CN102868090B - 具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器 - Google Patents

Abstract

一种具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器，包括谐振腔、准直透镜、光隔离器及输出光纤。谐振腔包括半导体光放大器、扩束准直透镜、组合型液晶可调滤光器组件和反射镜。注入到半导体放大器的电流通过电光转换转化为宽带的自发辐射的光子沿着波导向两侧传播，一部分特殊频率的光子在谐振腔内往返多次满足阈值条件后形成激光。激光经过准直透镜准直并通过光隔离器后经准直透镜耦合进入输出光纤。组合型液晶可调滤光器组件由两级可调液晶滤波器级联而成。上述激光器通过组合型液晶可调滤波器组件和热光调谐的固定栅格产生装置构成灵活栅格连续可调谐滤光器，使激光器具有在C及L波段中任意波长工作以及灵活波长栅格多通道精确定位和快速通道切换的特性。

Description

具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器

【技术领域】

本发明涉及可调激光器，尤其涉及一种具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器。 

【背景技术】

可调激光器在光通信领域一直有着广泛的应用，尤其是近几年，光网络正在向动态的光网络发展，未来的光学平台上也将需要支持具各种不同速率和类型的客户数据业务。现有密集波分复用系统基于固定的频率间隔（如50GHz、100GHz），不能有效地利用光纤的频谱资源，因而限制光纤传输容量有效的扩展。 

为了解决这个问题，业界提出了灵活波长栅格的概念，也就是，波长间隔采用可变的波长栅格，波长栅格由一定频率范围的频率槽确定，波长栅格的中心频率定义为频率槽的中心，频率槽的宽度为某个标准频率槽粒度的整数倍，频率槽可以任意组合。因此，ITU-T（ITU Telecommunication StandardizationSector，国际电信联盟远程通信标准化组织）对栅格标准进行了扩展，定义栅格粒度为12.5GHz，频率间隔定义为12.5GHz的整数倍，频率槽的中心频率为193.1±n×0.00625THz（n为整数）。灵活波长栅格能够根据传输信号速率和调制码型的要求分配合适的频率槽宽度，以实现高谱效率、大容量的传输系统，如正交光频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）系统。这样一来，具有灵活波长栅格调谐功能的窄线宽可调激光器的作用日益凸显。 

目前，实现灵活波长栅格的方法主要有两种。其中之一是在某一范围内实现波长的连续调节，这样就覆盖任意栅格。另一种方法是以尽量小的栅格为粒度进行调节。 

美国专利US 6,847,661B2中公布了一种基于微机电系统（Micro-Electron-Mechanical System，MEMS）的连续可调外腔激光器。为了实现大范围的连续调节，呈扇形排列的驱动器使得外腔MEMS反射镜绕着一个远端的虚轴转动。因此，该MEMS驱动器的结构非常复杂，且可靠性特别是抗震性较差。 

美国专利US7,991,024B2公布了一种液晶型可调外腔激光器，采用一个液晶滤波器作为通道选择元件和一个法布里-泊罗（Fabry-Perrot，F-P）标准具用于产生固定的频率栅格。该法布里-泊罗标准具的作用是将输出波长控制在ITU-T规定的标准波长同时抑制与激射波长相邻的纵模，因此其自由光谱范围（Free Spectral Range，FSR）可以设定为标准的ITU-T间隔，如50GHz或者100GHz。液晶滤波器实际上是一个液晶型法布里-泊罗干涉仪，它在工作波段内只有一个透射峰用于选择该波段内的其中一个标准具的透射峰。但是，由于单个液晶型滤波器的带宽较宽，一般为1nm左右，因此当固定法布里-泊罗标准具的栅格间距较小时（如12.5GHz），该方案的应用受到局限。 

【发明内容】

有鉴于此，为了克服上述技术方案所存在的不足之处，本发明提供一种具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器。 

一种具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器，包括谐振腔（13）、准直透镜（6、7）、光隔离器（8）及输出光纤（9），所述谐振腔（13）包括半导体光放大器（1）、扩束准直透镜（2）、组合型液晶可调滤光器组件（3）和反射镜（5），注入到所述半导体放大器（1）的电流通过电光转换转化为宽带的自发辐射的光子沿着波导向两侧传播，转化后的一部分特殊频率的光子在所述谐振腔（13）内往返传播多次满足阈值条件后实现振荡放大从而形成激光，输出的激光经过所述准直透镜（6）准直并通过所述光隔离器（8）后经所述准直透镜（7）耦合进入所述输出光纤（9），所述组合型液晶可调滤光器组件（3）由两级可调液晶滤波器级联而成，所述谐振腔（13）还包括固定栅格产生装置（4），所述固定栅格产生装置（4）设置在所述可调滤光器组件（3）和反射镜（5）之间。 

优选地，所述组合型液晶可调滤光器组件（3）由两个独立的可调液晶法布里-泊罗滤波器级联而成，每级所述可调液晶法布里-泊罗滤波器包括增透膜 （31）、玻璃基板（32）、铟锡氧化物透明电极（33）、高反膜（34）、取向层（35）、液晶分子层（36）、玻璃平板（37）及密封胶（38），所述液晶分子层（36）两侧设有所述取向层（35），所述取向层（35）连同所述液晶分子层（36）附着在一层所述玻璃平板（37）上并用所述密封胶（38）封住两端构成液晶层，所述液晶层的两侧分别依次设有所述高反膜（34）、铟锡氧化物透明电极（33）、玻璃基板（32）及增透膜（31）。 

优选地，所述组合型液晶可调滤光器组件（3）包括一级液晶可调滤光器和二级可调滤光器，一级液晶分子层（36’）和二级液晶分子层（36’’），所述一级、二级液晶分子层（36’、36’’）的两侧分别设有取向层（35），所述取向层（35）连同所述一级、二级液晶分子层（36’、36’’）分别附着在一层玻璃平板（37）上并用密封胶（38）封住两端构成液晶层，所述一级、二级液晶层的两侧分别依次设有高反膜（34）、铟锡氧化物透明电极（33）和玻璃基板（32），所述一级、二级可调滤光器共用中间的玻璃基板（32）并在外侧的玻璃基板（32）外镀有增透膜（31）。 

优选地，所述一级、二级可调滤波器分别由各自的控制电压（V1、V2）独立控制。 

优选地，所述反射镜（5）是一个可移动的装置，通过改变所述反射镜（5）在光轴上的位置可改变所述外腔可调激光器的谐振腔长。 

本发明的外腔可调激光器通过组合型液晶可调滤波器组件和热光调谐的固定栅格产生装置构成灵活栅格连续可调谐滤光器结构，使外腔激光器具有在C及L波段中任意波长工作以及灵活波长栅格多通道精确定位和快速通道切换的特性。 

图1为使用单级液晶滤波器的可调激光器波长选择原理图。 

图2为本发明具有快速灵活波长栅格调谐的外腔可调激光器的第一优选实施例的示意图。 

【附图说明】

图3为图2中的组合型液晶可调滤波器的光谱叠加图。 

图4为图2中的组合型液晶可调滤波器的单级液晶滤波器单元的结构示意图。 

图5为图2中的组合型液晶可调滤波器的一种优选实施例的结构示意图。 

图6为数值模拟得出的单级液晶型可调滤波器的透射光谱图。 

图7（a）、（b）分别为数值模拟得出的组合型液晶可调滤波器的光谱叠加示意图和叠加后的透射光谱图。 

图8为本发明具有快速灵活波长栅格调谐的外腔激光器的另一优选实施例的示意图。 

图9为图8中的可实现连续波长监控的波长锁定器的工作原理图。 

为了更好地理解本发明，以下将结合具体实例及附图对发明的实施方式进行详细的说明。 

如前文所述，为了克服现有的灵活波长栅格激光器的不足，本发明通过组合型液晶可调滤波器以及热光调谐的固定栅格产生装置构成灵活栅格准连续可调滤波器结构，并把该可调滤波器用作外腔可调激光器的通道滤波器。所述组合型液晶可调滤波器具有窄带宽和快速调谐的特点，使得所述外腔可调激光器具有在C及L波段中任意波长工作以及灵活波长栅格多通道精确定位和快速通道切换的特性。 

【具体实施方式】

请参阅图1，图中所示是一种基于固定栅格的单级液晶型可调激光器的调节原理图。为实现ITU-T波长输出，固定栅格产生装置一般为F-P标准具，其透射峰值位于ITU-T标准波长。通道切换滤波器是一个液晶型F-P干涉仪，用于选择不同的ITU-T通道。为了使得通道选择滤波器在工作波段内只有一个透射峰，该滤波器的自由光谱范围较宽。比如要使得该激光器工作于C波段，该滤波器的自由光谱范围需要不小于C波段覆盖的波长范围。在这种情况下，由于该液晶型法布里-泊罗干涉仪精细度的限制，该滤波器的半高全宽较大，一般为1nm左右，因此这种单级液晶型可调激光器一般只能工作于50GHz与100GHz的ITU-T间隔，当固定栅格产生装置具有更小ITU-T间隔时，单级液晶型可调 滤波器会选择多个通道，不能产生稳定的激光输出。 

本发明具有快速灵活波长栅格调谐的外腔激光器的一个优选实施例如图2中所示，主要由半导体光放大器1、扩束准直透镜2、组合型液晶可调滤光器组件3、固定栅格产生装置4、反射镜5、输出光束准直透镜6和7、光隔离器8以及输出光纤9等几个部分构成。其中，光放大器1用于提供增益，其两端面分别镀有部分反射膜与增透膜。半导体光放大器1、扩束准直透镜2、组合型液晶可调滤光器组件3、固定栅格产生装置4和反射镜5组成该外腔激光器的谐振腔13（如图中虚线框所示）。注入到半导体光放大器1的电流通过电光转换转化为宽带的自发辐射的光子沿着波导向两侧传播，一部分特殊频率的光子在半导体光放大器1、扩束准直透镜2、组合型液晶可调滤光器组件3、固定栅格产生装置4和反射镜5所构成的谐振腔13内往返传播多次满足阈值条件，实现振荡放大，从而形成激光从光波导10的端面11射出。输出的激光经透镜6准直，并通过光隔离器8，最后经透镜7耦合进入输出光纤9。反射镜5是一个可移动的装置，可以通过改变反射镜5的位置来改变该激光器的谐振腔长，从而达到产生特定光频率激光所需的相位匹配条件。 

与美国专利US7,991,024B2中使用单个液晶可调滤波器作为通道切换滤波器不同，本发明使用组合型液晶可调光滤波器组件3作为切换通道滤波器，它由两级独立的可调的液晶F-P滤波器3-1、3-2级联而成，其光谱叠加图如图3中所示。为了同时满足实现大范围可调和窄带光滤波的要求，对于每个液晶F-P滤波器3-1、3-2来说均采用适当减小的FSR，比如，即使对于用于全C波段调谐的应用也采用比C波段全带宽更小的FSR，在同样工艺条件下可获得更窄的通带3dB带宽；其次，将两独立可调液晶F-P滤波器3-1、3-2的FSR设计成不相同值，根据周期结构的游标效应获得共振滤波通带。 

与单个液晶可调滤波器相比，使用组合型液晶可调滤波器组件3的好处是显而易见的：一方面，两串联滤波器将进一步压缩通带的3dB带宽，当使用这种组合型液晶可调滤波器组件3作为可调激光器的通道切换滤波器时，可以容忍更小的栅格间距，如12.5GHz和25GHz；更重要的是，在两独立可调液晶F-P滤波器3-1、3-2的FSR均小于全C波段带宽的同时，使得组合型液晶可调滤波 器组件3整体的FSR大于全C波段的带宽，并且因为游标效应使得全C波段的大范围调谐实际上只需要达到各独立可调液晶F-P滤波器3-1、3-2的FSR就能够实现了，从而也明显降低了驱动电压。 

如上文所述，该组合型液晶可调滤波器组件3由两个单级液晶可调滤波器3-1、3-2级联而成，所述的单级液晶可调滤波器3-1、3-2都是法布里-泊罗多光束干涉滤波器，均匀排列的向列型液晶构成了腔内介质。 

单级液晶可调滤波器3-1、3-2的基本结构如图4中所示，由增透膜31、玻璃基板32、铟锡氧化物（Indium Tin Oxide，ITO）透明电极33、高反膜34、取向层35、液晶分子层36、玻璃平板37及密封胶38组成。液晶分子层36的两侧分别设有取向层35，取向层35连同液晶分子层36附着在一层玻璃平板37上并用密封胶38封住两端，从而构成液晶层。液晶层的两侧分别依次设有所述高反膜34、铟锡氧化物透明电极33、玻璃基板32及增透膜31。玻璃平板37选用折射率与液晶相近且膨胀系数和热光系数相对较小的玻璃，其作用是为了减小液晶层的厚度，提高该液晶滤波器3-1、3-2的性能（减小响应时间）。为减少透明电极33对1.55μm光波的强度损耗，透明电极33置于高反膜层34之外，不在实际的F-P腔的范围之内。玻璃基板32和腔内玻璃平板37的通光面均镀有增透膜31两高反膜34的反射率可达95%，构成了F-P腔两个高反面。光束在两介质膜反射层19、24之间来回传播，透射光形成多光束干涉，部分频率的光波相干相长或相干相减，透过光谱产生梳状透射峰值分布。 

该组合型液晶可调滤波器组件3可直接由两个分立的如图4中所示的单级液晶可调滤波器3-1与3-2级联而成，也可采用如图5中所示的结构。图5中给出了组合型液晶可调滤波器组件3的结构另一个实施例，由增透膜31、玻璃基板32、铟锡氧化物透明电极33、高反膜34、取向层35、液晶分子层36’和36’’、玻璃平板37及密封胶38组成。一级液晶可调滤波器和二级液晶可调滤波器与图4所述的单级液晶可调滤波器具有相同的结构，分别由各自的控制电压V1和V2独立控制。一级液晶可调滤波器、二级液晶可调滤波器分别包括一级液晶分子层36’、二级液晶分子层36’’。一级、二级液晶分子层36’、36’’的两侧分别设有取向层35，取向层35连同一级、二级液晶分子层36’、36’’分别附着在一层 玻璃平板37上并用密封胶38封住两端构成液晶层。一级、二级液晶层的两侧分别依次设有高反膜34、铟锡氧化物透明电极33和玻璃基板32。一级、二级可调滤光器共用中间的玻璃基板32并在外侧的玻璃基板32外镀有增透膜31。图5的组合型液晶可调滤波器组件3结构减少了采用两个独立液晶可调滤波器在使用时的中间界面光损耗，同时也使整体的结构更紧凑。 

单个液晶滤波器的梳状透过峰连续调节波长范围Δλ_c可由下式决定： 

${\mathrm{\λ}}_c=\frac{2\·|n_e-n_o|\·d_{\mathrm{LC}}}{m}\left(1\right)$

式（1）中d_LC为液晶分子层36的厚度，m是干涉级次： 

$\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{\mathrm{FSR}}\right)---\left(2\right)$

式（2）中round（）表示取整，λ_c是滤波器峰值波长，FSR是自由光谱范围，由下式表示： 

$\mathrm{FSR}=\frac{{\mathrm{\λ}}_c^2}{2\·(n_o\·d_{\mathrm{LC}}+n_p\·d_p+n_{\mathrm{eq}}\·d_{\mathrm{eq}})}---\left(3\right)$

其中n_p为玻璃平板37的折射率，d_p为玻璃平板37的厚度，n_eq、d_eq为腔内其它介质等效的光学长度。式（3）的结果也可以说明中间玻璃平板37的作用，即在液晶厚度d_LC不宜增加的时候，可以通过调节d_p得到期望的FSR。 

我们可以从数值上分析使用单级液晶滤波器与双级液晶滤波器的差别。如图6中所示，如果使用单级液晶可调滤波器，为保证其透射谱在整个C波段只有一个透射峰，那么该滤波器的FSR需要大于40nm，当该滤波器两端面的介质膜反射率为95%时，透射光谱的边模抑制比为31.2dB，半高全宽为59.1GHz。而如果使用两个单级液晶滤波器的组合，选取一级液晶可调滤波器的自由光谱范围FSR₁=10nm，二级液晶可调滤波器的自由光谱范围FSR₂=9nm。这样一来，根据游标效应，当这两个液晶可调滤波器的其中一个透射峰与对方重合时，下一个重合的峰值与它相距90nm，因此该组合型液晶滤波器能够实现大范围的调谐。另外，两个单级液晶可调滤波器的FSR均较小，即使在相同端面反射率的情况下，其半高全宽也会更小。如图7所示，高反膜34的反射率均取95%，那 么其叠加后的透射光谱边模抑制比可达49.7dB，半高全宽仅为8.1GHz。 

图8为本发明所述具有快速灵活波长栅格调谐的外腔激光器的另一个实施方案，它由半导体光放大器1、光束准直透镜2、组合型液晶可调滤波器组件3、可移动反射镜5、输出光束准直透镜6和7、光隔离器8、输出光纤9与波长锁定器12组成。其中，半导体光放大器1、光束准直透镜2、组合型液晶可调滤波器组件3和可移动反射镜5组成谐振腔13’（如图中右侧的虚线框所示），波长锁定器12由固定栅格产生装置4、分光棱镜10-1和10-2以及光电探测器11-1和11-2组成。准直透镜2准直后的光束，经分光棱镜10-1分光，大部分光（约98%）作为激光器输出，小部分光用于波长监控。分光棱镜10-2将分光棱镜10-1分出的小部分光一分为二，一部分直接用光电探测器11-1接收，另一部分经固定栅格产生装置4后用光电探测器11-2接收。通过比较光电探测器11-1和11-2探测的光功率明确输出波长与目标波长的波长差，并作出相应补偿，使输出波长向目标波长逼近。图8中的实施例具有一个优点，由于谐振腔13’内没有调节速度慢的固定栅格产生装置4，而是代之以腔外的波长锁定器12实现波长监控，因此，在不改变工作温度的情况下，可以充分利用电光调谐的组合型液晶可调滤波器3实现大范围快速的任意波长调谐。 

具体采用波长锁定器12实现连续波长监控的工作原理可通过图9进行说明。根据目前波长锁定器的原理，在特定中心波长情况下，将光电探测器11-1的探测功率设定为P，将固定栅格产生装置4的光谱设置在该特定中心波长正好位于光谱的线性区，如图9（a）中所示的ITU-T波长栅格的情况，其控制逻辑是使得此时11-2的探测功率p与功率P相等，波长的任何漂移将导致探测功率p与功率P偏离，从而给出波长的偏移信息，实现波长监测和反馈控制。为实现连续波长监控，通过适当优化固定栅格产生装置4的光谱结构，并针对不同波长进行两个光电探测器11-1、11-2输出比例定标的修正，就能够实现对任意波长监控和锁定功能，具体可见图9（b）中所示。对于任意的与ITU-T标准偏离的波长λ_i可以定标一个功率偏离量Δ_i，比如图中分别对应三个波长λ₁，λ₂和λ₃，为Δ₁，Δ₂和Δ₃（注：Δ_i为有符号量，以p_i大于P为正，小于P为负），而这些波长条件下光电探测器11-2的探测功率分别为p₁、p₂和p₃，根据控制逻辑 p₁-Δ₁=p₂-Δ₂=p₃-Δ₃=p_i-Δ_i=P即可以实现任意波长的监测和控制。因此，这种结构的外腔可调激光器具有大范围连续快速调谐功能，既可以不受固定栅格产生装置4的低速调整限制，又具有精确波长锁定功能。 

本发明的外腔可调激光器通过一个组合型液晶可调滤波器实现窄带宽可调滤波，并作为外腔可调激光器的通道选择滤波器。为了使得激光器具有灵活栅格波长选择的功能，固定栅格产生装置（一般为F-P标准具）的FSR采用最小的ITU-T间隔，因此，激光器将能选择性工作在任意的ITU-T栅格点，即实现激光器灵活栅格工作能力，可以通过热光效应调节F-P标准具（固定栅格产生装置），使其通带中心波长能够覆盖C及L波段中的任意波长点。外腔中采用上述的联合形式的可调滤波器使半导体外腔可调激光器具有快速灵活栅格准连续可调谐特性。 

综上所述，本发明的具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器具有以下特点： 

首先，与单个液晶可调滤波器相比，所述组合型液晶可调滤波器具有带宽更窄、调节范围更宽和驱动电压更低的优点； 

其次，所述外腔可调激光器具有在C及L波段中任意波长工作以及灵活波长栅格多通道精确定位和快速通道切换的特性； 

再次，所述外腔可调激光器的谐振腔内没有活动部件，具有稳定性和可靠性高的优点； 

最后，所述外腔可调激光器具有制作工艺成熟﹑低成本的优点。 

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (5)

1.一种具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器，其特征在于：所述激光器包括谐振腔（13）、准直透镜（6、7）、光隔离器（8）及输出光纤（9），所述谐振腔（13）包括半导体光放大器（1）、扩束准直透镜（2）、组合型液晶可调滤光器组件（3）和反射镜（5），注入到所述半导体放大器（1）的电流通过电光转换转化为宽带的自发辐射的光子沿着波导向两侧传播，转化后的一部分特殊频率的光子在所述谐振腔（13）内往返传播多次满足阈值条件后实现振荡放大从而形成激光，输出的激光经过所述准直透镜（6）准直并通过所述光隔离器（8）后经所述准直透镜（7）耦合进入所述输出光纤（9），所述组合型液晶可调滤光器组件（3）由两级可调液晶滤波器级联而成，所述谐振腔（13）还包括固定栅格产生装置（4），所述固定栅格产生装置（4）设置在所述可调滤光器组件（3）和反射镜（5）之间。

2.根据权利要求1所述的具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器，其特征在于：所述组合型液晶可调滤光器组件（3）由两个独立的可调液晶法布里-泊罗滤波器级联而成，每级所述可调液晶法布里-泊罗滤波器包括增透膜（31）、玻璃基板（32）、铟锡氧化物透明电极（33）、高反膜（34）、取向层（35）、液晶分子层（36）、玻璃平板（37）及密封胶（38），所述液晶分子层（36）两侧设有所述取向层（35），所述取向层（35）连同所述液晶分子层（36）附着在一层所述玻璃平板（37）上并用所述密封胶（38）封住两端构成液晶层，所述液晶层的两侧分别依次设有所述高反膜（34）、铟锡氧化物透明电极（33）、玻璃基板（32）及增透膜（31）。

3.根据权利要求1所述的具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器，其特征在于：所述组合型液晶可调滤光器组件（3）包括一级液晶可调滤光器和二级可调滤光器，所述一级液晶可调滤光器、二级可调滤光器分别包括一级液晶分子层（36’）、二级液晶分子层（36’’），所述一级、二级液晶分子层（36’、36’’）的两侧分别设有取向层（35），所述取向层（35）连同所述一级、二级液晶分子层（36’、36’’）分别附着在一层玻璃平板（37）上并用密封胶（38）封住两端构成液晶层，所述一级、二级液晶层的两侧分别依次设有高反膜（34）、铟锡氧化物透明电极（33）和玻璃基板（32），所述一级、二级可调滤光器共用中间的玻璃基板（32）并在外侧的玻璃基板（32）外镀有增透膜（31）。

4.根据权利要求3所述的具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器，其特征在于：所述一级、二级可调滤波器分别由各自的控制电压（V1、V2）独立控制。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有灵活波长栅格调谐功能的外腔可调激光器，其特征在于：所述反射镜（5）是一个可移动的装置，通过改变所述反射镜（5）在光轴上的位置可改变所述外腔可调激光器的谐振腔长。