波分复用光波长转换器 本发明涉及用于将具有第一波长的已调制辐射转换到相应的具有第二波长的已调制辐射的波分复用(WDM)光波长转换器。
在光通信系统中，业务量通过与通信业务量调制在一起的光辐射来进行输送。在本发明背景下，光辐射被定义为从560nm到2000nm的自由空间波长范围内的电磁辐射，但在这个范围中优选使用基本上为1550nm的自由空间波长。在WDM光通信中，辐射被划分为多个离散的波段(经常被称为波长信道)，每个波段与相应的通信信道相关联。该多个波段被称为WDM梳(WDM comb)或格栅。例如，典型的WDM系统可以包括用0.8nm的波长间隔隔开的32个波长信道；这种间隔对应于1550nm处100GHz的信道频率间隔。
对未来WDM系统的一个关键要求是：能够将由WDM格栅的一个波长信道承载的通信业务量转换到另一个波长信道上。这样的转换在下文中被称为波长转换。波长转换提供了系统灵活性并使得波长信道能够在通信系统的单独节点处被分配而不是被全局性分配，并且如果发生波长争用，它允许转换到备用波长信道。此外，它允许对信道进行疏导以便最大化系统的频谱效率。
一种波长转换的方法是将已调制的光波长载波转换回到相应的电信号，然后再使用该电信号对要求的新波长信道中地连续光载波进行调制。但是，转换回到电信号限制了系统性能，所以，优选使用全光波长转换。
已经提出了利用半导体光放大器(SOA)的非线性来提供全光波长转换，正如在参考文献[1]中所评论的。已经研究了波长转换的三种主要机制：交叉增益调制(XGM)、四波混频(FWM)和交叉相位调制(XPM)。
另一种被提出的全光波长转换器包括固定波长DFB(分布式反馈)激光器，该激光器被配置成在需要进行波长转换的波长上进行操作(发出激光)。已调制的要被波长转换的辐射入射到DFB激光器波导中，在那里，由激光器产生的c.w.辐射通过XGM处理相应地被调制。
对于用于在1550nm处工作的全光波长转换器的研究集中在使用集成的SOA/DFB激光二极管设备[2，3]。图1是这种波长转换器2的示意性表示，该波长转换器2包括集成的InP/InGaAsP SOA 4和9FB激光器6[2]。波长转换器2包括在n掺杂的InP基片8上制作的分层结构。该分层依次包括未掺杂的InGaAsP层10、MQW(多量子阱)层12、另一个未掺杂的InGaAsP层14和p掺杂的InP层16。层10到14构成了光波导/光产生层。在未掺杂的InGaAsP层14中定义有布拉格光栅18。为了确保单纵模工作(即，单波长工作)，该光栅包含沿着其长度位于大约三分之一和三分之二处的两个π/4(即λ/8)的相移。相应的电极20，22被提供在SOA 4和DFB激光器6区域上的层16中，并且该电极20，22被施加以相应的控制电流ISOA和IDFB。
在操作中，具有第一波长λ1的已调制的辐射通过该设备的端面入射到SOA的层10到14。当已调制的辐射传播通过该设备时，SOA 4对它进行放大。DFB激光器6被配置从而发射具有固定的波长λ2的激光。经过放大的已调制辐射然后传播进入DFB激光器，然后，它在该DFB激光器中主要地通过交叉增益调制(XGM)处理来调制由激光器产生的辐射。XGM机制(增益饱和转换机制)导致激光器模式中逻辑上反相的输出，这样，该转换器就通过端面输出波长为λ1的已调制辐射以及相应的波长为λ2的逻辑上反相的已调制辐射(波长发生了转换)。
使已调制辐射入射到SOA中的好处是，这降低了在激光器内实现增益饱和所需辐射的输入功率。
集成的SOA和DFB激光器的优点是它降低了系统复杂度，因为用于提供波长转换的辐射源对于该设备来说是固有的。已经用集成的SOA和DFB激光器展示了用于速率高达10Gb/s的NRZ(不归零)数据的波长转换(从λ1＝1559nm到λ2＝1553.5nm)[2]。随后，这种波长转换器已经被证明：能够通过使用于波长转换的输入辐射入射到DFB激光器中而不是SOA中从而在高达40Gb/s的数据速率上进行波长转换[3]。
虽然前述波长转换器(即SOA和集成的SOA/DFB激光器设备)已经被证实能够提供适当的波长转换，但是每一个都有同样的限制，即，它们只能提供到固定波长的波长转换。迄今为止，公布的波长转换实现都是“任意输入波长”到“固定输出波长”类型的。虽然这对于特定的应用是可以接受的，但是有几种预期的应用希望或者必须能够对输出波长进行调谐。这样的应用包括例如可重新配置的光交叉连接，其中，可调谐波长转换器可以被用于疏导WDM波长信道以及避免波长争用，并且在光路由器中，可调谐波长转换可以被用来根据波长信道的波长有选择地为该波长信道选路。
本发明的目的在于试图提供至少部分地克服已知设备的限制的光波长转换器。
根据本发明，提供了一种WDM光波长转换器，用于将第一WDM波长信道中的已调制辐射转换为另一个WDM波长信道中相应的已调制辐射，该WDM光波长转换器包括与半导体光放大器集成在一起的半导体激光器，其特征在于，该激光器可以在至少多个波长信道范围内进行波长调谐。
有利地，该激光器可以在WDM格栅中的所有波长信道范围内进行波长调谐。
在一种设置中，该光放大器可操作用来接收已调制辐射以便进行波长转换。可替换地，该激光器可操作用来接收已调制辐射以便进行波长转换。
有利地，在前一种情况下，该波长转换器还包括另一个集成的半导体光放大器。
在一种设置中，该激光器是波长可调谐的分布式反馈(DFB)激光器。优选地，该DFB激光器具有被分成多个部分的有源区，这些部分可以互相独立地调谐以便提供所需的波长调谐。
可替换地，该激光器是分布式布拉格反射镜(DBR)激光器。最优选地，该DBR激光器为四部分设备，包括：第一反射镜、相位、增益和第二反射镜部分。优选地，每个反射镜部分包括采样布拉格光栅。可替换地，它们每一个都可以包括超结构布拉格光栅。
激光器的波长调谐可以通过对激光器施加电压偏置并使用诸如量子限制Stark效应(QCSE)或Franz-Keldysh效应之类的效应来进行。可替换地，它可以通过电流注入从而得以实现。将激光器微调到WDM波长信道可以通过改变激光器的温度来实现。
为了更好地理解本发明，现在将仅仅通过举例的方式并参照附图来描述根据本发明的光波长转换器，在附图中：
图1是如上所述的已知光波长转换器[2]的示意性表示；
图2是根据本发明第一实施例的光波长转换器的示意性表示；
图3是图2的转换器在“A”方向的端视图；
图4图示了图2所示实施例的特性；
图5a到5c是对图2的转换器测量的“眼”图；和
图6a到6d是图2的转换器内各个不同位置处的信号的示意性表示，并且分别图示了(a)在波长转换之前的输入信号，(b)经过波长转换的信号，(c)在传递通过SOA的一半以后的经过波长转换的信号，和(d)从转换器输出的经过波长转换的信号；和
图7是根据本发明第二实施例的光波长转换器的示意性表示。
参照图2和图3，其中显示了根据本发明的光波长转换器30的示意性表示。图3描绘了图2的转换器在“A”方向上的端视图。
转换器30包括半导体光放大器(SOA)部分32和半导体激光器部分34。SOA 32和DFB激光器34被制造为n掺杂的InP基片36上的集成设备。
转换器30被制造为基片36上的分层结构。该层依次包括未掺杂的InGaAsP层38、MQW(多量子阱)层40、另一个未掺杂的InGaAsP层42和p掺杂的InP层44。层38到42构成了转换器的光波导/光产生层。未掺杂的InGaAsP层42被配置为隆起结构46(图3)以便提供层38到42内辐射的横向限制，正如图3中的虚线48所指示的。应该理解的是，层38到42由此构成了如图2所示SOA 32和激光器34公用的沿从左到右走向的光波导。在制造期间，在隆起46的上表面内定义了布拉格光栅50，该布拉格光栅50在激光器部分34的长度上延伸(图2)。为了确保高的边模抑止比，该布拉格光栅包括多个沿着其长度隔开的相移(图中没有示出)。
电极52在SOA部分32上的层44中被提供，并且被施加以相应的控制或偏置电流ISOA。
与上述已知的波长转换器(图1)相对照，用于驱动激光器部分34的电极被分成三个分立的电极50、52、54，并且被施加相应的控制(偏置)电流I1、I2、I3。为了方便制造，电极可以通过有所选择地蚀刻穿过导电电极层和下面的接触层(图中没有示出)来定义，该接触层用于将该导电电极层接到p掺杂的PnP层44。这种接触的设置使得不同的电流密度可以入射到激光器部分34的相应的工作区域，因而使得可以调谐激光器的工作波长。在图2所示的实施例中，SOA 32和激光器区域的三个部分54、56、58的长度分别是500、300、200和300μm。
通过将不同的电流施加到激光器的每个工作区域，可以对激光器的输出进行不连续地波长调谐。这意味着可以通过向电极54、56、58施加适当的控制电流来选择已调制的输入辐射将要转换到的波长。
对于特定的偏置电流条件，输出波长可能是高度不稳定的(有时会导致出现两个截然不同的单纵模)，该波长随着时间而改变。但是，其它偏振条件提供了稳定的输出。图4显示了对于五组偏压电流，用于波长转换器30的用A到E表示的五个频谱(即，测量出的输出功率(dBm)与波长之间关系的曲线)。
从图4可以很明显地看到的是，可以实现大约6nm的波长调谐跨度，并且SMSR(边模抑止比)总是超出30dB，但是典型地是大于40dB。这样一个波长跨度代表了间隔为0.8nm的七个以上WDM波长信道的调谐范围。该波长跨度可以根据可接受的频谱质量和峰值功率电平在每个波长方向稍微延伸。被用来获得图4的频谱的激光器偏置电流I1、I2、I3是： 频谱 激光器偏置电流(mA) I1 I2 I3 A B C D E 46 120 164 47 47 50 160 120 253 295 89 120 140 95 42
现在将描述波长转换器的工作情况。具有第一波长λx的已调制辐射通过转换器的端面入射到SOA 32。当已调制辐射传播通过SOA部分时，SOA 32将它放大。可调谐激光器部分34被调谐从而发出波长为对应于要求的转换波长的波长λy的激光。放大了的已调制辐射λx传播到激光器34中，在这里，它然后就通过交叉增益调制(XGM)处理来调制激光器产生的辐射λy。波长转换器通过端面输出波长为λx的已调制辐射以及波长为λy的相应的逻辑上反相的已调制辐射(经过波长转换)。
使用本发明的波长转换器的光波长转换已经通过实验得以证实。图5图示了对波长为1547nm的已调制输入辐射(图5a)、以及波长转换到1558nm(图5b)和1553nm(图5c)后输出的已调制辐射的测量到的“眼”图。该“眼”图用于已经使用数据速率为2.488Gb/s的PRBS(伪随机二进制序列)对其进行调制并且已经传输通过50km的标准(17ps/nm/km)单模光纤的光辐射。
从该“眼”图可以看出，在输入信号和经过波长转换的信号之间没有显著的恶化。
可以通过调整转换器的温度微调该转换器的输出波长。使用这种技术，可以进行每摄氏度大约0.1nm的调谐，最大到1-2nm。这种微调允许将设备精确地调谐到选定的WDM波长信道。
一种对本发明的波长转换器进行操作的替换和优选模式是将用于波长转换的已调制辐射入射到激光器部分而不是SOA中。在这样的设置中，在SOA中，在共同传播的输入辐射和波长转换的辐射之间发生了额外的非线性相互作用，因为每一个都竞争SOA的光增益。用于这样的操作模式的波长转换机制在图6a到6d中描绘，这些图分别图示了：图6a图示了在波长转换前的波长为λ1的输入信号，图6b图示了在进入SOA之前从激光器输出的相应的波长为λ2的经过波长转换的信号，图6c图示了在传递通过一半的SOA之后的经过波长转换的信号，以及图6d图示了从转换器输出的经过波长转换的信号(即，已经通过SOA的信号)。正如可以从图6b中看出来的，激光器内的λ1的输入信号(图6a)和激光器产生的λ2的c.w.信号之间的交叉增益调制(XGM)处理产生了输入信号的反相形式，它具有有限的带宽和消光比。在存在原始输入信号(图6a)并且SOA被施加大的电偏置进入饱和的情况下，将经过波长转换的信号(图6b)传递通过SOA使得饱和的SOA中的快速的动态处理能够增加转换过的信号(图6c和6d)的带宽和消光比。特别地，与共同传播输入信号的增益竞争锐化了转换后的脉冲(逻辑“1”)的上升沿和下降沿，同时，反相的λ1的信号的存在导致耗尽了脉冲之间间隙的增益，因而增加了转换过的信号的消光比。已经发现，这个非线性相互作用、相应的降低了的瞬变时间和改进的消光比使得波长转换能够在高达40Gb/s的更高速率上进行。应该理解，在这样的设置中，输入辐射的功率需要具有增加的大小以便有效地进行波长转换。这个可以通过例如在波长转换之前使用位于转换器外面的光放大器对输入辐射进行光学放大来实现，或者可替换地，将第二SOA集成到转换器中以便它在输入端和输出端都有SOA。
参考图7，显示了根据本发明第二优选实施例的波长转换器70，它用于在c波段(1530-1560nm)的WDM光通信网络中工作，该WDM光通信网络具有波长间隔为0.4nm(50GHz)的80个波长信道λ1到λ80且数据速率为2.5或10Gb/s。转换器70能够实现从波长信道λ1到λ80中的任何一个到其它任何一个波长信道的可选择的波长转换。
转换器70包括与四个部分的(four-section)采样光栅分布式布拉格反射镜(SGDBR)激光器74集成在一起的半导体光放大器(SOA)72。该四个激光器部分包括：第一采样光栅反射镜76、相位部分78、增益部分80和第二采样光栅部分82。SOA 72和激光器74在n掺杂的InP基片84上被制造为集成的分层结构。
该层依次包括未掺杂的InGaAsP层86、MQW(多量子阱)层88、另一个未掺杂的InGaAsP层90和p掺杂的InP层92。层86到90构成了转换器的光波导/光产生层。未掺杂的InGaAsP层90被配置为隆起结构以便提供层86到90内辐射的横向(即，进入图7所示纸平面的方向)限制，使得后者构成了如图7所示由SOA 72和激光器74公用的从左到右走向的光波导。
MQW层88包括8个压缩的InGaAsP阱和8个拉伸的InGaAsP阱，其间有InGaAsP势垒。通过适当地选择材料属性，量子阱被以已知的方式配置为张应力或压缩应力的状态。非常重要的一点是同时具有这两种类型的阱从而确保波长转换器可以对水平或垂直偏振的输入辐射进行操作，这样就能确保设备是与输入辐射偏振无关的。
在制造期间，在隆起的上表面定义有激光器的第一76和第二82反射镜部分内的相应的采样布拉格光栅94，96。优选地，光栅94，96具有如英国专利GB 2337135所公开的形式，该英国专利在此通过参考文献的方式被引入作为参考。正如在GB 2337135中所描述的，这样的光栅包括在沿着其长度的选定位置上具有π/2不连续性的布拉格光栅(即，恒定周期)。这样的光栅结构具有这样的反射特性，包括多个具有相等的波长间隔的反射峰值或反射最大值的光梳。两个反射镜76，78的反射峰值的间隔被配置为不同，使得在任何时间只有每个反射镜的单个反射峰值可以被对齐，这样的对齐对应于发射激光的波长。正如US 4896325所公开的，波长调谐是这样实现的：通过用一个波长梳置换另一个波长梳，通过将电流注入到两个光栅中的一个或两个光栅，使得一组新的峰值以类似于游标尺的方式被对齐。
Ti/Pt/Au合金电极98，100，102，104，106位于分别覆盖于第一反射镜部分76、相位部分78、增益部分80、第二反射镜部分82和SOA 72上的层92上。电极98到106通过p+掺杂的InP压盖层108连接到InP层92。相应的控制电流IR1、IPHASB、IGAIN、IR2、ISOA被分别施加到电极98到106以便操作波长转换器。
如同上述波长转换器30一样，要波长转换的输入辐射入射到激光器部分或SOA中，虽然前者是优选的。因为已经有文件对四个部分的DBR激光器的控制操作进行了记载，所以，不对其作进一步描述。
应该理解，可以对具体实施例进行修改而不偏离本发明的范围。例如，如果其它形式的可调谐激光器能够在其中有转换器进行工作的WDM光通信系统中的多个波长信道上，优选地是在所有的波长信道上提供了所需的波长调谐，则可以使用所述其它形式的可调谐激光器。这样的激光器包括例如超结构光栅分布式布拉格反射镜激光器。
此外，在前述描述中，SOA和激光器内量子阱的数目相同从而使得设备能够被容易地制造。在可替换设置中，可以根据设备的每个部分对量子阱结构进行优化。无论如何，已经得到证明的是：为了优化性能，8到20个之间的量子阱是优选的。
参考文献
[1]D Nesset，T Kelly，D Marcenac(1998)“All-OpticalWavelength Conversion Using SOA Nonlinearites”IEEE Comms.Mag.December 1998.
[2]MFC Stephens，RV Penty，IH White，MJ Fice，RA Saunders，JEA Whiteaway(1998)“Low Input Power Wavelength Conversionat 10Gb/s Using an Integrated Amplifier/DFB Laser andSubsequent Transmission Over 375km of Fibre”IEEE Photon.Tech.Lett.，Vol.10，pp.878-880.
[3]MFC Stephens，D Nesset，KA Williams，AE Kelly，RVPenty，IH White，and MJ Fice(1999)“Wavelength conversion at40Gbit/s via cross-gain modulation in distributed feedbacklaser integrated with semiconductor optical amplifier”Electron. Lett.，Vol.35，No.20，pp.1762-1764.