多波长复用的激光发射器的制作方法

1.本公开涉及光通信技术领域，具体地，涉及一种多波长复用的激光发射器，更具体地，涉及一种能够抑制四波混频效应的多波长复用的激光发射器。


背景技术：

2.随着数据中心、电信固网的发展，高速多波长复用的光发射器件在数据传输应用上有很大需求。由于光纤存在非线性效应，信号光在传输中产生的四波混频效应会产生新的光波。如果新的光波的频率与系统的工作频率范围交叠，则在系统中可能发生串扰，且所产生的串扰将会减少通道利用率以及信号的传输距离，从而严重降低了多通道系统的性能。特别是对于在1.3微米附近的零色散波段而言，由于该波段内色散系数趋近于零，所以其四波混频效应可能尤其显著。
3.尽管目前可以通过采用非零色散光纤和大有效面积光纤来抑制四波混频现象，然而这些措施往往是针对系统级的改进措施，其成本较高且升级难度较大。
4.因此，需要一种能够抑制四波混频效应的器件级的改进手段。


技术实现要素：

5.本公开提供了一种多波长复用的激光发射器，其能够抑制四波混频效应的发生。
6.根据本公开的一方面，提供了一种多波长复用的激光发射器，可以包括：光源，被配置为发射不同频率的多个光，其中，所述多个光中的至少两个光具有不同的偏振态；波分复用器，被配置为接收所述多个光，并对所述多个光进行复用，以生成复用信号光；以及输出组件，被配置为输出所述复用信号光，其中所述多个光被分别输入到所述波分复用器的多个通道。
7.在一个示例中，由所述至少两个光的频率满足：根据下式计算的频率f
fwx
＝2f
1-f2在所述波分复用器的可接收频率范围内，其中f1和f2分别是所述至少两个光的频率。
8.在另一示例中，所述多个光中的相邻频率的光可以具有彼此正交的偏振态，其中所述多个光按照频率递增或递减的顺序被分别输入到所述波分复用器的多个通道。
9.在另一示例中，所述光源包括发射相应频率的光的多个激光发射器，所述多个激光发射器中至少一个激光发射器的有源区材料具有应变，从而所述至少一个激光发射器发射的光具有与所述有源区材料的应变相对应的偏振态。
10.在另一示例中，所述四波混频效应发生在具有相同的偏振态的光之间，且在具有彼此正交的偏振态的光之间没有所述四波混频效应。
11.在另一示例中，所述多波长复用的激光发射器还可以包括：偏振无关隔离器，被配置为从所述波分复用器接收所述复用信号光，并使所述复用信号光沿光束传播方向传播至所述输出组件，且防止在与所述光束传播方向相反的方向上的光传播。
12.在另一示例中，所述输出组件可以是聚焦透镜。
13.在另一示例中，所述多波长复用的激光发射器还可以包括：多个准直透镜，被配置
为接收来自所述多个激光发射器的所述多个光，并将所述多个光分别准直到所述波分复用器的所述多个通道。
14.在另一示例中，所述多波长复用的激光发射器还可以包括：管壳组件，其中，所述管壳组件包括：管壳，被配置为包封所述多个激光发射器、所述波分复用器和所述输出组件，其中所述管壳的前表面和后表面上设置有第一开口和第二开口；玻璃窗，设置在所述第一开口上，并被配置为引导所述复用信号光的输出；以及陶瓷电路，所述陶瓷电路设置有微带电路，且所述陶瓷电路的一部分穿过所述第二开口与所述半导体衬底上的微带电路电连接，其中所述陶瓷电路与所述管壳通过焊接方式气密封装。
15.在另一示例中，所述管壳组件还可以包括：凸台，设置在所述管壳的下表面，用于支撑所述多个激光发射器、所述波分复用器和所述输出组件，其中所述多个激光发射器通过使用金锡焊料被共晶固定到激光器衬底上，且激光器衬底通过使用低温焊料被共晶固定至所述凸台，且所述波分复用器和所述输出组件通过使用紫外光固化胶被固定至所述凸台。
16.在另一示例中，所述不同频率的光可以分别为235.4thz、234.6thz、233.8thz、233thz、231.4thz、230.6thz、229.8thz、229thz。
17.在另一示例中，所述多波长复用的激光发射器还可以包括：插芯套组件，所述插芯套组件与所述管壳组件通过激光焊接方式固定，在所述插芯套组件中设置有角度为4至8度的斜面插芯，以便将所述复用信号光耦合到外部光纤设备。
18.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
19.附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：
20.图1是根据本公开示例实施例的多波长复用的激光发射器的结构示意图；
21.图2是根据本公开示例实施例的多波长复用的激光发射器的俯视图；以及
22.图3a和图3b是分别示出了根据本公开示例实施例的管壳组件的示意图。
具体实施方式
23.以下结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
24.图1是根据本公开示例实施例的多波长复用的激光发射器100的结构框图。
25.如图1所示，根据本公开示例实施例的多波长复用的激光发射器100可以包括：光源110、波分复用器120和输出组件130。光源110可以被配置为发射不同频率的多个光，其中，所述多个光中的至少两个光具有不同的偏振态。例如，光源110可以包括例如激光发射器111至114的多个激光发射器。
26.为了实现对多波长的复用，多个激光发射器111至114可以被配置为发射不同频率的多个光。例如，多个激光发射器111至114可以是设置在激光器衬底上的用于发射相应频
率的光的激光器。多个激光发射器111至114中的每一个可以为直接调制(directly modulated laser，dml)激光器或者电吸收调制(electroabsorption modulated laser，eml)激光器。
27.波分复用器120可以被配置为接收所述多个光，并对所述多个光进行复用，以生成复用信号光。具体地，波分复用器可以是n
×
1路波分复用器，即，波分复用器可以具有多个通道，以分别接收来自多个激光发射器的多个光。
28.输出组件130可以被配置为输出所述复用信号光，以将所述复用信号光导出到所述多波长复用的激光发射器的外部。
29.尽管在图1所示的激光发射器结构中能够实现多波长复用，然而，所述多个激光发射器发出的多个光中可能发生四波混频(four wave mixing，fwm)。四波混频是一种基于三阶光学非线性的非线性效应。具体地，当光波波长位于单模光纤零色散点附近，且三个频率的光波电磁场偏振方向基本相同并满足相位匹配条件时，可以产生第四频率的光波。在通信系统的应用场景下，由于四波混频效应产生的新频率的光往往与系统中已有的信号光频率相同或相近，因而会导致严重的串扰。在一个具体的示例中，当三个光波中的两个光波的频率相同且满足相位匹配条件时，也可以产生四波混频效应。也就是说，当具有不同频率分量的两个光在例如光纤和非线性晶体等的非线性介质中传播时，所述两个光将相互作用，从而产生新频率f
fwx
，其中新频率f
fwx
可以表示如下：
30.f
fwx
＝2f
1-f2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(1)
31.其中，f1和f2分别是所述至少两个光的频率。
32.当由于四波混频效应产生的新频率f
fwx
在通信系统的工作频率范围内或与信号光的频率相近或相同时，四波混频效应将对系统通信的通信质量造成干扰，尤其是在发生四波混频的至少两个光具有相同的偏振态的情况下，这种四波混频效应对系统通信的影响将更为显著。
33.为了减弱或消除这种四波混频效应的影响，本公开的示例实施例提出了将所述至少两个光的偏振态设置为彼此不同，更进一步，设置为彼此正交，以减弱或消除所述至少两个光之间的四波混频效应。
34.以下参考图2来描述根据本公开示例实施例的多波长复用的激光发射器200。
35.类似于图1所示的结构，如图2所示的多波长复用的激光发射器200可以包括含有多个激光发射器211至214的光源、波分复用器220、输出组件230。此外，多波长复用的激光发射器200还可以包括用于包封光学器件的管壳组件3、用于传送电信号的柔性电路板4以及用于与外部器件或系统对接的插芯套组件5，如图2所示。插芯套组件5内部具有角度为4～8度的斜面插芯，以便减少光纤端面的反射回激光器的能量。柔性电路板4可以与管壳组件3电连接，且插芯套组件5可以通过激光焊接方式固定到管壳组件3。
36.如图所示，第一波长激光器211、第二波长激光器212、第三波长激光器213、第四波长激光器214被设置在激光器衬底215上且被配置为发射不同频率的光，其中激光器衬底215可以是其上设置有用于向各激光器传导电信号的微带电路的半导体衬底。在一个示例中，第一波长激光器211、第二波长激光器212、第三波长激光器213、第四波长激光器214可以以阳极在上且阴极在下的方式安装在激光器衬底215上，其中各激光器的阴极可以通过金锡焊料共晶焊的方式与激光器衬底215上的微带电路电连接，且其阳极可以通过金线连
接的方式与激光器衬底215上的微带电路电连接。例如，第一波长激光器211至第四波长激光器214可以是由半导体激光二极管构成的半导体激光器，其输出光为线偏振光且偏振方向为te和tm之一。输出光的具体偏振方向是由激光器有源区材料在不同偏振方向上的增益以及波导在不同偏振方向上的损耗联合决定。
37.通常，波分复用器的各通道的接收频率是等间距分布的。例如，对于四通道波分复用器220而言，如果将经由其四通道接收的光的频率分别表示为f1，f2，f3，f4，则f
2-f1＝f
3-f2＝f
4-f3。在本公开的示例实施例中，由第一波长激光器211至第四波长激光器214产生的多个光按照频率递增或递减的顺序被分别输入到四通道波分复用器220的四个通道。在这种配置下，根据上式1)可知，相邻两个通道中的光的四波混频会产生与在与之相邻的通道中传播的光具有相同或相近频率的干扰光，因此，会使系统的通信质量下降。
38.为了避免由于两束光之间的四波混频效应对信号光的干扰，在本公开的示例实施例中，可以将所述具有不同频率的多个光中的相邻频率的光设置为具有不同的偏振态，来减弱四波混频效应。更进一步，可以将所述多个光中的相邻频率的光设置为具有彼此正交的偏振态，从而抑制光束之间的四波混频。也就是说，对于图2所示的结构而言，可以通过将频率f1/f3的光(被分别输入波分复用器220的1通道、3通道)的偏振方向设置为与频率f2/f4的光(被分别输入波分复用器220的2通道、4通道)的偏振方向相互正交，来保证在相邻通道的光束之间基本不发生四波混频，即，频率为f1，f2的相应光束之间、频率为f2，f3的相应光束之间、以及频率为f3，f4的相应光束之间基本不发生四波混频。也就是说，在这种情况下，四波混频效应仅发生在具有相同的偏振态的光束之间，且在具有彼此正交的偏振态的光束之间基本不会发生四波混频效应。例如，对于ieee 802.3bs标准所规定的400gbase-fr8、400gbase-lr8的频率分别为235.4thz、234.6thz、233.8thz、233thz、231.4thz、230.6thz、229.8thz、229thz的8路信号光，在对8路信号光进行复用的情况下，相邻频率的信号光之间可能存在显著的四波混频效应。通过使用上述偏振控制方法，即，使相邻频率的光设置为具有彼此正交的偏振态、并按照频率递增或递减的顺序将所述8路信号依次输入波分复用器的各通道，使得可能发生四波混频的信号光的频率间隔变大，从而使四波混频效应大大减弱，不会对系统性能产生显著的影响。
39.在另一示例中，也可以采用为ieee 802.3bs、ieee 802.3ba标准所规定的200gbase-lr4、100glr4，100g er4的4路波长，即，第一波长激光器21、第二波长激光器22、第三波长激光器23、第四波长激光器24中心波长依次为1295.56nm、1300.05nm、1304.58nm、1309.14nm，对应的频率依次为231.4thz、230.6thz、229.8thz、229thz，其中频率间隔为800ghz。在此基础上，通过使用本公开示例实施例的方法来提供能够抑制四波混频效应的多波长复用的激光发射器。
40.为了实现对偏振的控制，可以采用量子阱应变方法。在本公开的示例实施例中，通过控制所述多个激光发射器中的至少一个激光发射器的相应有源区材料具有应变，使由所述至少一个激光发射器发射的光具有与其有源区材料的应变相对应的偏振态，进而实现对所述多个激光发射器发射的所述多个光中的至少两个光的偏振控制。例如，控制发射相邻频率的光的激光器的有源区材料的应用，使得所述相邻频率的光具有正交的偏振态。在一个示例中，通过施加水平方向压应变，可以使载流子跃迁发生在导带与价带重空穴带间，从而发射具有横电模(te模)的激光；或通过施加水平方向张应变，可以使载流子跃迁发生在
导带与价带轻空穴带间，从而发射具有横磁模(tm模)的激光。在本公开的实施例中，可以通过采用量子阱应变方法来执行对第一波长激光器211至第四波长激光器214的相应有源区材料的应变控制，使得第一波长激光器211和第三波长激光器213发射te模的激光，且第二波长激光器212和第四波长激光器214发射tm模的激光，或反之亦然。这样，实现了对所述多个光的偏振态的控制。除此之外，本领域技术人员应认识到，还可以使用与量子阱应变方法不同的其他方法来实现对激光的偏振态的控制，使得相邻频率的光具有正交的偏振态，且这样的方案不脱离本技术的构思。
41.经偏振控制的多个光在被分别输入到波分复用器220的多个通道之后，形成复用信号光。波分复用器220将复用信号光传送到输出组件230，以将复用信号光输出到外部。输出组件230可以包括聚焦透镜，例如，非球面透镜或球面透镜。
42.因此，根据本公开的示例实施例，通过配置由多个激光发射器发射的多个光的每一个的偏振态并按照特定顺序将所述多个光输入波分复用器，具体地，通过将由多个激光发射器发射的多个光中的相邻波长的光的偏振态设置为彼此正交，并按照波长递增或递减的顺序将经偏振控制的多个光依次输入波分复用器的各通道，可以提供一种多波长复用的激光发射器，其具有减弱四波混频效应或消除四波混频效应的特点。
43.本领域技术人员应清楚，尽管以上描述是将多个光按照频率递增的顺序依次输入波分复用器的多个通道，但是本公开示例实施例不限于此，与多个激光发射器发射的多个光还可以按照频率递减的顺序依次输入波分复用器的相应通道。
44.此外，如图2所示，所述多波长复用的激光发射器200还可以附加地包括偏振无关隔离器240，所述偏振无关隔离器240可以被配置为从所述波分复用器220接收具有两个偏振方向的复用信号光，并使所述复用信号光沿光束传播方向传播至所述输出组件230，并阻碍在与所述光束传播方向相反的方向上的光传播，从而保护激光发射器不会由于反射光而受到损伤。也就是说，在图2中，由波分复用器220产生的复用信号光沿光束传播方向传输经过偏振无关隔离器240并经例如聚焦透镜的输出组件230聚焦到位于管壳组件3的前表面上的玻璃窗口(参见图3a中的附图标记32)，以便将复用信号光导入插芯套组件5。偏振无关隔离器240能够使由于光束入射在器件表面上而产生的反向传播的光相对于其传播方向产生一偏转角，从而发生偏转。在本实施例中，反射光经过偏振无关隔离器240之后相比原方向产生1.1度的偏角，从而防止反射光被馈送回第一波长激光器211至第四波长激光器214。实验数据表明，这样的结构能够在器件温度为-40℃～85℃范围内实现35db以上的隔离度。
45.在另一示例实施例中，还可以在第一波长激光器211至第四波长激光器214的光路下游设置分别与之对应的多个准直透镜250。多个准直透镜250可以被配置为接收来自第一波长激光器211至第四波长激光器214的所述多个光，并将所述多个光分别准直到波分复用器220的多个通道。每个准直透镜250可以实现为非球面透镜，其可以将来自相应激光发射器的光转变为准直光束，并使准直光束入射到波分复用器220的相应通道。
46.以上描述了根据本发明构思的多波长复用的激光发射器的结构，通过配置由多个激光发射器发射的多个光的每一个的偏振态并按照特定顺序将所述多个光输入波分复用器，可以提供一种多波长复用的激光发射器，其具有减弱四波混频效应或消除四波混频效应的特点。
47.图3a和图3b是分别示出了根据本公开示例实施例的管壳组件3的示意图。
48.具体地，图3a示出了无盖板的管壳组件3的示意图。管壳组件3可以包括管壳31、玻璃窗32以及陶瓷电路33。管壳31可以被配置为包封多波长复用的激光发射器的光学组件，其中所述管壳31的前表面和后表面上设置有第一开口和第二开口。玻璃窗32设置在所述第一开口上，并被配置为引导所述复用信号光的输出。玻璃窗32可以采用低温玻璃焊料熔接的方式与管壳31固定并实现气密封装，以阻止外界环境的干扰。陶瓷电路33可以是设置有微带电路的多层陶瓷电路。陶瓷电路33的一部分可以穿过所述第二开口，以通过金线连接的方式与图2所示的激光器衬底215上的微带电路电连接，且其另一部分可以与柔性电路板4电连接。所述陶瓷电路与所述管壳通过焊接方式接合，例如，通过采用金锡焊料的焊接，以保证气密封装。在一个示例中，当第一波长激光器211至第四波长激光器214实现为直接调制激光器时，相应的激光器衬底215、陶瓷电路33和柔性电路板4可以具有四组差分微带电路且差分特性阻抗为50
±
5ω，或者可以具有四组单端微带电路且单端特性阻抗为25
±
2.5ω。当第一波长激光器211至第四波长激光器214实现为电吸收调制激光器时，相应的激光器衬底215、陶瓷电路33、柔性电路板4可以具有四组单端微带电路且单端特性阻抗为50
±
5ω。
49.在一个示例中，所述管壳组件3还可以包括凸台34，其设置在所述管壳31的下表面上并被配置为支撑多波长复用的激光发射器200所包括的光学器件，例如，多个激光发射器211至214、波分复用器220和输出组件230等。在另一示例中，例如，多个激光发射器211至214的片上光学器件可以通过使用金锡共晶焊的方式被共晶固定到激光器衬底215上，并且激光器衬底215通过使用低温焊料被共晶固定至所述凸台34。具体地，多个激光发射器211至214可以通过使用例如95.6sn-3.5ag-0.9cu(
±
1％)材料的低温焊料来共晶固定到凸台，该焊料的熔点为217℃。此外，例如波分复用器220和输出组件230等的单独光学器件可以通过使用紫外光固化胶被固定至凸台34。
50.图3b示出了带有盖板35的管壳组件3的示意图。盖板35采用电阻焊的方式与管壳31实现气密封装，以防止外部环境对管壳31所包封的光学器件的干扰。
51.此外，图3a和图3b所示的管壳组件3还可以通过经由焊料热压焊的方式将陶瓷电路12与图2所示的柔性电路板4电连接，来实现与柔性电路板4电连接，从而支持电信号经过柔性电路板4传输到管壳组件3的陶瓷电路33，再传输到激光器衬底215，以驱动第一波长激光器211、第二波长激光器212、第三波长激光器213、第四波长激光器214发出具有不同频率的多个光。
52.可见，本公开提供了一种抗四波混频的多波长复用的激光发射器，其能够减弱或消除多波长复用的激光发射器在传输中产生的四波混频效应。具体地，本公开通过使被复用的具有不同波长的多个光的偏振态不同来减弱四波混频效应。更具体地，本公开通过针对波分复用器的各通道采用合理的激光偏振方向分配方案，来控制各激光发射器发射的光的偏振，使得相邻波长的信号光由于偏振方向正交而不会发生四波混频效应，实现了消除相邻波长的光之间的四波混频的效果。综上所述，本公开所提出的这种器件级的改进手段不需要改造已有光纤系统，并且还具有小型化、集成化、低成本、传输距离长的特性。
53.已经在本文公开了示例实施例，并且虽然使用了特定的术语，但是这些术语应仅以一般性和描述性的意义来使用和解释，而不是用于限制的目的。在一些情况下，本领域普通技术人员在本技术提交之时应清楚，除非另有明确说明，否则结合特定实施例描述的特
征、特性和/或元件可以单独使用或与结合其他实施例描述的特征、特性和/或元件相结合使用。
54.此外，还应注意的是，尽管本公开以包括4个激光发射器和4路激光波分复用器的四光束复用为例阐述了本发明构思，然而，本公开不限于此。本发明构思可以应用于具有更多数量或更少数量的光束之间的复用。
55.上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。