專利名稱：：波長轉(zhuǎn)換器/反相器的制作方法波長轉(zhuǎn)換器/反相器
背景技術(shù)：
：本發(fā)明一般涉及用于提供波長轉(zhuǎn)換器的方法和設(shè)備，尤其涉及用于將具有第一波長的激光束轉(zhuǎn)換成具有第二波長的相應(yīng)激光束的單片半導(dǎo)體環(huán)形激光器組件。當(dāng)前單片半導(dǎo)體集成技術(shù)的進(jìn)步使得復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的固態(tài)激光器可以制造，包括例如具有各種諧振腔配置的環(huán)形激光器。這種配置的示例在美國專利No.5,132,983中描述，該專利的公開內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。這些進(jìn)步拓寬了集成半導(dǎo)體激光器的潛在應(yīng)用，增加了工藝性改進(jìn)以及成本降低的吸引力，并且為開發(fā)可結(jié)合在激光腔內(nèi)外的新穎部件提供機(jī)會(huì)。過去幾年中，主要得益于因特網(wǎng)的流行，對(duì)增加帶寬的需求得到了爆發(fā)式增長。一些運(yùn)營公司及其供應(yīng)商通過安裝允許多個(gè)光波長通過單股光纖傳輸?shù)牟ǚ謴?fù)用(WDM)系統(tǒng)來解決該需求。使之成為可能的技術(shù)的重要部分是能夠?qū)⒕哂幸粋€(gè)光波長的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有另一波長的相應(yīng)光信號(hào)能力，因此對(duì)有效、便宜的波長轉(zhuǎn)換器的需要不斷增長。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及能夠提供光信號(hào)中預(yù)定或可變波長移動(dòng)的單片半導(dǎo)體波長轉(zhuǎn)換班益o在其較佳形式之一中，本發(fā)明包括具有至少兩個(gè)小面的環(huán)形固態(tài)激光器。將第一光信號(hào)提供給第一小面上的激光腔輸入，其中該信號(hào)是在與第一小面成第一角度的波長為、的光束形式。該輸入信號(hào)導(dǎo)致環(huán)形激光腔內(nèi)的逆時(shí)針(ccw)模式的激光傳播，以在第二或輸出小面產(chǎn)生波長為、的激光輸出R。根據(jù)本發(fā)明，波長為？w的激光的第二光輸入信號(hào)A在與第一小面成第二角度被導(dǎo)入激光腔。如果第二光輸入比第一光輸入強(qiáng)，且第一和第二角度關(guān)于第一小面的垂線對(duì)稱，則產(chǎn)生順時(shí)針(cw)模式的注入鎖定和光傳播，從而基本上消除輸出R。這樣，波長為人2的輸出信號(hào)R分別通過波長為、的輸入信號(hào)的消失或出現(xiàn)而打開或關(guān)閉，從而將、下的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成、下的反相輸出信號(hào)。上述轉(zhuǎn)換器/反相器的用途之一是波分復(fù)用，其中多個(gè)諸如、的單波長的多個(gè)輸入光信號(hào)通過單條光纖傳輸。這樣，各個(gè)輸入信號(hào)都可被提供給不同的相應(yīng)轉(zhuǎn)換器，各個(gè)轉(zhuǎn)換器通常在不同波長M、人3等工作。將波長為、的第一輸入信號(hào)提供給第一轉(zhuǎn)換器會(huì)將該第一信號(hào)改變成入2下的第一反相信號(hào)。類似地，將、下的第二輸入信號(hào)提供給第二轉(zhuǎn)換器會(huì)將該第二信號(hào)變成X3下的第二反相信號(hào)，對(duì)附加輸入信號(hào)依此類推。然后，反相輸出信號(hào)、、^等可通過(例如)單條光纖傳輸并在傳輸線的另一端恢復(fù)，并且通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換器/反相器按需轉(zhuǎn)換回初始波長、。根據(jù)本發(fā)明，環(huán)形激光器可使用直波導(dǎo)部分和小面，但較佳地結(jié)合彎波導(dǎo)部分以消除不需要的小面。雖然可使用各種環(huán)形激光器來形成波長轉(zhuǎn)換器，但是較佳的環(huán)形激光器是AlexBehfar的2001年8月1日提交的題為"CurvedWaveguideRingLaser(彎波導(dǎo)環(huán)形激光器)"的共同待批美國專利申請(qǐng)No.09/918,544中公開的固態(tài)彎波導(dǎo)激光器，該申請(qǐng)的公開內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。如所公知的，環(huán)形激光器可在順時(shí)針(cw)或逆時(shí)針(ccw)模式下工作，且本領(lǐng)域中存在許多方法來迫使這些激光器在一個(gè)方向或另一方向上傳播，如AlexBehfar的2001年8月1日提交的題為"UnidirectionalCurvedRingLasers(單方向彎曲環(huán)形激光器)"的共同待批美國專利申請(qǐng)No.09/918,548中所公開的，該申請(qǐng)的公開內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。在本發(fā)明的第二實(shí)施方式中，波長可調(diào)諧源將第一光輸入提供給上述的環(huán)形激光器波長轉(zhuǎn)換器以允許不同的波長移動(dòng)。通過以下較佳實(shí)施方式的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述以及其它目標(biāo)、特性和優(yōu)點(diǎn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得顯而易見，在附圖中圖1是自激環(huán)形激光器的光輸出光譜的功率對(duì)波長的曲線圖，包括在大于產(chǎn)生激光的閾值電流的偏置電流下可見的縱模；圖2(a)和2(b)是根據(jù)本發(fā)明的波長變換環(huán)形激光器的第一實(shí)施方式的兩種狀態(tài)的俯視簡圖3(a)和3(b)是根據(jù)本發(fā)明能夠?qū)⑤斎牍庑盘?hào)轉(zhuǎn)變成多個(gè)波長的波長轉(zhuǎn)換環(huán)形激光器的第二實(shí)施方式的兩種狀態(tài)的俯視簡圖4是引入弱信號(hào)輸入、后的圖2環(huán)形激光器光譜的功率對(duì)波長的曲線以及圖5(a)和5(b)是兩級(jí)環(huán)形激光器波長轉(zhuǎn)換器的簡圖，以及各個(gè)環(huán)形激光器的相應(yīng)增益曲線。具體實(shí)施例方式現(xiàn)在對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，如圖1中由典型自激的固態(tài)激光器的光譜10所示，環(huán)形激光器具有某些容許的縱模，由疊加在順時(shí)針和逆時(shí)針模式的光譜峰上的光譜峰12和14示出，其中峰12對(duì)應(yīng)于順時(shí)針模式而峰14對(duì)應(yīng)于逆時(shí)針模式。如圖所示，ccw和cw峰基本上出現(xiàn)在相同的波長處。對(duì)于自激雙向環(huán)形激光器，對(duì)應(yīng)于cw和ccw模式的光輸入可能相等，但是通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在許多情形中輸出趨于不相等。通常，這種激光器以這些容許縱模的一個(gè)或多個(gè)振蕩。圖1是在高于環(huán)形激光器閾值電流的偏置電流下觀察到的該激光器的實(shí)際縱模的曲線。多個(gè)模在由…、、.2、；bWn、？W1、、+2、、+3、…表示的光譜峰值位置處出現(xiàn)，且這些峰對(duì)應(yīng)于該激光器的容許模。這些模的絕對(duì)位置(即各個(gè)峰的實(shí)際波長)可通過各種方法控制和調(diào)節(jié)，包括如本領(lǐng)域內(nèi)公知的熱學(xué)方法和電學(xué)方法。圖2(a)和2(b)涉及本發(fā)明的第一實(shí)施方式，其中波長轉(zhuǎn)換環(huán)形激光器20包括在襯底26上集成制造以形成激光腔的第一和第二彎曲半導(dǎo)體波導(dǎo)22和24。這種半導(dǎo)體激光器的制造是本領(lǐng)域中公知的，并在例如美國專利No.4,851,368中描述。如圖2(a)和2(b)中所示，激光器20的波導(dǎo)22和24分隔開并較佳地向內(nèi)彎曲以在上下接合點(diǎn)28和30處接合。小面32和34以公知的方式分別在上下接合點(diǎn)28和30處形成，且臂的曲率選擇成允許諸如光束36的外部光束以臨界角導(dǎo)向小面34、并且該外部光束具有對(duì)應(yīng)于激光腔20的縱模之一的波長、從而在該激光器以已知方式適當(dāng)偏置時(shí)進(jìn)入并圍繞環(huán)形激光器內(nèi)部傳播。取決于入射光束36的角度，該光將在激光腔內(nèi)順時(shí)針或逆時(shí)針方向地傳播；在所示示例中，光束36在腔20中產(chǎn)生逆時(shí)針光傳播，如箭頭40所示。在激光腔20中傳播的光束40主要從小面32和34的內(nèi)表面向內(nèi)反射，且該光的選定部分以一角度入射到圖2(a)中出口小面32的內(nèi)表面，以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于輸入光束36的波長為人2的輸出光束42。應(yīng)該理解，如果輸入光束36相對(duì)于小面34的角度偏移，使得小面34的輸入在光束46的方向(如圖2(a)中虛線所示)上，則腔20中得到的光傳播應(yīng)為順時(shí)針方向，如虛線光束48所示，且小面32的輸出應(yīng)在由虛線光束50所示的方向上。本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器/反相器在圖2(a)和(b)中被示為結(jié)合了具有第一光輸入信號(hào)或光束36的環(huán)形激光器20。在所示實(shí)施方式中，該信號(hào)可以是由諸如激光器的適當(dāng)光源60產(chǎn)生的波長為與環(huán)形激光器的縱模匹配的M、幅值基本上恒定的激光束。光束36入射到小面34上并進(jìn)入激光器20的諧振腔，其中該光束在適當(dāng)偏置下逆時(shí)針方向傳播以發(fā)射波長同樣為、、可稱為輸出"R"的輸出光束42。在激光器的"正常"狀態(tài)，輸出R出現(xiàn)，所以R^。如上關(guān)于虛線光束46所述，第二輸入位置對(duì)于激光器20的小面34可用?？煞Q為輸入"A"的第二輸入與輸入光束36關(guān)于小面34的表面的垂線對(duì)稱，但在圖2(a)所示的裝置中，在該位置不存在輸入，所以A-O。如圖2(b)所示，光束62指示的來自光源64的入射光信號(hào)可在激光器的輸入A處與輸入光束36同時(shí)入射到環(huán)形激光器20的小面34上。如果輸入光束62強(qiáng)于光束36，即具有更高的強(qiáng)度，且如果光束62的波長、與波長、不相等a,^人2)但對(duì)應(yīng)于環(huán)形激光器20的任一個(gè)縱模，則輸入A=l，該光束62的出現(xiàn)將導(dǎo)致環(huán)形激光器在逆時(shí)針方向運(yùn)行，如箭頭66指示。結(jié)果，輸出小面32處的輸出信號(hào)將從光束62切換到波長為、的第二輸出光束68，且R處的輸出被關(guān)閉，即R-O。由光束62表示的在A處的輸入可以是調(diào)制環(huán)形激光器20輸出的波長為、的1和0的光子數(shù)據(jù)流。因此，數(shù)據(jù)位的缺失(A-O)導(dǎo)致激光器20產(chǎn)生波長人2下的相應(yīng)數(shù)據(jù)位輸出信號(hào)R-1。波長M下的數(shù)據(jù)位的出現(xiàn)(A=l)產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)據(jù)位輸出信號(hào)R-O。因此所示的環(huán)形激光器波長轉(zhuǎn)換器20如此工作當(dāng)輸入A-O時(shí)，輸出R4，該輸出具有波長i2;當(dāng)輸入A出現(xiàn)時(shí)，即A-1時(shí)，則輸出R-O。歸納在表l中<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表1除了實(shí)現(xiàn)從、到M的波長轉(zhuǎn)換功能之外，環(huán)形激光器波長轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入A處的入射光子位流的反相功能，使得相應(yīng)輸出光子位流R與A反相。圖3(a)和3(b)示出上述實(shí)施方式的一變體形式，提供了能夠轉(zhuǎn)換成多個(gè)波長的波長轉(zhuǎn)換環(huán)形激光器70。對(duì)與圖2(a)和2(b)的實(shí)施方式相同的元件作同樣標(biāo)示。這些附圖示意性地示出能夠?qū)⑤斎隑處的輸入信號(hào)的波長轉(zhuǎn)換成多個(gè)不同波長、并將輸入信號(hào)反相的環(huán)形激光器波長轉(zhuǎn)換器70的運(yùn)行。圖3(a)示出在輸入B處于關(guān)閉狀態(tài)或B=0的環(huán)形激光器波長轉(zhuǎn)換器70的運(yùn)行。環(huán)形激光器70的常規(guī)輸入是來自可變波長光源72的信號(hào)，該可變波長光源72可以是產(chǎn)生可變波長光信號(hào)？w的可調(diào)諧激光器，該可變波長光信號(hào)、由光束74表示并可變以選擇對(duì)應(yīng)于該環(huán)形激光器的任一容許縱模的光束波長。在選定波長、下的該輸入導(dǎo)致環(huán)形激光器在CCW工作并導(dǎo)致由波長為、的光束76表示的"常規(guī)"輸出信號(hào)S-1。圖3(b)示出其中由光束78表示的波長為、的入射光輸入B由諸如脈沖光子數(shù)據(jù)流的光源80提供。如果輸入B的信號(hào)的光強(qiáng)大于波長為^的環(huán)形激光器輸入74，則該環(huán)形激光器70在由82指示的cw方向工作，所以當(dāng)B-l時(shí)Si。波長^對(duì)應(yīng)于環(huán)形激光器的任一縱模，且波長轉(zhuǎn)換在、^、時(shí)發(fā)生，從而允許信號(hào)輸入B調(diào)制相應(yīng)的輸出S。以下是與圖2(a)和2(b)的環(huán)形激光器相同的邏輯關(guān)系，激光器70的行為可歸納在表2中<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2除了實(shí)現(xiàn)從^到、的波長轉(zhuǎn)換功能之外，環(huán)形激光器波長轉(zhuǎn)換器70還實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入B處的入射光子位流的反相功能，使得輸出光子位流S與B反相。圖4示出與圖3(a)中示出的其中^v-^、B=0以及S=l的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的環(huán)形激光器的光譜90和縱模。峰92對(duì)應(yīng)于波長、的縱模，并且由輸入光波的注入鎖定產(chǎn)生。應(yīng)該注意，圖4的曲線包括cw模式(在94處指示)和ccw模式(在96處指示)兩者的光譜，這兩種模式都出現(xiàn)在環(huán)形激光器中。由于由輸入光束74導(dǎo)致的注入鎖定，逆時(shí)針模式(圖3(a)中箭頭40)占優(yōu)勢(shì)，而順時(shí)針模式較弱。當(dāng)注入波長^n下的較強(qiáng)輸入信號(hào)(B=l)時(shí)，環(huán)形激光器內(nèi)的注入鎖定將使順時(shí)針傳播模式占優(yōu)勢(shì)，且在該條件下輸出S=0。雖然圖2(a)、2(b)、3(a)和3(b)中示出的環(huán)形激光器結(jié)合了彎波導(dǎo)，但應(yīng)該理解也可使用具有小面接合點(diǎn)的直波導(dǎo)片段。這種波導(dǎo)可在圖5(a)和5(b)所示的環(huán)形激光器中使用，且作為替代，激光器可結(jié)合彎波導(dǎo)。上述波長轉(zhuǎn)換器能夠有效地將一個(gè)波長向另一個(gè)波長轉(zhuǎn)換根據(jù)特定激光器的增益分布確定的量。更大的波長移動(dòng)可通過以如圖5(a)和5(b)中98處所示的方式級(jí)聯(lián)兩個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，只要在后激光器的增益分布與在前激光器交疊但延伸超過在前激光器的增益曲線。如圖5(a)圖示，第一環(huán)形激光器IOO(標(biāo)示為激光器A)與第二環(huán)形激光器102(標(biāo)示為激光器B)級(jí)聯(lián)，使得來自第一或在前激光器100的常規(guī)光輸出是注入到第二或在后激光器102的光輸入。激光器100的增益曲線在表示該激光器光譜的曲線106的104處示出。為簡單起見，激光器縱模的位置由虛線108示出，而增益曲線104示出當(dāng)在與不同模式108對(duì)應(yīng)的波長工作時(shí)激光器輸出的功率。類似地，激光器102的增益曲線在表示激光器102的光譜的曲線116的114處示出。為簡單起見，縱模的位置與激光器100的那些相同，因此也由虛線108示出。圖5(b)與圖5(a)類似，其不同之處在于圖5(a)示出的是沒有要轉(zhuǎn)換的調(diào)制信號(hào)的常規(guī)情況，而圖5(b)示出其中要轉(zhuǎn)換的輸入調(diào)制信號(hào)存在的調(diào)制情況。激光器100和102都結(jié)合了以已知方式在小面126-129處接合以形成環(huán)形腔的波導(dǎo)支路120-123。圖5(a)和5(b)示意性地示出了雙環(huán)形激光器波長轉(zhuǎn)換器98在將輸入X(類似于圖2(b)的輸入A)處的波長^轉(zhuǎn)換成輸出Z處的相應(yīng)波長人c時(shí)的運(yùn)行。如圖5(a)所示，環(huán)形激光器波長轉(zhuǎn)換器98最初具有到環(huán)形激光器A的調(diào)制或信號(hào)輸入X=0，并且也具有波長、下的到激光器A的"常規(guī)"輸入140，其中Xb對(duì)應(yīng)于環(huán)形激光器A和B兩者的任一容許縱模。波長^下的該輸入導(dǎo)致環(huán)形激光器A在ccw正常運(yùn)行并得到由光束142表示的波長人b下的常規(guī)輸出Y=l。Y用作環(huán)形激光器B的調(diào)制或信號(hào)輸入，并且強(qiáng)度大于激光器B的波長為K的第二"常規(guī)"輸入144。波長、對(duì)應(yīng)于環(huán)形激光器B的縱模，并且在不存在信號(hào)Y時(shí)在環(huán)形激光器B中產(chǎn)生ccw模式傳播，此時(shí)輸出為Z4。在Y出現(xiàn)時(shí)，環(huán)形激光器B以cw模式運(yùn)行，得到輸出Z=0。圖5(b)示出X=l的情況，其中由光束146表示的波長為^的入射光調(diào)制信號(hào)的光強(qiáng)度大于波長為、的輸入140。由于輸入X-1的鎖模效應(yīng)，這導(dǎo)致環(huán)形激光器A在cw方向運(yùn)行，使得Y-O。由于Y-O，環(huán)形激光器B的唯一輸入是波長為^的常規(guī)輸入，因此激光器以ccw模式運(yùn)行并得到在輸出光束150處指出的波長、下的Z-1。因此，兩級(jí)轉(zhuǎn)換器98接收諸如在輸入146處第一波長、下的光子脈沖信號(hào)的輸入信號(hào)，并在輸出150發(fā)射第二波長^下的相應(yīng)脈沖，因此在沒有將信號(hào)反相的情況下轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號(hào)波長。不同諧振腔長度的環(huán)形激光器可用于環(huán)形激光器A和B，唯一的要求是兩個(gè)激光器的縱模在Xb處相交?？蓪㈩~外的環(huán)形激光器級(jí)聯(lián)到激光器B，以產(chǎn)生額外的波長轉(zhuǎn)換或?qū)⒄{(diào)制信號(hào)反相。'雖然本發(fā)明是根據(jù)各較佳實(shí)施方式來描述和示出的，但是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是可在不背離如所附權(quán)利要求書闡述的本發(fā)明的真正精神和范圍的情況下，可進(jìn)行各種變化和更改。權(quán)利要求1.一種波長轉(zhuǎn)換器，包括環(huán)形激光器，至少具有輸入小面和輸出小面，所述激光器在被激活時(shí)產(chǎn)生具有波長λ2的輸出光束，所述輸出光束在所述輸入小面處接收到波長為λ1的輸入光束時(shí)被關(guān)閉。2.—種將第一波長光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的第二波長光信號(hào)的方法，包括設(shè)置具有輸入小面和輸出小面的至少一個(gè)環(huán)形激光器；設(shè)置具有輸入小面和輸出小面的至少一個(gè)環(huán)形激光器；激活所述至少一個(gè)環(huán)形激光器，以在所述輸出小面上產(chǎn)生具有所述第二波長的輸出光信號(hào)；以及通過向所述輸入小面提供具有所述第一波長的光信號(hào)來調(diào)制所述輸出光信號(hào)。2.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，激活所述至少一個(gè)環(huán)形激光器包括在所述輸入小面上注入具有所述第二波長的光信號(hào)。3.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，調(diào)制所述輸出光信號(hào)包括將具有所述第一波長并且強(qiáng)度大于所述第二波長下所述信號(hào)的強(qiáng)度的光信號(hào)注入到所述至少一個(gè)環(huán)形激光器。4.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，調(diào)制所述輸出信號(hào)包括在所述調(diào)制信號(hào)出現(xiàn)時(shí)關(guān)閉所述輸出信號(hào)且在沒有所述調(diào)制信號(hào)時(shí)打開所述輸出信號(hào)，以將所述調(diào)制信號(hào)反相并將其轉(zhuǎn)換成不同的波長。5.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括級(jí)聯(lián)地設(shè)置第一和第二環(huán)形激光器，其中調(diào)制所述輸出信號(hào)包括在沒有所述調(diào)制信號(hào)時(shí)關(guān)閉所述輸出信號(hào)并在出現(xiàn)所述輸入調(diào)制信號(hào)時(shí)打開所述輸出信號(hào)以將所述輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同的波長。6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，調(diào)制所述輸出光信號(hào)包括將光數(shù)據(jù)脈沖流注入到所述至少一個(gè)環(huán)形激光器。7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，激活所述至少一個(gè)環(huán)形激光器包括注入具有可選擇波長的可變光信號(hào)。8.—種波長轉(zhuǎn)換器，包括環(huán)形激光器，至少具有輸入小面和輸出小面；第一入口調(diào)制光束，用于注入具有第一波長的光信號(hào)，以在所述環(huán)形激光器中沿第一方向傳播；以及第二入口光束，用于注入具有第二波長的激活光信號(hào)以在所述環(huán)形激光器中沿第二方向傳播，來常規(guī)地產(chǎn)生具有所述第二波長的出口光信號(hào)，其中所述調(diào)制光束的強(qiáng)度大于所述第二光束，所述調(diào)制光束的出現(xiàn)和不出現(xiàn)籍此調(diào)制所述出口光信號(hào)。全文摘要一種環(huán)形腔激光器(20)具有至少兩個(gè)小面(32，34)，且設(shè)置一種機(jī)構(gòu)以產(chǎn)生第一波長下的單向傳播和光發(fā)射。將第二波長下的激光源(60)注入到該腔中以使傳播反向并產(chǎn)生第二波長下的發(fā)射。文檔編號(hào)H01S3/083GK101103307SQ200480044818公開日2008年1月9日申請(qǐng)日期2004年12月1日優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日發(fā)明者A·A·貝法申請(qǐng)人:賓奧普迪克斯股份有限公司