CN1210627A - 带有单片棱镜组件的外部腔体半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种小型外部腔体滤光片锁定的激光器,包括诸如二极管激光器的半导体光学放大器和位于外部共振腔体中的单片棱镜组件。单片棱镜组件包括一透明基板,其中装有倾斜的,即不是取向为激光束在外部腔体中传播路径的法向的薄膜法—珀干涉滤光片。这种光学器件的优点是能够经济地大批量地生产、尺寸小、重复产生的光谱性能特性可维持在严格的容限内。重要的有利的应用包括需要紧密隔开各通道的波长子范围的稠密波分复用系统。能够取得较高的相对温度和湿度变化的波长稳定性。

Description

带有单片棱镜组件的外部腔体半导体激光器
发明领域
本发明涉及含有诸如外部腔体二极管激光器的外部腔体半导体激光器的光学器件，其中，外部光学腔体在边缘发射半导体光学放大器的一面与外部反射器之间延伸。更具体地说，本发明涉及具有稳定发射波长的外部腔体半导体光学放大器。
背景
外部腔体半导体激光器是公知的，具有许多用途和应用，包括光纤通讯。在这种光学器件的典型的外部腔体二极管激光器中，光学腔体在边缘发射半导体二极管激光器的刻面与高反射率的外部反射器之间延伸。位于高反射率反射器与第一刻面之间的边缘发射半导体激光器的第二刻面上通常有抗反射涂层，允许光束以最小反射率从激光器芯片出射。
半导体二极管激光器已经被广泛地用作光纤通讯的发射器。在一种常用的低成本实施方案中，将激光器芯片的两个相对端面的边缘劈开，形成共振反射表面，提供激光器操作所需的反馈。这种法布里-珀罗(FP)激光器通常以纵向多模方式发射，具有较大的输出带宽，如3nm至10nm。在另一种常用的复杂性略有增加的实施方案中，在法-珀激光器腔体的工作区中刻蚀一个布拉格光栅，形成分布反馈激光器(DFB)。分布反馈激光器的优点在于纵向单模发射，它提供十分窄的带宽，通常例如小于0.01nm。在第三种应用中，用分布布拉格反射器(DBR)激光器替代法-珀激光器一个被劈面的具有波长可选性的布拉格光栅。具有波长可选性的布拉格光栅的作用是产生纵向单模输出的激光器。
由于在产生的特定波长上其稳定性和准确性不适当，这些以及其它二极管激光器的应用受到阻碍。具体说，例如，在将二极管激光器应用于稠密波分复用(DWDM)中一直经受这种困难。在这一先进的光纤通讯技术中，一根纤维或一束纤维同时传输许多密排的波长或通道。DWDM系统中的典型通道间隔在5nm至1nm甚至更小的范围。为了实现有效的DWDM系统，每个通道需要稳定和准确地传输预定波长。此外，需要用稳定而准确的具有波长可选性的接收器来有选择地去除或接收各个通道波长，很少或者没有来自其它通道的串话。因此，对于一个有效地工作的DWDM系统，必须以高准确度将给定通道的发射器和接收器调谐到相同波段。
遗憾的是，目前已知的半导体二极管激光器(包括上述的FP激光器、DFB激光器和DBR激光器)所发射的波段随温度和其它因素而变化的程度大，不能接受。例如，在室温的工作温度下，FP激光器的中心波长随温度变化的依赖关系通常达到每摄氏度0.4nm。对于DFB激光器，相应偏差达到每摄氏度0.1nm。目前所知的半导体二极管激光器还有一个缺点是重复制造能力差，即当大批量商业化生产这种激光器时，难以以适当准确度获得预期的或规定的发射波长。这些不足之处使目前的半导体二极管激光器难以低成本地实现诸如DWDM系统的应用需求，在许多情况下，甚至完全不适用。
众所周知，利用例如具有从温度传感器反馈的闭合回路的热电致冷器，将激光器的温度控制在极小的温度范围中，能够缓和各激光器与温度的依赖关系。这种控制既复杂又增加成本。在目前已知半导体二极管激光器的商业化制造中控制较大波长偏差(可能达到±5nm甚至±10nm这么大)的这个甚为棘手的问题通过挑选所需波长的激光器的生产批量已经部分得到解决。这种对各激光器波长测试的技术会对制造产额产生明显的不利影响，并相应地增加成本和复杂性。
还有人提议采用另一种类型的半导体二极管激光器，是指外部腔体可调谐激光器。例如Day等人在宽调谐的外部腔体二极管激光器(SPIE,Vol.2378,P35-41)一文中建议的外部腔体可调谐激光器。在Day等人建议的二极管激光器件中，在二极管激光器芯片的一个刻面上设置一抗反射涂层。所发射的光被捕获在准直透镜中，利用衍射光栅选择或调谐激光器的波长。只要衍射光栅正在选择二极管的光谱增益区内的波长，通常就会出现激光行为。Mooradian的第5172390号美国专利也建议在外部腔体中设置一衍射光栅的二极管激光器。遗憾的是，设置在二极管激光器外部腔体中的衍射光栅会引起整个器件尺寸和体积显著增大。衍射光栅以及所需光栅准直系统的复杂性还会显著增加器件的成本。至于器件的尺寸和体积，根据已知的器件，在外部共振腔体中设置衍射光栅的二极管激光器的腔体长度通常为25mm至100mm，而以上讨论的FP激光器和DFB激光器的尺寸很小或较小，只有1mm。还发现，衍射光栅和光栅支座显示了与温度依赖关系。由于衍射光栅设定激光器的波长，衍射光栅以及光栅支座的这种与温度的依赖关系引起激光器发射波长的不希望有的不稳定性。此外，相信由于这种器件的衍射光栅和光栅支座方面的机械复杂性已经长期经受波长漂移问题。
本发明的目的是提供一种具有良好波长稳定性和准确度的半导体激光器件。具体说，本发明的目的是提供这样一种具有可接受的制造成本，复杂性以及尺寸或体积特征的器件。从以下的公开内容以及对特定较佳实施例的详细描述中，本发明的另外一些目的是显见的。
发明概要
根据本发明第一方面，提供一种外部腔体半导体激光器，它包括与外部共振腔体光耦合的光学放大器以及位于外部共振腔体中的单片棱镜组件。根据特定的较佳实施例，光学放大器为诸如二极管激光器中使用的例如由InGaAsP形成的半导体光学放大器。其它合适的增益元件包括例如形成光纤的掺铒石英、锗或其它形成光纤的光学材料等。在这些实施例中，光学放大器为直接禁带光学发射器。单片棱镜组件包括一块透明基板，即一块对激光基本光学透明的基板并装有一法-珀窄带干涉滤光片，滤光片包括多个薄膜反射器，至少有一个薄膜腔体夹在它们之间。薄膜法-珀干涉滤光片设置在外部腔体中激光束的传播路径上。更具体地说，其取向与横平面呈一小角度。即装在透明基板的与横平面成非零度角度的表面(如以下讨论中所述的内表面或外表面)上。正如这里采用的，“横平面”是与外部腔体中激光束光路垂直或正交的虚平面。相应地，透明基板的横表面是位于(或近似位于)横平面中的表面。因此，薄膜法-珀干涉滤光片位于非横平面中，即与激光束穿过它的光路不垂直。而是与横平面成一锐角，通常小于45°并大于0°，1°至5°较好，1°至2°更好。
根据本发明的一个方面，薄膜法-珀干涉滤光片是一种稳定的窄带干涉滤光片，在单片棱镜组件的透明光学基板的表面上设有涂层。而干涉滤光片较佳地在薄膜反射器层之间夹有至少一个薄膜腔体层，两至五个腔体的多腔滤光片则更好，两至三个腔体则最好。每个腔体的光学厚度(按照其实际物理厚度与腔体材料的折射率乘积计算)等于四分之一波长即QWOT的偶数倍。所述的波长通常是指通过滤光片发射的激光束的波段的中心波长。每个腔体层较佳地是由一至三层介质薄膜形成的，每个这种薄膜的光学厚度等于四分之一波长的偶数倍，对于每个这种介质薄膜的光学厚度总共为1至15个二分之一波长较好，5至10更好。将一个腔体层夹在它们当中的每个反射器层较佳地是由四分之一波长光学厚度的薄膜形成的，正如下面将作进一步描述的。更好地，滤光片是多腔薄膜法-珀窄带干涉滤光片，其中各个反射器腔体的薄膜结构是利用四分之一厚度光学耦合层相互相干耦合的。与单腔滤光片相比，在单片棱镜组件中采用多腔法-珀干涉滤光片可获得增大的光谱边缘的斜率以及更宽的传输区。正如以下将进一步讨论的，这两项作用可使这里所揭示的外部腔体激光器的性能特性比诸如标准具和衍射光栅的现有滤光片器件有较大提高。
从以下的讨论中将会进一步明白，单片棱镜组件不需要提供棱镜经典意义上的任何光衍射功能。它对来自光学发射器的光的作用是，使波段内的光透射而波段外的光被反射出去。因此，波段内的光与波段外的光相分离。也可以把单片棱镜组件称作一个滤光片单体，还可以意指装入薄膜法-珀干涉滤光片的透明基板组件；包括至少一个薄膜腔体夹在两个薄膜反射器之间。
根据一些较佳实施例，单片棱镜组件在限定光学放大器的外部共振腔体的一端的横表面上有反射涂层，较佳地为高反射率的反射涂层，上述的法-珀干涉滤光片置于与第一表面隔开并成一锐角的第二表面上。依照这个方面的光学器件有利地包括一个外部腔体，边缘发射的半导体二极管激光器在与外部共振腔体光耦合的第一发射器刻面上一抗反射涂层。在二极管激光器的第二发射器刻面上设有输出耦合器反射涂层。单片棱镜组件位于外部共振腔体中，包括一透明光学基板，在限定外部共振腔体一端的外表面上有一腔体反射涂层。薄膜法-珀干涉滤光片设置在光学基板的第二表面上，位于反射涂层与第一发射器刻面之间的外部共振腔体中。诸如梯度折射率透镜或体透镜等的一个或多个准直装置也可以位于外部共振腔体中，对法-珀干涉滤光片和二极管激光器第一发射器刻面之间的光进行会聚。在腔体之外可以按照通常的方法采用隔离器。
本领域的专业人员或熟悉这一技术领域的人员将会看到，这里所揭示的光学器件是一项重大技术进步。采用依照本发明的半导体光学放大器的外部腔体激光器能够获得准确且可重复的发射波长、优良的温度稳定性以及良好的抗波长漂移能力。此外，更为重要的是，这种激光器，尤其是根据较佳实施例，能够以小型尺寸和大商品化批量进行生产，其制造成本与现有的FP激光器、DFB激光器和DBR激光器的相当。正如以下讨论的，可以把这里所揭示的较佳实施例的激光器件当作薄膜法-珀干涉滤光片在外部激光器腔体中使用的对发射波长或波段进行稳定或锁定的滤光片锁定激光器。这里所公开的激光器的较佳实施例以及装有这种激光器的光学器件，能够以商业化的批量进行重复生产，发射波长可维持在±0.1nm内，对温度的依赖性为0.005nm/℃或更小，较佳地为0.001nm或更小。长期的波长漂移能够维持在不足±0.01nm。此外，在一些较佳实施例中，装有薄膜法-珀干涉滤光片的单片棱镜组件能够使二极管激光器的总长度小于5mm。本领域的专业人员将会看到，这些包装和性能特征使这里公开的激光器的较佳实施例以及装有这种激光器的光学器件适合于诸如最重要的稠密波分复用光纤通讯系统的应用，适合于商业使用。正如以上所讨论的，以前的现有二极管激光器，如装有对波长进行控制的衍射光栅或类似器件的激光器太复杂、体积大、可靠性差以及/或成本不能满足这种应用的苛刻要求。
从以下的对一些较佳实施例的详细描述中，本发明的另外的方面和优点将变得更清楚或更容易理解。
                          附图简述
以下参照附图讨论本发明的一些较佳实施例，其中：
图1是根据以上公开内容装入外部腔体激光器的光学器件的第一较佳实施例的示意图。
图2是根据第二较佳实施例的外部腔体激光器的示意图。
图3-5是适合图1和2所示半导体光学放大器中采用的单片棱镜组件的薄膜法布里-珀罗滤波器的示意图。
图6是表明根据图3-5的高质量三腔法布里-珀罗干涉滤光片的理论性能图以及对比的单腔和双腔薄膜法布里-珀罗干涉滤光片的相应性能。
图7是包括根据另一较佳实施例的外部腔体激光器的光学器件的示意图。
图8装入本发明的多个外部腔体激光器的稠密波分复用器件的示意图。
应当明白，无论是在其各尺寸上还是在角度关系上，不必按照附图中所示的光学器件的比例。在本领域专业人员的能力范围内，根据以上的公开内容以及以下的对较佳实施例的详细描述，能够很好地选择打算用作特定用途的这种器件的合适尺寸和角度关系。
                  较佳实施例的详细描述
熟悉本技术领域的专业人员从以上讨论中将会看到，这里所公开的外部腔体激光器有许多用途，包括应用于光纤通讯系统中，尤其是采用需要极窄和精密地控制传输波长的稠密波分复用的系统中。另外的应用包括例如应用于测试设备等以及实验室仪器中。
与以前所知的诸如FP激光器、DFB激光器和DBR激光器等的激光器件不同，这里所公开的器件中，在外部激光器腔体中，采用装在透明基板上的薄膜法布里-珀罗干涉滤光片把外部腔体激光器的发射波长或波段锁定在窄增益区中。采用合适的薄膜法-珀窄带干涉滤光片甚至能够将激光器限制为单发射模式。因此，这里所公开和讨论的激光器可以被称作锁定滤光片。小型(例如，包括单片棱镜组件在内的外部共振腔体的总长度小于5mm)薄膜锁定滤光片的外部腔体激光器或正如在以下的有些情况中将它们称作的“FL激光器”，在DWDM光纤通讯系统中尤其具有好处。在这些应用中需要精密和稳定波长的激光发射器，从而可靠地分离和区分密排的传输通道。本领域的专业人员将会看到，这里所公开的FL激光器有其它各种应用，尤其是需要稳定和准确窄带激光光源的应用。
在图1所示意的FL激光器中，外部腔体二极管激光器组件包括具有第一发射刻面12和相对的第二发射刻面14的激光二极管芯片10。发射刻面14上有一涂层，具体说是输出耦合器反射镜，即输出耦合器反射涂层16。通过涂层16发射的光被收入到准直透镜18中，准直透镜18较佳地为梯度折射率透镜或类似透镜。从梯度折射率透镜18出射的准直光通过光纤引出端20，由此进入光纤通讯系统。可以任意地删除梯度折射率透镜18，以便于发射刻面14(有抗反射涂层16)与引出端20之间的拼接耦合。另外，接在梯度折射率透镜或其它准直透镜之后，在腔体外侧可以采用一个隔离器，使光通过达到引出端20。隔离器通常是众所周知，它们的用途以及其它任意元件在这里所公开的FL激光器中的应用，在考虑本公开内容后，对于专业人员而言是显然的。发射器刻面12上有涂层22，较佳地为抗反射涂层。穿过抗反射涂层22的光被第二准直装置24接收和准直，该第二准直装置较佳地也是一个梯度折射率透镜或类似透镜。穿过准直装置24的光进入包括一个透明光学基板28的单片棱镜组件26中。基板28较佳地为诸如BK7或B270等的光学玻璃，这两种玻璃是由Schott Glaswerke(德国)公司提供。基板28的外侧表面30有高反射率的端面反射镜32，使得二极管激光器的外部腔体限定在输出耦合器反射镜16与高反射率端面反射镜32之间。较佳地，在基板28的外表面36上有抗反射涂层34，以便于来自透镜装置24的准直光进入到单片棱镜组件26中。
单片棱镜组件进一步包括基板28内表面40上的薄膜法-珀干涉滤光片38。这里采用的术语“内表面”常常指已经被相互粘合或组合从而形成单片棱镜组件的两块或两片透明基板之间的表面与表面的接触界面。内表面上的光学涂层，例如法-珀干涉滤光片38的好处在于，通过将其夹在两片粘合的基板之间，对其进行保护和稳定。在这方面，应当看到，为了说明起见，在图1中大大夸大了基板28的第一块42与第二块44之间的间隙。还应当看到，法-珀干涉滤光片可以在块42的界面46上形成，也可以在块44的界面40上形成。外表面相应地是指不形成与基板另一块或部分的表面与表面间接触界面的基板表面。因此可以是暴露于大气中或与另一光学单元诸如准直装置、安装结构等相接。可以对外表面加涂层，如在图1所述实施例的基板的情况中，这里，外表面30上有高反射率端面反射镜涂层32，外表面36上有抗反射涂层34。在表面36或其它合适位置上可以加一个圆孔或其它孔径，限制落在滤光片上的光束角度。可以任意地删除单片棱镜组件的透明基板28的块42，以利用例如空气间隙。由于空气的折射率低，这可以获得降低光学距离的好处。应当看到，图1所示的光学器件的各部件可以按照特定应用的性能和包装技术规范的要求，与相邻的元件分开或贴接。
从图1中可以看出，基板28外表面30上的高反射率端面反射镜32位于横平面中，即位于基本与准直光在外部腔体中传播的光路正交的平面中。法-珀干涉滤光片38与横平面成一锐角。在涂层32与干涉滤光片38之间虚相交点(从图1和7中看在纸面的上方)上的二者之间的角度α(见图1和7)大于零度。即滤光片不是与穿过发射器刻面的光的光路垂直或正交。在一些实施例中，角度α可以有45°这么大。通常为1°至5°，最好是1°至2°。更一般地说，干涉滤光片以少许的角度定位在激光器芯片的发射器刻面与限定外部腔体一端的高反射率涂层之间，从而使法-珀滤光片少许倾斜，超出激光器芯片数值孔径。可以抑制未落在滤光片通带内因而未通过滤光片的波长。即，由于上述的倾斜角，通过反射以该角度从激光器芯片发射器刻面出射的波段外的波长，带通干涉滤光片可抑制落在滤光片通带外的光谱模式。
在工作中，从激光器芯片10的抗反射涂层刻面12出射的光被透镜装置24收集和准直并将其射入单片棱镜组件26中。法-珀干涉滤光片38波段内的光沿箭头27所示的路径以低损耗通过滤光片发射出去，而波段外的光沿箭头29所示的路径从刻面12反射到共振腔体之外。波段外的波长被滤光片38反射，因此不返回到二极管芯片10的发射器刻面上，而是沿有意损耗的路径行进。穿过法-珀干涉滤光片38的透射光落在高反射率端面反射镜32上，从这里它被反射，沿箭头27的路径，但是在相反方向上返回到激光器芯片10的刻面12。因此，波段内的光当它返回到发射器刻面时再次通过滤光片38。其优点在于，可以把包括反射器涂层32和法-珀干涉滤光片38的单片棱镜组件组装成一个抗反射涂层34与反射器涂层32之间尺寸达到2mm或更小的背靠背的小型棱镜组件。图1所示的光学器件可以被足够紧凑地包装，因此，与现有的器件不同，能够满足包括诸如DWDM应用的特定光纤通讯应用的各种商业应用对尺寸的苛刻限制和制约。
如上所述，被高反射率端面反射镜32反射的光再次反向通过法-珀干涉滤光片38，因此，进一步去除了不希望有的波段外的光而透过波段内的光。透过的波段内的光再次通过透镜装置24，因此被重新注入到激光二极管10中，经过放大而射在输出刻面14上。如上所述，输出刻面14上有部分反射的输出耦合器反射镜涂层16，从而使一部分落在涂层16上的光反射返回到激光器芯片中，继续振动功能，其余的光透过激光器到光纤引出端20中。可以采用第二准直器对从输出刻面14进入光纤引出端20的光进行准直，较佳地，在光束传播路径上，在其外表面上有抗反射涂层48和50。通常，在光纤引出端20的输入表面上也设有抗反射涂层52。同样，准直装置24的表面25上有抗反射涂层35。一般，对于有诸如涂层16、22、34、35、48、50的抗反射涂层的表面，较佳地也提供一很微小的角度。通过使这些表面与横平面产生倾斜或形成角度，从而它们与光束传播的路径不是严格正交，可以减少或消除由于不完善的抗反射造成的不需要的背反射。
激光器的外部腔体的总长度等于激光二极管自身的长度、加腔体内准直透镜24的长度、加激光器端刻面12与腔体内准直透镜之间的焦距、加单片棱镜组件的长度。然而，本领域的专业人员将会看到，腔体的总光学长度是各个部件的长度与该部件的平均折射率的乘积。激光器腔体的长度定义为激光器能够支持的纵模的波长间隔。为了提供根据特定较佳实施例的单模输出，使单片棱镜组件的法-珀干涉滤光片的带宽变窄，小于相邻光谱模间隔。在法-珀干涉滤光片宽于光谱模间隔的这些实施例中，可以发射一个以上的模式，对于特定的长距离电信应用来说，这可能是不好的，但是，在其他应用中是有用的。根据以下的方程式可以计算称作Δ-λ的光谱模间隔：
Δ-λ=λ2/[2×腔体长度×折射率]
在根据图1的较佳实施例中，各部件具有如下表1所示的尺寸和光学特性：
              表1
部件          典型长度    Av.N.    乘积
激光器芯片    0.5mm       3.6      1.8
梯度折射率    1.0mm       1.5
焦距          0.2mm       1.0      0.2
滤光片/反射镜 2.0mm       1.5      3.0
总计          3.7         6.5
利用以上给出的方程式和表1的数值，这里“Av.N.”是根据图1的较佳实施例的可能的纵向激光模式的间隔。Δ-λ约为0.17nm。对于单模操作，单片棱镜组件的法-珀干涉滤光片最好是带宽小于这个值两倍，即0.34nm的带通滤光片。较佳地，滤光片的带宽小于0.3nm。正如这里采用的，滤光片的带宽是指其3dB带宽，即以纳米表示的透过滤光片至少50％总接收发射率的宽度。采用多腔法-珀干涉滤光片，具体说，中心位于1550nm、带宽为0.25nm的双腔超窄带通滤光片，根据以下将作进一步讨论的较佳实施例，透射1550nm处的光谱模，而抑制其它的模。具体而言，在每一次通过滤光片中，将以大约8dB抑制1550.17nm和1548.83nm处的最近光谱模。因此，由于光必须两次通过法-珀干涉滤光片，一次从激光器芯片到高反射率端面反射镜32，第二次从端面反射镜32反射返回到激光器芯片，因此，能够获得这些相邻光谱模的总有效抑制。以更高程度抑制离1550nm透射模更远的光谱模。
在这方面，采用多腔干涉滤光片的效果如图6的曲线所示。从图6中可以看出，对于单腔、双腔和三腔滤光片而言，1550nm处的透射比特性都是很好的。与单腔滤光片相比，双腔和三腔滤光片的光谱边缘，随透射区的变宽斜率越来越大。即双腔滤光片比单腔滤光片对波段外的光谱模的反射更强，三腔滤光片的作用又比双腔滤光片有实质性的增强。对于依照这里所讨论的较佳实施例的外部腔体激光器的性能，这两种作用是有利的，提供了比现有的诸如标准具和衍射光栅的滤光片器件要好的优点。因此，通过控制单片棱镜组件的法-珀干涉滤光片，可获得这里所讨论的外部腔体激光器的光学性能。正如下面将进一步讨论的，可以提供重复生产体积密度接近于一从而防止水吸收引起滤光片漂移等的法-珀干涉滤光片的优越技术。在单片棱镜组件内表面上设置法-珀干涉滤光片的这些较佳实施例中，确实是这样。
可以看出，图2所示的光学器件具有与图1所示共同的方面，将会明白，以相应的类似方式产生作用。采用图1的参考标号表示图2中共同的元件或特征。图1所示实施例的输出耦合器反射镜涂层16被图2所示实施例中的高反射率端面反射镜涂层17所替代。端面反射镜17限定了共振腔体的右侧(如图2所示)。此外，图1所示实施例中的高反射率端面反射镜32被图2所示实施例中的光学耦合器涂层33所替代。通过涂层33将光发射到光学接收器件56，如光纤引出端、光学传感器等中。更具体地说，通过涂层33所发射的光在达到引出端56之前先通过光学隔离器54，然后到梯度折射率透镜55。抗反射涂层57是按照现有技术提供的。在特定的应用中，图2所示的实施例优点在于，在光束反向通过激光器二极管时可避免将“噪声”放大。本领域的专业人员将会认识到，可以把诸如涂层33(具体说，类似分束器的涂层)的光学耦合器用在图1所示的实施例中，代替高反射率端面反射镜32，将信号提供给光学接收器件。光学接收器件可以包括例如功率反馈回路的二极管传感器或简单就是装有输出信号的光纤等。
依照商业化的已有技术能够生产这里所揭示的光学器件中采用的单片棱镜组件的薄膜法-珀干涉滤光片，考虑到本公开内容，这种应用能力将是很显然的。具体说，采用诸如离子辅助电子束蒸发、离子束溅射和反应磁控管溅射(例如，Scobey在第4851095号美国专利中所揭示的)的商业化的已有等离子淀积技术能够产生包括金属氧化物材料诸如氧化铌和氧化硅叠层的高质量的干涉滤光片。这些镀膜方法能够产生由叠合的介质光学涂层形成的干涉腔体滤光片，这种光学涂层的优点在于，稠密和稳定、薄膜散射和吸收低、以及对温度变化和环境湿度的灵敏度低。这些涂层的光谱分布适合于满足应用技术规范严格的要求。具体说，利用这些技术能够产生多腔窄带带通滤光片，这种滤光片对于与相邻波长范围(例如稠密波分复用光纤系统中的相邻通道的波长范围)分开2纳米甚至更小的波长范围是透射的。一种合适的淀积技术是低压磁控管溅射，用这种技术，给磁控管溅射系统的真空腔体配备高速真空泵。磁控管和靶材料周围的气体管线吸持磁控管附近的惰性工作气体，通常为氩气。当气体从磁控管区扩散时，不常用的高泵速真空在高速下去除从腔体中扩散的气体。腔体中惰性气体压力，最好在5×10-5托至1.5×10-4托范围，是真空泵的泵速和磁控管障板吸持效率的函数。反应气体通过离子枪进入腔体中，离子枪使气体离子化并将其射在基板上。这样做的作用是降低为提供合适化学配比的薄膜所需的气体量以及减少磁控管上的反应气体。能够获得16英寸和更长的行程距离。
如上所述，滤光片最好包括多腔涂层，其中，将两种介质薄膜叠合形成由腔体层分离不想要波长的反射器。然后一次或多次重复这一结构，产生上述的增强阻挡能力和改善波段内透射平坦度的多腔滤光片。其净作用是产生一个对波段内的光透射而对波段外的光反射的窄带透射滤光片。在用上述淀积技术由稠密、稳定的金属氧化物薄膜叠层产生的三腔滤光片的较佳实施例中，已经获得优良的热稳定性，例如，在1550nm处，每摄氏度的变化为0.004nm甚至更好，可分开的超窄带波段宽度仅为2nm这么小，甚至1nm这么小。
根据上述的较佳实施例，干涉滤光片通常是由两种材料形成的，第一种是诸如五氧化铌、二氧化钛、五氧化钽和/或其混合物，如氧化铌与氧化钛的混合物的高折射率材料。在1.5微米波长上，这些材料的折射率大约为2.1至2.3。低折射率材料通常是石英，其折射率约为1.43。干涉滤光片的“光学厚度”使指其物理厚度与其折射率的数值乘积。然而，这里所揭示的光学器件的单片棱镜组件所采用的法-珀干涉滤光片的光学厚度随滤光片的物理厚度以及所选材料的折射率而变化。在本领域的专业人员的能力范围内，考虑到本公开内容，将能够很好地选择合适的材料以及薄膜厚度，以获取满足特定应用要求的合适光谱透射特性。
包括这里所揭示光学器件中薄膜法-珀干涉滤光片的单片棱镜组件比现有的这种光学器件所采用的器件具有显著的优点。尤其在用耐久的材料形成接近为一的包装密度的稠密层时，单片棱镜组件的干涉滤光片随时间以及相对湿度和其它环境条件是高度稳定的。此外，在一次镀膜操作中可以将许多的光学基板块随干涉滤光片同时进行镀膜，因此大大降低了制造成本。按照已有技术已经制备出的这些滤光片包括利用四分之一波长厚度层相干耦合的多腔体，从而产生随透射区变宽光谱边缘的斜率增大。正如以上讨论的，所有这些作用效果加上能够制备小尺寸的单片棱镜组件显然比其它类型的滤光片器件，如标准具和衍射光栅具有许多优越性。此外，正如以上讨论的，由于干涉滤光片是在光学基板上形成的，尤其是设置在单片棱镜组件的内表面上，因此，增强了它的稳定性。能够产生尺寸极小，例如厚度小于0.5mm、直径仅几毫米的这种干涉滤光片。由此，能够将它们包装在微小的成本相对较低的激光器件中。能够采用商业化的技术来制备这种滤光片，以很窄的带宽，例如0.3nm甚至更小在±0.1nm范围内发射预定或规定的波长。如上所述，波段内波长范围的透射比是极高的。
图3-5示出了图1和2所述FL激光器的较佳实施例中多腔干涉滤光片38的较佳的薄膜叠合结构。较佳地，要精确地控制每个交替层(例如，五氧化铌和二氧化硅)的厚度以及薄膜叠层的总厚度，例如在几平方英寸的面积上控制在0.01％或0.2nm之内。此外，具有甚低薄膜吸收和散射以及包装密度接近为一的淀积薄膜叠层，具有低的因水而引起的滤光片漂移。这种超窄的多腔带通滤光片具有优良的性能特征，包括温度和环境稳定性好、窄的带宽、所需光学信号的透射比高而其它波长的反射比高、陡峭边缘，即可选择的透射率高(尤其是在采用三腔或更多腔的设计中)以及成本相对较低和结构简单。图3示出夹在透明光学基板的块42与44(见图1和2)之间的三腔滤光片。第一个腔体组件85直接邻接基板块44。第二个腔体组件86直接位于第一腔体之上，第三个腔体组件87直接位于第二腔体之上并与基板块42形成表面-表面的界面。在图4中，进一步示出“第一腔体”85的结构。淀积一系列的叠合薄膜，较佳地，是约由5至15层高、低折射率材料交替叠合的薄膜，形成第一反射器。较佳地，直接邻接基板表面的第一薄膜是高折射率材料的层，接着是低折射率材料的层，等等。每个高折射率的层90是四分之一波长光学厚度(QWOT)的奇数倍，一个或三个四分之一波长较佳，或是其它的QWOT奇数倍。与高折射率层90交叉的低折射率的层92，其厚度同样是一个四分之一波长光学厚度或是其它的QWOT奇数倍。例如，它们可以是六个高、低折射率层组，形成最底部的介质反射器94。腔体隔离器96，尽管图中仅示出一个单层，但是通常包括一至四层高、低折射率材料交替组合的薄膜，这里，每层薄膜的厚度是QWOT的偶数倍，即二分之一波长光学厚度的整数倍。第二介质反射器98较佳地与上述的介质反射器94基本相同。第二和第三腔体又直接淀积在第一腔体上，较佳地在形式上与其基本相同。
图5示出一种交替的薄膜叠层，这里，上、下反射器94、98如图3和4所示实施例所述。图中所示的腔体隔离器97是由四层薄膜形成的，两层高折射率薄膜97a与两层低折射率薄膜97b相交替。每一层薄膜的厚度为2QWOT即一个二分之一波长。考虑了本公开内容，其它各种合适的交替叠合结构是可能的，对于本领域专业人员而言是显然的。
根据又一较佳方面，这里所揭示的光学器件的单片棱镜组件的法-珀干涉滤光片可以进一步是温度稳定的，或者通过采用倾角调节装置是可调谐的。即能够提供这样的装置，最好与单片棱镜组件的安装装置一起，改变法-珀干涉滤光片的倾角，或独立地或不是由单片棱镜组件有的任何其它涂层的显示角。在典型的较佳实施例中，滤光片相对准直光的角度随温度升高而增大，相应地随滤光片温度的降低而减小。此外，可以采用类似的技术通过调节滤光片的倾角而调谐波长。
从以下的描述中将明白，图7所示意的FL激光器的另一较佳实施例是根据以上讨论的原理而进行工作。第一二极管激光器58在第一发射器刻面62上有高反射率端面反射镜60，在与准直装置66接口的相反发射器刻面65上有抗反射涂层64。第二二极管激光器68在发射器刻面72上有光学耦合涂层70，从而在涂层70与涂层60之间建立共振腔体。穿过光学耦合器涂层70的光，在通过准直装置74之后被光纤引出端73所接收。第二二极管激光器68的第二发射器刻面76上有抗反射涂层77，通过它，使光送至准直装置78。单片棱镜组件79定位在与二极管激光器68第二发射器刻面76有关的准直装置78和与第一二极管激光器58有关的准直装置66之间，在其内表面81上有薄膜法-珀窄带滤光片80。在光学器件各元件的各个表面上采用另外的抗反射涂层82。将会发现，可以用光学耦合涂层替代高反射率端面反射镜60，因而可以使光从激光器件发射到光纤引出端、功率反馈回路的二极管传感器等。其优点在于，可以将图7所示的分开的各元件拼接耦合，从而缩短器件的整个尺寸及其光学长度。
图8示出稠密通道波分复用器件，在光学块100的八个分别端口或通道的每个端口或通道上采用了以上所揭示的FL激光器。这种复用器件具有对各个分别波长信号复用到一个公共光纤载线和/或对这种信号进行分用的功能。根据图8所示的较佳实施例的光学复用器件的典型技术指标包括图2所提供的数据。
      表2
通道数目    8
通道波长    1544-1560
通道间隔         2nm+0.2nm
最小隔离         20dB至35dB
插入损耗(总)     小于6dB
光纤类型         单模，1米引出端
工作温度范围     -20℃至+50℃
除了光学块100之外，图8所示的光学复用器件符合表2的技术指标，光学块较佳地为稳定的玻璃基板，包括接收准直光的装置，如光纤梯度折射率透镜准直器112，或类似装置，在微小倾角下，通过光学块的表面116上的孔或刻面，接收来自光学块的光学端118的经高度准直的光114。根据一个较佳实施例，光学块的厚度“a”为5mm，长度“b”为14.1mm或更长，折射率约为1.5。准直光的发散度以不大于0.15°为好，准直光从光学块中出射的倾角“c”约为15°。多波长的光在光学块中的高反射率涂层134与相对表面120之间多次反射。每一次被透射下一波长增量的反射滤光片反射就增加(或减少)一个通道(或多个通道)。除了这一系列滤光片外，在光学块的表面120上有波长逐渐变化、最好是全介质的窄带滤光片122。根据1995年6月15日提交的题目为“光学复用器件”的美国专利申请序号为No.08/490829的专利所述方法能够制造这样的滤光片，这里将该专利所公开的内容引作参考。具体说，在这种实施例中的滤光片122是一种连续可变厚度的多腔干涉滤光片，最好是一种连续线性可变的滤光片。在端口124，对于包含在准直光114中的波长子范围，这种滤光片122是透射的。具体说，光126从第一信号通道的准直透镜装置128穿过光学块的端124。对于复用器件的第一通道，由根据上述任一较佳实施例的满足表2严格光谱性能特征要求的外部腔体半导体二极管激光器129产生通过端124的光信号。
位于端124的连续滤光片122反射该位置上滤光片波段内以外的波长。光束132在光学块的表面120与表面116上高反射率薄膜或涂层134之间反射。高反射率薄膜134并不覆盖光学端118，因而避免与光114通路上的干涉。因此，光132被反射薄膜134反射，在端124处落在光学块表面120上，这里将其反射，使之通过端118。在与端124相邻的端口136的位置上，对于不同于端124的波长或波长子范围，连续可变厚度多腔干涉滤光片是透明的。对于稠密通道波分复用应用，多个端口中各端口之间沿光学块的表面120线性隔开的波长间隔较佳地为2nm或更小。因此，在端口136，从准直透镜138，通过滤光片122发射由依照上述较佳实施例的外部腔体半导体二极管激光器产生的对应于第二通道的光信号。与在第一端口124上一样，在端口136处，干涉滤光片22反射该位置上波段内以外的光。因此，在这一点之前首次进入光学块中的光114，一部分142(即由激光器二极管器件149、159、169、179、189或199产生的其他通道波长的光)从端口136反射到上一端口118上。采用同样的方式，在光学块中在先前点上的反射波长在光学块中以锯齿或“多次反射”路径相级联，在光学块的表面120上依次反射，增加各个通道的光信号。
这里所揭示的较佳实施例在技术上和在商业应用上的一个重要优点是，能够以很窄的波长范围使多个通道少许分开，由可靠的且商业上可行的外部腔体二极管激光器件可以可靠和精确地产生所需的波长子范围。采用FL激光器，这种DWDM复用器件现在能够批量生产，并具适当的波长控制能力和一致地重复产生的光谱性能特性，从而在商业应用上使光纤DWDM复用系统变为可行。
从以上公开的本发明以及对特定较佳实施例的详细讨论中，只有不偏离本发明的真实范围和精神，显然能够对这些实施例作各种添加和改进。所有这些改进和添加希望由以下的权利要求书所覆盖。

Claims (37)

1．一种外部腔体激光器，其特征在于它包括与外部共振腔体光学耦合的半导体光学放大器和位于外部共振腔体中的单片棱镜组件，外部共振腔体包括一块透明基板，在与该外部共振腔体横平面的锐角上有一薄膜法-珀窄带干涉滤光片。
2．如权利要求1所述的外部腔体激光器，其特征在于：所述单片棱镜组件的所述薄膜法-珀干涉滤光片相对所述外部共振腔体的横平面的锐角为大于零度小于45°。
3．如权利要求1所述的外部腔体激光器，其特征在于：所述的薄膜法-珀干涉滤光片的带宽小于0.3nm。
4．如权利要求1所述的外部腔体激光器，其特征在于：所述的薄膜法-珀干涉滤光片包括夹在至少一个薄膜腔体层之间的多层薄膜反射器层。
5．如权利要求4所述的外部腔体激光器，其特征在于：每个腔体层是由一至四层高低折射率介质薄膜交替形成的，每层介质薄膜的光学厚度等于半个波长的整数倍，每个反射器层是由两至十二层高低折射率介质薄膜交替形成的，每层介质薄膜的光学厚度为四分之一波长的奇数倍。
6．如权利要求1所述的外部腔体激光器，其特征在于：所述的薄膜法-珀干涉滤光片是多腔窄带滤光片。
7．如权利要求6所述的外部腔体激光器，其特征在于：所述的法-珀干涉滤光片的带宽小于0.3nm。
8．如权利要求7所述的外部腔体激光器，其特征在于：所述的外部共振腔体的总长度小于5mm。
9．如权利要求1所述的外部腔体激光器，其特征在于：所述的半导体光学放大器包括直接禁带半导体光发射器。
10．一种外部腔体激光器，其特征在于它包括与外部共振腔体光学耦合的半导体光学放大器和位于外部共振腔体中的单片棱镜组件，外部共振腔体包括具有第一横表面的透明基板和位于第二表面上的法-珀干涉滤光片，第二表面与第一表面成锐角，所述的法-珀干涉滤光片包括多层薄膜反射器层，它们之间夹有至少一个薄膜腔体层。
11．如权利要求1所述的外部腔体激光器，其特征在于：所述的锐角在1°至5°之间。
12．一种外部腔体激光器，其特征在于它包括与外部共振腔体光学耦合的半导体光学放大器和位于外部共振腔体中的单片棱镜组件，外部共振腔体包括一块透明基板，在与外部共振腔体横平面的锐角上有一法-珀干涉滤光片，该法-珀干涉滤光片包括夹在两个反射器层之间的至少一层腔体层，该腔体层由半波长光学厚度的介质薄膜形成，每个反射器层由四分之一波长光学厚度的介质薄膜形成。
13．如权利要求12所述的外部腔体激光器，其特征在于：所述的法-珀干涉滤光片是三腔滤光片。
14．一种单片棱镜组件，其特征在于它包括一透明光学基板，在第一平面中在该光学基板的第一表面上有反射涂层，在第二平面中在该光学基板的第二表面上有一薄膜法-珀窄带干涉滤光片，第二平面与第一平面相隔一段距离并成锐角。
15．如权利要求14所述的单片棱镜组件，其特征在于：所述的法-珀干涉滤光片是多腔窄带滤光片。
16．如权利要求15所述的单片棱镜组件，其特征在于：所述的法-珀干涉滤光片的带宽小于0.2nm。
17．如权利要求14所述的单片棱镜组件，其特征在于：所述的反射涂层是在所述基板外表面上的高反射率涂层，所述的法-珀干涉滤光片在所述基板的内表面上。
18．如权利要求14所述的单片棱镜组件，其特征在于进一步包括在第三平面中在所述光学基板的第三表面上有一第二反射涂层，所述第三平面与所述第一平面平行并位于所述第二平面的相对一侧。
19．一种光学器件，其特征在于它包括：
外部腔体激光器，它包括半导体二极管激光器，在与外部共振腔体光学耦合的第一发射器刻面上有一抗反射涂层；
位于所述外部共振腔体中的单片棱镜组件，它包括一透明光学基板，在相对所述外部共振腔体的横平面的锐角上有一薄膜法-珀窄带干涉滤光片；
准直装置，使所述发射器刻面与所述法-珀干涉滤光片之间的光会聚。
20．如权利要求19所述的光学器件，其特征在于：所述的二极管激光器是边发射的二极管激光器。
21．如权利要求20所述的光学器件，其特征在于进一步包括所述二极管激光器第二刻面上的输出耦合器反射涂层。
22．如权利要求21所述的光学器件，其特征在于：所述的单片棱镜组件进一步包括位于所述外部共振腔体一端的所述透明光学基板第一横表面上的反射涂层，所述薄膜法-珀窄带干涉滤光片位于所述光学基板的第二表面上，第二表面与第一表面形成锐角。
23．如权利要求22所述的光学器件，其特征在于：所述的薄膜法-珀窄带干涉滤光片是多腔滤光片。
24．如权利要求23所述的光学器件，其特征在于：所述的法-珀干涉滤光片的带宽小于0.3nm。
25．如权利要求24所述的光学器件，其特征在于：所述的外部共振腔体的总长度小于5mm。
26．如权利要求22所述的光学器件，其特征在于：所述的反射涂层是位于所述基板的外表面上的高反射率涂层，所述的法-珀干涉滤光片位于所述基板的内表面上。
27．一种光学器件，其特征在于它包括外部腔体半导体二极管激光器，在与外部共振腔体光学耦合的所述二极管激光器的第一发射器刻面上有一抗反射涂层，在所述二极管激光器的第二发射器刻面上有一输出耦合器反射涂层；位于外部共振腔体中的单片棱镜组件，它包括一透明光学基板，在所述外部共振腔体的一端有一腔体反射涂层，在所述反射涂层与所述第一发射器刻面之间的外部共振腔体中有一薄膜法-珀干涉滤光片，所述第一发射器刻面与所述反射涂层形成锐角，所述的薄膜法-珀干涉滤光片包括多层薄膜反射器，它们之间夹有至少一个薄膜腔体层。
28．如权利要求27所述的光学器件，其特征在于：所述的腔体反射涂层是高反射率的反射涂层。
29．如权利要求27所述的光学器件，其特征在于：所述的腔体反射涂层是部分透明的并将所述二极管激光器光耦合到输出元件上。
30．如权利要求29所述的光学器件，其特征在于：所述的输出元件是功率反馈环路的二极管传感器。
31．如权利要求27所述的光学器件，其特征在于：所述的输出耦合器反射涂层通过第二准直装置与光纤引出端光耦合。
32．一种光学器件，其特征在于它包括：
外部腔体半导体二极管激光器，它包括位于公共外部共振腔体的相对两端处的第一和第二边缘发射激光器，所述第一边缘发射激光器在限定所述外部共振腔体的第一端的第一刻面上有一抗反射涂层，所述第二边缘发射二极管激光器在限定所述外部共振腔体的第二端的第二刻面上有一输出耦合器反射涂层，使所述二极管激光器与输出元件光耦合；
位于所述第一与第二边缘发射激光器之间的外部共振腔体中的单片棱镜组件，它包括一透明光学基板，其中装有薄膜法-珀干涉滤光片，在薄膜反射器之间夹有至少一个薄膜腔体层；
使所述第一与第二边缘发射激光器之间的光会聚的准直装置。
33．如权利要求32所述的光学器件，其特征在于：所述的单片棱镜组件在平行的外表面上有第一和第二抗反射涂层，所述的薄膜法-珀干涉滤光片位于所述第一与第二抗反射涂层之间的单片棱镜组件的内表面上。
34．如权利要求32所述的光学器件，其特征在于：所述的输出元件是与光纤引出端光耦合的第二准直装置。
35．如权利要求32所述的光学器件，其特征在于：所述的第一反射涂层是高反射率的反射涂层。
36．如权利要求32所述的光学器件，其特征在于：所述的第一反射涂层是部分透明的并将所述二极管激光器光耦合到第二输出元件上。
37．一种稠密波分复用光纤通讯系统，其特征在于它包括半导体二极管激光器，在总长度不足5mm的外部共振腔体中有一单片棱镜组件，所述的单片棱镜组件包括一透明光学基板，在其内表面上装有带宽小于0.3nm的多腔薄膜法-珀干涉滤光片，其角度使波段外的波长反射到所述二极管激光器之外，以及包括多个薄膜反射器，它们之间夹着至少一个薄膜腔体。
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