CN100440654C - 背面波长锁定装置的调整和装配方法 - Google Patents

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Abstract

一种波长锁定装置是可调整的，以调整在各种光学元件之间的制造偏差，监测由于老化造成的激光器光束波长漂移。通过用挠性构件调整准直透镜的位置来实现调整。调整透镜位置改变监测光束相对固定滤光器和检测器的入射角，并且避免进行具有挑战性的制造作业，即旋转滤光器和检测器以实现相同的结果。

Description

背面波长锁定装置的调整和装配方法
技术领域
本发明的实施方案涉及波长锁定装置，更具体地，涉及用于调整波长锁定装置的装置和方法。
背景技术
波分复用(WDM)技术用于在相同光纤上同时传输多个数据信道。在发射器端，对每个信道而言，不同数据信道用不同波长(或颜色，如果你愿意的话)的光来调制。光纤能够以这种方式同步传输多个信道。在接收端，在解调之前利用合适的波长过滤技术很容易分离所述多路信道。
在光纤上传输大量的数据的需求导致所谓的密集波分复用(DWDM)，DWDM涉及将附加的信道装入给定带宽空间。在DWDM系统中的相邻信道之间获得的更窄的间隔需要从发射激光二极管(laser diode)获得精确的波长精度。
遗憾的是，因为激光二极管老化，已知它们在大约十五年期间与其设定的频率存在高达0.15nm的波长漂移(drift)。在DWDM系统中，因为给定信道会漂移并且会与相邻信道干涉引起串扰(cross talk)，这种波长漂移是不可接受的。因此，大多数激光发射器利用本领域通常称为波长锁定装置的设备来测量漂移频率与设定频率之比。这个信息可以被反馈到控制器，使得激光二极管的各种参数(例如，温度或驱动电流)可以被调整以补偿老化的影响并且使激光二极管保持工作在其设定频率上。多数具有集成波长锁定装置的激光发射器使用标准具(etalon)或薄膜滤波器来测量激光波长变化。为了准确地工作，重要的是通过与正在被监测的准直光束精确对准来调整锁定装置。一般波长锁定装置要求标准具和准直光束的位置精度在优于±0.5度的范围内。
附图说明
下面是附图简述，其中全文中相同的附图标记表示相同的元件：
图1是根据本发明一个实施方案的波长锁定装置的平面图；
图2是图1的波长锁定装置的简图；
图3是波长锁定装置检测器相对频率的输出电流曲线图；
图4是峰值传输频率相对于在标准具上的光束入射角的曲线图；
图5是用于调整准直透镜高度的挠性构件的框图。
具体实施方式
现在参照附图，并且具体参照图1，本发明的一个实施方案示出具有准平面基板2的波长锁定装置组件(package)，所述准平面基板2具有定位底板4的。第一和第二检测器10和12分别被连接到所述底板4。激光器14产生中心波长或频率设置在设定频率或波长附近的激光束。激光器14从前面(front facet)16和背面(back facet)18发射光束。传输数据信道的实际调制光从所述前面16形成，该调制光被耦合到光纤20。从所述背面形成的光束22用于监测。透镜28(例如，梯度折射率(GRIN)透镜)用于准直光束22。
这些元件要求精确对准，并且在实际将各种器件连接到定位底板4的制造过程中，呈现出许多挑战。在诸如这些高性能光电子组件中，关键光学元件要求比底板高度控制和二维拾取与放置的组合所能获得的精确定位更精确的定位。
如图所示，利用允许少量垂直调整的微型挠性构件30来安装光纤20。在一个实施方案中，挠性构件30由已经蚀刻或压印的薄弹簧钢在压机(press)中弯曲而成。挠性构件30包括靠在基板表面或定位底板4上面的两条或多条腿32。在一个实施方案中，所述腿通过支撑或夹持光纤20的桥34来连接。如果桥34沿y方向平移，相对的腿32在相反的x方向上弹性伸缩。
挠性构件30可以这样设计，即在其自然或非挠曲状态，安装到桥上光学元件的光轴稍稍在组件光学平面上面。最后调整的高度是通过向挠性构件30施加压力并由此降低桥34的高度来获得的。在平行于基板平面的平面拖拽(dragging)所述挠性构件30可以用来校正横向位置。当达到足够的对准时，腿32被永久地连接到底板4或基板2。所述连接可以通过例如激光熔接、焊接或粘结剂粘接来进行。
在挠性构件设计的另一改进中，挠性构件30具有多于两条的腿。在粗光学对准后，第一对腿被连接到框。然后，利用连接两条第一腿之后剩下的剩余挠性精确地再对准挠性构件。当到达最佳位置，连接剩余的腿。在美国专利6,207,950和6,227,724中描述了各种挠性构件的设计。
仍然参照图1，在操作时，准直光束22从透镜28形成，然后入射到分光器24，所述分光器24将光束22分成另外两束光束。如图所示，第一光束以垂直于原始光束22的角度反射。该反射光束透过标准具(滤光器)26后，入射到第一检测器10上。第二光束直接透过分光器24并入射到第二检测器12上。
穿过标准具26的光束部分是光束功率和光束波长两者的函数。直接通过分光器24到第二检测器12的光束部分是光束功率的函数。因此，通过这两种成分相减，可以确定当前输出的光束波长，并且与设定频率相比较，以确定激光输出的漂移。
图2示出根据本发明一个实施方案的波长锁定装置的简图。本领域的技术人员应该理解，这类波长锁定装置对准直光束22的对准(alignment)非常敏感，同时出现许多封装(packaging)方面的问题。标准具26相对于标准具上的光束入射角的响应为：
v = v 0 cos ( θ n )
其中：
v是峰值传输频率移动(shift)；
v0是在垂直入射时的峰值频率；
θ是在空气中的入射角；以及
n是标准具的折射率(例如，对于熔融石英(fused silica)，在1550nm左右n＝1.44)。
如图2所示，当角度θ为图示的零度时，v＝v0，因为当θ为零度时，上述公式的余弦除数等于1。如图中的虚线31所示，任何从零度入射角的偏离，标准具的响应将被偏斜(skewed)，并且所述输出波形将被偏离相位。
参照图3，示出分别从检测器10和12输出的电流l1和l2相对于激光束频率(即，1/波长)的曲线图。如图所示，从检测器10的输出(l1)包括频率成分和功率成分。从检测器12的输出(l2)包括激光器输出光束功率成分，因此如图中的水平线所示。从检测器10的输出l1既包括功率成分又包括波长成分，因此如图所示，波形沿y轴正方向移动。
在操作中，波长锁定装置监测波长或频率的变化。但是，如图3所示，有时当被监测的信道落在频率波形的波峰或波谷时就很困难。因此，例如当监测ITU(国际电信联盟)信道A时，如果入射角θ是在输出波形l1的波峰处，就难以监测，因为斜率dl/dv＝0。因此，为了更准确地监测频率，期望调整入射角θ，以将波形相位从l1改变到l1′。这允许波长锁定装置监测波形33的更合适部分，其中能更容易检测dl/dv的小变化并提供更准确的读数。
但是，如图4所示，仅仅非常小的入射角变化得到保证。图4示出频率移动相对于光束入射角的曲线图。当入射角θ为0度时，频率移动是0。如在这个实例中的进一步说明，激光器14正在输出的测量波长对入射角非常敏感。如图所示，小于1度的入射角变化导致10GHz的测量频率移动。这种偏斜(skew)本质上是指数的，因为标准具26和检测器10相对准直光束的2度那么小的旋转造成大于50GHz的测量频率移动。本领域的技术人员应该理解，为了使波形从l1移到l1′(如图3所示)，仅需稍稍改变入射角。
改变入射角的一种方法是通过控制标准具26和检测器10相对光束的旋转。即，当在制造过程中安装这些元件时，必须注意保证它们的定位，从而使得角度从0度可以精确地旋转到期望的角度(即，从分束器24反射的部分光束可以从垂直标准具26和检测器10的位置稍稍旋转)。但是，实际上有时很难实现，在各种元件相对基板固定后，需要波长锁定部件的一些精细调整。
根据本发明的一个实施方案，已经发现除了旋转检测器10和标准具26之外，仅仅调整挠性构件36的位置并由此调整透镜28的位置(即，沿x和/或y方向)能够实现波长锁定装置的精细调整。即，相对基板2上下、左右移动透镜28与相对从分光器24反射的光束旋转检测器10和标准具26具有相同的效果，从而改变入射角。但是，与旋转检测器和标准具不同(这需要附加的机加工元件)，利用已经开发的、用于挠性构件耦合的机器能实现入射角的精确调整。
再来参照图1、4和5的任何一个，在本发明的一个实施方案中，使用了透镜座36，该透镜座36允许透镜在x或y方向可以方便地被调整。在一个实施方案中，透镜座包括挠性构件36。与用于安装光纤20的第一挠性构件相同，透镜挠性构件36用于相对基板2安装透镜28。
图5示出观察透镜28的正视图。如上所述，透镜挠性构件36可以这样设计，即在其自然或非挠曲状态，安装在其上的透镜28的光轴稍稍在组件光学平面上面。最后调整的高度是通过向挠性构件36施加压力并由此降低透镜28的高度来获得的。透镜28的横向定位是通过沿x方向移动挠性构件的腿38来实现。当获得充分对准时，腿38被永久地连接到底板或基板2(在图5中未示出)。在这种情况下，对准是在入射角(θ，从分光器24反射的光束与标准具26和检测器10之间的角度)被移到如图3所示的期望位置时获得的。所述连接例如可以采用激光熔接、焊接、粘结剂粘接或任何其他合适的方法来进行。
在此具体图示和/或描述了本发明的实施方案。但是，应该可以理解，本发明的修改和变化包括在上述教导种并在所附的权利要求书的范围内，而不偏离本发明的精神和延伸范围。

Claims (20)

1.一种波长锁定装置，包括：
第一检测器，以检测监测光束的第一部分；
第二检测器，以检测偏离所述第一检测器的所述监测光束的第二部分；
透镜；以及
透镜座，用来在相对所述监测光束的光轴垂直的x和y方向的至少一个方向移动所述透镜，以改变所述监测光束的所述第一部分和所述第一检测器之间的入射角，其中所述透镜座是挠性构件。
2.如权利要求1所述的波长锁定装置，其中所述挠性构件包括至少一对用桥连接的腿。
3.如权利要求2所述的波长锁定装置，其中所述腿是弹性的。
4.如权利要求1所述的波长锁定装置，还包括：
分光器，以将来自所述透镜的准直的所述监测光束分成所述第一部分和所述第二部分；
滤光器，以过滤所述第一部分；
所述第一检测器，以接收所述过滤的第一部分；并且
所述第二检测器，以接收所述第二部分，其中在所述第一部分与所述滤光器及所述第一检测器之间的入射角是所述透镜在所述x和y方向中的至少一个方向的位置的函数。
5.一种波长锁定装置，包括：
透镜，以准直光束；
分光器，以将来自所述透镜的准直光束分成第一光束和第二光束；
滤光器，以过滤所述第一光束；
第一检测器，以接收所述过滤的第一光束；
第二检测器，以接收所述第二光束；以及
调整透镜座，用来调整所述透镜的位置，以改变在所述第一光束和所述第一检测器之间的入射角，其中所述可调整透镜座包括挠性构件。
6.如权利要求5所述的波长锁定装置，其中所述挠性构件包括至少一对由桥连接的腿。
7.如权利要求6所述的波长锁定装置，其中所述腿是弹性的。
8.如权利要求7所述的波长锁定装置，其中在x方向固定所述腿，在y方向固定所述透镜，其中所述x、y方向与所述准直光束的光轴垂直。
9.一种调整波长锁定装置的方法，包括：
在基板表面安装多个光学元件；
使用挠性构件相对所述基板表面调整透镜的位置，以改变在光束和所述多个光学元件中的至少一个元件之间的入射角。
10.如权利要求9所述的调整波长锁定装置的方法，还包括：
在获得期望入射角时，将所述透镜锁定在位置上。
11.一种调整光学装置的方法，包括：
将透镜设置在挠性构件上；
用所述透镜准直光束；
将所述准直光束分成第一光束和第二光束；
过滤所述第一光束；
用第一检测器接收所述过滤的第一光束；
用第二检测器接收所述第二光束，
调整所述透镜的垂直位置和水平位置中的至少一个，以改变所述第一光束和所述第一检测器之间的入射角。
12.如权利要求11所述的调整光学装置的方法，还包括在获得期望入射角时，将所述挠性构件锁定在位置上。
13.如权利要求12所述的调整光学装置的方法，其中所述锁定包括通过熔接、焊接和粘接剂粘接之一来将所述挠性构件锁定在位置上。
14.一种波长锁定装置，包括：
第一检测器，其与第一轴对准固定到基板表面上；
分光器，以在所述第一轴和与所述第一轴基本垂直的轴之间分离光束；
滤光器，其与第二检测器共线，所述第二检测器基本上与所述垂直轴对准固定到所述基板表面；以及
透镜，其沿所述第一轴可调整，以调整所述光束与所述滤光器和所述第二检测器之间的入射角；
挠性构件，以将所述透镜安装到所述基板表面，所述挠性构件相对所述基板表面沿与所述第一轴垂直的x和y方向可移动。
15.如权利要求14所述波长锁定装置，其中当获得期望入射角时，将所述挠性构件锁定在位置上。
16.如权利要求15所述波长锁定装置，其中适当通过熔接、焊接和粘接之一将所述挠性构件锁定在位置上。
17.一种波长锁定装置，包括：
第一检测器，其定位成接收监测光束的第一部分；
第二检测器，其定位成接收监测光束的第二部分；
透镜；以及
透镜座，其在与所述监测光束的光轴垂直的x方向和y方向的至少一个方向移动所述透镜，以改变所述监测光束的第一部分与所述第一检测器之间的入射角，其中所述透镜座是挠性构件。
18.如权利要求17所述的波长锁定装置，其中所述挠性构件包括至少一对由桥连接的腿。
19.如权利要求18所述的波长锁定装置，其中所述腿是弹性的。
20.如权利要求17所述的光学装置，还包括：
分光器，其定位成将来自所述透镜的监测光束分成所述监测光束的第一部分和所述监测光束的第二部分；以及
滤光器，以过滤所述监测光束的第一部分。
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