ТЕПЛОВАЯ КОМПЕНСАЦИЯ ДРЕЙФА ДЛИНЫ ВОЛНЫ ДЛЯ ЛАЗЕРА, РАБОТАЮЩЕГО В РЕЖИМЕ ПУЛЬСАЦИЙ Российский патент 2019 года по МПК H01S5/06 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0001] Пассивные оптические сети (PON) имеют устройства на стороне пользователя или потребителя и устройства на стороне оператора, сообщающиеся друг с другом. PON могут использовать мультиплексирование с разделением по времени, при котором конечные пользователи совместно используют длину волны в разные периоды времени для связи со стороной оператора (например, с оптическим линейным окончанием (OLT)) через восходящую линию связи. В соответствии с этим некоторые передатчики на стороне пользователя или потребителя, такие как используемые в оптических сетевых блоках (ONU), могут иметь лазеры, работающие в режиме пульсаций. В режиме пульсаций ONU передатчику может быть выделен небольшой период времени, и он может посылать сигналы в восходящем направлении только в течение своего собственного периода времени. В другие периоды времени ONU передатчик может иметь ток смещения (или напряжение) ниже своего порогового значения тока (например, нулевой ток смещения) и поэтому остается недействующим.

[0002] Когда лазер, работающий в режиме пульсаций, включается, он может излучать или передавать оптический сигнал, на который могут накладываться радиочастотные (RF) сигналы. Во время излучения температура лазерного кристалла может медленно возрастать, приводя к дрейфу или сдвигу оптической длины волны. В PON системе с мультиплексированием по времени или по длине волны (TWDM-PON), которая совместно использует как время, так и длину волны, многие длины волн могут быть использованы как в нисходящем направлении, так и в восходящем направлении. В восходящем направлении, например, демультиплексор (DeMUX) может быть использован для разделения разных длин волн, посланных от многих ONU. Каждый выходной канал в DeMUX, подобно фильтру, может иметь полосы пропускания различных форм, таких как плоская форма или гауссова форма. Сдвиг длины волны оптического сигнала в течение периода пульсаций может вызывать проблемы в фильтре. Например, если длина волны пиковой интенсивности оптического сигнала близка к границе полосы пропускания фильтра, после сдвига длины волны участок оптического сигнала может быть отфильтрован, поскольку сдвинутая длина волны выпадает из полосы пропускания. Вследствие этого может изменяться мощность оптического сигнала, что может вызвать проблемы ошибки данных. Поэтому сдвиг длины волны лазеров, работающих в режиме пульсаций, является подлежащей решению проблемой.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] В варианте осуществления изобретение включает в себя устройство, которое содержит лазер, работающий в режиме пульсаций, содержащий активный слой и выполненный с возможностью излучения оптического сигнала в течение периода пульсаций, когда изменение температуры лазера, работающего в режиме пульсаций, приводит к сдвигу длины волны оптического сигнала, и нагреватель, термически связанный с активным слоем, и выполненный с возможностью уменьшения сдвига длины волны оптического сигнала в течение периода пульсаций за счет приложения тепла к активному слою, основываясь на временных параметрах периода пульсаций.

[0004] В другом варианте осуществления изобретение включает в себя способ тепловой компенсации во время работы лазера, работающего в режиме пульсаций, который термически связан с нагревателем, причем этот способ содержит прием вызывающего пульсации сигнала, указывающего начало периода пульсаций, излучение оптического сигнала по меньшей мере с одной длиной волны в течение периода пульсаций и по существу поддержание температуры работающего в режиме пульсаций лазера на протяжении излучения оптического сигнала для уменьшения сдвига длины волны оптического сигнала, при этом по существу поддержание температуры содержит приложение тепла, используя нагреватель, к работающему в режиме пульсаций лазеру, основываясь на вызывающем пульсации сигнале.

[0005] Еще в одном варианте осуществления изобретение включает в себя лазерную систему, которая содержит лазер, работающий в режиме пульсаций, содержащий металлический слой, который служит в качестве электродной площадки для работающего в режиме пульсаций лазера, и электрический нагреватель, расположенный наверху работающего в режиме пульсаций лазера и содержащий первый титановый (Ti) слой наверху металлического слоя, слой диоксида кремния (SiO₂) наверху первого титанового слоя, второй Ti слой наверху слоя диоксида кремния и платиновый (Pt) слой наверху второго титанового слоя, причем второй Ti слой и Pt слой служат в качестве нагревающей площадки для электрического нагревателя и причем SiO₂ слой имеет толщину не более 300 нанометров, чтобы обеспечить эффективную передачу тепла от электрического нагревателя к лазеру, работающему в режиме пульсаций, и препятствовать инжекции тока из нагревающей площадки в электродную площадку.

[0006] Эти и другие признаки станут более четко понятными из последующего подробного описания в сочетании с прилагаемыми чертежами и формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Для более полного понимания этого изобретения обратимся теперь к последующему краткому описанию в сочетании с прилагаемыми чертежами и подробному описанию, где подобные ссылочные позиции представляют подобные части.

[0008] ФИГ. 1A и 1B - приводимые в качестве примера результаты моделирования возрастания температуры и сдвига длины волны, соответственно, для лазера с распределенной обратной связью (DFB) в пределах одного периода времени пульсаций без тепловой компенсации нагревателем.

[0009] ФИГ. 2A - приводимый в качестве примера профиль нагревающего тока, используемый при моделировании.

[0010] ФИГ. 2B - приводимый в качестве примера профиль возбуждающего лазер напряжения, используемый в том же моделировании, что и на фиг. 2A.

[0011] ФИГ. 3 - приводимые в качестве примера результаты моделирования изменения температуры лазера, работающего в режиме пульсаций, при трех разных условиях: (1) только нагреватель, (2) только лазер, и (3) и нагреватель и лазер включены.

[0012] ФИГ. 4A - другой приводимый в качестве примера профиль нагревающего тока.

[0013] ФИГ. 4B - приводимый в качестве примера профиль возбуждающего лазер напряжения, используемый в том же моделировании, что и на фиг. 4A.

[0014] ФИГ. 5 - другие приводимые в качестве примера результаты моделирования изменений температуры лазера, работающего в режиме пульсаций, при трех разных условиях: (1) только нагреватель, (2) только лазер, и (3) и нагреватель и лазер включены.

[0015] ФИГ. 6 - вид в перспективе варианта осуществления лазерной системы.

[0016] ФИГ. 7A - вид в разрезе по линии A-A лазерной системы, изображенной на фиг. 6.

[0017] ФИГ. 7B - вид в перспективе лазерной системы, изображенной на фиг. 6, в разрезе по линии B-B.

[0018] ФИГ. 7С - вид в разрезе в перспективе DFB лазера со скрытой гетероструктурой.

[0019] ФИГ. 8A-8D - варианты осуществления четырех задающих схем, каждая из которых служит для генерации нагревающего тока, который подается в нагреватель.

[0020] ФИГ. 9 - блок-схема последовательности операций в варианте осуществления способа тепловой компенсации во время работы лазера, работающего в режиме пульсаций.

[0021] ФИГ. 10 - схематическое представление варианта осуществления PON.

ПОДРОБНЕ ОПСАНИЕ

[0022] Должно быть изначально понятно, что хотя ниже приводится иллюстративная реализация одного или более приводимых в качестве примера вариантов осуществления, предлагаемые в изобретении системы и/или способы могут быть реализованы, используя любое число технических подходов, известных сейчас или уже существующих. Изобретение никоим образом не должно ограничиваться иллюстративными реализациями, чертежами и техническими подходами, представленными ниже, включая сюда приводимые в качестве примера конструктивные решения и воплощения, представленные и описанные здесь, но может быть модифицировано в пределах объема прилагаемых пунктов формулы изобретения в сочетании с полным объемом их эквивалентов. Фигуры на чертежах не обязательно выполняются в масштабе. Определенные признаки в вариантах осуществления могут быть показаны в увеличенном виде или в некоторой схематической форме, и некоторые детали общеупотребимых элементов могут быть не показаны из соображений обеспечения ясности и краткости.

[0023] Настоящее описание представляет и поясняет приводимые в качестве примера варианты осуществления применительно к уменьшению сдвига длины волны лазера, работающего в режиме пульсаций, в периоде пульсаций стабилизацией температуры лазера во время излучения оптических сигналов. В варианте осуществления электрический нагреватель располагается близко к активному слою лазера для нагревания поверхности анода лазера. Тепло может прикладываться к лазеру до периода пульсаций или как раз в начале периода пульсаций, чтобы быстро повысить температуру активной области. Затем, когда лазер начинает излучение оптического сигнала, вскоре после начала периода пульсаций, количество приложенного тепла может быть уменьшено, что вызывает медленное уменьшение температуры лазера за короткий период, например, около 10 микросекунд (мкс). В течение более позднего участка периода пульсаций тепло может быть отключено полностью в целях дальнейшего снижения температуры. В результате повышение температуры, вызываемое излучением оптического сигнала, уравновешивается или компенсируется снижением температуры, вызываемым уменьшением тепла, подводимого к лазеру. В соответствии с этим общая температура лазера может быть стабилизирована, что, в свою очередь, уменьшает сдвиг длины волны в периоде пульсаций. Описываемые варианты осуществления могут снижать дрейф длины волны в линии восходящей связи и сохранять входную оптическую мощность почти постоянной, улучшая тем самым производительность и качество TWDM-PON системы. Может быть использован DeMUX с гауссовой формой полосы пропускания, по существу предоставляя возможность более широкого выбора в проектировании компонентов TWDM-PON системы.

[0024] Оптический сигнал определяется здесь как по меньшей мере одна оптическая волна, имеющая по меньшей мере одну оптическую длину волны и несущая любой тип сигнала (например, RF сигнал). Когда оптическая волна без какого-либо RF сигнала излучается, например, для целей привязки, информация о длине волны и/или мощность оптической волны могут по-прежнему рассматривается как типы сигналов. Варианты осуществления, описываемые здесь, могут быть применены к любому подходящему типу лазеров, работающих в режиме пульсаций, включая сюда DFB лазеры и лазеры с распределенным брэгговским отражением (DBR). Кроме того, описываемые здесь лазеры, работающие в режиме пульсаций, могут располагаться в любом месте и использоваться в любой подходящей системе. Например, лазер, работающий в режиме пульсаций, может размещаться в передатчике на стороне пользователя (например, в ONU) или на стороне оператора (например, в OLT) в PON системе. В настоящем описании сначала может быть обсуждено функционирование тепловой компенсации, а за этим последует подробное обсуждение структур и изготовления нагревателя.

[0025] Когда ток инжекции вызывает излучение лазером оптического сигнала, этот ток также нагревает лазер, поскольку лазер имеет омическое контактное сопротивление. Нагревание приводит к возрастанию температуры лазера. Температура некоторых лазерных кристаллов, работающих в режиме пульсаций, может регулироваться посредством теплового электрического управления (TEC), и в этом случае может формироваться стабильный градиент температуры спустя несколько сотен микросекунд. Тем не менее, температура лазерного кристалла может по-прежнему изменяться вследствие подаваемого тока и оптического сигнала.

[0026] На фиг. 1A и 1B представлены приводимые в качестве примера результаты моделирования повышения температуры и сдвига длины волны, соответственно, для DFB лазера в пределах периода времени пульсаций продолжительностью 125 мкс при отсутствии тепловой компенсации нагревателем. Конкретно, на фиг. 1A показано повышение температуры со временем в активной области DFB лазера в течение периода пульсаций, где по оси x отложено время, а по оси y температура активной области лазера. На фиг. 1B показано увеличение длины волны (то есть сдвиг в сторону красной части спектра) оптического сигнала, излучаемого DFB лазером, в течение периода пульсаций, где по оси x отложено время, а по оси y величина сдвига длины волны лазера. Среднее повышение температуры для оптической зоны локализации может составлять от около 1 кельвина (К) до около 1,5 К по периоду пульсаций около 125 мкс, где повышение температуры может также зависеть от средней выходной оптической мощности лазера. На фиг. 1A дополнительно показано, что в начале периода пульсаций изменение температуры относительно быстрее и что в направлении более поздней части периода пульсаций изменение температуры может вступать в близкую к насыщению область и происходить с меньшей крутизной. Изменение температуры лазера приводит в результате к сдвигу оптической длины волны. Как показано на фиг. 1B, примерно при рабочей температуре окружающей среды около 30 градусов Цельсия (С) (или 303 К) увеличение температуры лазера на 1 К может привести к сдвигу оптической длины волны на около 0,105 нанометра (нм). Соответственно из этой ситуации может быть выведена эмпирическая формула:

dλ=0,105 нм/К* dТ, (1)

где dλ означает сдвиг длины волны, а dТ означает изменение температуры. Однако эти значения служат только в качестве примера, так как повышение температуры и сдвиг длины волны могут также зависеть от большего числа факторов, таких как уровень выходной мощности лазера.

[0027] Для того чтобы уменьшить дрейф длины волны, когда лазер работает в режиме пульсаций, и тем самым стабилизировать длину волны, температура активной области лазера может быть стабилизирована с целью уменьшения изменения температуры. В варианте осуществления нагреватель может быть изготовлен на верху электродной площадки анода для работающего в режиме пульсаций лазера. Поэтому нагреватель располагается прямо сверху активной области лазера, так что он может нагревать активную область лазера быстро и эффективно. Например, как показано на фиг. 3 (который будет описан ниже), при подаче тепла температура лазера может возрастать на 1°С в течение около 1 мкс.

[0028] Различные варианты осуществления подачи тепла, динамически основанные на вызывающем пульсации сигнале, описываются здесь. В первом варианте осуществления вызывающий пульсации сигнал (например, возбуждающий сигнал ONU передатчика) и нагревающий ток подаются одновременно. Другими словами, нагреватель начинает нагревать, когда включается сигнал возбуждения лазера. Сигнал, вызывающий пульсации, может быть реализован как любой подходящий сигнал (например, напряжение или ток). Сигнал, вызывающий пульсации, управляет временными параметрами периода пульсаций и указывает начало периода пульсаций. Лазер, работающий в режиме пульсаций, может начать излучение оптического сигнала вскоре (например, через одну микросекунду) после переключения вызывающего пульсации сигнала от низкого логического уровня к высокому логическому уровню. Нагревающий ток для нагревателя может создаваться как имющий любой подходящий профиль. На фиг. 2A показан приводимый в качестве примера профиль нагревающего тока, используемый при моделировании, а на фиг. 2B показан приводимый в качестве примера профиль возбуждающего лазер напряжения, используемый в том же самом моделировании.

[0029] Как показано на фиг. 2A, профиль нагревающего тока имеет три временных участка, связанных с тремя разными этапами. Первый этап продолжается от начала периода пульсаций до около 1 мкс, где ток устанавливается на максимальный уровень (например, около 56 миллиампер (мА)). Второй этап продолжается от около 1 мкс до около 10 мкс, где ток уменьшается до промежуточного или более низкого уровня (например, около 18,8 мА). Третий этап продолжается от около 10 мкс до конца периода пульсаций, где нагреватель выключается с нулевым током. Как показано на фиг. 2B, вызывающий пульсации сигнал остается на высоком уровне в течение всего периода пульсаций и переключается на низкий уровень в момент около 125 мкс и до конца периода пульсаций. Лазер может начать излучение оптического сигнала по меньшей мере с одной длиной волны вскоре (например, через 1 мкс) после переключения вызывающего пульсации сигнала на высокий уровень (лазер нагревается).

[0030] На фиг. 3 показаны приводимые в качестве примера результаты моделирования изменений температуры лазера, работающего в режиме пульсаций, в трех разных условиях. Условие (1), представленное квадратными метками, имеет нагреватель, включаемый током, профиль которого показан на фиг. 2A, и имеет выключенный лазер. Условие (2), представленное треугольными метками, имеет лазер, включенный вызывающим пульсации напряжением, профиль которого показан на фиг. 2B, и имеет выключенный нагреватель. Условие (3), представленное ромбовидными метками, имеет включенными как нагреватель, так и лазер, согласно профилям на фиг. 2A и 2B, соответственно. Как показано на фиг. 2A, нагревающий ток сначала устанавливается на максимальный уровень на короткий период (например, около 1 мкс). Как показано применительно к условию (1) на фиг. 3, максимальный нагревающий ток быстро нагревает активную область лазера, вызывая возрастание средней температуры на около одного градуса Цельсия (например, от около 303 К до около 304,1 К) за первую микросекунду. По истечении первой микросекунды нагревающий ток может уменьшаться, чтобы остановить дальнейшее повышение температуры лазера. Как показано на фиг. 2A, нагревающий ток может быть снижен (например, от около 56 мА до около 18,8 мА) в течение другого короткого периода (например, около 10 мкс). Как показано применительно к условию (1) на фиг. 3, снижение тока приводит к изменению или флуктуации температуры лазерного кристалла в течение этого периода (например, между около 303,8 К и около 304,2 К. Спустя около 10 мкс нагревающий ток отключается, и температура лазера может естественным образом уменьшаться на протяжении оставшейся части периода пульсаций (например, от около 303,9 К до около 303,1 К).

[0031] Условие (2) на фиг. 3 подобно фиг. 1B, где температура лазера повышается в результате его тока смещения и модуляции. Объединяя условия (1) и (2) для условия (3) на фиг. 3, становится ясно, что снижение температуры нагревателя может компенсировать повышение температуры лазера, что приводит в результате к почти полностью стабилизированному профилю температуры. Согласно условию (3) ток нагревателя и сигнал возбуждения лазера включаются одновременно, что позволяет поддерживать температуру лазера в пределах от около 303,9 К до около 304,2 К в течение всего периода пульсаций. Изменение температуры уменьшается от около 1 К до менее чем около 0,3 К и соответственно уменьшается сдвиг длины волны. Применяя уравнение (1), dλ=0,105 нм * dТ, и полагая изменение температуры, dТ, равным 0,3 К, сдвиг длины волны должен быть по существу стабильным с диапазоном сдвига в пределах около 0,0315 нм. Соответствующий сдвиг частоты будет находиться в пределах 0,5 гигагерц (ГГц). В более широком смысле, когда продолжительность периода пульсаций составляет около 125 микросекунд, температура лазера, работающего в режиме пульсаций, может управляться, чтобы изменение не превышало около ±0,2°С, а сдвиг длины волны оптического сигнала мог быть не более чем около ±0,02 нм.

[0032] Во втором варианте осуществления подачи тепла на лазер, основанному на вызывающем пульсации сигнале, тепло может прикладываться до начала периода пульсаций. На фиг. 4A показан приводимый в качестве примера профиль нагревающего тока. используемый в моделировании второго варианта осуществления. На фиг. 4B показан приводимый в качестве примера профиль возбуждающего лазер напряжения, используемый в той же ситуации, а на фиг. 5 показаны приводимые в качестве примера результаты моделирования изменений температуры лазера, работающего в режиме пульсаций, при трех разных условиях. Поскольку специалистам в данной области техники будет понятно сходство между фиг. 4A и фиг. 2A, между фиг. 4B и фиг. 2B, и между фиг. 5 и фиг. 3, из соображений краткости дальнейшее обсуждение будет сосредоточено на различиях между ними. Во втором варианте осуществления лазер, работающий в режиме пульсаций, предварительно нагревается нагревателем при максимальном уровне нагревающего тока, чтобы обеспечить повышение его температуры на около 1 К до начала периода пульсаций. Как показано на фиг. 4A, максимальный ток около 30 мА подается в нагреватель в течение первого периода (например, около 5 мкс) до включения сигнала, вызывающего пульсации лазера. По сравнению с фиг. 2A, где максимальный ток составлял около 56 мА для того же лазера, максимальный ток может быть не обязательно таким же высоким, потому что продолжительность нагревания теперь больше. Когда вызывающий пульсации сигнал включается, нагревающий ток уменьшается до более низкого значения, чтобы по существу поддерживать существующую температуру или обеспечить очень медленное снижение температуры в течение от около 10 до 15 мкс. После этого нагреватель выключается на оставшуюся часть периода пульсаций, вызывая падение температуры лазера. Как было сказано выше, снижение температуры лазера, вызванное выключением нагревателя, компенсирует рост температуры лазера, вызываемый током смещения и модуляции. В результате, когда и лазер и нагреватель включены, как показано на фиг. 4A и фиг. 4B, общая температура по существу стабилизируется, изменяясь в пределах от около 303,9 К до около 304.2 К в течение всего периода пульсаций, как показано на фиг. 5.

[0033] Когда нагревающий ток имеет простой ступенчатый профиль, такой как показанный на фиг. 2A и фиг. 4A, может наблюдаться вторичный пик температуры. Например, температура лазера достигает пикового значения около 304,2 К при 10 мкс на фиг. 3 и достигает малого пикового значения около 304,05 К при около 20 мкс на фиг.5. В третьем варианте осуществления профиль нагревающего тока может поэтому быть изменен, чтобы уменьшить или исключить вторичные пики. В варианте осуществления нагревающий ток может быть установлен, чтобы быстро достигать максимального уровня и затем постоянно снижаться в течение периода времени. Например, непрерывное экспоненциальное снижение может быть реализовано использованием цепочки резистор-конденсатор (RC). Ток может продолжаться до конца периода пульсаций или быть выключен в середине периода пульсаций в зависимости от факторов, таких как максимальный уровень тока и скорость снижения тока. При правильном выборе профиля нагревающего тока общая температура лазера может быть даже более стабилизирована, дополнительно уменьшая сдвиг длины волны оптического сигнала.

[0034] На фиг. 6 показан вид в перспективе варианта осуществления лазерной системы 600, которая может содержать лазер 610, работающий в режиме пульсаций, и электрический нагреватель 620. Лазерная система 600 может быть реализована с использованием одного кристалла (например, все компоненты могут быть монолитно изготовлены на одном и том же кристалле) или многих кристаллов (например, некоторые компоненты могут быть изготовлены отдельно и затем скреплены пайкой вместе). В зависимости от конструкции нагреватель 620 может рассматриваться как часть лазера 610 или быть термически связанным с лазером 610. Например, когда все компоненты лазерной системы 600 монолитно изготовлены на одном и том же кристалле, лазерная система 600 может иногда просто именоваться лазером. Как показано на фиг. 6, нагреватель 620 может быть интегрирован наверху электродной площадки 612 анода лазера 610, так что нагреватель 620 располагается непосредственно сверху активного слоя или области лазера 610. Поскольку нагреватель близок к активному слою, когда нагревающий ток течет сквозь нагреватель 620 через нагревающие площадки, нагреватель может быстро повышать температуру активного слоя лазера (например, повышение на около 1 К в течение около 1 мкс). В варианте осуществления нагреватель может быть выполнен из тонких пленок титана (Ti) или платины (Pt), при этом Ti наносится наверху слоя из диоксида кремния (SiO₂), который используется для изоляции от тока инжекции лазера и тока нагревателя. Pt слой может служить в качестве главного нагревающего слоя. Под поверхностью изолирующего SiO₂ слоя электрод анода лазера может содержать Ti, Pt и/или золотой (Au) слои. Должно быть понятно, что относящиеся к направлению термины, используемые здесь, такие как верхний, нижний, наверху, сверху от, ниже, под, горизонтально, вертикально, и т.п., означают относительное направление и не накладывают какого-либо ограничения на ориентацию лазерной системы или ее компонентов.

[0035] На фиг. 7A показан вид в разрезе по линии A-A лазерной системы 600, изображенной на фиг. 6, представляющий по существу подробную вертикальную схему расположения лазерной системы 600. Лазерная система 600 может изготавливаться, используя любую подходящую технологию в послойном исполнении. Слои лазера содержат, снизу вверх, подложку 710, выполненную из фосфида индия n-типа (n-InP), активный слой 720, слой 730 покрытия, выполненный из InP p-типа, омический контактный слой 740, выполненный из сильнолегированного индия-галлия арсенида (p⁺-InGaAs) и электродный слой 750, выполненный из металлов, таких как Ti/Pt/Au слои. Электродный слой 750 может быть осажден для электродной площадки анода лазера. Активный слой 720, иногда называемый активной областью или активной зоной, может содержать волноводные слои в углублении для генерации оптических сигналов.

[0036] Слои нагревателя располагаются наверху слоев лазера и содержат, снизу вверх, первый Ti слой 760, изолирующий слой 770, выполненный из (SiO₂), второй Ti слой 780 и Pt слой 790. Второй Ti слой 780 и Pt слой 790 вместе могут служить в качестве нагревающей площадки для нагревателя, поскольку оба слоя электропроводны и соединены. Во время изготовления для интеграции нагревателя сверху от Au подслоя электродного слоя 750 Ti слой 760 толщиной от около 5 до 10 нм может быть нанесен, отступив на около 200 нм от изолирующего слоя. Два Ti слоя 760 и 780 могут помочь в прикреплении (SiO₂) в изолирующем слое 770 к другим металлам. Изолирующий слой 770 может быть не слишком толстым, с тем чтобы он мог обеспечить возможность эффективной передачи тепла от электрического нагревателя к работающему в режиме пульсаций лазеру, и может быть не слишком тонким, с тем чтобы он мог препятствовать инжекции тока от нагревающей площадки в электродную площадку. Например, изолирующий слой 770 может иметь толщину между 50-200 нм, 100-300 мм или 150-250 нм, или же в других подходящих диапазонах.

[0037] На фиг. 7B показан вид в перспективе в разрезе по линии B-B лазерной системы 600, изображенной на фиг. 6, с направления, перпендикулярного к направлению на фиг. 7A. Лазер может быть DFB лазером с гребневым волноводом, имеющим нагреватель, расположенный сверху. В соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг. 7B, активный слой 720 имеет толщину около 300 нм и может находиться на верху подложки 710; слой 730 покрытия имеет толщину около 1,5 мкм; омический контактный слой 740 имеет толщину около 100 нм; электродный слой 750 имеет толщину около 30 нм, 50 нм и 500 нм для соответствующих слоев из Ti, Pt и Au; первый Ti слой 760 имеет толщину около 5 нм; изолирующий слой 770 может иметь толщину около 200 нм; и второй Ti слой 780 и Pt слой 790, служащие вместе в качестве нагревающего электрода, имеют, соответственно, толщину 100 нм и 300 нм. Дополнительно активный слой 720, содержащий гребневый волновод, может иметь ширину от около 2,5 мкм до около 4 мкм. Каждая из двух бороздок 782 и 784, идущих в центре параллельно площадке нагревателя, может иметь ширину от около 10 мкм до около 15 мкм. В области бороздки верхний SiO₂ слой 780 может иметь толщину около 200 нм, а нижний SiO₂ слой 788 может иметь толщину около 300 нм.

[0038] На фиг. 7C показан вид в перспективе в разрезе DFB лазера со скрытой гетероструктурой, который имеет нагревающую площадку 790, расположенную сверху активной зоны 791. В целях настоящего описания конструкция и изготовление нагревателя на фиг. 7C во многом подобны фиг. 7B, так что сходные черты не обсуждаются дополнительно из соображений краткости. В отличие от лазера с гребневым волноводом DFB лазер со скрытой гетероструктурой имеет активную область 791, полностью вставленную или ''скрытую'' между многими n-InP слоями 792 и p-InP слоями 793. Кроме того, ширина мезаструктуры между двумя бороздками 794 и 795 может находиться в пределах от около 8 мкм до около 12 мкм, и активная область 791 может иметь ширину от около 1 мкм до около 2 мкм.

[0039] На фиг. 8A-8D представлены варианты осуществления задающих схем 800, 830, 860 и 890, каждая из которых служит для генерации нагревающего тока, который подается в нагреватель, описанный выше. Конкретно, как показано на фиг. 8A, задающая схема 800 служит в качестве источника тока для нагревателя (например, нагревателя 620 на фиг. 6). Схема 800 может содержать три части: (1) нагреватель 802, который может рассматриваться как часть DFB лазера; (2) источник 810 постоянного тока, образованный транзистором 812 (обозначенным Q2-1), диодом 814 (обозначенным LED2-1) и резистором 816 (обозначенным R2-1); и (3) модулятор 820 тока, образованный управляющим входным напряжением (V_ctrl) 822, транзистором (Q2-2) 824 и резистором (R2-2) 826. Приводимые в качестве примера значения для некоторых компонентов представлены на фиг. 8A.

[0040] В источнике 810 постоянного тока прямые напряжения в LED2-1 814 могут составлять 1,5 вольт (В), а напряжение эмиттер-база (V_eb) в Q2-1 812 может быть равно 0,6 В. Кроме того, оба напряжения могут изменяться с температурой, следуя подобной характеристике зависимости напряжения от температуры. В результате разность между двумя напряжениями, которая может быть подана на R2-1 816, может быть нечувствительной (или по существу независимой) к окружающей температуре. Следовательно, R2-1 816 может быть способен к обеспечению постоянного тока, по существу независимого от окружающей температуры задающей схемы. Другими словами, ток может быть относительно стабильным при изменениях температуры. Кроме того, величина R2-1 816 может выбираться таким образом, чтобы ток был достаточным для нагревания лазера, как обсуждалось выше.

[0041] В модуляторе 820 тока, если V_ctrl 822 устанавливается на низкое или нулевое значение, никакой ток не может течь через Q2-2 824. В этом случае нагреватель 802 может принимать весь ток, обеспечиваемый источником 810 постоянного тока. В противном случае, если V_ctrl 822 устанавливается высоким (например, превышающим пороговое напряжение включения для Q2-2 824), по меньшей мере часть тока от источника 810 постоянного тока может обтекать через Q2-2 824 и R2-2 826, уменьшая тем самым ток, протекающий через нагреватель 802. Таким образом, модуляция тока может достигаться управлением величины V_ctrl 822. Время отклика модулятора 820 тока может выбираться коротким (например, около 1 наносекунды (нс)), чтобы обеспечить быстрое переключение или модуляцию.

[0042] Специалистам в данной области техники будет понятно, что задающие схемы 830, 860 и 890, показанные на фиг. 8B-8D, во многом подобны задающей схеме 800 на фиг. 8A. Поэтому сходные черты дополнительно не обсуждаются. Задающая схема 830 на фиг. 8B может принимать выходной сигнал от схемы 832 управления временем, которая может управлять временем каждой ступени профиля тока (например, как долго ток остается на максимальном уровне, среднем уровне и на нуле). Выходной ток задающей схемы 830 может задаваться равным определенному значению регулировкой значения потенциометра 834 (обозначенного RV3). Задающая схема 830 может работать в режиме включения/выключения. Время нарастания/спадания выходного тока (например, время достижения максимального уровня от нулевого уровня) может быть не более чем несколько наносекунд (например, 1 нс).

[0043] Каждая из задающей схемы 860 на фиг. 8C и задающей схемы 890 на фиг. 8D может точно управляться цифро-аналоговым (DA) преобразователем, который может иметь 12 или 16 битов по глубине. Выходы DA преобразователя в задающих схемах 860 и 890 обозначены DA1 и DA2, соответственно. Во время переключения или модуляции время нарастания/спадания тока составляет около 1 мкс. Главным отличием между схемами 860 и 890 являются номиналы резисторов. В задающей схеме 860 резистор 862 (R1-1) может иметь сопротивление около 400 Ом, а резистор 864 R1-2) может иметь сопротивление около 1000 Ом. Задающая схема 860 может генерировать относительно малый выходной ток в пределах около 0-2,5 мА, который может подходить для лазера 866 с фазовым регулированием. С другой стороны, в задающей схеме 890 резистор 892 (R2-1) может иметь сопротивление около 40 Ом, а резистор 894 (R2-2) может иметь сопротивление около 100 Ом. Задающая схема 890 может генерировать относительно большой выходной ток в пределах около 0-20 мА, который может подходить для DBR лазера 896.

[0044] На фиг. 9 показана блок-схема последовательности операций в варианте осуществления способа 900 для тепловой компенсации во время работы лазера, работающего в режиме пульсаций. В лазерной системе (например, в лазерной системе 600) лазер, работающий в режиме пульсаций, может быть DFB лазером, который термически связан с нагревателем, который, в свою очередь, подсоединен к задающей схеме. Способ 900 начинается с этапа 910, когда задающая схема подает электрический ток в нагреватель для генерации тепла, которое должно быть приложено к работающему в режиме пульсаций лазеру. В варианте осуществления электрический ток достигает максимального уровня не позже начала излучения оптического сигнала и затем уменьшается в дальнейшем от максимального уровня. На этапе 920 лазер, работающий в режиме пульсаций, может принимать вызывающий пульсации сигнал, указывающий начало периода пульсаций. Должно быть понятно, что этапы 910 и 920 могут быть реализованы в любой последовательности. Например, электрический ток может быть подан в нагреватель до начала периода пульсаций или одновременно с началом периода пульсаций.

[0045] На этапе 930 лазер, работающий в режиме пульсаций, может излучать оптический сигнал по меньшей мере с одной длиной волны в течение периода пульсаций. Так как лазер затрачивает некоторое время на то, чтобы нагреться, излучение оптического сигнала может начаться вскоре (например, спустя около 1 мкс) после начала периода пульсаций. На этапе 940 лазерная система может по существу поддерживать температуру лазера, работающего в режиме пульсаций, на протяжении излучения оптического сигнала для уменьшения сдвига длины волны оптического сигнала. В настоящем описании фактическое поддержание или стабилизация температуры может означать управление диапазоном дрейфа в пределах ±0,2 градуса Цельсия. Фактическое поддержание температуры может быть реализовано динамически приложением тепла, используя нагреватель, основываясь на вызывающем пульсации сигнале. Тепло может быть приложено только во время первого участка периода пульсаций, а не во время более позднего участка периода пульсаций.

[0046] На фиг. 10 схематически представлен вариант осуществления PON 100. PON 100 содержит OLT 110, ряд ONU 120 и ODN 130, которая может быть подсоединена к OLT 110 и ONU 120. Лазерные системы, описываемые здесь, могут быть реализованы различными компонентами в PON 100, таким как передатчики в ONU 120 для их связи по восходящей линии с OLT 110. PON 100 может быть коммуникационной сетью, которая не требует каких-либо активных компонентов для распределения данных между OLT 110 и ONU 120. Вместо этого PON 100 может использовать пассивные оптические компоненты в ODN 130 для распределения данных между OLT 110 и ONU 120. В варианте осуществления PON 100 может быть Gigabit PON (GPON), системой доступа следующего поколения (NGA), Ethernet PON (EPON), 10Gigabit EPON, PON с мультиплексированием по длине волны (WDM), TWDM PON или любым другим типом PON или же их сочетанием.

[0047] В варианте осуществления OLT 110 может быть любым устройством, которое выполнено с возможностью осуществления связи с ONU 120 и другой сетью (не показана). Конкретно, OLT 110 может действовать в качестве посредника между другой сетью и ONU 120. Например, OLT 110 может переправлять данные, принятые от сети, в ONU 120 и переправлять данные, принятые от ONU 120, в другую сеть. Хотя конкретная конфигурация OLT 110 может изменяться в зависимости от типа PON 100, в варианте осуществления OLT 110 может содержать передатчик и приемник. Когда другая сеть использует сетевой протокол, такой как Ethernet или Синхронные оптические сети/Синхронная цифровая иерархия (SONET/SDH), который отличается от PON протокола, используемого в PON 100, OLT 110 может содержать преобразователь, который преобразует сетевой протокол в PON протокол. Преобразователь в OLT 110 может также преобразовывать PON протокол в сетевой протокол. OLT 110 может располагаться в центральном местоположении, таком как центральный офис, но может также располагаться и в других местах.

[0048] В варианте осуществления ODN 130 может быть системой распределения данных, которая может содержать оптоволоконные кабели, соединители, разветвители, распределители и/или другое оборудование. В варианте осуществления оптоволоконные кабели, соединители, разветвители, распределители и/или другое оборудование могут быть пассивными оптическими компонентами. Конкретно, оптоволоконные кабели, соединители, разветвители, распределители и/или другое оборудование могут быть компонентами, которые не требуют какого-либо питания для распределения сигналов данных между OLT 110 и ONU 120. Альтернативно ODN 130 может содержать один или множество активных компонентов, таких как оптические усилители. ODN 130 может продолжаться от OLT 110 до ONU 120 в ветвящейся конфигурации, как показано на фиг. 10, но может альтернативно быть выполнена в любой другой конфигурации ''точка- группа точек''.

[0049] В варианте осуществления ONU 120 могут быть любыми устройствами, которые выполнены с возможностью осуществления связи с OLT 110 и потребителем или пользователем (не показан). Конкретно, ONU 120 может действовать как посредник между OLT 110 и потребителем. Например, ONU 120 может переправлять данные, принятые от OLT 110, потребителю и переправлять данные, принятые от потребителя, в OLT 110. Хотя конкретная конфигурация ONU 120 может изменяться в зависимости от типа PON 100, в варианте осуществления ONU 120 может содержать оптический передатчик, выполненный с возможностью передачи оптических сигналов в OLT 110, и оптический приемник, выполненный с возможностью приема оптических сигналов от OLT 110. Дополнительно ONU 120 может содержать преобразователь для преобразования оптического сигнала в электрические сигналы для потребителя, такие как сигналы в Ethernet или в протоколе асинхронного режима передачи (ATM), и второй передатчик и/или приемник, который может передавать и/или принимать электрические сигналы в устройство/от устройства потребителя. В некоторых вариантах осуществления ONU 120 и терминалы оптоволоконной сети (ONT) подобны, и поэтому термины используются здесь взаимозаменяемо. ONU 120 могут обычно располагаться в распределенных местоположениях, таких как помещения потребителей, но могут также располагаться и в других местах.

[0050] Раскрывается по меньшей мере один приводимый в качестве примера вариант осуществления, и изменения, сочетания и/или модификации приводимого в качестве примера варианта (вариантов) осуществления и/или признаков приводимого в качестве примера варианта (вариантов) осуществления, предложенные специалистом в данной области техники, укладываются в объем изобретения. Альтернативные варианты осуществления, полученные в результате сочетания, объединения и/или опускания признаков приводимого в качестве примера варианта (вариантов) осуществления, также укладываются в объем изобретения. Когда диапазоны числовых значений или ограничения явно установлены, такие явно выраженные диапазоны или ограничения могут пониматься как включающие в себя итеративные диапазоны или ограничения подобной величины, попадающие в рамки явно установленных диапазонов или ограничений (например, от около 1 до около 10 включает в себя 2, 3, 4, и т.д.; больше чем 0,10 включает в себя 0,11, 0,12, 0,13, и т.д.). Например, когда раскрывается диапазон числовых значений с нижним пределом R_l и верхним пределом R_u, любое число, попадающее в рамки диапазона, конкретно раскрывается. В частности, следующие числа внутри диапазона конкретно раскрываются: R=R_l+k*(R_u - R_l), где k - переменная, изменяющаяся в пределах от 1 процента до 100 процентов с приращением в 1 процент, то есть k равняется 1 проценту, 2 процентам, 3 процентам, 4 процентам, 5 процентам,…50 процентам, 51 проценту, 52 процентам, …95 процентам, 96 процентам, 97 процентам, 98 процентам, 99 процентам или 100 процентам. Кроме того, любой диапазон числовых значений, определенный двумя R числами, как определено выше, также конкретно раскрывается. Использование термина ''около'' означает ±10% от последующего числа, если не установлено иное. Использование термина ''необязательный'' по отношению к любому элементу формулы изобретения означает, что элемент требуется, или, альтернативно, элемент не требуется, причем обе альтернативы укладываются в объем формулы изобретения. Использование более широких терминов, таких как ''содержит'', ''включает в себя'' или ''имеет'', может пониматься как в целях обеспечения поддержки более узких терминов, таких как ''состоит из'', ''по существу состоит из'' и ''по существу в составе из''. В соответствии с этим объем защиты не ограничивается описанием, изложенным выше, но определяется пунктами формулы изобретения, из которых следует, что объем включает в себя все эквиваленты предмета изобретения согласно формуле изобретения. Все до единого пункты формулы изобретения включены сюда как дополнительное раскрытие описания, и пункты формулы изобретения являются вариантом (вариантами) осуществления настоящего изобретения. Обсуждение ссылочных документов в описании не является признанием факта, что это предшествующий уровень техники, особенно применительно к ссылочным документам, которые были опубликованы после даты приоритета настоящей заявки. Содержание всех патентов, патентных заявок и публикаций, упоминаемых в описании, включено сюда путем ссылки в той степени, в какой они обеспечивают типовые, процедурные или другие детали, дополняющие описание.

[0051] Хотя несколько вариантов осуществления было представлено в настоящем описании, следует понимать, что описываемые системы и способы могут быть осуществлены во многих других конкретных формах без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Настоявшие примеры следует рассматривать как иллюстративные и не ограничивающие, и отсутствует намерение ограничиваться деталями, приведенными здесь. Например, различные элементы или компоненты могут сочетаться или интегрироваться в другой системе, или же определенные признаки могут быть опущены или не реализованы.

[0052] Кроме того, технические приемы, системы, подсистемы и способы, описанные и представленные в различных приводимых в качестве примера вариантах осуществления как дискретные или отдельные, могут быть объединены или интегрированы с другими системами, модулями, техническими приемами или способами без отклонения от объема настоящего изобретения. Другие предметы, показанные или описанные как связанные или непосредственно связанные, или же сообщающиеся друг с другом, могут быть косвенно связаны или сообщаться через некоторый интерфейс, устройство или промежуточный компонент, будь то электрически, механически или другим образом. Другие примеры изменений, замен и переделок очевидны для специалистов в данной области техники и могут быть произведены без отклонения от сущности и объема, представленных здесь.

Изобретение относится к лазерной технике. Сущность: лазерная система содержит лазер, работающий в режиме пульсаций, и нагреватель. Лазер содержит активный слой и выполнен с возможностью излучения оптического сигнала в течение периода пульсаций. Причем изменение температуры лазера, работающего в режиме пульсаций, приводит к сдвигу длины волны оптического сигнала. Нагреватель термически связан с активным слоем и выполнен с возможностью уменьшения сдвига длины волны оптического сигнала в течение периода пульсаций приложением тепла к активному слою лазера, основываясь на временных параметрах периода пульсаций. Технический результат: уменьшение сдвига волны лазера, работающего в режиме пульсаций. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Лазерная система, содержащая:

лазер, работающий в режиме генерации последовательности импульсов, содержащий активный слой и выполненный с возможностью излучения оптического сигнала в течение периода пульсаций, при этом изменение температуры лазера, работающего в режиме генерации последовательности импульсов, вызывает сдвиг длины волны оптического сигнала; и

нагреватель, термически связанный с активным слоем и выполненный с возможностью уменьшения сдвига длины волны оптического сигнала в течение периода пульсаций приложением тепла к активному слою, основываясь на временных параметрах периода пульсаций; приложения тепла к активному слою до начала периода пульсаций, так что температура лазера, работающего в режиме генерации последовательности импульсов, по существу, стабилизирована в течение периода пульсаций; и приема электрического тока для генерации тепла, причем электрический ток достигает максимального уровня в течение первого периода до начала периода пульсаций, уменьшается до промежуточного уровня в течение второго периода после начала периода пульсаций и дополнительно снижается до нуля в течение третьего периода после второго периода.

2. Лазерная система по п.1, в которой продолжительность периода пульсаций составляет около 125 микросекунд, причем температура лазера, работающего в режиме генерации последовательности импульсов, изменяется не более чем на около 0,2 градуса Цельсия в течение периода пульсаций, причем сдвиг длины волны оптического сигнала не превышает около 0,02 нанометра в течение периода пульсаций.

3. Лазерная система по п.1, в которой нагреватель дополнительно выполнен с возможностью приложения тепла к активному слою в начале периода пульсаций, причем нагреватель дополнительно выполнен с возможностью приема электрического тока для генерации тепла, причем электрический ток достигает максимального уровня не позже начала излучения оптического сигнала и затем уменьшается от максимального уровня.

4. Лазерная система по п.3, в которой электрический ток достигает максимального уровня от нуля не более чем за около 2 наносекунд, причем электрический ток остается на максимальном уровне в течение не более чем около 1 микросекунды и затем уменьшается до промежуточного уровня, причем электрический ток остается на промежуточном уровне в течение не более чем около 10 мкс и затем дополнительно снижается до нуля в течение оставшейся части периода пульсаций.

5. Лазерная система по п.3, в которой электрический ток непрерывно уменьшается от максимального уровня до нуля, следуя экспоненциальной характеристике.

6. Способ тепловой компенсации во время работы лазера, работающего в режиме генерации последовательности импульсов, который термически связан с нагревателем, причем упомянутый способ содержит:

прием вызывающего пульсации сигнала, указывающего начало периода пульсаций;

излучение оптического сигнала по меньшей мере с одной длиной волны в течение периода пульсаций; и

по существу, поддержание температуры лазера, работающего в режиме генерации последовательности импульсов, на протяжении излучения оптического сигнала для уменьшения сдвига длины волны оптического сигнала, причем, по существу, поддержание температуры содержит приложение, используя нагреватель, тепла к лазеру, работающему в режиме генерации последовательности импульсов, основываясь на вызывающем пульсации сигнале; подачу электрического тока в нагреватель для генерации по меньшей мере тепла, прикладываемого к лазеру, работающему в режиме генерации последовательности импульсов, при этом электрический ток достигает максимального уровня не позже начала излучения оптического сигнала и затем в дальнейшем уменьшается от максимального уровня.

7. Способ по п.6, в котором тепло прикладывается к лазеру, работающему в режиме генерации последовательности импульсов, до начала периода пульсаций и в котором тепло не прикладывается к лазеру, работающему в режиме генерации последовательности импульсов, по меньшей мере в течение более позднего участка периода пульсаций.

8. Способ по п.7, в котором электрический ток достигает максимального уровня по меньшей мере за около 4 микросекунд до начала периода пульсаций и в котором электрический ток уменьшается до промежуточного уровня в течение первого участка периода пульсаций до тех пор, пока электрический ток не выключится в течение более позднего участка периода пульсаций.

9. Способ по п.6, в котором электрический ток и вызывающий пульсации сигнал принимаются одновременно в начале периода пульсаций.