 和可调整的相移所导致的固定相移的组合，提供适量的色散补偿。
在又一实施例中，激光器200被设计为生成一个梳状线的光谱不 变集，也就是，不可调的。在这个特定实施例中，至少一些，可能是 全部的相位调谐器212可从激光器结构中省略。连接到AWG 208a-b的 相应部分的波导被替换设计为具有提供光信号相应的光谱分量之间的 适当相对相移的波导长度差，其具有实际上为激光器生成的光信号提 供色散补偿的净效应。例如，在一种配置中，任意两个波导之间的波 导长度差实质上等于各个通带之间的色散量差乘以波长差再乘以空腔 内的群速。
图3示出了根据本发明另一个实施例的ML激光器300。激光器300 总的来说与图2的激光器200类似，两个激光器的相似元件用后两位数 字相同的标记表示。然而，激光器200和300之间的一个差别是，后者 具有一个"线性，，空腔，与前者的环形空腔在形状上相反。更特别 地，激光器300的空腔由两个镜面定义，也就是，高度反射镜330和部 分透明镜340。在一个实施例中，镜面330和340通过对半导体晶片的劈开边沿进行适当涂覆而形成，激光器的结构构成于该半导体晶片
中。尽管激光器300以被动锁模实现示出，本领域技术人员容易理解 该激光器还可以以主动或混合锁模方式实现。
由于激光器300的线形腔，AWG 308在每个空腔内的往返行程期间 被穿过两次。例如，由镜面340反射的光脉冲通过SA 302并笫一次穿 过AWG 308。此时就顺时针循环脉冲而言，激光器300中的AWG 308执 行类似于激光器200中的AWG 208a所执行的功能。由AWG 308生成的 脉冲的每个光谱分量然后穿过各自的PT 312和SOA 310，被镜面330 反射，再次穿过SOA 310和PT 312，并重新进入AWG 308。此时就顺时 针循环的脉冲而言，AWG 308执行类似于AWG 208b所执行的功能。重 组的光谱分量形成一个脉冲，其穿过SA 302到达镜面340，从而完成 激光空腔内的环绕行程。需要注意的是，在激光器300中，每环绕行 程光脉冲通过每个SOA 310和每个相位调谐器312两次，与之相对的在 激光器200中通过每个SOA 210和每个相位调谐器212 —次。由此SOA 310和相位调谐器312可被设计为分别具有比SOA 210和相位调谐器212 更低的放大率和相位调谐范围。
激光器200和300中的任一个可被配置为作为具有受控的载波包络 偏移(CEO)相位的锁模激光器，例如与美国专利No. 6, 850, 543中描 述的锁模激光器相似，该文献的教导在此通过引用而与本发明合成一 体。简单地说，具有CEO相位控制的锁模激光器被设计为产生一串超 短脉冲，每个脉冲具有相应于几个(例如，少于10个)电磁载波振荡 周期的持续时间。在这样短的持续时间，脉冲包络和栽波之间的相对 相移影响了在激光器所生成的频率梳中的线的光谱位置。具有CEO相 位控制的锁模激光器的一个特性是，允许对相移的可靠控制，使得频 率梳可关于固定频率光栅校准。
由具有CEO相位控制的锁模激光器生成的脉冲串中的脉冲间相位 演化主要归因于在锁模激光器空腔内部的群和相位速度不一致。激光 器200和300允许对激光空腔内群和相位速度的独立的、精确的控制， 并且因此可以控制激光器产生的频率梳的光谱位置的可调性。例如， 在激光器300中，为调整空腔中环绕行程的群延迟，以相同的量调整 所有相位调谐器312。然后为调整空腔中环绕行程的群速度色散，以在 不同的相位调谐器之间以线性方式增加(减少)的适当的量调整每个相位调谐器312。
激光器200和300的每个可以使用单个晶片以单块结构制造的方式 来实现，如本技术领域所公知的那样。可被用于激光器200和300的生 产过程的代表性生产步骤例如描述在上述的'898专利以及美国专利 No. 5, 373, 517、 No. 6， 031， 859和No. 6, 031, 851，这些专利的教导在 此通过引用被结合成为一体。传统的半导体材料，例如InP/InGaAsP， 以及量子点材料都可被用于制造过程。
虽然本发明已根据说明性的实施例进行描述，而说明书不应以限 制的目的进行解释。虽然本发明的实施例已根据AWG进行描述，他们 同样可以使用任何适合的光交换结构(0SF)来实现。所描述的实施例 的各种改变，就像本发明的其他实施例，对于本发明所属技术领域的 技术人员来说是显而易见的，所述改变被认为在本发明的原理和范围 内，如随后的权利要求书所表达的那样。
虽然随后的方法权利要求中的步骤，即便是，用相应的标记以特 殊的顺序来陈述，除非权利要求有记叙，否则意味着是用于实现一些 或全部的那些步骤，那些步骤不必规定为限制要以所述特殊的顺序来 实现。
权利要求
1.一种具有光学空腔的激光器，包含光放大器件，能够分别放大激光信号的多个光谱分量的每个光谱分量；色散管理器，适合于为该激光信号充分提供腔内色散补偿；以及损耗调制元件，光耦合到光放大器件和色散管理器，其中光放大和损耗调制为从空腔发射光脉冲串创造条件。
2. 根据权利要求1的发明，进一步包含由多个通带表示的第一光交换结 构(0SF),该第一光交换结构适于将激光信号划分为所述多个光谱分量，其 中每个光语分量对应于所述第一 0SF的相应通带。
3. 根据权利要求2的发明，其中该第一 0SF包含具有第一端口和多个第二端口的阵列波导光栅(AWG )， 其中每个第二端口被光电耦合到该第一端口以形成所述AWG的各个光通带； 每个光程包含耦合到该第一AWG的相应第二端口的波导；并且 该光放大设备包含多个光放大器，每个光放大器耦合到相应的波导。
4. 根据权利要求3的发明，其中所述色散管理器包含多个相位调谐器， 每个相位调谐器耦合到相应的波导以及相应的光放大器，其中对应不同光程 的波导具有实质上相等的光学长度。
5. 根据权利要求3的发明，其中所述AWG被设计为展示最佳的或比最佳更好的光镨取样；以及 所述通带的组合的透射光谱具有从所述AWG的第一通带的大约中心位置到最后一个通带的大约中心位置的基本上恒定的透射，其中通带的光谱形状使得两个相邻通带的交点具有大约3dB的衰减量。
6. 根据权利要求3的发明，其中 对应于不同光程的波导具有不同的光学长度；任意两个波导之间的长度差是相应两个光谱分量之间的色散量的差的 函数；以及所述波导之间的长度差实质上用来提供腔内色散补偿，其中任意两个 波导之间的长度差实质上等于相应光程中的色散量的差乘以相应通带之间的 波长差乘以空腔内的群速度。
7. 根据权利要求2的发明，其中光脉冲串的频谱具有每通带两个或更多的频率梳线；以及 至少一根频率梳线在两个相邻的通带之间共享。
8. 根据权利要求1的发明，其中该激光器以集成波导电路的形式实现。
9. 一种产生脉冲光的方法，包括分别放大光学空腔中传播的激光信号的多个光谱分量中的每个光谱分量；为该激光信号充分提供腔内色散补偿；以及在空腔内调制光损耗，使得光放大和损耗调制为从空腔发射光脉冲串创 造条件。
10. 根据权利要求9的发明，进一步包含将激光信号划分成多个光谱分 量，其中每个光镨分量对应于不同的光通带；充分提供的步骤包含，使用每个光镨分量的光程调整相应光谱分量的 光学相位，其中对应于不同光镨分量的光程适于充分提供腔内色散补偿；并 且划分的步骤通过使用第一阵列波导光栅(AWG)来实现，其中 该第一 AWG祐j殳计为展现最佳的或比最佳更好的光取样；以及 该通带的组合的透射光谱具有从该第一AWG的第一通带的大约中心位 置到最后一个通带的大约中心位置的基本上恒定的透射。
全文摘要
一种锁模激光器(200)，具有包含多个光放大器(210)的光学空腔，每个光放大器用于由该激光器产生的光信号的相应光谱部分，其中色散效应通过使用分离的腔内相位调谐器(212)为每个这样的光谱部分来管理，和/或通过适当配置的对应于不同光谱部分的波导来管理。有利地，由光放大器(210)提供的相对宽的组合增益谱和由相位调谐器(212)和/或波导提供的腔内色散补偿使这个激光器能够实现锁模状态，导致具有相对宽的频谱的光脉冲串发射。在一个实施例中，锁模激光器(200)的光学空腔具有最佳光谱取样的阵列波导光栅(AWG)，其被配置为将光信号分成多个光谱部分并将这些部分应用到相应的波导、光放大器以及相位调谐器。
文档编号H01S5/10GK101326691SQ200680046099
公开日2008年12月17日 申请日期2006年12月7日 优先权日2005年12月8日
发明者C·R·德尔 申请人:卢森特技术有限公司