CN103633547A - 波长可调谐外腔激光器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种波长可调谐外腔激光器，其包括由相位补偿器（3）、可调谐栅格滤波器（4）、宽带可调滤波器（5）、第一耦合透镜（6）、增益器件（7）组成的谐振腔、隔离器（9）、第二耦合透镜（10）、光纤（11）。所述波长可调谐外腔激光器还可包括光探测器（1）、第三耦合透镜（8）、以及谐振腔内的组合滤波反射器（2）。本申请的宽带可调滤波器可以采用液晶标准具制作或微机械转镜与光栅组合制作，该方案可以极大的降低宽带可调滤波器的制作难度，降低器件的制作成本，可以很容易实现50GHz或更低频率间隔的可调激光器，通过一定的控制方法也可以实现自由栅格的波长调谐。

Description

波长可调谐外腔激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种波长可调、并且波长间隔可以任意改变的波长可调谐外腔激光器，该激光器可适用于可调波长的光通信网络。

背景技术

传统的光通信网络中主要采用的是固定波长的激光器，但随着通道数目的增加，采用固定波长的激光器使得网络维护与器件备份等方面变得困难与成本增加。对下一代光通信网络，可调谐激光器是实现智能光网络的关键器件，可以为系统维护与波长调配提供更大弹性、更快速度，并最终实现更低的成本。现有的DWDM（密集波分复用）系统一般是50GHz频率或100GHz频率间隔的系统，为了更好地利用光纤的频谱带宽，更窄频率间隔的系统也在设计之中，例如25GHz、12.5GHz等。

可调谐激光器的实现方式有很多种。例如，利用电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。另一方面，温控技术是通过改变激光器有源区折射率，从而改变激光器输出波长的，该技术简单，但速度慢，可调带宽窄，只有几个nm。再者，基于MEMS（微机电系统）技术完成波长的选择，具有较大的可调带宽、较高的输出功率，但大反射镜面的MEMS容易受外界震动干扰，长期可靠性不好。

外腔可调谐激光器具有线宽窄、高输出功率、宽调谐范围的优点。外腔可调谐激光器的基本结构是反射镜与增益器件作为激光器的基本工作的谐振腔，中间插入滤波元件进行选模，实现单纵模激光输出。美国专利6366592提到了使用可调谐FP腔来进行波长调节，这种方式对于调节范围较大的器件，要求FP腔具有很高的精细度，很难实现。为了降低单FP腔的波长选择难度，美国专利US7209498公布了一种利用组合固定标准具来构建通道选择滤波器的外腔可调激光器，利用游标效应，使得只有两个标准具透过峰峰值波长重合的纵模可以起振，而其它的纵模被抑制。通过温度精确控制标准具透过峰的峰值波长，理论上能够实现波长的任意调谐，这种方法结构简单，但温度控制方法非常复杂。美国专利US7991024B2公布了一种液晶型可调外腔激光器，采用一个液晶标准具作为通道选择元件，一个固定标准具产生固定的频率栅格，这种结构在频率栅格间隔很小的情况下，对液晶标准具的带宽和稳定性要求很高，由于液晶标准具的材料特性和制作工艺特点，实现很窄带宽的液晶标准具十分困难，因此对于制作50GHz或更低频率间隔的激光器来说，上述的结构实际上难以实现。

发明内容

众所周知，由于技术因素，可调滤波器要同时把带宽要做窄与宽的调谐范围是不容易实现的，因此一般采用可调滤波器与栅格滤波器实现多通道外腔激光器时，如果栅格滤波器的频率间隔过窄，将极易发生跳模（通道）行为。

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述问题。本发明通过采用宽带可调滤波器与一个较大频率间隔的可调谐栅格滤波器组成的组合型可调滤波器，利用可调谐栅格滤波器的中心波长可调特性，实现稳定性高的小频率间隔多通道可调激光器。

本发明的目的是这样实现的：

1、采用调谐范围较宽的宽带可调滤波器，可以使可调滤波器的调节范围覆盖需要的调节范围，如C-band。

2、采用一个FSR（自由谱区）大于宽带可调滤波器的带宽半宽的可调谐栅格滤波器，可以使激光器输出单纵模，可调谐栅格滤波器可以采用硅标准具制作，通过设计标准具的反射率与厚度，可以比较容易达到上面的要求，理论上可以对于宽带可调滤波器带宽的要求放到很低。

3、通过调节可调谐栅格滤波器的透射波长，可以使栅格滤波器的透射峰（透射峰值位置的波长）覆盖整个ITU-T波长栅格，再通过宽带可调滤波器的调节进行通道选择，可以使激光器工作在任意波长栅格点上。

4、通过采用无源相位补偿器，使温度变化导致腔长变化的相位改变得到补偿；通过热光相位调节器的作用，可以精确补偿无源相位补偿器的相位补偿余量及精密波长调谐导致的相位改变，保持激光器工作状态的稳定。

5、在波长精度要求不高的应用场景可以不需要相位补偿，通过可调谐栅格滤波器的调谐，跟踪腔模的移动，保证激光器不发生跳模。

根据本发明的一个方面，提供了一种波长可调谐外腔激光器，其包括相位补偿器（3）、可调谐栅格滤波器（4）、宽带可调滤波器（5）、第一耦合透镜（6）、增益器件（7）、隔离器（9）、第二耦合透镜（10）、光纤（11），其中，所述波长可调谐外腔激光器的谐振腔包括相位补偿器（3）、可调谐栅格滤波器（4）、宽带可调滤波器（5）、第一耦合透镜（6）、增益器件（7），其中，所述增益器件（7）用来提供所述波长可调谐外腔激光器的增益，产生宽带多通道光束，所述第一耦合透镜（6）用来形成所述波长可调谐外腔激光器的谐振腔内部的准直多波长光束，所述相位补偿器（3）用来补偿所述波长可调谐外腔激光器的谐振腔随温度变化产生的相位变化，所述可调谐栅格滤波器（4）用来透射多个波长的激光光束、抑制其余激光光束，其中所述多个波长具有固定的波长间隔，所述宽带可调滤波器（5）用来选择从所述可调谐栅格滤波器（4）输出的多个波长的激光光束中的一个波长的光束的输出进行透射，抑制其它波长的激光光束的输出，所述隔离器（9）用来透射所述波长可调谐外腔激光器的输出端的平行光束，并隔离回波，所述第二耦合透镜（10）用来把从所述隔离器（9）透射的平行光束汇聚耦合到所述光纤（11）。

本发明的实施例具有以下有益效果：可以较大地降低宽带可调滤波器的制作难度，轻松实现50GHz或更低频率间隔的多通道可调激光器，也可以实现自由栅格的波长调谐。宽带可调滤波器可以采用液晶标准具制作或微机械转镜与光栅组合制作，可调谐栅格滤波器可以采用具有较大热光系数的材料硅标准具，通过温度控制来实现波长调谐。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的采用可调谐栅格滤波器的外腔调谐激光器的示意图；

图2为根据本发明的实施例的采用可调谐栅格滤波器的外腔调谐激光器的示意图；

图3为根据本发明的实施例的采用可调谐栅格滤波器的外腔调谐激光器的示意图；

图4为根据本发明的实施例的组合滤波反射镜的示意图；

图5为根据本发明的实施例的热调谐标准具的示意图；

图6为根据本发明的实施例的热调谐相位补偿片的示意图；

图7为根据本发明的实施例的50GHz标准具与液晶标准具的组合滤波特性的示意图；

图8为根据本发明的实施例的200GHz标准具与液晶标准具的组合滤波特性的示意图；以及

图9为根据本发明的实施例的200GHz标准具与液晶标准具的组合滤波的栅格调谐的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1：光探测器

2：滤波反射器（组合滤波反射镜）

3：相位补偿器

4：可调谐栅格滤波器

5：宽带可调滤波器

6：第一耦合透镜

7：增益器件

8：第二耦合透镜

9：隔离器

10：第三耦合透镜

11：光纤

12：部分反射片

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的原理。

图1是采用可调谐栅格滤波器的外腔调谐激光器的一种实施方式的示意图。如该图所示，该激光器的谐振腔与耦合输出部分分别图1中的左右两侧（以增益器件7和耦合透镜8之间为界），谐振腔可由增益器件7、耦合透镜6、宽带可调滤波器5、可调谐栅格滤波器4、相位补偿器3、组合滤波反射器2组成，在谐振腔中谐振后产生的激光通过耦合透镜8、隔离器9、耦合透镜10，被输出到光纤11，其中，耦合输出部分主要由耦合透镜8、隔离器9、耦合透镜10及光纤11组成。

另外，如该图所示，组合滤波反射器2左侧还布置有光探测器1，其用来接收并探测通过组合滤波反射器2的部分激光光束的功率。

作为示例，通过上述布置，组合滤波反射器2滤出仅C波段的激光，相位补偿器3进行相位补偿，可调谐栅格滤波器4滤出C波段内的多个通道（频率）的激光，宽带可调滤波器5能够滤出单纵模激光。

图2示出了根据本发明的实施例的采用可调谐栅格滤波器的外腔调谐激光器的另一种实施方式。其中，该激光器的谐振腔与耦合输出部分位于增益器件7的一侧（在图2中示出为右侧），谐振腔主要由耦合透镜6、相位补偿器3、可变栅格滤波器4、宽带可调滤波器5、组合滤波反射器2组成。该激光器的波长调节原理与图1的实施方式类似，耦合输出部分主要由隔离器9、部分反射片12、耦合透镜10及光纤11组成，光探测器1接收并探测部分反射片12反射的光。

图3示出了根据本发明的实施例的采用可调谐栅格滤波器的外腔调谐激光器的另一种实施方式。其中，该激光器的谐振腔与耦合输出部分分别在增益器件7的两侧，谐振腔主要由耦合透镜6、宽带可调滤波器5、可调谐栅格滤波器4、相位补偿器3组成，激光通过耦合透镜8、隔离器9、耦合透镜10输出到光纤11，耦合输出部分主要由隔离器9、部分反射片12、耦合透镜10及光纤11组成。光探测器1接收部分反射片反射的光。

这里，宽带可调滤波器5由光栅5-1与转镜（例如，MEMS转镜）5-2构成，转镜5-2可采用MEMS制作，通过调整转镜5-2的角度，可以调节宽带可调滤波器5的滤波波长。但在一般情况下，调节转镜5-2的角度，会使耦合损耗变大，因此转镜5-2的扭转角度不能太大，宽带可调滤波器5的调节范围与光栅的线数、转角角度相关，线数越大，一定角度下的波长调节范围越小，线数一定情况下，角度越大调节范围越大。为了获得器件小封装尺寸，优选采用小光斑、低线数的光栅、以及小转角的MEMS转镜，这样宽带可调滤波器5的带宽较宽。如上所述，可以选择FSR较大的可调谐栅格滤波器4，这样就可以大大降低对宽带可调滤波器5的带宽要求，也可以避免调节过程中功率的变化。

谐振腔的滤波特性由宽带可调滤波器5、可调谐栅格滤波器4、组合滤波反射器2来组合确定，可调谐栅格滤波器4的FSR大小决定了宽带可调滤波器5的带宽大小。在本发明的实施例中，一般要求宽带可调滤波器5的3dB带宽不能大于可调谐栅格滤波器4的FSR的2倍，否则就很容易出现跳模或跳通道。

为了实现ITU标准要求的100GHz或50GHz及更小间隔的激光器波长间隔输出，以往，往往采用固定间隔的标准具来实现，其中，宽带可调滤波器5可以采用液晶标准具实现或反射镜加光栅的方式实现，下面以液晶标准具为例进行详细说明。

例如，为了实现50GHz间隔的激光波长输出，就要求由液晶标准具实现的宽带可调滤波器5的3dB带宽不能超过0.8nm，假定液晶标准具的FSR是70nm，根据标准具精细度公式finesse=FSR/FWHM，液晶标准具的精细度必须大于70/0.8=88，对应该液晶标准具的反射率高达98%。另外，对液晶标准具的平行度与面型也要求很高，在同样的工艺控制条件下，大精细度的液晶标准具的插损比较大，带来额外的激光器腔内损耗，增加激光器输出阈值与功耗。

图7说明了采用50GHz标准具和精细度为100的液晶标准具的滤波谱线。为了降低对液晶标准具（宽带可调滤波器5）的精细度与带宽要求，这里我们采用了栅格位置可调的标准具（可调谐栅格滤波器4），该标准具可以采用热光材料制作，或具有其它调谐方式。

图5是可调谐栅格滤波器4的一种实施例，该可调谐栅格滤波器采用硅标准具与温度调节装置组合制作，其中硅标准具是由抛光平行的硅片制作，在硅片两面分别镀有部分反射膜，在硅标准具一面是通过溅射或蒸镀方式制作的加热电阻（4-3），贴一片中间打孔的加热陶瓷片，通过电流作用使该薄膜电阻发热，改变硅标准具的相位，可以调节硅标准具的栅格位置，一般温度变化10℃可以调节100GHz的栅格位置，另一面是热敏电阻（4-1）通过贴片的方式贴在硅标准具表面，通过热敏电阻的阻值大小可以精确获得标准具的温度。该硅标准具（主体为硅片4-2）的FSR可以是多通道栅格波长间距的N倍（N>1），例如我们采用200GHz的FSR的硅标准具，液晶标准具（宽带可调滤波器5）的3dB带宽可以放宽到3.2nm(400GHz)，精细度放宽到了70/3.2=22，对应液晶标准具的反射率只需要87%，液晶标准具的插入损耗也大大降低了。

图8是采用200GHz标准具和精细度为28的液晶标准具的滤波谱线，下表说明了可以获得单模激光输出的滤波器组合方式示例：

图9示出了采用200GHZ的硅标准具（可调谐栅格滤波器4）、通过调谐硅标准具（可调谐栅格滤波器4）的栅格位置，其可以获得50GHz栅格间距的激光器输出。具体调节方式可以是这样的，例如采用如图5所示的调谐硅标准具，要调谐硅标准具的透射峰位置偏离原来位置50GHz，根据硅标准具的温度特性10GHz/℃，需要调节标准具温度5℃就可以了。

图4是组合滤波反射器2的一种实施方式，该组合滤波反射器的主体是玻璃楔角片2-2，其中一面镀有部分反射膜2-1，另一面镀有带通滤波膜2-3,在增益器件7的增益带宽比液晶标准具（宽带可调滤波器5）的FSR大的情况下，有可能在增益区域范围出现两个透射峰，为了抑制其中一个透射峰，需要在谐振腔增加一个带通滤波器，该滤波器的透射带宽需大于激光器的调谐范围（如C-band）、且小于液晶标准具的FSR。

在一些需要激光器波长精确锁定在某个固定频率的情况下，还需要在谐振腔加入相位补偿的装置，补偿激光器谐振腔随温度变化产生的相位变化，这样可以保证激光器波长的稳定，这种补偿器有两种实现方式一种是无源方式，通过其材料折射率在温度环境下的改变实现随温度变化的相位改变，通过选择特殊的材料和适当的厚度补偿环境温度变化导致腔长改变的相位变化。一种是有源方式，可以采用热光或电光材料制作，通过改变温度或改变加载电场改变材料的折射率实现光程变化，根据相位状态检测的反馈信息对相位补偿器件进行调节，实现反馈跟踪的相位补偿功能。

图6是这种相位补偿器的一种实现方式，如图所示，相位补偿器3的主体是镀有增透膜的硅片3-2，硅片的厚度可以根据需要补偿的大小来确定，一般可以选取0.5mm左右的厚度就可以满足要求，硅片的一面是薄膜加热电阻3-3，通过电流作用在薄膜电阻上产生热量，改变标准具的温度，达到调整相位的目的。热敏电阻3-1用来探测硅片的温度，通过温度反馈控制加热电阻电流的大小，保证硅片温度稳定。

在一些波长精度要求不高的应用，例如可调谐发射模块，允许激光器波长有一定范围的变化，这里可以通过调节可调标准具（可调谐栅格滤波器4）的波长，锁定相位变化引起的腔模移动，避免激光器出现跳模引起的误码。可选地，在激光器谐振腔后方放置了一个光探测器1，通过判断该光探测器1的功率是否在最大功率点，可以探测可调标准具（可调谐栅格滤波器4）及液晶标准具（宽带可调滤波器5）的波长是否与腔模对准。其中，判断该光探测器1的功率是否在最大功率点的方法是通过调节可调标准具的温度，使得其波长在一定范围微动，如果温度降低与升高探测器1的响应电流都变小，说明这时腔模已经锁定在栅格滤波器的透射波长峰值处，可调标准具（可调谐栅格滤波器4）及液晶标准具（宽带可调滤波器5）的波长已经与腔模对准。

上面已经举例说明了本发明的具体实施例，本领域的技术人员能够理解，对本发明的上述实施例能够做出各种修改、变型、以及替换，其均落入如所附权利要求限定的本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种波长可调谐外腔激光器，其谐振腔包括相位补偿器（3）、可调谐栅格滤波器（4）、宽带可调滤波器（5）、第一耦合透镜（6）、增益器件（7），

所述波长可调谐外腔激光器还包括隔离器（9）、第二耦合透镜（10）、光纤（11），

其中，所述增益器件（7）用来提供所述波长可调谐外腔激光器的增益，产生宽带多通道光束，

所述第一耦合透镜（6）用来形成所述波长可调谐外腔激光器的谐振腔内部的准直多波长光束，

所述相位补偿器（3）用来补偿所述波长可调谐外腔激光器的谐振腔随温度变化产生的相位变化，

所述可调谐栅格滤波器（4）用来透射多个波长的激光光束、抑制其余激光光束，其中所述多个波长具有固定的波长间隔，

所述宽带可调滤波器（5）用来选择从所述可调谐栅格滤波器（4）输出的多个波长的激光光束中的一个波长的光束的输出进行透射，抑制其它波长的激光光束的输出，

所述隔离器（9）用来透射所述波长可调谐外腔激光器的输出端的平行光束，并隔离回波，

所述第二耦合透镜（10）用来把从所述隔离器（9）透射的平行光束汇聚耦合到所述光纤（11）。

2.根据权利要求1所述的波长可调谐外腔激光器，还包括光探测器（1）、第三耦合透镜（8）、以及所述谐振腔内的组合滤波反射器（2），

并且，在所述波长可调谐外腔激光器中，所述光探测器（1）、组合滤波反射器（2）、相位补偿器（3）、可调谐栅格滤波器（4）、宽带可调滤波器（5）、第一耦合透镜（6）、增益器件（7）、第三耦合透镜（8）、隔离器（9）、第二耦合透镜（10）、光纤（11）是依次设置的，

其中，所述第三耦合透镜（8）用来形成所述波长可调谐外腔激光器的输出端的平行光束，

所述组合滤波反射器（2）用来将特定波段的激光光束反射到谐振腔内，并将特定波段的激光光束的一部分透射到所述光探测器（1），

并且，所述光探测器（1）用来探测透射通过所述组合滤波反射器（2）的激光光束的功率。

3.根据权利要求1所述的波长可调谐外腔激光器，还包括光探测器（1）、部分反射片（12）、以及谐振腔内的组合滤波反射器（2），

并且，在所述波长可调谐外腔激光器中，所述增益器件（7）、第一耦合透镜（6）、相位补偿器（3）、可调谐栅格滤波器（4）、宽带可调滤波器（5）、组合滤波反射器（2）、隔离器（9）、部分反射片（12）、第二耦合透镜（10）、光纤（11）是依次设置的，

其中，所述组合滤波反射器（2）用来将特定波段的激光光束反射到谐振腔内，并将从谐振腔输出的激光光束透射到所述隔离器（9），

并且，所述部分反射片（12）用来将从隔离器（9）透射的平行光束的一部分反射到所述光探测器（1）、另一部分透射到第二耦合透镜（10），

所述光探测器（1）用来探测由所述部分反射片（12）反射的激光光束的功率。

4.根据权利要求1所述的波长可调谐外腔激光器，还包括光探测器（1）、第三耦合透镜（8）、以及部分反射片（12），

其中，所述第三耦合透镜（8）用来形成所述波长可调谐外腔激光器的输出端的平行光束，

其中，在所述波长可调谐外腔激光器中，所述宽带可调滤波器（5）、相位补偿器（3）、可调谐栅格滤波器（4）、第一耦合透镜（6）、增益器件（7）、第三耦合透镜（8）、隔离器（9）、部分反射片（12）、第二耦合透镜（10）、光纤（11）是依次设置的，

并且，所述部分反射片（12）用来将从隔离器（9）透射的平行光束的一部分反射到所述光探测器（1）、另一部分透射到第二耦合透镜（10），

所述光探测器（1）用来探测由所述部分反射片（12）反射的激光光束的功率。

5.如权利要求1至4中的一个所述的波长可调谐外腔激光器，其中，

所述宽带可调滤波器（5）是液晶电光可调滤波器，在全部C波段或L波段可调谐，所述宽带可调滤波器（5）的FSR大于可调谐的波段宽度。

6.如权利要求1至4中的一个所述的波长可调谐外腔激光器，其中，

所述可调谐栅格滤波器（4）的FSR选择为可调谐栅格滤波器（4）的波长间隔的N倍，其中N大于或等于1，

并且，宽带可调滤波器（5）的3dB带宽不大于可调谐栅格滤波器（4）的FSR的2倍。

7.如权利要求1至4中的一个所述的波长可调谐外腔激光器，其中，

所述可调谐栅格滤波器（4）由硅标准具与温度调节装置组合构成，其中硅标准具由抛光平行的硅片制成，在硅片两面分别镀有部分反射膜，在硅标准具的一面装有通过溅射或蒸镀方式制作的加热电阻（4-3），用来根据温度来调节可调谐栅格滤波器（4）的栅格位置，另一面装有热敏电阻（4-1），其通过贴片的方式贴在硅标准具表面，用来探测所述可调谐栅格滤波器（4）的温度，通过温度反馈控制加热电阻电流的大小，维持所述可调谐栅格滤波器（4）的温度稳定。

8.如权利要求1至4中的一个所述的波长可调谐外腔激光器，其中，

所述相位补偿器（3）的主体是镀有增透膜的硅片（3-2），所述硅片（3-2）的一面装有薄膜加热电阻（3-3），用来通过电流作用在薄膜加热电阻（3-3）上产生热量，改变硅片的温度，使光通过硅片后的相位发生改变，

所述硅片（3-2）的另一面装有热敏电阻（3-1），用来根据硅片（3-2）的温度而改变其阻值大小。

9.如权利要求2或3所述的波长可调谐外腔激光器，其中，

所述组合滤波反射器（2）的主体是玻璃楔角片（2-2），其中一面镀有部分反射膜（2-1），另一面镀有带通滤波膜（2-3）。

10.如权利要求1至4中的一个所述的波长可调谐外腔激光器，其中，

所述宽带可调滤波器（5）是由光栅（5-1）和MEMS转镜（5-2）构成的电光可调器件，所述光栅（5-1）用来将所述准直多波长光束分解为按波长具有不同色散角的多个光束、并输入到所述MEMS转镜（5-2）。

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