光学放大系统及其控制方法与流程

本发明涉及光学放大系统和控制光学放大系统的方法。

背景技术：

光学地放大来自半导体激光二极管(ld)的光的光学放大系统在本领域已经是众所周知的。日本专利公报no.jp-h10-209542a已经公开一种光学放大系统，其通过射入宽度基本上等于半导体光学放大器(soa)的上升时间的脉冲光学信号而表现出大的光学增益。在日本专利公报no.jp2013-149949a中已经公开关于soa的另一项技术，其中soa通过在从soa输出的光学功率随着偏压增大而减小的区域中偏压soa而表现出具有更小失真的光学输出信号。另一日本专利公报no.jp2010-239051a已经公开一种光学器件，其将ld与光学调制器集成在ld与光学调制器共享的半导体基板上，并且有源层中的ld和光学吸收层中的光学调制器与宽度小于1.35μm的光学波导耦合，可以抑制更高度的模态。

技术实现要素：

本发明的一方面涉及一种光学放大系统，包括热电冷却器(tec)、半导体激光二极管和半导体光学放大器(soa)。半导体激光二极管安装在tec上并且决定于tec控制的半导体激光二极管的温度产生具有设计波长的调制光学信号。soa放大从半导体激光二极管输出的调制光学信号。该光学放大系统的特征在于soa的温度设定为高于激光二极管的温度。

附图说明

阅读下面参考附图对本发明优选实施例的详细描述将可以更好地理解上述以及其它用途、方面和优点，其中：

图1是根据本发明第一实施例的光学放大系统的平面图；

图2a示出eml的沿着其光轴截取的横截面，图2b示出soa的沿着其光轴截取的横截面；

图3是根据本发明第二实施例的另一个光学放大系统的平面图；

图4是根据本发明第三实施例的另一个光学放大系统的平面图；

图5示出图4示出的光学放大系统中应用的半导体激光元件的横截面；

图6是根据本发明第四实施例的另一个光学放大系统的平面图；

图7示出图6示出的光学放大系统中应用的半导体激光元件的横截面；

图8是根据本发明第五实施例的另一个光学放大系统的平面图；

图9示出半导体激光元件在应用于图8示出的光学放大系统中的状态下的横截面；

图10是根据本发明第六实施例的另一个光学放大系统的平面图；

图11示出图10示出的光学放大系统中应用的半导体激光元件的横截面；

图12是图10示出的光学放大系统中应用的半导体激光元件的平面图，该半导体激光元件是从图11示出的半导体激光元件变型而来；

图13a示出进入半导体光学放大器(soa)的光学信号的波形，而图13b示出从其输出的光学信号的另一个波形；

图14解释了soa使调制光学信号的波形劣化的一个原因，其中图14的上部以虚线示出输入信号的功率并且以实线示出输出信号的功率，而下部示意性地示出soa中的载流子浓度；以及

图15a至15d示出在各种驱动电流isoa和温度下从soa输出的光学信号的眼图。

具体实施方式

接下来，将参考附图描述根据本发明的实施例。在对附图的描述中，彼此相同或相似的数字或标记将指代彼此相同或相似的元件，而不做重复说明。

光学放大系统通常应用经常被称为eml的电吸收调制激光二极管和放大从eml输出的激光的半导体光学放大器(soa)。

光学放大系统通常包括产生通过调制信号调制的光学信号的光源以及将调制光学信号放大的光学放大器。光源通常提供产生具有连续波(cw)构造的激光的半导体激光二极管(ld)以及决定于电调制信号调制cw激光的光学调制器。分布式反馈(dfb)类型的ld经常用作cw激光源，而电吸收(ea)器件经常用作光学调制器件。此外，ea器件通常与dfb-ld集成，这种器件经常被称为电吸收调制器激光二极管(eml)。因为eml可能输出幅值不足的调制光学信号，应用eml的光学系统通常伴有光学放大器例如半导体光学放大器(soa)。

图13a示出进入半导体光学放大器(soa)的光学信号的波形，而图13b示出从其输出的光学信号的另一个波形。通常称为眼图的这些波形将各个事件叠加，即，高(high)、低(low)和过渡(transition)。当眼图示出没有叠加噪音的细线时，显示这样眼图的系统可以具有优异的传输性能。另一方面，当眼图示出针对各个事件的两条或更多条线或者挤压扁眼睛的膨胀线条时，系统表现出差的信号传输性能。图13a和13b是针对eml器件测量的，其中dfb-ld被供应90ma的驱动电流ild，而ea被供应具有2v幅值的调制信号，并且soa被赋予500ma的驱动电流isoa。如图13a所示，输入soa的光学信号表现示出优异的质量，而其输出以很大的过冲(overshoot)劣化。

图14解释了soa使调制光学信号的波形劣化的一个原因，其中图14的上部以虚线示出输入信号的功率并且以实线示出输出信号的功率，而下部示意性地示出soa中的载流子浓度。当输入光学信号具有相对较小的功率时，这对应于区域i，因为soa不能消耗其中的全部载流子，soa中的载流子浓度增大。然后，在增大的载流子浓度下增大输入光学信号的功率，这对应于瞬间ii，输出光学信号的功率快速增大。在输入soa的光学信号大的期间，这对应于区域iii，soa中的载流子浓度逐渐减小至注入与消耗平衡的状态，这减小了从soa输出的光学信号的功率。因此，图13b的眼图中出现的过冲似乎是因为小光学输入功率期间增大的载流子浓度。

为了抑制来自soa的光学输出信号中出现的过冲，优选地抑制soa中的载流子浓度。减小载流子浓度的一项技术是通过升高其温度来缩短载流子的寿命。图15a至15d示出在200ma至500ma的各个驱动电流isoa和从38℃至71℃的各个温度下从soa输出的光学信号的眼图。在图15a至15d示出的那些测量结果中，ea器件受90ma的驱动电流ild驱动并且调制信号veam的幅值为2v。因此，随着温度变高，从soa输出的光学信号变得更清楚并且精细而没有过冲和重复水平。

第一实施例

接下来，将参考附图描述根据本发明的实施例。在对附图的描述中，彼此相同或相似的数字或标记将指代彼此相同或相似的元件，而不做重复说明。

图1是根据本发明第一实施例的光学放大系统100的平面图。光学放大系统100包括控制器18和提供插座11的壳体10。插座11接纳外部光纤(图中未示出)。壳体10安装有热电冷却器(tec)12以及一对载架14、15，其中前一载架14安装在tec12上，而后一载架15设置为与tec12分开。

eml20、光电二极管(pd)22和透镜23c设置在载架14上。如说明书后文所述，eml20包括产生激光的增益区61以及调制从增益区提供的激光的调制区62。pd22监测从eml20输出的激光的强度。另一载架15上承载半导体光学放大器(soa)21以及透镜23a和23b。soa21通过透镜23a与eml20耦合。此外，soa21通过另一个透镜23b与接纳在插座11中的外部光纤光学地耦合。soa21放大从eml20输出的激光并且将如此放大的激光提供给外部光纤。

eml20的增益区61提供通过接合引线和用于向eml20供应功率的电容器28与dc端子29电连接的电极24。调制区62中的另一电极25通过接合引线和互连图案30与信号端子32连接，信号端子32设置在插入壳体10内的电路板上。soa21上的电极26通过接合引线和电容器28与dc端子29连接。tec中的电极33通过接合引线与dc端子29连接。

控制器18可以提供中央处理单元(cpu)、随机读取存储器(ram)、只读存储器(rom)等。cpu18可以控制供应至增益区61的驱动电流ild、供应至调制区62的驱动电压以及供应至soa21的另一个驱动电流isoa。通过基于经由接合引线与端子34连接的热敏电阻16的输出调节供应至tec12的dc电流，控制器18还可以控制tec12的温度，其中热敏电阻16安装在载架14上。通过调节tec12的温度，控制器18可以调谐从eml20输出的激光的波长。例如，控制器18可以将tec12的温度设定并保持在25℃。此外，控制器18可以将soa21的温度设定为高于eml20的温度。

下面将更具体地描述控制器18的控制顺序。控制器18首先设定供应至增益区61的驱动电流ild、供应至调制区62的驱动信号以及供应至soa21的驱动信号isoa。然后，控制器18设定tec12的温度使得eml20产生具有预定波长的激光。最后，控制器将soa21的温度设定为不同于eml20的温度，在一个实例中，将soa21的温度设定为高于eml20的温度。

图2a示意性地示出eml20的沿着其光轴截取的横截面。实施例的eml20提供产生激光的增益区61以及调制激光的调制区62，其中增益区61和调制区62集成在由磷化铟(inp)制成的基板40上，其中基板40对于增益区61和调制区62是公共的。增益区61包括产生激光的有源层41，而调制区62提供与增益区61中的有源层51光学地耦合的吸收层42。

eml20还在有源层41和吸收层42上提供上包层43，其中上包层43在增益区61和吸收层62是公共的。半导体基板40可以表现出下包层的功能。因此，构造出光限制构造，其中有源层41和吸收层42可以被视为芯部，而上包层43和半导体基板40可以被视为夹住芯部的包层，其中上包层43和半导体基板40具有比有源层41和吸收层42的折射率低的折射率。在基板40内部设置有均具有光栅的重复结构44，其中光栅可以确定有源层41产生的激光的波长。因此，增益区61可以作为分布式反馈(dfb)激光二极管工作。

基板40、有源层41、吸收层42和上包层43可以由化合物半导体材料例如铟镓砷磷化物(ingaasp)，铝铟镓砷化物(algainas)以及包括这些材料的多个层制成。调节这种四元化合物材料的组分使得芯部，即，有源层41和吸收层42的折射率高于上包层43和基板40的折射率。

增益区61在上包层43上提供电极24，驱动电流ild(可以是dc电流)被供应至电极24用于在有源层41中产生激光。此外，调制区62在上包层43上提供电极25，用于调制激光的驱动信号(可以是ac信号)被供应至电极25。基板40在其背面上提供电极45。eml20在各个面中提供涂层46。

供应驱动电流ild至增益区61的电极24将导致有源层41中产生激光。激光41在调制区62中的吸收层42中传播并且供应至电极25的调制信号调制激光强度。调制激光通过涂层46被输出到外部。

图2b示出soa21的沿着其光轴截取的横截面。soa21在基板50上提供有源层51。上包层52设置在有源层51上，而基板50可以表现出下包层的功能。因此，可以通过芯部和包夹芯部的包层实现光限制构造。

基板50、有源层51和上包层52可以由四元化合物半导体材料例如ingaasp、alingaas及其多个层制成。调节这种四元化合物材料的组分使得有源层51的折射率高于上包层53和基板50的折射率。

电极26设置在上包层52上，驱动电流isoa被供应至该电极以放大进入有源层51的光。soa21可以进一步在其各个面中提供涂层。将驱动电流isoa供应至电极26，有源层51中的soa21可以放大从eml20提供的激光，并且通过涂层54将放大的激光输出到外部。

本发明的第一实施例通过载架14将eml20设置在tec12上，同时通过另一载架15将soa21设置在tec12外部。即使当调节tec12的温度使得eml20可以产生具有设计波长的激光时，soa21也基本上不会受tec12中的温度变化影响，但是可以在不增大驱动电流isoa的情况下通过驱动电流isoa将soa21的温度设定得更高。因此，soa21可以抑制从其输出的调制激光中引起的失真，同时确保soa21的可靠性。

第一实施例的控制器18可以调节eml20和soa21的温度使得后者的温度高于前者的温度。因此，可以独立地调节两个器件20和21的温度从而适合于各个器件。soa21可以抑制从其输出的调制激光中引起的失真，同时确保soa21的可靠性。

此外，第一实施例的控制器18可以调节tec12的温度使得eml20可以产生具有设计波长的激光并且soa20的温度可以高于eml20的温度。因为soa20基本上不受tec12的温度变化影响，第一实施例可以通过驱动电流isoa设定soa21的温度，同时产生具有设计波长的激光。

第二实施例

图3是示意性地示出根据本发明第二实施例的另一个光学放大系统100a的平面图。光学放大系统200在tec13上提供载架15。tec13的电极33连接于dc端子29。除了上述控制之外，控制器18还可以基于从安装在上载架15并且连接于dc端子34的热敏电阻17提供的输出控制tec13的温度。控制器18控制tec12的温度使得eml20可以产生具有设计波长的激光，并且还控制另一tec15使得soa21的温度高于eml20的温度。

下面将描述控制图3示出的光学放大系统的顺序。控制器18首先供应驱动电流ild至eml20的增益区61，调制信号也被供应至eml20的调制区62，并且驱动电流isoa被供应至soa21。然后，控制器18控制tec12的温度使得eml20可以发射具有设计波长的激光。最后，控制器再调节供应至soa21的驱动电流isoa，并且控制器18调节tec13的温度使得soa21的温度高于eml20的温度。

第二实施例的光学放大系统在tec12(第一tec)上承载eml20，而在tec13(第二tec)上承载soa21。eml20通过载架14安装在第一tec12上，并且soa21通过载架15安装在第二tec13上。因此，tec12可以调节eml20的温度，而tec13可以独立于eml20的温度调节soa21的温度。因此，tec12可以调节eml20的温度使得eml20可以发射具有设计波长的激光，但是soa21的温度可以设定为高于eml20的温度。

上述第一和第二实施例集中于eml20作为光源，但是光学放大系统可以应用通过供应至增益区的电极的驱动信号调制光的直接调制激光二极管。

第三实施例

第一和第二实施例集中在如下构造：作为光源的eml20独立于soa21，也就是说，eml20和soa21没有集成在公共基板上。本发明的第三实施例具有eml20和soa21集成在公共基板上的构造。

图4是示意性地示出根据本发明第三实施例的光学放大系统100b的平面图。图4示出的光学放大系统100b应用通过载架14安装在tec12上的半导体激光元件60。半导体激光元件60包括产生激光的增益区61、调制增益区61中产生的激光的调制区62以及放大调制区62调制的激光的放大区63。增益区61和调制区62总体地对应于上述实施例中的eml20，而放大区63对应于soa21。图4示出的光学放大系统的特征在于增益区61和调制区62通过载架14安装在tec12上，但是放大区63不与tec12重叠；也就是说，增益区61和调制区62固定在载架14上但是放大区63没有固定在载架14上而是从载架14悬伸出来。载架15仅仅承载透镜23，半导体激光元件60通过透镜23与固定在插座11中的外部光纤光学地耦合。控制器18可以通过与第一实施例的光学放大系统100相似的过程控制光学放大系统100b。也就是说，控制器18可以首先调节tec12的温度使得半导体激光元件60可以发射具有设计波长的激光。此外，控制器18可以调节供应至放大区63的驱动电流isoa使得放大区63的温度高于增益区61的温度。

图5示出在图4示出的第三实施例的光学放大系统100b中应用的半导体激光元件60的横截面。半导体激光元件60提供产生激光的增益区61、调制激光的调制区62以及放大调制激光的放大区63，其中区域61至63集成在由例如磷化铟(inp)制成的公共半导体基板40上。增益区61中的有源层41、调制区62中的吸收层42以及放大区63中的有源层47设置在公共基板上。增益区61和放大区63中的有源层41和47可以在基板40上同时生长；因此，这些有源层41和47可以由彼此相同的材料制成。吸收层42与有源层47光学地耦合。在放大区63中的有源层47上设置有上包层43，上包层43对于增益区61和调制区62是公共的。也就是说，上包层43均匀地从增益区61延伸至放大区63。在放大区63中的上包层43上设置有电极26，驱动电流isoa被供应至该电极以放大调制激光。

供应驱动电流ild至增益区61中的电极24，增益区61中的有源层41可以产生在调制区62中传播的激光。将调制信号提供给电极25，来自增益区61的激光被调制幅值。调制激光进入放大区63中的有源层47并且被供应至放大区63中的电极26驱动信号isoa放大。调制并放大的激光可以通过设置在放大区63侧的表面中的涂层膜46输出。

根据第三实施例的光学放大系统100b提供在半导体基板40上集成了增益区61、调制区62和放大区63的半导体激光元件60，半导体基板40对区域61至63是公共的。半导体激光元件60的增益区61和调制区62与tec12重叠，也就是说，这两个区域61、62通过载架14安装在tec12上；但是半导体激光元件60的放大区63不与tec12重叠，也就是说，放大区63从tec12悬伸出来。因此，放大区63b变得基本上不受增益区61和调制区62的温度影响；因此，可以在不增大供应至放大区63的驱动电流isoa的情况下有效调节放大区63的温度。可以抑制来自放大区63的光学输出中出现的失真，而不使放大区63的可靠性劣化。

控制器18首先调节tec12的温度使得增益区可以产生具有设计波长的激光，然后使放大区中的温度高于tec12的温度。因为放大区63能够容忍tec12的温度，控制器18可以有效地设定放大区的温度高于增益区61的温度。

为了抑制光学输出的波形中产生的失真，放大区优选地从载架14悬伸出放大区63的至少一半长度。放大区最优选地从载架悬伸出放大区的整个长度。

第四实施例

图6是根据本发明第四实施例的光学放大系统100c的平面图，并且图7示出在调制区62与放大区63之间包括波导区64的半导体激光元件60c的横截面。波导区64在基板40上提供波导层48。波导48可以由带隙波长比增益区61中产生的激光波长短的三元和/或四元化合物半导体材料例如块体形式的铟镓砷磷化物(ingaasp)制成。吸收层42在调制区62与波导区64之间的界面处与波导层48光学地耦合。此外，波导层48在波导区64与放大区63之间的界面处与有源层47光学地耦合。波导区在波导层48上提供对增益区61、调制区62和放大区63公共的上包层。

因为第四实施例的光学放大系统100c中的半导体激光元件60c在调制区62中的吸收层42与放大区63中的有源层47之间提供波导层48，并且波导层48与吸收层42和有源层47光学地耦合；即使当增益区61和调制区62安装在载架14上时，通过增益区61和调制区62从tec21到放大区63的距离变长。因此，放大区63难以受tec12的温度变化影响，并且可以在不增大供应至放大区63的驱动电流isoa的情况下有效地升高soa的温度。第四实施例的构造使得能够同时提高放大区63的可靠性与减小光学信号的输出波长中产生的失真。

第五实施例

图8是本发明第五实施例的光学放大系统100d的平面图，并且图9示出图8示出的光学放大系统100d中应用的半导体激光元件60c的横截面。第五实施例的光学放大系统100d在壳体10内部除了提供tec12之外还提供另一个tec13。tec13上承载有载架15。跨过载架14和15承载半导体激光元件60c。具体地说，载架14承载半导体激光元件60c中的增益区61和调制区62，而另一载架15承载放大区63。控制器18控制前一tec12的温度使得增益区61可以产生具有设计波长的激光，并且还控制后一tec13使得放大区63的温度高于增益区61的温度。

本发明的第五实施例在载架14上承载增益区61和调制区62，其对应于半导体激光元件60c承载的半导体激光二极管，而在另一载架15上承载放大区63。因此，可以独立于半导体激光二极管控制放大区63的温度，半导体激光二极管包括确定激光波长的增益区61和调制区62。因此，避免对放大区63供应不必要地增大的驱动电流isoa，这可以确保放大区63的可靠性，并且抑制输出波形劣化。

图8示出的第五实施例在载架15上承载放大区63，这不同于放大区63从载架悬伸的第三和第四实施例的构造。因此，第五实施例的半导体激光元件60c可以提高可靠性和机械公差。

从抑制输出波形劣化的角度来看，载架15优选地超过放大区63的一半。载架15承载整个放大区63的构造对于可靠性和可控制性是最好的。

第六实施例

图10是根据本发明第六实施例的另一个光学放大系统100e的平面图，并且图11示出光学放大系统100e中应用的半导体激光元件60e的横截面。在第六实施例的放大系统100e中，载架14承载半导体激光元件60e中的整个增益区61、调制区62以及放大区63。第六实施例的特征在于半导体激光元件60还提供与放大区63的电极26邻近的加热器70。通过接合引线和电容器28从dc端子29给加热器70供应电流。半导体激光元件60e在半导体基板40上提供位于加热器70下方的波导层49，其中波导层49可以由带隙波长比激光波长短的三元和/或四元化合物半导体材料例如铟镓砷磷化物(ingaasp)块体制成。波导层49在放大区63与提供加热器70的区域之间的界面处与有源层47光学地耦合。半导体激光元件60e提供对增益区61、调制区62、放大区和形成加热器70的区域公共的上包层43。也就是说，加热器70设置在上包层43上。除了通过tec12控制载架14的温度来确定激光波长的功能之外，控制器18可以控制加热器70的温度使得放大区63的温度高于增益区61的温度。

具体地说，控制器首先设定供应至增益区的驱动电流ild和供应至放大区63的驱动电流isoa。然后，控制器18控制tec12的温度使得增益区61产生具有设计波长的激光。控制器18还通过控制供应至加热器70的功率调节放大区63的温度使得放大区63的温度高于增益区61的温度。

在半导体激光元件60e中，除了增益区61、调制区62和放大区63之外，第六实施例还提供加热器，其中加热器升高放大区63的温度。载架14，即，tec12承载整个半导体激光元件60e。因此，放大区63的温度可以被设定为高于增益区61的温度。上述构造可以使放大区的长期可靠性与确定激光波长相一致，因为放大区63不需要被供应过大的驱动电流用于升高其温度。此外，与第二tec13承载放大区63的第五实施例的构造相比，第六实施例的构造可以缩短至放大区63中的有源层47的距离；加热器70可以迅速并有效地改变有源层47的温度。

第六实施例承载整个半导体元件60e，半导体元件60e的该构造使得机械公差与放大区63悬伸出来的第三和第四实施例相比更高。此外，加热器70被置于放大区63中的电极26与放大区63中的面之间，这自动地设定加热器70与增益区61和调制区62分开，也就是说，加热器70对增益区61和调制区62产生更小的影响。

但是，加热器70的位置不限于上述实施例。例如，图12示出加热器70的另一个构造，其中加热器可以沿着图12示出的放大区63中的电极26布置。此外，即使当半导体激光元件60提供加热器70时，半导体激光元件也可以在调制区62与放大区63之间提供波导区64。该构造也防止加热器70中产生的热量传播到增益区61和调制区62。

本发明要求2016年9月15日提交的日本专利申请no.2016-180918的优先权，该申请的全部内容以引用的方式并入本文。