专利名称：多重谐振器以及使用该多重谐振器的可变波长光源的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及一种用于光多路复用传输系统例如WDM(波分多路复用)传输系统的多重谐振器和可变波长光源，并且更具体而言，涉及一种具有多个允许振荡波长的稳定控制的参数的多重谐振器，以及一种使用这样的多重谐振器的可变波长光源。
现有技术说明随着宽带通信时代的到来，能在单个系统中通过一系列光的波长进行通信的WDM传输系统的引入正在进行中的目的在于更有效利用光纤。最近，DWDM(密集波分多路复用)传输系统被广泛使用，其可以多路复用几十个光的波长以实现更快速的传输。这要求WDM传输系统安装有用于它们各自的光的波长的光源，并且所需光源的数目随着多路复用程度的增加而急速地增加。此外，可以在每一个节点增加/减少任意波长的ROADM(可重构光增加/减少多路复用器)系统近来被引入城市内的通信。该ROADM系统不仅可以通过多路复用扩展传输容量，而且可以改变波长以允许进行光路切换，这增加了光网络内路由选择的自由度。
作为一种用于WDM传输系统的光源，执行纵向单模振荡的DFB-LD(分布式反馈激光二极管)由于它容易使用并且具有高可靠性，迄今为止已经被广泛的使用。该DFB-LD包括在谐振器的全部区域上形成的深度大约为30nm的衍射光栅，由此可以以相应于衍射光栅周期与等效折射率二倍的乘积的波长得到稳定纵向单模振荡。然而，该DFB-LD不能执行遍布很宽的振荡波长范围的调谐。为此，为了构造一个WDM传输系统，就必须使用振荡相应于规定频率的每一个ITU栅极的波长的DFB-LD产品。结果，为了进行系统操作，需要提供各种类型的产品的额外库存，包括在故障情况下使用的备件，结果增加了闲置控制费用。此外，采用DFB-LD，可变波长范围被限制在大约3nm，其可以通过温度变化被改变，因此实际的ROADM系统由固定-波长光源和波长控制设备构成。为此，期望将可变波长光源引入ROADM系统，并且急速地增加波长控制的自由度。
为了克服由于实际的DFB-LD产生的这些问题并且在宽的波长范围上实现纵向单模振荡，正在大力实施对作为可变波长光源的可变波长激光器的研究。在非专利文献(Isao Kobayashi，″Integrated Optic Device″，第一版，第二次印刷，KYORITSU SHUPPAN CO.，LTD.，2000年12月，第104-122页)中详述的一些研究将作为参考引用，并且传统的可变波长激光器将在下面进行说明。
可变波长激光器基本上被分成两种类型；一种在激光器元件内提供有可变波长机构，并且另一种在激光器元件外提供有可变波长机构。
作为前一种类型，建议了一种DBR-LD(分布布喇格反射器激光二极管)，其中在相同的激光器元件内形成产生增益的激活区和通过衍射光栅产生反射的DBR区域。这个DBR-LD的可变波长范围最大约为10nm。还建议了一种使用不均匀衍射光栅的DBR-LD，其中在相同的激光器元件内形成产生增益的激活区和DBR区域，该DBR区域把激活区夹在其前部和后部之间。在前面和后面的DBR区域中，由于不均匀衍射光栅产生了许多反射峰，并且在前部和后部之间的反射峰的间隔内有微小的差别。这种结构产生一种所谓的″微调效应(verniereffect)″，其可提供非常宽的可变波长范围。这种使用不均匀衍射光栅的DBR-LD实现了超过100nm的可变波长操作和40nm的准连续的可变波长操作。
另一方面，作为后一种类型，建议了一种可变波长激光器，其旋转在激光器元件外部提供的衍射光栅并且将特定波长的光返回到激光器元件。
然而，尽管许多结构被建议用于传统的可变波长激光器，还是存在很多缺点，例如称作″跳模″的其中当切换波长时将期望波长切换到非期望波长的安全稳定性的问题，或者波长控制方法复杂，抗振性弱或由于元件数目的增加导致的价格高的问题，因此上述情形导致传统的可变波长激光器商业化并不顺利。
DBR-LD在DBR区域中注入载流子，由此改变了区域内的折射率并且实现了可变波长操作。为此，当因为电流而增加了晶体缺陷时，折射率的变化率相对于该电流急剧地改变，并且因此当被用于延长的时间周期时难以将激光器振荡保持在恒定波长。此外，使用实际的化合物半导体加工技术实现″inchup″3英寸或更多是不可能的。为此，使用更复杂、更大型的激光器元件将急速地增加造价。
另一方面，在激光器元件外部提供有可变波长机构的结构中，由于振动容易出现跳模，因此需要大量的抗地震机构来避免这些，这导致了模块尺寸和造价的增加。
发明概述本发明的目的是提供一种高可靠性，高性能，低成本的多重谐振器，能够解决传统的可变波长激光器及使用上述的多重谐振器的可变波长光源实际使用中的问题。
本发明提供一种具有三个谐振器结构的外部谐振器，该三个谐振器结构具有多个允许稳定波长控制的参数，本发明还提供一种包括这样一个用于光产生仪器的外部谐振器的可变波长光源，该光产生仪器是通过将在诸如标准滤波器和PLC类型的环形谐振器的光反馈配置中具有多个环形结构的外部谐振器与诸如SOA的光放大器组合而构成的。
根据本发明的外部谐振器是一种由第一到第三谐振器组成的多重谐振器，该第一到第三谐振器中的每一个具有不同的光程长，这些谐振器经由光耦合装置串联连接。本发明其特征在于满足下列所有的表达式<1>，<2>和<3>L1＝{M1/(M1-1)}L0...<1>
L2＝{M2/(M2-1)}L0...<2>
M2-1＝(M1-1)2...<3>
其中L0是第一谐振器的光程长，L1是第二谐振器的光程长，L2是第三谐振器的光程长，并且M1和M2是3或大于3的整数。
除由每一个具有不同光程长的环形波导组成的环形谐振器之外，每一个谐振器也都可以是用作例如标准滤波器、马赫-曾德耳干涉仪和双折射晶体的谐振器的任何元件。
一种可变波长光源通过下述方式构成作为单片在衬底上形成由多重谐振器，输入/输出侧波导和反射侧波导组成的外部谐振器，以及在衬底的反射侧波导的另一端提供光反射器，并且在输入/输出侧波导的另一端经由非反射膜提供光输入/输出单元。此外，提供一种可变波长单元，其借助于多重谐振器改变可变波长光源的谐振波长。
各个谐振器构成了具有FSR(自由光谱范围)的多重谐振器，由于它们的光程长有差别，FSR互相稍有不同。为此，相当大的光传输出现在各个谐振器的光传输的周期变化匹配的波长(谐振波长)处。
本发明设计一种具有多个各自具有稍有不同的光程长并且被串联连接的谐振器的多重谐振器，并且有效地使用这样产生的微调效应。当该可变波长光源使用被设计成以便满足上述的表达式<1>，<2>，<3>的多重谐振器来构造时，在振荡通道和相邻的通道之间的传输损耗的差值(以下简称″模增益差值″)变为最大。由此可见，本发明增加了模增益差值，并且可以由此实现稳定的可变波长操作。
附图简述本发明的示范性的特征和优点将从下面结合附图的详细说明中变得更清楚，其中；
图1是一个示出根据本发明的可变波长光源的第一实施例的平面图；图2是一个示出从本发明的第一个实施例的可变波长光源的SOA侧观察的光频率响应特性的图；图3是一个示出根据本发明的第一个实施例的在微调度(vernier order)和模增益差值之间的关系的图；图4是一个示出本发明的第一个实施例的可变波长光源的频率特性的图；图5是一个示出根据本发明的可变波长光源的第二实施例的平面图；图6举例说明本发明的第一和第二实施例的各个环形谐振器的光程长的具体举例。
优选实施例的详细说明根据本发明的多重谐振器由第一到第三谐振器组成，该第一到第三谐振器中的每一个具有不同的光程长，并且经由光耦合装置连接。除将在下面的实施例中解释的环形谐振器之外，每一个谐振器也都是至少可以用作例如标准滤波器、马赫-曾德耳干涉仪和双折射晶体的谐振器的任何元件。
图1是一个示出根据本发明的可变波长光源的第一实施例的平面图。以下将根据该图来解释这个实施例。
这个实施例的可变波长光源10包括外部谐振器，该外部谐振器是由多环形谐振器20构成，多环形谐振器20包括三个各自具有不同的光程长的经由定向耦合器(以下未示出)和波导24、25连接的环形谐振器21到23；在PLC(平面光波电路)衬底13上形成的输入/输出侧波导11和反射侧波导12，输入/输出侧波导11的一端经由定向耦合器连接到环形谐振器21，反射侧波导12的一端经由定向耦合器连接到环形谐振器23；高反射薄膜14，高反射薄膜14被提供在PLC衬底13的反射侧波导12的另一端；以及作为光输入/输出单元的SOA(半导体光放大器)15，光输入/输出单元的一端经由非反射膜(未示出)被连接到PLC衬底13的输入/输出侧波导11的另一端。除SOA之外，光输入/输出单元也可以是诸如光纤放大器的光放大器或诸如半导体激光器(激光二极管)的光源。波导可以由诸如石英玻璃和铌酸锂的材料形成。此外，多环形谐振器20也提供有TO(热光效应)移相器16、17，该移相器16、17是作为改变谐振波长的可变波长单元的薄膜状的加热器，并且用于频带限制的不对称马赫-曾德耳干涉仪18(以下简称″不对称的MZI″)被插入反射侧波导12中。
在如上所示构成的可变波长光源10中，本发明的操作原则如下。
从光输入/输出单元(SOA15)发射的光在通过从光输入/输出端→非反射膜(未示出)→输入/输出侧波导11→多重谐振器20→反射侧波导12→光反射器14→反射侧波导12→多重谐振器20→输入/输出侧波导11→非反射膜(未示出)→光输入/输出端的路径之后被返回。这个返回的光具有多重谐振器20的谐振波长。原因是因为组成多重谐振器20的各个环形谐振器21、22、23具有稍有不同的FSR(自由光谱范围)，在由各个环形谐振器产生的反射(传输)的周期性变化匹配的波长(谐振波长)处产生更大的反射。此外，该匹配周期的波长根据每一个环形谐振器的圆周的长度和波导折射率的改变而变化很大，因此可以获得有效的可变波长操作。举例来说，这个波导折射率可以通过热光效应而改变。热光效应是一种材料的折射率通过加热而增加的现象，并且所有材料通常都具有上述的热光效应。也就是说，能使用多个环形谐振器21到23的温度特性来改变多重谐振器的谐振波长。注意除热光效应之外，还能使用折射率控制方法或通过控制圆周长度来改变波长。该可变波长装置可以是例如薄膜状的加热器的用于加热环形谐振器的装置，或冷却环形谐振器的装置，或任一用于改变光学材料折射率的技术或用于机械地改变波导长度的装置。
下面将解释多重谐振器的操作。
多环形谐振器20以三个光学耦合的环形谐振器21到23组成了光波导类型滤波器，该三个环形谐振器21到23中的每一个具有不同的光程长，并且由环形的波导构成。根据多环形谐振器20，只有当所有的环形谐振器21到23同时调谐并且通过微调(vernier effect)效应获得大的FSR(自由光谱范围)时，具有谐振波长的光信号被多路复用或多路分解。微调效应是一种将许多谐振器组合以扩展可变的波长范围的技术，其中每一个谐振器具有轻微不同的谐振器长度，并且在谐振频率的最小的公分母的频率处各个谐振频率彼此重叠。为此，显然该FSR用作各个的环的最小公分母的频率。因此，能比单个谐振器更容易在宽的频率范围之上控制特性。
然而，取决于环形谐振器21到23的光程长的组合，由于模增益差值小，当该光放大器的增益的频率特性和谐振器的长度略微改变时，与期望模式不同的模式的损耗容易变得最低，并且振荡出现在非期望的波长，产生所谓的振荡频率跳动，这导致操作变得不稳定。因此，依据这个实施例的多环形谐振器20最优化环形谐振器21到23的各自的光程长，增加了模增益差值并且稳定了振荡操作。
也就是说，当环形谐振器21的光程长是L0时，环形谐振器22的光程长是L1，并且环形谐振器23的光程长是L2时，满足下列全部表达式<1>，<2>，<3>的条件被认为是最佳条件。
L1＝{M1/(M1-1)}L0...<1>
L2＝{M2/(M2-1)}L0...<2>
M2-1＝(M1-1)2...<3>
当可变波长光源10使用被设计成以便满足这些表达式<1>，<2>，<3>的多环形谐振器20来构造时，模增益差值变得最大，因此能实现稳定可变波长操作。在这里，M1，M2被称作″微调度″。
这将在下面进行更详细解释。
在使用两个环形谐振器的双环形谐振器配置中具有外部谐振器的可变波长光源的情况下，可以保证在外部谐振器的振荡通道和相邻通道之间传输损耗中的差值(模增益差值)仅仅约为0.4dB，从而很可能出现跳模。为此，很难在延长时间周期内保持稳定可变波长操作。
这个实施例通过组合PLC类型外部谐振器和SOA15来构造可变波长光源10，PLC类型外部谐振器集成了三个环形谐振器21到23和不对称MZI18，并且这个实施例应用了具有最大模增益差值的最佳设计来实现稳定可变波长操作。这三个环形谐振器21到23由基本环形谐振器21和两个环形谐振器22、23组成，基本环形谐振器21具有FSR(自由光谱范围)例如变为50GHZ的圆周长度L0，两个环形谐振器22，23具有由微调度M1和M2定义的圆周的长度L1，L2并且提供有TO移相器16，17。
由M1，M2定义的两个环形谐振器22，23的圆周长度L1，L2通过下列表达式来定义。圆周长度和上述的光程长相等。
Li＝{Mi/(Mi-1)}L0...<5>
在这里，举例来说，当FSR(自由光谱范围)是50GHZ时，假设石英玻璃波导的折射率大约为1.5，光的波长是1.5μm并且光的频率大约是200THz。那么，从下列表达式得出L0＝[4mm]。L1和L2将稍后进行描述。
L0＝(200[THz]/50[GHz])×(1.5[μm]/1.5)通过使用TO(热光效应)控制两个环形谐振器22，23的相位，能将期望波长的传输损耗减少到最低。
不对称的MZI18被设计成能将振荡波长限制到C频带和L频带的任何一个，并且这个实施例被设计成在L频带操作。对接-耦合到PLC衬底13的SOA15和90％的高反射薄膜14被提供在PLC衬底13的输入/输出侧波导11和反射侧波导12的一端。激光谐振器被构造在SOA15的光发射表面和高反射薄膜14之间。注意输入/输出侧波导11和SOA15还可以使用透镜来代替对接耦合进行耦合。
图2是一个示出从可变波长光源10的SOA15侧观察的光频率响应特性的图。这将在以下根据图1和图2进行解释。
各个环形谐振器21到23的微调度是M1＝12，M2＝126并且定向耦合器被设置成作为1:1耦合器工作。由M2-1定义的125个波长通道每隔50GHZ有一个，并且以由M1-1定义的11个通道一组的形式进行设置。作为在具有最低插入损耗的通道与具有第二低插入损耗的通道之间的损耗的差值的模增益差值是2.8dB。这样，模增益差值从双环形谐振器的0.4dB急剧地得到改进并且光源的波长稳定性急剧地得到提高。
在这里，假定包括具有最低插入损耗的通道的组被称作″中央组″并且靠近这个中央组的组被称作″相邻组″，当满足上述的表达式<1>到<3>时，下面的内容可以被认为是成立的。如图2中的两点虚线所示，在中央组中具有第二低插入损耗的通道的插入损耗和在相邻组中具有最低插入损耗的通道的插入损耗相等。
图3是一个示出在微调度M1、M2和模增益差值之间的关系的图。这将在以下根据图1和图3进行解释。
图3示出通过将微调度M1、M2用作纵轴和横轴进行的模增益差值映射的结果。在该图中绘制添加了关系表达式M2-1＝(M1-1)2...<3>
应理解当满足这个关系表达式时可以获得最大模增益差值。
此外，当相对于M1，M2允许达到±30％时，也绘制了关系表达式。这些关系表达式是√(M2×0.7-1)/1.3＝M1-1...<6>
√(M2×1.3-1)/0.7＝M1-1...<7>
表达式<6>示出了下限，并且表达式<7>示出了上限。在这种情况下，与最佳条件相比模增益差值恶化了大约2dB。
图4是一个可变波长光源10的频率特性的图。这将在以下根据图1和图4进行解释。
图4示出了当相应于具有M2＝126的环形谐振器23的输入相位周期作为横轴，并且相应于具有M1＝12的环形谐振器22的输入相位周期作为纵轴时，最低损耗模式的波长映射。可以理解有121个波长通道并且波长被安排在11×11的矩阵上。能选择一个具有提供给两个TO移相器16，17的功率的期望波长。根据可变波长光源10，能在具有6到7dBm输出的L频带中实现99ch可变波长操作。
如上所示，根据可变波长光源10，能通过最佳化各个环形谐振器21到23的微调度的组合来获得最大模增益差值。除此之外，这个实施例发挥下述作用。
因为环形谐振器21到23、输入/输出侧波导11和反射侧波导12作为单片形成在PLC衬底13上，所以能实现小型化和高可靠性。因为用于频带限制的不对称的MZI18作为单片形成在PLC衬底13上，能进一步减少尺寸并稳定操作。
不对称的MZI18的作用将更具体地解释。
因为不可能采用来自在通过微调度扩展的可变波长范围外的波长模式的增益差值，振荡可以通过在当M2＝101时移相大约40nm的波长处开始。举例来说，如果不对称的MZI被设计具有160GHz的FSR以便抑制这个模式冲突，则有可能抑制仅仅具有接近期望的波长的通道的模式损耗并且进一步稳定操作。
图5是一个示出根据本发明的可变波长光源的第二实施例的平面图。这个实施例将在以下根据本附图进行解释。然而，与图1相同的部分被分配有相同的参考数字并且有关的解释省略。
这个实施例的可变波长光源30提供有多环形谐振器31，多环形谐振器31具有仅经由定向耦合器耦合而没有图1中的第一实施例的波导24、25耦合的环形谐振器21到23，环形谐振器21到23中的每一个具有不同的光程长。其余的配置与第一个实施例相同。这个实施例发挥与第一个实施例相同的作用并且可以获得不同于第一个实施例的光传递功能。
图6举例说明根据第一和第二实施例的各个环形谐振器21到23的光程长L0到L2的具体举例。这个例子将在以下根据这个附图进行解释。
假定表达式<3>中M1＝11，M2＝101。同时假定表达式<1>中L0＝4[mm]，L1＝4.4[mm]，并且表达式<2>中的L2＝4.04[mm]。
以上描述的第一和第二实施例采用了由三个谐振器组成的多重谐振器，但是有可能采用由四个或更多个谐振器组成的多重谐振器。
本发明最优化各个谐振器的微调度的组合，并且由此可以获取最大模增益差值。因此，大的模增益差值防止将振荡波长切换到不期望的波长，并且可以实现稳定操作，由此提供了一种具有高可靠性、高性能和低成本的可变波长光源。
提供实施例的上述说明以使得本领域的技术人员能够制造并且使用本发明。此外，对本领域的技术人员来说对这些实施例做出各种各样的修改是显而易见，并且无需使用创造能力，就可以将在这里定义的一般的原则和具体的实施例用于其它实施例。因此，本发明并不意欲被限于在这里所描述的实施例，而是符合由权利要求和其等同物的内容限制所定义的最宽范围。
此外，要说明的是，发明人的意图是，即使权利要求在审查期间被修改也要避免所要求保护的发明的全部等价内容。
权利要求
1.一种多重谐振器，包括经由光耦合装置连接的第一到第三谐振器，第一到第三谐振器中的每一个具有不同的光程长，其中满足下列所有的表达式<1>，<2>和<3>L1＝{M1/(M1-1)}L0...<1>L2＝{M2/(M2-1)}L0...<2>M2-1＝(M1-1)2...<3>其中L0是所述第一谐振器的光程长，L1是所述第二谐振器的光程长，L2是所述第三谐振器的光程长，并且M1和M2是3或大于3的整数。
2.如权利要求1所述的多重谐振器，其中下列表达式<4>用于代替所述表达式<3>√(M2×0.7-1)/1.3＜M1-1＜√(M2×1.3-1)/0.7...<4>。
3.如权利要求1所述的多重谐振器，其中所述第一到第三谐振器是由每一个具有不同光程长的环形波导构成的第一到第三环形谐振器。
4.如权利要求3所述的多重谐振器，进一步包括第一波导，其一端经由光耦合装置连接到所述第一到第三环形谐振器中的一个；和第二波导，其一端经由光耦合装置连接到所述第一到第三环形谐振器中的另一个。
5.如权利要求4所述的多重谐振器，其中所述第一到第三环形谐振器的环形波导和所述第一和第二波导作为单片形成在基于石英玻璃的衬底上。
6.如权利要求4所述的多重谐振器，进一步包括用于改变所述多重谐振器的谐振波长的可变波长装置。
7.如权利要求6所述的多重谐振器，其中所述可变波长装置是薄膜状的加热器。
8.如权利要求6所述的多重谐振器，其中不对称的马赫-策恩德尔干涉仪被插入所述第一波导或所述第二波导中。
9.一种可变波长光源，包括多重谐振器，包括由环形波导构成的第一到第三环形谐振器，经由光耦合装置连接第一到第三环形谐振器，第一到第三环形谐振器中的每一个具有不同的光程长，其中满足下列所有的表达式<1>，<2>和<3>L1＝{M1/(M1-1)}L0...<1>L2＝{M2/(M2-1)}L0...<2>M2-1＝(M1-1)2...<3>，其中L0是所述第一谐振器的光程长，L1是所述第二谐振器的光程长，L2是所述第三谐振器的光程长，并且M1和M2是3或大于3的整数；衬底，在衬底上形成有输入/输出侧波导和反射侧波导，输入/输出侧波导的一端经由光耦合装置连接到所述第一到环形谐振器中的一个，反射侧波导的一端经由光耦合装置连接到所述第一到第三环形谐振器中的另一个；在所述衬底的所述反射侧波导的另一端提供的光反射器；光输入/输出单元，其光输入/输出端经由非反射膜连接到所述衬底的所述输入/输出侧波导的另一端；和可变波长单元，其改变所述多重谐振器的谐振波长。
10.根据权利要求9所述的可变波长光源，其中所述光输入/输出单元是半导体光放大器或光纤放大器。
11.根据权利要求9所述的可变波长光源，其中所述可变波长单元是在所述衬底上提供的薄膜状的加热器。
12.根据权利要求11所述的可变波长光源，其中不对称的马赫-策恩德尔干涉仪被插入所述输入/输出侧波导或所述反射侧波导中。
全文摘要
提供一种包括具有多个允许稳定波长控制的参数的多重谐振器的外部谐振器，以及一种包括这样的外部谐振器的可变波长光源。该外部谐振器是由第一到第三环形谐振器构成的多重谐振器，第一到第三环形谐振器的各个环形谐振器具有不同的光程长并且经由光耦合装置串联连接。该多重谐振器的参数其特征在于满足下列所有的表达式<1>，<2>和<3>L1＝{M1/(M1－1)}L0...<1>L2＝{M2/(M2－1)}L0...<2>M2－1＝(M1－1)
文档编号H04J14/02GK1819379SQ200610008938
公开日2006年8月16日 申请日期2006年1月11日 优先权日2005年1月11日
发明者铃木耕一, 山崎裕幸 申请人:日本电气株式会社