专利名称：监视－控制经可变的空间滤光后的激光波长的制作方法
相关的专利申请这项申请是美国专利申请第08／979，204号(1997年11月26日申请)的部分继续申请，在此通过引证将其全部教导并入。
本发明的现有技术为了在不安装新的光纤链路的情况下增加数据吞吐量，正在使用波分多路复用(WDM)系统。这些系统依靠半导体激光器的可调能力来访问光纤传播的大部分光谱。这可能导致数据速率增加一个数量级或者更多。
供这些WDM系统使用的信道间隔标准已经颁布。就光学频率而言，频率间隔是紧张的。就在大约1．5微米(μm)下工作的激光二极管而言，它通常是在100千兆赫(GHz)下工作的；这表现为大约0．8纳米(nm)的最小波长信道间隔。新标准不断出现，在某些情况下它们的信道间隙更狭窄。
为了在WDM系统的各种信道中运行，怎样调谐激光二极管将取决于所用激光二极管的特定类型。分布反馈(DFB)激光二极管是通过改变二极管的温度来调谐的。温度控制通常是通过在激光通信模块的前前后后使用热电冷却器实现的。这些器件利用珀尔帖电-热效应以能够进行电调制的方式吸取热量。法布里-珀罗激光器通过控制它们的温度进行类似地调谐。分布式布喇格(DBR)激光器是通过温度和注入电流(injection current)调谐的。在更宽的范围内调谐是通过改变激光二极管的结构(例如改变光栅频率(grating freqency))来完成的。
为了在这些WDM系统中保持适当的信道间隔，人们已经提出一些解决办法。这些建议通常是依靠精确的工厂校准(例如，在分布反馈激光器中存在着固有的制造变异性所以需要校准)和在安装后依靠手控微调WDM模块的波长来检测和调节因老化和环境影响造成的波长偏移。
本发明的概述本发明涉及对激光二极管系统进行波长反馈控制和／或监视。因此，它特别适合应用于保持在WDM系统中找到的狭窄的信道间隔。本发明在依靠空间可变滤光材料确定或监视激光二极管的波长方面是独特的。这类滤光片基于其紧凑性和可调性提供各种特殊的优点，这有利于用小巧的可调模块实现WDM器件。
一般的说，本发明的第一方面的特点是受反馈控制的激光通信器件。通常，该器件包括激光二极管或激光放大器，它们是受调制的，即根据输入信号调制其输出，以便产生用输入信号编码的光学信号。然而，空间可变滤光材料是为至少接收激光器件所产生的部分光学信号而准备的，而且检测器可以用于检测经过这样滤光的光学信号。然后，监视和控制电路系统可以利用检测器(或检测器组)的响应来确定波长并且有可能提供反馈控制。
在优选实施方案中，空间可变滤光材料具有随空间变化的通频带。另外，低通、高通或狭窄的通频带随空间变化的刻痕滤光材料(notch filter material)可能被替换，透射或反射滤光材料也可能被替换。
此外，检测器并非是绝对必要的。可变的滤光材料可以用于把窄频率反馈提供给在可调的窄频带下运行的放大器。
在优选实施方案中，空间可变滤光材料和至少一个检测器是为对来自激光二极管或放大器背面的光线进行滤光和检测准备的。按照这种方式，该器件可用的总输出功率将不会减少，就该二极管而言基本上取决于自由背面光线(the free rear facetlight)。但是，在其它装置中，可能在空间或周期的基础上或在工厂校准期间对来自正面的光线进行采样。
在第一实施方案中，实际上至少使用两个检测器。这种配置使分别检测波长高于和低于为该器件指定的中心波长的光线成为可能。控制电路系统调整激光二极管的波长以便保持诸检测器的响应幅度之间的预定关系。此外，激光二极管的输出功率可以依据诸检测器的综合响应进行调制和控制。
这个实施方案将在制造该器件时提供某种方便和灵活性。两个检测器的布局将确定滤光输出中的响应交叠点。交叠波长位置的调节方法是改变两个检测器的相对位置，以致响应增强并且改变交叠波长，或者使两者相对中点相等，以致响应增强但交叠波长不变。
但是，两个检测器并非是必不可少的。在第二实施方案中，单检测器是相对空间可变滤光材料安排的，以致其有效区域在空间上随滤光片变化。于是，波长将得到控制，以便保持该检测器的预定响应。
在另一个单检测器实施方案中，使用线性的电荷耦合器件。每个单元代表单独的一个波长间隔。
本发明另一方面的特点是，包括众多信道子系统的激光二极管波分多路复用通信系统。每个子系统都把空间可变滤光材料用在波长反馈控制方案中。
在该系统的某些配置中，空间可变滤光材料是诸子系统公用的，以致一个随空间变化的滤光片被用于多个子系统。此外，检测器阵列(如电荷耦合器件)可以用在多重子系统的控制方案中。
一般的说，本发明的第三方面涉及利用空间可变滤光材料控制激光二极管通信系统的方法。此外，该材料可以用于校准波分多路复用的光学通信系统。
本发明的上述和其它特点(包括各种新颖的结构细节和零件组合)以及其它优点现在将参照附图更详细地予以介绍并且将在权利要求书中一一指出。人们应当理解展示体现本发明的特定方法和器件仅仅是为了说明的目的而不是作为对本发明的限制。在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的原理和特征可以在各种各样的实施方案中使用。
附图简要说明在这些附图中，相同的参考字符指的是遍及不同附图的同一零部件。这些附图并非一定按比例绘制，而是把重点放在图解说明本发明的原理上。
图1是说明依据本发明的结构二极管通信器件的方框图；图2是在本发明的通信器件中滤光片和检测器布局的示意透视图3是通频带中心频率作为由空间可变滤光材料制成的空间滤光片位置的函数的变化曲线；图4是透射光强度随波长变化的曲线，其中空间可变滤光材料处在任意位置X0；图5是检测器的响应作为来自激光二极管的光学信号的函数的变化曲线；图6是图解说明本发明的激光二极管通信器件在激光二极管波分多路复用通信系统中作为信道子系统的装置的方框图；图7是依据本发明的第二实施方案的激光二极管通信器件的方框图；图8是在通信器件的第二实施方案中检测器与空间可变滤光材料的布局平面图；图9是说明使用空间可变反射滤光材料的替代装置的示意方框图；图10是把半导体放大器与刻痕可线性变化的滤光材料用于特殊的波长锁定操作的另一个实施方案；图11是示意透视图，其中空间可变滤光材料是利用模块中的致动器调谐的。
本发明的详细描述图1是按照本发明的原理构成的激光二极管通信器件100的方框图。通常在这些器件中，激光二极管110在其部分反射或不反射的正面114产生光学信号112。在一个实施方案中，激光二极管是分布反馈激光器，它是在围绕着1．5μm的范围内可调谐的。
根据对信息信号118的响应调整激光二极管的注入电流，借此使信息通过编码进入光学信号112。具体地说，注入电流控制器116(它通常在通信器件100的外面)接收信息信号118并且反馈来自器件100的功率误差信号120。控制器116调整激光二极管110的注入电流以便给信息信号编码和保持预定的最低光强度输出与该器件的损坏门限和用户设计要求一致。
应当注意，本发明还应用于其它调制激光系统。例如，在替代实施方案中，该激光器可以用激光二极管和离散型调制器来代替。通常，在这种系统中极少按连续振荡模式(a cw mode)运行，而是把信息信号提供给该调制器。
光学信号112是通过光纤10传输的，其中光纤10通常在通信器件100的外面，或者是作为光纤引出端被连接的。在典型的实施方案中，准直透镜122和耦合透镜126用于把光学信号112耦合到光纤中以便传输。光隔离器124(它通常包括两个偏振片和一个居间的法拉第旋转器)被用于提供隔离。但是，可以用其它耦合系统来取代。光纤引出端的端面透镜可以与分立的偏振片／-旋转器／隔离器一起使用，也可以不与它们一起使用，取决于倾向性应用。
通常，激光二极管110的温度是受热-电冷却器128控制的。这些器件被用于从激光二极管吸取热量或者给它加热，以便保持恒定的受控工作温度并因此保持光学信号112波长稳定。热敏电阻130被用于检测激光二极管110的温度。它产生温度信号，该温度信号被温度控制电路系统131接收，该温度控制电路系统利用波长误差信号和温度信号来调制热-电冷却器128，以便给该激光二极管加热或降温。在上电过程中，激光二极管的波长经过调谐落在检测电路(140和142)的俘获范围内。在正常运行期间，温度控制电路系统131控制热-电冷却器128以便跟踪所需的波长。但是，在这种操作期间，该热敏电阻受到监视，以保证温度超过高和／或低温度门限值时，使激光二极管或其它电路系统不致被损坏。
按照本发明，至少一部分光学信号132被监视以便检测激光二极管的瞬时工作波长。在这个图解说明的实例中，光学信号是便于采样的，其方法是检测从激光二极管110背后的反射面134射出的光线。在优选实施方案中，经过采样的光学信号部分132通过准直透镜136。从那儿，被采样的光线通过空间可变滤光片138进行滤光。在这个优选实施方案中，滤光片138是由线性可变滤光材料构成的，在滤光片面上其通频带是按X方向线性变化的。
在这个实施方案中，两个检测器，检测器A 140和检测器B142，检测从滤光片138上两个不同位置透射的光学信号。两个检测器各自的响应指示提供给波长和功率误差信号电路144。这个电路通常根据检测器A 140的响应与检测器B 142的响应的差值产生波长误差信号145，以便借助温度控制电路131控制热-电冷却器128。电路144还产生功率误差信号120，该信号可供用户在该器件外面利用并且被注入电流控制器116使用。功率误差信号120优选以检测器140和142的综合响应为基础。
图2展示空间可变滤光片138和检测器140、142的布局。具体地说，来自激光二极管110背面134的光线132通过准直透镜136在一块独特的空间可变滤光材料138上形成优选椭圆形的照明区150。检测器140、142被并排安排在滤光片138的后面。在优选实施方案中，该滤光片大约500微米长并且跨其面提供0．8微米的波长偏移。
图3是中心频率通频带作为在空间可变滤光材料上空间位置X的函数图。该对于滤波材料的中心频率通频带取决于滤波片上的空间位置，在图示的实施例方案中，通频带的波长随着沿滤波片空间位置的增加而增加。
图4说明示范通频带，将透射的光强度作为波长的函数作成曲线。在滤光材料上的给定位置X0，就该滤光材料的通频带而言存在一个唯一的中心频率，λ(X0)。该滤光材料还有一个相对恒定的名义通频带宽度(B)。这个通频带定义在该滤光材料上给定位置光线的透射波长。具体地说，本质上只有波长在λ(X0)-0．5B和λ(X0)+0．5B之间的光线才能在空间位置X0处透射。
图5展示检测器A 140和检测器B 142由于它们相对滤光材料138的布局对光谱的不同响应。具体地说，检测器A 140定位在空间可变滤光材料138的前面，以致它具有以波长λA为中心的通频带。检测器B 142定位在空间可变滤光材料138的不同位置的前面，以致它具有以波长λB为中心的通频带。在优选实施方案的控制电路中，通信器件100的指定波长是λN，在一个特定的装置中该波长在λA是和λB中间。因此，波长和功率误差电路144产生波长误差信号以便控制二极管的波长，在这个图解说明的实施方案中，它是借助热-电冷却器128实现的。检测器140和142的响应是平衡的，因此提供反馈控制以便把激光二极管的波长保持在λN。
这个实施方案的构型特别便于制造并且为制造提供了灵活性。两个检测器的布局将决定滤光片输出中的响应交叠点。通过相对一个检测器移动另一个检测器，交叠波长λN的响应强度(在交叠点为m)和位置两者都可以得到调节。这样就改变了响应强度和波长λN。另外，两个检测器的位置可以相对中点等距离移动。于是，响应将增强或减弱，这将分别取决于两个检测器究竟是彼此相向移动还是相互背离，但λN保持不变。
在相关的想象中，相对该检测器对移动滤光材料138将改变λA、λN、λB，以适应不同的指定波长但不牺牲在灵敏度中原来的检测器配置所提供的各种关系。这个特征较之为有许多信道(45至90或更多个信道)的WDM系统供应激光器单元所需要的产品目录(manufacturing inventories)具有特殊的重要性。在潜在的信道范围内工作的同属的模块可以事先生产。一般的说，特定的DFB激光器可以这样生产，例如它可以基于12个潜在信道进行调谐。这种同属模块被储存起来。在需要适合某个特定信道的模块时，将覆盖该信道的同属模块选出、装上可变滤光片并且经过调节／调谐使该模块在所需频率上工作。
图6展示在波分多路复用模块200中通信器件100作为信道子系统的装置。在这样的系统中，每个子系统的经过二极管都是受控的，以便在激光二极管工艺的调谐能力范围内在不同的波长λl-λk下运行。例如，一个推荐系统，其中激光二极管的最小中心频率从195．9太赫延伸到191．7太赫(THz)，而最小的信道间隔为100千兆赫。相应的波长中心从1530．33nm延伸到1563．86nm，而且有大约0．8纳米的间隔。在这样的系统中，数十至数百个分开的信道用同一根单模光纤10传输，从而该光纤的总数据传输率相对非多路复用系统得到极大的增加。
当这种器件在模块200中被组装在一起时，某些元件可以被子系统100共享。例如，在某些装置中为了降低模块成本，每个子系统中的分立检测器140、142可以由检测器阵列或电荷耦合器件(CCD)阵列来代替。另外，一条滤光材料可以被用于整个模块。每个特定的子系统只访问该条材料的一部分。此外，波长误差信号电路可以作为功能独立的电路分布在诸子系统之间，或者用共享的模拟／数字控制器电路对所有的子系统提供统一控制。
图7是激光二极管通信器件的第二实施方案的方框图。这个实施方案的不同之处仅限于它使用单检测器143。这个检测器143相对可变滤光片138是这样安排的，以致其响应幅度随着被采样的光学信号132的波长变化而改变。
图8是检测器143和空间可变滤光片138的方框图。检测器143本身(即检测器离散的泊位)是按滤光片的空间变异性的方向共享的，以便提供依赖波长的操作。例如，如果激光二极管110的波长将要增加，那么滤光材料138透射的部分将按x的正方向偏移。在x的正方向上，检测器143的有效区增大，以致它对给定波长更敏感。因此，波长误差信号电路145调整热-电冷却器128使检测器的响应保持在预定水平。在这个图解说明的实例中，电路145调整二极管的温度以便跟踪波长λN。
返回图7，因为检测器143不容易用于功率控制，所以需要独立的功率检测器152，以便产生功率误差信号120。
在其它实施方案中，使用CCD型检测器。这些CCD元件(优选线性的)是为了在空间可变滤光材料的变异性方向上展开而准备的。每个CCD元件代表一个独立的波长间隔。于是，激光二极管的波长受到控制，从而保持在每个间隔中检测到的光强信号之间的预定关系。
虽然已经介绍了本发明在与分布反馈激光器结合时的用途，但是本发明可以广泛地应用于其它类型的激光二极管器件或其它波长可调的激光器。例如，温度受控的激光器件(如法布里-珀罗激光器和分布式布喇格反射激光器也都可以使用)。此外，通过调节内腔光栅(an intra-cavity grating)来调谐波长的外腔激光器是另一种替代品。在这种装置中，波长误差信号被用于控制执行元件(如压电器件)，该器件实际上旋转光栅以便调谐波长。
图9展示本发明的另一个实施方案，该实施方案使用反射型空间可变滤光材料，在这个实施方案中有意义的变异在于光线是被滤光材料反射的而不是通过该材料透射。具体地说，从激光二极管的背面134发射的光线通过透镜136准直，然后通过空间可变滤光片138-1(作为折叠式反射镜)被再次改变方向。如上所述，在这种布局中检测器A 140和检测器B 142接收光线以便提供功率信号和误差信号120、145。依据不同的配置，空间可变滤光材料138-1可以是刻痕线性可变滤光片(a notchlinearly variable filter)、或者是低通、高通或通频带滤光材料。
图10展示本发明在可调激光器件结构中的又一个实施方案。在这个实施方案中，激光放大器110-2代替激光二极管。在放大器110-2中产生的光线112被传送到调制器111。在优选实施方案中，该调制器具有带涂层的空间反射面，该反射面定义谐振器的输出面。从放大器110-2的其它末端射出的光线132通过透镜136-2被聚焦到空间可变滤光材料138-2上。具体地说，空间可变滤光材料138-2是一种刻痕、线性、线性可变滤光片(NLVF)，它沿着该滤光材料在每个位置上以非常窄的频带反射。这些反射频率沿着该滤光材料的全长是可随空间变化的，优选以线性方式变化。在这个优选实施方案中，从放大器110-2的背面134射出的光线被聚焦或准直到NLVF 138-2上。这样产生一个狭窄的带宽反馈到放大器110-2中，以便产生实质上单一频率的激光。因此，该激光放大器将被锁定到这个反射波长范围上。
这种设计的一个优点是容易完成对其波长的监控。因为在NLVF 138-2后面的两个空间上分开的检测器140、142，将由于它们的布局而起不同的作用，所以控制电路是以减法为基础的，即基于检测器A 140与检测器B 142之间的响应差异。这个系统的一个优点是避免使用在法布里-珀罗型激光器中普遍使用的相位补偿器。
最后，图11展示对前面揭示的诸实施方案的一种潜在的改进。在某些情况下，为了设定器件的工作频率，在制造时固定空间可变滤光材料可能是符合要求的。这类似于逐次逼近法(set-and-forget approach)。另外，本发明可以是在制造后可由用户调谐的。具体地说，滤光片致动器164借助臂162与空间可变滤光材料138连接，从而允许线性可变滤光材料138沿着x轴移动，即滑移。在一种装置中，致动器164是简单的调节螺钉，其一头优选是在模块外面可接近的。另外，微型机电系统(MEMS)类的致动器有可能与其它方法(例如灵巧膜(smartfilms)、记忆金属和基于压电晶体的系统)一起使用，以便在开环或闭环控制电路中提供受电子电路控制的主动调谐。
尽管这项发明已经被具体地展示并且通过其优选实施方案做了详细的介绍，但是熟悉这项技术的人应当理解在不脱离权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节上做各种各样的变化。熟悉这项技术的人将承认或利用不多的例行实验就能够弄清许多等价于这份说明书所介绍的本发明的特定实施方案的实施方案。这些等价实施方案倾向于落在权利要求书规定的范围内。
权利要求
1．一种受反馈控制的激光通信器件，包括激光器件，它产生光学信号；空间可变滤光材料，它是为至少接收一部分激光器件所产生的光学信号而设置的；至少一个检测器，其将检测由空间可变滤光材料接收和滤光的光学信号；以及控制电路系统，它利用所述至少一个检测器的响应控制激光器件的波长。
2．根据权利要求1的激光通信器件，其中空间可变滤光材料具有随空间变化的通频带。
3．根据上述权利要求中任何一项的激光通信器件，其中空间可变滤光材料和至少一个检测器是为过滤和检测来自激光器件背面的光线而准备的。
4．根据上述权利要求中任何一项的激光通信器件进一步包括至少两个检测器，这两个检测器是为相对空间可变滤光材料分别检测高于和低于为所述器件指定的中心波长的光线而准备的。
5．根据权利要求4的激光通信器件，其中控制电路系统调谐所述激光器件的波长以便保持来自检测器的诸响应之间的预定关系。
6．根据权利要求4或5的激光通信器件，其中所述激光器件的输出功率将根据诸检测器的综合响应进行调制。
7．根据上述权利要求1的激光通信器件，其中检测器相对空间可变滤光材料布局，致使其有效区域在空间上随着滤光片改变。
8．根据上述权利要求中任何一项的激光通信器件，其中所述器件安装在模块内。
9．根据上述权利要求中任何一项的激光通信器件，其中所述激光器件的波长通过控制所述激光器件的温度得以控制的。
10．根据权利要求1至8中任何一项的激光通信器件，其中激光器件的波长通过控制激光器件的腔内光栅得以控制的。
11．根据上述权利要求中任何一项的激光通信器件，其中检测器包括线性的电荷耦合器件。
12．根据上述权利要求中任何一项的激光通信器件，其中所述激光器件是受信息信号调制的激光二极管。
13．根据权利要求1至11中任何一项的激光通信器件，其中激光器件是放大器。
14．根据权利要求13的激光通信器件进一步包括调制放大器输出幅度的调制器。
15．根据上述权利要求中任何一项的激光通信器件，其中空间可变滤光材料具有随空间变化的透射通频带。
16．根据上述权利要求中任何一项的激光通信器件，其中空间可变滤光材料具有随空间变化的反射通频带。
17．一种激光波长监视系统，包括激光二极管，它产生光束；空间可变滤光材料，它是为至少接收一部分激光二极管所产生的光束而准备的；检测器，它将检测经过空间可变滤光材料接收和滤光的那部分光束；以及电路系统，它利用检测器的响应监视激光二极管的波长。
18．一种波分多路复用激光通信系统，包括众多信道子系统，每个子系统包括激光二极管，它是根据对输入信号的响应进行调制的，以便产生光学信号；空间可变滤光材料，它是为至少接收激光二极管所产生的部分光学信号而准备的；至少一个检测器，它将检测被空间可变滤光材料接收和透射的光学信号；以及控制电路系统，它利用诸子系统中检测器的响应控制激光二极管的光信号的波长。
19．根据权利要求18的激光通信系统，其中来自诸子系统的光学信号被耦合到一根光纤中。
20．根据权利要求18的激光通信系统，其中空间可变滤光材料是诸子系统共享的。
21．根据权利要求18的激光通信系统，其中控制电路系统调谐激光二极管的波长以便保持对于相应的二极管诸检测器的响应幅度之间的预定关系。
22．一种控制激光通信系统的方法，包括根据输入信号调制激光器件，以便产生光学信号；用空间可变滤光材料至少将激光器件产生的部分光学信号滤除；检测滤光后的光学信号；以及根据滤光后的光学信号控制激光器件的波长。
23．根据权利要求22的方法，进一步包括为对来自激光器件背面的光学信号进行滤光而准备的空间可变滤光材料。
24．一种监视激光系统波长的方法，包括通过调制激光器产生光束；用空间可变滤光材料至少将激光器产生的部分光束滤除；检测滤光后的光束；以及根据滤光后的光束监视激光器的波长。
25．一种校准波分多路复用光学通信系统的方法，包括把众多信道子系统安装在系统模块中，这些信道子系统将产生不同的波长调制的光学信号；用空间可变滤光材料至少将诸信道子系统产生的部分光学信号滤除；以及根据滤光后的光学信号校准各个信道子系统的波长。
26．一种激光通信器件，包括激光放大器，它产生亮度增强的光线；调制器，它依据信息信号调制所述光线；刻痕可变的滤光材料，它是为将光线反馈到激光放大器中产生频率变窄的操作而准备的。
全文摘要
这项发明揭示了一种受反馈控制的激光二极管通信器件,该器件通常包括对输入信号作出反应产生给输入信号编码的光学信号的激光二极管。但是,通频带可随空间变化的滤光材料是为(优选从背面)至少接收一部分激光二极管所产生的光学信号准备的并且至少使用一个检测器来检测经这种滤光的光学信号。然后,控制电路系统根据检测器(或检测器组)的响应控制激光二极管的波长,以便提供反馈控制。因此,该器件可应用于保持在波分多路复用系统中找到的密集信道间隔。
文档编号H04B10/28GK1280723SQ98811567
公开日2001年1月17日 申请日期1998年11月24日 优先权日1997年11月26日
发明者弗兰西斯·L·利尔德, 司考特·巴若斯, 伊亚·米尔曼 申请人:镭射通公司