本发明涉及能够提供光信号中预定或可变波长移动的单片半导体波长转换器。
在其较佳形式之一中，本发明包括具有至少两个小面的环形固态激光器。将第一光信号提供给第一小面上的激光腔输入，其中该信号是在与第一小面成第一角度的波长为λ2的光束形式。该输入信号导致环形激光腔内的逆时针(ccw)模式的激光传播，以在第二或输出小面产生波长为λ2的激光输出R。根据本发明，波长为λ1的激光的第二光输入信号A在与第一小面成第二角度被导入激光腔。如果第二光输入比第一光输入强，且第一和第二角度关于第一小面的垂线对称，则产生顺时针(cw)模式的注入锁定和光传播，从而基本上消除输出R。这样，波长为λ2的输出信号R分别通过波长为λ1的输入信号的消失或出现而打开或关闭，从而将λ1下的输入信号转换成λ2下的反相输出信号。
上述转换器/反相器的用途之一是波分复用，其中多个诸如λ1的单波长的多个输入光信号通过单条光纤传输。这样，各个输入信号都可被提供给不同的相应转换器，各个转换器通常在不同波长λ2、λ3等工作。将波长为λ1的第一输入信号提供给第一转换器会将该第一信号改变成λ2下的第一反相信号。类似地，将λ1下的第二输入信号提供给第二转换器会将该第二信号变成λ3下的第二反相信号，对附加输入信号依此类推。然后，反相输出信号λ2、λ3等可通过(例如)单条光纤传输并在传输线的另一端恢复，并且通过相应转换器/反相器按需转换回初始波长λ1。
根据本发明，环形激光器可使用直波导部分和小面，但较佳地结合弯波导部分以消除不需要的小面。虽然可使用各种环形激光器来形成波长转换器，但是较佳的环形激光器是Alex Behfar的2001年8月1日提交的题为“Curved Waveguide RingLaser(弯波导环形激光器)”的共同待批美国专利申请No.09/918,544中公开的固态弯波导激光器，该申请的公开内容通过引用结合于此。如所公知的，环形激光器可在顺时针(cw)或逆时针(ccw)模式下工作，且本领域中存在许多方法来迫使这些激光器在一个方向或另一方向上传播，如Alex Behfar的2001年8月1日提交的题为“Unidirectional Curved Ring Lasers(单方向弯曲环形激光器)”的共同待批美国专利申请No.09/918,548中所公开的，该申请的公开内容通过引用结合于此。
在本发明的第二实施方式中，波长可调谐源将第一光输入提供给上述的环形激光器波长转换器以允许不同的波长移动。
附图说明
通过以下较佳实施方式的详细描述并结合附图，本发明的上述以及其它目标、特性和优点对本领域技术人员将变得显而易见，在附图中：
图1是自激环形激光器的光输出光谱的功率对波长的曲线图，包括在大于产生激光的阈值电流的偏置电流下可见的纵模；
图2(a)和2(b)是根据本发明的波长变换环形激光器的第一实施方式的两种状态的俯视简图；
图3(a)和3(b)是根据本发明能够将输入光信号转变成多个波长的波长转换环形激光器的第二实施方式的两种状态的俯视简图；
图4是引入弱信号输入λ1后的图2环形激光器光谱的功率对波长的曲线图；以及
图5(a)和5(b)是两级环形激光器波长转换器的简图，以及各个环形激光器的相应增益曲线。

现在对本发明进行更详细的描述，如图1中由典型自激的固态激光器的光谱10所示，环形激光器具有某些容许的纵模，由叠加在顺时针和逆时针模式的光谱峰上的光谱峰12和14示出，其中峰12对应于顺时针模式而峰14对应于逆时针模式。如图所示，ccw和cw峰基本上出现在相同的波长处。对于自激双向环形激光器，对应于cw和ccw模式的光输入可能相等，但是通过试验发现在许多情形中输出趋于不相等。通常，这种激光器以这些容许纵模的一个或多个振荡。图1是在高于环形激光器阈值电流的偏置电流下观察到的该激光器的实际纵模的曲线。多个模在由...、λm-2、λm-1、λm、λm+1、λm+2、λm+3、...表示的光谱峰值位置处出现，且这些峰对应于该激光器的容许模。这些模的绝对位置(即各个峰的实际波长)可通过各种方法控制和调节，包括如本领域内公知的热学方法和电学方法。
图2(a)和2(b)涉及本发明的第一实施方式，其中波长转换环形激光器20包括在衬底26上集成制造以形成激光腔的第一和第二弯曲半导体波导22和24。这种半导体激光器的制造是本领域中公知的，并在例如美国专利No.4,851,368中描述。如图2(a)和2(b)中所示，激光器20的波导22和24分隔开并较佳地向内弯曲以在上下接合点28和30处接合。小面32和34以公知的方式分别在上下接合点28和30处形成，且臂的曲率选择成允许诸如光束36的外部光束以临界角导向小面34、并且该外部光束具有对应于激光腔20的纵模之一的波长λ2从而在该激光器以已知方式适当偏置时进入并围绕环形激光器内部传播。取决于入射光束36的角度，该光将在激光腔内顺时针或逆时针方向地传播；在所示示例中，光束36在腔20中产生逆时针光传播，如箭头40所示。
在激光腔20中传播的光束40主要从小面32和34的内表面向内反射，且该光的选定部分以一角度入射到图2(a)中出口小面32的内表面，以产生对应于输入光束36的波长为λ2的输出光束42。
应该理解，如果输入光束36相对于小面34的角度偏移，使得小面34的输入在光束46的方向(如图2(a)中虚线所示)上，则腔20中得到的光传播应为顺时针方向，如虚线光束48所示，且小面32的输出应在由虚线光束50所示的方向上。
本发明的转换器/反相器在图2(a)和(b)中被示为结合了具有第一光输入信号或光束36的环形激光器20。在所示实施方式中，该信号可以是由诸如激光器的适当光源60产生的波长为与环形激光器的纵模匹配的λ2、幅值基本上恒定的激光束。光束36入射到小面34上并进入激光器20的谐振腔，其中该光束在适当偏置下逆时针方向传播以发射波长同样为λ2、可称为输出“R”的输出光束42。在激光器的“正常”状态，输出R出现，所以R＝1。
如上关于虚线光束46所述，第二输入位置对于激光器20的小面34可用。可称为输入“A”的第二输入与输入光束36关于小面34的表面的垂线对称，但在图2(a)所示的装置中，在该位置不存在输入，所以A＝0。
如图2(b)所示，光束62指示的来自光源64的入射光信号可在激光器的输入A处与输入光束36同时入射到环形激光器20的小面34上。如果输入光束62强于光束36，即具有更高的强度，且如果光束62的波长λ1与波长λ2不相等(λ1≠λ2)但对应于环形激光器20的任一个纵模，则输入A＝1，该光束62的出现将导致环形激光器在逆时针方向运行，如箭头66指示。结果，输出小面32处的输出信号将从光束62切换到波长为λ1的第二输出光束68，且R处的输出被关闭，即R＝0。
由光束62表示的在A处的输入可以是调制环形激光器20输出的波长为λ1的1和0的光子数据流。因此，数据位的缺失(A＝0)导致激光器20产生波长λ2下的相应数据位输出信号R＝1。波长λ1下的数据位的出现(A＝1)产生相应数据位输出信号R＝0。
因此所示的环形激光器波长转换器20如此工作：当输入A＝0时，输出R＝1，该输出具有波长λ2；当输入A出现时，即A＝l时，则输出R＝0。归纳在表1中：
  A值   A的波长   R值   R的波长   0   1   λ2   1   λ1   0
表1
除了实现从λ1到λ2的波长转换功能之外，环形激光器波长转换器实现对输入A处的入射光子位流的反相功能，使得相应输出光子位流R与A反相。
图3(a)和3(b)示出上述实施方式的一变体形式，提供了能够转换成多个波长的波长转换环形激光器70。对与图2(a)和2(b)的实施方式相同的元件作同样标示。这些附图示意性地示出能够将输入B处的输入信号的波长转换成多个不同波长λv并将输入信号反相的环形激光器波长转换器70的运行。图3(a)示出在输入B处于关闭状态或B＝0的环形激光器波长转换器70的运行。环形激光器70的常规输入是来自可变波长光源72的信号，该可变波长光源72可以是产生可变波长光信号λv的可调谐激光器，该可变波长光信号λv由光束74表示并可变以选择对应于该环形激光器的任一容许纵模的光束波长。在选定波长λv下的该输入导致环形激光器在ccw工作并导致由波长为λv的光束76表示的“常规”输出信号S＝1。
图3(b)示出其中由光束78表示的波长为λn的入射光输入B由诸如脉冲光子数据流的光源80提供。如果输入B的信号的光强大于波长为λv的环形激光器输入74，则该环形激光器70在由82指示的cw方向工作，所以当B＝1时S＝0。波长λn对应于环形激光器的任一纵模，且波长转换在λn≠λv时发生，从而允许信号输入B调制相应的输出S。
以下是与图2(a)和2(b)的环形激光器相同的逻辑关系，激光器70的行为可归纳在表2中：
  B值   B的波长   S值   S的波长   0   1   λv   1   λn   0
表2
除了实现从λn到λv的波长转换功能之外，环形激光器波长转换器70还实现对输入B处的入射光子位流的反相功能，使得输出光子位流S与B反相。
图4示出与图3(a)中示出的其中λv＝λm、B＝0以及S＝1的状态相对应的环形激光器的光谱90和纵模。峰92对应于波长λm的纵模，并且由输入光波的注入锁定产生。应该注意，图4的曲线包括cw模式(在94处指示)和ccw模式(在96处指示)两者的光谱，这两种模式都出现在环形激光器中。由于由输入光束74导致的注入锁定，逆时针模式(图3(a)中箭头40)占优势，而顺时针模式较弱。当注入波长λn下的较强输入信号(B＝1)时，环形激光器内的注入锁定将使顺时针传播模式占优势，且在该条件下输出S＝0。
虽然图2(a)、2(b)、3(a)和3(b)中示出的环形激光器结合了弯波导，但应该理解也可使用具有小面接合点的直波导片段。这种波导可在图5(a)和5(b)所示的环形激光器中使用，且作为替代，激光器可结合弯波导。
上述波长转换器能够有效地将一个波长向另一个波长转换根据特定激光器的增益分布确定的量。更大的波长移动可通过以如图5(a)和5(b)中98处所示的方式级联两个或多个转换器来实现，只要在后激光器的增益分布与在前激光器交叠但延伸超过在前激光器的增益曲线。
如图5(a)图示，第一环形激光器100(标示为激光器A)与第二环形激光器102(标示为激光器B)级联，使得来自第一或在前激光器100的常规光输出是注入到第二或在后激光器102的光输入。激光器100的增益曲线在表示该激光器光谱的曲线106的104处示出。为简单起见，激光器纵模的位置由虚线108示出，而增益曲线104示出当在与不同模式108对应的波长工作时激光器输出的功率。类似地，激光器102的增益曲线在表示激光器102的光谱的曲线116的114处示出。为简单起见，纵模的位置与激光器100的那些相同，因此也由虚线108示出。图5(b)与图5(a)类似，其不同之处在于图5(a)示出的是没有要转换的调制信号的常规情况，而图5(b)示出其中要转换的输入调制信号存在的调制情况。
激光器100和102都结合了以已知方式在小面126-129处接合以形成环形腔的波导支路120-123。
图5(a)和5(b)示意性地示出了双环形激光器波长转换器98在将输入X(类似于图2(b)的输入A)处的波长λa转换成输出Z处的相应波长λc时的运行。如图5(a)所示，环形激光器波长转换器98最初具有到环形激光器A的调制或信号输入X＝0，并且也具有波长λb下的到激光器A的“常规”输入140，其中λb对应于环形激光器A和B两者的任一容许纵模。波长λb下的该输入导致环形激光器A在ccw正常运行并得到由光束142表示的波长λb下的常规输出Y＝1。Y用作环形激光器B的调制或信号输入，并且强度大于激光器B的波长为λc的第二“常规”输入144。波长λc对应于环形激光器B的纵模，并且在不存在信号Y时在环形激光器B中产生ccw模式传播，此时输出为Z＝1。在Y出现时，环形激光器B以cw模式运行，得到输出Z＝0。
图5(b)示出X＝1的情况，其中由光束146表示的波长为λa的入射光调制信号的光强度大于波长为λb的输入140。由于输入X＝1的锁模效应，这导致环形激光器A在cw方向运行，使得Y＝0。由于Y＝0，环形激光器B的唯一输入是波长为λc的常规输入，因此激光器以ccw模式运行并得到在输出光束150处指出的波长λc下的Z＝1。因此，两级转换器98接收诸如在输入146处第一波长λa下的光子脉冲信号的输入信号，并在输出150发射第二波长λc下的相应脉冲，因此在没有将信号反相的情况下转换数据信号波长。
不同谐振腔长度的环形激光器可用于环形激光器A和B，唯一的要求是两个激光器的纵模在λb处相交。可将额外的环形激光器级联到激光器B，以产生额外的波长转换或将调制信号反相。
虽然本发明是根据各较佳实施方式来描述和示出的，但是对本领域技术人员显而易见的是可在不背离如所附权利要求书阐述的本发明的真正精神和范围的情况下，可进行各种变化和更改。