CN102246368A - 用于光学封装的多变量控制方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个实施例，光学封装包括利用自适应光学器件耦合到波长转换器件的一个或多个半导体激光器。光学封装还包括被编程为基于提供给半导体激光器的波长选择部分和自适应光学器件的经调制反馈控制信号来操作半导体激光器和自适应光学器件的封装控制器。可基于经调制的波长反馈控制信号来调节提供给半导体激光器的波长选择部分的波长控制信号，使得波长转换器件的响应参数被优化。类似地，可基于经调制的反馈位置控制信号来调节提供给自适应光学器件的位置控制信号，使得波长转换器件的响应参数被优化。

Description

用于光学封装的多变量控制方法

背景技术

发明领域

本发明一般涉及半导体激光器、激光器控制器、光学封装以及包含半导体激光器的其它光学系统。更具体地，本发明涉及用于优化光学封装的输出的方法，其中该光学封装包括利用自适应光学器件光耦合到二次谐波发生(SHG)晶体或另一种类型的波长转换器件的半导体激光器等。

背景技术

通过将诸如红外或近红外分布反馈式(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器或法布里—珀罗激光器之类的单波长半导体激光器与诸如二次谐波发生(SHG)晶体之类的光波长转换器件相组合，可形成短波长光源。典型地，SHG晶体用于产生基波激光信号的较高次谐波。为实现此目的，优选将激光发射波长调谐至波长转换SHG晶体的光谱中心，而且激光器的输出优选与波长转换晶体的输入面处的波导部分对准。

诸如MgO掺杂的周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体之类的典型的SHG晶体的波导光学模场直径可以在几微米的范围内。结果，将来自半导体激光器的光束与SHG晶体的波导适当对准从而优化SHG晶体的输出可能是一项困难的任务。更具体地，优化SHG晶体的输出需要沿SHG晶体的输入面上的两个轴精确控制半导体激光器的光束位置。因此，必须监视和控制至少两个变量以便定位半导体激光器的光束，使得激光器的输出最大化。

类似地，SHG晶体的相位匹配带宽通常很窄，一般小于1nm。例如，对于12mm长PPLN晶体，相位匹配带宽可约为0.16nm。如此，必须精确控制半导体激光器的波长，以优化SHG晶体的二次谐波输出。这可通过将热施加到半导体激光器的波长控制部分或通过将电流注入半导体激光器的波长控制部分来实现。

因此，为了使波长转换器件的输出效率最大化，必须控制至少三个变量。因此，需要用于包括光耦合到诸如二次谐波发生(SHG)晶体之类的波长转换器件的半导体激光器的光学封装的多变量控制技术。

发明内容

本发明的一个方面包括用于控制光学封装的多变量控制方法，其中监视光学封装的单个输出以确定如何调节多个控制变量。具体地，多变量控制方法使用多个相位、频率和/或时移调制信号来优化光学封装的输出。光学封装可包括半导体激光器、波长转换器件、配置成将半导体激光器的输出光束光耦合到波长转换器件的输入面的波导部分的自适应光学器件、光学检测器以及被编程为操作半导体激光器和自适应光学器件的至少一个可调光学部件的封装控制器。

根据本文所示和所述的一个实施例，控制光学封装的方法可包括通过控制注入到半导体激光器的增益部分的增益电流I_增益的量来控制半导体激光器的周期性激光发射强度。增益电流I_增益的周期性频率v_数据可表示包含用于在激光投影系统中生成图像的数据的经编码数据信号。可向半导体激光器的波长选择部分提供波长控制信号以控制半导体激光器的激光发射波长λ₁。可通过将位置控制信号提供给可调光学部件，这进而改变可调光学部件的位置，来将半导体激光器的输出光束定位在波长转换器件的输入面上。可将经调制的波长反馈控制信号提供给波长选择部分以调制半导体激光器的激光发射波长λ₁。经调制的波长反馈控制信号可具有频率v_λ如此：

v_λ＝(N+1/P)v_数据

其中，N是整数，且P是大于1的整数。此外，可将经调制的位置反馈控制信号提供给可调光学部件以调制输出光束在波长转换器件的输入面上的位置。经调制的位置反馈控制信号可与经调制的波长反馈控制信号异相，而经调制的位置反馈控制信号的频率v_θ可与经调制的波长反馈控制信号的频率v_λ相同。可在将经调制的信号提供给可调光学部件和半导体激光器时利用光学检测器测量波长转换器件的响应参数。之后，分析波长转换器件的测得响应参数以确定归因于经调制的波长反馈控制信号和经调制的位置控制信号的频谱和位置分量。在分析测得的响应参数后，可分别基于测得的响应参数的频谱分量和位置分量来调节波长控制信号和位置控制信号以优化波长转换器件的响应参数。

在本文所示和所述的另一个实施例中，控制光学封装的方法可包括通过控制注入到半导体激光器的增益部分的增益电流I_增益的量来控制半导体激光器的周期性激光发射强度，其中增益电流I_增益的周期性频率v_数据表示经编码的数据信号。可将第一位置控制信号提供给可调光学部件以沿第一方向控制输出光束在波长转换器件的输入面上的位置。此外，可将第二位置控制信号提供给可调光学部件以沿第二方向控制输出光束在波长转换器件的输入面上的位置。可将第一经调制的位置反馈控制信号提供给可调光学部件以沿第一方向调制输出光束在波长转换器件的输入面上的位置。第一经调制的位置反馈控制信号可具有频率v_θ1如此：

v_θ1＝(N+1/P)v_数据

其中，N是整数，且P是大于1的整数。可将第二经调制的位置反馈控制信号提供给可调光学部件以沿第二方向调制输出光束在波长转换器件的输入面上的位置。第二经调制的位置反馈控制信号可与第一经调制的位置反馈控制信号异相。经调制的位置反馈控制信号的频率v_θ1可与第二经调制的位置反馈控制信号的频率v_θ2相同。可利用光学检测器测量波长转换器件的响应参数。之后，分析波长转换器件的测得响应参数以确定归因于第一经调制的位置反馈控制信号和第二经调制的位置反馈控制信号的位置分量。然后基于分别归因于第一经调制的位置反馈控制信号和第二经调制的位置反馈控制信号的位置分量调节第一位置控制信号和第二位置控制信号以优化波长转换器件的响应参数。

将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点一部分对于本领域的技术人员来说根据说明书就能弄懂，或者可通过实施包括以下详细说明、权利要求书以及附图的本文所述的本发明认识到。

应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出本发明的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，且被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本发明的各个实施例，并与本描述一起用于说明本发明的原理和操作。

附图简述

图1是本文所示和所述的光学封装的一个实施例的示意图；

图2是本文所示和所述的光学封装的一个实施例的示意图；

图3描绘结合本文所示和所述的光学封装的一个或多个实施例使用的半导体激光器；

图4描绘结合本文所示和所述的光学封装的一个或多个实施例使用的波长转换器件；以及

图5是经编码的数据信号和经调制控制信号的频率组成的简化图示。

具体实施方式

将详细参照本发明的实施例，在附图中示出了该实施例的示例。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。在图1中示出了与本文中描述的控制方法结合使用的光学封装的一个实施例。该光学封装一般包括半导体激光器、自适应光学器件、波长转换器件以及封装控制器。半导体激光器的输出通过自适应光学器件被光耦合到波长转换器件的输入面中。封装控制器电耦合到半导体激光器和自适应光学器件，且配置成控制半导体激光器的输出和半导体激光器与波长转换器件的对准。本文将进一步描述光学封装的各种部件和配置以及用于优化光学封装的输出的多变量控制方法。

图1和2一般描绘本文所述光学封装100、200的两个实施例。应当理解实线和实箭头指示光学封装的各部件的电互连。这些实线和实箭头还指示了在各部件之间传输的电信号，包括但不限于电子控制信号、数据信号等。此外，还应理解，虚线和虚箭头指示分别由半导体激光器和波长转换器件发出的红外光束和可见光束。

最初参照图1和2，尽管在与频率或波长转换半导体激光源的设计和制造有关的易于获得的技术文献中教示了其中可包含本发明的特定实施例的概念的各种类型光学封装的一般结构，但可一般参考包括例如光耦合到波长转换器件120的半导体激光器110的光学封装100、200方便地示出本发明的特定实施例的概念。由半导体激光器110发射的红外光束119可直接耦合到波长转换器件120的波导部分，或者可利用自适应光学器件140耦合到波长转换器件120的波导部分。该波长转换器件120将红外光束119转换成较高次谐波，并输出可见光束128。这种类型的光学封装尤其可用于从较长波长的半导体激光器生成较短波长的激光束，并且可用作例如激光投影系统的可见激光源。

图3中示意性示出的半导体激光器110一般可包括波长选择部分112、相位匹配部分114以及增益部分116。也可称为半导体激光器110的分布式布拉格反射器或DBR部分的波长选择部分112通常包括定位在激光腔的有源区外部的第一阶或第二阶布拉格光栅。该部分提供波长选择，因为光栅起到其反射系数取决于波长的镜面作用。半导体激光器110的增益部分116提供激光器的主要光增益，而相位匹配部分114在增益部分116的增益材料与波长选择部分112的反射材料之间产生可调的光程长度或相移。波长选择部分112可以按可采用或可不采用布拉格光栅的诸多适当可替代配置来设置。

相应的控制电极113、115、117被结合在波长选择部分112、相位匹配部分114、增益部分116或其组合之中，且在图3中仅示意性地示出。可构想到电极113、115、117可采用各种形式。例如，控制电极113、115、117在图3中示为相应的电极对，但可构想在部分112、114、116中一个或多个中的单个电极元件也将适于实践本发明的特定实施例。控制电极113、115、117可用于将电流注入半导体激光器110的相应部分112、114、116中。例如，在一个实施例中，注入半导体激光器110的波长选择部分112的电流可用于通过改变激光器的操作性质来控制从半导体激光器110的输出面118发射的红外光束119的波长λ₁。所注入的电流可用于控制波长选择部分112的温度或波长选择部分的折射率。因此，通过调节注入到波长选择部分的电流量，可改变半导体激光器发射的红外光束119的波长。注入相位匹配部分114或增益部分116的电流可类似地用于控制半导体激光器110的输出。

在图4中示意性示出的波长转换器件120一般包括诸如二次谐波发生(SHG)晶体之类的非线性光学晶体。在一个实施例中，波长转换器件120可包括MgO掺杂的周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体，但可使用其它类似的非线性光学晶体。此外，应当理解，波长转换器件可以是能将光转换成较高次谐波的二次谐波发生(SHG)晶体或非线性光学晶体。

波长转换器件120一般包括输入面122和输出面126。波长转换器件120的波导部分124在输入面122至输出面128之间延伸。当波长转换器件120是PPLN晶体时，PPLN晶体的波导部分可具有5微米数量级的尺寸(例如，高度和宽度)。被引导到波长转换器件120的波导部分124的红外光束119传播通过波长转换器件120，在其中转换成可见光束128，该可见光束128从波长转换器件的输出面126发射。在一个实施例中，由半导体激光器110产生并引导到波长转换器件120的波导部分124中的红外光束119具有约1060nm的波长。在该实施例中，波长转换器件120将红外光束119转换成绿光，使得可见光束128具有约530nm的波长。

现参照图1，描绘了光学封装100的一个实施例，其中半导体激光器110和波长转换器件120具有基本线性的配置。更具体地，半导体激光器110的输出和波长转换器件120的输入沿单个光轴基本对准。如图1所示，半导体激光器110发射的近红外光119通过自适应光学器件140被耦合到波长转换器件120的波导部分上。

在图1所示实施例中，自适应光学器件140一般包括可调光学部件，具体是透镜142。透镜142将半导体激光器110发射的近红外光119准直并聚焦到波长转换器件120的波导部分上。然而，应当理解，可使用其它类型的透镜、多个透镜或其它光学元件。透镜142可耦合到执行器(未示出)以沿x方向和y方向调节透镜142的位置，使得透镜142是可调光学部件。沿x方向和y方向调节透镜位置可有助于沿波长转换器件120的输入面定位红外光束119，且更具体地是将红外光束119定位在波长转换器件的波导部分上，使得红外光束119与波导部分对准且波长转换器件120的输出被优化。

现参照图2，示出光学封装200的另一个实施例，其中半导体激光器110、波长转换器件120和自适应光学器件140以折叠配置定向。更具体地，半导体激光器110的输出和波长转换器件120的输入定位在基本平行的光轴上。与图1所示实施例一样，由半导体激光器110发射的红外光束119利用自适应光学器件140耦合到波长转换器件120的波导部分。然而，在该实施例中，红外光束119必须从其初始路径改变方向以便将红外光束119耦合到波长转换器件120的波导部分。因此，在该实施例中，自适应光学器件140可包括可调光学部件，具体是可调反射镜144和透镜142。

如上所述，自适应光学器件140的透镜142可将半导体激光器110发射的红外光束119准直并聚焦到波长转换器件120的波导部分。

可调反射镜144可围绕基本平行于图2所示x轴的旋转轴旋转并且可围绕基本平行于y轴的旋转轴旋转，以将角偏差引入红外光束119。可调反射镜144可包括反射镜部分和执行器部分，且可通过调节可调光学部件的执行器部分来使可调反射镜144围绕任一个轴旋转。

例如，在一个实施例中，可调光反射镜144可包括一个或多个可移动微光学机电系统(MOEMS)或操作上耦合到反射镜的微机电系统(MEMS)。MEMS或MOEMS器件可配置或布置成改变红外光束119在波长转换器件120的输入面上的位置。MEMS或MOEMS器件的使用使得红外光束119的调节能够在大范围上极快地完成。例如，具有a+/-1度机械偏转的MEMS反射镜在与3mm焦距透镜结合使用时可允许束斑在波长转换器件120的输入面上角移位+/-100μm。由于MEMS或MOEMS器件的快速响应时间，束斑的调节可在100Hz至10kHz数量级的频率下完成。

另选地或另外地，可调光学部件可包括配置用于光束导向和/或光束聚焦的一个或多个液体透镜部件。再者，能够构想到可调光学部件可包括安装到微执行器上的一个或多个反射镜和/或透镜。在一个构想的实施例中，可调光学部件可以是可移动或可调透镜，如参考图1所述，结合固定反射镜使用以在半导体激光器110和波长转换器件120之间形成折叠光学路径。

在图2所示的光学封装200中，可调光反射镜144是包含在相对紧凑、折叠路径光学系统中的微光学机电反射镜。在所示配置中，可调光反射镜144被配置成折叠光路，使得光路最初穿过透镜142以达到可调反射镜144作为准直或近准直束，然后穿过相同的透镜142返回以聚焦在波长转换器件120上。这种类型的光学配置尤其适用于波长转换激光源，其中由半导体激光器110产生的激光束的横截面尺寸接近波长转换器件120的输入面上波导的尺寸，在这种情况下，在将束斑聚焦在波长转换器件120的输入面上时，接近1的放大率将得到最优耦合。为了限定和描述光学封装200的此实施例，注意，在本文中对“准直或近准直”束的引用旨在覆盖其中束发散度或会聚度减小的任何束配置，将束指向更准直的状态。

现在参照图1和2，光学封装100、200还可包括紧邻波长转换器件120的输出定位的分束器180。分束器180用于将从波长转换器件120发射的可见光的一部分改向到光学检测器170中，该光学检测器170用于测量所发射的可见光束128的强度，并输出与测得强度成比例的电信号。

光学封装100、200还可包括封装控制器150。封装控制器150可包括一个或多个微控制器或可编程逻辑控制器，用于存储和执行用于操作光学封装100、200的编程指令集。或者，微控制器或可编程逻辑控制器可直接执行指令集。封装控制器150可电耦合至半导体激光器120、自适应光学器件140以及光学检测器170，且被编程以操作半导体激光器110和自适应光学器件140二者。更具体地，在一个实施例中，封装控制器150可包括分别用于控制自适应光学器件和半导体激光器的波长选择部分的驱动器152、154。

自适应光学器件驱动器152可通过导线152、158耦合至自适应光学器件140，并分别通过导线152、158为自适应光学器件140提供x位置和y位置控制信号。x位置和y位置控制信号便于在x方向和y方向上定位自适应光学器件的可调光学部件，这样又便于将半导体激光器110的红外光束119定位在波长转换器件120的输入面上。例如，当自适应光学器件140的可调光学部件是可调透镜142时，如图1所示，可将x位置和y位置控制信号用于在x方向和y方向上定位透镜142。或者，当自适应光学器件140的可调光学部件是可调反射镜144时，如图2所示，可将x位置和y位置控制信号用于使可调反射镜144围绕平行于x轴的旋转轴旋转并围绕平行于y轴的旋转轴旋转。

波长选择部分驱动器154可通过导线155耦合至半导体激光器110。波长选择部分驱动器154可向半导体激光器110的波长选择部分112提供波长控制信号，该波长控制信号便于调节从半导体激光器110的输出面发射的红外光束119的波长λ₁。

此外，光学检测器170的输出可通过导线172电耦合至封装控制器150的输入，以使光学检测器170的输出信号被传递至封装控制器150。

图1和2所示的光学封装100、200可耦合到诸如可编程逻辑控制器之类的数据源160，其向光学封装100、200提供经编码的数据信号，该经编码的数据信号可表示视频图像、静止图像等。更具体地，数据源160可经由导线162耦合到半导体激光器110的增益部分。数据源160可控制半导体激光器110的周期性激光发射强度，使得在投影时光学封装100、200的输出形成图像。为了控制半导体激光器110的周期性激光发射强度，经编码的数据信号将增益电流I_增益注入半导体激光器110的增益部分。典型地，增益电流I_增益的周期性频率v_数据表示经编码的数据信号的视频图像或静止图像，使得当投影由增益电流I_增益的周期性频率v_数据调制的光学封装的输出时，所投影图像是经编码的数据信号的视频图像或静止图像。典型地，经编码的数据信号的周期性频率v_数据是约60Hz，其一般对应于投影图像的视频帧率。图5示意性示出用于静止图像的经编码数据信号的简化频率组成。该图的x轴按照经编码的数据信号的周期性频率v_数据表达，而y轴描绘光学封装的输出的大小。经编码的数据信号产生在经编码的数据信号的周期性频率v_数据下和在周期性频率v_数据的谐波下的组成。由于图5表示静止图像，所以图像的频率组成仅仅是DC组成(例如，该组成处于0)以及在多个周期性数据频率v_数据(例如，1*v_数据、2*v_数据等)下的组成。然而，在视频图像的情况下，另外的低频将存在于DC与1*v_数据之间的信号、1*v_数据与2*v_数据之间的信号等等中。

现在将具体参考图2所示的光学封装200讨论优化光学封装100、200的输出的多变量控制方法。然而，应理解这种控制技术也适用于图1所示的光学封装100且一般适用于具有类似部件和配置的光学封装。

本文所述的多变量控制方法利用封装控制器150来将控制信号施加到半导体激光器110和自适应光学器件140以便优化光学封装200的输出。更具体地，施加到半导体激光器110和自适应光学器件140的控制信号可利用单个调制频率施加到半导体激光器110和自适应光学器件140，该控制信号的频率与数据源160提供的经编码的数据信号的周期性频率v_数据不同，且与数据信号的谐波的频率也不同，以避免与经编码的数据信号的任何干扰。

在一个实施例中，如本文所述，通过向半导体激光器的增益部分提供具有周期性频率v_数据的增益电流I_增益来控制半导体激光器的周期性激光发射强度。封装控制器150通过将波长控制信号提供给半导体110的波长选择部分来控制半导体激光器110的激光发射波长λ₁。类似地，封装控制器150向自适应光学器件140——具体是自适应光学器件140的可调光学部件——提供位置控制信号以将IR光束119定位在波长转换器件120的输入面上。

为了优化光学封装200的输出，具体是由波长转换器件120发射的可见光束120的性质，封装控制器150可用于向半导体激光器110的波长选择部分提供经调制或抖动的波长反馈控制信号以调制或抖动半导体激光器110的激光发射波长λ₁。如上所述，为了优化波长转换器件的输出，半导体激光器的IR光束119的波长必须接近波长转换器件的相位匹配带宽。当激光发射波长不对应于波长转换器件的相位匹配带宽时，可见光束128的强度可能会降低。因此，通过调制半导体激光器110的激光发射波长λ₁同时利用光学检测器170监测波长转换器件120的输出强度，可基于波长转换器件的输出强度中的波动确定特定的激光发射波长λ₁，从而优化波长转换器件120的输出强度。在一个实施例中，当输出强度为最大值时，可优化波长转换器件120的输出强度。在另一个实施例中，当输出强度达到除最大输出强度外的预定值时，可优化波长转换器件120的输出强度。

如上所述，选择经调制或抖动的波长反馈控制信号的频率，以避免与经编码的数据信号或经编码的数据信号的谐波的干扰。因此，在本文所述的实施例中，经调制或抖动的波长反馈控制信号的频率是：

v_λ＝(N+1/P)v_数据

其中v_λ是经调制的波长反馈控制信号的频率，N是整数且P是大于1的整数。在光学封装200用于显示视频图像的实施例中，整数N可大于0，以避免与视频信号中可能存在的较低频率的干扰。例如，在一个实施例中，N可以是1且P可以是2，使得经调制的波长反馈控制信号的频率v_λ是1.5*v_数据。在另一个实施例中，N可以是2且P可以是2，使得经调制的波长反馈控制信号的频率v_λ是2.5*v_数据。该实施例在图5中图示，其示出具有频率2.5*v_数据的经调制反馈控制信号的频率组成。

当向半导体激光器110的波长选择部分提供经调制的波长反馈控制信号时，封装控制器150可同时向自适应光学器件的可调光学部件提供经调制或经抖动的位置反馈控制信号以沿一个方向调制或抖动可调光学部件的位置，并由此调制半导体激光器的IR光束119在波长转换器件120的输入面上的位置。如上所述，波长转换器件的波导部分尺寸以及波长转换器件的模场直径可以很小，在几微米的数量级上。如果半导体激光器110的束119未与波长转换器件120的波导部分对准，则波长转换器件120的输出强度可比输出束与波导部分精确对准时的要小。

因此，通过调制可调光学部件的位置同时测量波长转换器件的输出强度，在进行调制时，半导体激光器110的输出束119可在波长转换器件120的输入面的表面上扫描，并且任何测得的波长转换器件输出强度的变化可与可调光学部件的位置关联。利用这种技术，可将可调光学部件的位置确定为使得波长器件的输出被优化。

如本文所述，调制可调光学部件包括沿第一方向或第二方向移动可调光学部件。例如，在一个实施例中，当可调光学部件是诸如MEMS或MOEMS反射镜之类的可调反射镜时，如图2所示，沿第一方向移动可调光学部件包括关于诸如x轴之类的第一轴振动光学部件。类似地，沿第二方向移动可调光学部件包括关于诸如y轴之类的第二轴振动可调光学部件。

在另一个实施例中，当可调光学部件是可调透镜时，可通过沿诸如x轴之类的第一轴振动透镜的位置来沿第一方向移动透镜的位置，而且可通过沿诸如y轴之类的第二轴振动透镜的位置来沿第二方向移动透镜的位置。

如上参考经调制的波长控制信号所述，经调制的位置反馈控制信号具有不同于数据源160的经编码数据信号的频率。更具体地，经调制的位置反馈控制信号的频率v_θ与经调制的波长反馈控制信号的频率v_λ相同。然而，为了便于将由经调制的位置反馈控制信号引起的波长转换器件的输出强度变化与由经调制的波长反馈控制信号引起的变化区别开，可使得经调制的位置反馈控制信号与经调制的波长反馈控制信号相互异相。在一个实施例中，经调制的反馈位置控制信号与经调制的波长反馈控制信号异相90度。

经调制的位置反馈控制信号有助于沿一个方向(例如，第一方向或第二方向)调制光学部件的位置。然而，为了优化波长转换器件的输出，可沿至少两个方向(例如，x方向和y方向)定位可调光学部件，以便优化波长转换器件的输出。

因此，在一个实施例中，封装控制器150可被编程为在沿第一方向调制可调光学部件和沿第二方向调制可调光学部件之间周期性交替。例如，对于给定的时间段，可由封装控制器施加经调制的位置反馈控制信号以使图2所示的可调反射镜144围绕x轴旋转，从而IR光束119沿y方向在波长转换器件的输入面上扫描。在经过给定的时间段后，可施加经调制的位置反馈控制信号以使图2所示的可调反射镜144围绕y轴旋转，从而IR光束119沿x方向在波长转换器件的输入面上扫描。因此，通过以给定的调制或抖动频率在对两个不同轴施加经调制的位置反馈控制信号之间交替，经调制的位置反馈控制信号可用于沿两个轴定位半导体激光器的输出束119，由此关于两个轴优化波长转换器件120的输出强度。或者，在另一个实施例中，封装控制器150可被编程为在调制波长控制信号和沿第二方向调制可调光学部件之间周期性交替。

当经调制的波长反馈控制信号被施加到半导体激光器110且经调制的位置反馈控制信号被施加到自适应光学器件140的可调光学部件时，可利用光学检测器170测量波长转换器件120的输出强度。光学检测器170向封装控制器150提供指示波长转换器件的输出强度和输出强度变化的电信号。因此，现在应理解波长转换器件的输出强度的变化既可归因于经调制的位置反馈控制信号又可归因于经调制的波长反馈控制信号。

封装控制器150可用于分析所测得的波长转换器件的输出强度，以确定和分离测得的波长转换器件120的所输出强度的频谱分量(例如，由经调制的波长反馈控制信号引起的输出强度变化)和位置分量(例如，由经调制的位置反馈控制信号的时间偏移施加引起的输出强度变化)。基于测得的输出强度的所确定的频谱和位置分量，封装控制器还可确定波长控制信号和位置控制信号的所需变化，从而优化波长转换器件的输出。现在更详细地描述用于分析测得的波长转换器件120的输出强度以分离频谱和位置分量并确定控制信号的所需变化的方法。

在一个实施例中，在异相90度的两个调制或抖动信号(例如，经调制的波长反馈控制信号和经调制的位置控制信号)的情况下，组合的调制信号C(t)可写为：

C(t)＝ε_θ·cos(ωt)+ε_λ·sin(ωt)

其中余弦项是经调制的位置反馈控制信号，正弦项是经调制的波长控制信号，且ε_θ和ε_λ分别是经调制的位置反馈控制信号和经调制的波长控制信号的振幅。C(t)可重写写为

C(t)＝M·sin(ωt+α)

其中ω＝2πv_θ＝2πv_λ，且t是调制周期。M和α是ε_θ和ε_λ的函数，且可写为：

$M=\sqrt{{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}\right)}^2+{\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\right)}^2}.$ 以及

β＝arctan(ε_θ/ε_λ).

由数据源提供的包括经编码的数据信号的任意高次谐波的经编码的数据信号DATA(t)可表示为傅里叶级数，如此：

DATA(t)＝A₀+A₁·cos(2πv_数据·t)+B₁sin(2πv_数据·t)+

A₂·cos(2πv_数据·t)+B₂sin(2πv_数据·t)+…

因此，经调制的测得的波长转换器件的输出强度S_输出(t)可表达为组合调制信号C(t)与经编码的数据信号DATA(t)之和，如此：

S_输出(t)＝C(t)+DATA(t)＝[M·sin(ωt+α)+DATA(t)]

为了从测得的输出强度分离位置和波长调制反馈控制信号，封装控制器150可被编程为将测得的经调制的输出强度(例如，S_输出(t))与sin(ωt)或cos(ωt)之一相乘并且在调制周期T上对该乘积积分，其中T＝P/v_数据。由于在频率v_{数 据}下调制经编码的数据信号，该操作消除了在测得的经调制输出强度中固有的调制。取决于使用哪种乘式(例如，sin(ωt)或cos(ωt))，测得的输出强度的频谱分量或测得的输出强度的位置分量之一将通过乘法/积分步骤消除。积分的结果与必须施加到相应控制信号的变化成比例，该控制信号用以针对该特定控制信号优化波长转换器件的输出强度。更具体地，积分结果的符号和大小将指示为了优化波长转换器件的输出而必须调节控制信号的方向和量。

例如，当经调制的波长控制信号是余弦函数且经调制的位置反馈控制信号时正弦函数时，如上所述，可应用以下方案，以分离波长转换器件的测得输出强度的频谱和位置分量。为了分离频谱分量(例如，为了消除位置分量)，经调制的测得输出强度S_输出(t)乘以sin(ωt)并在经编码的数据信号的T周期上积分，如此：

$\underset{0}{\overset{T}{\∫}}[M\·\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})+\mathrm{DATA}\left(t\right)]\left(\sin \mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}$

其中T＝P/v_数据。因为波长控制反馈信号和位置控制反馈信号的调制频率(例如，ω＝2πv_θ＝2πv_λ)对经编码的数据信号的频率(例如，2πv_数据)或其倍数，积分得到以下：

$\underset{0}{\overset{T}{\∫}}[M\·\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})\mathrm{DATA}\left(t\right)]\left(\sin \mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}=M\frac{T}{2}\cos \left(\mathrm{\α}\right).$

当经调制的波长反馈控制信号是正弦函数时，被积函数的结果与为了优化波长转换器件的输出而应当对施加到半导体激光器110的波长选择部分的波长控制信号进行调节的大小和方向成比例。

类似地，为了分离位置分量(例如，为了消除频谱分量)，测得的经调制输出强度可乘以cos(ωt)并在T周期上积分，如此：

$\underset{0}{\overset{T}{\∫}}[M\·\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α})+\mathrm{DATA}\left(t\right)]\·\left(\cos \mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}=M\·\frac{T}{2}\·\sin \left(\mathrm{\α}\right)$

当经调制的位置控制信号是余弦函数时，如上所述，积分的结果得到为了优化波长转换器件的输出而应当对施加到可调光学部件的波长控制信号进行调节的大小和方向。

尽管本文示出和描述的示例计算是用于经调制的波长控制信号是正弦函数且经调制的位置反馈控制信号是余弦函数的情况，但应理解当经调制的波长控制信号是余弦函数且经调制的位置反馈控制信号是正弦函数时，可执行类似的操作。然而，在这些情况下，可使用不同的乘式。更具体地，为了基于具有正弦调制的控制信号分离频谱或位置分量，测得的输出强度应乘以sin(ωt)然后积分，而为了基于具有余弦调制的控制信号分离频谱或位置分量，测得的输出强度应乘以cos(ωt)然后积分。

此外，应理解分离的位置分量可指示在任何给定时间应对可调光学部件沿两个轴之一进行的调节。因此，封装控制器可操作用于在进行波长转换器件的输出强度的测量时将调节的大小和方向与被调制的可调部件的轴相关联。

在封装控制器已经确定并分离归因于经调制的波长控制信号和经调制的位置反馈控制信号的测得输出强度的频谱和位置分量之后，封装控制器基于测得输出强度的分离频谱分量调节施加到激光器的波长选择部分的波长控制信号，从而波长转换器件的输出强度被优化。封装控制器还基于测得输出强度的分离位置分量调节施加到可调光学部件的位置控制信号，以使波长转换器件的测得输出强度被优化。

由于施加经调制的反馈控制信号引起的波长转换器件的输出强度变化是波长转换器件的平均输出强度的一部分。因此，调节积分的大小将取决于波长转换器件的平均输出强度。类似地，收敛速度也取决于输出强度。然而，期望不论波长转换器件的输出强度如何都具有相同的收敛速度。如此，在一个实施例中，调节积分的结果可通过将被积函数除以波长转换器件在积分周期上的平均输出强度来归一化。

在本文描述的多变量控制方法的另一个实施例中，封装控制器调制同时调制x位置和y位置控制信号(与同时调制波长控制信号和位置控制信号不同)。在该实施例中，封装控制器150向可调光学部件提供第一经调制的反馈位置信号以调制可调光学部件在第一轴上的位置并由此沿第一方向调制输出光束在波长转换器件的输入面上的位置。为了避免与经编码的数据信号的干扰，第一经调制的反馈位置控制信号具有频率v_θ1，如此

v_θ1＝(N+1/P)v_数据

其中v_θ1是第一经调制的波长反馈控制信号的频率，N是整数，且P是大于1的整数。在一个实施例中，在经编码的数据信号是视频信号的情况下，整数N可大于0以避免与视频信号的低频分量干扰。

同时，封装控制器150向可调光学部件提供第二经调制的反馈位置信号以调制可调光学部件在第二轴上的位置并由此沿第二方向调制输出光束在波长转换器件的输入面上的位置。为了避免与经编码的数据信号干扰，第二经调制的位置反馈控制信号具有与第一经调制的位置反馈控制信号的频率v_θ1相同的频率v_θ2。然而，为了便于区别由于第一经调制的位置反馈控制信号和第二经调制的位置反馈控制信号引起的输出强度的变化，对两个信号进行相移，使得第一经调制的位置反馈控制信号和第二经调制的位置反馈控制信号彼此异相。在一个实施例中，两个信号彼此异相90度。

如上所述，可在第一经调制的位置反馈控制信号和第二经调制的位置反馈控制信号被施加到可调光学部件时利用光学检测器170测量波长转换器件的输出强度，该光学检测器进而向封装控制器150发送指示波长转换器件的输出强度变化的电信号。之后，控制器分析测得的输出强度，并利用上述乘法/积分技术确定测得的输出强度中分别归因于第一经调制的位置反馈控制信号和第二经调制的位置反馈控制信号中的每一个的第一和第二位置分量。具体地，为了从波长转换器件120的测得输出强度分离第一位置分量和第二位置分量，使测得的输出强度乘以sin(ωt)或cos(ωt)，其中ω＝2πv_θ1＝2πv_θ2。与sin(ωt)相乘将消除第一位置分量或第二位置分量之一，而与cos(ωt)相乘将消除另一个。然后在周期T上对乘积进行积分，其中T＝P/v_数据且P是此处定义的整数。积分的结果得到为优化波长转换器件而应施加到相应分量(例如第一位置或第二位置分量)的位置控制信号的变化的大小和方向。

基于第一和第二位置分量，封装控制器调节施加到可调光学部件的第一位置控制信号和第二位置控制信号，使得波长转换器件的输出被优化。

在一个实施例中，当用第一经调制的位置反馈控制信号和第二经调制的位置反馈控制信号调制可调光学部件时，经调制的波长反馈控制信号被提供给波长选择部分以调制半导体激光器的激光发射波长λ1。在此实施例中，经调制的波长反馈控制信号可具有如此的频率

v_λ＝(K+1/L)v_数据

其中v_λ是经调制的波长反馈控制信号的频率，K和L是大于1的整数，且调制频率被选择为使得v_λ和v_θ充分不同足以允许分辨归因于v_λ和v_θ中的每一个的测得的经调制输出信号的部分。在一个实施例中，在经编码的数字信号是视频信号的情况下，整数K可大于0以避免与视频信号的低频分量干扰。

可利用类似于上述技术的技术分离波长转换器件120的测得输出强度中归因于经调制的波长反馈控制信号的频谱分量。更具体地，波长转换器件120的输出强度可乘以sin(ωt)(当经调制的波长反馈控制信号是正弦函数时)或cos(ωt)(当经调制的波长反馈控制信号是余弦函数时)之一，其中ω＝2πv_λ且t是调制周期。之后，在全部三个调制周期(例如，1/v_数据、1/v_λ、1/v_θ1)的整数倍上对测得的输出强度的频谱分量进行积分，从而消除不想要的频率并保留与波长控制信号的调制所引起的信号变化成比例的误差信号。例如，如果调制周期是18ms、1ms和10ms，则适当的积分周期是180ms。积分的符号和大小指示为了使波长转换器件的输出被优化而应施加到波长控制信号的变化的方向和量。封装控制器利用积分的结果来调节施加到半导体激光器的波长选择部分的波长控制信号。

在另一个实施例中，可不断调节施加到半导体激光器的增益部分的增益电流以实现来自波长转换器件的目标输出强度。这种控制例程被称为自动功率控制(APC)。当使用APC控制例程时，半导体激光器与波长转换器件的光学对准中的任何变化或者半导体激光器波长的变化可能不会产生波长转换器件的输出强度的明显变化。相反，半导体激光器的对准和/或波长变化可导致施加到半导体激光器的增益部分的增益电流的相应变化。例如，在一个实施例中，封装控制器可包括用于测量和调节提供给半导体激光器的增益部分的增益电流的电路。如上所述，可将经调制的波长反馈控制信号和经调制的位置控制信号提供给半导体激光器和自适应光学器件，同时因变于半导体激光器的光学对准和/或半导体激光器的波长的变化监视增益电流的变化。基于测得的增益电流变化，本文讨论的控制算法可确定归因于经调制的波长反馈控制信号和经调制的位置控制信号的增益电流变化。之后，封装控制器可调节提供给半导体激光器的波长控制信号和提供给自适应光学器件的位置控制信号以优化增益电流，更具体地是使提供给半导体激光器的增益部分的增益电流最小化。

因此，现在应该理解本文所述控制方法可用于通过调制波长控制信号和/或位置控制信号同时测量响应参数(例如，提供给半导体激光器的增益部分的增益电流或波长转换器件的输出强度)来调节光学封装的操作参数(例如，波长控制信号或自适应光学器件的对准)，并由此调节操作参数，使得响应参数最优化。

现在应理解本文所述方法有助于利用施加到光学封装的各部件的单一频率控制信号进行的光学封装的多变量控制。

可以理解，本发明的以上详细描述旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖本发明的修改和变化，只要这些修改和变化在所附权利要求及其等同方案的范围之内即可。

出于限定和描述本发明的目的，注意本文中对在特定数量级的值引用应理解为包含没有从该特定数量变化一个或多个数量级的任何值。还应注意以下权利要求中的一个或多个描述控制器“被编程为”执行一个或多个所述动作。出于限定本发明的目的，注意该术语作为开放性过渡短语引入到权利要求中，并且应当以与更普遍使用的开放性前导术语“包括”相类似的方式来解释。此外，注意本文中对本发明的部件的陈述——诸如控制器“被编程”为按照特定方式具体化特定性质、功能——是相对于用途陈述的结构陈述。更具体地，本文对部件被“编程”的方式的引用表示该部件的现有物理状态，因此，它应被理解为部件的结构特性的明确陈述。

注意，在本文中采用类似“优选”、“常见”和“通常”之类的术语时不是旨在限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至比本发明要求保护的结构或功能更重要。相反，这些术语仅旨在突出在本发明的具体实施例中可采用或可不采用的替换或附加的特征。此外，要注意对值、参数、或变量“因变于”另一值、参数、或变量的引用不应当视为意味着该值、参数、或变量因变于一个且仅一个值、参数、或变量。

为了描述和限定本发明，注意在本文中采用术语“基本上”来表示可归因于任何数量的比较、值、测量、或其它表示的固有不确定程度。在此还使用术语“明显”来表示例如“明显在零之上”的定量表示不同于例如“零”的指定参考值的程度，并且应解释为要求该定量表示以可容易辨别的量不同于所指定参考值。

Claims (20)

1.一种用于控制光学封装的方法，所述光学封装包括半导体激光器、波长转换器件、配置成将所述半导体激光器的输出光束光耦合到波长转换器件的输入面的波导部分中的自适应光学器件、光学检测器以及被编程为操作所述半导体激光器和所述自适应光学器件的至少一个可调光学部件的封装控制器，所述方法包括：

通过控制注入到所述半导体激光器的增益部分的增益电流I_增益的量来控制所述半导体激光器的周期性激光发射强度，其中所述增益电流I_增益具有周期性频率v_数据；

向所述半导体激光器的波长选择部分提供波长控制信号以控制所述半导体激光器的激光发射波长λ₁；

通过将位置控制信号提供给所述可调光学部件来将输出光束定位在所述波长转换器件的输入面上；

将经调制的波长反馈控制信号提供给所述波长选择部分以调制所述半导体激光器的激光发射波长λ₁，其中：

v_λ＝(N+1/P)v_数据

其中v_λ是经调制的波长反馈控制信号的频率，N是整数，且P是大于1的整数；

将经调制的位置反馈控制信号提供给所述可调光学部件以调制输出光束在所述波长转换器件的输入面上的位置，其中所述经调制的位置反馈控制信号与所述经调制的波长反馈控制信号异相且所述经调制的位置反馈控制信号的频率v_θ与所述经调制的波长反馈控制信号的频率v_λ相同；

测量所述波长转换器件的响应参数；

分析所述波长转换器件的测得响应参数以确定归因于经调制的波长反馈控制信号和经调制的位置控制信号的频谱和位置分量；

基于测得的响应参数的频谱分量调节所述波长控制信号以优化所述波长转换器件的响应参数；以及

基于归因于所述经调制的位置控制信号的位置分量调节位置控制信号以优化波长转换器件的响应参数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述响应参数是所述波长转换器件的输出强度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述响应参数是注入到所述半导体激光器的增益部分的增益电流I_增益。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波长控制信号控制波长选择部分的温度T_λ、注入所述波长选择部分的电流I_λ的量或两者。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可调光学部件沿第一方向和第二方向可调。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述经调制的位置反馈控制信号在沿第一方向振动所述可调光学部件和沿第二方向振动所述可调光学部件之间周期性交替。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经调制的位置反馈控制信号和所述经调制的波长反馈控制信号异相90度。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过使测得的响应参数乘以sin(ωt)或cos(ωt)之一并在调制周期T上对乘积进行积分来分离频谱分量和位置分量，其中ω＝2πv_θ＝2πv_λ且t是调制周期，其中被积函数的结果与对波长控制信号或位置控制信号的调节的方向和大小成比例。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述自适应光学器件的可调光学部件是可调反射镜；以及

所述自适应光学器件、所述波长转换器件和所述半导体激光器被定位成在半导体激光器的输出和所述波长转换器件的输入之间限定折叠光学路径。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述可调光学部件包括MEMS反射镜。

11.一种控制光学封装的方法，所述光学封装包括半导体激光器、波长转换器件、配置成将所述半导体激光器的输出光束光耦合到波长转换器件的输入面的波导部分的自适应光学器件、光学检测器以及被编程为操作所述半导体激光器和所述自适应光学器件的至少一个可调光学部件的封装控制器，所述方法包括：

通过控制注入到所述半导体激光器的增益部分的增益电流I_增益的量来控制所述半导体激光器的周期性激光发射强度，其中所述增益电流I_增益具有周期性频率v_数据；

将第一位置控制信号提供给可调光学部件以沿第一方向控制输出光束在波长转换器件的输入面上的位置；

将第二位置控制信号提供给可调光学部件以沿第二方向控制输出光束在波长转换器件的输入面上的位置；

将第一经调制的位置反馈控制信号提供给可调光学部件以沿第一方向调制输出光束在波长转换器件的输入面上的位置，其中：

v_θ1＝(N+1/P)v_数据

其中v_θ1是第一经调制的波长反馈控制信号的频率，N是整数，且P是大于1的整数；

将第二经调制的位置反馈控制信号提供给所述可调光学部件以沿第二方向调制输出光束在所述波长转换器件的输入面上的位置，其中所述第二经调制的位置反馈控制信号与所述第一经调制的位置反馈控制信号异相且所述经调制的位置反馈控制信号的频率v_θ1与所述经调制的波长反馈控制信号的频率v_θ2相同；

测量所述波长转换器件的响应参数；

分析所述波长转换器件的测得响应参数以确定归因于第一经调制的位置反馈控制信号和第二经调制的位置反馈控制信号的位置分量；

基于归因于所述第一经调制的位置反馈控制信号的位置分量调节第一位置控制信号以优化波长转换器件的响应参数；以及

基于归因于所述第二经调制的位置反馈控制信号的位置分量调节第二位置控制信号以优化波长转换器件的响应参数。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述响应参数是所述波长转换器件的输出强度。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述响应参数是注入到所述半导体激光器的增益部分的增益电流I_增益。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

向所述半导体激光器的波长选择部分提供波长控制信号以控制所述半导体激光器的激光发射波长λ₁；

将经调制的波长反馈控制信号提供给所述波长选择部分以调制所述半导体激光器的激光发射波长λ₁，其中：

v_λ＝(K+1/L)v_数据

其中v_λ是经调制的波长反馈控制信号的频率，K是整数，且K不等于N，且L是大于1的整数；

分析所述波长转换器件的测得响应参数以确定归因于经调制的波长反馈控制信号和经调制的位置控制信号的频谱分量；以及

基于测得的响应参数的频谱分量调节所述波长控制信号以优化所述波长转换器件的响应参数。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述波长控制信号控制波长选择部分的温度T_λ、注入所述波长选择部分的电流I_λ的量或两者。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一经调制的位置反馈控制信号和所述第二经调制的位置反馈控制信号异相90度。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，通过使测得的响应参数乘以sin(ωt)或cos(ωt)之一并在调制周期T上对乘积进行积分来分离位置分量，其中ω＝2πv_θ1＝2πv_θ2且t是调制周期，其中被积函数的结果与对第一位置控制信号或第二位置控制信号的调节的方向和大小成比例。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，通过sin(ωt)或cos(ωt)并在1/v_数据、1/v_λ和1/v_θ1的整数倍上对乘积进行积分来分离频谱分量，其中ω＝2πv_λ且t是调制周期。

19.如权利要求11所述的方法，其特征在于：

所述自适应光学器件的可调光学部件是可调反射镜；以及

所述自适应光学器件、所述波长转换器件和所述半导体激光器被定位成在半导体激光器的输出和所述波长转换器件的输入之间限定折叠光学路径。

20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述可调光学部件是MEMS反射镜。

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