CN102687060B - 激光谐振器中的以电气方式可控的准直器 - Google Patents

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Abstract

一种包括具有第一光轴的第一以静电方式可控的液体透镜和具有与第一光轴对齐的第二光轴的第二以静电方式可控的液体透镜的用于激光器组件的准直器、一种包括这种准直器的激光器和一种使用所述激光器进行光数据传输的发射器。

Description

激光谐振器中的以电气方式可控的准直器
技术领域
本发明提供一种用于激光器组件的准直器（collimator）、这种激光器组件和一种用于包括这种激光器组件的光数据网络的发射器。
背景技术
可调谐激光器因为它们的通用性而在光通信系统中有着很高的需求。它们广泛地部署在核心网中，但迄今为止，太昂贵而无法用在接入网络中，即用在位于顾客的驻地的数据传输装置中。当前使用的设计典型地依赖于复杂的光电激光器芯片。替代方案是扩展式腔激光器(ECL)，ECL使用与以机械方式调谐的薄膜滤波器和用于准直的球透镜组合的低成本增益芯片。以机械方式可调谐的激光器设计通常提供能够用来调整激光波长的三个参数：滤波器位置(激光增益轮廓（profile）的粗调谐)、激光器电流(腔模式的细调谐)和激光器温度(相位的细调整)。
使用激光器温度细调相位需要昂贵的Peltier冷却器/加热器并具有缓慢的响应速度的另外的缺点。作为替代方案，可通过使用压电元件移动腔镜，这需要移动零件，且因此昂贵并且不够稳健。另外，可使用半导体相位调谐部分，然而，这需要光泵浦。由于芯片之间的耦合损失，增益和相位控制部分应该集成在单个芯片上，这需要复杂的光刻法，而该光刻法又是昂贵的。
发明内容
提出本发明以便提供一种细调激光器组件的相位的便宜方法，该方法可克服现有技术的上述缺点中的至少一些缺点。
本发明的第一方面提供一种用于激光器组件的准直器，包括具有第一光轴的第一以静电方式可控的液体透镜和具有与第一光轴对齐的第二光轴的第二以静电方式可控的液体透镜。替代于用于准直激光模式的球透镜，可使用该准直器。可同时调整第一以静电方式可控的液体透镜和第二以静电方式可控的液体透镜的焦距，以便在改变腔的光程长度的同时保持组件的焦距恒定，并因此保持相位匹配条件。
如图1中所示，以静电方式可控的液体透镜10可包括一滴11疏水液体(例如，硅油、1-溴十二烷或类似物质)，该液滴11具有折射率n2，附着于特殊制备的表面。液滴11可浸入在具有折射率n1的导电液体12(诸如，Na2SO4水溶液)中。液滴11可位于表面区域上，该表面区域可处理为是疏水的并包括环形电极13。当电压施加于环形电极13时，液滴11离开环形电极13，产生更陡峭的表面并减小液体透镜10的焦距。
本发明包括这样的见解：可控制两个液体透镜的组件以在改变每个液体透镜的焦距的同时具有恒定的焦距f。然而，由于液滴11的表面区域的形状改变，因此光穿过具有折射率n2的所述一滴疏水液体的距离改变。由于光程长度是光在介质中行进的距离和介质的折射率的乘积，所以通过在保持准直器的焦距f恒定的同时控制每个液体透镜的形状可细调谐相位条件。当然，也可控制准直器的焦距f，这消除了在制造过程期间的激光器组件的精确机械细调谐的需要。然而，一旦已实现最佳焦距f，在如上所述细调相位的同时，焦距将保持恒定。
液体透镜被设计用于消费者应用(诸如，数字照相机或用在移动电话中的照相机)，且因此代表低成本技术。因此，可以以低成本提供根据本发明第一方面的准直器。另外，该准直器具有另外的优点：因为控制信号的电性质和液体透镜的高响应速度，可容易地并且快速地细调激光器组件的相位。本发明的准直器的另一优点在于：由于液体透镜的静电性质，功耗低。
本发明的第二方面提供一种激光器，包括：布置在激光器腔的相反侧的增益介质和半透明镜子、控制电路和根据本发明第一方面的准直器。这里，术语“半透明”不限于反射50%的入射光的镜子，而是描述镜子反射一些入射光并且透射入射光的另一部分的事实。在激光器技术中，半透明镜子通常反射80%或更多的入射光。
优选地，准直器布置在半透明镜子和增益介质之间。另外，激光器可还包括：电介质滤波器（dielectric filter），布置在准直器和半透明镜子之间。
控制电路可具有连接到第一以静电方式可控的液体透镜的第一输出和连接到第二以静电方式可控的液体透镜的第二输出。控制电路可适应于把用于控制第一以静电方式可控的液体透镜的焦距的第一控制电压提供给第一输出并把用于控制第二以静电方式可控的液体透镜的焦距的第二电压提供给第二输出，其中第一电压和第二电压之和设置为预定恒定值。
本发明的第三方面提供一种用于光数据网络的发射器，包括根据本发明第二方面的激光器。
发射器可还包括：光基准源，适应于提供光基准信号；光混合器，适应于混合光基准信号和激光器的输出信号并由此产生中频信号；和本机基准源，适应于提供本机基准频率。激光器的控制电路可适应于把中频与本机基准频率进行比较，本机基准频率优选地是石英基准，并且激光器的控制电路适应于在输出频率高于本机基准频率时控制准直器增加相位并且在输出频率低于本机基准频率时控制准直器减小相位。以这种方法，可实现激光器频率的非常稳定的控制。
发射器的控制电路可适应于确定中频信号的幅度。控制电路可随后适应于控制准直器的焦距，以使激光器的输出信号的幅度达到最大值。在光基准信号的幅度恒定或非常缓慢地改变的所有情况下，可实现这种方法
另一方面，发射器可还包括：监测二极管，适应于提供包括关于激光器的输出信号的幅度的信息的反馈信号。然后，控制电路可适应于控制准直器的焦距，以使激光器的输出信号的幅度达到最大值。
许多算法可用于达到最大激光幅度。例如，可执行用于控制相位的不同电压设置的扫描，针对每个电压设置测量幅度。另一方面，可采用搜索算法，其中按照小步调整电压并且把针对新电压设置的幅度与针对前一电压设置的幅度进行比较。如果幅度减小，则使步进的方向反转。另一方面，可使用低频导频音。这里，利用周期性信号连续地调制焦点(例如，sinus调制)。控制电路可使导频音与测量的幅度相关联，并且可从该比较获得最佳焦点控制信号。
根据本发明的透镜的装置允许独立地调谐焦点和相位。然而，由于透镜的缺陷，焦点的修改可稍微影响相位设置，反之亦然。为了处理这些相互依赖性，控制块可把不同的时间常数应用于相位和焦点的控制信号的滤波。例如，用于相位控制的时间常数可以是比用于焦点控制的时间常数小的数量级。
如果多个极值存在于幅度中，则用于控制焦点的算法可安定于局部极值。通过在制造期间手工调整(这确保算法开始于最佳值附近)能够克服这个问题。
为了避免手工调整，在重新启动或冷起动发射器之后可执行自动调整例程。在这种例程期间，相位可设置为固定值，并且可尝试不同的焦点设置。对于每一焦点设置，修改激光器电流，例如，激光器电流可缓升或缓降，同时测量激光的幅度。从这些测量，能够获得针对给定焦点设置的激光器的阈值电流。例如，在焦点设置的范围上使用线性扫描以这种方法测试几种焦点设置，并且具有最低阈值电流的焦点设置将会被选择用于装置操作。
如果发射器实现于包括外差接收器的光数据传输装置中，则光基准源可以是接收器的光本机振荡器并且光混合器可以是接收器的光电二极管。
附图说明
将参照多个附图更彻底地描述本发明，其中：
图1显示以静电方式可控的液体透镜；
图2显示使用根据本发明的准直器的激光器；
图3显示表示相角对输入电压的依赖的示图；以及
图4显示包括根据本发明的激光器的发射器。
具体实施方式
图2显示使用根据本发明的准直器23的激光器20。增益介质21和半透明镜子22位于激光器腔的相反端。由于增益介质21发射具有有限角度的模式，所以提供准直器23以准直由增益介质21发射的光。选择准直器23的焦距，以使从半透明镜子22反射的光以与增益介质21发射光的角度相同的角度聚焦。激光器20可还包括电介质滤波器24，电介质滤波器24提供选择腔模式之一的粗调谐机构。然后，通过相位调整实现模式的细调谐。
图3显示表示相角对示例性液体透镜(例如，图1的液体透镜10)的输入电压的依赖的示图，该示例性液体透镜在Na2SO4水溶液中包括一滴1-溴十二烷。液体透镜10的光功率线性地依赖于施加于环形电极13的电压。本发明的准直器的光功率能够描述为此：
其中f是准直器的焦距，f1和f2分别是第一液体透镜和第二液体透镜的焦距，并且
描述焦距fi和施加的电压Vi之间的关系。α和β是取决于组件的细节的常数。
这种构造具有几种优点：
--与使用固定透镜相比，极大地提高了对透镜组件到增益芯片的距离的容忍（tolerance），因为能够在组件之后调整焦距。
--调整腔相位不需要移动零件。
--因为每个透镜的光功率线性地依赖于施加的电压，所以为了保持组件的光功率恒定而需要做的事情是使施加的电压之和保持恒定。这提示了使用简单的功率分配器作为控制元件(参见图4)，其中并且。
--通过适当选择液体，能够设计装置对电压变化的灵敏度；与折射率n1和n2的差异很大的情况相比，如果折射率n1和n2的差异很小，则相同的电压变化将会导致较小的相变。
相位的变化能够如下计算：
其中△z是整个透镜组件的厚度的变化。对于球面透镜(球面透镜是很好的近似)，球的半径R与焦距f相关，如
且因此，相位的变化能够重新表示为：
图3显示作为输入电压V的函数的的结果示图。图3的例子中的电压相对较高，然而，功耗保持较低，因为该装置是静电的。如以上所述，可以为液体透镜选择其它材料，导致折射率n1和n2之间的更高的差异以获得更低的控制电压。
图4显示包括根据本发明的激光器20的发射器40。为了方便描述，已省略对于理解本发明而言不需要的发射器40的那些零件。发射器40的激光器20详细地表示在图2中。因此，在这里将会省略对它的部件的详细描述。
发射器40包括控制电路41，控制电路41产生用于调整激光器20的准直器23的相位和焦距(在图4中表示为和f)的控制信号。在图4中，显示了单独的功率分配器45，功率分配器45也可形成控制电路41的一部分。功率分配器45把用于调整准直器23的相位和焦距的控制信号转换成适合准直器23的液体透镜的控制信号。
除了以上之外，控制电路41还向增益介质21提供激光器电流。发射器40还包括光基准源42，光基准源42提供具有基本上恒定的波长或光基准频率的光基准信号。由激光器20产生的激光束的一部分和光基准信号在光混合器43中混合，由此产生具有与光基准信号和激光束的频率之间的频率差对应的频率的中间信号。例如，光电二极管可用作光混合器43，产生能够由控制电路41容易地处理的电信号。通过把中频信号与固定基准信号(诸如，由石英振荡器提供的基准频率)进行比较并相应地调整相位，控制电路41能够控制激光器20的相位。以这种方法，类似于锁相环(PLL)，控制激光器20的相位并因此控制激光器20的频率，以便总是对应于光基准源的频率减去固定基准信号的频率。
图4中显示的示例性发射器40还包括监测二极管44，监测二极管44适应于产生包括关于由激光器20产生的激光束的幅度的信息的信号并把这个信号提供给控制电路41。以上已详细地描述由控制电路41执行的调整激光器的相位和频率的过程。
标号
10 液体透镜
11 液滴
12 导电液体
13 环形电极
20 激光器
21 增益介质
22 半透明镜子
23 准直器
24 电介质滤波器
40 发射器
41 控制电路
42 光基准源
43光混合器
44 监测二极管
45 功率分配器
R 半径
F 焦距
n1，n2 折射率

Claims (14)

1.一种用于激光器组件(20)的准直器(23)，包括具有第一光轴的第一以静电方式可控的液体透镜(10)和具有与第一光轴对齐的第二光轴的第二以静电方式可控的液体透镜(10)，
其中每个液体透镜（10）包括具有第一折射率(n2)的物质（11），该物质被浸入在具有第二折射率(n1)的导电液体中，其中每个液体透镜（10）是独立可控的；
液体透镜（10）被布置得靠近在一起，其各自的物质（11）形成球透镜。
2.根据权利要求1所述的准直器(23)，还适应于在根据分别由第一和第二以静电方式可控的液体透镜(10)接收的第一和第二控制信号改变准直器(23)的光程长度的同时保持准直器(23)的焦距恒定。
3.根据权利要求1或2之一所述的准直器(23)，其中所述第一以静电方式可控的液体透镜(10)和第二以静电方式可控的液体透镜(10)各自包括：一滴(11)疏水液体，浸入在导电液体(12)中，所述疏水液体优选地是硅油或1-溴十二烷，具有第一折射率(n2)，所述导电液体(12)优选地是Na2SO4水溶液，具有不同于第一折射率(n2)的第二折射率(n1)；和环形电极(13)，适应于把电场施加于所述一滴(11)疏水液体。
4.一种激光器(20)，包括布置在激光器腔的相反侧的半透明镜子(22)和增益介质(21)以及控制电路(41)，其特征在于根据前面权利要求之一所述的准直器(23)，布置在半透明镜子(22)和增益介质(21)之间。
5.根据权利要求4所述的激光器，还包括：电介质滤波器(24)，布置在准直器(23)和半透明镜子(22)之间。
6.根据权利要求4或5所述的激光器(20)，其中所述控制电路(41)具有连接到第一以静电方式可控的液体透镜(10)的第一输出和连接到第二以静电方式可控的液体透镜(10)的第二输出，控制电路(41)适应于把用于控制第一以静电方式可控的液体透镜(10)的焦距的第一控制电压提供给第一输出并把用于控制第二以静电方式可控的液体透镜(10)的焦距的第二电压提供给第二输出，其中第一电压和第二电压之和设置为预定恒定值。
7.一种用于光数据网络的发射器(40)，包括根据权利要求4至6之一所述的激光器(20)。
8.根据权利要求7所述的发射器(40)，还包括：光基准源(42)，适应于提供光基准信号；光混合器(43)，适应于混合光基准信号和激光器(20)的输出信号并由此产生中频信号；和本机基准源，适应于提供本机基准频率，其中激光器(20)的控制电路(41)适应于把中频与本机基准频率进行比较，本机基准频率优选地是石英基准，并且激光器(20)的控制电路(41)适应于在输出频率高于本机基准频率时控制准直器(23)增加相位并且在输出频率低于本机基准频率时控制准直器(23)减小相位。
9.根据权利要求8所述的发射器(40)，其中所述控制电路(41)适应于确定中频信号的幅度并且控制准直器(23)的焦距，以使激光器(20)的输出信号的幅度达到最大值。
10.根据权利要求7或8之一所述的发射器(40)，还包括：监测二极管(44)，适应于提供包括关于激光器(20)的输出信号的幅度的信息的反馈信号，其中控制电路(41)适应于控制准直器(23)的焦距，以使激光器(20)的输出信号的幅度达到最大值。
11.一种光数据传输装置，包括外差接收器和根据权利要求8、从属于权利要求8的9或10之一所述的发射器(40)，其中光基准源(42)是外差接收器的输入信号。
12.一种光数据传输装置，包括外差接收器和根据权利要求10所述的发射器(40)，其中光混合器(43)是用于接收外差接收器的光数据信号的光电二极管。
13.一种根据权利要求1至3之一所述的用于调整激光器腔的相位的准直器(23)的使用。
14.一种根据权利要求7至10之一所述的发射器(40)或者一种根据权利要求11或12之一所述的用于光数据网络中的数据通信的光数据传输装置的使用。
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