消除或降低对光信号偏振敏感性的方法、器件及制造方法

摘要

本发明提供了一种光子器件，包括一个部分和另一部分，所述一个部分的材料与所述另一部分的材料不同，以使两个部分呈现不同的光学双折射率值。这使第一组偏振模式以不同于第二组偏振模式的速度在光谱空间中移动。使用偏置电流或电压来控制器件中的总双折射效应。执行用于控制双折射效应的偏置，以使器件的TE模式和TM模式的相应光谱位置一致。因此使器件对任何输入光信息的偏振不敏感或实质上呈现降低的敏感性。

说明书

本申请基于并要求于2008年7月18日提交的欧洲专利申请No.08013004.0的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及光子器件，例如但不限于注入锁定(injection-locked)激光二极管、光纤、干涉计等。

背景技术

在光传输和光网络中广泛使用光子器件。特定的光子器件通过被锁定至注入光信号而进行操作，以便选择一个波长和/或确保例如提供恒定输出频率的稳定性。在这样的条件下，光子器件在其透射或反射光谱中呈现与横向电场(TE)模式和/或横向磁场(TM)模式相对应的一组或两组偏振模式。因此，即使在这些器件在器光谱中呈现两种偏振模式时，这些器件的注入锁定取决于输入光信号的偏振状态。

这种器件的一个示例是日益广泛使用在光纤到户(FTTH)接入网络(如光网络单元)中的注入锁定激光二极管。这些激光二极管典型地以横向电场(TE)模式操作。

发明内容

应当注意，贯穿本说明书，对如术语“偏振不敏感”之类的对偏振不敏感性的任何引用应被理解为包括对偏振的完全不敏感性或可忽略的敏感性。如本领域技术人员可以清楚理解的，实际的器件不能实现对偏振的完全或绝对不敏感的状态，由于实际器件不能在理想条件下操作，因此尽管某种水平的敏感性可能始终存在，但这样的水平实质上低至使得在实际中可以被认为可忽略。因此，出于实际需要，被认为可忽略的敏感性水平还可以被理解为包括在本说明书中使用的针对不敏感性的术语的范围内并因此在本发明的范围内。根据使用中的光子器件，本领域技术人员可以定义这种敏感性可忽略水平。例如，在注入锁定激光二极管的情况下，传统上定义：当注入锁定信号从其初始偏振由0°变化至180°时，在注入锁定激光发射光谱中第二模式抑制率(SMSR)的变化小于1dB时获得偏振不敏感性(PI)。

考虑已知光子器件的示例，如法布里-珀罗激光二极管(FPLD)，为了使这样的器件成为偏振不敏感，通常需要来自高输出功率光纤放大器的ASE(典型地高达30dBm)，以便注入锁定ONU中的FPLD。ASE典型地包含锁定光子器件的TE分量。然而，ASE源的光谱通常非常大，因此必须通过典型地使用用作复用器的AWG(阵列波导光栅)来对其进行滤波。因此，仅将初始的30dBm功率的一部分传输至专用ONU，该部分功率以栅通道(grid channel)之一(典型地符合ITU)为中心，并且需要将ONU锁定至该(符合ITU的)频率(或等效地锁定至该频率的波长)。

仅在使用高功率EDFA时进行注入锁定，以补偿解复用中的损耗。以下是用于更详细说明该要求的简要示例。

假设使用具有40通道的商用AWG，该AWG与要寻址的40个ONU相对应，间隔为100GHz，每通道具有12.5GHz带宽和5dB插入损耗，在滤波后，从30dBm EDFA分割出的功率小于0dBm。该功率量(0dBm)在到达ONU之前必须在光纤中经历传播并经历连接损耗。-8dBm的功率预算典型地可用于40km的短距离接入系统，对80km距离该预算下降-16dBm。

另一问题在于，在解复用节点之前需要传送30dBm光功率的传播系统对人眼安全可能变得危险性极高。为了避免这样的危险，光纤系统的该部分典型地由A级渐变光纤系统构成，这暗示着使用相对昂贵的硬件，并应用更大的维护定额。

相反，通过使用如激光二极管之类的相干光源来代替分割的白光源(EDFA接着是AWG)，在中心局发射的5dBm相干光功率在经过AWG的选择之后仍将具有0dBm功率预算。即使将40个这样的相干源进行累积，功率总量也仅为21dBm，而在非相干源情况下为30dBm。这导致大约9dB功率预算的节省，可以带来从等级A至较便宜的等级B的传播系统所需的安全水平，从而实现操作员(或一般而言是任何接入供应商)的资本支出的节省。

然而，与相干注入方案关联的缺陷之一在于，ONU中的光子元件变得对偏振高度敏感。对于PI半导体光放大器而言最优的体材料是可用的。然而，由于半导体材料产生的光双折射效应，已知器件中的PI光增益不足以实现PI注入锁定。该效应使横向电场(TE)模式的光学折射率与横向磁场(TM)模式的光学折射率不同。因此，TE模式的光谱位置通常与TM模式的光谱位置不同。由于两种模式的各自光学折射率的这种差别，来自光子器件的发射光谱通常呈现不重叠的两个光谱梳，因此引起对偏振的敏感性。

本发明的实施例涉及一种注入锁定光子器件，包括至少两个部分，所述至少两个部分中的一个部分的材料与所述至少两个部分中的另一个部分的材料不同，以使所述至少两个部分呈现不同的光学双折射率值，从而响应于注入光信号，使第一组偏振模式以不同于第二组偏振模式的速度在光谱空间中移动。

在本发明的一些特定实施例中，光子器件可以是FPLD或光滤波器，或干涉计。这样的器件可以包括至少两个部分，其中一个部分包括优化的PI增益材料，另一部分包括双折射优化的无源材料，使得激光器腔中产生的总双折射减少至零，或实质上减少所述总双折射。以这种方式，使光信号的TE模式与TM模式一致，从而允许实现适于接入应用的偏振不敏感IL-LD。

在一些实施例中，提供了一种制造注入锁定光子器件的方法，所述方法包括以下步骤：生长至少一个第一部分和至少一个第二部分，其中，所述至少一个第一部分的材料不同于所述至少一个第二部分的材料，以使所述第一和第二部分呈现不同的光学双折射率值，从而响应于注入光信号，使第一组偏振模式以不同于第二组偏振模式的速度在光谱空间中移动。

在光子器件是FPLD或光滤波器或干涉计的本发明的一些特定实施例中，所述方法可以包括以下步骤：在第一部分中生长优化的PI增益材料，并且在第二部分中生长双折射优化的无源材料，使得激光器腔中产生的总双折射减少至零，或实质上减少所述总双折射。

在本发明的一些实施例中，提供了一种降低注入锁定光子器件中对偏振的敏感性的方法，所述注入锁定光子器件包括至少两个部分，所述至少两个部分中的一个部分的材料与所述至少两个部分中的另一个部分的材料不同，以使所述至少两个部分呈现不同的光学双折射率值，从而响应于注入光信号，使第一组偏振模式以不同于第二组偏振模式的速度在光谱空间中移动，所述方法包括以下步骤：利用电流将第一部分偏置以获得光增益，并利用电流或电压将第二部分偏置以控制双折射效应，其中，执行所述电流或电压的偏置以控制双折射效应，以使所述器件中的TE模式和TM模式的相应光谱位置一致。

结合附图，在以下描述中以及权利要求中将更详细地描述本发明的这些和其他特征和优点。

附图说明

图1是由具有PI增益的传统FPLD产生的具有TE模式和TM模式的光谱梳的示意示例表示。

图2是根据本发明一些实施例的FPLD的简化截面示意表示。

图3是根据本发明一些实施例的具有偏振不敏感增益材料的有源部分的结构的层的示意示例表示。

图4是根据本发明一些实施例的具有双折射无源材料的无源部分的结构的层的示意示例表示。

图5是在实现了本发明实施例的FPLD中产生的具有TE模式和TM模式的光谱梳的示意示例表示。

具体实施方式

在以下实施例示例中，参照FPLD。然而，应当注意，本发明不限于这样的实施例，并且还认为如光纤和干涉计之类的其他光子器件也在这里所要求的本发明的保护范围内。如以上关于传统FPLD所述，由于半导体材料产生的光双折射效应，横向电场(TE)模式的光学折射率与横向磁场(TM)模式的光学折射率不同，并因此TE模式的光谱位置通常与TM模式的光谱位置不同，这使来自FPLD的发射光谱通常呈现出在多数情况下不重叠的两组偏振模式(TE和TM)。

如本领域技术人员已知，在常见的光子波导中，允许通过光子波导进行传播的任何电磁场(EMF)存在两种横向本征模式。波导中的EMF的偏振状态是TE或TM，并且这两种本征状态是正交的。示出了TE模式、TM模式或二者的透射、反射或激光发射光谱归因于腔(滤波器、干涉计或FP激光器)内的波导的总体结构，无论该结构由一个、两个还是多个部分构成，只要通过精细的工程技术抑制了任何子腔(消除不同部分的界面上的寄生内部反射)。

在器件允许TE和TM模式的情况下，如果一组偏振模式与TE(或TM)模式相对应，则第二组偏振模式将与正交的TM(或TE)模式相对应。输入至器件中的任何偏振信号(FP IL-LD情况下的注入锁定信号、滤波器情况下要滤波的信号以及干涉计的情况下要分析的信号)可以以给定波长几何投影到两个本征模式(TE和TM)上：这就是为何所述光子器件(IL-LD、滤波器或干涉计)的本征模式必须处于相同的光谱位置处(TE和TM模式在发射、反射或透射光谱上必须一致)。

在图1中示意性示出了该效果，图1表示来自传统FPLD的光谱，其中，有源层增益是PI优化的，然而双折射率分散是未优化的。在图中，X轴表示波长，Y轴表示光功率。X轴和Y轴未以单位标记，这是由于该图意在仅是TE和TM模式的光谱梳的示意表示，以简化理解其各自光谱位置的不同。TE模式的梳由实线表示，TM模式的梳由虚线表示。图中清楚所见，TE和TM的梳彼此分离大约自由光谱范围(FSR)的一半。因此，它们的光谱位置的这种分离引起了偏振敏感性。同样如图1示意性所示，与TM梳相比，TE模式具有更高的光功率水平，这主要是由于激光器腔中的有效增益在通常情况下保持偏振依赖性的原因。

图2是根据本发明一些实施例的FPLD 1的简化示意部分截面图。在任何便利材料构成的基板部分2(如掺n的InP基板)上，生长优化的PI增益材料的结构3。关于图3将更详细描述该结构3。可以使用如MOVPE(金属有机化学气相外延)生长或MBE(分子束外延)生长等传统方法来执行在基板2上的结构3的生长过程。优选地，对PI增益结构3进行体拉伸应变，从而允许在宽光谱范围上实现PI增益(事实上，利用适量的应变，材料可以具有PI增益(即具有与TM增益相同值的TE增益))。优选地，在基板2的整个表面上执行材料的生长过程。

接着，生长的PI增益结构3在其预定区域中被部分蚀刻，以部分地去除PI增益材料。所述预定蚀刻区域(即没有PI增益材料的区域)用于生长优化的双折射无源材料4的结构(为了简化，下文称作“无源材料”)。通过由附图标记5标识的虚线区域在图2中示意性示出了该蚀刻区域。

如将对于图4更详细描述的，使用如MOVPE(金属有机化学气相外延)或MBE(分子束外延)再生长(使用堆叠层的示例)之类的传统方法，可以在基板2的蚀刻区域上生长无源材料结构4。

以这种方式，FPLD具有包括偏振不敏感增益材料3在内的有源部分和包括双折射无源材料4在内的无源部分。在该示例中，有源部分和无源部分的位置彼此相邻，然而，其他部署也是可能的。

然后，使用完成该器件所需的后续步骤来完成所产生的结构，如生长掺p的InP的层6的另一步骤，从而平坦地填平蚀刻的沟道，高度掺杂的InGaAs的接触层和InGaAsP接触层覆盖整个结构。实际上，生长覆盖两个部分的公共接触层，该层由InGaAs和InGaAsP高度掺杂接触层构成，然而，为简单起见，这些均包括在图2的层6中。该接触层的的电极间区域被蚀刻掉，并在其中植入离子，以在电极之间提供有效的电隔离。提供电接触层或电极7、8和9，其中，一个电极接触层7位于与双折射无源材料4相对应的无源部分上，并且另一电接触层8位于与偏振不敏感的增益材料3相对应的有源部分上。第三接触层9用于公共接地连接。以这种方式，接触层8可以连接至电流源10，以为有源部分提供偏置电流，并且接触层7可以连接至电流源11，以为无源部分提供偏置电流。

使用彼此不同并独立控制的两个分离的偏置电流，可以利用适当的电流对有源部分进行偏置，以提供期望的光增益，并且可以利用相应的适当电流对无源区域进行偏置，以控制器件中的双折射效应，并从而消除或实质上降低TE模式折射率和TM模式折射率之间的差异，使两个模式尽可能一致。

图3更详细示出了PI增益材料3的示例结构。优选地，对所述结构进行体拉伸应变，这允许在相对宽的光谱范围上实现PI增益，典型地在C频带(1530nm-1565nm)中。

如图3的示例所示，PI增益材料3的结构可以包括：典型地由InP材料构成的缓冲层31；典型地由厚度在(但不限于)200nm范围的InGsAsP 1.17分离限制异质(SCH)层(光限制层)构成的层32；典型地由厚度在(但不限于)120nm范围、具有-0.14％应变的InGaAsP 1.55体构成的有源增益材料的层33；典型地由厚度在(但不限于)200nm范围的应变InGaAsP 1.17构成的第二SCH层34；以及厚度在(但不限于)200nm范围的InP构成的顶层35。给出的层厚度是优选值，这是由于当使用1μm宽波导时这些值可以提供有效的PI增益，增益二色性可以由波导结构二色性来进行校正，在给定材料中，二色性在增益、损耗或透射方面是偏振敏感的。

图4更详细示出了无源材料4的示例结构。该材料优选地由允许实现较大双折射的压应变体结构构成。

如图4的示例所示，无源材料可以是具有以下层的堆叠结构：由InP:Be(其中Be的掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3)构成的调整层41；InGaAsP1.45体层42(厚度大约为(但不限于)420nm、具有+0.1％晶格不匹配的应变)；以及厚度大约为(但不限于)250nm的InP:Si(Si的掺杂浓度为1x10¹⁸cm^-3)的顶层43。

如上所述，偏置入该无源部分的电流允许调整双折射，使得TE和TM模式一致。

在图5中示意性示出了该效果。在该图中，以与图1中类似的方式，来自FPLD的光谱在光功率方面表示为波长的函数(在X和Y轴上没有标记单位)。然而，在图5中，示意性表示出了来自根据本发明的实施例的、具有优化的有源层和优化的无源层的FPLD的光谱。由于在图上TE模式梳和TM模式梳的位置一致，由虚线示出TE模式梳和TM模式梳，其中每一条虚线应理解为包括彼此重叠的TE模式梳和TM模式梳。可以通过精细调节无源部分的偏置电流来获得该重叠。因此，由于TE和TM梳的这种重叠，FPLD变得对注入锁定光信号的偏振不敏感。

的确，无源部分的双折射可以用来补偿整个结构的相对TE/TM模式位置。然而，这样的补偿效果在光谱范围和温度范围上有时会受到限制。在这种限制发生的情况下，可以对查找表进行测量并将其提供给用户，以在器件操作期间对其进行精细调节。这种查找表可以包含偏置条件(例如有源部分的偏置电流和无源部分的偏置电流IP)和使用条件(例如器件的温度和实际锁定波长)之间的对应关系。

此外，实际上可能发生以下情况：对PI增益部分进行调制以编码上载信号会引起折射率变化，折射率变化继而引起调制的FPLD的锁定范围的位移。因此，ONU可以解除由锁定信号造成的锁定，因此减小子系统(例如，集成在电子卡上的IL-LD模块)的锁定余量。可以通过在IL-LD器件上提供第三调制部分来克服上述问题，第三调制部分专用于调制，并具有足够小的体积以在调制期间使载流子变化最小化。另一解决方案可以是向有源材料提供最小化的相位-幅度因子(α_H)，即α_H的因子值小于2，以在调幅期间引入最小的折射率变化。又一解决方案可以是：使用可以增强调制信号的动态消光比的腔外可饱和吸收器(off-cavity saturable absorber)，该腔外可饱和吸收器通过在其饱和功率条件下吸收光功率，并在输入光功率高于饱和功率时让整个信号通过，因此消除了激光器腔内进行大载流子密度调制的需要。

应当注意，有源部分中的增益材料还可以呈现双折射率值。然而，通过调整具有不同双折射率值的无源部分的偏置电流或电压，可以补偿整个结构的总的TE/TM模式折射率差异。