具有集成的马赫-曾德尔调制器的可调节u激光器发射器的制造方法
【专利说明】具有集成的马赫-曾德尔调制器的可调节U激光器发射器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求提交于2013年1月2日的美国临时专利申请号61/748，415的权益，其内容通过引用完全并入此处。
【背景技术】
[0003]目前以光纤为基础的网络使用收发器作为电子器件和在光纤上以及网络中的其它点处传播的光学信号之间的接口，在所述收发器处信息在电子形式和光学形式之间转换。收发器的两个关键子系统是光学发射器和光学接收器。由光学发射器发射的以及在一些情况下用在光学接收器中的光的波长是用于设计、构造和操作光纤链路、传输系统和网络的重要参数。目前的光纤发射器和一些相干光学接收器主要使用发射波长固定的光的激光器。采用能在电子控制信号或一组信号的控制下调节发射光波长的激光器解决很多目前很多使用固定波长的发射器和接收器的链路和网络的问题。另外，可宽泛调节波长的半导体激光器(可以在大的波长范围上调节)是目前及未来的光学通信系统和网络的关键，以减少设计、建造、操作和维护这样的链路和网络的成本并增加这样的链路和网络的灵活性。使用可宽泛调节的激光器而不是固定波长激光器具有很多优势，即，一个激光器可以被用作构造使用多个波长的网络的建造材料的单个部件号，或者用于替换本领域的许多不同波长激光器的一个，而不是需要为每个波长库存备用的激光器。可宽泛调节通常指的是相对于操作的波长λ的大的调节范围Δ λ，使得Δ λ/λ可以尽量地大。例如，在λ = 1550nm的通信系统中，大约20nm到超过lOOnm的Δ λ调节会被认为是对目前应用而言的可宽泛调节。可调节激光器也允许设计传输或光学网络系统的更大灵活性，潜在地降低计划和扩建网络部署的阶段的成本。为了使可调节激光器和可调节光学发射器的成本、功率和尺寸或密度有效率，使用类似半导体的单片衬底将可调节激光器与相关联的发射器元件或接收器元件的子集或全部进行单片集成是被需要的并且也导致改进的性能和可靠性，全部是目前的光纤通信系统和网络中的关键因素。
[0004]集成的可宽泛调节激光器通常由多个段组成，一般包括增益段、可调节相位段和可调节反射镜段，而在一些设计中可调节滤波器段也被并入。调节这些段的物理参数使用电控制信号、热调节或一些改变折射率或激光元件的其它性质的其它机制来达成，并且导致对输出激光波长的调节。将激光器与额外的元件集成以执行与波长调节相关的关键功能是希望的，例如功率监控器和光学放大器以增大信号功率并且用光功率增益控制回路维持恒定的功率，同时波长与元件一样被调节以控制元件将可调节的波长(或频率)锁定在希望的稳定性和准确度或者预设标准的频率网格。一类可调节激光器利用具有周期性反射峰(波长或光学频率是周期性的)的反射镜，其中两个反射镜反射周期不由相同的周期隔开，并且当每个反射镜的峰之一重叠(已知为游标效应)时达成调节，而激光光学发射主要发生在反射镜反射峰重叠的波长处。激光器腔内的光学增益与反射镜反射率峰和重叠的调节波长的位置恰当地对齐也是必要的，目的在于确保在希望的波长处的发射。测量、表征、监测和控制增益和反射镜的技术对实现实际的可调节激光器和发射器(可以低成本地制造)是关键的。游标效应已提供输出光波长的质量方面的卓越的性能特性并且可以用各种反射镜结构(包括取样的光栅反射器、耦合的环形谐振器等等)来达成。性能特性(对波长划分多路复用应用和高性能链路是关键的)包括单频率(波长)模式操作，其中单频率的质量由类似边模抑制比(SMSR)的参数定义，而在采用相干传输的情况下，由激光器输出的线宽定义。在可宽泛调节的激光器中，激光器必须在数十个纳米的范围之上被调节(例如30纳米到40纳米)以覆盖用在工程和操作波长多路复用光纤链路中的传输带(例如C带)，而在其它情况，40nm到lOOnm上以及超过lOOnm的调节是希望的。在现有技术中，可调节激光器一般被设计使得可以从多个激光器反射镜之一(主要输出镜，其连接到额外的元件和光纤)抽取最大功率。例如在发射器中，这些额外的元件包括光学放大器、光学调制器、光学波导和监测光电二极管、波长锁定光学器件和光纤。在接收器中，耦合到可调节激光器的主要输出的这些元件可以包括光学放大器、光学混合器、光电二极管和光纤。在现有技术中，从反射镜中的一个抽取最大光功率(以使进入调制器、光纤或其它元件中的功率最大化)的要求导致反射镜设计和整体激光调节设计和激光特性的折衷。例如，来自主要反射镜的最大功率输出需要主要输出反射镜的峰反射镜反射率的减小。这导致激光器性能的折衷，包括边模抑制比(SMSR)的减小以及波长调节选择性、波长稳定性和可能的激光器线宽的减小。周期性波长反射峰的平坦度(或慢滚降)是达成宽范围的可维持性的另一个重要参数。优化这些参数以及其它参数对达到光链路和网络的性能要求是关键的，同时提供低成本、低功率、小尺寸和高可靠性的可调节激光器和发射器。
[0005]对通信应用而言，希望通过将可调节激光器与光学数据调制器集成来做成更高级别的构建块(被称为可调节光学发射器)。不同的光学数据调制器可以取决于性能和应用来使用，并且一般落入非相干的和相干的分类。这两个组件(潜在地与其他组件)的集成导致成本、尺寸、每个晶片的产量、发射器功率耗散的降低和增加的传输的输出功率以及其他希望的光传输性质。可宽泛调节的激光器与光学数据调制器的单片集成可以在同一个共同半导体衬底(如磷化铟或硅)上来实现。其它类型的激光器调制器的集成利用混合集成技术，其中激光器、光学放大器和数据调制器被放置在共同的波导通信衬底或者由适合的材料(如玻璃、硅或氮化硅)组成的内插器。
[0006]当构造相干的光学通信系统时，希望还将可调节激光器集成到光学接收器中并且如果可能的话将相干的光学发射器和光学接收器集成到一起。
[0007]可调节激光器设计和光学数据调制器设计的选择对可调节发射器和接收器的生产和表征过程是重要的，确定了作为结果的波长可调节发射器将如何在光纤链路中或网络中表现，以及激光器和调制器可以多好地集成以降低成本、功率耗散、尺寸而不牺牲可靠性，并且还维持需要的系统性能。另外，可调节激光器设计的选择对相干的光学接收器的集成和可调节光学接收器和发射器集成在一起是重要的。
[0008]单片集成的可宽泛调节的激光器更加成功地利用前反射镜和后反射镜、增益段、相位调节段和功率测量电极的线性布置。其它设计将反射镜布置成Y分支，具有共同的输出波长、相似的反射镜、增益段和相位段调节元件。所述Y分支配置已利用了取样的光栅反射镜(如线性设计或环形谐振器)作为激光器的Y段中的反射镜，以及位于Y的单臂部分上的主要光学发射输出处的宽频带非可调节的反射器。两个设计都可以包含额外的光学滤波器元件(其也可以是可调节的)。
[0009]对于数据调制器，半导体马赫-曾德尔调制器(MZM)是优选的调制器设计，原因在于将其与可调节激光器、光学数据调制特性、低电驱动电压要求、紧凑的尺寸和可编程的传输特性集成的能力。在现有技术中，集成的发射器通过耦合来自主要激光器输出反射镜(经由单波导到调制器输入的较高的输出功率反射镜)的光来制造。在MZM的情况下，调制器输入分成两个光学波导路径(被称为臂)，并且然后组合到共同的数据调制的输出波导和次要波导(其可以被用于光学监测)。通过用电子数据信号经由电极或互联驱动MZM路径(臂)之一或二者来把数据调制到可调节激光器输出上，该电子数据信号影响MZM波导的物理性质。该现有技术的方式(其中到MSM的输入需要功率被分割)导致性能折衷、设计折衷和对制造和环境变化的增加的敏感性。发射器特性(其是需要的并且导致折衷)的例子包括宽的激光波长调节范围上的操作和需要的温度和环境条件的范围、激光器啁啾、调制器驱动电压和光学数据消光比、输出功率和信噪比。
[0010]现有的利用单个主要反射镜输出和集成的激光器MZM发射器的可调节激光器存在多个问题。对于激光器，这些问题包括例如光学频率输出质量、在生产环境中测量反射镜和激光器输出特性的难度、昂贵的和复杂的激光器输出表征以及编程方法以及增加的成本和可靠性及测试的复杂性。当激光器和调制器被集成时，与现有的利用直接或者通过其他光学元件连接到MZM的单个主要输出反射镜的可调节激光器相关的问题包括非平衡的功率分割，其由于制造公差、温度或其它环境或制造的变化而发生在如功率分割器之类的元件中。
[0011]因此，存在对可调节激光器的需要，其以可制造的方式简化表征、测试和校准并且与集成的光学数据调制器结合在一起工作，所述光学数据调制器能够用最小的设计、操作和可靠性折衷来达成优化的操作和传输性能。
【发明内容】
[0012]根据本发明，提供一种单片集成的激光器包括集成的双发射激光器，其具有第一光学发射和第二光学发射。集成的双发射激光器的第一光学发射和第二光学发射二者与调制器或其它光学设备进行光学通信。集成的双发射激光器与光弯曲段(诸如U形状的形式的波导)、一组全内反射(TIR)镜、或者具有两个或更多激光增益段的集成的双发射激光器一起形成。
[0013]优选地，集成的双发射激光器的第一光学发射和第二光学发射更有效地使用产生的光发射(单输出激光器)，并且调制器或者其它光学设备不使用多模式干涉功率分割器/親合器或其它分割器/合成器。
[0014]在其它优选的实施例中，调制器具有两个臂路径，并且与集成的双发射激光器的波长距离差导致引入两个臂路径之间的差分相移的优势。
[0015]在其它优选的实施例中，集成的双发射激光器与光弯曲段形成，所述光弯曲段包括一组全内反射(TIR)镜，而两种反射镜的反射特性都是在调制器输出的输出处可测量的。
[0016]在其它优选的实施例中，集成的双发射激光器具有有角度的波导，其用于使光发射面处的反射最小化，并且减小对光发射输出处的防反射涂层的需要。而且，优选地，集成的双发射激光器是可调节的谐振环形激光器、Y激光器或者两个振幅和相位锁定的可调节激光器之一。
[0017]根据另一个实施例，提供一种单片集成的激光器，其嵌入两个调制器之间。根据此实施例，提供具有第一光学发射和第二光学发射的集成的双发射激光器，其中集成的双发射激光器的第一光学发射与第一调制器进行光学通信，而第一调制器与第一输出进行通信。集成的双发射激光器的第二光学发射与第二调制器进行光学通信，而第二调制器与第二输出进行通信。在优选的实施例中，第一调制器或第二调制器的一个是相干的嵌入调制器。
【附图说明】
[0018]本发明的这些及其它特征、方面和优势将通过下列说明、权利要求和附图变得更好理解，其中:
[0019]图1是示例性的现有技术设备的概要例示，所述现有技术设备具有多段单片集成的可调节激光器，其中光从主要反射镜输出导出；
[0020]图2是示例性的现有技术设备的概要例示，所述现有技术设备具有可调节激光器与MZM光学调制器的集成；
[0021]图3是根据本发明的一个实施例的可调节U激光器和调制器的概要例示；
[0022]图4是来自根据本发明的U激光器的两个激光器面的平衡的光发射的周期性反射镜反射设计的图形表示；
[0023]图5是根据本发明的另一个实施例，图3中示出的可调节U激光器和调制器的概要例示，示出了 U激光器中的弯曲的波导U弯；
[0024]图6是根据本发明的另一个实施例，图3和图5中示出的可调节U激光器和调制器的概要例示，示出了 U激光器的上段和下段二者中的激光器增益段；
[0025]图7是根据本发明的另一个实施例，图3中示出的可调节U激光