用於光纖數據通信的光發射機的製作方法

2023-07-29 12:31:01

專利名稱：用於光纖數據通信的光發射機的製作方法
技術領域：
本發明的實施方式總體上涉及高速數據通信協議。
背景技術：
在數據通信業中，光纖信道協議(FCP )和光纖連接性(FICON ) 協議被用於聯網、存儲以及相關的應用。本領域技術人員將會理解， 本公開中的術語"FCP"與術語"FICON"可以互換，因為在此記載 的本發明的公開涉及這些協議的物理層屬性。已經針對在多個數據 率上進行操作的FCP協議定義了光纖光鏈路，如ANSI所定義的。 目前，1Gbit/s和2Gbit/s鏈路最常使用，儘管正在開始出現諸如 4Gbit/s及以上的更高數據率。由於FCP已經被建立作為計算機網絡 的關鍵使能器，因此採用較高帶寬的FCP鏈路將是有益的。FCP定 義為在最多10km的單模光纖上支持4Gbit/s數據率。以廉價、有效 的方式在具有長波長(LX)源(例如，1300 nm的中心波長)的單 模光纖上實現4Gbit/s以及更高的數據率仍然是一個挑戰。
支持4Gbit/s數據率的一種方式是通過使用分布式反饋(DFB ) 雷射器。DFB雷射器可以在10km的單模光纖上支持4Gbit/s數據率， 但是其相對於Fabry-Perot雷射器而言是昂貴的。Fabry-Perot ( FP ) 雷射器在較低數據率和較短(例如，3-5km)的FCP鏈路中可靠地使 用。為了使FP雷射器能夠在10km上以4Gbit/s進行工作，在設計中 需要額外的複雜性，以符合FCP標準。
當光脈衝以短波長(SX)光源(例如，850 nm)在多模光纖 上進行4Gbit/s以及更高數據率的實現來傳播通過線路時，短波長 (SX)光脈衝以及LX脈沖存在過度的色散。色散是雷射中心波長 和譜寬的函數。與LX鏈^^的10km相比，SX《連^各通常^L定在100米-300米內。即使是在很短的光鏈路中，色散也是BER性能的限制因素。
光通信鏈路需要放大(例如，半導體光放大器、半導體雷射放 大器、摻雜光纖放大器等)，以便擴展其距離以用於諸如存儲區域 網絡中的故障恢復的應用。已經證明，半導體光放大器(SOA)在 這方面是有用的。SOA十分類似於光泵浦的直列半導體雷射二極體。 在需要極長距離的傳統應用中，最為期望的傳統SOA特徵是高增益。 傳統SOA設計為具有寬譜寬來適應較大範圍的輸入設備(以及在某 些情況下可能的波長復用)。其放大傳入的光信號，而不需要光/電 轉換。
SOA本身在構造上非常類似於Fabry Perot半導體雷射二極體， 其使用鏡式光腔來實現光信號傳播方向的增益。使用鏡來增加通過 增益介質的有效路徑長度，並由此增加總增益。相對於諸如摻雜光 纖放大器的其他光學放大技術，SOA可以提供潛在的優點。然而， 可以利用任何半導體光放大器(也即，可以相對於其閾值設置進行 偏置、並且易於與雷射器封裝進行集成的放大器)來實施在此公開 的本發明。SOA可以與其他半導體器件單片集成在公共晶片或者襯 底上，並且以低價大規模生產。SOA可以容易地放大各種波長(包 括1300 nm和850 nm)的光。SOA是方丈大在諸如FCP的數據通信系 統中最常用的1300 nm和850 nm波長窗口 (包括乙太網的其他工業 標準也使用相同的波長窗口 )的 一 種低價解決方案。在增益箝位(g ain clamping)配置中，也經常使用SOA。為了優化可達到的距離，還 可以將SOA置於靠近長距離光鏈路的中部。
通過引用在此併入的美國專利6,674,784，公開了一種分布式 反饋雷射器器件。通過引用在此併入的美國專利6,584,126公開了一 種可調諧Fabry-Perot雷射器器件以及 一 種垂直腔面雷射發射 (VCSEL)器件。通過引用在此併入的美國專利6,894,833公開了一 種用來放大雷射器輸出的半導體光放大器。通過引用在此併入的美 國專利6,839,481公開了一種多模光纖系統。

發明內容
鑑於上文，本發明的實施方式提供一種用於擴展SX和LX光 纖長度的帶寬的器件和方法。本發明提供一種光學發射機封裝器件，
包括雷射二極體；以及半導體光放大器，其直接置於雷射二極體 之後，或者直接連接至或是非常靠近雷射器。在此描述的這種配置 可以稱為具有雷射二極體的前置放大器配置，其中半導體光放大器 適於在這樣的 一個頻域操作，從而半導體光放大器對來自雷射二極 管的光學波長進行濾波和整形，並且其中半導體光放大器偏置到用 於該半導體光放大器的放大閾值之下。該器件還包括反饋電路，其
包括分光器，其中反饋電路對來自半導體光放大器的已整形光輸出 進行採樣，並且動態地調節半導體光放大器和雷射二極體中的一個
或二者。
在其他實施方式中，本發明的半導體光放大器和雷射二極體從 雷射二極體的中心點相互偏離 一個受控的量，使得雷射二極體的預 定量的光輸出耦合至多模光纖。
而且，可以將本發明的半導體光放大器配置為頻域譜濾波器， 以便調整在1300 nm或者850 nm標稱中心波長的雷射二極體的頻率 內容。本領域的技術人員可以理解，貫穿本說明書，將使用術語 "FCP"，可以理解，這裡的描述適用於FICON 4連^^的物理層，並 且更一般地適用於任何類似光纖光數據通信協議。
通過本發明的技術，將認識到其他特徵和優點。在此詳細描述 了本發明的其他實施方式和方面，並且將其視作要求保護的本發明 的部分。為了更好地理解本發明的優點和特徵，參考說明書和附圖。
當結合下文描述和附圖來考慮時，本發明實施方式的這些以及 其他方面將得到更好的認識和理解。然而，應當理解，儘管示出了 本發明的優選實施方式及其多個具體細節，下文的描述是作為示範 而非限制給出的。在本發明實施方式的範圍內，可以在不背離其精 神的情況下進行多種改變和修改，並且本發明的實施方式包括所有這種修改。


現在，將參考附圖並且僅作為示例來描述本發明的實施方式，
其中
圖1示出了用於擴展光纖帶寬的光學發射機封裝器件的示意
圖2示出了用於在多模光纖應用中擴展光纖帶寬的光學發射 機封裝器件的示意圖；以及
圖3是示出了本發明實施方式的優選方法的流程圖。
具體實施例方式
式及其各種特徵和有益細節，其中非限制性實施方式在附圖中示出， 並且在下面描述中詳述。應當注意，附圖中所示的特徵未必是按比 例繪製的。為了避免不必要地混淆本發明的實施方式，省略了對公 知部件和處理技術的描述。在此使用的示例僅僅意在促進對可以實
施本發明實施方式的方法的理解，以及進一步使本領域技術人員能 夠實施本發明的實施方式。因此，不應認為示例是對本發明實施方 式的範圍的限制。
如上所述，存在著提高光纖帶寬的需求。本發明的實施方式通 過提供一種器件和方法來實現該需求，該器件和方法使用已有的激 光發射機結合共同封裝中的半導體光放大器來擴展光纖光長帶寬。 現在將參考附圖，並且更具體地，參考圖l到圖3，其示出了本發明
的優選實施方式，其中貫穿附圖，類似的參考文字始終表示相應的特徵。
圖1的實施方式示出了光發射機封裝器件(100),其包括 雷射二極體(102);以及半導體光放大器(104),該半導體光放 大器直接置於雷射二極體之後，或者直接連接至或是非常靠近雷射器，在具有雷射二極體的前置放大器配置中，其中半導體光放大器 適於在這樣的頻域中操作，從而半導體光放大器對來自雷射二極體 的光輸出(112)進行濾波和整形，並且其中半導體光放大器偏置到 用於該半導體光放大器的放大閾值之下。對該前置放大器進行配置
包括將半導體光放大器置於鄰近雷射二極體處，使得雷射二極體
的光輸出對於雷射二極體而言是最高的。半導體光放大器可以提供 的任何增益是可選的、可忽略的，或者不提供的。半導體光放大器 偏置到放大閾值之下，並且提供對雷射二極體的光線輸出的光譜屬
性進行整形。
在另一實施方式中，光發射機封裝器件還包括反饋電路 (106)，其包括分光器(110),其中反饋電路對來自半導體光放 大器的經過整形的光輸出(114)進行採樣，並且動態地調節半導體 光放大器和雷射二極體中的 一個或二者。反饋電路連接到至少 一個 控制電路(108)，該控制電路動態地調節半導體光放大器和雷射二 極管中一個或二者的偏壓和/或驅動電流。
在圖2所示的實施方式中，器件包括雷射二極體(102);以 及偏移半導體光放大器，其直接連接在雷射二極體之後，或者直接 連接到或者非常接近雷射器，所述半導體光放大器(202 )從雷射二 極管的中心點偏移 一 個受控的量，使得雷射二極體的預定量的光輸 出耦合至多模光纖(200 )，其中半導體光放大器適於在這樣的頻域 操作，從而半導體光放大器對來自雷射二極體的光輸出進行濾波和 在光i普上進行整形。優選地，將來自半導體光放大器的經過整形的 光輸出(114)發送到多模光纖的選定模式中。在此實施方式中，在 雷射二極體與半導體光放大器之間不需要降低模式噪聲的光連接 器。偏移允許模式噪聲的降低。在本發明的又一實施方式中，偏移 位於光纖芯直徑的50%到90%的範圍內。
在本發明的又一實施方式中，具有偏移半導體光放大器的器件 還包括反饋電路(106),其包括分光器(IIO)，其中反饋電路適 於對來自半導體光放大器的經過整形的光輸出進行採樣，並且連接到至少一個控制電路(108),所述控制電路動態地調節半導體光放
大器和雷射二極體中一個或二者的偏壓和/或驅動電流。
圖3示出了本發明的另一實施方式。圖3示出了用於擴展光纖 帶寬的方法的流程圖，該方法包括將雷射二極體直接連接至半導 體光放大器(300 );從雷射二極體生成光輸出(301);由在具有 雷射二極體的前置放大器配置中，緊靠雷射二極體之後放置的半導 體光放大器接收所述光輸出(302 );以及通過將光輸出發送到半導 體光放大器而在光譜上對光輸出進行濾波，以產生經過整形的光輸 出(304 )，對來自半導體光放大器的光輸出的波長進行整形(306 )。 該方法還包括通過調節半導體光放大器或者雷射二極體中一個或 二者的偏壓和/或驅動電流，來動態地調節半導體光放大器和雷射二 極管中的一個或二者(308 )。
在該方法的另一實施方式中，該方法包括有意地偏移雷射二極 管和半導體光放大器，其中有意地偏移有助於多模光纖中的模式調 節。在又一實施方式中，該方法還包括通過將半導體光放大器從 雷射二極體中心點偏移 一 個受控的量、以及將經過整形的光發送到 多模光纖中，從而將預定量的光輸出耦合至多模光纖。
更特別地，在此公開的器件和方法可以將已有的Fabry-Perot LX雷射器在單模光纖上擴展到10km，這是通過使用前置放大器配 置中的半導體光放大器(SOA)(其被偏置到闞值之下)來控制激 光器語寬而實現的，如上所討論的那樣。本發明的SOA偏置到其放 大閾值水平之下。本發明的前置放大器配置將SOA置於緊靠雷射發 射機之後，其中在該處雷射輸出功率已為最高。不同於在時域中使 用SOA來實現高增益，本發明的SOA在頻域中進行操作，用于波 長濾波。這樣，SOA充當了丟棄不需要的光譜分量的濾波器；這有 效地使Fabry-Perot雷射器或者本領域內已知的其他雷射器(例如， VCSEL雷射器、DFB雷射器等)的光譜變窄。
從SOA發出的光具有與輸入光的光語不同的譜寬。由此，進 入SOA的光信號的光譜屬性將發生改變。波長選擇性增益還可以導致額外光功率在不同頻率範圍間分布。如果SOA在較高的電壓或者 電流操作(仍然在閾值之下)，則增益增加，並且光譜擴展同樣改
變
其餘光譜分量仍可以經歷某些增益，由此可以調控總的光功率
輸出。來自SOA的增益可以克服與耦合至所連接雷射器和光纖的 SOA相關聯的任何光耦合或者插入損耗。以此方式，結合的雷射器 /SOA級聯的輸出產生其光譜和中心頻率符合FCP規範的光信號。
本發明包括在這裡公開的器件和方法中使用SOA，該SOA被 偏置到閾值之下，並且置於緊靠半導體雷射源之後。在這種情況下， 不是針對其放大屬性而使用SOA。相反，其僅用作頻率選擇性組件， 以便在光i普上對雷射器輸出進行濾波。SOA以這種方式工作，是因 為SO A操作在與期望的雷射源相同的波長(通常是13 00 nm或者850 nm)。 SOA不進行增益箝位，並且實際上，SOA產生的任意量的增 益都並不如其在傳統SOA應用中那樣關鍵或者重要。如在此描述的， SOA僅需要選擇性地放大雷射器光譜所期望的那些分量，以調節整 體頻率包絡以及最小化色散。與諸如摻雜光纖放大器的其他光放大 技術相比，SOA可以提供潛在的優點。然而，可以利用本領域技術 人員已知的任何光放大器來實施在此公開的發明，只要該放大器操
作在半導體雷射器的適當波長範圍內。
本公開的一些元件包括使用與短波長(SX) VCSEL (應理解， 貫穿說明書，對VCSEL雷射器的任何討論適用於本領域已知的任何 SX雷射器)或者長波長(LX)雷射二極體集成的半導體光學放大器 (SOA) 。 SOA直接置於相同封裝或者不同封裝中的雷射器之後。 SOA選擇性地對雷射的光語內容進行整形，使得結果信號在通過光 纖通信鏈路傳播時將經歷較少的色散。SOA不提供增益，而是在頻 域中修改雷射的光譜屬性。
更特別地，在本發明的又一實施方式中，可以使用基於對輸出 光進行採樣的分光器的反饋迴路來動態調節SOA和雷射器的偏壓或 者驅動電流或者二者。本發明的此實施方式使用反饋控制迴路來監
12測SOA偏壓，其中具有允許SOA調控雷射器偏壓的監測和控制電 路，作為控制其光譜輸出(其鐠寬、中心波長或者二者)的手段。
本發明還在輸出光通過SOA之後對其進行釆樣，並且可以使用光譜 內容或者信號強度來控制SOA偏壓和雷射器偏壓中的一個或者二 者。由此，還可以調節SOA驅動電流和雷射器驅動電流中的一個或二者。
更特別地，對於包括涉及sx鏈路和多模光纖的多模應用的實
施方式，由於如前所述的多模鏈路的高損失，發送到光纖的光量應
當最大化。然而，可以監測來自SOA的電流，並將其與光譜整形相
關聯。該信息可以用來通過去往雷射二極體驅動器的反饋電路來數
字化地控制雷射二極體。在多模應用中，有意地偏移雷射二極體與
放大器的對齊，從而控制模式發送分布，以及優選地僅僅激勵光纖
的某些模式。這種不對齊將降低可達到的峰值光功率。然而，將偏
移考慮在內，光功率應當仍然是最大化的。
如貫穿本公開所描述的，可以通過使用前置放大器配置中的半
導體光放大器(SOA)對雷射進行色散補償，以控制雷射譜寬。
甚至更特別地，如前所述，前置放大器配置中的SOA位於緊 靠VCSEL雷射發射機之後，其中雷射輸出功率已為最高。SOA濾除 並且丟棄掉不需要的光譜分量。這有效地使VCSEL雷射器的光譜變 窄，並對其進行了整形。其餘光譜分量經歷增益，由此保留了總的 光功率輸出。實際上，SOA可以提供可選的增益，其可以克服與SOA 相關聯的任何光耦合或者插入損耗。與單模式光纖的損耗(0.5 dB/km)相比，短波長的多模光纖可能具有高得多的損耗(大約每 km3-5 dB)。本實施方式可以補償多模光纖色散，以及潛在地增加 耦合到光纖中的光功率。在另一實施方式中，如這裡所討論的，可 以使用基於如前所述對輸出光進行採樣的分光器的反饋迴路來動態 地調節SOA、雷射器的偏壓或者驅動電流或者二者。本發明提供了 控制進入光纖的光的光譜內容。某些類型的標準光纖經歷與波長有 關的色散，這是由這些器件的製造商規定的。通過提供對光的光譜內容的控制，本發明允許對光纖的已知色散屬性進行補償。
甚至更特別地，對於多模應用，SOA提供了 SX收發機中的另
一重要功能，也即，雷射器與SOA之間有意的不對齊允許對差分模 式延遲(DMD)進行補償。 一般地，當將來自SX源的光功率發送 到多模光纖中時，應當等同地激活光纖內的所有傳播模式。不這麼 做(例如，通過將多數光功率發送到靠近纖芯附近的模式)導致差 分模式延遲(DMD)和模式噪聲。
光以非校準的方式發送到多模光纖中，傳統上這可以使用光纖 連接器/套管來實現，其中光纖在光纖芯直徑的50%到90%的範圍內 位移一定距離。
然而，該方法需要非標準的光連接器，其具有精確的容差，並
且是昂貴的。而且，需要用於sx雷射鏈路的不同和較複雜類型的多
模連接器組件。相反，本實施方式包括在光收發機內的SOA與雷射 二極體之間受控的對齊偏移。與關於連接器中的雷射器軸來偏移光 纖的機械套管不同，本發明通過使用光放大器濾波器來對進入光纖 的經過濾波的光進行偏移。由此，只有通過SOA的雷射光線的一部 分將在光語上被整形並耦合到光纖；由此，SOA還充當空間濾波器， 並且只有通過了 SOA的光才將通過光纖傳播。通過將SOA從雷射 器中心點偏移一個受控的量，SOA可以優選地耦合至光纖的較高階 模式，並且實現期望的統一功率分布，而無需特定的光連接器。
對特定實施方式的上文描述相當全面地揭示了本發明的一般 特性，通過應用當前的知識，其他人員可以容易地針對各種應用來 修改和/或改造這些實施方式，而不背離一般性的概念，因此，應當 並且意在將這些改造和修改包含在所公開實施方式的等效項的含義 和範圍之內。應當理解，在此使用的措辭和術語是出於描述而非限 制的目的。因此，儘管已經按照優選實施方式描述了本發明的實施 方式，本領域技術人員將認識到，可以以在所附權利要求書的範圍
1權利要求
1.一種光發射機器件，包括雷射二極體；以及半導體光放大器，所述半導體光放大器直接連接至所述雷射二極體，其中所述半導體光放大器適於在這樣的頻域中進行操作，從而所述半導體光放大器對來自所述雷射二極體的光輸出進行濾波和整形，以及其中所述半導體光放大器偏置到用於所述半導體光放大器的放大閾值之下。
2. 如權利要求1所述的器件，其中所述半導體光放大器放置在 接近所述雷射二極體處，使得當所述半導體光放大器接收所述光輸 出時，所述光輸出不顯示損耗。
3. 如權利要求l所述的器件，還包括反饋電路，其包括連接至所述半導體光放大器的分光器， 其中所述反饋電路適於對來自所述半導體光放大器的經過整形的光輸出進行採樣，以及動態地調節所述半導體光放大器和所述雷射二極體中的至少一個。
4. 如權利要求3所述的器件，其中所述反饋電路連接至控制電 路，其中所述控制電路適於調節選擇自所述半導體光放大器和所述 雷射二極體的至少一個的偏壓。
5. 如權利要求3所述的器件，其中所述反饋電路連接至控制電 路，其中所述控制電路適於動態地調節選擇自所述半導體光放大器 和所述雷射二極體的至少 一 個的驅動電流。
6. —種光發射機器件，包括 雷射二極體；偏移半導體光放大器，其操作地耦合至所述雷射二極體；以及 連接至所述半導體光放大器的多模光纖，其中所述半導體光放大器從所述雷射二極體的中心點偏移受控 的量，使得所述雷射二極體的預定量的光輸出耦合到所述多模光纖 中，以及其中所述半導體光放大器適於在這樣的頻域中進行操作，從而 所述半導體光放大器對來自所述雷射二極體的光輸出進行濾波以及 在光i普上進行整形。
7. 如權利要求6所述的器件，其中所述半導體光放大器適於根 據所述偏移產生經過整形的光輸出，該經過整形的光輸出優選地發 送到所述多模光纖的選定模式中。
8. 如權利要求6所述的器件，其中所述二極體和所述放大器在 沒有涉及光連接器的情況下連接。
9. 如權利要求6所述的器件，還包括反饋電路，其包括連接至所述半導體光放大器的分光器， 其中所述反饋電路適於對來自所述半導體光放大器的經過整形的光輸出進行採樣，以及動態地調節所述半導體光放大器和所述雷射二極體中的至少一個。
10. 如權利要求9所述的器件，其中所述反饋電路連接至控制電 路，其中所述控制電路適於調節選擇自所述半導體光放大器和所述雷射二極體的至少 一 個的偏壓。
11. 如權利要求9所述的器件，其中所述反饋電路連接至控制電 路，其中所述控制電路適於動態地調節選擇自所述半導體光放大器和所述雷射二極體的至少 一個的驅動電流。
12. —種用於操作光發射機器件的方法，包括 將雷射二極體直接連接到半導體光放大器； 從所述雷射二極體生成光輸出；由直接連接至所述雷射二極體的所述半導體光放大器來接收所 述光輸出；以及通過將所述光輸出發送到所述半導體光放大器中而在光譜上對 所述光輸出進行濾波，以產生經過整形的光輸出；以及對來自從所述雷射二極體生成的、並由所述半導體光放大器接 收的所述光輸出的波長進行整形。
13. 如權利要求12所述的方法，還包括動態調節所述半導體 光放大器和所述雷射二極體中的一個或者二者。
14. 如權利要求13所述的方法，其中所述動態調節還包括調 節選擇自所述半導體光放大器和所述雷射二極體中的一個或者二者 的所述偏壓的偏壓。
15. 如權利要求13所述的方法，其中所述動態調節還包括調 節選擇自所述半導體光放大器和所述雷射二極體中的一個或者二者 的所述驅動電流的驅動電流。
16. —種用於操作光發射機器件的方法，包括 將雷射二極體直接連接到半導體光放大器； 從所述雷射二極體生成光輸出；由在具有所述雷射二極體的前置放大器配置中的、緊接所述激 光二極體之後的半導體光放大器來接收所述光輸出；通過將所述光輸出發送到所述半導體光放大器中而在光譜上對 所述光輸出進行濾波，以產生經過整形的光輸出；以及有意地偏移所述雷射二極體與所述半導體光放大器，通過所述半導體光放大器對來自所述雷射二極體的所述光輸出 的波長進行整形，其中所述有意偏移有助於多模光纖中的模式調節。
17. 如權利要求16所述的方法，還包括通過將所述半導體光 放大器從所述雷射二極體中心點偏移受控的量、並將所述經過整形 的光發送到所述多模光纖中，來將預定量的所述光輸出耦合至所述 多模光纖。
18. 如權利要求16所述的方法，還包括動態調節所述半導體光 放大器和所述雷射二極體中的一個或者二者。
19. 如權利要求18所述的方法，其中所述動態調節還包括調節 選擇自所述半導體光放大器和所述雷射二極體中的一個或二者的所述偏壓的偏壓。
20.如權利要求18所述的方法，其中所述動態調節還包括調 節選擇自所述半導體光放大器和所述雷射二極體中的一個或二者的 所述驅動電流的驅動電 流。
全文摘要
本發明提供了用於擴展短波長和長波長光纖長度的帶寬的器件和方法。本發明提供了一種光發射機封裝器件，包括雷射二極體；以及直接連接至雷射二極體之後並且非常靠近雷射二極體的半導體光放大器，其中所述半導體光放大器適於在這樣的頻域中進行操作，從而所述半導體光放大器對來自所述雷射二極體的光波長進行過濾和整形，並且其中所述半導體光放大器偏置到用於所述半導體光放大器的放大閾值之下。該器件還可以包括反饋電路，其包括分光器，其中反饋電路對來自半導體光放大器的經過整形的光輸出進行採樣，並且動態地調節半導體光放大器和雷射二極體中的一個或者二者。在多模光纖的情況下，本發明提供了提供受控的偏移發送到光纖中的額外能力，以及在沒有專用光連接器的情況下控制模式噪聲的能力。
文檔編號H04B10/155GK101529757SQ200780038724
公開日2009年9月9日 申請日期2007年9月27日 優先權日2006年10月19日
發明者C·德卡薩蒂斯, H·巴格赫裡, R·阿特金斯 申請人:國際商業機器公司