專利名稱：外腔可調(diào)諧激光器中的相位控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為光收發(fā)信機(jī)的外腔可調(diào)諧激光器，它特別適用于波分復(fù)用的光通信網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
作為可調(diào)諧光源的激光器的使用大大地改進(jìn)了波分復(fù)用(WDM，wavelength-division multiplexed)系統(tǒng)或新演進(jìn)的密集波分復(fù)用(DWDM，dense wavelength-division multiplexed)系統(tǒng)的可重構(gòu)性。例如，通過簡單地調(diào)諧波長，就能向一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配不同的信道?？烧{(diào)諧激光器還可以被用來形成基于波長路由的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，即，光子網(wǎng)絡(luò)。
可以使用不同的方案來提供可調(diào)諧激光器，諸如分布式布喇格(Bragg)反射器激光器、具有活動頂鏡的VCSEL激光器、或者外腔二極管激光器。外腔可調(diào)諧激光器提供若干優(yōu)點(diǎn)，諸如高輸出功率、寬調(diào)諧范圍、良好的側(cè)模抑制和窄的線寬。已經(jīng)研制出各種激光器調(diào)諧機(jī)制以提供外腔波長選擇，諸如可用機(jī)械方法調(diào)整的或者可用電子方法激活的腔內(nèi)選擇器元件。
美國專利第6,526,071號描述了一種外腔可調(diào)諧激光器，它可用于電信應(yīng)用中，以便產(chǎn)生在國際電信聯(lián)盟(ITU，InternationalTelecommunication Union)柵格上的任何信道的中心波長。所公開的可調(diào)諧激光器包括增益介質(zhì)、柵格發(fā)生器和信道選擇器，柵格發(fā)生器和信道選擇器二者位于所述光束的光路上。柵格發(fā)生器按照對應(yīng)于信道間隔的區(qū)間來選擇所述腔的周期性縱模，并排斥鄰模。所述信道選擇器選擇所述波長柵格內(nèi)的信道，同時(shí)排斥其它信道。
為了適應(yīng)日益增長的光通信業(yè)務(wù)量，正在研制具有50GHz并且最終為25GHz的信道間隔的密集波分復(fù)用系統(tǒng)。由于密集波分復(fù)用使用比較窄的信道間隔，所以發(fā)射機(jī)激光器在整個(gè)調(diào)諧和工作溫度范圍內(nèi)的波長(頻率)精度已經(jīng)成為一個(gè)重要的問題。具有50GHz信道間隔的密集波分復(fù)用系統(tǒng)典型地需要有關(guān)激光頻率的±2.5GHz的精度。而具有25GHz的系統(tǒng)通常需要±1.25GHz的頻率精度。因此，用于快速地和正確地設(shè)置和保持所期望的工作波長的可靠的波長穩(wěn)定方案就成為可調(diào)諧激光器的組裝和運(yùn)行中的一個(gè)關(guān)鍵問題。
激光器波長和其它輸出參數(shù)的主動控制系統(tǒng)通常在外腔可調(diào)諧激光器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。通常，這些主動控制系統(tǒng)依賴于將激光器波長鎖定到期望的工作波長。普通鎖定技術(shù)可以通過電流或溫度反饋，使用反饋信號將波長中心保持在所期望的值上。波長鎖定系統(tǒng)可以作為外部支持電路而出現(xiàn)，或者被集成到激光器模塊中。
美國專利第6,366,592號描述了一種可調(diào)諧激光器，包括可調(diào)諧法布里-珀羅(FP，F(xiàn)abry-Perot)腔和腔長度調(diào)制器，后者控制所述腔的光學(xué)長度。所述FP腔首先被調(diào)諧到所期望的工作波長，然后，所述腔長度調(diào)制器被驅(qū)動將激光器腔的物理長度改變典型地小于在工作波長處的光的一個(gè)波長的量。通過參照由波長鎖定器所檢測的絕對波長，實(shí)現(xiàn)精細(xì)腔間模調(diào)諧?？商娲?，對腔長度進(jìn)行調(diào)整，直到輸出功率被最大化為止，當(dāng)空腔諧振模被集中于FP濾光器的中心波長時(shí)，將出現(xiàn)這種情況。在此項(xiàng)專利中所描述的解決方案據(jù)說最適用于具有短激光器腔的可調(diào)諧激光器，上述激光器腔最好是小于3厘米(cm)，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，小于1厘米。
本發(fā)明人已經(jīng)注意到，連續(xù)可調(diào)的腔內(nèi)元件的離散波長選擇可以限制波長調(diào)諧的精度，并且需要利用波長鎖定系統(tǒng)把波長保持在所期望的運(yùn)行值。本發(fā)明人還注意到，如果也被集成的話，波長鎖定系統(tǒng)的使用將增加激光器模塊的成本，并且不利于激光器系統(tǒng)的小型化。
美國專利申請第2003/0012230號描述了一種外腔激光器，包括位于增益介質(zhì)和端鏡之間的光路上的柵格標(biāo)準(zhǔn)具和光楔標(biāo)準(zhǔn)具信道選擇器。所述柵格標(biāo)準(zhǔn)具具有對應(yīng)于ITU柵格的柵格線之間的間隔的自由光譜范圍(FSR，free spectrial range)。所述信道選擇器的線寬的半最大值全寬度(FWHM，full width half maximum)據(jù)說是大于1納米(nm)，對應(yīng)于大約120GHz，并且小于1.5納米，對應(yīng)于大約190GHz。在一個(gè)特定的實(shí)例中，柵格發(fā)生器具有大約0.2納米的半最大值全寬度線寬，這對應(yīng)于大約25GHz。
本申請人已經(jīng)注意到，當(dāng)所述柵格發(fā)生器具有相對于空腔諧振模間隔的較低精細(xì)度時(shí)，把空腔諧振模的中心定位于柵格發(fā)生器(即，已選定的信道)的選定峰值上，以便在波長柵格的每一個(gè)信道之間抑制外腔激光器的鄰模是特別困難的。在這種情況下，通常需要一個(gè)反饋系統(tǒng)，它主動地控制所述諧振波長，并將其鎖定于已選定的信道上。
已經(jīng)研制出多種液晶(LC，liquid crystal)器件，作為在激光器和相關(guān)的波分復(fù)用系統(tǒng)部件中用于波長選擇的電可調(diào)諧光譜濾光器。
通常用交流(AC)電壓來驅(qū)動液晶濾光器，以避免因電化學(xué)效應(yīng)而導(dǎo)致液晶性能下降。在發(fā)表于《Journal of Applied Physics》第71卷第2464-66頁的論文“Frequency Locking of a TunableLiquid-Crystal Filter”中，描述了用于可調(diào)諧法布里-珀羅(FP)濾光器的頻率鎖定的技術(shù)。被施加到LC-FP濾光器以控制濾光器的諧振的頻率為ω的交流電壓引起在發(fā)射的光強(qiáng)中處于2ω的小調(diào)制。為了補(bǔ)償溫度起伏，通過一個(gè)能使源自所述2ω信號的派生信號最小化的反饋系統(tǒng)來進(jìn)行FP濾光器的頻率跟蹤。
可以通過使用主動可調(diào)諧鏡來進(jìn)行激光器腔的波長選擇和調(diào)諧。在美國專利第6,215,928號中公開了一種使用液晶的電-光可控元件，它可以被用作主動可調(diào)諧鏡。由主動可調(diào)諧鏡把激光器的激光波長確定為所述鏡的諧振波長?？赏ㄟ^改變提供給電-光可控元件的電壓或電流，來移動所述諧振波長。
美國專利第6,205,159號公開了一種外腔半導(dǎo)體激光器，它通過改變到LC-FP干涉儀的電壓，調(diào)諧到一個(gè)離散的波長集。人們可以調(diào)諧到的所述離散波長集由靜態(tài)腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具定義。靜態(tài)腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具的FSR被這樣設(shè)計(jì)，使得它大于LC-FP干涉儀的分辨率帶寬。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)具的半最大值全寬線寬度必須小于外腔縱模間隔。對于外腔光路長度為25mm的情形來說，具有100GHz的FSR和3.3GHz的半最大值全寬度的固態(tài)標(biāo)準(zhǔn)具被認(rèn)為是滿足穩(wěn)定工作的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種單模外腔可調(diào)諧激光器，包括增益介質(zhì)、可調(diào)諧元件和信道分配柵格元件。所述信道分配柵格元件最好是FP標(biāo)準(zhǔn)具，后者被構(gòu)建和配置以限定多個(gè)等間隔的透射峰值。在波分復(fù)用和密集波分復(fù)用電信系統(tǒng)的應(yīng)用中，透射峰值間隔，即，柵格元件的自由光譜范圍(FSR)對應(yīng)于ITU信道柵格，例如，200、100、50或25GHz。所述FP標(biāo)準(zhǔn)具包括一對互相面對并且被光路分隔開的部分反射鏡。所述FP標(biāo)準(zhǔn)具可以是固體或空氣間隔的標(biāo)準(zhǔn)具。
所述可調(diào)諧元件最好是可調(diào)諧鏡，用作鑒別柵格標(biāo)準(zhǔn)具的各個(gè)峰值的粗調(diào)元件?？烧{(diào)諧元件的半最大值全寬度帶寬不小于柵格標(biāo)準(zhǔn)具的半最大值全寬度帶寬。對于縱向單模操作，對應(yīng)于特定信道頻率的FP標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰值應(yīng)當(dāng)選擇，即透射單空腔諧振模。因此，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具應(yīng)當(dāng)具有被定義為自由光譜范圍(FSR)除以半最大值全寬度(FWHM)的精細(xì)度，它能抑制每一個(gè)信道之間的所述腔的鄰模。對于單模激光器發(fā)射來說，縱空腔諧振模應(yīng)當(dāng)被定位于所述標(biāo)準(zhǔn)具的透射峰值中的一個(gè)(由所述可調(diào)諧元件選出的一個(gè))的最大值處。這樣一來，只有特定的頻率能通過所述標(biāo)準(zhǔn)具，而其它競爭的鄰空腔諧振模將被抑制。
本發(fā)明的可調(diào)諧激光器具有相對短的腔長度，即，不大于15mm。當(dāng)激光器系統(tǒng)被組裝在標(biāo)準(zhǔn)封裝(例如，蝶形封裝)中時(shí)，由于尺寸的限制，希望短激光器腔。而且，正如通過以下的討論將變得更清楚的那樣，短腔對透過標(biāo)準(zhǔn)具的模表現(xiàn)出比長腔更好的模抑制。下面，標(biāo)準(zhǔn)具對鄰近激光模的空腔諧振模的抑制將被稱為光譜標(biāo)準(zhǔn)具側(cè)抑制(ESS，etalon side suppression)。最好是，腔長度不大于12mm。
減小激光器腔長度導(dǎo)致縱空腔諧振模的間隔的增加，即，由于下列關(guān)系使得縱向空腔諧振模的間隔，即，以下被稱為(FSR)cavity的激光器腔的自由光譜范圍增加，式中，c0為真空中的光速，ni(i＝1，...，m)為填充光在腔中所遇到的第i個(gè)光學(xué)元件的介質(zhì)以及腔本身(即，自由空間)的折射率，并且Li為第i個(gè)光學(xué)元件光程的物理長度。激光器腔中的光的光路被稱為有效腔長度Leff，它被定義為Leff＝∑iniLi(2)有效腔長度當(dāng)然涉及外腔的物理長度L0。所述激光器外腔可以被認(rèn)為是一個(gè)光學(xué)諧振器，它由通常是平行的、由一個(gè)長度分隔的兩個(gè)面對面的和反射性的表面組成，上述長度被定義為腔的物理長度L0。一般來說，Leff≥L0。
可以將方程式(1)重寫為對于具有小于15mm的L0的外腔激光器來說，(FSR)cavity典型地大于大約8-10GHz。
當(dāng)使用較短的腔時(shí)，從原理上來說，可以使用較低精細(xì)度的FP標(biāo)準(zhǔn)具。使用較低精細(xì)度的FP標(biāo)準(zhǔn)具的能力將放松對準(zhǔn)公差，由此降低器件的復(fù)雜性。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具在外腔中引入了相位非線性，由此導(dǎo)致空腔諧振模的壓縮，即，對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)具透射峰值的空腔諧振模間隔的縮小。隨著柵格FP標(biāo)準(zhǔn)具的半最大值全寬度帶寬[以下稱為(FWHM)FP]的減小，模壓縮增加。對于足夠大的(FWHM)FP數(shù)值來說，所述數(shù)值依賴于腔長度，空腔諧振模壓縮變?yōu)榭珊雎缘摹τ诘谝唤?，對?FWHM)FP小于2.5(FSR)cavity的情形來說，模壓縮的效果是顯著的，即，大于10％。
雖然模壓縮對于FP標(biāo)準(zhǔn)具的十分窄的帶寬分辨率來說是特別顯著的，但是，在實(shí)踐中，其它考慮在(FWHM)FP中設(shè)置了較低的限值。FP標(biāo)準(zhǔn)具在激光器腔中引入了光學(xué)損耗，它隨著(FWHM)FP的減小而增加。本發(fā)明人已經(jīng)觀察到，為了限制光學(xué)損耗，(FWHM)FP應(yīng)當(dāng)不小于2GHz。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，(FWHM)FP應(yīng)當(dāng)處于從大約2GHz到大約8GHz的范圍內(nèi)。最好是，(FWHM)FP近似地處于3和6GHz之間。信道間隔(FSR)FP最好是介于25和200GHz之間。
標(biāo)準(zhǔn)具模內(nèi)的空腔諧振模壓縮的效果可以被用來控制所述激光器腔的相位。本發(fā)明人已經(jīng)確定，對于給定的腔長度，也就是對于給定的“固有”(即，不考慮標(biāo)準(zhǔn)具的非線性)空腔諧振模間隔(FSR)cavity來說，可以這樣來選擇(FWHM)FP，使得在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具峰值內(nèi)，至少有一個(gè)空腔諧振模，上述峰值被定位于距離標(biāo)準(zhǔn)具模(即，峰值)的中心不大于一定距離。換句話說，對于已經(jīng)被可調(diào)諧元件選定的任何信道來說，激光器發(fā)光波長可以被限定在被選定標(biāo)準(zhǔn)具峰值的峰值波長附近的一定波長范圍內(nèi)。滿足這種條件的激光器系統(tǒng)將呈現(xiàn)出一種被動相位“準(zhǔn)同步”，這是由激光器腔的幾何形狀實(shí)現(xiàn)的，并且不需要主動控制。
圖1是表示激光器腔內(nèi)的各種模的圖(A)為由諧振外腔引起的空腔諧振模，即，(FSR)cavity；(B)為峰值位置被鎖定于標(biāo)準(zhǔn)ITU信道間隔(在所示的實(shí)例中，(FSR)FP為100GHz)的FP標(biāo)準(zhǔn)具的模；并且(C)為可調(diào)諧元件，即，信道選擇器的通帶。
對于給定的“固有”空腔諧振模間隔(FSR)cavity，標(biāo)準(zhǔn)具透射峰值內(nèi)的包括標(biāo)準(zhǔn)具非線性的影響的空腔諧振模間隔從最小的模間隔smin到最大的模間隔smax改變。參照圖2(a)，smin對應(yīng)于這樣的情況，其中，在標(biāo)準(zhǔn)具透射峰值內(nèi)至少有兩個(gè)空腔諧振模，并且靠近對應(yīng)于(選定的)標(biāo)準(zhǔn)具峰值的最大值的頻率fFP的該兩個(gè)模距離所述頻率fFP基本上等距。在這種情況下，沒有足以提供所需相干長度的優(yōu)勢頻率，并且可能出現(xiàn)縱模跳躍。在模跳躍的情況下，模在各縱向空腔諧振模之間跳躍，導(dǎo)致激光器輸出波長和功率的突然不連續(xù)改變。在圖2(a)中，以開口正方形來表示標(biāo)準(zhǔn)具峰值以內(nèi)和以外的空腔諧振模的位置。
參照圖2(b)，smax提供這樣的條件，其中，一種空腔諧振模的頻率基本上與fFP重疊，fFP對應(yīng)于最佳單模激光器操作，即，具有(完全的)相位同步的穩(wěn)定激光振蕩。
本發(fā)明人已經(jīng)觀察到，在可調(diào)諧激光器系統(tǒng)中，柵格標(biāo)準(zhǔn)具的有利濾光特性與人們希望獲得的期望頻率(波長)精度有關(guān)。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于給定的頻率精度±Δυ，應(yīng)當(dāng)這樣來選擇(FWHM)FP，使得滿足下列關(guān)系smin≤2Δυ (4)當(dāng)滿足由方程式(4)表示的條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)激光器腔的相位準(zhǔn)同步。
理解到相位準(zhǔn)同步條件允許激光器設(shè)計(jì)中的靈活性，例如，可以按照不同的顧客要求來修改設(shè)計(jì)。根據(jù)本發(fā)明，可達(dá)到低至大約0.5GHz的激光器輸出頻率中的頻率精度。
本發(fā)明人已經(jīng)注意到，smin對可調(diào)諧元件(即，信道選擇器)的分辨率帶寬存在著相當(dāng)弱的相關(guān)性。對處于50到200GHz范圍的可調(diào)諧元件的半最大值全寬度，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，(FWHM)FP的變化處于0.1-0.2GHz內(nèi)。
在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及被配置在激光器發(fā)光頻率上發(fā)出單縱模輸出輻射的可調(diào)諧激光器系統(tǒng)，所述激光器系統(tǒng)包括具有物理長度L0和多個(gè)空腔諧振模的外腔；向外腔發(fā)射光束的增益介質(zhì)；被安排在外腔中的信道分配柵格元件，用于限定基本上對準(zhǔn)于選定波長柵格的相應(yīng)信道的多個(gè)通帶，所述通帶具有處于半最大值全寬度(FWHM)的帶寬；以及被安排在外腔中的可調(diào)諧元件，用于可調(diào)諧地選擇各通帶中的一個(gè)，以便選擇對其調(diào)諧光束的信道，其中，L0不大于15mm，并且處于信道分配柵格元件的半最大值全寬度的帶寬處于2和8GHz之間。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于控制可調(diào)諧激光器系統(tǒng)的激光器發(fā)光頻率的方法，上述可調(diào)諧激光器系統(tǒng)具有一個(gè)外腔，該外腔限定相互間隔(FSR)cavity的多個(gè)空腔諧振模，所述激光器發(fā)光頻率是在單縱空腔諧振模上選擇的，所述方法包括下列各步驟把從增益介質(zhì)發(fā)出的光束調(diào)諧到從基本上對準(zhǔn)于選定波長柵格元件的相應(yīng)信道的多個(gè)通帶中選擇的通帶的相應(yīng)中心頻率，選擇處于選定通帶的半最大值全寬度的帶寬，使得FWHM＜2.5(FSR)cavity以及FWHM≥2GHz。
在優(yōu)選實(shí)施例中，所述可調(diào)諧元件是一個(gè)可調(diào)諧鏡，它形成外腔的端鏡，并且連同所述增益介質(zhì)(例如，半導(dǎo)體激光二極管)的反射前面在長度上定義。圖3示意性地描繪了包括可調(diào)諧鏡的外腔激光器的配置。增益介質(zhì)1包括前面2和背面3。前面2是部分反射的，并且用作外腔的一個(gè)端鏡。背面3具有低的反射性，它典型地涂覆有抗反射涂層(未示出)。準(zhǔn)直透鏡4將從增益介質(zhì)發(fā)出的光束匯聚到FP標(biāo)準(zhǔn)具5，后者具有被鎖定于ITU信道柵格的模。在FP標(biāo)準(zhǔn)具5之后，所述光束投射到可調(diào)諧鏡面6，后者形成外腔的另一個(gè)端鏡，并且連同增益介質(zhì)的前面一起，規(guī)定了所述腔的物理長度L0。通過選擇標(biāo)準(zhǔn)具透射峰值中的一個(gè)，來將可調(diào)諧鏡調(diào)諧到期望的信道頻率。通過改變由電壓發(fā)生器7所施加的電壓，電調(diào)諧可調(diào)諧鏡6。
為了在激光器腔中發(fā)生激光器效應(yīng)，必須滿足兩個(gè)條件諧振條件和增益條件，二者可以分別由下列方程式來表示2jΦLD+2jΦFS+2jΦFP+jΦR2＝2jNπ (5)
式中，N為整數(shù)，GLD為激光二極管的光譜增益，φLD為激光二極管引入的相位延遲，φFP為標(biāo)準(zhǔn)具引入的相位延遲，φFS為自由空間引入的相位延遲，GFP為標(biāo)準(zhǔn)具的透射譜，R1為激光二極管的前面的反射率，R2(λ)為可調(diào)諧鏡的反射率，以及φR2為可調(diào)諧鏡引入的相位延遲。標(biāo)準(zhǔn)具相位延遲φFP與標(biāo)準(zhǔn)具鏡的反射率有關(guān)。眾所周知，由精細(xì)度表示的透射銳度隨著標(biāo)準(zhǔn)具的鏡的反射率而增加。因此，通過一個(gè)適當(dāng)函數(shù)，可以建立φFP與(FWHM)FP的關(guān)聯(lián)。
將方程式(5)和(6)合并，就得到激光器空腔諧振模本發(fā)明人已經(jīng)注意到，與腔中所存在的其它元件和腔本身所引入的對激光器腔中的相位非線性的貢獻(xiàn)相比，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具對激光器腔中的相位非線性作出了主要的貢獻(xiàn)?？烧{(diào)諧元件選擇標(biāo)準(zhǔn)具峰值中的一個(gè)。因此，被選定標(biāo)準(zhǔn)具峰值的相位非線性可因此被認(rèn)為是FP標(biāo)準(zhǔn)具的非線性與可調(diào)諧元件的非線性的組合。如上所述，由FP標(biāo)準(zhǔn)具引起的模壓縮表現(xiàn)出對可調(diào)諧元件的分辨率帶寬的弱相關(guān)性。
借助于方程式(7)，有可能導(dǎo)出針對所期望的smin值的標(biāo)準(zhǔn)具相位延遲以及(FWHM)FP的數(shù)值或數(shù)值范圍。所期望的smin數(shù)值與可調(diào)諧激光器所需的或所期望的頻率精度有關(guān)。
通過監(jiān)測激光器的輸出功率以及對一個(gè)激光器參數(shù)作出小的調(diào)整(例如，調(diào)整增益介質(zhì)的注入電流，直到功率最大化為止)，就能實(shí)現(xiàn)精細(xì)信道定中心和長期的頻率穩(wěn)定度。正如從以下的討論中將變得更清楚的那樣，通過僅使用由于柵格標(biāo)準(zhǔn)具光學(xué)透射特性的適當(dāng)選擇所提供的相位準(zhǔn)同步的輸出功率的簡單的最大化，能實(shí)現(xiàn)所述空腔諧振模的信道定中心。
所述激光器系統(tǒng)可以裝入標(biāo)準(zhǔn)的14引腳蝶形封裝中，后者可以含有溫度穩(wěn)定系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，增益介質(zhì)被安裝在第一熱電冷卻器(TEC，thermoelectric cooler)上。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，信道分配柵格元件被安裝在第二熱電冷卻器上。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，增益介質(zhì)和信道分配柵格元件，可選地還有可調(diào)諧鏡，被安裝在同一個(gè)熱電冷卻器上。
本發(fā)明的激光器系統(tǒng)的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于，它可以不包括活動部件來實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧性。
根據(jù)本發(fā)明的激光器系統(tǒng)被專門地設(shè)計(jì)用于在ITU的50GHz信道柵格上的整個(gè)C波段上提供快速切換。采用根據(jù)本發(fā)明的主動控制系統(tǒng)，不需要波長鎖定器來實(shí)現(xiàn)具有25GHz的密集波分復(fù)用信道間隔的頻率穩(wěn)定度。


圖1是外部縱向空腔諧振模(A)、信道分配柵格的透射模(B)和信道選擇器、即可調(diào)諧元件的帶寬(C)的圖形表示。
圖2(a)是當(dāng)激光器的振蕩狀態(tài)處于模跳躍時(shí)，由可調(diào)諧元件選擇的信道分配柵格的通帶內(nèi)的縱向空腔諧振模的圖形表示。
圖2(b)是在相位同步狀態(tài)下，由可調(diào)諧元件選擇的信道分配柵格的通帶內(nèi)的縱向空腔諧振模的圖形表示。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，包括可調(diào)諧鏡的外腔可調(diào)諧激光器的方框圖。
圖4(a)是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧激光器組件的示意圖。
圖4(b)是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧激光器組件的示意圖。
圖5是表示作為處于FP標(biāo)準(zhǔn)具的半最大值全寬度(FWHM)的帶寬的函數(shù)的激光器外腔的光損耗的圖，上述FP標(biāo)準(zhǔn)具具有50GHz的自由光譜范圍(FSR)，并且以對光束的垂線傾角為0.5°被定位于所述腔內(nèi)。
圖6是示例性的測量結(jié)果，表示作為激光二極管注入電流的函數(shù)的激光器輸出功率(實(shí)線)和輸出光頻率(虛線)。
圖7是表示可調(diào)諧鏡的光譜響應(yīng)的圖，可調(diào)諧鏡表現(xiàn)出由于施加交流電壓而產(chǎn)生的振蕩。
圖8是表示可調(diào)諧鏡的光譜響應(yīng)的圖，它也表示調(diào)制深度對入射波長的相關(guān)性。
圖9是在頻率fA(粗實(shí)線)和2fA(虛線)處，作為波長(細(xì)實(shí)線)和激光器輸出功率的交流分量的函數(shù)的綜合激光器輸出功率的示例性測量結(jié)果。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧激光器的波長穩(wěn)定控制電路的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖4(a)簡略地描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的可調(diào)諧激光器系統(tǒng)。增益介質(zhì)19基于半導(dǎo)體激光二極管，例如專門為外腔激光器應(yīng)用而設(shè)計(jì)的InGaAs/InP多量子阱FP增益芯片。所述二極管包括前面17和背面16。所述二極管的背面16是腔內(nèi)小平面，并且具有處于10-4/10-5數(shù)量級的已測量殘余反射率的抗反射涂層。最好是，增益芯片波導(dǎo)是彎曲的，使之具有到達(dá)背面的入射角，以便進(jìn)一步地減小背反射。前面17是部分反射的，并且用作外腔的一個(gè)端鏡。前面17的反射率處于5％和30％之間的范圍。來自二極管背面的發(fā)出光束由準(zhǔn)直透鏡11進(jìn)行準(zhǔn)直，后者把光束準(zhǔn)直到法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具濾光鏡12。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，激光二極管的增益帶寬為100納米(nm)左右。
可以以這樣的方式來設(shè)計(jì)激光器，使得其工作波長對準(zhǔn)于國際電信聯(lián)盟(ITU，International Telecommunication Union)的信道柵格。在這種情況下，激光器的中心波長經(jīng)由FP標(biāo)準(zhǔn)具12定中心于ITU柵格，上述FP標(biāo)準(zhǔn)具12被構(gòu)建和配置以定義多個(gè)透射峰值。透射峰值間隔，即對應(yīng)于信道間隔的自由光譜范圍(FSR)FP可以是，例如，200GHz，100GHz，50GHz或25GHz。透射峰值的銳度由(FWHM)FP來表示，或者由作為標(biāo)準(zhǔn)具的FSR與FWHM之比的精細(xì)度來表示。
最好是，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具被放置在腔內(nèi)與光束15的垂線有小傾角，以便使FP標(biāo)準(zhǔn)具的反射光返回到激光二極管。FP標(biāo)準(zhǔn)具的傾角最好是包括在0.4°和0.8°之間，更可取的是大約0.5°。
在FP標(biāo)準(zhǔn)具12之后，光束投射在可調(diào)諧鏡13上，可調(diào)諧鏡13連同第一端鏡一起，定義所述腔的物理長度L0。可調(diào)諧鏡13把光信號反射回增益介質(zhì)，導(dǎo)致腔內(nèi)可調(diào)諧鏡和增益介質(zhì)的前面17之間發(fā)生諧振行為。換句話說，從增益介質(zhì)的背面到可調(diào)諧鏡的光路形成一個(gè)諧振腔，其(FER)cavity相反地依賴于外腔的有效腔長度Leff[方程式(3)]。通過增益介質(zhì)的部分反射的前面17將激光束從外腔耦合出去?？蛇x地，準(zhǔn)直透鏡14可以被放置在激光器輸出光束的光路上。
激光器組件被設(shè)計(jì)產(chǎn)生基本上單縱向并且最好是橫向模的輻射?？v向模指的是在激光器腔內(nèi)同時(shí)在幾個(gè)離散頻率產(chǎn)生激光。橫向模對應(yīng)于在激光輻射的橫向上光束亮度截面的空間變化。一般來說，適當(dāng)選擇增益介質(zhì)，例如市售的含有波導(dǎo)的半導(dǎo)體激光二極管，保證單個(gè)空間或橫向模操作。
激光器被配置成在匹配于WDM或DWDM系統(tǒng)中的等間隔信道頻率的多個(gè)等間隔輸出頻率中被選定的一個(gè)上發(fā)出輸出輻射。所述激光器可通過操作在波長λCM(CM＝空腔諧振模)上發(fā)出單縱向模輸出，上述波長依賴于腔內(nèi)的光學(xué)元件的光譜響應(yīng)以及腔的相位。
FP標(biāo)準(zhǔn)具在激光器腔中引入相位延遲，后者引起空腔諧振模的壓縮，即，對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)具透射峰值的空腔諧振模間隔的縮小。參照圖2(a)，(FWHM)FP被這樣選擇，以便通過考慮空腔諧振模的壓縮的影響來獲得所期望的smin數(shù)值。通過方程式(4)，smin的數(shù)值與所需的激光器頻率精度Δυ有關(guān)。
表I和表II報(bào)告在(FSR)FP＝100GHz的條件下，針對(FWHM)FP的不同數(shù)值的smin、smax和標(biāo)準(zhǔn)具側(cè)抑制(ESS)的各種數(shù)值。各種數(shù)值都是從方程式(7)的數(shù)字仿真導(dǎo)出的。表I指的是相對較長的激光器腔，即，L0＝25mm，表II指的是相對較短的激光器腔，即，L0＝12.5mm。對于表I和表II二者來說，可調(diào)諧鏡的FWHM，即(FWHM)TM為100GHz。對處于50到200GHz的(FWHM)TM，在(FWHM)FP的數(shù)值中，可以找出0.1-0.2GHz的差值，這表明在所考慮的范圍內(nèi)，(FWHM)FP對(FWHM)TM的弱相關(guān)性。
表I

表II

從表I和表II可以清楚地看出，隨著(FWHM)FP數(shù)值的減小，空腔諧振模壓縮增加，并且在較短腔長度的情況下，這種趨勢有所增強(qiáng)。例如，對于(FWHM)FP＝4.07GHz的情形來說，在L0＝25mm的條件下，最小空腔諧振模間隔被減小大約57％，而在L0＝12.5mm的條件下，模間隔減小大約70％。而且，在表I和表II報(bào)告的結(jié)果表明，在較短激光器腔中，ESS更加顯著。所有其它激光器參數(shù)都相同。
因此，相對較短腔長度具有能得到相對較大的ESS的優(yōu)點(diǎn)，即，在較短激光器腔中，所述標(biāo)準(zhǔn)具具有較好的光譜選擇性。本發(fā)明人已經(jīng)注意到，不大于大約15mm的腔長度允許這樣的激光器設(shè)計(jì)，在其中，所述柵格元件具有良好的光譜選擇性。
表III和表IV分別報(bào)告在腔長度L0＝12.5mm以及(FSR)FP＝50和25GHz的條件下，(FWHM)FP、精細(xì)度和smin的數(shù)值。
表III

表IV

結(jié)果表明，較低的(FSR)FP需要稍為多一些的選擇，即，如果希望得到相對較高的頻率精度，就需要有更窄的透射帶寬的標(biāo)準(zhǔn)具。
表V報(bào)告在激光器腔具有腔長度L0＝10mm的條件下，針對(FSR)FP的不同數(shù)值的(FWHM)FP和smin的數(shù)值。
表V

作為(FWHM)FP和smin之間的可能關(guān)系的一個(gè)實(shí)例，本發(fā)明人已經(jīng)從表I到V所報(bào)告的實(shí)例中推斷出(FWHM)FP和smin之間的一種近似線性的關(guān)系，后者可以表示為下列關(guān)系(FWHM)FP＝α+β·smin(8)例如，參照在表V中所報(bào)告的數(shù)據(jù)，在L0＝10mm和(FSR)FP＝100GHz的條件下，α≌-1.7GHz和β≌2.0。如果所需的Δυ為±1.25GHz和smin≈2Δv)[從方程式(4)]，則(FWHM)FP≈3.3GHz。
回到在表II中報(bào)告的實(shí)例，在L0＝12.5mm、(FSR)FP＝100GHz和Δυ為±1.25GHz的條件下，(FWHM)FP≈3.6GHz?？紤]到表I到V所示的所有實(shí)例，對于腔長度介于10和12.5mm之間和(FSR)FP處于從25到100GHz的情況來說，±1.25GHz的頻率精度對應(yīng)于(FWHM)FP處于從大約2.6GHz到大約3.6GHz數(shù)值。
(FWHM)FP軸與斜坡的交點(diǎn)取決于腔長度和信道間隔，α＝α[(FSR)FP，Leff]和β＝β(FSR)FP，Leff]。對于L0處于7.5和15mm之間以及信道間隔處于25和100GHz之間的情況來說，α大致上處于從-0.8到-2.7GHz的范圍，并且β大致上處于從1.2到2.6的范圍。隨著信道間隔的增加和隨著Leff(L0)的增加，斜坡和交點(diǎn)在絕對值上增加。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在光路長度不大于約15mm的條件下，對于不大于大約8GHz的(FWHM)FP數(shù)值來說，可以獲得相位準(zhǔn)同步。最好是，(FWHM)FP不大于6GHz。
最佳(FWHM)FP的選擇還必須考慮到，激光器腔中的光損耗將隨著標(biāo)準(zhǔn)具的光譜選擇性而增加。此外，隨著(FWHM)FP的減小，標(biāo)準(zhǔn)具中的光功率密度增加，導(dǎo)致由于熱-光效應(yīng)引起的標(biāo)準(zhǔn)具光譜響應(yīng)的可能不穩(wěn)定性。在實(shí)踐中，這些考慮在(FWHM)FP的最佳數(shù)值的選擇上設(shè)置了一個(gè)低限。
圖5表示，在FP標(biāo)準(zhǔn)具被定位于0.5°的傾角、具有(FSR)FP＝50GHz和500微米(μm)的光束模場直徑(MFD，mode field diameter)的條件下，隨著(FWHM)FP的減小，光學(xué)損耗將有所增加。對于(FWHM)FP小于3GHz的情形來說，光學(xué)損耗將變?yōu)榇笥?分貝(dB)，而對于(FWHM)FP為2GHz的情形來說，光學(xué)損耗將大于3分貝。
(FWHM)FP最好是大于2GHz，更可取的是大于3GHz。
當(dāng)滿足激光頻率的被動相位準(zhǔn)同步條件時(shí)，即，當(dāng)適當(dāng)?shù)剡x擇標(biāo)準(zhǔn)具的(FWHM)FP時(shí)，有可能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使得激光器工作在對應(yīng)于(由可調(diào)諧鏡面選出的一個(gè))標(biāo)準(zhǔn)具峰值、從而對應(yīng)于激光輸出功率的局部最大值的期望波長。
用于使激光模對準(zhǔn)于選定的標(biāo)準(zhǔn)具峰值的閉環(huán)控制可以通過例如調(diào)整增益介質(zhì)(例如激光二極管)的注入電流來進(jìn)行。激光二極管的注入電流的變化引起增益介質(zhì)的折射率變化，因而引起激光器輸出的相位變化。激光二極管的注入電流的小量調(diào)整可以被用來使輸出功率最大化。
圖6表示在根據(jù)本發(fā)明的示例性的可調(diào)諧激光器中，作為激光二極管注入電流ILD的函數(shù)的激光器輸出功率(實(shí)線)。在輸出功率的局部最大值處，獲得了空腔諧振模與(選定的)標(biāo)準(zhǔn)具峰值的對準(zhǔn)。局部最小值對應(yīng)于模跳躍的狀態(tài)。圖6還表示激光頻率對ILD(虛線)的相關(guān)性。最大和最小頻率之間的差值對應(yīng)于選定標(biāo)準(zhǔn)具峰值內(nèi)的兩個(gè)相鄰空腔諧振模之間的最小距離，即對應(yīng)于smin。
從圖6可以看出，可以獲得激光器的多于一種的穩(wěn)定工作狀態(tài)，所述穩(wěn)定工作狀態(tài)對應(yīng)于輸出功率中的峰值。通過改變注入電流可以選擇輸出功率，以便對應(yīng)于一系列離散值中的一個(gè)，局部最大值附近的每一個(gè)功率數(shù)值在時(shí)間上是穩(wěn)定的。
如果激光器由于某些原因產(chǎn)生，例如，由于老化或熱效應(yīng)所引起的漂移，則僅調(diào)整注入電流來校正頻率就足夠了，由此通過快速地和精細(xì)地確定中心頻率，來避免模跳躍的出現(xiàn)。
通過用處于能保證單模工作范圍內(nèi)的某注入電流來切換激光二極管以接通可調(diào)諧激光器。在處于單模工作范圍內(nèi)的注入電流的任何初始數(shù)值，即使考慮到由于老化和熱效應(yīng)引起的可能的電流漂移，可調(diào)諧激光器的配置仍然允許快速和精確地確定信道的中心頻率。
可以實(shí)施一種能使激光器輸出功率最大化的簡單算法，以便在標(biāo)準(zhǔn)具模的峰值下細(xì)調(diào)所述空腔諧振模。
激光器腔中的可調(diào)諧元件用作粗調(diào)元件，它在FP標(biāo)準(zhǔn)具的各個(gè)峰值之間進(jìn)行鑒別?？烧{(diào)諧元件相對于選定信道頻率的定位的精度和控制是很重要的，特別是當(dāng)需要高的激光器頻率精度時(shí)。因此，人們希望有一個(gè)控制環(huán)路來設(shè)置和保持可調(diào)諧元件的峰值對準(zhǔn)于所選定的空腔諧振模。
在優(yōu)選實(shí)施例中，所述可調(diào)諧元件是可調(diào)諧鏡?；氐綀D4(a)，在美國專利第6,215,928號中，更詳細(xì)地描述了根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的可調(diào)諧鏡13的結(jié)構(gòu)。簡要地說，所述可調(diào)諧鏡是一個(gè)電-光元件，它包括形成于襯底上的波導(dǎo)。在所述波導(dǎo)上形成衍射光柵，所述衍射光柵例如由與波導(dǎo)相同的材料制成。在衍射光柵上形成一個(gè)覆層，它至少填充所述衍射光柵的間隙。所述覆層由具有可電選擇的寬范圍的折射率的液晶材料制成。在所述覆層上可選地還有一個(gè)抗反射涂層，和/或在面對波導(dǎo)的襯底表面上還有一個(gè)抗反射涂層。在液晶層的相對表面上放置了兩個(gè)透明導(dǎo)體。電壓或電流源被連接到這兩個(gè)透明導(dǎo)體上。根據(jù)被施加到導(dǎo)體上的電壓或電流，可調(diào)諧鏡僅在給定的波長(λTM)上反射輻射。在所有其它波長上的輻射都通過所述可調(diào)諧鏡。因此，在本實(shí)施例的激光器配置中，可調(diào)諧鏡起到作為可調(diào)諧選擇器元件和作為腔端鏡這兩種作用。
用頻率為fA的交變電壓VTM[VTM(fA)]來驅(qū)動可調(diào)諧鏡，以防止液晶因直流應(yīng)力而性能下降。所施加的電壓的頻率可以處于20kHz到200kHz的范圍?？烧{(diào)諧鏡的光譜響應(yīng)是一條譜線，其線型例如類似于勞侖茲曲線(Lorentzian curve)的線型，其中心波長為λTM，并且具有處于從大約50GHz到大約250GHz的范圍內(nèi)的(FWHM)TM帶寬。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，所述λTM可以在80納米(nm)的范圍上被調(diào)諧。
最好是，光束的投射基本上垂直于可調(diào)諧鏡的波導(dǎo)表面。當(dāng)入射波長λ符合或接近λTM時(shí)，具有恒定功率的、波長為λ的投射光束被鏡所反射。由于施加的交流電壓，可調(diào)諧鏡隨后反射幅度調(diào)制、頻率為fA及其有關(guān)的高次諧波2fA、3fA、...、nfA的光束。
交流電壓引起可調(diào)諧鏡的光譜響應(yīng)的中心波長λTM的振蕩。圖7通過把歸一化的反射功率描繪成波長的函數(shù)，通過假定所述譜線具有高斯(Gaussian)形狀，示意性地表示可調(diào)諧鏡的光譜響應(yīng)。所述譜線按照峰值λTMmin和λTMmax之間的頻率fA產(chǎn)生振蕩。在圖7中，實(shí)線表示以λTM為中心的譜線，而虛線則表示以λTMmin和λTMmax為中心的譜線。這種振蕩引起反射光束的振幅調(diào)制，它相關(guān)于入射波長λ相對于λTM的位置。圖8表示針對兩個(gè)入射光束的反射光束的調(diào)制效應(yīng)，第一入射光束具有近似等于可調(diào)諧鏡的波長的波長，即，λ1∽λTM，并且第二入射光束具有不同于λTM的波長，例如，λ2＜λTM。對處于λ1的入射光束來說，譜線的振蕩引起反射光束中在頻率fA(及其高次諧波)上的振幅調(diào)制，所述調(diào)制具有最小的調(diào)制深度。與此相對比，如果入射波長λ2基本上不同于λTM。則譜線的振蕩引起具有相對較大調(diào)制深度的調(diào)制，隨著波長差絕對值Δλ＝|λ-λTM|增加，調(diào)制深度將增大。因而，有可能由反射光束的已調(diào)制分量的譜分析來導(dǎo)出波長差Δλ。
對20和200kHz之間的VTM頻率fA范圍來說，調(diào)制深度處于從大約0.1％到大約10％的范圍。調(diào)制深度也是電壓VTM的函數(shù)，隨著電壓在從3V到30V有效值的范圍內(nèi)增加，調(diào)制將變得更深。
大的調(diào)制深度對應(yīng)于可調(diào)諧鏡沒有對準(zhǔn)于入射空腔諧振模的狀態(tài)，而最小的調(diào)制深度則對應(yīng)于(最佳的)對準(zhǔn)狀態(tài)。
導(dǎo)出Δλ(即，入射波長與可調(diào)諧鏡的諧振波長的對準(zhǔn)程度)的一種方法就是，通過測量反射光束的功率的已調(diào)分量。最好是在腔外測量光束功率，以便減少激光器腔內(nèi)的光學(xué)元件，后者可能是插入損耗的來源，或者可能引入相位波動。參照圖4(b)，光電檢測器18可以被放置在增益介質(zhì)10的前面在激光器輸出端。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，在通過分光器20，例如按照98％/2％的分配比例進(jìn)行分光之后，激光器輸出光束將被檢測。
可替代地，可以測量透過可調(diào)諧鏡的功率的已調(diào)制分量。參照圖4(a)，可調(diào)諧鏡13具有典型值為70％∽95％的反射率，允許入射光的一小部分被透射。顯而易見，最小的透射比出現(xiàn)在λTM處。在圖4(a)所示的激光器配置中，光電檢測器18，例如光電二極管，被放置在腔外，以測量透過可調(diào)諧鏡的光。
在圖4(a)和圖4(b)所示的兩種配置中，可以借助于光檢測器跟隨有電光譜分析器，例如示波器(未示出)或與其集成，來測量向外透射的光的已調(diào)制分量，例如，交流透射功率[圖4(a)]，或者交流激光器輸出功率[圖4(b)]Pf。例如，光電二極管可以直接被連接到所述示波器。
由光電檢測器18所接收的透射或激光器輸出功率是波長的函數(shù)?？紤]到圖4(b)的配置，如果反射光束的波長改變，則反射的功率也改變。圖9表示反射功率對波長的示例性的測量結(jié)果。細(xì)實(shí)線表示綜合的檢測功率Pi(未調(diào)制)，它是可調(diào)諧鏡的光譜響應(yīng)。Pi的最大值對應(yīng)于諧振波長λTM。粗實(shí)線表示在頻率fA處的激光器輸出功率的已調(diào)制分量Pf′，它表現(xiàn)出對應(yīng)于諧振波長的尖銳最小值。還可以測量高次諧波的已調(diào)制分量。在圖9中，用虛線來表示在頻率2fA處的已調(diào)制分量Pf″。圖9清楚地表示激光器輸出功率的已調(diào)制分量對波長變化的靈敏度在大小上要比綜合功率Pi高出幾個(gè)數(shù)量級。由于綜合功率及其已調(diào)制分量均依賴于輸入功率，即，投射光束的功率，所以可以監(jiān)測比值PI/Pf用于波長控制。
反射光束[圖4(b)]或者從可調(diào)諧鏡面透過的光束的調(diào)制的幅度表明信道選擇器(即，可調(diào)諧鏡)與空腔諧振模對準(zhǔn)所需的調(diào)整幅度。反射或透射光束的調(diào)制相位表示調(diào)整的方向。在操作上，在激光器組件中，對激光器輸出端處的光功率的交流分量及其相關(guān)相位進(jìn)行測量，以便評估空腔諧振模波長λCM與可調(diào)諧鏡的峰值波長λTM之間的波長差，即，Δλ＝λCM-λTM的大小和符號。為了減小或抵消波長差Δλ，通過改變被施加到可調(diào)諧鏡的電壓VTM，來謀求光功率的交流分量的最小化。
作為對已調(diào)制信號的光譜分析的替代，可以使用兩種其它方法。在監(jiān)測透過可調(diào)諧鏡的功率的情況下，可以實(shí)施一種梯度算法，使總的透過功率最小化，以便將λTM對準(zhǔn)于λCM。可通過改變所施加的電壓VTM并且在圖4(a)所示的類型的配置中(例如，通過實(shí)施一種控制算法)測量透過的功率，來實(shí)現(xiàn)透過功率的最小化。在監(jiān)測激光器輸出[圖4(b)]的情況下，可以實(shí)施一種梯度算法來使激光器輸出的光功率最大化。
用于可調(diào)諧元件的對準(zhǔn)的控制算法保證例如，在從1530到1565納米的C波段中，在整個(gè)激光器調(diào)諧范圍內(nèi)，調(diào)制深度不大于大約±2％。這樣一來，對處于從1530到1565納米范圍內(nèi)的發(fā)光波長來說，激光器輸出信號的譜線寬度的展寬不大于大約10MHz。
調(diào)制的頻率被選擇得足夠低，以避免在透射的過程中，與由外腔激光器提供的已調(diào)制的載波信號發(fā)生干擾。最好是，調(diào)制頻率被包含在20kHz到200kHz的范圍內(nèi)。
采用這個(gè)系統(tǒng)就能實(shí)施實(shí)時(shí)信號監(jiān)測。用于ITU柵格上的所有信道的初始工作點(diǎn)都被存儲在查找表中。在查找表中，每一個(gè)信道與被施加到可調(diào)諧鏡的電壓VTM相關(guān)，因而也和可選擇的信道波長λTM相關(guān)聯(lián)。
為了激光器腔中的模穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)在λCM處的空腔諧振模與在λFP處的標(biāo)準(zhǔn)具透射峰值的中心的對準(zhǔn)。如上所述，通過調(diào)整激光二極管的注入電流ILD并且監(jiān)測激光器輸出功率，能實(shí)現(xiàn)將標(biāo)準(zhǔn)具峰值的中心對準(zhǔn)于所述空腔諧振模。借助于被放置在增益介質(zhì)的前面在激光器輸出的光電檢測器，能測量激光器的輸出功率，如圖4(b)的配置所示。查找表還可以存儲注入電流ILD的初始工作數(shù)值，ILD與信道頻率相關(guān)聯(lián)。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，借助于在圖4(b)所示的配置中的光電二極管，來實(shí)現(xiàn)用于將可調(diào)諧鏡對準(zhǔn)于空腔諧振模以及將空腔諧振模對準(zhǔn)于標(biāo)準(zhǔn)具峰值的激光器輸出功率的監(jiān)測。為了將可調(diào)諧鏡對準(zhǔn)于選定的空腔諧振模，對輸出功率中的交流分量進(jìn)行分析，而為了將空腔諧振模對準(zhǔn)于標(biāo)準(zhǔn)具峰值，尋求綜合(未調(diào)制的)輸出功率的最大化。為此目的，可以實(shí)施兩種順序操作的控制算法。
要注意的是，這兩種控制算法可以互相獨(dú)立地進(jìn)行工作，例如，如果不滿足最小損耗(即，空腔諧振模的相位同步)的條件，則用于將可調(diào)諧鏡對準(zhǔn)于所述空腔諧振模的控制算法工作。
圖10表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用于激光器系統(tǒng)的波長和模穩(wěn)定的控制電路的簡略設(shè)置。對應(yīng)于圖4(b)所示元件的可調(diào)諧激光器的元件被賦予相同的參考數(shù)字，并且其詳細(xì)說明從略。所述激光器組件裝入具有引腳55和尾光纖51的14引腳蝶形封裝56中。通過輸出連接(例如，引腳和/或尾光纖)裝入激光器組件的封裝形成可調(diào)諧激光器模塊50。光電檢測器18電連接到驅(qū)動器53。所述驅(qū)動器實(shí)施用于頻率和?？刂频目刂扑惴?。當(dāng)激光器被接通電源或者信道被切換時(shí)，所述驅(qū)動器從查找表中讀取準(zhǔn)備施加到激光二極管的電流ILD以及準(zhǔn)備施加到可調(diào)諧鏡的電壓VTM。然后，所述驅(qū)動器開始順序執(zhí)行用于?？刂频拈]環(huán)算法，以便將空腔諧振模對準(zhǔn)于選定的標(biāo)準(zhǔn)具峰值下，同時(shí)執(zhí)行用于頻率控制的算法，以便將信道選擇器對準(zhǔn)于振蕩空腔諧振模。在設(shè)置步驟中，通過運(yùn)行于PC 54上的程序，由驅(qū)動器53來控制所有的電流。有關(guān)可調(diào)諧鏡的對準(zhǔn)的反饋信息由實(shí)時(shí)光功率監(jiān)測電路提供，并且所述PC被用作控制器，以調(diào)整調(diào)諧電壓從而獲得期望的波長。所述PC還被用作這樣的控制器，調(diào)整激光二極管的注入電流來實(shí)現(xiàn)相位同步的條件。需要理解的是，在芯片卡上實(shí)現(xiàn)的反饋電路可以被用來控制所有的參數(shù)，以取代使用PC。
最好是，可調(diào)諧激光器模塊溫度穩(wěn)定，以便使光學(xué)腔長度漂移最小化和/或穩(wěn)定激光器腔的相位。參照圖10，增益介質(zhì)10和前透鏡14可以被安裝在具有大約0.2℃的溫度穩(wěn)定度的熱-電冷卻器(TEC)(未示出)上。
溫度控制還可以允許對頻率穩(wěn)定進(jìn)行細(xì)調(diào)。在這種情況下，在激光器工作之前，可以生成一個(gè)查找表，在其中，ITU柵格的每一個(gè)信道都與激光二極管的注入電流以及TEC(即，增益介質(zhì))的溫度T1相關(guān)聯(lián)。T1的輕微變化對應(yīng)于激光器腔相位的細(xì)小變化，因此，可以被調(diào)整用于通過法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的選定波長峰值，即，λCM∽λFP，來對空腔諧振模的波長進(jìn)行細(xì)調(diào)。在輸出功率和激光二極管的溫度之間可以找到類似于圖6所示的牧場生。然而，由于溫度變化的斜率，使得激光器對不穩(wěn)定性的響應(yīng)通常比較慢，所以改變電流ILD用于空腔諧振模對準(zhǔn)的方法優(yōu)選。
最好是，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具被放置在具有大約0.2℃溫度穩(wěn)定度的熱-電冷卻器(TEC)上。為了將標(biāo)準(zhǔn)具峰值鎖定于ITU條紋，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具的溫度穩(wěn)定性是重要的。典型地，對市售的FP標(biāo)準(zhǔn)具來說，用于對準(zhǔn)于ITU柵格的峰值頻率溫度靈敏度為1.3GHz/℃上下?？梢栽诩す馄飨到y(tǒng)的初始特性化過程中設(shè)置所述溫度?？烧{(diào)諧鏡可以被放置于具有FP標(biāo)準(zhǔn)具的TEC上。在可調(diào)諧鏡包括一個(gè)液晶(LC)的情況下，由于液晶層的特性可以因熱起伏而發(fā)生變化，所以可調(diào)諧鏡的溫度穩(wěn)定是人們特別地期待的。
可替代地，增益芯片、FP標(biāo)準(zhǔn)具，以及(可選地)可調(diào)諧鏡都可以被放置在同一TEC上。顯而易見，通過調(diào)節(jié)溫度來實(shí)現(xiàn)激光器腔的相位調(diào)諧是不可能的。使用單個(gè)TEC在封裝成本和簡化溫度控制方面可能是有利的。
權(quán)利要求
1.一種被配置用于在激光器發(fā)光頻率上發(fā)出單縱模輸出輻射的可調(diào)諧激光器系統(tǒng)，所述激光器系統(tǒng)包括具有物理長度L0和多個(gè)空腔諧振模的外腔；向外腔發(fā)射光束的增益介質(zhì)；被安排在外腔中的信道分配柵格元件，用于限定基本上對準(zhǔn)于選定波長柵格的相應(yīng)信道的多個(gè)通帶，所述通帶具有處于半最大值全寬度(FWHM)的帶寬；以及被安排在外腔中的可調(diào)諧元件，用于可調(diào)諧地選擇各通帶中的一個(gè)，以便選擇對其調(diào)諧光束的信道，其中，L0不大于15mm，并且處于信道分配柵格元件的FWHM的帶寬處于2和8GHz之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光器系統(tǒng)，其中，處于FWHM的信道分配柵格元件的帶寬處于3和6GHz之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的激光器系統(tǒng)，其中，長度L0不大于12mm。
4.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光器系統(tǒng)，其中，在不低于0.5GHz的給定頻率精度Δυ內(nèi)，在單空腔諧振模上選擇激光器發(fā)光頻率，并且選擇處于FWHM的信道分配柵格元件的帶寬，使得信道分配柵格元件的通帶內(nèi)的外腔的兩個(gè)相鄰空腔諧振模之間的最小距離smin不大于頻率精度Δυ的兩倍。
5.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述選定波長柵格具有從25到200GHz范圍的信道間隔。
6.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述選定波長柵格具有25或50GHz的信道間隔。
7.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述信道分配柵格元件包括法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具被放置為相對于光束的垂線傾角處于0.4°和0.8°之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具被放置為相對于光束的垂線傾角為0.5°。
10.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述可調(diào)諧元件具有處于FWHM的范圍從50到250GHz的帶寬。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述可調(diào)諧元件具有處于FWHM的范圍從50到100GHz的帶寬。
12.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述可調(diào)諧元件包括位于外腔的一端的可調(diào)諧鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述可調(diào)諧鏡是一種電-光元件，它包括形成于襯底上的波導(dǎo)和形成于波導(dǎo)上的衍射光柵。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述可調(diào)諧鏡還包括一個(gè)覆層，它至少填充所述衍射光柵的間隙，所述覆層包括液晶材料。
15.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述增益介質(zhì)是半導(dǎo)體激光二極管。
16.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的激光器系統(tǒng)，其中，在單橫空腔諧振模上選擇所述激光器發(fā)光頻率。
17.一種用于控制可調(diào)諧激光器系統(tǒng)的激光器發(fā)光頻率的方法，上述可調(diào)諧激光器系統(tǒng)具有外腔，所述外腔限定相互間隔(FSR)cavity的多個(gè)空腔諧振模，所述激光器發(fā)光頻率是在單縱空腔諧振模上選擇的，所述方法包括下列各步驟把從增益介質(zhì)發(fā)出的光束調(diào)諧到從基本上對準(zhǔn)于選定波長柵格元件的相應(yīng)信道的多個(gè)通帶中選擇的通帶的相應(yīng)中心頻率，選擇處于選定通帶的FWHM的帶寬，使得FWHM＜2.5(FSR)cavity以及FWHM≥2GHz。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述處于選定通帶的FWHM的帶寬不大于8GHz。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述處于選定通帶的FWHM的帶寬介于3和6GHz之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的方法，其中，選定波長柵格元件的信道具有介于25到100GHz之間的信道間隔。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，處于選定通帶的FWHM的帶寬和smin滿足下列關(guān)系FWHM＝α+β·smin式中，α處于從-0.8到-2.7GHz的范圍，同時(shí)β處于從1.2到2.6的范圍。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括通過調(diào)整增益介質(zhì)的注入電流，將激光器的發(fā)光頻率對準(zhǔn)于選定的通帶，以便使激光器的輸出功率最大化的步驟。
23.一種用于控制可調(diào)諧激光器系統(tǒng)的激光器發(fā)光頻率的方法，上述可調(diào)諧激光器系統(tǒng)具有外腔，所述外腔限定相互間隔(FSR)cavity的多個(gè)空腔諧振模，所述激光器發(fā)光頻率是在給定頻率精度Δυ內(nèi)的單縱空腔諧振模上選擇的，所述方法包括下列各步驟把從增益介質(zhì)發(fā)出的光束調(diào)諧到從基本上對準(zhǔn)于選定波長柵格元件的相應(yīng)信道的多個(gè)通帶中選擇的通帶的相應(yīng)中心頻率，選擇處于選定通帶的FWHM的帶寬，使得它不大于2.5(FSR)cavity，并且使得通帶內(nèi)外腔的兩個(gè)相鄰空腔諧振模之間的最小距離smin不大于頻率精度Δυ的兩倍。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述頻率精度不低于0.5GHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單模外腔可調(diào)諧激光器，其包括增益介質(zhì)、可調(diào)諧元件和信道分配柵格元件。所述信道分配柵格元件最好是FP標(biāo)準(zhǔn)具，其被構(gòu)建和配置以定義對應(yīng)于ITU信道柵格的多個(gè)等間隔透射峰值，例如，200、100、50或25GHz?？烧{(diào)諧元件最好是可調(diào)諧鏡，用作鑒別柵格標(biāo)準(zhǔn)件的峰值的粗調(diào)元件。本發(fā)明的可調(diào)諧激光器具有相對短腔長度，即，不大于15mm，最好是不大于12mm。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具在外腔中引入相位非線性，引起空腔諧振模的壓縮，即，對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)具透射峰值的空腔諧振模間隔的縮小。隨著柵格FP標(biāo)準(zhǔn)具的FWHM帶寬，以下稱為(FWHM)
文檔編號H01S5/06GK1839522SQ03827146
公開日2006年9月27日 申請日期2003年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者安德瑞·羅馬諾, 瑪庫·德多諾, 奧銳利奧·皮安奇奧拉 申請人:皮雷利&C.有限公司, 意大利電信股份公司