CN101794958A - 可调谐激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调谐激光器，使用了一个声光可调谐滤波器和单一射频换能器，一个相位调制器和基于微处理器的信号控制处理电路；该声光可调谐滤波器包括一个声光晶体以及一个声波换能器焊接在晶体选定的表面来产生声波，通过使用不同的激光增益介质、声波驱动频率和声光晶体，用来制造用于各种不同应用的宽带可调谐激光器。本发明设计合理，保证了光纤通信中对于亚毫秒级调谐速度、小尺寸和在极端工作环境下高可靠度的要求，具有调谐速度快、低腔内损耗和高功率输出的特点，实现了低成本、易于生产和高性能的可调谐激光器在光纤通信网络中的广泛应用。

Description

可调谐激光器
技术领域
本发明属于光纤通信领域，尤其是一种可以实现快速调谐、稳定的波长和功率输出性能的可调谐激光器。
背景技术
目前，大多数现代电信系统均采用光纤通信。光纤网络提供了前所未有的大容量和安装的灵活性，可以支持不断发展的各种宽带应用。宽带可调谐激光器可以帮助最大限度的利用现有的光纤网络资源。通过动态提供带宽可以将流量从拥挤通道转移到未使用的通道，从而满足互联网的需求。可调谐激光器也是实现完全基于互交的光纤网络的重要先决条件，可以快速简单地建立或改变光路。可调谐激光器，特别是尺寸小、调谐范围大和高功率输出的可调谐激光器，在生物、医疗器械和光纤传感器网络等领域中有着广泛的应用。
针对这种应用的理想的可调谐激光器应该包括以下特性：宽可调谐范围，覆盖C和(或)L波段(大约1530纳米至1610纳米)；尺寸小；任何两个国际电信联盟(ITU)频率间隔栅格之间的切换速度快(小于1毫秒)；长期的性能稳定性好(超过25年的运行时间)；极端工作条件下的高可靠度；低耗电量和进行低成本生产。
现有的可调谐激光器可以分成三类：(1)使用机械可移动部件，如衍射光栅、棱镜、标准具或MEMS(微电子机械系统)等作为波长调节单元的系统，其存在的问题是：通过机械调节光栅或棱镜角度来调节波长的技术对机械冲击和震动的抗干扰性非常差，会引起短期和长期的性能不稳定，所以带有移动部件的可调谐激光器不适合应用在光纤通信中。(2)通过调节温度，加热或冷却部件来选定波长的系统；其存在的问题是：通过温度调谐因其固有的特性，调谐速度慢，所以可应用的范围很小。(3)使用腔内不可移动的光学器件进行调节的系统，包括使用磁光器件、声光器件、电光器件或通过注入电流来以物理学方式选择波长，其存在的问题是：声光技术因为其不需要可移动部件通过电控制方式即可调谐、快速调谐速度、可调范围宽以及结构相对简单，作为调谐器件，是满足上述光纤通信系统应用严格要求的一种可行方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种调谐速度快、低腔内损耗和高功率输出的可调谐激光器。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种可调谐激光器，包括在激光光谱范围内的两个全反射腔镜组成的激光谐振腔；
一个腔内准直透镜；
一个声光可调谐滤波器安放在上述激光谐振腔内，从上述激光增益介质输出的光束通过腔内准直透镜校准为平行光后输入至声光可调谐滤波器；
在声光晶体中激发声波的设备，包括一个焊接在选定的晶体表面的声波换能器，上述声光可调谐滤波器、上述两个反射腔镜和上述波长可调的激光增益介质安放的位置使得在激光谐振腔中只有经过声光可调谐滤波器衍射部分的光束形成激光振荡；
一个射频信号源给上述换能器提供射频能量，通过改变射频频率来调节激光谐振腔的振荡波长；
一个相位调制器安放在腔内准直透镜与声光晶体之间；
一个光学标准具安放在相位调制器和激光增益介质之间；
一个波长锁定器安放在腔内光线的零阶衍射光路；
一个带光纤尾纤的准直器将激光输出光线耦合到光纤上；
激发上述激光增益介质的泵浦设备；
驱动上述相位调制器的设备；以及
信号控制处理电路。
而且，所述的声光可调谐滤波器安放在与激光束成布拉格角的位置，并对不同波长的激光束均保持在布拉格角。
而且，所述的激光谐振腔由平面镜、凸面镜和凹面镜中任意类型的反射腔镜构成。
而且，所述的光学标准具的自由频谱范围为25GHz、或50GHz或100GHz。
而且，所述的相位调制器是一个光电相位调制器或基于物理光学效应的其他形式的相位调制器。
而且，所述的波长锁定器包括：安放在腔内光线的零阶衍射光路上并与之成45度角的一个分束器；第一个光电探测器用来接收分束器的反射光；一个透射率随波长变化的光学滤波器位于分束器和第二个光电探测器之间；第二个光电探测器接收上述的透射率随波长变化的光学滤波器输出的光信号。
而且，所述的带光纤尾纤的准直器包括一个单模保偏光纤和一个梯度折射率透镜，或者一个单模光纤和一个梯度折射率透镜。
而且，所述的声光可调谐滤波器包括一个光学频谱特性符合激光频谱要求的各向异性的双折射声光晶体。
而且，所述的信号控制处理电路包括一个微处理器；第一个数模转换设备连接到微处理器来控制激光泵浦源；第二个数模转换设备连接到微处理器来控制相位调制器驱动器；第三个数模转换设备连接到微处理器来控制射频功率源；第一个模数转换设备连接到上述第一个光电探测器来检测激光功率并将信号输入至微处理器；第二个模数转换设备连接到上述第二个光电探测器来检测可调传输率光学滤波器输出的光信号，并将信号反馈回微处理器进行激光波长控制。
而且，所述的分束器的反射率/传输率比为50％。
而且，所述的透射率随波长变化的光学滤波器是一个多层电介质薄膜滤波器或是一个光学标准具。
而且，所述的第一个光电探测器和第二个光电探测器的光学特性与激光频谱相匹配。
本发明的优点和积极效果是：
1、本可调谐激光器包括了一个声光可调谐滤波器、单一射频换能器、一个相位调制器和基于微处理器的信号控制处理电路，输出波长的精度和功率稳定性由波长锁定器、功率监测和反馈控制系统决定，通过使用不同的激光增益介质、声波驱动频率和声光晶体，满足了光纤通信中对于亚毫秒级调谐速度、小尺寸和在极端工作环境下高可靠度的要求，保证了高性能和高可靠性，具有快速调谐能力、波长与功率输出稳定的特点。
2、本可调谐激光器使用低成本的声光滤波器和单一换能器来减少系统成本使之更适合批量生产，设计结构上有着易于组装、批量生产成本低的特点。
3、本发明设计合理，保证了光纤通信中对于亚毫秒级调谐速度、小尺寸和在极端工作环境下高可靠度的要求，具有调谐速度快、低腔内损耗和高功率输出的特点，实现了低成本、易于生产和高性能的可调谐激光器在光纤通信网络中的广泛应用。
附图说明
图1显示了一种可调谐滤波器的具体实施，包括一个带有单一换能器的声光晶体和一个射频功率源；
图2是一个波矢图，显示了一束入射光线进入声光布拉格光栅滤波器情形的；
图3是一种可调谐激光器的概略平面图；
图4是一种可调谐激光器的概略平面图，包括功率监测和波长锁定器；
图5显示了通过用于锁定波长的低锐度标准具或多层电介质薄膜滤波器后功率传输和波长之间的线性或近似线性关系；
图6是信号控制处理电路的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
下面详细描述可调谐激光器的优选具体实施例。
声光可调谐滤波器，如图1所示。该声光可调谐滤波器100包括一个射频功率源8，一个声光换能器10和一个声光介质12。
声光可调谐滤波器有两种类型：共线型与非共线型。其中非共线型包括各向同性布拉格衍射型和非近轴各向异性布拉格衍射型。其中非近轴各向异性布拉格衍射型，正如在其他几个美国专利中探讨过的，因为其衍射带宽窄，因此更有实际应用价值。
在一种具体实施中，该声光介质12为各向异性的双折射晶体，也正是窄带宽调谐所需要的。满足这些特性的一种物质是二氧化碲(TeO2)，当工作在剪切模式时，光学均匀度高、光吸收度低而且能够支持较强的光功率，这些优点使得TeO2在类似的应用中得到广泛的使用。
其他的物质例如铌酸锂(LiNbO3)、钼酸钙(CaMoO4)或钼酸铅(PbMoO4)也经常用做声光设备的组件。影响选择特定晶体的因素有很多，下面仅列出几种，如：声光设备的类型、高质量晶体是否容易获得以及应用的类型和需求，例如衍射效率、功率损耗、入射光与衍射光的分离角度和整体设备的大小等。
在C和L波段(波长范围大约为1530纳米至1610纳米)的100GHz或50GHz密集波分复用(DWDM)光纤通信中，可调谐滤波器100采用了非共线型、非近轴各向异性布拉格衍射型。在一种具体实施中，非近轴各向异性布拉格衍射在超过某一频率时，入射角的布拉格角突然增大，滤波带宽也变得更窄，这在其他一些美国专利中也被提及过。
这种布拉格衍射经常用于窄带的滤波器应用当中。选用二氧化碲(TeO2)作为晶体的材料仅仅是出于以下考虑，并不限制其他晶体的使用：二氧化碲具有极低的声波速度，同时还有其他合适的特性，例如声学上的各向异性和光学上的双折射特性。这在一些美国的专利和书中已有讨论。常用来制作声光可调谐滤波器(AOTF)的物质包括铌酸锂(LiNbO3)、钼酸钙(CaMoO4)和二氧化碲(TeO2)。在TeO2中，非线性模式下声波的传播速度为0.6×105厘米/秒。在LiNbO3中，共线性模式下声波的传播速度为6.57×105厘米/秒。在CaMoO4中，共线性模式下声波的传播速度为6.0×105厘米/秒。
换能器10连接到声光晶体上。在一种具体实施中，换能器10被焊接到晶体上，晶体有斜面的一侧通常是与焊接换能器10的一侧相对。这就避免了反射声波对前行声波的干扰，从而提高了性能的稳定度。
射频信号源8通过换能器10将声波14传播到声光介质12中。很多常见应用使用的频率范围从几十兆赫到几百兆赫不等。
在实际操作中，光线2以布拉格角进入到声光介质12(声光晶体)中，Θi＝ΘB，即入射角等于布拉格角。布拉格角可以用下列公式计算：sinΘB＝λ0/(2nΛ)，其中λ0是入射光的波长，n是声光介质的平均折射率，Λ是声波波长。换能器产生的声波14使光线2衍射为输出角度为ΘB的一级衍射光线6，以及与入射光线2同向的零级衍射光线4。这样可以通过加在声光晶体的功率源8的频率来选择输出的波长。
图2显示了一束入射光线进入声光布拉格光栅滤波器情形，一束入射光2(κ2)、衍射光6(κ6)和声波14(κs)的波矢关系，κ2+κs＝κ6，声波使衍射光的频率发生向上偏移。
一种可调谐激光器的具体实施方式
如图3所示，可调谐激光器200使用了声光可调谐滤波器(AOTF)100作为可调谐滤波器。激光谐振腔包括两个全反射(即100％反射率)的反射腔镜16和28。
激光镜通常对不同波长或颜色光的反射率不同，这里所指的反射率是与激光器运行的波长带宽相对应的。反射腔镜的目的是为激光谐振腔提供所谓的“正反馈”。
光学反射多层介质膜可以直接镀在激光增益介质上，在半导体增益介质中尤为常见。带有平镜的法布里-珀罗腔或平行平面腔，也叫“临界稳定激光谐振腔”，产生一个“之”字形光路，这种谐振腔对机械振动的干扰和离轴光线非常敏感。
另外两种激光谐振腔包括非稳腔和稳定腔。非稳激光谐振腔一般使用凸面镜或凸面镜与平面镜的组合。稳定激光谐振腔一般使用凹面镜或凹面镜与平面镜的组合。在实际应用中，不同激光谐振腔的设计和使用条件可以用来满足对输出功率和激光模式的不同要求。
一般情况下，激光增益介质18，如图3所示那样，位于两面反射腔镜之间。对从激光增益介质中发出的光提供正反馈并进一步放大。光学增益介质可以选用能够在激光谐振腔内放大激光振荡的任何光学增益介质。
在所示的为光纤通信应用设计的具体实施中，光学增益介质使用了半导体增益介质，其工作原理是由光激发的PN结空穴和自由电子的重新组合。从半导体增益介质发射出的光可以用以半导体放大器有源区物质的禁带宽度为中心的光子能量的有限分布来描述。
一个腔内准直透镜20将激光增益介质发射出的散射光变为平行光线2。将入射光发散度的减小极为重要，因为滤波器衍射光线的发散度直接受入射光发散度影响，对激光器的运行性能至关重要。
声光可调滤波器100安放在腔内准直透镜20和反射腔镜28之间。通过改变射频(RF)频率和相位调制器22来为不同波长进行激光模式相位匹配。值得一提的是，与一级衍射光线传播方向垂直的反射腔镜28也可以通过锆钛酸铅(PZT)用电压来进行相位匹配。在一种具体实施中，相位调制器22是一个光电调制器。理论上，只要空间允许，相位调制器22可以放在激光谐振腔内任意位置。为了得到最佳性能，相位调制器22应该安放在激光谐振腔内光线发散度最小的位置。在图3所示的激光器系统200中，相位调制器22安放在腔内准直透镜20与声光晶体12之间。
光线4和26是相应于腔内光线2和6的零级衍射光线，在激光振荡的过程中从激光谐振腔中“泄漏”出来。这两个“泄漏”光线都可以用作激光输出。在实际中只有一束光线经耦合后用作激光输出，另一束光线则一般作为激光谐振腔的损耗，或者可以用作激光功率监测和波长锁定。在下文中会详细介绍怎样利用这个“泄漏”的光线来进行激光功率监测和波长锁定。
在DWDM光纤通信网络的应用中，需要采用一个光学标准具来建立光学频率调节间隔，两个通道之间的间隔为25GHz或50GHz或100GHz。在图示的具体实施中，具有25GHz或50GHz或100GHz自由频谱范围的光学标准具24被安放在相位调制器22和声光介质12之间。
一种可调谐激光器的具体实施方式
如图4所示，该可调谐激光器300带有一个波长锁定器和一个带光纤尾纤的准直器来将激光输出功率耦合到光纤中。在这种应用中，带光纤尾纤的准直器38一般选用保偏(PM)光纤。如果不需要保持输出激光的偏振态，也可采用其他类型的光纤，如普通单模光纤。
波长锁定器沿着光线26安放，可以避免在激光谐振腔中“插入”任何多余的光学成分，包括一个分束器30、光电探测器34和36以及一个根据传输率随波长可变的光学滤波器32。光线26是衍射光线6经过反射腔镜28反射后形成的光线的零级衍射光线。分束器30的反射率/透过率为50％/50％，用来将光线26的一部分反射到光电探测器34。光学滤波器32被安放在分束器30和光电探测器36之间。光电探测器36用来监测激光波长改变而引起的功率变化。
激光输出光线4通过带光纤尾纤的准直器38耦合到光纤上。如果需要保持输出激光的偏振状态时，可以采用保偏(PM)光纤，否则可以采用普通的单模光纤。
多层电介质薄膜滤波器和低锐度标准具经常被用做光学滤波器。在一种具体实施中，光学滤波器32采用一种多层电介质薄膜滤波器。在另一种具体实施中，光学滤波器32采用一种低锐度标准具。根据所需要的传输率与波长的关系，薄膜滤波器和低锐度标准具都可以以低成本进行设计和生产。
图5显示了光学滤波器32的波长与传输率(T)的关系。光学滤波器32的波长与传输率的关系可以用下面的公式来表达：λ＝αT+β，其中α和β是由插入损耗和波长进行线性拟合后产生的斜率决定的。α的数值可以根据不同的应用条件、可调节波长范围和波长锁定的精度来设计。
由于接收到的功率与传输率T直接成正比，波长λ和接收到的功率P的关系可以表达为：λ＝αP+β，更可进一步表达为：Δλ＝αΔP。假设激光谐振腔的功率保持不变，那么光电探测器32所检测到的功率变化(ΔP)就完全是由波长变化(Δλ)引起的。
这个功率变化反馈到闭环反馈回路后，通过改变射频(RF)信号源8的信号频率，和/或通过相位调制器改变激光谐振腔相位，可以将激光波长“拉回”到指定波长。在可调谐激光器300正常的运行中，激光功率可以由光电探测器34准确监测，这个信息可以用在一个闭环反馈控制回路中监测并保持稳定的激光功率输出。
信号控制处理电路
可调谐激光器的信号控制处理电路，如图6所示，在该信号控制处理电路300中，中央控制单元是一个带有嵌入式软件程序的微处理器66。通过模数转换(A/D)设备78和82，微处理器66可以接收光电探测器76和80的信号，信号包括激光输出功率和波长偏移的信息。这些信息由嵌在微处理器66内的程序处理。微处理器通过数模转换(D/A)设备74、64和54发出信号，分别控制射频(RF)信号源72来调节声光滤波器70，控制相位调制器驱动器62来调节相位调制器60，和控制泵浦源52来调节增益介质50的增益大小，从而达到调节射频频率、激光相位匹配条件和泵浦功率的目的。这样当发生频率偏移、波长偏移或者两者同时发生时，或者当接收到改变激光波长或功率的外部指令时，可以实现激光器的功率和波长的稳定输出。
上述说明仅起演示和描述的作用，并不是一个详细无遗漏的说明，也没有意图将本发明限制在所描述的具体形式上。经过上面的描述，对本发明的许多改动和变化都可能出现。所选择的具体实施仅仅是为了更好的解释本发明的原理和实际中的应用。这个说明能够使熟悉此领域的人可以更好的利用本发明，根据实际需要设计不同的具体实施和进行相应的改动。

Claims (12)

1.一种可调谐激光器，其特征在于：包括在激光光谱范围内的两个全反射腔镜组成的激光谐振腔；
一个激光增益介质安放在激光谐振腔内并在指定激光波长范围进行激光振荡；
一个腔内准直透镜；
一个声光可调谐滤波器安放在上述激光谐振腔内，从上述激光增益介质输出的光束通过腔内准直透镜校准为平行光后输入至声光可调谐滤波器；
在声光晶体中激发声波的设备，包括一个焊接在选定的晶体表面的声波换能器，上述声光可调谐滤波器、上述两个反射腔镜和上述波长可调的激光增益介质安放的位置使得在激光谐振腔中只有经过声光可调谐滤波器衍射部分的光束形成激光振荡；
一个射频信号源给上述换能器提供射频能量，通过改变射频频率来调节激光谐振腔的振荡波长；
一个相位调制器安放在腔内准直透镜与声光晶体之间；
一个光学标准具安放在相位调制器和激光增益介质之间；
一个波长锁定器安放在腔内光线的零阶衍射光路；
一个带光纤尾纤的准直器将激光输出光线耦合到光纤上；
激发上述激光增益介质的泵浦设备；
驱动上述相位调制器的设备；以及
信号控制处理电路。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的声光可调谐滤波器安放在与激光束成布拉格角的位置，并对不同波长的激光束均保持在布拉格角。
3.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的激光谐振腔由平面镜、凸面镜和凹面镜中任意类型的反射腔镜构成。
4.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的光学标准具的自由频谱范围为25GHz、或50GHz或100GHz。
5.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的相位调制器是一个光电相位调制器或基于物理光学效应的其他形式的相位调制器。
6.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的波长锁定器包括：安放在腔内光线的零阶衍射光路上并与之成45度角的一个分束器；第一个光电探测器用来接收分束器的反射光；一个透射率随波长变化的光学滤波器位于分束器和第二个光电探测器之间；第二个光电探测器接收上述的透射率随波长变化的光学滤波器输出的光信号。
7.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的带光纤尾纤的准直器包括一个单模保偏光纤和一个梯度折射率透镜，或者一个单模光纤和一个梯度折射率透镜。
8.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的声光可调谐滤波器包括一个光学频谱特性符合激光频谱要求的各向异性的双折射声光晶体。
9.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的信号控制处理电路包括一个微处理器；第一个数模转换设备连接到微处理器来控制激光泵浦源；第二个数模转换设备连接到微处理器来控制相位调制器驱动器；第三个数模转换设备连接到微处理器来控制射频功率源；第一个模数转换设备连接到上述第一个光电探测器来检测激光功率并将信号输入至微处理器；第二个模数转换设备连接到上述第二个光电探测器来检测可调传输率光学滤波器输出的光信号，并将信号反馈回微处理器进行激光波长控制。
10.根据权利要求6所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的分束器的反射率/传输率比为50％。
11.根据权利要求6所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的透射率随波长变化的光学滤波器是一个多层电介质薄膜滤波器或是一个光学标准具。
12.根据权利要求6所述的可调谐激光器，其特征在于：所述的第一个光电探测器和第二个光电探测器的光学特性与激光频谱相匹配。
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