CN104821485A - 激光设备和在该设备中生成激光模式的方法 - Google Patents

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Abstract

一个激光设备(300)包括一个部署在含光轴的激光腔内的增益介质(101)，所述增益介质(101)提供光放大功能；一个部署在所述激光腔内的周期性栅格生成器滤波器(103)；一个部署在所述激光腔内的通路选择器(104)，按照优化准则，所述通路选择器单元用于根据所述周期性栅格生成器滤波器(103)所定义的频道选择放大光的激光模式；以及一个部署在所述激光腔内的带通滤波器(305)，所述带通滤波器用于抑制所述带通滤波器(305)的通带范围之外的激光模式。

Description

激光设备和在该设备中生成激光模式的方法
技术领域
本发明涉及一种激光设备以及在一种激光设备中生成激光模式的方法。本发明还涉及光通信领域，尤其是DWDM(密集波分复用)系统。
背景技术
光纤通信中对更大带宽的需求推动了可在密集波分复用(DWDM)系统中使用的复杂发射器激光器的开发，其中，多个单独的数据流同时在单根光纤上传输。每个数据流由一个半导体激光器的调制输出在一个具体的通路频率或波长上创建，并且，多个所述的调制输出合并至所述的单根光纤。电信DWDM系统在很大程度上基于分布式反馈(DFB)激光器。为满足在电信波长的固定栅格上的操作需求，该固定栅格也叫做ITU栅格，DFB已通过外部参考标准具增强，并且需要反馈控制环路。为克服单个DFB设备的限制，已开发出外腔激光器。
图1所示的典型外腔可调谐激光器设计100包括一个增益介质101来实现光放大，一个周期性栅格生成器滤波器103(通常为一个标准具)来根据系统规范提供正确的通路频率栅格(对于DWDM系统，通常为C波段或L波段ITU频率栅格)，一个可采用正确的调谐机制进行调谐的通路选择器滤波器104，在通路栅格允许的激光模式之间选择激光模式，和一个准直/调整透镜系统102，为准直的腔光束提供正确的对准和尺寸。腔长为110的腔因此通常由作为第一块镜的增益介质101的端面和可以作为第二块镜的通路选择器单元104之间的部分所构成。
所述外腔激光器的一个设计可以在US 674 332 B2找到，其中，通路选择器滤波器104作为可调谐单元，将一个被选波长的光反馈给增益介质101。
保证单模激光的一个可能的解决方案可以在WO 2004070893中找到，其中，可调谐镜是一个GMR镜(导模共振镜)，该GMR镜的反射峰可通过合适的机制进行调谐，所述调谐机制可以对该GMR镜结构内包含的一个或多个材料的光学性质进行电调谐或热调谐。实际上，增益介质的有效增益范围(EGR)通常远大于所需的DWDM通路范围，通路选择器单元需要在该DWDM通路范围内可调。增益轮廓也依赖于驱动电流，因此可能出现的情况是，高增益会在通路范围外以波长形式存在。WO 2004070893中所描述的可调谐镜没有无限的FSR(自由光谱范围)，因此，除了可用于通过栅格选择通路的主反射峰，该可调谐镜还始终具有次反射峰以及可能出现的地面反射噪声。次反射峰和本底噪声都能在DWDM通路范围外与标准具峰重叠，从而提供不可忽视的光反馈。
图2示出了在外腔激光器波长范围内的增益210的增益图200，所述外腔激光器可生成主激光模式201和二级激光模式202。由于在DWDM通路范围203外可能存在的高增益，在该频率范围内会出现某些不想要的激光模式，其中，次反射峰或地面反射噪声与标准具峰重叠。如果这两种模式，即：图2示出的主激光模式201和二级激光模式202，在增益/损耗平衡方面具有可比性，那么这将导致与激光腔的纵向多模振荡相对应的激光频率不可控。当标准具峰与可调谐镜峰之间存在频率失谐，这种影响将更加严重。例如，在启动过程中，标准具与可调谐镜之间的相对频率对准未能得到主动控制，因此可调谐镜主反射峰提供的光功率反馈(与主激光模式201对应)可能会与次反射峰提供的光功率反馈相当，从而使二级激光模式202发生振荡。另外，寄生反射可激发不想要的激光模式，寄生反射会在DWDM通路范围203外发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种可在指定的波长栅格上实现稳定的单模激光操作的改良型外腔激光器设计。
所述目的是通过独立权利要求的特点实现的。根据附属权利要求、描述和附图，进一步的实现方式是明显的。
本发明是基于以下发现：通过将滤波单元引入激光腔，可以解决外腔激光器的多模振荡问题，其中，所述外腔激光器采用的选择性可调谐单元是GMR镜。所述滤波单元是一个带通滤波器，能避免多模振荡而无需对GMR可调谐镜的性能进行严格限制尤其是，对GMR镜而言，调谐效率必须通过设计进行限制，并且为了克服因次反射峰或寄生反射所造成的多模振荡问题，可能不得不提高制造的复杂度。包括了带通滤波器的新设计可以通过指定的波长栅格实现稳定的单模激光操作，并且不会影响GMR镜的最佳性能。
下面内容描述了一个作为标准具的周期性栅格生成器滤波器。所述标准具是一个周期性滤波器，可在一定光谱范围内提供具有恒定频率的透射峰，所述光谱范围可以非常大，例如，可以达到几百纳米。因此，在要求的通路波段之外也能够看到标准具峰之间的良好重叠以及腔模式，系统可在介质增益仍然较高的区域内对要求的通路波段，即：ITU规定的C波段或L波段进行设定。
本发明中的带通滤波器可以向标准具提供有限的通带(所述通带可以与规定的激光器通路波段一样宽)以避免在不想要的波长区域内与腔模式产生重叠。
为了详细描述本发明，将使用以下术语、缩略语和符号：
DWDM：      dense wavelength division multiplexing，密集波分复用
DFB：       distributed feedback，分布式反馈
GMR：       Guided Mode Resonance mirror，导模共振镜
EGR：       effective gain range，有效增益范围
FSR：       free spectral range，自由光谱范围
AR：        anti-reflection，抗反射
ITU：       International Telecommunication Union，国际电信联盟
根据第一方面，本发明涉及一种激光设备，该设备包括：一个部署在含光轴的激光腔内的增益介质，所述增益介质提供光放大功能；一个部署在所述激光腔内的周期性栅格生成器滤波器；一个部署在所述激光腔内的通路选择器单元，按照优化准则，所述通路选择器单元用于根据所述周期性栅格生成器滤波器所定义的频道选择放大光的激光模式；以及一个部署在所述激光腔内的带通滤波器，所述带通滤波器用于抑制所述带通滤波器的通带范围之外的激光模式。
带通滤波器选择波长范围并且抑制该范围之外的波长，所述波长范围是指能够实现激光器调谐的范围。如果调谐单元有非无限的自由光谱范围(多个反射峰)或不可忽视的地面反射率，那么就可以对调谐单元(可调谐镜)进行重大改进，即，通路选择器的性能。通过引入带通滤波器，可以解决所有问题并且可以取消严格的设计约束，从而使可调谐镜更高效、简易。
根据第一方面，在激光设备的第一种可能的实现方式中，优化准则包括：在频道范围内对通路选择器进行调谐，从而在与周期性栅格生成器滤波器的一个通路的对应频率上产生一个单激光模式。
当在频道范围内对通路选择器进行调谐，从而在与周期性栅格生成器滤波器的一个通路的对应频率上产生一个单激光模式时，可以根据规范在通路范围内选择一个强大的、可调节的激光模式，尤其是在ITU规定的C波段或L波段内。
根据第一方面或者第一方面的第一种实现方式，在激光设备的第二种可能的实现方式中，带通滤波器的通带是根据规范被配置为与某通路范围相符，尤其是在ITU规定的C波段或L波段内。
当带通滤波器的通带与周期性栅格生成器滤波器的频道范围对应时，激光设备能够在规定的频段内稳定强健地运行。
根据第一方面或者第一方面的上述任何实现方式，在激光设备的第四种可能的实现方式中，通路选择器包括一个导模共振可调谐镜.
通过采用适当的调谐机制可以对GMR可调谐镜进行调谐，从而在通路栅格所支持的激光模式中进行精确选择。
根据第一方面的第四种可能的实现方式，在激光设备的第五种可能的实现方式中，所述导模共振可调谐镜包括至少一个含可调谐折射率的有源层，所述可调谐折射率可在第一个数值和高于第一个数值的第二个数值之间进行设置。
GMR可调谐镜的有源层可通过调谐有源层的折射率来调谐共振峰位，从而覆盖规定的整个通路波段，例如，ITU规定的整个C波段或L波段。
根据第一方面的第五种可能的实现方式，在激光设备的第六种可能的实现方式中，所述可调谐反射率的第二个数值是在所述至少一个有源层上产生与至少两个不同的反射峰相对应的至少两种不同的波导模式。
本规范中所述的有源层或可调谐层是指可根据可调谐层的反射率生成不同的可调谐波导模式的可调谐层，例如，如以下参照图5所描述的层512。本规范中所述的波导层是指可生成一个主波导模式的层，例如，如以下参照图5所描述的层513。当可调谐层的反射率从初始值升高后，所述层上可生成其它的波导模式。
使副峰低于有效增益范围(EGR)边缘会导致主峰受限的调谐；当副峰可上升到指定的通路波段但低于EGR边缘时，主峰将具有更高的可调谐性。
通过施加电压，液晶的反射率发生改变。原则上，为了获得能覆盖调谐力有限的整个通路波段的主反射峰，通过液晶材料来实现对反射率的强势调谐是可取的。然而，强势调谐可能会引发EGR所包含的光谱范围内的副反射的升高，其中，二级激光模式可被激发并且在腔内振荡。带通滤波器支持将LC指数提高至某特定数值，而不会产生使二级激光模式位于高增益范围内的缺陷，因为滤波器抑制了二级激光模式。
根据第一方面的第六种可能的实现方式，在激光设备的第七种可能的实现方式中，所述导模共振可调谐镜用于在增益介质的光谱范围内生成至少两个不同的反射峰。
当在增益介质的EGR范围内生成至少两个不同的反射峰时，反射率高于某特定数值，从而可以对主峰进行更好的调谐。反射率和层厚度都设为较大数值会有助于对主波导模式反射率的有效调谐。
根据第一方面的第六种或第七种实现方式，在激光设备的第八种可能的实现方式中，所述导模共振可调谐镜用于在指定通路范围内生成所述至少两个反射峰的一个主峰以及在指定通路范围外生成所述至少两个不同反射峰的一个副峰。
副峰的升高有助于对主峰进行更好的调谐。因副峰升高所导致的激光设备的不稳定表现可以通过带通滤波器过滤副峰来解决，从而使激光设备运行稳定。
根据第一方面的第八种可能的实现方式，在激光设备的第九种可能的实现方式中，所述导模共振可调谐镜用于在指定的通路范围的边缘生成至少两个反射峰的一个副峰
当所述副峰可以提高至指定通路范围的边缘，尤其是ITU定义的C波段或L波段所指定的通路范围的边缘时，激光设备的性能得到优化。在波段边缘，带通滤波器的阻带把不需要的峰过滤掉。
根据第一方面的从第五种到第八种可能的实现方式中的任何一种方式，在激光设备的第十种可能的实现方式中，所述导模共振可调谐镜的至少一个有源层包括一个向列液晶层。
所述向列液晶层由高双折射分子组成，所述高双折射分子可通过电场有效改变折射率。因此，可以轻松精确地实现折射率的改变。
根据第一方面的从第四种到第十种可能的实现方式中的任何一种方式，在激光设备的第十一种可能的实现方式中，所述导模共振可调谐镜包括至少一个抗反射层，所述抗发射层被设置为只能在带通滤波器的通带上运行。
抗反射(AR)层必须被引入GMR可调谐镜的结构中，因为除了镜峰之外，希望能在GMR可调谐镜的所有反射光谱范围内有一个低反射率值，从而避免激活除主峰所选择的激光模式之外的其它激光模式。AR设计包括通过菲涅尔反射在某带宽范围内产生破坏性干扰的一定数量的层。从剩余反射率值和带宽方面来说，AR层的性能依赖于AR设计所用的材料以及AR层的数量。
如果一个带通滤波器被引入腔内，AR层可被设计为只在滤波器通带的有限带宽范围内工作，这意味着制造步骤(层)减少或者在采用相同数量的层的情况下却拥有更好的性能。
根据第一方面或者第一方面的上述可能的实现方式中的任何一种方式，在激光设备的第十二种可能的实现方式中，所述带通滤波器集成了激光腔内的一个腔长调谐单元。
将带通滤波器与激光腔内其它几个单元集成，例如：腔调谐单元，节省了腔内空间。带通滤波器集成腔长调谐单元非常方便，因为这不需要占用腔内太多的空间而且利用低成本的制造技术就可以实现，例如：晶圆级的薄膜沉积。
根据第一方面的第十二种可能的实现方式，在激光设备的第十三种可能的实现方式中，所述腔长调谐单元被斜置于激光腔内，从而使具有通带外频率的光被反射出激光腔。
在将倾斜单元，例如：腔长调谐单元，集成到带通滤波器上时，具有带通滤波器的通带外频率的光可以被反射出激光腔，从而不会提供不必要反馈。
根据第二方面，本发明涉及一种在激光设备内生成激光模式的方法，该方法包括：在一个含光轴的激光腔内部署一个增益介质，所述增益介质提供光放大功能；在所述激光腔内部署一个周期性栅格生成器滤波器；在所述激光腔内部署一个通路选择器单元，按照优化准则，所述单元用于根据周期性栅格生成器滤波器所定义的频道选择一种激光模式；以及在所述激光腔内部署一个带通滤波器，所述带通滤波器用于抑制所述带通滤波器的通带范围之外的激光模式。
该方法避免了腔的多模振荡，不会降低通路选择器调谐镜的调谐效率，并且也没有增加设备制造的复杂度。
根据第三方面，本发明涉及一种外腔激光设备，该设备包括：一个用于发射光束的增益介质；一个可调谐单元，所述可调谐单元用于接收所述光束并向所述增益介质反馈被选波长的光；一个滤波器单元，所述滤波器单元位于所述增益介质和所述可调谐单元之间；所述可调谐单元用于在指定波长范围内提供被选波长的选择；所述滤波器单元被设置作为带通滤波器运行，用于对指定波长范围外的波长上的激光进行抑制。
使用带通滤波器可以使外腔激光设备在指定的波长栅格上实现稳定的单模运行。通过采用带通滤波器，次反射峰可上升到通路波段的限值，使主峰可以在调谐力下降，即：外加电压下降的情况下在整个通路波段上具有更高的可调谐性。
根据第三方面，在外腔激光设备的第一种可能的实现方式中，所述可调谐单元是一个GMR可调谐镜。
通过采用适当的调谐机制可以对GMR可调谐镜进行调谐，从而在指定波长范围内所支持的激光模式中进行精确选择。
根据第三方面，在外腔激光设备的第二种可能的实现方式中，所述外腔激光设备还包括一个位于所述增益介质和所述可调谐单元之间的腔长调谐单元。
所述腔长调谐单元对于控制激光模式频率非常有用。
根据第三方面的第二种实现方式，在所述外腔激光设备的第三种可能的实现方式中，所述腔长调谐单元与所述滤波单元直接耦合。
当所述腔长调谐单元与所述滤波单元直接耦合时，可以用低附加成本和低腔内空间占用率来生产这两个单元。例如，可以采用薄膜涂层来生产调谐单元上的滤波器单元，以降低生产成本和腔内空间占用率。
根据第三方面，在所述外腔激光设备的第四种可能的实现方式中，所述外腔激光设备还包括一个栅格生成器，按照预先确定的系统信道间隔要求，所述栅格生成器用于对准被选波长。
所述栅格生成器能够满足DWDM系统的ITU要求。因此，所述外腔激光设备可有效应用于电信系统中。
附图说明
本发明进一步的实施例结合以下附图进行说明，其中：
图1示出了一个目前使用的外腔可调谐激光器设计100的框图；
图2示出了如图1所示出的外腔激光器设计的波长范围内增益210的框图200。
图3示出了根据本发明的一种实现方式的包括带通滤波器305的激光设备300例子的框图。
图4示出了单模激光操作的光谱图400；
图5a和5b示出了根据本发明的一种实现方式的用于如图3所示出的激光设备300中GMR可调谐镜例子的示意图500a和500b。
图5c和5d示出了如图5a和5b所示出的GMR可调谐镜的光谱图500c和500d。
图6示出了根据本发明的一种实现方式的含有主激光模式611和二级激光模式614的激光设备的操作光谱图600。
图7示出了根据本发明的一种实现方式的作为外加于GMR可调谐镜中可调谐层电压的一个函数的主峰和副峰出现的例子的波长图700。
图8a示出了在使用不包含带通滤波器的外腔激光器时，作为GMR可调谐镜自由光谱范围(FSR)的一个函数的激光设备调谐效率的依赖性的例子的电压图800a。
图8b示出了根据本发明的一种实现方式在使用包含带通滤波器的激光设备时，作为GMR可调谐镜自由光谱范围(FSR)的一个函数的激光设备调谐效率的依赖性的例子的电压图800b。
图9a示出了根据本发明的一种实现方式的包含抗反射(AR)层918的GMR可调谐镜900a的例子的示意图。
图9b示出了根据本发明的一种实现方式的不带AR层904、带AR层906的GMR可调谐镜的典型反射光谱。
图10示出了根据本发明的一种实现方式，在存在较高的地面反射的情况下激光设备操作的光谱图1000。
图11示出了作为带宽的一个函数的地面反射的典型反射光谱1100，在该带宽上为包括和不包括带通滤波器设计的激光设备对AR层进行优化设计。
图12示出了根据本发明的一种实现方式包括带通滤波器305的激光设备1200例子的框图，所述带通滤波器305集成有腔长调谐单元1207。
图13示出了根据本发明的一种实现方式的激光设备的带通滤波器设计例子的增益图1300；而且
图14示出了根据本发明的一种实现方式在激光设备中生成激光模式的方法1400的示意图。
实施例的具体实施方式
在以下具体实施方式中，参考附图说明，附图说明构成实施例的一部分并以实例的方式对实施本发明的一些特定方面进行了描述。在不偏离本发明的范围的情况下，可以采用其它方面并进行结构或逻辑修改。因此，以下具体实施方式不应被限制且本发明的范围通过附加的权利要求进行了限定。
此处所述的各种设备和方法可以基于激光设备，例如：外腔激光器。与所述方法相关的评论也同样适用于执行该方法的对应设备，反之亦然。例如，如果描述了某个具体的方法步骤，那么对应的设备可以包括执行该所述方法步骤的单元，即使图中并未对该单元进行明确描述或说明。此外，除非特别说明，否则此处所述的各种示例方面的特点可以互相组合。
图3是示出根据本发明的一种实现方式的包括带通滤波器305的激光设备300的例子的框图。所述激光设备300可以包括一个部署在含光轴的激光腔内增益介质101。所述增益介质101可以提供光放大功能。所述激光设备300可以包括一个部署在激光腔内的周期性栅格生成器滤波器103。所述激光设备300可以包括一个部署在激光腔内的通路选择器104，按照优化准则，所述通路选择器104用于根据周期性栅格生成器滤波器所定义的频道选择放大光的激光模式.所述激光设备300可以包括一个部署在激光腔内的带通滤波器305，所述带通滤波器305用于抑制带通滤波器的通带范围之外的激光模式。
所述带通滤波器305可用于对腔内的光进行光谱滤波。如果所述带通滤波器被设计为与通路波长范围相符，则在该波长范围外将不会出现二级激光模式，因为它们的频率包含在所述带通滤波器305的阻带之内并被所述带通滤波器305抑制。
在所述激光设备300的一种实现中，优化原则包括对所述通路选择器进行调谐从而在指定通路范围内产生单激光模式。在所述激光设备300的一种实现中，所述带通滤波器305的通带根据规范被配置为与某通路范围相符，尤其是在ITU规定的C波段或L波段内。在所述激光设备300的一种实现中，所述通路选择器104包括一个导模共振可调谐镜。在所述激光设备300的一种实现中，所述导模共振可调谐镜包括至少一个含可调谐折射率的有源层，所述折射率可在第一个数值和高于第一个数值的第二个数值之间进行设置，如以下图5所描述。在所述激光设备300的一个实现方式中，在波导层(如以下参考图5所述的层513)上产生主波导模式之后，所述可调谐反射率的第二个数值为在至少一个有源层上(即，在可调谐层，如以下参考图5所述的层512)产生至少两种不同的波导模式。所述至少两种不同的波导模式与至少两种不同的反射峰相对应。在所述激光设备300的一种实现中，所述导模共振可调谐镜用于在所述增益介质的光谱范围内生成所述至少两种不同的反射峰在所述激光设备300的一种实现中，所述导模共振可调谐镜用于在一个指定通路范围内生成所述至少两个反射峰中的主峰以及在所述指定通路范围外生成所述至少两个反射峰中的副峰。在所述激光设备300的一种实现中，所述导模共振可调谐镜用于在所述指定通路范围的边缘生成所述至少两个不同反射峰中的所述副峰。在所述激光设备300的一种实现中，所述导模共振可调谐镜的所述至少一个有源层包括一个向列液晶层。在所述激光设备300的一种实现中，所述导模共振可调谐镜包括至少一个抗反射层，所述抗发射层被设置为只能在带通滤波器的通带上运行。
图4示出了单模激光操作的光谱图400。在如图3所示出的上述外腔激光器300中，按照最优原则，通过对腔单元光谱的精确主动校准实现单模激光操作，从而满足针对仅一个腔模式或如图4所示出的激光模式411的激光增益/损耗平衡条件。从图中可以清楚看到腔只支持一种与最低损耗相对应的激光模式411，即，与标准具峰413和可调谐镜主峰412相一致的激光模式。
图4还示出了法布里珀罗腔模式414。
图5a和5b示出了根据本发明的一种实现方式的用于如图3所示出的激光设备300中GMR可调谐镜104例子的示意图500a和500b。
如前所述，方便的选择是将可调谐单元104设计为GMR(导模共振)镜。在此类设备中，调谐原理基于通过调谐GMR结构中一个或多个层的反射率来调谐共振峰位，从而覆盖规定的整个通路波段，该通路波段可以是ITU规定的C波段或L波段。图5a和5b示出了GMR可调谐镜104的简化结构。所述GMR可调谐镜104包括位于衬底517上的以下各层：缓冲层516、光栅层515、间隙层514、波导层513、可调谐层512和玻璃层511。至少包括一个具有可调谐反射率(n)的层512。所述发上来可在较低的数值nlow和较高的数值nhigh之间进行调谐，进而调谐反射峰的光谱位置，从而到达指定波长范围内的至少第一个和最后一个通路。入射光照射在玻璃层511上。在折射到玻璃层511之后，反射光从GMR可调谐镜104上发射出来。
图5c和5d示出了如图5a和5b所示出的GMR可调谐镜结构104的光谱图500c和500d。当可调谐层512的折射率被设置为较低的数值nlow，所述结构可以有一个与如图5c所示出的主峰521相对应的波导模式。当可调谐层512的折射率被设置为较高的数值nhigh，该层自身将变成波导，从而导致所述结构拥有两种不同的波导模式，即，主波导模式和可调谐层模式，其中，满足与如图5d所示出的主峰541和副峰542这两种不同反射峰相对应的两种不同的波长上的共振条件：
λ＝Aneff        (1)
图6示出了根据本发明的一种实现方式的含有主激光模式611和二级激光模式614的激光设备的操作光谱图600。
如图4和5所示出的上述次反射峰的上升对腔内的激光模式选择条件带来如图6所示出的某些影响。可以满足针对由通路403和增益介质波段401的低端组成的光谱范围内的二级激光模式614的增益/损耗平衡条件。因为在很多实际情况下增益在某温度和注入电流值下会产生峰值，所以如果增益出现峰值，会产生所述二级激光模式614，从而导致波长不可控性和腔不稳定性。
在没有如图3所示出的上述带通滤波器305的情况下，避免二级激光模式振荡的方案可以是为了避免相关可调谐镜模式出现与不需要的波长范围内共振条件相对应的过高的有效反射率。换言之，二级模式的有效折射率必须低于某特定值，从而使相关共振条件(1)在低于增益介质101的EGR边缘的波长处(即，增益介质光谱范围401之外)出现。这可以通过适当的材料选择来实现，例如，降低可调谐层厚度或减少nhigh-nlow的值，即，双折射值。
另一方面，所述可调谐层也是主波导结构的覆层，因而，为了有效调谐所述主波导模式折射率，nhigh和层厚度采用较高的值是可取的。除非应用带通滤波器305，否则必须找到一个设计折衷方案。
图7示出了根据本发明的一种实现方式的作为外加于GMR可调谐镜中可调谐层电压的一个函数的主峰和副峰出现的例子的波长图700。所述主反射峰和次反射峰出现的波长绘制为外加于所述可调谐层的电压的函数。在一个实施例中，这可以是一个向列液晶层，由于电场引入的高双折射分子取向的缘故，该向列液晶层的反射率在nlow和nhigh之间变化。双折射定义如下：
Δn＝nhigh-nlow      (2)
鉴于可调谐层厚度和两种不同的液晶共混物已知，因此对两个不同的双折射值Δn1＞Δn2进行了考虑。曲线图701示出了低双折射值Δn2时的主峰调谐曲线。曲线图702示出了低双折射值Δn2时的副峰。曲线图703示出了高双折射值An1时的主峰。曲线图703示出了高双折射值Δn1时的副峰。示意图示出了一个与带通滤波器通带720和EGR波段相对应的通路。
使所述副峰低于EGR边缘也可以会导致对主峰612的有限调谐。如果允许次反射峰613上升到如图6所示出的通路波段403的限值，由于带通滤波器305的存在，因此，针对本特定实现，主峰612可以在调谐力下降的，即，外加电压下降的整个通路波段上具有更高的可调谐性。通过保持材料属性(在本特定情况下，是指双反射)和改变可调谐层厚度，能够获得相同趋势。
图8a示出了在使用不包含带通滤波器的外腔激光器时，作为GMR可调谐镜自由光谱范围(FSR)的一个函数的激光设备的调谐效率的依赖性的例子的电压图800a。图8b示出了根据本发明的一种实现方式在使用包含带通滤波器的激光设备时，作为GMR可调谐镜自由光谱范围(FSR)的一个函数的激光设备的调谐效率的依赖性的例子的电压图800b。
图8a和8b代表了作为GMR可调谐镜自由光谱范围(FSR)的一个函数的外腔激光器300调谐效率的依赖性。所述GMR可调谐镜可能没有周期性相应，但是一个主峰和可能一个或多个副峰也许未等距分隔。所述自由光谱范围的定义可能并不适用。然而，为简单起见，它仍表示从所述主峰和所述副峰中的第一个峰开始构成的波长/频率范围。
调谐效率是按照覆盖整个C波段或L波段所需的最大液晶驱动电压进行计算的为进行该评估，可以考虑简化的数值，例如，50nm通路波段范围和100nmEGR。如果这些数值为已知，根据图800a中圆801所示的8V所需最大电压，在不使用带通滤波器305的情况下，可能不得不将所述可调谐镜FSR保持在75nm以上。通过使用带通滤波器305，所述FSR可降至50nm(与通路波段相一致)，从而使最大电压变为图800b中圆圈802所示的4V。为获得不同的FSR值而改变的参数是液晶双折射Δn，所述液晶双折射Δn一般可以从众多商业共混物中选择。
图9a示出了根据本发明的一种实现方式的包含抗反射(AR)层918的GMR可调谐镜900a的例子的示意图。
从如图9b所示出的反射光谱中可以看出，将带通滤波器305引入所述可调谐激光器腔的一个更主要的优势与GMR可调谐镜900a的抗反射(AR)层918的设计和制造有关。GMR可调谐镜900a可以采用如图5a和5b所示出的上述相同结构，但是可以包括一个或多个AR层918。
图9b示出了根据本发明的一种实现方式的不带AR层904、带AR层906的GMR可调谐镜的反射光谱。
当一个高反射率衬底(即，硅)用于所述可调谐镜时，例如，在如以上图3所述的激光设备300中，尤其需要AR层918。为了将所述高反射率衬底与光栅层和波导层进行光学隔离，可能需要一个低反射率的缓冲器，这样，在缓冲/衬底界面可能出现明显的光阻抗不匹配。这种不匹配可能导致如图9b所示出的共振区域外的反射光谱上不需要的地面高度。
AR层可以提供高反射率材料和低反射率材料之间的匹配。AR层的总数和相关的厚度值可以从它们的反射率开始设计，从而在不同界面上的所有反射波之间产生相消干扰。在图9a中，第一条曲线904示出了不带AR层的光谱，第二条曲线906示出了带AR层的光谱。
图10示出了根据本发明的一种实现方式，在存在较高的地面反射的情况下激光设备操作的光谱图1000。
图10示出了所述可调谐镜可能出现高地面反射率1003的情况。这可能是由于未对如图9所示出的AR层918的整个带宽进行优化，或者是由于因例如制造容差而导致AR层918厚度/反射率出现统计偏差。在这种情况下，能够生成二级激光模式1004，如果其增益/损耗腔平衡可以与主激光模式1002的增益/损耗腔平衡相当。这种情况尤其会发生在启动过程中，在该启动过程中，标准具与可调谐镜之间的相对频率对准不精确，因为频率对准没有受到主动控制而且一般在标准具与可调谐镜之间存在频率失谐。另外，如果失谐是预期的工作状况，则该情况可适用严格限制。从图10中可以看出，主激光模式1002没有与可调谐镜的主峰1001对准。AR层918的剩余反射率和AR带宽可以通过设计进行设置，但是在较大带宽范围内的低反射率值可能需要辅助的AR层结构918，该结构可能意味着更多的层和制造步骤以及较低的制造容差。
图11示出了作为带宽的一个函数的地面反射的反射光谱1100，在该带宽上为包括带通滤波器设计1101和不包括带通滤波器设计1102的激光设备对AR层进行优化设计。地面反射噪声，此处是指在波段上的最大值，被绘制为相同带宽的一个函数，在该带宽上对AR层进行优化设计。
考虑到相同的100nm EGR值，如果未引入带通滤波器305，则AR涂层可能必须被设计为覆盖整个波段。另一方面，如果含50nm带宽的带通滤波器305被引入到腔内，则可以将AR层设计为只在50nm带宽范围内工作，这意味着更少的制造步骤(层)，或者在层数量相等的情况下提供更好的性能。
由于引入了带通滤波器305，地面反射噪声可以从0.80％降至0.15％，而无需更复杂的AR设计。如果把制造容差纳入考虑范围，引入带通滤波器可能会带来更大的改进。
图12示出了根据本发明的一种实现方式包括带通滤波器305的激光设备1200例子的框图，所述带通滤波器305集成有腔长调谐单元1207。激光设备1200可包括一个部署在含光轴的激光腔内的增益介质101，所述增益介质提供光放大功能。激光设备1200可包括一个部署在激光腔内的周期性栅格生成器滤波器103。激光设备1200可包括一个部署在激光腔内的通路选择器104，按照优化准则，所述通路选择器用于根据周期性栅格生成器滤波器103所定义的频道选择放大光的激光模式。激光设备1200可包括一个部署在激光腔内的带通滤波器305，所述带通滤波器用于抑制带通滤波器的通带范围之外的激光模式。带通滤波器305可与激光腔内的腔长调谐单元1207进行集成。
在一个例子中，腔长调谐单元1207可与带通滤波器305一起被斜置于激光腔内，从而使通带外频率的光被反射出激光腔。将带通滤波器305与激光腔内其它几个单元集成可节省腔内空间。
在一个例子中，通带可与透射光相对应，而且阻带可与反射光相对应。关于如图12所示出的激光腔设计，将带通滤波器305与一个斜置单元集成，例如：腔长调谐单元1207，可能比较方便，这样可以使具有带通滤波器305的通带外频率的光被反射出激光腔，从而不会提供不必要的反馈。
对于一个GMR可调谐镜而言，在进行波长不敏感操作时可能需要正入射。与标准具集成可能不太容易实现，因为标准具可能会采用含可控反射率值的涂层，以提供所需的滤波器精细度。例如，实践已经证明，在单侧或两侧将带通滤波器305与腔长调谐单元1207集成对控制激光频率非常有用。在一个例子中，可以利用热光效应，通过腔长调谐单元1207对光程进行调谐，并且其透射光谱响应可能是平坦的。在一个例子中，薄膜涂层可用于制造调谐单元上的带通滤波器。这可以导致低附加成本和低腔内空间占用率。
图13示出了根据本发明的一种实现方式的激光设备的带通滤波器设计例子的增益图1300。带通滤波器设计可以集中于C波段的波长范围。从图13可以看出，通带1304位于左侧阻带1302和右侧阻带1306之间。
在一个例子中，带通滤波器305可作为双通单元实现。这就意味着取滤波函数的平方。因此，如果带通滤波器305采用多层堆叠，为了在带外抑制方面达到相同的规格，可以对滤波器进行更宽松的设计，包括减少层的数量。
图14示出了根据本发明的一种实现方式在激光设备中生成激光模式的方法1400的示意图。方法1400可以包括在一个含光轴的激光腔1401内部署一个增益介质1401，所述增益介质提供光放大功能。方法1400可以包括在所述激光腔内部署一个周期性栅格生成器滤波器1402。方法1400可以包括在所述激光腔内部署一个通路选择器1403。按照优化准则，所述通路选择器用于根据周期性栅格生成器滤波器所定义的频道选择一种激光模式。方法1400可以包括在所述激光腔内部署一个带通滤波器1404。所述带通滤波器用于抑制带通滤波器的通带范围之外的激光模式。
方法1400可用于操作如图3所示出的上述激光设备300。
当本发明中只涉及到七种实现方式中的一种实现方式的某一特性或方面可能已被披露时，如果任何指定的或特定的申请需要或者对此类申请有利，则该特性或方面可以与其它实现方式中的一个或多个其它特性或方面相结合。另外，术语“包括”、“有”、“带”或其它变体用于具体实施方式或权利要求中，就这一方面来说，此类术语旨在表达与术语“组成”类似的具有包含性的意思。另外，术语“典型”、“例如”和“如”仅仅表示举例，而非最佳或最优。
尽管此处已对某些特定方面进行了描述和说明，但是本领域的普通技术人员应当了解，在不偏离本发明的范围的情况下，针对所显示和描述的特定方面可以对各种备选和/或等同的实现方式进行替代。本申请旨在涵盖此处讨论的特定方面的任何修改或变化。
尽管下列权利要求中的带对应标签的单元以特定顺序进行陈述，但是除非权利要求的陈述另外暗示了执行部分或全部这些单元的某特定顺序，否则这些单元不一定被限于以该特定顺序实施。
基于上述教导，许多备选方案、修改和变化对本领域技术人员来说是显而易见的。当然，本领域专业人员能够理解，本发明还可用于很多除上述以外的应用场景。尽管本发明结合一个或多个具体实施例进行描述，本领域技术人员理解可以在不偏离本发明的范围的情况下对本发明进行多种修改。因此，可以理解为：在所附权利要求及其等效替换的范围内，可以用本文未具体说明的其他方式来实施本发明。

Claims (14)

1.一个激光设备(300)，其特征在于，包括：
一个部署在含光轴的激光腔内的增益介质(101)，所述增益介质(101)提供光放大功能；
一个部署在所述激光腔内的周期性栅格生成器滤波器(103)；
一个部署在所述激光腔内的通路选择器(104)，按照优化准则，所述通路选择器用于根据周期性栅格生成器滤波器(103)所定义的频道选择放大光的激光模式；以及
一个部署在激光腔内的带通滤波器(305)，所述带通滤波器用于抑制带通滤波器(305)的通带范围之外的激光模式。
2.根据权利要求1所述的激光设备(300)，其特征在于，所述优化原则包括：在频道范围内对所述通路选择器(104)进行调谐，从而在与所述周期性栅格生成器滤波器(103)的一个通路的对应频率上产生一个单激光模式。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的激光设备(300)，其特征在于，所述带通滤波器(305)的通带根据规范被配置为与某通路范围相符，尤其是在ITU规定的C波段或L波段内。
4.根据上述权利要求中任一项所述的激光设备(300)，其特征在于，所述通路选择器(104)包括一个导模共振可调谐镜。
5.根据权利要求4所述的激光设备(300)，其特征在于，所述导模共振可调谐镜包括至少一个含可调谐折射率的有源层(512)，所述可调谐折射率可在第一个数值和高于第一个数值的第二个数值之间进行设置。
6.根据权利要求5所述的激光设备(300)，其特征在于，所述可调谐折射率的第二个数值是在所述至少一个有源层(512)上产生与至少两个不同的反射峰相对应的至少两种不同的波导模式。
7.根据权利要求6所述的激光设备(300)，其特征在于，所述导模共振可调谐镜用于在所述增益介质的光谱范围内生成所述至少两个不同的反射峰。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的激光设备(300)，其特征在于，所述导模共振可调谐镜用于在指定通路范围内，尤其是ITU定义的C波段或L波段指定通路范围内，生成所述至少两个反射峰的一个主峰，以及在所述指定通路范围外生成所述至少两个不同反射峰的一个副峰。
9.根据权利要求8所述的激光设备(300)，其特征在于，所述导模共振可调谐镜用于在所述指定通路范围的边缘生成所述至少两个不同反射峰中的所述副峰。
10.根据权利要求5到权利要求9中任一项所述的激光设备(300)，其特征在于，所述导模共振可调谐镜的所述至少一个有源层(512)包括一个向列液晶层。
11.根据权利要求4到权利要求10中任一项所述的激光设备(300)，其特征在于，所述导模共振可调谐镜包括至少一个抗反射层(918)，所述抗反射层被设置为只能在所述带通滤波器(305)的通带上运行。
12.根据上述权利要求中任一项所述的激光设备(1200)，其特征在于，所述带通滤波器(305)集成了所述激光腔内的一个腔长调谐单元(1207)。
13.根据权利要求2所述的激光设备(1200)，其特征在于，所述腔长调谐单元(1207)被斜置于所述激光腔内，从而使具有所述通带外频率的光被反射出所述激光腔。
14.一种在激光设备内生成激光模式的方法(1400)，其特征在于，所述方法包括：
在一个含光轴的激光腔内部署(1401)一个增益介质，所述增益介质提供光放大功能；
在所述激光腔内部署(1402)一个周期性栅格生成器滤波器；
在所述激光腔内部署(1403)一个通路选择器，按照优化准则，所述通路选择器用于根据所述周期性栅格生成器滤波器所定义的频道选择一种激光模式；以及
在所述激光腔内部署(1404)一个带通滤波器，所述带通滤波器用于抑制所述带通滤波器的通带范围之外的激光模式。
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