CN1207214A - 稳定半导体激光器的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

稳频半导体激光器的方法。该方法包括下述步骤:通过光混合光谐振器的漏泄场与该半导体激光器的调频输出检测外差差拍音;以及通过在相位上相差90°角混合该外差差拍音与射频基准信号检测该外差差拍音的相位。该方法还包括下述步骤:滤波检测到的外差差拍音的相位;定标经过滤波的检测到的外差差拍音的相位;以及用定标的检测到的外差差拍音的相位及射频调制基准信号调制该半导体激光器。

Description

稳定半导体激光器的方法与装置
本发明的领域涉及激光器，更具体地，涉及稳频激光器。
提供激光器的整体频率控制的方法是已知的。光锁相环(OPLL)也是已知的。这些技术已应用在包括气体激光器、染料激光器及固态激光器在内的多种多样的激光器上，以在适当的实验室条件下达到稳频及谱线宽度窄化性能。在本技术中使用的名词谱线宽度是指激光器输出的整个频谱含量(即频谱)而言，而不是光学系统的任何分率限度(如行/mm)。
OPLL的早先应用通常局限于包含激光谐振器的系统，其中的频谱响应是以相对地窄的谱线宽度的单一频率为特征的。从而在先有技术的OPLL中，包含激光谐振器的光学系统的传递函数通常必须提供足够的滤波来为放大选择单个频谱特征，同时在可能出现残余激光相位噪声处降低傅里叶频率。另一方面，单片半导体激光器的宽自激谱线宽度特征使这些器件的反馈控制实质上更困难。从而，为了缩小半导体激光谐振器的自由频谱范围，绝大多数研究人员已放弃了单片设计。
先有技术知识的关键是认为包含激光谐振器的有源器件必定呈现高度的相干性。从而随着光谐振器的自由频谱范围的增加，为了为先有技术的OPLL的实现提供足够的相位稳定性，必须相应地缩小谐振带宽。在一些情况中可通过进一步提高谐振器精细度或通过利用从其中激励发射的能量状态足够亚稳定来产生所要求的相位噪声抑制的激光增益介质来做到这一点。
激光器的稳定通常通过将一部分激光器输出信号引导到在该激光器频率无关的一系列特别定义的频率上谐振的无源光谐振器中，并通过反馈控制作用将该激光器频率保持在这种谐振频率之一上而达到。当构成谐振器的反射镜的反射率非常高(低损耗)时，便将该谐振器称作高精细度谐振器。精细度在数学上只是将谐振器的自由频谱范围除以它在半最大频率响应上的全宽度(谱线宽度)。确定给定精细度的谱线宽度的便是谐振器的自由频谱范围。已建议将同时表现长期稳定性质的高精细度谐振器作为激光器的控制与稳定化中的重要因素。
从而本发明的目的为提供适用于半导体激光器的激光器稳定控制系统。
本发明的另一目的为提供与高精细度谐振器兼容的但不依赖它们的反馈控制系统。
本发明的又一目的为达到窄的谱线宽度以及半导体激光器的长期稳频操作。
这些与其它目的是由公开的半导体激光器稳频方法提供的，其中相对于谐振器相位(或另一光基准信号相位)检测激光相位并将其作为频率控制信号反馈给激光器。本方法包括下述步骤：通过在光电二极管中光混合光谐振器的漏泄场与半导体激光器的调频输出检测激光频谱在外差差拍音中的微波特征波形，以及通过混合调谐成与调频基准源成适当的相位关系的得出的微波频谱而检测激光的相位。本方法还包括下述步骤：滤波检测到的外差频谱相位，定标检测到的外差频谱相位，及用调频基准源与定标的检测到的外差频谱相位调制该半导体激光。
图1描绘按照本发明的较佳实施例的相干光通信收发机的半导体激光器稳定系统的方框图；
图2示出利用Fabry-Perot干涉仪作为图1的收发机中的基准谐振腔的光谐振器20的实施例；
图3示出利用三元件环形谐振器作为图1的收发机中的基准谐振腔的光谐振器20的实施例；
图4示出利用偏振维持光纤环谐振器作为图1的收发机中的基准谐振腔的光谐振器20的实施例；
图5为表示在图1的收发机中产生来自DC-2.5GHz的平坦的频率响应的实施例中构成光电子前端22的电路的示意图；以及
图6为包含通过图1的收发机的组合器32的阻抗匹配网的对激光器的接口的伺服环路的IF(中频)放大器14部分的示意图。
图1示出通常在本发明的实施例下的激光器稳定控制系统10的方框图。如所示，半导体激光器12由IF放大器14、微波(射频)振荡器16及信号输入调制。然而，图1所表示的半导体激光器12可以是InCaAsP分布反馈激光器(如AT&T制造的型号257)，应理解本发明适用于包含但不限于引示光导(index guided)激光器及其它类型的隐埋异质结构设计在内的任何传统激光器。事实上，本发明已显示在GaAlAs激光器上工作得与在InGaAsP激光器上一样好。
用来自RF(射频)振荡器16的信号调制激光器12导致在RF振荡器16的频率上调制激光器的相位。然后可以如下所述在组合器32内用与来自RF振荡器16的信号组合的反馈信号完成激光器12的稳定。
在本实施例下，光耦合器18包含具有适当耦合比的光学元件。光耦合器18作为束分裂器或部分反射器工作，从而当激光发射射到该光学元件上时，某些光透射过该光学元件而某些光从其反射。透射过光耦合器18的部分是用作通信信号的而耦合或反射的部分则被导向光谐振器20供用作反馈信号。光耦合器18可以是带有适当光学涂膜的反射镜或带有适当耦合比的无源光纤器件。
光谐振器20可以是Fabry-Perot干涉仪56或环形谐振器74配置，如分别在图2与图3中所示。图4表示其中利用了光纤环形谐振器86的较佳实施例。为了本发明的目的，输入光纤82与光纤环86之间的光学环形耦合器84以类似于Fabry-Perot干涉仪56的输入镜66的方式工作。光纤环形谐振器86的谐振模式的表现相当类似于环形谐振器74中的纵向模式的表现。
在图2所描绘的利用Fabry-Perot干涉仪56的实施例中，在光谐振器56与半导体激光器12之间通常要求而有时则强制保持高度的隔离。在本实施例中，所述隔离是用与输入58及输出62偏振光学器件配合的Farady旋转器60完成的。输入偏振镜58还执行偏振选择性束分裂器的功能，后者将强反馈信号引导到构成对光电子前端22的输入的光电二极管72上，同时提供与半导体激光器12的要求的隔离。
另一方面，在利用环形谐振器74的本发明的实施例(图3)中，输入反射镜76是离轴偏斜的；由于来自输入反射镜76的反射是对准PIN光电二极管72而不是激光器12的，从而这一设计提供了光谐振器74与半导体激光器12之间的内在的隔离。从而，除了提供谐振器74与激光器12的隔离，环形空腔74的输入反射镜76还执行反馈信号的束分裂器的辅助功能。
为了保证在光谐振器20中能建立谐振功率，必须将激光束的空间特征与光谐振器20的所要求的空间模式匹配。这通常能用模式匹配透镜64来完成。
虽然Fabry-Perot谐振器56及环形谐振器74、86在频率选择中是有用的，它们是难于设计与制造的，尤其是在高精细度范围内(诸如50,000-100,000)。需要具有不到千分之一毫米的容差的光反射器件。还需要损耗不超过百万分之几的超高反射镜的光学涂膜。在野外应用的典型粗糙与恶劣的环境中，通常难于长时间保持精确的对准。
在诸如图4中所描绘的较佳实施例中，用光纤元件82、84、86取代了图3的环形谐振器76的笨重镜片76、78、80。在本例中，光耦合器器件84取代了图3的输入反射镜76。用偏振保护(PM)光纤86的环取代了构成图3中的环形谐振器74的其它光学元件78、80。为了以图4中所描绘的方式实现该实施例，在环形耦合器84内部的输入PM光纤82与光纤环形谐振器86之间提供一个低损耗接口是重要的。注意光纤环耦合器件84或光纤环86中的任何损耗都会降低谐振器精度。从而所采用的光环耦合器84必须在带有最小额外损耗的被耦合的PM光纤之间提供相对低的耦合比(如＜1％)。为了达到最佳结果，额外损耗必须明显地小于耦合比。
考虑到将偏振保护光纤环86应用在光谐振器20上，某些最终的注释是必要的。为了达到工作组件，保证将均匀的线性偏振引入耦合在光纤谐振器86上的偏振保持光纤82的输入中是重要的。通过在激光器输出与PM光纤输入之间插入偏振光元件64，及通过将透射的偏振的方向对准成对应于PM光纤的主轴(即快或慢轴)从而在光偏振沿PM光纤传播时保持其完整性便可保证这一点。
再者，必须保证连接构成环形谐振器86的偏振保持光纤的两端的接头也具有高偏振保持完整性。通过利用高质量的偏振保持熔化接头(诸如Alcoa-Fujikura型号FSM-20PMII)将构成环形谐振器86的PM光纤的两端接在一起便能达到这一点。假定遵照这一方法，适合于实现本发明的这一方面的稳定的光谐振器组件便成为相对地简单明了。
如上所述，光谐振器20可以是光纤器件(如耦合的PM光纤环86)或笨重的光学器件(如Fabry-Perot干涉仪56)。光谐振器20可用市场上可买到的光学部件构成为在适当的激光频率(如230THz)及在适当的精细度(如200)上谐振。虽然通过采用研究级光学部件可达到高得多的精细度(如80,000)并且可工作得特别好，但设想将本发明应用在较低精细度(如小于1000)的谐振器上最为有利及成本低而效率高。
光电子前端22通过适当的高速光电探测器连接在光学系统的光谐振器20上。在本实施例中选用了PIN光电二极管72(如EPITAXX型号ETX60B)。在较佳实施例中，利用跨越整个通信系统带宽(如10MHz-2.5GHz)提供增益的互阻抗放大器(图5)来放大PIN光电二极管72的输出。
图5描绘了表示光电子前端22的实施例的示意图。在该实施例中，包含在光纤82中的光信号入射在PIN光电二极管72上，后者连接在包含共发射极放大器晶体管140、发射极跟随器晶体管144。互阻抗电阻器134及电压降电阻器138的互阻抗放大器的输入上。电流源晶体管150将跨越电阻器152的电压降调节在分压器所设定的基极电压以下一个二极管结电位，分压器包括电阻器154与156，从而调节通过电压降电阻器138的电流。假定流经互阻抗电阻器134的最大电流(即信号电流)比调节跨越电阻器138的电压降的电流小得多，在放大器的整个动态范围上的偏置条件中的任何误差都将是小的。
光电子前端22后面的滤波器24设计衰减反馈系统对通信信号(即信号输入)所产生的调制的任何响应，同时通过由FR振荡器16引起的调制。在本实施例中，采用了高通滤波器，它在1.2GHz上达到＜1.0dB的插入损耗，同时在800MHz上提供＞65dB的衰减(如倒相Tchebycheff滤波器：通带中4极及4零)。
后面的RF放大器26和检测器28(如Watkins-Iohson M2GC)与定向耦合器30(如Narda 4012C-10)一样是传统带宽器件(如AvautekAWT-2054)的级联。RF放大器最独特的特性是将增益设置得相当高(如＞90dB)，从而将包含在到达RF振荡器16频率上的检相器28的反馈信号中的平均功率带到使检相器28中的二极管饱和的水平但也不高到降低光电子前端22所达到的信噪比。注意，检相器28可以是双平衡混频器，在这一情况中必须保证IF端口是DC耦合的，以便该器件作为检相器28工作。
检相器28的操作对于控制系统的正确工作是关键性的。驱动RF输入到检相器28的信号包含激光相位的功率频谱密度。在这里所描述的激光发射机10的情况中，该信号是由将激光器12与光谐振器20的谐振光场光混合所产生的差频发生所生成的。所述混合发生在PIN光电二极管72中。
记住，激光器12是由RF振荡器16调相的，很清楚，在RF振荡器16的频率上在反馈回路中所生成的RF差频是由于激光器12的频谱的调相分量与通过光谱振器20频谱滤波的漏泄场分量光混合的结果。由于来自光谐振器20的频谱滤波的分量的频谱比半导体激光器12的原始输出窄得多，频谱滤波的信号便能将激光频谱中更多的精细结构分解到PIN光电二极管72内的反馈信号中。这一光谱作为外差差拍音出现在PIN光电二极管72中所产生的光电流调制中的RF振荡器频率上。
从而激光的相位包含在RF反馈信号的相位中。随后检相器28检测RF信号的相位，借此检测激光的相位。包含在外差差拍音中的激光的相位是通过将外差差拍音与来自RF振荡器16的基准信号相差90°相位混合而在检相器28中检测到的。
检相器28的功能便是将检测到的相位转换成适当极性的dc耦合误差信号以导致在伺服拖动装置(即激光器12)上的相位校正。检相器28的IF输出的DC特征是用在L0与RF端口上的信号之间的相位关系确定的。从而为了产生适当的IF响应，必须调节这一相位关系。这一调节可通过调谐RF振荡器16的频率或通过改变定向耦合器30与到检相器28的L0输入端之间的延迟线的物理长度来进行。
在已经适当地调节了对检相器28的L0与RF输入信号之间的相位关系时，IF信号便在光谐振器20的谐振模式的邻域中具有对应于激光频率的清晰的双极形状。从而，如果出现了将激光器驱动到较高频率的相位误差，IF信号中的对应变化会使激光器结电流增直到激光器12的相位与光谐振器20的相位对应为止。反之，如果相位误差导致较低频率的激光发射，则IF信号使结电流减小。
放大器14处理来自检相器28的误差信号并提供反馈系统对激光器12的接口。图6中示出描绘激光器驱动电路的IF放大器及组合器部分的实施例的示意图。在该实施例中，检相器28的IF输出作用在IF输入90上。双工滤波器的高通部分滤过来自检测到的外差差拍音的相位的高频分量并提供将IF信号的高频分量通过节点90、94、104直接前馈到IF放大器的最后一级。最后一级包括采用箝位电路的加法放大器106，电流反馈运算放大器106(如Comlinear CLC502)。这一前馈技术即使由于额外的IF增益级而使相位余量降低，也允许增加IF带宽。
低通部分提供IF信号的较低傅里叶频率分量，其中可利用的额外相位余量能引入额外的IF增益(即定标)。在图6所描绘的实施例中，采用了含有高增益、宽带宽运算放大器100(如ComlinearCLC422或CLC401)的单级放大器。在较低傅里叶频率上定标的输出与在运算放大器106的加法结104上的高频分量组合。
IF信号(即外差差拍音的高频分量及定标的检测到的相位)驱动激光器结电流通过运算放大器106与发射极跟随器晶体管108的组合。对运算放大器的输入电压将电流设定在对应于跨越电阻器110的电压的节点104上。电流源晶体管108的集电极由组合器32电路的节点112上的低通部分阻抗匹配到激光器上。指出在可能需要包含运算放大器106的整个增益带宽在内的宽带宽上必须保持这一阻抗匹配是重要的。
组合器32(图6)作为多路复用器滤波器工作，它包括用于IF信号的低通部分112(如DC-250MHz)及高通部分114(如0.25-4.0GHz)以通过定向耦合器30输入耦合来自RF振荡器16的信号。除了组合来自RF振荡器16及IF放大器14的信号之外，组合器32包含宽带高通特征(如0.01-2.0GHz)信号输入端口。在本实施例中，激光器12及电阻器118都包含在双工器输出节点116所驱动的匹配负载中，但只有激光器包含在对应于信号输入端122的匹配负载中。从而便有可能在重叠的频率响应区中以无干拢方式组合信号。高通滤波器124将通信信号耦合到激光器12上，而双工器116的低通部分112则将IF反馈信号耦合到激光器12上。从而可将所有上述信号组合并随后调制激光器12而不会由于任何相应的源的影响而降低激光器性能。将经过调制的光输出耦合到光纤134中，因此它包含了相干激光发射机的光输出。
半导体激光器(从属的)36的功能为作为相干零拍或外差光接收机中的本机振荡器。控制半导体激光器(从属的)36的伺服系统实质上与控制发射机激光器12的伺服系统相同，主要的例外是本机振荡器激光器36不利用光谐振器20来导出外差光混合频谱中的RF误差信号。此外，RF振荡器40的频率必须与RF振荡器16的频率分开至少两倍伺服系统的全IF带宽。这保证了误差信号分别在主与从激光器之间的足够的配置。激光器36的本机振荡器伺服系统不需要光谐振器的原因是因为残留的激光发射机功率为控制本机振荡器激光器36的伺服系统提供了与光谐振器漏泄信号为发射机激光器12所提供的相同的功能。从而本实施例能使本机振荡器激光器直接锁定在发射机中心频率上，这导致相干光信号的耐久的零差检波。也可能用这一系统达到外差锁定，其中将本机振荡器激光器36稍带相位偏移误差地锁定在发射机激光器12的中心频率上。
假定反馈回路系统在超过必须补偿相位噪声的最高频傅里叶分量的频率上呈现增益，则通常认为反馈控制系统可通过反馈作用来抑制固有相位噪声。从而得出为了窄化激光源的谱线宽度，伺服环路的增益带宽必须超过激光谱线宽度；即该环路必须在相位噪声的最高傅里叶频率上具有增益。尽管闭环稳定性要求确定在反馈信号的高傅里叶分量使环路不稳定之前能承受的群延迟。从而事实上存在着对于给定的环路带宽的可接受的相位余量内能达到的最大增益。
然而在半导体激光器的情况中情况并不这样简单。激光器在反馈环路中作为光源、调制器及执行机构工作。由于激光器作为伺服执行机构工作，实际上它自己对结电流调制的相位响应确定环路的传输特征。由于IF反馈信号的动态范围在微波光谱的可观部分上控制着激光频率，便有可能使该环路在超过伺服环路的IF频谱的频率含量的傅里叶频率上呈现激光器的相位噪声抑制。
除了在伺服环路中执行若干功能之外，激光器在本发明中执行作为光源与调制器的双重功能。这便是通信信号的相干传输的光源与调制器。从而单一激光器执行复杂系统中的许多关键功能，而导致对高性能相干光学系统的极为低成本高效的方法。在考虑了作为相干光学技术的特征的可观的带宽及降低预算的提高时，这里所描述的发明的实用性便成为显而易见的。

Claims (14)

1、一种稳频半导体激光器的方法，包括下述步骤：
通过光混合光谐振器的漏泄场与该半导体激光器的调频输出而检测外差差拍音；
通过在相位上相差90°角混合外差差拍音与射频基准信号而检测该外差差拍音的相位；
滤波检测到的外差差拍音的相位；
定标检测到的外差差拍音的相位；以及
用射频基准信号及定标的检测到的外差差拍音的相位调制半导体激光器。
2、权利要求1中的方法，还包括将该半导体激光器的输出耦合到光谐振器中的步骤。
3、权利要求2中的方法，其中检测外差差拍音的步骤进一步包括将半导体激光器的一部分输出转变方向到光电检测器中的步骤。
4、权利要求3中的方法，其中将半导体激光器的一部分输出转变方向到光电检测器中的步骤进一步包括拦截来自该光谐振器的光频率基准信号的步骤。
5、权利要求1中的方法，其中检测外差差拍音的步骤进一步包括将光谐振器的一部分输出转变方向到光电检测器中的步骤。
6、权利要求1中的方法，其中滤波检测到的外差差拍音的相位步骤进一步包括在该半导体激光器的中心频率附近隔离至少一个傅里叶频率分量的步骤。
7、根据权利要求1中的方法，其中定标检测到的外差差拍音的相位的步骤进一步包括放大检测到的外差差拍音的相位的步骤。
8、权利要求1中的方法，其中用高频分量及定标的检测到的外差差拍音的相位调制半导体激光器的步骤进一步包括在可操作地与该半导体激光器互连的电流放大器的输入端上合计定标的检测到的外差差拍音的相位的隔离的傅里叶分量的步骤。
9、权利要求8中的方法，还包括将电流放大器的输出阻抗匹配到半时体激光器上的步骤。
10、一种稳频半导体激光器的方法，包括下述步骤：
在光电二极管中通过光混合光谐振器的漏泄场与该半导体激光器的调频输出检测外差差拍音；
通过在相位上相差90°角混合外差差拍音与射频调制基准信号检测外差差拍音的相位；
用带宽滤波分离检测到的外差差拍音的相位的高傅里叶频率分量信号及低傅里叶频率分量信号；
独立定标检测到的外差差拍音的相位的高傅里叶频率分量信号及低傅里叶频率分量信号；以及
用检测到的外差差拍音的相位的定标的高与低傅里叶频率分量信号及用射频调制半导体激光器。
11、权利要求10中的方法，还包括在检测外差差拍音的相位之前放大该检测到的外差差拍音的步骤。
12、权利要求10中的方法，其中定标检测到的外差差拍音的相位的高与低傅里叶频率分量信号的步骤进一步包括放大检测到的外差差拍音的相位的步骤。
13、一种稳频半导体激光器的方法，包括下述步骤：
通过光混合光谐振器的漏泄场及该半导体激光器的调频输出检测外差差拍音；
通过在相位上相差90°角混合外差差拍音与射频基准信号检测该外差差拍音的相位来产生差频；以及
用该差频调频该半导体激光器。
14、权利要求13中的方法，还包括用射频基准信号调频该半导体激光器的步骤。
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