[发明专利]高相干性半导体光源

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2013年7月3日提交的相关共同未决的临时美国专利申请号61/842,770的优先权，其以引用方式整个地并入本文如同在本文中被完全阐述。

政府资助申明

本申请涉及在美国政府的支持下依据由美国陆军研究办公室授予的合同号W911NF-10-1-0103和由美国国防部的国防高级研究计划局(DARPA)授予的合同号HR0011-12-C-0006进行的发明。美国政府在涉及本申请的发明中具有某些权利。

背景

技术领域

本发明的实施例一般涉及光源。更具体地，本发明的示例性实施例涉及高相干性半导体光源。

分布式反馈(DFB)激光器可以设置在诸如激光二极管(LD)的半导体器件内。DFBLD的有源区可包括衍射光栅以给在窄的波长带上的激光提供光学反馈，所述窄的波长带可以根据用来制造光栅的节距进行选择。DFB激光器的窄的输出频谱特性提升了它们在光通信方面的有用性，其中信息是经光纤和其它传输介质的网络进行交换的。自20世纪70年代中期以来，常规半导体分布式反馈激光器已被用来作为光源用于给基于光纤的因特网和相关网络提供动力。自那时以来，伴随着对于较高的带宽和增加的数据速率的需求，网络流量的量已迅速增长。

例如，在过去20年中因特网的爆炸性增长已产生了对于带宽的几何级的增长需求。现有的通信方法通常通过具有多信道的光纤网络来满足该带宽需求。使用密集波分复用(DWDM)技术，多信道中的每个包括不同于其它信道中的每个的光学波长的光学波长。

通过以最高至10Gb/s的速度调制光源的强度(例如，开/关键控)，信息经DWDM网络以每脉冲1比特进行传输。上面的数据速率通常受到由光纤传输介质诱发或引入的光学损伤的限制。在光谱中的信道的可用数目的完全利用与调制速率的约束一起引爆了关于对可选的信息传输方案的搜索，以满足不断增加的带宽需求。

对于在越来越高的数据速率下传输信息的增长的需求已引起相干通信的开发，其中信息是在光波上主要使用其相位的调制来进行编码的。涉及其固有的相位相干特性或时间相干特性的基于量子的局限性，限制常规DFB激光器的相位稳定性。因此，常规DFB激光器的信道容量不足以处理通过网络到相干通信的迁移强加的需求。

因此，在半导体DFB激光器中一直长期寻求改善的相干性。先前的方法已经使用了激光腔的伸长、用于其中的纵模工程的多个相移、有源激光介质的最佳化，例如应变QW(量子阱)，以及波长失谐。

然而，在商业和其它常规或最先进的激光器中使用此类技术实现的频谱线宽仍然居高不下。例如，常规DFB激光器的频谱线宽保持在100kHz以上，并且该线宽值自身反映了仅使用高泵电流可以达到的狭窄。此外，在该水平下的线宽仍然过高而难以满足通过多相位相干通信和其它有用的应用呈现的需求。

具有低于1kHz的线宽的一些基于光纤激光器和具有低于10kHz的线宽的外腔激光器(ECL)具有高相干特性。然而，它们通常具有庞大且复杂的结构，这使它们不符合增长网络的物理规模的需求。

当代光通信网络广泛地通过包括常规的DFBLD的半导体激光器来提供动力，这是因为得益于它们的小尺寸、高功率输出、高效率、低成本和与相关的电子电路的潜在的集成机会。然而，由于其显著的相位噪声特性，主要是固有量子力学的起源，包括典型的常规DFBLD的常规半导体激光器通常不能满足对超高速通信网络的严格的频谱纯度需求。

因此，半导体分布式反馈激光器能够在不使用DWDM的情况下处理由相干通信网络强加的要求将是有用的。因此，不含在常规DFB激光器中固有的基于量子的相位相干特性或时间相干特性的分布式反馈激光器也将是有用的。将进一步有用的是，显著改善了和分布式反馈激光器相对于常规DFBLD的相位相干特性或时间相干特性以及信道容量。

本节中描述的方法可以，但不一定，之前已经被构思或实行。除非另外指明，否则不应该假设以上讨论的任何方法包括仅通过任何此类讨论的任何所谓的现有技术。同样，与这些方法中的任一种相关的任何所讨论的问题不应该被假设成已经被识别为任何仅基于任何以上此类讨论的所谓的现有技术。

概述