CN102244358A - 一种外腔式可调谐激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种外腔式可调谐激光器，包括安装在激光腔外的腔外准直透镜和依次安装在激光腔内的激光输出镜、激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器和可调谐光滤波器，其技术特点是：还包括安装在可调谐光滤波器后的有源偏振旋光器、放置在偏振旋光器后的偏振分束器、放置在与激光腔输出透镜光轴相垂直的方向上的第一光学标准具和第一全反射镜、放置在激光腔输出镜光轴方向上的第二光学标准具和第二全反射镜以及激光器驱动控制电路。本发明设计合理，实现了在宽频谱范围内的高频谱密度、窄频谱带宽和可调谐的稳定激光输出，大大降低了可调谐光滤波器和光学标准具的制作难度，具有性能稳定可靠、成本低、尺寸小、易于安装及生产等特点。

Description

一种外腔式可调谐激光器
技术领域
本发明属于光电子领域，尤其是一种外腔式可调谐激光器。
背景技术
目前，大多数现代通迅系统都是基于光纤通信网络，而光纤通信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。宽带和多通道的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。使用可调谐激光器使快速建立或改变光路变得容易，它是实现动态光纤网络的重要器件之一。
针对这种应用，理想的可调谐激光器应当包括以下特性：可调谐范围宽，覆盖C和(或)L波段(大约1520纳米至1620纳米)；尺寸小；任何两个国际电信联盟(ITU)频率间隔之间的切换速度快(亚毫秒量级)；长期工作稳定性好(超过25年的运行时间)；在极端环境条件下的高可靠性；低功耗；易制造和低成本。
随着高密度波分复用器(DWDM)的和其他高密度频谱相关器件的开发成功，现代光通迅系统已从过去的频道间隔为400GHz和200GHz的系统，发展到频道间隔为100GHz和50GHz，甚至25GHz和更高密度的系统；同时，光通迅系统传输速率也从过去的2.5Gbps发展到10Gbps、40Gbps和100Gbps系统。这就对用于光通迅系统的小型可调谐激光器提出了相应的要求，特别是在激光器输出光的光谱密度和光谱宽度提出了更高的要求。采用高锐度的光学标准具的外腔式可调谐激光器，因其能够实现上述要求，是用于新一代动态，高传输速率和高光谱密度的光通迅系统的好的选择之一。
在外腔式可调谐激光器中，特别是用于光通讯的这类器件，除了用具有高锐度的光学标准具来压缩激光输出带宽外，还需要有相匹配的可调谐的窄带光滤波器。如果要求激光器输出光频率间隔为Δf，则光滤波器滤波带宽应不超过该频率间隔的两倍，即＜2Δf，方可避免激光器工作在多模状态，从而提高激光器工作的稳定性；如果要求激光器输出光频率间隔为50GHz，则光滤波器滤波带宽应＜100GHz；如果进一步要求输出光频率间隔为25GHz，则光滤波器滤波带宽应＜50GHz。对于带宽越窄的光滤波器，制作难度就越高，造价也就越高，如常用的光学光栅滤波器和声光滤波器等。同样，对于透射光谱间隔越窄的光学标准具，尺寸就越大，制作难度就越高，造价也就越高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低成本、尺寸小、易于生产且性能高的可调谐激光器。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种外腔式可调谐激光器，包括安装在激光腔外的腔外准直透镜和依次安装在激光腔内的激光输出镜、激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器和可调谐光滤波器，还包括：
一个有源偏振旋光器，放置在可调谐光滤波器后，用于将入射的线偏振光的偏振方向旋转90度；
一个偏振分束器，放置在偏振旋光器后，对入射的平行偏振光全透射，而对入射的垂直偏振光反射到与入射光成90度的方向上；
第一光学标准具和第一全反射镜，放置在与激光腔输出透镜光轴相垂直的方向上，接收从偏振分束器输出的垂直偏振光并输出到第一全反射镜，第一全反射镜与激光输出镜构成第一激光谐振子腔；
第二光学标准具和第二全反射镜，放置在与激光腔输出镜光轴方向上，接收从偏振分束器输出的平行偏振光并输出到第二全反射镜，第二全反射镜与激光输出镜构成第二激光谐振子腔。
激光增益介质泵浦设备、有源相位调制器驱动设备、可调谐光滤波器驱动设备和有源偏振旋光器驱动设备及激光器驱动控制电路。
而且，所述的第一光学标准具和上述第二光学标准具具有相同的锐度系数。
而且，所述的第一光学标准具、第二光学标准具具有与激光增益介质相同的光谱范围，第二光学标准具的透射光谱峰值间隔与上述第一光学标准具相同，第二光学标准具的透射光谱峰值频率与第一光学标准具的透射光谱峰值频率相差为上述任一光学标准具透射光谱峰值间隔的一半。
而且，所述的激光输出镜、第一全反射镜和第二全反射镜为平面镜或凸面镜或凹面镜；所述的激光输出镜、第一全反射镜和第二全反射镜具有与激光增益介质相同的光谱范围。
而且，所述的可调谐光滤波器为可调谐声光滤波器，或者为可调谐全息光栅滤波器，或者为由普通反射或透射光栅与机电转动装置组成的可调谐光滤波器，或者为上述几种可调谐光滤波器的组合。
而且，所述的可调谐滤波器为窄带光滤波器，其光谱范围与激光增益介质的光谱范围相同，且其光谱的FWHM不大于第一光学标准具或第二光学标准具透射光谱峰值频率的二倍。
而且，所述的有源相位调制器是电光相位调制器，或者是磁光相位调制器，或者是液晶相位调制器，或者是声光相位调制器，或者是基于物理光学效应的其他形式的相位调制器，或者是上述相位调制器的组合并具有与激光增益介质相同的光谱范围。
而且，所述的有源偏振旋光器是电光偏振旋光器，或者是磁光偏振旋光器，或者是液晶偏振旋光器，或者是声光偏振旋光器，或者是基于物理光学效应的其他形式的偏振旋光器，或者是上述偏振旋光器的组合并具有与激光增益介质相同的光谱范围。
而且，所述的激光输出镜的反射率在5％到95％的范围内。
而且，所述的激光器驱动控制电路由数字信号微处理器、四个数模转换模块、激光泵浦源、有源相位调制器驱动源、可调谐滤波器驱动源和有源偏振旋光器驱动源，数字信号微处理器接收外部指令信号指令并通过激光泵浦源、有源相位调制器驱动源、可调谐滤波器驱动源和有源偏振旋光器驱动源实现对激光增益介质、有源相位调制器、可调谐光滤波器和有源偏振旋光器的驱动控制功能。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计合理，其采用了有源偏振旋光器、偏振光分束镜、两个光学标准具和两个全反射镜构成两个激光谐子腔腔，实现在宽频谱范围内的高频谱密度、窄频谱带宽和可调谐的稳定激光输出，将对光滤波器的滤波带宽的要求降低了一倍，可用输出为50GHz频谱间隔的光滤波器和透射光谱间隔为50GHz的光学标准具来实现25GHz的稳定激光输出，降低了对可调谐光滤波器的滤波带宽的要求以及对光学标准具透射光谱峰值频率间隔密度的要求，从而大大降低了可调谐光滤波器和光学标准具的制作难度，具有性能稳定可靠、成本低廉、尺寸小、易于安装及生产等特点，可满足光纤通信对于小尺寸和极端工作环境下的可靠运行，并且在生物、医疗器械和光纤传感器网络等其他领域中也有着广泛的应用。
附图说明
图1是现有的一种无准直透镜的外腔式可调谐激光器的示意图；
图2是现有的一种采用准直透镜的外腔式可调谐激光器的示意图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是利用一个有源旋光器和一个偏振光分束镜进行激光谐振模切换的装置示意图；
图5是显示了图4装置中平行光偏振光束的传输路径示意图；
图6是显示了图4装置中垂直光偏振光束的传输路径示意图；
图7是第一光学标准具和第二光学标准局的透射光谱示意图，其中上半部分是第一光学标准具的透射光谱，其间隔为50GHz，下半部分是第二光学标准具的透射光谱，其间隔为50GHz，但透射光谱峰值频率和第一光学标准具的透射光谱峰值频率相差为25GHz；
图8是透射光谱间隔为25GHz的可调谐激光器输出光谱示意图；
图9是本发明的激光驱动控制电路的原理框图。
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。
现有的采用单一光学标准具的外腔式可调谐激光器，如图1所示，该可调谐激光器100包括部分反射镜2、增益介质4、有源光相位调制器6、可调谐滤波器8、光学标准具12、全反镜14。其中，一个部分反射镜2(反射率小于100％)作为激光器输出镜和一个全反镜14(反射率为100％)组成的激光腔。激光输出镜通常对不同波长或颜色光的反射率不同，这里提到的反射率是与激光器运行的波长带宽相对应的反射率。部分反射镜的目的是为系统提供所谓的“正反馈”。可调谐激光器100的腔内不使用准直透镜，采用这种腔通常是针对激光增益介质是气体，液体或有些固体介质时用的。
在上述可调谐激光器100中，一般采用非平面的输出镜2和全反镜14以实现腔内光束的合理分布。激光输出调谐是通过有源光相位调制器6和可调谐滤波器8来实现，光学标准具12决定激光器输出频谱的间隔。采用高锐度系数的光标准具能起到压缩输出光束的频谱带宽和提高边模抑制比。如需要减小激光器输出频谱的间隔，则需要同时减小可调谐滤波器8的滤波带宽和减小光标准具12的透射光谱峰值频率的间隔，才能避免发生跳模现象和保证激光器的单模振荡。如激光器的输出频谱的间隔要求为25GHz，不仅需要光标准具12的频谱的间隔为25GHz，还要求可调谐滤波器8的滤波带宽的FWHM(频谱半宽度)参数至少小于50GHz。这就大大提高了可调谐滤波器8的技术难度和制造成本。光标准具12的技术难度和制造成本也会增加。对于激光增益介质是均匀增益介质的情况下，一般要求可调谐光滤波器的滤波带宽FWHM值小于2Δf(假设光标准具的透射带宽为Δf)。如果可调谐光滤波器的滤波带宽大于2Δf，容易形成多模振荡，导致多模输出或跳模现象。对于激光增益介质是非均匀增益介质的情况下，要求可调谐光滤波器的滤波带宽FWHM值更窄。
如果激光增益介质是半导体增益介质时，由于一般都有比较大的输出分散角，可采用如图2所示的可调谐激光器200。该可调谐激光器200包括腔外准直透镜40、腔内准直透镜26、激光增益介质24、镀在激光增益介质上的反射膜20、有源光相位调制器28、可调谐滤波器30、光标准具34和全反镜36。可调谐激光器200需要用一个腔内透镜26去准直激光增益介质24的输出光束。在该可调谐激光器200中，直接在激光增益介质24的一个输出面上镀反射膜20，可以替代可调谐激光器100中的输出反射镜，还需要一个腔外的准直透镜40来准直激光器的输出光束38。例如，用于光纤通讯中的这类激光器，需要将输出光束38藕合到光纤中，准直透镜40就是比不可少的。可调谐激光器200的工作原理和可调谐激光器100是一样的。
下面对本发明的外腔式可调谐激光器300进行详细说明。如图3所示，可调谐激光器300包括腔外准直透镜40、腔内准直透镜46、激光增益介质44、镀在激光增益介质上的反射膜42、有源光相位调制器48、可调谐滤波器50、有源偏振旋光器52、偏振光分束镜54、第一光学标准具56、第一全反射镜58、第二光学标准具60、第二全反射镜62及激光增益介质泵浦设备、有源相位调制器驱动设备、可调谐光滤波器驱动设备和有源偏振旋光器驱动设备及激光器驱动控制电路。腔外准直透镜安装在激光腔外，激光输出镜、激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器和可调谐光滤波器依次安装在激光腔内的，在可调谐光滤波器后安装一有源偏振旋光器用于将入射的线偏振光的偏振方向旋转90度，偏振旋光器后安装一偏振分束器用于对入射的平行偏振光全透射，而对入射的垂直偏振光反射到与入射光成90度的方向上；在与激光腔输出透镜光轴相垂直的方向上安装第一光学标准具和第一全反射镜，用于接收从偏振分束器输出的垂直偏振光并输出到第一全反射镜，第一全反射镜与激光输出镜构成第一激光谐振子腔；在激光腔输出镜光轴方向上安装第二光学标准具和第二全反射镜，用于接收从偏振分束器输出的平行偏振光并输出到第二全反射镜，第二全反射镜与激光输出镜构成第二激光谐振子腔。该波长可调谐激光器300与可调谐激光器200不同之处在于：可调谐激光器200中的光标准具34和全反镜36，被换成了由有源偏振旋光器52、偏振光分束镜54、第一光学标准具56、第一全反射镜58、第二光学标准具60和第二全反射镜62组成的双光路系统400，如图4所示。有源偏振旋光器52可以旋转入射光51的偏振方向：当有源偏振旋光器处在非工作状态时，入射光束51不改变偏振态，直接通过偏振光分束镜54后，经光标准具56后到达全反镜58，再经全反镜58反射回激光腔中，如图5所示；当有源偏振旋光器处在工作状态时，入射光束51的偏振态旋转90度，变成垂直偏振光，通过偏振光分束镜54反射后，经光标准具60到达全反镜62，再经全反镜62反射回激光腔中，如图6所示。由于经全反镜62反射回的光再次通过有源偏振旋光器后，偏振态再旋转90度，所以激光器的输出光束偏振态不变。
因此，通过控制有源偏振旋光器52可以使图3中的波长可调谐激光器300形成两个激光谐振腔的子腔：第一子腔是由输出镜(镀在激光增益介质上的反射膜)42和全反镜58组成，第二子腔是由输出镜(镀在激光增益介质上的反射膜)42和全反镜62组成。腔内不增加其他器件。图7分别显示了光标准具56和光标准具60的透射光谱。两个光标准具56和60具有相同的透射光谱间隔50GHz和锐度系数，但透射光谱峰值相差25GHz。这样，激光器300的输出光谱是两个子腔的综合，即可实现25GHz光谱峰值间隔，并且偏振态一致的可调谐激光输出，如图8所示。
本发明中，第一光学标准具和上述第二光学标准具具有相同的锐度系数，而且，第一光学标准具、第二光学标准具具有与激光增益介质相同的光谱范围，第二光学标准具的透射光谱峰值间隔与上述第一光学标准具相同，第二光学标准具的透射光谱峰值频率与第一光学标准具的透射光谱峰值频率相差为任一光学标准具透射光谱峰值间隔的一半。例如，第一光学标准具透射光谱峰值间隔可以是50GHz，可以是25GHz，可以是12.5GHz，其透射光谱峰值频率满足国际光通讯标准(ITU GRID)，也可以是其他的透射光谱峰值间隔和透射光谱峰值频率值；第二个光学标准具的透射光谱峰值间隔可以是50GHz，25GHz或12.5GHz，也可以是其他值，第二光学标准具的透射光谱峰值频率与第一个光学标准具的透射光谱峰值频率相差为上述一个光学标准具透射光谱峰值间隔的一半，即对应于上述第一个光学标准具透射光谱峰值间隔分别为50GHz，25GHz，和12.5GHz时，上述第二个光学标准具透射光谱峰值频率与上述第一个光学标准具的透射光谱峰值频率相差分别为25GHz，12.5GHz和6.25GHz。
一般来说，象半导体激光增益介质，其输出的荧光即是线偏振光。对这类激光增益介质，腔内不需要使用起偏器。对其他输出为非线偏振光的激光增益介质，必须使用起偏器才能使可调谐激光器300实现上述功能。
随着光通讯技术的发展，DWDM光通讯网正向25GHz，甚至光频道密度更高的方向发展。就要求有滤波带宽更窄的可调谐光滤波器，也使得制作这样的可调谐光滤波器和要求小型化的可调谐激光器的难度进一步提高，价格更加昂贵。对于一些其它的可调谐激光器的应用，要求激光器的输出光束有更高的可调谐频谱密度，其整体激光器的成本和技术难度将更加提高。因此，可调谐激光器300可在已有的50GHz频谱间隔的外腔式激光器的平台上，提供了一种可以实现25GHz频谱间隔的简易方法，并且不显著增加成本和制造难度。
上述可调谐激光器300还安装有一个激光器驱动控制电路实现对激光增益介质泵浦设备、有源相位调制器驱动设备、可调谐滤波器驱动设备和有源偏振旋光器驱动设备的驱动和控制功能，如图9所示，该激光器驱动控制电路包括带有嵌入式软件程序的数字信号微处理器(DSP)112、四个数模转换(D/A)设备102、106、110和116、激光泵浦源101、有源相位调制器驱动源104、可调谐滤波器驱动源108和有源偏振旋光器驱动源114。带有嵌入式软件程序的数字信号微处理器(DSP)112通过数模转换(D/A)设备102、106、110和116来分别控制激光泵浦源101、有源相位调制器驱动源104、可调谐滤波器驱动源108和有源偏振旋光器驱动源114。数字信号微处器112可以接收外部指令并通过激光泵浦源101、有源相位调制器驱动源104、可调谐滤波器驱动源108和有源偏振旋光器驱动源114实现对激光增益介质、有源相位调制器、可调谐光滤波器和有源偏振旋光器的驱动控制功能。
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 (10)

1.一种外腔式可调谐激光器，包括安装在激光腔外的腔外准直透镜和依次安装在激光腔内的激光输出镜、激光增益介质、腔内准直透镜、有源光相位调制器和可调谐光滤波器，其特征在于：还包括：
一个有源偏振旋光器，放置在可调谐光滤波器后，用于将入射的线偏振光的偏振方向旋转90度；
一个偏振分束器，放置在偏振旋光器后，对入射的平行偏振光全透射，而对入射的垂直偏振光反射到与入射光成90度的方向上；
第一光学标准具和第一全反射镜，放置在与激光腔输出透镜光轴相垂直的方向上，接收从偏振分束器输出的垂直偏振光并输出到第一全反射镜，第一全反射镜与激光输出镜构成第一激光谐振子腔；
第二光学标准具和第二全反射镜，放置在激光腔输出镜光轴方向上，接收从偏振分束器输出的平行偏振光并输出到第二全反射镜，第二全反射镜与激光输出镜构成第二激光谐振子腔。
激光增益介质泵浦设备、有源相位调制器驱动设备、可调谐光滤波器驱动设备和有源偏振旋光器驱动设备及激光器驱动控制电路。
2.根据权利要求1所述的一种外腔式可调谐激光器，其特征在于：所述的第一光学标准具和上述第二光学标准具具有相同的锐度系数。
3.根据权利要求1或2所述的一种外腔式可调谐激光器，其特征在于：所述的第一光学标准具、第二光学标准具具有与激光增益介质相同的光谱范围，第二光学标准具的透射光谱峰值间隔与上述第一光学标准具相同，第二光学标准具的透射光谱峰值频率与第一光学标准具的透射光谱峰值频率相差为上述任一光学标准具透射光谱峰值间隔的一半。
4.根据权利要求1所述的一种外腔式可调谐激光器，其特征在于：所述的激光输出镜、第一全反射镜和第二全反射镜为平面镜或凸面镜或凹面镜；所述的激光输出镜、第一全反射镜和第二全反射镜具有与激光增益介质相同的光谱范围。
5.根据权利要求1所述的一种外腔式可调谐激光器，其特征在于：所述的可调谐光滤波器为可调谐声光滤波器，或者为可调谐全息光栅滤波器，或者为由普通反射或透射光栅与机电转动装置组成的可调谐光滤波器，或者为上述几种可调谐光滤波器的组合。
6.根据权利要求1或5所述的一种外腔式可调谐激光器，其特征在于：所述的可调谐滤波器为窄带光滤波器，其光谱范围与激光增益介质的光谱范围相同，且其光谱的FWHM不大于第一光学标准具或第二光学标准具透射光谱峰值频率的二倍。
7.根据权利要求1所述的一种外腔式可调谐激光器，其特征在于：所述的有源相位调制器是电光相位调制器，或者是磁光相位调制器，或者是液晶相位调制器，或者是声光相位调制器，或者是基于物理光学效应的其他形式的相位调制器，或者是上述相位调制器的组合并具有与激光增益介质相同的光谱范围。
8.根据权利要求1所述的一种外腔式可调谐激光器，其特征在于：所述的有源偏振旋光器是电光偏振旋光器，或者是磁光偏振旋光器，或者是液晶偏振旋光器，或者是声光偏振旋光器，或者是基于物理光学效应的其他形式的偏振旋光器，或者是上述偏振旋光器的组合并具有与激光增益介质相同的光谱范围。
9.根据权利要求1所述的一种外腔式可调谐激光器，其特征在于：所述的激光输出镜的反射率在5％到95％的范围内。
10.根据权利要求1所述的一种外腔式可调谐激光器，其特征在于：所述的激光器驱动控制电路由数字信号微处理器、四个数模转换模块、激光泵浦源、有源相位调制器驱动源、可调谐滤波器驱动源和有源偏振旋光器驱动源，数字信号微处理器接收外部指令信号指令并通过激光泵浦源、有源相位调制器驱动源、可调谐滤波器驱动源和有源偏振旋光器驱动源实现对激光增益介质、有源相位调制器、可调谐光滤波器和有源偏振旋光器的驱动控制功能。
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