CN102812602A - 一种外腔可调谐激光器，及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种外腔可调谐激光器，及其使用方法，其中外腔可调谐激光器包括：增益芯片、准直镜、波长选择元件、光程差生成光路；增益芯片的一个腔面位于准直镜的焦平面；波长选择元件位于准直镜与光程差生成光路之间；准直镜对增益芯片的腔面出射的光束进行准直，形成平行光束并将其发送至波长选择元件；波长选择元件对来自准直镜的平行光束进行滤波后发送至光程差生成光路；光程差生成光路将入射光程差生成光路的平行光束分割成至少两束支路光束，并将各支路光束按入射方向反射至增益芯片，光程差生成光路可调节各支路光束的光程之间的光程差。由于光程差生成回路起到了粗选模的作用，不需要精确控制调节，使得波长调谐选择过程更为简便。

Description

一种外腔可调谐激光器,及其使用方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种外腔可调谐激光器，及其使用方法。

背景技术

大容量高速光传输以及更为灵活的光网络结构，是光通信发展的趋势。为了达到单波大于40Gbps的传输速率，一般采用高阶调制和相干接收技术，需要光载波线宽小于100KHz，以便抑制相位噪声而实现对信号相位的探测。另一方面，智能灵活的光网络，具有波长动态分配的特点，可以采用光载波的波长或频率可调来实现。因此窄线宽可调激光器对光通信系统的演进具有重要意义。

目前线宽小于100KHz的窄线宽可调谐激光器的实现主要依靠外腔可调激光器来实现，而现有的外腔可调谐激光器性能不甚理想，面临着调谐速度低，控制复杂，装配容差小，可靠性不高等问题。如图1所示的外腔可调谐激光器包含增益芯片、准直镜、波长选择元件以及反射镜构成。图1所示的外腔可调谐激光器之所以能够实现单纵模激射，主要是利用了两个波长可调谐元件透射谱的相互交叠来挑选出一个精细波长，即使用了游标（Vernier）效应。具体原理如下：从增益芯片（12）出射的光束经准直镜（20）扩束准直之后，依次经过两个可调谐的波长选择元件（24）和（26），被两个可调谐的波长选择元件（24）和（26）滤波的出射光束入射反射镜（14），然后被反射镜（14）反射并完全按原先入射路径折返回到增益芯片（12）的有源区，完成外腔谐振。可调谐的波长选择元件（24）和（26）的透射谱如图2的两个自由光谱区（Free Spectral Range 1、2，FSR1以及FSR2）所示，由于FSR1与FSR2的透射峰仅在λ1波长处有交叠，因此当λ1与外腔激光器的纵模谱对应的时候，就能实现波长为λ1的单纵模激射。

现有技术采用的Vernier效应是通过调节两个FSR不同的波长选择元件的透射谱，使只有一个透射峰重合而剩余透射峰错开，以实现与重合透射峰对应的单纵模激射。然而为了准确实施单纵模激射，需要“同时精确控制”两个波长选择元件的透射谱分布，使得控制极其困难，因此控制系统复杂，且调谐速率低。

发明内容

本发明实施例提供了一种外腔可调谐激光器，及其使用方法，使波长调谐选择过程更为快捷简便。

一种外腔可调谐激光器，包括：

增益芯片、准直镜、波长选择元件、光程差生成光路；

增益芯片的一个腔面位于准直镜的焦平面；波长选择元件位于准直镜与光程差生成光路之间；准直镜对增益芯片的所述腔面出射的光束进行准直，形成平行光束并将其发送至波长选择元件；波长选择元件对来自准直镜的平行光束进行滤波后发送至光程差生成光路；

所述光程差生成光路将入射光程差生成光路的平行光束分割成至少两束支路光束，并将各支路光束按入射方向反射至增益芯片，所述光程差生成光路可调节各支路光束的光程之间的光程差。

一种外腔可调谐激光器的使用方法，包括：

在本发明实施例提供的任意一项所述的外腔可调谐激光器的增益芯片被激发产生光束后，调整光程差生成光路中各支路光束的光程之间的光程差，使得所述外腔可调谐激光器实现波长调谐功能。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：外腔谐振光路包括增益芯片，准直镜、波长选择元件和光程差生成光路。其中波长选择元件可以起到初次滤波选模的效果；光程差生成光路起到第二次滤波选模的作用，能够从初次滤波选出的具有一定频率间隔的模式进一步挑选出期望的激射模，并抑制剩余模式以实现单纵膜激射。由于光程差生成回路起到了粗选模的作用，因此不需要精确控制调节，使得波长调谐选择过程更为快捷简便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术外腔可调谐激光器结构示意图；

图2为与图1所示的外腔可调谐激光器调节的自由光谱区示意图；

图3为本发明实施例外腔可调谐激光器结构示意图；

图4为本发明实施例外腔可调谐激光器结构示意图；

图5为本发明实施例经过Etalon－1滤波后的透射光谱以及双光束干涉形成的干涉谱；

图6为本发明实施例经过Etalon－1与光程差生成光路共同滤波作用后的模式增益谱图；

图7a为本发明实施例M=29.15μm模式增益谱图；

图7b为本发明实施例M＝29.17μm模式增益谱图；

图8为本发明实施例透射谱分部图；

图9为本发明实施例外腔可调谐激光器结构示意图；

图10为本发明实施例外腔可调谐激光器结构示意图；

图11为本发明实施例方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种外腔可调谐激光器，如图3所示，包括：

增益芯片100、准直镜200、波长选择元件300、光程差生成光路400；

其中图3所示的增益芯片100的两端为腔面1001和腔面1002；后续图中也均采用此种标识，不再一一赘述。

增益芯片100的一个腔面位于准直镜200的焦平面；图2中腔面1002位于准直镜200的焦平面；波长选择元件300位于准直镜200与光程差生成光路400之间；

准直镜200对增益芯片100的上述腔面出射的光束进行准直，形成平行光束并将其发送至波长选择元件300；波长选择元件300对来自准直镜200的平行光束进行滤波后发送至光程差生成光路400；如图3所示的波长选择元件300发送至光程差生成光路400的滤波后的平行光束600；

上述光程差生成光路400将入射光程差生成光路400的平行光束分割成至少两束支路光束，并将各支路光束按入射方向反射至增益芯片100，如图3所示的支路光束700和支路光束800，上述光程差生成光路400可调节各支路光束的光程之间的光程差。

上述实施例中，外腔谐振光路包括增益芯片，准直镜、波长选择元件和光程差生成光路。其中波长选择元件可以起到初次滤波选模的效果；光程差生成光路起到第二次滤波选模的作用，能够从初次滤波选出的具有一定频率间隔的模式中进一步挑选出期望的激射模，并抑制剩余模式以实现单纵膜激射。由于光程差生成回路起到了粗选模的作用，因此不需要精确控制调节，使得波长调谐选择过程更为快捷简便。

可选地，在本发明实施例中提供了两种上述光程差生成光路400的具体结构方案，需要说明的是在后续实施例中支路光束均为两路的结构，支路光束为两路以上时原理与如下实施例相同，因此以下实施例中两路支路光束的结构不应理解为对本发明实施例的限定。

实施例一、如图4所示，上述光程差生成光路400包括：至少两个反射镜401（图4所示的两个反射镜：反射镜401A和反射镜401B），且至少有一个反射镜401的位置可调；可以是反射镜401A位置可调，也可以是反射镜401B位置可调，还可以是反射镜401A和反射镜401B位置均可调。

各反射镜401位于上述入射光程差生成光路400所生成的支路光束的传播方向上并且各反射镜401的反射面与上述的支路光束的传播方向垂直；

上述光程差生成光路400可调节各支路光束光程之间的光程差，具体为：调节反射镜401中位置可调的至少一个反射镜401的位置，使入射至光程差生成光路400中各反射镜401的各支路光束的光程之间的光程差发生改变。

例如：反射镜401A位置可调，那么调节反射镜401A的位置（例如，前后平行移动反射镜401A）则会改变反射镜401A所在支路光束的光程，使得反射镜401A所在支路光束的光程与反射镜401B所在支路光束的光程之间的差异随反射镜401A的位置的变化而变化。

需要说明的是本发明实施例中反射镜可以是普通的反射镜也可以是全反射镜，均可以实现本发明实施例并达到相应效果。由于全反射镜对光的反射率更高效果更好，因此可以优选使用全反射镜。

基于实施例一，外腔可调谐激光器的工作原理如下：波长选择元件300滤波后的出射平行光束均分成两支路光束后分别反射，但因为反射镜401A和反射镜401B的位置不同而使得各支路光束光程之间存在光程差。对应的具有光程差的反射支路光束完全沿着原入射光路折回，经过准直镜200的聚焦后干涉合波并进入增益芯片100的内腔。

如图4所示的，设置外腔的等效腔长（Lc）为1.2163厘米（cm），此时外腔形成的纵模间隔约为0.0988纳米（nm）。这里采用法布里泊罗标准具Etalon（记为Etalon-1）作为图4所示的波长选择元件300，其透射峰的间隔为0.4nm。此时，经过Etalon-1滤波后透射光谱如图5所示。其中横轴为波长（Wavelength），表示光谱；纵轴为归一化强度（Normalized Power），后续图6、图7a以及图7b的横轴为波长，表示光谱；纵轴为归一化强度；另外还示意了透射光谱和干涉谱，后续图不再一一说明。图5为经过Etalon-1滤波后的透射光谱以及双光束干涉形成的干涉谱，从图5可以看到，由于Etalon-1具有FSR小，滤波精细度高的特点，能够将原先存在的诸多外腔纵模模式进行初步选择，使得仅有少数几个纵模模式以接近于1的透射率出射。同时图5的虚线也给出了具有光程差的两支路光束干涉合波后得到的干涉谱，如图4所示，该光程差由位置差M=29.17μm的两反射镜401A和反射镜401B引入。可以看到干涉谱的峰值位于λ＝1535.7nm处，对应了Etalon-1滤波初选后得到的其中一个模式，而偏离λ＝1535.7nm的剩余模式则被干涉谱的分布所抑制，从而形成足够的增益差，使得只有λ＝1535.7nm的纵模模式能够激射，即对应了图6所示的经过Etalon-1与光程差生成光路共同滤波作用后的模式增益谱图。由于双光束干涉形成的干涉谱是一个相对缓变的包络，此时即便两个反射镜的位置差M＝29.17微米（μm），如图7a中M=29.15μm与图7b中M=29.19μm的情况所示，仍然能够使λ＝1535.7nm的纵模模式具有接近于1的增益，同时继续有效地抑制偏离λ＝1535.7nm的剩余模式的增益，保持单纵模激射状态。这就意味着对位置差M的控制不需要做到非常精确的程度，从而有效地提高波长调谐速率并提高选模的可靠性。为了实现波长调节，需要通过调节Etalon-1的透射谱以及合波干涉谱分布来实现。Etalon的透射峰对应的波长λm由式(1)所决定：

${\mathrm{\λ}}_m=\frac{2\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}}{m}---\left(1\right)$

其中n＝1为折射率，d＝2.0445mm为Etalon前后反射面的间隙，θ＝0°为入射光与Etalon面的夹角，m为波长的序号。为了将选模波长调谐到λ＝1540nm，将d减小40nm，此时Etalon-1的透射谱变为图8所示的分布。同时M在原29.17μm基础上增大130nm，使得干涉谱的峰值移至λ＝1540nm的纵模模式位置，以实现抑制其他纵模模式而实现λ＝1540nm的单纵膜激射。

实施例二，如图9所示，上述光程差生成光路400包括：分束镜402；至少两个反射镜403（图9所示的两个反射镜：反射镜403A和反射镜403B），且至少有一个反射镜403位置可调；具体可以是反射镜403A位置可调，也可以是反射镜403B位置可调，还可以是反射镜403A和反射镜403B位置均可调。

上述分束镜402位于上述入射到光程差生成光路400的平行光束的光路中，用于将入射分束镜402的平行光束分割成至少两束支路光束；

上述反射镜403个数与上述支路光束数目相同，一个反射镜403位于一束支路光束的光路中，并且各反射镜403的反射面与其所在光路的支路光束垂直；

上述光程差生成光路400可调节各支路光束的光程之间的光程差具体为：调节反射镜403中位置可调的至少一个反射镜403的位置，使入射至光程差生成光路400中各反射镜403的各支路光束的光程之间的光程差发生改变。例如：反射镜403A位置可调，那么调节反射镜403A的位置则会改变反射镜403A所在支路光束的光程，使得反射镜403A所在支路光束的光程与反射镜403B所在支路光束的光程之间的差异虽着反射镜403A的位置的变化而变化。

基于以实施例二，外腔可调谐激光器的工作原理如下：经过波长选择元件300滤波后的出射光束入射分束镜402后被分成两支路，其中一支路入射反射镜403后被反射并沿原入射路径折回；另一支路入射反射镜403后被反射并沿原入射路径折回，这两路支路光束会因两个反射镜403相对位置的不同而引入光程差，并沿最终干涉合波折回增益芯片100的内腔。上述两个反射镜403中至少有一个是位置可调的，通过其调节支路光束的光程差从而最终改变干涉合波的光谱分布，实现波长调谐。

为了增加分束镜402的透光率，可选地，上述分束镜402表面镀有增透膜。在图9所示的结构中分束镜402的分束面的透过率和反射率均为50%，而四个通光面均镀上增透膜。

进一步地，如图10所示，上述激光器还包括：聚焦镜500，上述聚焦镜500位于波长选择元件300与光程差生成光路400之间；

上述波长选择元件300对来自准直镜200的平行光束进行滤波后发送至光程差生成光路400具体为：

波长选择元件300对来自准直镜200的平行光束进行滤波后发送至聚焦镜500，聚焦镜500缩小来自波长选择单元300的平行光束的光斑，并将缩小光斑后的平行光束发送至光程差生成光路400。

聚焦镜500与准直镜200构成双透镜系统，增益芯片100与双透镜系统，以及各支路光束的反射镜403（或者反射镜401）共同构成了回程反射（retro-reflection）结构，该结构对增益芯片的横向位移变化不敏感，从而提高了器件的装配容忍度。因为所用外腔光路是一种双透镜系统，其中聚焦镜和准直镜构成双透镜，增益芯片－双透镜系统－反射镜形成准4f系统，且是回程反射结构，经仿真计算和实践检验，对横向位移不敏感，有利于提高实际器件装配的容忍度。

可选地，上述波长选择元件300具体为：法布里泊罗标准具。

可选地，上述波长选择元件300为：具有固定频率间隔的固定波长选择元件，或是可调谐的波长选择元件。可调谐的波长选择元件，是相对于固定波长选择元件而言的，可调谐的波长选择元件是具有调节透射的光的波长这一功能的元件，具体实现选择的波长的可调谐的方式很多，例如：可以通过反射或衍射或者透射的方式实现对入射光谱的滤波作用，进而实现从含有多个波长的入射光中挑选出期望波长的光。可调谐的波长选择元件可以是含了Etalon（以太龙），光栅等光学器件，实现可调谐的意义在于通过改变可调谐的波长选择元件的器件参数，如Etalon的反射镜间距，或者温度；如对于光栅来说，即是入射光与光栅法线的夹角，通过改变这些参数，可以使得可调谐的波长选择元件能够灵活地挑选出期望的波长，如A工作条件下，可以利用波长选择元件挑选出“波长=lambda_1”的光；在B工作条件下则可以改变波长选择元件的参数挑选出“波长=lambda_2”的光。

可选地，上述可调谐的波长选择元件为：热调型法布里泊罗标准具、液晶电压调谐型法布里泊罗标准具或者间距可调型法布里泊罗标准具中的一种。

进一步地，上述激光器，还包括：

微型机电系统或压电陶瓷，上述微型机电系统或压电陶瓷与位置可调的反射镜连接，用于驱动并调谐位置可调的反射镜的位置。

本发明实施例还提供了一种外腔可调谐激光器的使用方法，如图11所示，包括：

1101：本发明实施例提供的任意一项上述的外腔可调谐激光器的增益芯片被激发产生光束；

1102：本发明实施例提供的任意一项上述的外腔可调谐激光器的增益芯片被激发产生光束后，调整光程差生成光路中各支路光束的光程之间的光程差，使得上述外腔可调谐激光器实现波长调谐功能。

具体地，若上述光程差生成光路包括：至少两个反射镜，且至少有一个反射镜位置可调；则上述调节光程差生成光路中各支路光束的光程之间的光程差包括：

调节调节反射镜中位置可调的至少一个反射镜的位置，使入射至光程差生成光路中各反射镜的各支路光束的光程之间的光程差发生改变。

具体地，若上述外腔可调谐激光器包括：微型机电系统或压电陶瓷；则上述调节光程差生成光路中各支路光束光程使各支路光束的光程之间的光程差包括：

启动微型机电系统或压电陶瓷，使得微型机电系统或压电陶瓷驱动反射镜中位置可调的反射镜以调谐上述位置可调的反射镜的位置。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各方法实施例中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种外腔可调谐激光器，其特征在于，包括：

增益芯片（100）、准直镜（200）、波长选择元件（300）、光程差生成光路（400）；

增益芯片（100）的一个腔面位于准直镜（200）的焦平面；波长选择元件（300）位于准直镜（200）与光程差生成光路（400）之间；准直镜（200）对增益芯片（100）的所述腔面出射的光束进行准直，形成平行光束并将其发送至波长选择元件（300）；波长选择元件（300）对来自准直镜（200）的平行光束进行滤波后发送至光程差生成光路（400）；

所述光程差生成光路（400）将入射光程差生成光路（400）的平行光束分割成至少两束支路光束，并将各支路光束按入射方向反射至增益芯片（100），所述光程差生成光路（400）可调节各支路光束的光程之间的光程差。

2.根据权利要求1所述激光器，其特征在于，所述光程差生成光路（400）包括：至少两个反射镜（401），且至少有一个反射镜（401）位置可调；

各反射镜（401）位于所述入射光程差生成光路（400）所生成的支路光束的传播方向上并且各反射镜（401）的反射面与所述的支路光束的传播方向垂直；

所述光程差生成光路（400）可调节各支路光束的光程之间的光程差，具体为：调节反射镜（401）中位置可调的至少一个反射镜（401）的位置，使入射至光程差生成光路（400）中各反射镜（401）的各支路光束的光程之间的光程差发生改变。

3.根据权利要求1所述激光器，其特征在于，所述光程差生成光路（400）包括：分束镜（402）；至少两个反射镜（403），且至少有一个反射镜（403）位置可调；

所述分束镜（402）位于所述入射光程差生成光路（400）的平行光束的光路中，用于将入射分束镜（402）的平行光束分割成至少两束支路光束；

所述反射镜（403）个数与所述支路光束数目相同，一个反射镜（403）位于一束支路光束的光路中，并且各反射镜（403）的反射面与其所在光路的支路光束垂直；

所述光程差生成光路（400）可调节各支路光束的光程之间的光程差具体为：调节反射镜（403）中位置可调的至少一个反射镜（403）的位置，使入射至光程差生成光路（400）中各反射镜（403）的各支路光束的光程之间的光程差发生改变。

4.根据权利要求3所述激光器，其特征在于，所述分束镜（402）表面镀有增透膜。

5.根据权利要求1至4任意一项所述激光器，其特征在于，所述激光器还包括：聚焦镜（500），所述聚焦镜（500）位于波长选择元件（300）与光程差生成光路（400）之间；

所述波长选择元件（300）对来自准直镜（200）的平行光束进行滤波后发送至光程差生成光路（400）具体为：

波长选择元件（300）对来自准直镜（200）的平行光束进行滤波后发送至聚焦镜（500），聚焦镜（500）缩小来自波长选择单元（300）的平行光束的光斑，并将缩小光斑后的平行光束发送至光程差生成光路（400）。

6.根据权利要求1至4任意一项所述激光器，其特征在于，

所述波长选择元件（300）具体为：法布里泊罗标准具。

7.根据权利要求1至4任意一项所述激光器，其特征在于，

波长选择元件（300）为：具有固定频率间隔的固定波长选择元件，或是可调谐的波长选择元件。

8.根据权利要求7所述激光器，其特征在于，

所述可调谐的波长选择元件为：热调型法布里泊罗标准具、液晶电压调谐型法布里泊罗标准具或者间距可调型法布里泊罗标准具中的一种。

9.根据权利要求2至8任意一项所述激光器，其特征在于，还包括：

微型机电系统或压电陶瓷，所述微型机电系统或压电陶瓷与位置可调的反射镜连接，用于驱动并调谐位置可调的反射镜的位置。

10.一种外腔可调谐激光器的使用方法，其特征在于，包括：

在权利要求1至9任意一项所述的外腔可调谐激光器的增益芯片被激发产生光束后，调整光程差生成光路中各支路光束的光程之间的光程差，使得所述外腔可调谐激光器实现波长调谐功能。

11.根据权利要求10所述方法，其特征在于，若所述光程差生成光路包括：至少两个反射镜，且至少有一个反射镜位置可调；则所述调节光程差生成光路中各支路光束的光程之间的光程差包括：

调节调节反射镜中位置可调的至少一个反射镜的位置，使入射至光程差生成光路中各反射镜的各支路光束的光程之间的光程差发生改变。

12.根据权利要求10所述方法，其特征在于，若所述外腔可调谐激光器包括：微型机电系统或压电陶瓷；则所述调节光程差生成光路中各支路光束光程使各支路光束的光程之间的光程差包括：

启动微型机电系统或压电陶瓷，使得微型机电系统或压电陶瓷驱动反射镜中位置可调的反射镜以调谐所述位置可调的反射镜的位置。

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