专利名称：结合可调激光器的光电子装置和其表征的方法
技术领域：
本发明涉及一种结合可调激光器的光电子装置和其表征的方法。
已知可以通过改变激光器的工作温度来调节的可调单段激光器，以及确定所要求的产生一给定的波长的工作条件的表征该激光器方法也从例如WO 98/00893和US-A-5019769中所知。由于在设备之间的变化，将工作条件存储在激光器所含有的存储器中，对每个单个的设备必须进行这样的表征方法。但是，这样的单段激光器仅能在小的波长范围内可调。
例如从EP-A-0300790中已知的多段可调半导体激光器，它可以通过调节进入激光器的滤波器和相位段的电流从而在一较宽的波长范围内可调。但是，该激光器遭受到在不同波长之间的模式跳变(mode jump)。为了稳定地工作，重要的是确定远离这些模式边界模式平面(mode plane)的工作条件。
在WO 99/40654中公开了一种表征该多段激光器的方法。模式平面的位置被确定，至少一部分模式平面被存储在存储器中。但是，相关的发射的射线的波长可能仅通过一个外部仪器所测定，以便被存储在存储器中从而形成对特定的波长发射所需要的工作条件查询表。这对于在使用期间必须再校准的情况尤其不方便。表征每个激光器所需的时间也很可观。
申请人还知道WO 00/52789、WO 00/54380和WO 00/54381，它们的优先权日都早于本申请的优先权日，但是在本申请的优先权日之后公开的，因此仅可以构成判断新颖性目的的一部分评价。
本发明的目的是至少部分地改进上述的困难。
根据本发明的第一个方面，提供了一种光电子装置，其包括结合有用于测量激光器所发射的射线的波长的波长测量装置的可调激光器。其中波长测量装置包括长期衍射光栅装置，其在入射光束的波长和被光栅输送的入射激光束的功率的比例之间有一个已知的关系。
最佳的情况是，衍射光栅装置包括一个长期衍射光栅滤波器。
另外的情况是，衍射光栅装置包括Bragg光电子能带隙晶体。
最佳的情况是，结合的光电子装置还包括波长锁定装置，用于把激光器锁定到一系列的预定的波长之一。
最佳的情况是，可调的激光器是一种多段的激光器。
方便的情况是，波长测量装置还包括输入功率测量装置，用于测量入射光束的输入功率；输出功率测量装置，用于测量通过光栅和处理装置输送的光束的输出功率，以便计算输入功率和输出功率的比值从而确定所输送的功率的比值，进而确定输送的光束的波长。
最佳的情况是，输入功率测量装置包括输入采样装置，用于提供来自激光器所发射的光束的采样光束和一个输入光电子二极管用于测量采样光束的功率。
方便的情况是，输入采样装置包括输入光束分配器。
最佳的情况是，输入光束分配器包括在输入光束所被输送通过的波导管中的折射率的不连续性，因此一部分的入射光束由于不连续性而偏离出波导管之外。
方便的情况是，可调激光器具有一个第一功率输出面和一个相反的第二监视输出面，输入采样装置适用与从第二监视输出面采样光束输出。
最佳的情况是，衍射光栅装置是这样的。即通过衍射光栅装置输送的输入光束的功率比例正比于输入光束的波长。
方便的情况是，输入功率测量装置包括输出采样装置，其用于采样被衍射光栅装置输送的功率，以及一个输出光电子二极管，用于测量输出的采样功率。
最优的情况是，输出采样装置包括输出光束分配器。
方便的情况是，输出光束分配器包括在输入光束所被输送通过的波导管中的折射率的不连续性，因此一部分的入射光束由于不连续性而偏离出波导管之外。
另外的情况是，输出光束分配器包括一个在输出光束所被输送通过的波导管中的光电子带隙人工晶体，因此一部分的入射光束由于人工晶体而偏离出波导管之外。
最优的情况是，波长锁定装置包括Fabry Perot或Fizeau校准器，用于仅输送预定波长的激光器光束，校准器(etalon)被安置在来自激光器的输出光束中；以及功率测量装置，用于测量被校准器输送的输出光束的功率；和反馈装置，用于根据功率测量装置测量的功率来控制激光器发射的光束的波长。
最佳的情况是，可调激光器、波长测量装置和波长锁定装置被安排成在一个平面中排列。
方便的情况是，光电子装置还包括硅、硅酸盐和硅基硅酸盐的基片之一。
最优的情况是，波长锁定装置包括一个玻璃或石英的Fabry Perot校准器，或Fizeau的玻璃或石英的校准器，或充气的间隙。
另外的情况是，光电子装置与该装置外的波长锁定装置联合使用。
根据本发明的第一个方面的第二实施例，提供了一种光电子装置，包括硅或硅酸盐基片，安装在硅或硅酸盐基片上的多段激光器；一种与激光器光学连接的输出光导纤维，用于从激光器的第一功率输出面输送激光器光束；第一集成波导管，用于将监视光束从激光器的第二监视输出面输送到长期光栅滤波器的输入端；在第一波导管中的光束分配器，用于分配在长期光栅滤波器和用于测量监视光束的功率的第一光电子二极管之间的监视光束；一个第二集成波导管，其连接在长期光栅滤波器的输出端和Fabry Perot或Fizeau校准器之间，适用于输送预定的频率；一个在第二集成波导管中的第二光束分配器，用于分配从长期光栅滤波器射出的激光器光束；一个第二光电子二极管，用于测量从长期光栅滤波器射出的光束的功率；一个第三光电子二极管，用于测量从校准器射出的功率，从而对应于预定的频率之一测量从校准器射出的光束功率何时为当地最大值；和控制装置，用于根据从第三光电子二极管接收的信号控制激光器段的电流，因此从激光器发射的光束的波长可以被滤波器装置测量以便产生激光器工作条件查询表，从而产生一给定的波长，控制装置可以被用于将激光器锁定在一预定的频率。
根据本发明的第二方面，在具有纵向轴的光学波导管中提供了一个光束分配器，光束分配器包括一个在具有第一折射率的波导管的第一部分和具有第二折射率的第二部分之间的波导管中的界面，其中界面向纵向轴倾斜从而使在界面上的一部分入射光线偏转或分流到波导管之外。
方便的情况是，光学波导管是一种平面光学波导管。
最佳的情况是，界面向纵向轴倾斜的角度基本为45度。
最优的情况是，光学波导管形成在基片平面上，界面倾斜偏转一部分的入射光束平行于基片平面。
方便的情况是，界面将一部分入射光束分流到第二波导管中，最优的情况是，形成T-连接或Y-连接。
另外的情况是，光学波导管形成在基片平面上，界面被倾斜从而偏转一部分的入射光束垂直于基片平面。
根据本发明的第三方面，提供了一种在具有纵向轴的光学波导管中形成光束分配器的方法，该方法包括在具有第一折射率的波导管的第一部分和具有第二折射率的第二部分之间的波导管中的形成一个界面的步骤，其中界面向纵向轴倾斜从而使在界面上的一部分入射光线偏转到波导管之外。
方便的情况是，形成界面的步骤包括在波导管的第一部分中提供感光材料区的步骤，和将感光材料暴露在紫外光中以形成第二部分。
另外的情况是，形成界面的步骤包括在波导管中切槽的步骤和用与波导管不同的折射率的材料填充槽的步骤。
方便的情况是，填充槽的步骤包括用氮填充槽。
根据本发明的第四方面，提供了一种表征包括一种结合有波长测量装置的可调的多段激光器的结合的光电子装置的方法，该方法包括以下步骤(a)提供数据输入/输出装置逐步地增加多段激光器的各段的电流，从而使激光器发射出激光射线，b)使用波长测量装置测量从激光器发射的射线的波长和c)根据测量的波长将提供给激光器的各段的电流值存储到查询表中。
方便的情况是，结合的光电子装置还包括波长锁定装置，在步骤b)中，波长锁定装置被用于测定何时激光器发射出具有一系列的预定波长之一。在步骤c)中查询表被用于存储对应于预定的波长供应给激光器的各段的电流的值。
最佳的情况是，波长测量装置包括一个根据入射光束的波长而输送一部分入射光束的滤波器，采用波长测量装置的步骤包括测量入射光的功率的步骤；测量被滤波器输送的光的功率，测定被输送的入射光束的比例以计算入射光束的波长。
方便的情况是，测量入射光束的步骤包括以下步骤在入射光束的轨道上提供光束分配器；采用光束分配器使一预定部分的入射光束偏转出波导管之外，测量偏转出波导管之外的部分光束的功率。
根据本发明的第四方面的实施例，提供了一种表征结合的光电子装置的方法，该光电子装置包括一种具有前段、增益、相位和后段的可调的多段激光器，其结合有一个用于输送被激光器发射的入射光束的一功率比例的光学滤波器，其比例取决于入射光束的波长，该方法包括以下步骤a)在增益和相位段施加恒定电流，从而使激光器发射激光射线；b)在后段和前段上分别施加逐步递增的后和前电流；c)用激光器测量输出功率以确定前后电流的值，在此电流下，激光器发射的射线的波长远离激光器的模式边界；d)测量由滤波器输送的功率的比例从而测量发射的射线的波长；e)在查询表中存储前、后电流的值，在此电流下，激光器发射的射线的波长远离激光器的模式边界，以及存储相应的射线的波长。
最佳的情况是，步骤b)包括应用采样电流测定模式边界的位置。
方便的情况是，应用采样电流的步骤包括以下步骤b1)将前电流固定在一个第一前常数，并且逐步增加后电流；b2)将前电流固定在一个第二前常数，并且逐步增加后电流；b3)将后电流固定在一个第一后常数，并且逐步增加前电流；b4)将后电流固定在一个第二后常数，并且逐步增加前电流；b5)将前电流逐步从第三前常数增加到第四前常数，而将后电流逐步从第三后常数减少到第四后常数，以便确定在每个超模式(supermode)中的稳定中线。
最佳的情况是，在确定稳定中线后，接下来的分别逐步增加后电流和/或前电流的步骤包括使各电流沿着稳定中线逐步通过一系列的增加值的窗口，并且确定在哪个系列的增加值时，功率输出最小，重复地增加每个系列的增加值并且重新确定对应在窗口中的最小输出功率从而对应于在功率输出中的当地最小值的电流值。
最优的情况是，步骤e)包括确定对应于在功率输出中的当地最小值的电流值之间的中点以便获得激光器工作的稳定中点，并且在查询表中存储此稳定中点的代表数据以及相应的发射的激光光束的波长。
最佳的情况是，用于操作在稳定中点频率之间的频率的工作条件是通过确定和在查询表中存储进入激光器的相位段的相位电流所需要的值来确定的。
方便的情况是，相位电流所需要的值是连续地通过将后电流和前电路稳定在一个第一稳定点的常数来确定的并且逐步增加相位电流直到达到对应于下一个稳定点的激光发射频率，计算所要求的相位电流的增幅值以便以要求的频率增幅从第一稳定点增加到第二稳定点。
最优的情况是进入激光器的增益段的增益电流被存储在查询表中，从而激光器可以在所有的频率以相同的功率输出工作。
下面通过示例结合附图对本发明的实施例进行说明。
图1是根据本发明的光电子装置的侧视示意图；图2(a)和2(b)分别表示根据本发明的光电子装置的另一个实施例的侧视图和俯视图；图3(a)和3(b)分别表示根据本发明的光电子装置的第三实施例的侧视图和俯视图；图4表示在本发明中使用的光束分配器的侧视图；图5表示形成在本发明中使用的光束分配器的第二实施例的方法；
图6是表示形成图4或5中的光束分配器的方法；图7是表示在输送的功率的百分比和在本发明中采用的滤波器的波长之间的关系的示意图；图8是表示表征本发明的光电子装置的方法的示意图；图9是表示本发明中使用的波长锁定方法的示意图；图10是表示本发明中使用的重新校准方法的示意图；图11表示表征本发明的光电子装置的方法的第二实施例的示意图；图12是表示有助于理解表征本发明的方法的图表，该图表是用本发明的光电子装置中使用的多段激光器的在前段中加入的电流和在后段中加入的电流绘制的功率平面图；图13是表示有助于理解表征本发明的方法的图表，该图表是用本发明的光电子装置中使用的多段激光器的在前段中加入的电流和在后段中加入的电流绘制的波长平面图；图14是表示有助于理解表征本发明的方法的图表，该图表是用本发明的光电子装置中使用的多段激光器的在前段中加入的电流和在后段中加入的电流的比值绘制的模式边界区域图；图15是表示有助于理解表征本发明的方法的图表，该图表是用本发明的光电子装置中使用的多段激光器的在前段中加入的电流和在后段中加入的电流的比值绘制的，表示模式边界的位置是如何确定的；图16表示有助于理解表征本发明的方法的图表，其表示沿着在图15中显示的对角线的波长；图17表示沿着在两个模式边界之间的稳定线的本发明的激光器的功率输出的图表；图18是表示有助于理解确定表征本发明的方法中使用的相位电流设定值的图表，该图表是用本发明的光电子装置中使用的多段激光器的在前段中加入的电流位设定值和在后段中加入的电流位没定值绘制的功率平面图；图19表示用于表征本发明的方法的相位电流对后电流和前电流的三维图；图20表示用于表征本发明的方法的频率对沿着超模式的稳定点的示意图；图21表示根据前电流和后电流绘制的功率的微分平面图，用于理解表征本发明的方法的实施例；
图22表示输出功率对应本发明的实施例的波长的图；在图中，相同的标号表示相同的部分。
参见图1，表示光电子装置1的示意图，其中多段激光器100、长期光栅或特征提取滤波器110和Fabry Perot校准器120按顺序被内置在硅片130上。另外，还可以使用硅酸盐或硅基硅酸盐的基片。例如，激光器可以是已知的四段InGaAsP采样光栅分配Bragg反射器，(SG-DBR)或增益耦合光栅反射器(GCSR)激光器。在后者的情况下，一个光栅段是一个中间段，耦合器。另外，还可以使用一个超结构SG-DBR(SSG-DBR)激光器。在另一个实施例中，可以使用五段激光器，第五段是一个半导体光学放大器以便提供高功率输出。在另一个实施例中，采用了三段激光器而不是四段或五段激光器。可以一体集成一个电吸附调制器(EAM)，或者结合激光器以便提供激光器输出的数据调制。
Fabry Perot或Fizeau校准器可以根据本身所知为玻璃或石英的。校准器的另外一个实施例是精密尺寸的波导管中的空槽，其可以用诸如氮气或其它透明材料填充。在混合硅酸盐/硅的包装阶段在氮气压力下可以实现填充氮气。例如，当加工片面光波电路时，可以通过干蚀刻或激光烧蚀建立槽本身。混合的Fabry Perot校准器、长期光栅的输出端或特征提取滤波器不是串联连接，而是可以连接到未外部频率锁显示的。
设有输入导线103、104、105、106用于分别将电流接到激光器的各段。激光器的第一输出面101与输出光导纤维140光学连接。光导纤维可以被安置到硅片的V形槽中，以便可以相对于激光器方便的定位。
激光器的第二面102，相对于第一面，(或在GCSR的情况下来自第一面101的光束分配光)通过第一集成光学波导管150光学连接到长期光栅或特征提取滤波器110。例如，波导管可以是在硅酸盐基片上的硅酸盐玻璃。另外，波导管层可以是另外一种玻璃或硅或另外一种半导体。波导管层可以安置在硅酸盐、玻璃、硅或另外的半导体基片上。在集成光学波导管中，安置有一个第一光束分配器151，用于将激光器的第二面102发射的一部分的光偏转向第一光电二极管153。该光电二极管可以是已知的InGaAs光电二极管。
在另外的实施例中，激光器、波导管和光电二极管可以构成一个在半导体合金中的整体装置，而不是被结合在一个混合装置中。
已知的长期光栅或特征提取滤波器具有输送特性，其中输送功率的百分比与入射光的波长成线形反比关系，如图7所示。例如对于C-波段工作，以基本上线形的方式在1520nm到1560nm之间，输送百分比在从10％到90％变化。已经实现了5％到95％的变化。此范围对于波长识别精度是至关重要的。
长期光栅输出端或特征提取滤波器110通过一个第二集成波导管160光学连接到Fabry Perot校准器120的输入端。一个在第二波导管160中的第二分配器161将一部分从长期光栅或特征提取滤波器110发射的光偏转到第二光电二极管163。
Fabry Perot校准器设计成仅输送将预定频率的光，即梳状的波长。在通讯的应用中，这些可以是国际通讯联合会用于波长除法多路复用(Wavelength DivisionMultiplexing)的频率计划中的频率。Fabry Perot校准器的输出端与第三集成波导管170光学连接以将光引导到与激光器对准的第三光电二极管173。第三光电二极管可以以相同的方式通过位于V形槽的光纤引线被连接，其连接处就是输出光导纤维140连接到光电装置的地方。另外，在波导管170中可以设有一个镜子171从而将波导管射出的光垂直地引导向与第一光电二极管153和第二光电二极管163对准的第三光电二极管173’。
第一、第二和第三波导管可以是嵌入的或可取下的波导管。第一和第二光束分配器151、161的每一个可以是在各个波导管中的槽所形成的一个简单面，或者可以是一个如下所示的菲涅耳(Fresnel)反射器。镜子171可以是相似于光束分配器的面但是涂有铝层以便提高折射率。
可以使用其它类型的滤波器而不采用长期光栅或特征提取滤波器。例如，还可以利用在图7中的带有输送光谱的光子带隙晶体，这是一个缓慢变化的光谱反应。另外，被设计用来分离在1480纳米以上的两个波段的光导纤维耦合器非常适合在C-波段使用，该耦合器有几乎线形的输送功率特性，随着波长的增加而减小。这样的耦合器可以用波长计校准，然后可以反复使用而在不需要进一步采用波长计。在此实施例中长期光栅或特性提取滤波器被省去并用简单波导管代替。波导管的光穿过光导纤维，然后到达第二光电二极管。其它的可能的滤波器是带有嵌入的衍射光栅或彩色玻璃滤波器的光导纤维，例如使用NdYAG的类型的光导纤维。
除了Fabry Perot校准器120以外，还可以用Fizeau校准器。
虽然，在此实施例中，从激光器的“后”面发射的光执行了监视功能，但是所有的这些监视功能都可以通过“前”功率输出来执行。尤其是在例如增益耦合采样光栅反射器(GCSR)的情况下更是这样。
在图2(a)和2(b)中分别表示了根据本发明的光电子装置的第二实施例的侧视图和俯视图。在基片230上并排安装了两个多段激光器200，200’。如侧视图所示，激光器被安装在副安装台和/或垫片231上，或者，另外，在弹抛片(flip-chip)实施例中提供了焊剂垫(solder pad)。这表示了一个实施例，其中多于一个的激光器被混合到单载波平面光波电路(PIC)，例如用于波长除法多路复用(wavelengthdivision multiplexing)。一个热敏电阻片232，本身所知被安装到邻接到激光器的基片上以监视激光器的温度并向珀耳帖效应(peltier)冷却器提供信号，未显示，从而使温度稳定，通常在0.01的摄氏度范围内。各个激光器的各段上分别设有导线203、204、205和206和203’、204’、205’、206’。各个激光器的输出面被光学连接到各个波导管250、250’。长期光栅或特征提取滤波器210、210’位于各个波导管250、250’中，这些导线之一在侧视图中用间断线表示。各个第一光束分配器251、251’被定位在各个激光器和各个长期光栅或特征提取滤波器之间的各个波导管250、250’中，从而将沿着垂直于波导管250、250’的各个波导管254，254’的各个激光器的一部分光偏转到用于安装各个光电二极管片253、253’的台阶(terrace)。同样，各个第二光束分配器261、261’被设在各个长期光栅或特征提取滤波器210、210’的波导管的下游(downstream)从而将沿着垂直于波导管250、250’的第二波导管264，264’的各个激光器的一部分光偏转到用于安装第二光电二极管片263、263’的台阶。在远离各个激光器的各个波导管的端部，还设有一个台阶234，第二光电二极管263、263’可选择地安装在台阶上，或者第三对光电二极管可以安置在台阶上。在第一个可选择的情况中，第二垂直波导管264、264’被省去。在第二个可选择的情况中，第三光电二极管测量从Fabry Perot或Fizeau校准器的输出用于频率锁定。
台阶、反射器槽、校准器槽、光栅波纹和/或光子带隙晶体特征可以通过干刻蚀或激光烧蚀来建立。
图3(a)和3(b)分别表示本发明的光电子装置或平面光波电路的第三实施例3的侧视和俯视图。一个多段激光器300被安装在一个钻石热变换器(diamondheat sink)331上，钻石热变换器331安装在位于一个基片或硅光学台(SiOB)330上的副安装台332上。邻接激光器处设有一个热电(或珀耳帖效应)冷却器(TEC)332用于稳定激光器的温度。激光器的段设有导线303、304、305和306用于各电流引入各段中。此外，一个接地导线307被连接到与钻石热变换器接触的激光器的面。另一个导线308被连接到一个位于副安装台的未显示热敏电阻上，用于控制热电冷却器332。一个安装在基片330上的硅叠片355上的硅酸盐/硅层354的波导管350与激光器300的第一输出面对准。一个光导纤维导线连接器340与激光器的相对的输出面光学连接。波导管350设有一个长期光栅或特征提取滤波器310，如侧视图中的间断线所示。在激光器和长期光栅或特征提取滤波器之间是一个第一光束分配器351用于将一部分沿波导管输送的光束从激光器沿着垂直安置的第二波导管354偏转到第一光电二极管353。长期光栅或特征提取滤波器的下游(Downstream)，第二光束分配器位于波导管350中将一部分的从长期光栅或特征提取滤波器发射的光沿着垂直安置的第三波导管364偏转到第二光导纤维导线连接器365。一个第二光电二极管373位于远离激光器300的波导管350的端部用于检测从波导管发射的光。
第一光束分配器351和/或第二光束分配器361可以是Y-形连接，其中Y-形连接的几何形状以按照惯例确定从而分流出所要求的百分率的光束。
例如，可以通过在没置覆盖层之前在波导管的上表面或侧面蚀刻波纹特征或者涂覆一个掩模来建立长期光栅。采用此方法的长期光栅是经得起检验的，因为波纹被很好地隔开。
图4所示是第一实施例的基片130上的波导管150中的第一光束分配器151的详细情况。光束155通过光束分配器151分配以便一小部分156被以垂直于基片130的表面的方向偏转出波导管。第二光束分配器161与第一光束分配器151相同。
图5所示是第二实施例的基片230上的波导管250中的第一光束分配器251的详细情况。光束255通过光束分配器251分配以便一小部分256被以平行于基片230的表面的方向偏转出波导管250。可以使偏转的光束256沿着垂直安置的第二波导管254输送。
光束分配器是菲涅耳反射器，其中波导管的部件158的折射率不同于波导管150中的其它部件。波导管的不同折射率的部件可以通过在波导管中蚀刻一个槽或通过波导管的选择性地安放成，或者如图5和6中的箭头线259所示，通过对波导管的部件中的感光材料区域的紫外光照射来形成。还可以使用一种已知的相似的程序来在玻璃光导纤维中建立光栅，其中波导管材料的折射率被例如受激准分子激光器(excimer laser)发射的紫外光持续地改变。可以通过预先装载氢来增强波导管材料的敏感性。紫外光照射可以直接从上方或从波导管的侧面，以逐步增加或减小的方式，增加或降低部件的折射率从而在部件和波导管的其它部分之间以与波导管的长轴成一定角度形成一个界面。通常情况下，界面形成与长轴成45度。紫外光照射可以通过先前已知的方式通过聚焦或通过一个掩模(mask)或通过全息摄影术来引导。光束分配器的实施例特别适合于高功率激光器的低百分率的反射器或者需要一系列的附加波导管用于附加的光学处理。
另外。光束分配器可以通过使用一个电子光束来蚀刻一个槽而形成。此槽以一定的量穿入波导管中以将所需要的比例的入射光束，即5％到10％，反射出。也就是说，所设定的槽的尺寸使所需要的比例的光被分流。这些尺寸可以通过已知的失败总内部反射(fruStrated total interal reflection)处理来设定。
还可以通过在与另一个导管的连接处适当地定位排列光子晶体从而将一个所要求的功率和光谱内容偏转或输送到另一个适当地对准的波导管来实现偏转或形成特征提取滤波器。例如，光子晶体可以是测微计直径尺寸的垂直柱排列，其以所需要的光谱响应偏转或输送光。毫微结构柱的排列的形式的光子能带隙晶体的排列以与自然晶体反射X射线的相似方式在光学波长区域中偏转。
另外，光束分配器可以是波导管Y形连接抽头(tap)。
对于本技术领域的人员，显而易见这样的光束分配器可以进一步地在需要在光学波导管中偏转或反射光的任何情况下都可以应用，包括光导纤维，在波导管外用于采样或监视。在集成或混合光学电路中的其它应用对本领域的技术人员而言也是显而易见的。
本发明的混合光电子装置具有结构紧凑、小型化、高速度和与混合和集成结合的可靠性。此外，混合装置适合于批量生产。
图8所示为表征本发明的光电子装置的任一实施例的装置。一个数据输入/输出单元870被用于通过导线803、804、805和806将电流逐步增加到多段激光器800的各段，并且还在光线通过长期光栅或特征提取滤波器810之前或之后读取来自采样被激光器发射的光的功率的光电二极管853、863的电流。由于被长期光栅或特征提取滤波器810输送的功率的比例以已知的方式取决于光的波长，这使得光的波长被测定。通常，如果此关系是线性的，此关系可以通过下面的方程描述波长＝m(被滤波器输送的功率/进入滤波器的功率)+c其中m和c是常数。
常数m和c是从初始滤波器处理量光谱导出的。对于非线形滤波器，使用一种修正算法来确定波长。
可以使用微处理器来代替数据输出/输出单元。可以使用一种具有内嵌或连接的存储器的特定用途集成电路(ASIC)，尤其是当需要高速波长转换时。
通常，表征光电子装置的方法如下多段激光器的三或四段电流自动以预定的增幅扫描并且采用已知的长期光栅或特征提取滤波器的特征在每个设置下计算发射的光的波长。供应给每段的波长和相应的电流然后可以被存储在一个查询表中。
对于使用所需要的预定波长，比如在通讯环境中，光电子装置可以结合一个Fabry Perot校准器，如图1所示，或者其它的波长锁定装置。然后当设置了到激光器的各段的电流以便激光器以预定的波长之一发射，诸如一个ITU通道波长，第三光电二极管173记录所检测到的当地最大功率。对应于这些波长的控制电流然后可以存储到一个查询表中。此程序在图9中说明，其中对于长期光栅或特征提取滤波器，被长期光栅或特征提取滤波器输送的功率比例被用于定位波长，步骤910，即实现频道识别，然后，使用fabry perot校准器，在从第三光电二极管173的最大信号，见图1，驱动电流在步骤920锁定到预定的波长。采用外部频率锁可以实现相同的锁定。
如图10所示，在使用期间可以重新校准光电子装置。全部的步骤顺序如下。一个初始校验产生一个查询表。然后，连续地循环操作如下步骤设定波长；锁定；校准预定的波长。对原位的激光器的临时的小重新校准，步骤1000，通过采用波长fabry perot锁校准器来进行从而修改了查询表的值。允许通过简单电流调整运算来寻找最大的第三光电二极管信号。总循环过程如下设置波长，步骤910；锁定，步骤920；校验预定的波长，步骤1010；重新校准，步骤1000和锁定，步骤1020。
通过这样的表征方法，具有多输入和输出通道的单数据获取单元可以替换一系列的电流源和现有技术中的波长计或分析仪，而避免了现有技术中表征的费时。经证明，采用所述的适用于装置的批量生产的快速数据处理运算方法将现有技术的一周的时间降低到几分钟是可能的。短的表征时间的进一步的利益是环境改变尤其是温度改变，致使光学设备非稳定的效果被降低到最小。
在通讯的应用中，由于数据的冗余，通过注意到仅有六个到八个超模式就足以覆盖全部的ITU频率计划，还可以实现时间的进一步降低。此过程还可以转移由于设备老化所产生的误表示数据的漂移。
图11所示为根据本发明的适合于光电子装置的批量生产的表征设置。多段激光器1100的各段通过导线1103、1104、1105、1106由控制器1101驱动。激光器发射的光被被导管1150输送到长期光栅或特征提取滤波器1110，用于确定激光器发射的光的波长。通过使用一个光束分配器1151采样进入滤波器的功率来进行测定。采样的功率和通过滤波器输送的功率被光电二极管电路1153所测量。作为一系列的预定的波长之一，通过进一步的采样激光器、fabry perot校准器或其它的频率锁1120发射的光来校准波长。被光电二极管电路1153产生的数据由一个数据总线1102输送到控制器1101。一个来自装置的第一激光器输出1104被来自相对于获取用于表征的光的面所获取，或者被来自表征的面的另一个输出1105所获取。通过考虑图12-21可以理解一种用于表征本发明的光电子装置的快速方法的采样方法。图12中，其中阴影度表示测量的功率输出，该图是通过将四段激光器的增益和相位电流保持恒定并且逐步增加激光器的前和后段电流建立的。在SG-DBR激光器和在GCSR激光器的一端和中段的情况下，通过前后段理解位于激光器的一端的激光器的Bragg衍射光栅段。例如，电流可以以0.01mA的步长从0mA增加到40mA，对应于1-4000比特。此图对应于对由图1中的第一光电二极管153测量的前和后电流的每个联合的直接测量的功率。图13所示为由长期光栅或特征提取滤波器1110(见图11)输送的功率百分比的相应的图，其中阴影度表示输送的功率的百分比。由于输送的功率百分比与光的波长相关联，图13也可以被认为是波长的平面图。
使用此波长平面可能使超模式之间的边界可视化。参见图14，然后沿着稳定的中线143在这些模式边界141、142之间的中间部分寻求稳定的工作点。
如图15所示，这些稳定线的位置可以通过采样获得。沿着测量的五个线进行测量的步骤如下1)将前电流维持在第一常数值1510，而改变后电流；2)将前电流维持在第二常数值1520，而改变后电流；3)将后电流维持在第一常数值1530，而改变前电流；2)将后电流维持在第二常数值1540，而改变前电流；5)前电流从第一常数值1510增加到第二常数值1520，而后电流从第二常数值1540减小到第一常数值1530。在GCSR的情况下，在第五步骤，前、后电流分别在不同的常数之间改变从而在GCSSR激光器中容纳超模式的不同方位。
图16描述了沿着每一个这些测量的线的周期性的波长变化，其中超模式边界是在水平簇点间的步骤。(通过2个或3个顶点清楚的循环是从较轻的阴影到较黑的阴影循环2或3次以便描述输出波长而人工制成的。)对应于图15上的点1550，需要将这些簇的每个的中点拣出，以便确定稳定中线1560的位置。然后可以绘出这些中点线的可以接受的近似值1560(见图15)。
沿着此中线移动并测量每个点的直接功率导致绘出图17所示的图。然后需要发现稳定点，其可以在输出功率中的两个当地最小值之间的中间部分获取。为了测定当地最小值，采用了一个具有固定数目(例如，开始为10个点)的测量点的移动窗口。在窗口的10个点内的，记录具有最小功率值的点，然后由一个点移动窗口以测定具有最小功率的新点。所返回的对于窗口的10个连续的运动的最小值就是当地最小值。但是，如图17所示，进一步沿着中线，需要更宽的窗口来包含更宽的弧，例如增加到150个测量点。
建立起当地最小值之后，稳定中点的位置就可以建立在如图17所示的当地最小值之间的中间部位。在建立稳定中点的位置时，它们可以存储在查询表之中。
为了覆盖稳定点之间的全部频率范围，激光器的相位电流可以被改变。因此必须确定覆盖从一个相位平面图中的一个稳定中点到在相同的超模式和相同的相位平面图中的下一个稳定中点的全部频率范围所需要的相位电流增幅。图18中用点表示这些稳定中点。因此，点A是在频率fa，点B是在频率fb。为了在这些频率之间的频率下操作激光器，相位电流被增加。通过增加相位电流和沿中线移动，就通过了稳定中点，其频率高于点A，但是低于点B。就需要寻找哪个用于点A的相位电流增幅会产生与点B相同的频率。
这可以通过到点B并找到相关的频率，然后使前、后电流维持常数来实现，而相位电流增加直到激光器在初始频率下操作。以此方式来确定所需要的相位增幅。
在每个稳定中点和下一个点之间的“距离”是从前光栅电流If和后光栅电流Ib，以(If2+Ib2)来确定，其单位为mA。此距离和相关的相位增幅，例如被分为14个部分，见图19，以便沿着距离/14的每个增幅对应与相位电路/14的相位电流增幅。此例子的结果是使频率增加了(fa-fb)/14，见图20。
不是除以14而是用相位值除以距离可以实现在激光器的频率控制中的最大的精度，这会使对于增加到相位电流的一点电流，使所需要的距离沿着相位平面图移动。频率控制的精确度是通过将各点之间的频率跳变除以相位电流增幅来给定，其单位为GHz/mA。最终的频率控制精确度可以通过涉及对于相同的频率增加的较大的相位电流的紧密相关的方式来发现。
频率可以通过频率计来确定，但是对于大批量的生产，可以采用从平面图输送的功率的百分比的示例方法。平面输送的功率百分比是有效的波长平面，当特征提取滤波器足够精确时，每点的波长可以直接确定。
通过测量在每个超模式中的第一点(在图18中对8个超模式标号为1到8)并且将频率/相位和“距离”的关系结合起来以提供一个数据GHz/mA2，可以确定每点的频率。
然后，可以选择每个相关的点并且在此点周围进行非常细微的调整以便对于在需要的频率计划(如ITU栅格)中的特定的频率确定最精确的工作点。
在上述的一个很快的版本中，在图18中只有一个标号的点需要用频率计测量以识别在此计划中的所有其它的点。
通过重复上述步骤循环可以逐渐地增加增益段电流，IG，一个添加处理过程允许光学功率被包括到查询表数据中，希望在计划中的所有的频率具有一致的功率。
上述技术有许多的选择变化。
例如，为了确定稳定中点，如果以较慢的方式，可以发现功率和P％数据的数字处理可以得到满意的结果。相位平面图可以被微分或通过含有有平滑技术的各种数字滤波器，因此，在确定模式边界前强调特征。当超模式和纵向模式，在图17中的弧线，最终定位于每个区域的中心，因此可以作为在图18中的稳定点定位。此设置然后可以用频率计测量。对每个相位电流获取一个没置。在这些设置之间插入相位电流对于在需要的频率计划中的每个频率产生一个三相电流(IF，IB，IP)。这些方法之一的示例如下1.测量总的P％百分比的平面图。2.应用一个“角度微分器”即
[-1 0 0]即用上述的矩阵卷积(convolve)该平面3.找到这些顶点的砍值以便只有超模式边界可以在微分平面中被发现，如下4.提取一个对角线(如上述的对角线)。5.对此数据采用移动平均滤波器(即将所述的四个连续的点取平均并用做在新的矩阵的点，沿着初始数据的增幅为1并重复)。(这将产生一个点的行列，比所测量的数据少4个点)。6.这将给出具有对应于超模式跳变的最大的顶点的一排顶点。使用相同的运算方法的当地最大顶点以如上所述的方式被发现，从而发现当地最大值。7.顶点被分类，最大的，第一以及5个最大的顶点被删除，然后发现下面5个的平均值。计算的对角线平均值的20％被取为chop值。8.此chop值被应用于微分平面图，上述的所有的点被用值1代替，所有的相等的或之下的点被设为0。图21所示为一个示例。9.运行一个可以跟踪每个超模式的算法，然后将一个曲线匹配到每个边界。然后可以发现中线。10.将功率平面图微分两次使平面图显示出所有的边界，包括超模式和纵向。于这些和中线所共有的点是中“纵向边界点”。在这些最终设置之间的中点是稳定工作点。功率的一致性可以按以下方式实现，注意D/A电流驱动器的使用意味着电流以比特标明。
在提取中线后，每个超模式(或中线)依次被采用。· 测量第一和最后的点的功率(增益为最大值)，然后第一点的增益电流没置减小直到来自第一点的功率与最小的点的功率相同。然后，计算功率/增益电流比率，即从第一和最后的点的功率的差值除以第一点的增益的变化以实现与最后的点的功率平衡。
功率增益率仅意味着对于增益的每次1比特的变化，就有与该比率相等的功率的变化。· 获得中线的测量结构；即沿线的功率被测量。· 通过从每个点的测量功率减去最低的功率(即最后的点)乘以功率/增益比率然后从最大增益设置值中减去这些从而建立一排增益值。· 注意为了更加精确，中线可以被分为几段，功率/增益比率可以从每段获得。· 下一个任务就是发现增益/相位比率，即对于增益中的每个变化需要相位电流的变化以便保留在最稳定的点。
这可以以与上述的相似的方法实现从稳定点开始，该稳定点是从上述的测量的中线中提取出来的，获取在最大增益的稳定点，测量它的频率。然后应用增益值，这在上述的内容中做过描述，以及测量它的频率。施加相位电流直到频率相同，然后在增益的变化被所计算的相位变化除，从而给出了增益/相位比率。
从所估计的增益值，可以建立一排“调整”相位值，其可以被增加到上边所测定的相位值中。
图22所示为输出功率对常数增益和随常数输出功率变化的增益的图。
权利要求
1.一种光电子装置(1)，其包括结合有用于测量激光器所发射的射线的波长的波长测量装置的可调激光器(100)，其中波长测量装置包括长期衍射光栅装置(110)，其在入射光束的波长和被光栅输送的入射激光束的功率的比例之间有一个已知的关系。
2.根据权利要求1所述的光电子装置，其中衍射光栅装置(110)包括一个长期衍射光栅滤波器。
3.根据权利要求1所述的光电子装置，其中衍射光栅装置(110)包括Bragg光电子能带隙晶体。
4.根据权利要求1到3所述的混合的光电子装置，还包括波长锁定装置(120)，用于把激光器锁定到一系列的预定的波长之一。
5.根据前述的权利要求所述的光电子装置，其中可调的激光器(100)是一种多段的激光器。
6.根据前述的权利要求所述的光电子装置，其中波长测量装置还包括输入功率测量装置(153)，用于测量入射光束的输入功率；输出功率测量装置(163)，用于测量通过光栅和处理装置输送的光束的输出功率，以便计算输入功率和输出功率的比值从而确定所输送的功率的比值，进而确定输送的光束的波长。
7.根据权利要求6所述的光电子装置，其中输入功率测量装置包括输入采样装置(151)，用于提供来自激光器所发射的光束的采样光束和一个输入光电子二极管(153)用于测量采样光束的功率。
8.根据权利要求7所述的光电子装置，其中输入采样装置包括输入光束分配器(151)。
9.根据权利要求8所述的光电子装置，其中输入光束分配器(251)包括在输入光束(255)所被输送通过的波导管中的折射率的不连续性(158)，因此一部分的入射光束(256)由于不连续性而偏离出波导管之外。
10.根据权利要求7到9所述的光电子装置，其中可调激光器(100)具有一个第一功率输出面(101)和一个相反的第二监视输出面(102)，输入采样装置(151)适用于对从第二监视输出面输出的光束采样。
11.根据前述的权利要求任何一个所述的光电子装置，其中衍射光栅装置是这样的通过衍射光栅装置输送的输入光束的功率部分正比于输入光束的波长。
12.根据权利要求6到11所述的光电子装置，其中输出功率测量装置包括输出采样装置(161)，其用于采样被衍射光栅装置(110)输送的功率，以及一个输出光电子二极管(163)，共用于测量输出的采样功率。
13.根据权利要求12所述的光电子装置，其中输出采样装置包括输出光束分配器(161)。
14.根据权利要求13所述的光电子装置，其中输出光束分配器包括在输入光束所被输送通过的波导管中的折射率的不连续性，因此一部分的入射光束由于不连续性而偏离出波导管之外。
15.根据权利要求13所述的光电子装置，其中输出光束分配器包括一个在输入光束所被输送通过的波导管中的光电子能带隙人工晶体，因此一部分的入射光束由于人工晶体而偏离出波导管之外。
16.根据权利要求4到15任何一个所述的光电子装置，其中波长锁定装置包括一个Febry Perot或Fizeau校准器(170)，用于仅输送预定波长的激光器光束，校准器(etalon)被安置在来自激光器的输出光束中；以及功率测量装置(173)，用于测量被校准器输送的输出光束的功率；和反馈装置，用于根据功率测量装置测量的功率来控制激光器发射的光束的波长。
17.根据权利要求4到16任何一个所述的光电子装置，其中可调激光器(100)、波长测量装置(110)和波长锁定装置(120)被安排成在一个平面中排列。
18.根据前述的权利要求中任何一个所述的光电子装置，还包括硅、硅酸盐和硅基硅酸盐的基片(130)之一。
19.根据权利要求4到18任何一个所述的光电子装置，其中波长锁定装置(120)包括一个玻璃或石英的Fabry Perot校准器，或一个玻璃或石英的Fizeau校准器，或充气的间隙。
20.根据权利要求1到3任何一个所述的光电子装置，其中光电子装置与该装置外的波长锁定装置联合使用。
21.一种光电子装置，包括硅或硅酸盐基片(130)，安装在硅或硅酸盐基片的多段激光器(100)，一种与激光器光连接的输出光导纤维(140)，用于从激光器的第一功率输出面(101)输送激光器光束，第一集成波导管(150)，用于将监视光束从激光器的第二监视输出面(102)输送到长期光栅滤波器(110)的输入端，在第一波导管中的光束分配器(151)，用于分配在长期光栅滤波器和用于测量监视光束的功率的第一光电子二极管(153)之间的监视光束；一个第二集成波导管(160)，其连接在长期光栅滤波器的一个输出端和Fabry Perot或Fizeau校准器的一个输入端(120)之间，适用于输送预定的频率，一个在第二集成波导管中的第二光束分配器(161)，用于分配从长期光栅滤波器射出的激光器光束，一个第二光电子二极管(163)，用于测量从长期光栅滤波器射出的光束的功率，一个第三光电子二极管(173)，用于测量从校准器射出的功率，从而对应于预定的频率之一测量从校准器射出的光束功率何时为当地最大值，和控制装置，其用于根据从第三光电子二极管接收的信号控制到激光器段的电流，因此从激光器发射的光束的波长可以被滤波器装置测量以便产生激光器工作条件查询表，从而产生一给定的波长，控制装置可以被用于将激光器锁定在一预定的频率。
22.在具有纵向轴的光学波导管中提供了一个光束分配器，该光束分配器包括一个在具有第一折射率的波导管的第一部分(150)和具有第二折射率的第二部分(158)之间的波导管中的界面(151)，其中界面向纵向轴倾斜从而使在界面上的一部分(156)入射光线(155)偏转或分流到波导管之外。
23.根据权利要求22所述的光束分配器，其中光学波导管是一种平面光学波导管。
24.根据权利要求22或23所述的光束分配器，其中界面向纵向轴倾斜的角度基本为45度。
25.根据权利要求22到24的任意一个所述的光束分配器，其中光学波导管形成在基片平面上，界面(251)被倾斜从而偏转一部分(256)平行于基片平面的入射光束(255)。
26.根据权利要求25所述的光束分配器，其中界面将一部分(256)入射光束(255)分流到第二波导管(254)中，最优的情况是，形成T-连接或Y-连接。
27.根据权利要求22到24的任意一个所述的光束分配器，其中光学波导管(150)形成在基片(130)平面上，界面(151)被倾斜从而偏转一部分(156)垂直于基片平面的入射光束(155)。
28.一种在具有纵向轴的光学波导管中提供了一个光束分配器的方法，包括在具有第一折射率的波导管的第一部分(150)和具有第二折射率的第二部分(158)之间的波导管中的形成一个界面的步骤，其中界面向纵向轴倾斜从而使在一部分(156)入射到界面的光学射线(155)偏转到波导管之外。
29.根据权利要求28所述的方法，其中形成界面的步骤包括在波导管的第一部分中提供感光材料区的步骤，和将感光材料暴露在紫外光(259)中以形成第二部分。
30.根据权利要求28所述的方法，其中形成界面的步骤包括在波导管中切槽的步骤和用与波导管不同的折射率的材料填充槽的步骤。
31.根据权利要求30所述的方法，其中填充槽的步骤包括用氮填充槽。
32.一种表征混合光电子装置的方法，该混合光电子装置包括一种结合有波长测量装置(810)的可调的多段激光器(800)，该方法包括以下步骤(a)提供数据输入/输出装置(870)逐步地增加多段激光器的段的电流，从而使激光器发射出激光射线，b)使用波长测量装置测量从激光器发射的射线的波长和c)根据测量的波长将提供给激光器的段的电流值存储到查询表中。
33.根据权利要求32所述的方法，其中结合的光电子装置还包括波长锁定装置(1120)，在步骤b)中，波长锁定装置被用于测定何时发射出具有一系列的预定波长之一。在步骤c)中查询表被用于存储对应于预定的波长的激光器供应给激光器的段的电流的值。
34.根据权利要求32或33所述的方法，其中波长测量装置包括一个根据入射光束的波长而输送一部分入射光束的滤波器，采用波长测量装置的步骤包括测量入射光的功率的步骤；测量被滤波器输送的光的功率，测定被输送的入射光束的比例以计算入射光束的波长。
35.根据权利要求34所述的方法，其中测量入射光束的步骤包括以下步骤在入射光束的轨道上提供光束分配器(1151)；采用光束分配器使一预定部分的入射光束偏转出波导管之外，测量偏转出波导管之外的部分光束的功率。
36.一种表征结合的光电子装置的方法，其包括一种具有前、增益、相位和后段的可调的多段激光器(1100)，其结合有一个光学滤波器(1110)用于输送被激光器发射的入射光束的一部分功率，其比例取决于入射光束的波长，该方法包括以下步骤a)在增益和相位段施加恒定电流，从而使激光器发射激光射线；b)在后段和前段上分别施加逐步递增的后和前电流；c)用激光器测量输出功率以确定前后电流的值，在此电流下，激光器发射的射线的波长远离激光器的模式边界；d)测量由滤波器输送的功率的比例从而测量发射的射线的波长；e)在查询表中存储前、后电流的值，在此电流下，激光器发射的射线的波长远离激光器的模式边界，以及存储相应的射线的波长。
37.根据权利要求36所述的方法，其中步骤b)包括应用采样电流以测定模式边界(141)的位置。
38.根据权利要求37所述的方法，其中应用采样电流的步骤包括以下步骤b1)将前电流固定在一个第一前常数(151)，并且逐步增加后电流；b2)将前电流固定在一个第二前常数(152)，并且逐步增加后电流；b3)将后电流固定在一个第一后常数(153)，并且逐步增加前电流；b4)将后电流固定在一个第二后常数(154)，并且逐步增加前电流；b5)将前电流逐步从第三前常数(151)增加到第四前常数(152)，而将后电流逐步从第三后常数(154)减少到第四后常数(153)，以便确定在每个超模式(supermode)中的稳定中线(143)。
39.根据权利要求38所述的方法，其中在确定稳定中线后，接下来的分别逐步增加后电流和/或前电流的步骤包括使各电流沿着稳定中线逐步通过一系列的增加值的窗口，并且确定在哪个系列的增加值时，功率输出最小，重复地增加每个系列的增加值并且重新确定对应在窗口中的最小输出功率从而确定对应于在功率输出中的当地最小值的电流值。
40.根据权利要求39所述的方法，其中步骤e)包括确定对应于在功率输出中的当地最小值的电流值之间的中点以便获得激光器工作的稳定中点，并且在查询表中存储此稳定中点的代表数据以及相应的发射的激光光束的波长。
41.根据权利要求40所述的方法，其中用于操作在稳定中点频率之间的频率的工作条件是通过确定和在查询表中存储进入激光器的相位段的相位电流所需要的值来确定的。
42.根据权利要求41所述的方法，其中相位电流所需要的值是连续地通过将后电流和前电路稳定在一个第一稳定点的常数来确定的并且逐步增加相位电流直到达到对应于下一个稳定点的激光发射频率，计算所要求的相位电流的增幅值以便以要求的频率增幅从第一稳定点增加到第二稳定点。
43.根据权利要求36到42所述的方法，其中进入激光器的增益段的增益电流被存储在查询表中，从而激光器可以在所有的频率以相同的功率输出工作。
全文摘要
一种混合光电子装置(1),包括一个多段激光器(100)和一个波长测量元件(110)从而可以测定其远离模式边界(141、142)的稳定工作特性并存储在查询表中。还公开了一种使用采样技术表征此装置的快速方法。此装置可以结合一个频率锁定元件(120)使得激光器发射出预定频率的射线。
文档编号G02B6/42GK1379925SQ00814269
公开日2002年11月13日 申请日期2000年10月16日 优先权日1999年10月15日
发明者罗南·F·奥多德 申请人:楚纳米光子学有限公司