CN1254892C - 调谐激光器的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可调激光器(200)，具有紧凑的形状系数和调谐到一个所选波长光栅(140)的任一选择的中心波长的精度，公开的一种新的调谐技术包括调谐该激光器(200)到所选择的通带(167-170)。以及使用各种各样的调谐元件和一起工作的一个反馈电路调谐该激光器(200)的光路径长度。

Description

调谐激光器的方法和设备

技术领域

本发明涉及波长捷变的激光器发射器。更特别地涉及可调谐激光器，它可包括内部波长参考，该内部波长参考可调节到一个波长光栅(wave-length grid)上的可选择的频道，和涉及可重新配置的光通信网络。

背景技术

服务于美利坚合众国和世界其余地区的电信网络目前正在随不断增加带宽的要求从模拟到数字传输发展。在近来从大的干线到用户分布站的每个应用中已证实光纤是取代铜缆的有价值的工具。光纤比铜可携带多得多的信息，而且衰减更小。

目前在光纤光网络中带宽的扩展正在通过人们了解的“波分多路复用”(WDM)来完成，其中使用调制技术在单条光纤上同时处理单独的用户/数据会话。目前国际电信联盟(ITU)规格说明要求频道间隔近似50GHz。ITU光栅典型地指的是围绕中心约1550nm的那些频率(例如，对于C波段接近1525nm-1575nm)。在那些波长处，50GHz频道间隔相应于接近0.4nm的波长间隔。在WDM应用中每个用户数据流一般被调制在相应半导体激光器的输出光束上。然后将来自每个半导体激光器的该被调信息组合到一条光纤上用于传输。

目前用于光纤通信的一种激光器类型是一种分布式反馈(DFB)二极管激光器。在应用这样一种DFB激光器的一个系统中，波长光栅可通过一个参考校准器(reference etalon)的传输峰值定义。这样的一个系统一般可能使用在一个反馈控制环路中的DFB激光器和该参考标准器的组合。DFB激光器的遭遇到的缺陷是它们的调谐范围小，只有约3nm(参见，例如，J.Carroll，J.Whiteaway，& D.Plumb，Distributed feedback semiconductor lasers，DPIE Press，1988)。DFB激光器发射器必须是单独排序的，和每一个激光器仅可用于一个频道或少量的相邻频道。

另一方面，WDM网络正朝向重新可配置的体系结构发展，其中每个发射器的波长必须是按命令可重新选择的。重新可配置的网络比静态系统提供容量，可靠性，和管理方面显著的优点。(参见，例如，R.Ramaswami and K.Sivarajan. Optical Networks，A Pratical Perspective，Morgan Kaufmann Publishers，1998)。

发明内容

本发明提供一种可调激光器，具有紧凑的形状系数和调谐到一个所选波长光栅的任一选择的中心波长的精度。这样该激光器可用在电信应用中，以产生用于按ITU的任一频道的中心波长或其它波长光栅。该激光器使用一个反馈回路进行控制。公开了一种新的调谐方法和设备，该设备包括在该激光器的腔中的一个调谐元件和一个反馈电路，该电路工作时具有由一个光束的路径限定的光通带。该调谐元件可调节该腔的相对于该通带的光路径长度。

反馈电路调制腔的光路径长度。该反馈电路利用调制信号和该光束的总的强度变化之间的相位差来调节光束中强度的变化，从而保持一种腔模式与该通带的中心波长对准。另外，在适当选择调制频率和幅度的情况下，由激光器发射的光束的线宽将有效地加宽。反馈系统传感一个系统响应到应用的波长调制信号。检测相对于应用的调制信号的响应的幅度和它的相位并产生一个误差信号。误差信号的大小和符号分别表示校正量和方向，对该腔的光路径长度需要由反馈系统完成。

实际上，反馈系统(或伺服系统)可将该误差信号调到零或驱动它到一个选择的电压。在适当地选择光元件和波长调谐机构的情况下，该反馈系统可有效地稳定激光器的输出和“锁定”发射的波长到某一选择的值。此外，可操作波长调制的频率范围以便控制该发射光束的相干长度，由此减轻有害的非线性效应，特别是激励的布里渊散射(SBS)，这将起因于光纤中激光的传播。

附图说明

根据结合所附附图的下列详细说明，本专业技术人员将更明白本发明的这些和其他的特征。

图1表示一个电信网络，包括在该光网络上调谐到任一WDM频道的中心频率的激光器。

图2A-E是按目前本发明的一个可调谐激光器的不同实施例的投影图。

图3A-B是用于包括调谐电路的可调谐激光器的控制器的软件方块图。

图4A-C是强度和波长的关系图，说明与不同调谐元件相关的信号轮廓，该不同的调谐元件可用来产生在该可调激光器中一个或多个用于频道选择的通带。

图5A-C是强度和波长的关系图的剖析图和在图4A-B中所示信号轮廓的剖析图，表示注入到该光束用于调谐腔的光路径长度以便同由该调谐元件产生的通带对准的调制信号。

图6是一个处理流程图，表示与调制一条激光束相关的步骤，两者都能调谐一个可调谐的激光器。

具体实施方式

图1表示具有多个通过一个中心局102或其他访问点横跨光网络100通信的I/O设备122-124的总的系统环境。中心局包括用于处理到/来自不同I/O设备通信的波分多路复用(WDM)的设备。在发送侧，多个波长激光器104-112每个提供一个载波波长，在其上调制每个相应的信息频道162-170。由ITU或其他标准调整主体定义的波长光栅140设置所要求的中心波长和相关参数用于每个频道。由大量频道携带的数据流由多路复用器114光或电地被多路复用并放置在光网络上，该光网络包括光纤和相关的光基础结构。多路复用器114是一个光器件，其依赖于光的传播方向将相应光路径上的不同的波长(或频道)组合到一个多频道光信号中。

在发送模式，一系列激光器如104-112的每一个在电信光栅的每个频道的所选中心频率/波长的一个上辐射光。如上所述，ITU C-波段跨越的波长近似地从1525-1575nm。例如某些频道间隔标准在目前被称为Dense波分多路复用(DWDM)应用的使用中相邻频道之间是50GHz间隔。该间隔在接近1550nm波长相应近似0.4nm的波长间隔。每个用户数据流被光调制到一个相应激光器的输出光束上。一个成帧器(未示)提供成帧，指针光标产生和量化，以便从一系列激光器和相关器件传输数据。来自每个激光器的被调信息130被传送到多路复用器114。多路复用器114的输出150耦合到一条光纤用于传输。

图2A-F是按目前发明的一个可调激光器的不同实施例的透视图。每个激光器包括至少一个可调谐元件，其产生至少一个波长通带。例如该通带可相应一个电信波长光栅的一个频带。每个激光器还包括调制该激光器腔的光路径长度和检测合成强度变化的一个系统。在伴随该说明的图中，相同标号系指相同的元件。

在图2A中，激光器200包括：增益介质(Gain medium)224，谐振腔280光耦合到该增益介质和耦合到一个控制器的不同的控制线(参见图3A-B)。在图2A-F中，所示的激光器200可认为是一个外腔激光器。但是，本发明无论如何不限于与外腔激光器一起使用。所示的激光器200与光纤206相耦合。结构上，所示激光器200沿光路径208展开。该激光器包括增益介质224。该增益介质可实施成为一个激光器二极管。还可以使用其他的增益介质，例如半导体光放大器，成角的小平面(angled facet)激光器二极管，弯曲或锥形波导，等。在图2A中，激光器二极管的前和后小平面222-220与光路径208对准。谐振腔280的最接近端位于激光器二极管的前面222。向后反射器(retro reflector)260限定了谐振腔280的远端。耦合光学器件210位于增益介质224的后小平面220和光纤206之间。增益介质224的后小平面是部分反射的，由此允许输出光束212从增益介质224的背面(back)射出。输出光束212通过光束分光器214耦合到光检测器216以及通过透镜210耦合到光纤206。从增益介质的反向小平面提供的输出光束具有附加效益是提供更小的相对源自发发射，因为该输出光束使得完全通过系统中的所有光学器件。在图2A所示的配置中向后反射器260是全反射的。在本发明的其他的配置中向后反射器260可以是部分反射的，以便发射输出光束用于耦合到光纤或其他的光学元件。此外，在这样的一种配置中通过部分地反射的向后反射器260有可能监视在光束中的强度变化。

增益介质的前小平面222具有一个有小于0.5％反射率的AR涂敷以允许来自谐振腔280中的不同元件的光反馈。透镜242对准/聚焦增益介质的输出240进入腔280的部件。

光栅发生器246是谐振腔280中第一调谐元件。该光栅发生器246与增益介质224光耦合，以允许向该处反馈。该光栅发生器246呈现与所选波长光栅的光栅线对准的周期性通带(参见图4A)。光栅发生器可实施成一个Fabry-Perot滤波器，例如具有由气体或固体隔离物分开的反射表面的平行-板校准器，该光栅发生器246可另外实施成一个Fabry-Perot滤波器，一个衍射元件，一个干涉元件或一个双折射元件。当实施成一个校准器时，该光栅发生器246具有通过下列关系确定一个自由频谱范围(FSR_Grid-Gen)的厚度L和折射指数ng：

             FSR_{Grid_Gen}＝c/(2n_gL).

选择该光栅发生器的自由频谱范围，使得在与所选波长光栅140(参见图1)的中心波长相一致的波长上，在通信频段中，其传输频谱包括最大值的多重性。

更一般地，该光栅发生器246导致多个其中心在所选波长光栅的光栅线的每一个上的通带。该光栅发生器246具有压缩激光器在每个频道之间的相邻模式的衰减轮廓。该光栅发生器246可备有一个温度控制器或保持该通带与该波长光栅对准的其他的光栅发生器控制元件244。该光栅发生器控制元件244通过信号线248与该控制器耦合(参见图3A-B)。

谐振腔280中的第二调谐元件是也与增益介质224光学上耦合的频道选择器250。该频道选择器250只是用来衰减由在所选波长光栅中光栅发生器246产生的通带的所选的一个(参见图4B-C)。该频道选择器250可实施成：例如窄带“游标”滤波器(参见图4C)，宽带周期滤波器(参见图4A)，或通带滤波器。该频道选择器250通过信号线252与相关控制电路耦合(参见图3A-B)。该频道选择器250另外可实施成Fabry-Perot滤波器，衍射元件，Pockels单元，Kerr单元，固体校准器，间隙校准器，楔形固体校准器，楔形气体校准器，干扰元件或双折射元件。用各种方式，包括机械，热和电光可实现该频道选择器250的调谐。选择光栅发生器246和频道选择器250精细度以抑制相邻于所选频道的频道。通过改变其光路径长度，即其长度或折射指数可引起该频道选择器的调谐。所有这些都可由电，热，或电-光引起。

激光器200具有大量发射激光模式，其间隔相应于该激光器200，即增益介质和谐振腔280的总光路径长度的半波长的整数倍(即L_{optical path}＝N(λ/2))，在贯穿该设备的操作，那些模式与由光栅发生器246产生的波长光栅和在由该频道选择器250选择的那个光栅中的特定的通带对准将变化。在温度，湿度，电压，电流等的微细改变都可影响该设备的长期稳定性。而这将引起该发射激光模式对波长光栅的轴线错位还引起其他的负面影响，例如耦合到光纤的激光器功率减小。

在图2A实施例中，一个调谐电路连续地调谐激光器以校正模式和波长光栅的任何这样的轴线错位。光栅发生器246和频道选择器250有效地一起工作以对一个所选波长或通带执行“宏观”调谐。此外，图2A的调谐机构包括对i)调制激光器200的光路径长度，和ii)调整激光器200的光路径长度的功能度。在图2A所示的配置中，这些功能都在单个电-光激励元件254中实施。

更具体地，元件254既完成调制激光器200的光路径长度的光路径长度调制器的功能，又完成调节该激光器200的光路径长度的光路径长度调节器的功能。如结合图5A-C所讨论的，激光器200的光路径长度的调制将在激光器光束中产生强度变化。这些强度变化在幅度和相位误差方面将减小，如果一个腔模式引起与由光栅发生器246和频道选择器250产生的通带的中心波长对准。该后者的对准是通过上面确定的功能ii)，即调节光路径长度来完成的。虽然在图2A中说明的激光器中在单个元件254中完成光路径长度调节和调制功能，但这样的功能可使用单独的多个元件来执行。此外，有可能将元件254与另一元件例如向后反射器260相组合。例如，可能使用在其远端上具有反射性涂覆的铌酸锂晶体提供元件254和260的功能，在这样的一种配置中，如上所述，也可能在这样的晶体的远端上具有部分反射性涂覆以监视光束中的强度变化。

例如，该光-电激励部件254(图2A)可以是一个固体或气体隔离的校准器，它由一个调制信号被电-光，声-光，机械地或用热方法调制以完成路径长度调制功能。为完成光路径长度调节，对该调制信号可附加一个偏移信号(光路径长度调节信号)。可以从控制器300(参见图3A-B)通过信号线256提供组合的调制信号和光路径长度调节信号。作为选择，偏移信号可单独地送到一个路径长度调节元件。一个宽范围的光学元件可完成光路径长度调制和调节，包括：可变Fabry-Perot滤波器，一个衍射元件，一个干涉元件或一个双折射元件。还可使用电压/电流激励液晶单元或电-光元件，例如铌酸锂晶体。

光路径长度(由此激光器波长)的调制还具有减小发射光束相干长度的有益效果。通过适当选择调制频率和幅度，用这样的一种设计方式能减小相干长度，即通过增加用于光纤中非线性效应的阈值功率将有效地增加激光器同光纤的耦合效率，例如，该波长调制将有效地缩短激光器辐射同光纤的交互作用长度，由此抑制SBS。

图2B表示可调激光器200的另一种配置，其中，光路径长度调制和调节功能实施成为分开的元件。在该配置中，元件254继续用作光路径长度调制器。向后反射器260执行光路径长度调节功能。制动器266通过平台264将向后反射器260耦合到基底262。在调谐电路控制下(参见图3A-B)一个信号传送到制动器266，该制动器使得向后反射器260沿光轴208调节。这具有减小或增加激光器200的光路径长度的效应，从而对准在通过使用光栅发生器246和频道选择器250提供的通带中的一个腔模式中心。制动器266可实施成一个热膨胀构件，一个机械制动器，例如一个压电电元件，一个音圈制动器，或任何其他适宜的能最终控制平台264移动的制动器。

图2C-D说明其中光栅发生器(图2C)或频道选择器(图2D)与增益介质224整体实施的激光器配置。在图2C中，增益介质224的前小平面222和后小平面220用作一个Fabry-Perot元件，由它来实施该光栅发生器功能。该前面保持足够的反射性以用作一个部分反射的校准器边界而不完全降低其从谐振腔280接受光反馈。

图2D说明频道选择器250与增益介质224一起的实施。可以用通过信号线252施加电压用来调制与增益介质224的前小平面222成整体的半导体层的折射指数，由此调谐由频道选择器250产生的通带到由光栅发生器246产生的所选频道。

在图2C和2D说明的每个激光器中，有可能使用元件254执行调制和调节该激光器的光路径长度的功能。作为选择，调制和调节光路径长度的功能可以如在图2B所示的那样被分开。

在图2E中，元件254的光路径长度调制器功能可与增益介质224整体实施。通过信号线256施加的电压可以用来调制与该增益介质前小平面222成整体的一个半导体层的折射指数，由此调制该激光器200的光路径长度。如同图2C和2D的激光器那样，图2E的激光器也可用类似方式修改。

为减小对增益介质的寄生反馈，光栅发生器和频道选择器的一个或两者可倾斜。可选择地或另外地，可附加一个极化选择滤波器到腔体以减小到增益介质的寄生反馈。这样的一个系统也可应用位于光栅发生器和频道选择器一侧的1/4波金属条。由于激光器的输出光束是极化的，该1/4波金属条将阻止未形成双重通过光栅发生器和频道选择器的光返回到增益介质。在一个配置中，部件和光纤靠的很近允许将这些部件集成一个能密封地密封为一个高稳定光-机械子系统，从而增强对环境温度、冲击，和振动的宽允。

图3A-B是控制器300的方块图，该方块图用于包括调谐电路的可调激光器。控制器300包括调谐电路310，电流/电压驱动器302，光栅控制器304和频道控制器306。电流/电压302驱动器控制通过线226传送到增益介质224的功率。光栅控制器304例如使用基于温度的光栅发生器控制元件244保持光栅发生器246的参考完整性(referential integrity)，该基于温度的光栅发生器温度控制元件244热耦合到光栅发生器并通过信号线248驱动。频道控制器306使用电，机械，热或其他方式去调谐它通过信号线252被耦合到的频道选择器250。例如，其可以通过机械致动器、热致动器、电-光致动器和压力致动器实现频道选择器250的游标调谐以游标调谐第二组通带。调谐电路310包括信号检测器312，信号处理器314，可选择的低通滤波器316，误差校正器318，路径长度调节器320，调制信号发生器322，和I/O部件即，信号检测器216，和用于执行光路径长度调制和调节的相应元件254(参见例如图2A中的元件254)。

调制信号发生器322提供一个调制信号到依次使光路径长度调制的，合适的元件(例如254)，也可例如通过减小SBS选择调制频率和幅度以增加有效耦合效率。可以是一个光二极管或任何其他合适检测器的信号检测器216监视在由调制器254调制光路径长度引起的光束212中的强度变化。来自信号检测器216的强度信号提供输入到信号处理电路314。同时该信号处理电路314从调制信号发生器322接收一个调制信号作为参考。信号处理电路314使用任一大量信号处理技术来确定一个激光器模式与通带峰值对准。在本发明的一个实施例中，信号处理包括相位-同步检测以确定调制信号和来自检测器216的强度信号之间的相位关系。之后信号间相对相位传送到具有或不具有由滤波316执行的低通滤波的误差校正器318。该信号处理电路314可实施成一个相位-同步检测器，例如一个锁相环。在本发明的另一实施例中信号处理电路监视来自检测器216的强度信号的强度变化和频率以确定何时强度变化为最小。如在图5A-C中详细说明的，当激光器模式与通带峰值对准时强度变化为最小和该强度信号的频率将增加。在本发明的再一实施例中，该信号处理电路314另外可响应于由该信号检测器216提供的调制频率的所选择的谐波。

误差校正器318产生一个误差校正信号使路径长度调节器320调节该光路径长度，以使调制信号和强度信号之间的关系最佳化或驱动该关系到一个所选择的偏移。当一个腔模式与由调谐元件产生的通带之一对准时，在光束中在调制频率和其奇数倍频上的强度变化基本上最小(参见图5C)。同时在两倍于调制频率和调制频率的其他偶数倍频上的强度变化增强(参见图5C)。可使用这些效应的一个或组合来指示该激光器波长合适地对中在所选频道上(即调制信号和强度信号之间的关系是最佳的)。

图3A说明使用一个信号来驱动例如图2A中表示的组合的光路径长度调制器和调节器的场合的情况。路径长度调节器340提供对中腔的一个模式在由调谐元件产生的通带上所需要的“DC”偏移，该偏移同由调制信号发生器322提供的调制信号组合，以便在线256上提供适当的“AC”信号。术语“AC/DC”仅用于说明目的。实际上驱动调节路径长度的误差校正信号也是一个时变信号。图3B说明由单独的多个元件执行光路径长度调节和调制的场合的情况。在这种情况下，该路径长度调节器340对路径长度调节器，例如可调节的向后反射器260提供适当的驱动信号，而调制信号发生器310提供调制信号以驱动单独的光路径长度调制元件254(参见图2B)。

图4A-C是强度和波长的关系图，说明与不同调谐元件相关的信号轮廓，该不同的调谐元件可用来产生在谐振外部腔280中一个或多个用于频道选择的通带。特别地，图4A表示由光栅发生器246(参见图2A)产生的周期性通带162-170。图4B-C分别表示宽带和游标频带选择器通带轮廓，其可用来与光栅发生器组合以便选择由该光栅发生器产生的通带。

图4A中表示在波长光栅140中具有5个通带162-170的周期性波形430。发射激光将在一个或多个对准相关通带的腔模式处的每个通带中发生。在图4A中还表示出腔模式432-436。在由光栅发生器提供的通带和腔之间的关系用下列方程1表示：

方程1

             FSR_GridGen≈i·FSR_Gavity这里i是整数。

方程2表示光栅发生器的FSR和该光栅发生器的光路径长度和所选波长光栅频道之间的间隔的函数关系：

方程2

${\mathrm{FSR}}_{\mathrm{GridGen}}=\left(\frac{1}{2}\right)\frac{c}{n_g\·L_g}\≈\mathrm{Channel}\_\mathrm{spacing}$

这里C是真空中的光速，n_g是光栅发生器的折射指数和L_g是沿光栅发生器的光路径的物理长度。

方程3表示全部腔的FSR和频道间隔的函数关系：

${\mathrm{FSR}}_{\mathrm{Gavity}}=\left(\frac{1}{2}\right)\frac{c}{\mathrm{\Σni}\·\mathrm{Li}}\≈\frac{\mathrm{Channel}\_\mathrm{Spacing}}{i}$

这里i是相应于每个元件，透镜，增益介质，校准器，光栅，等和包括组合内部和外部腔中的空气/气体的整数序列，n_i是腔中第i个元件的折射指数，而L_i是沿腔中第i个元件的光路径的长度。

当在一个激光器的光腔中光耦合光栅发生器和频道选择器以提供允许对该增益介质反馈时，得到下列关系。在相应于频道间隔的间隔处光栅发生器选择腔的周期性纵向模式同时拒绝相邻模式。频道选择器选择该波长光栅中的一个或多个频道同时拒绝其他频道。

每个滤波器精细度确定其最接近相邻模式或频道的衰减。在下列方程4中精细度表示为相邻最大值对半宽度通带的分隔比。

方程4

              Finesse＝FSR/Δυ

这里Δυ是通带半宽。

图4B表示在选择波长光栅中每个频道期间根据输入光束由频道选择器250产生的通带的结果。当响应输入光束由频道选择器250传送到增益介质224的反馈进一步由光栅发生器246滤波，一个组合的通带导致相应于波长光栅的一个频道的通带。对于频道选择器250的调谐范围430使得有可能跨越例如在图4A中指示的162-170波长光栅选择通带。频道选择器250表示在调谐位置400-408，使用通带420选择分别由光栅发生器246产生的每一个通带170、168、164、和162。

如下列方程5所示，图4B中所示频道选择器250的FSR可以是频道选择器的光路径长度和波导光栅带宽的函数：

方程5

${\mathrm{FSR}}_{\mathrm{ChanSel}}=\left(\frac{1}{2}\right)\frac{c}{n_s\·L_s}\≥\≈\#\mathrm{Channels}\·{\mathrm{FSR}}_{\mathrm{GridGen}}$

这里n_s是频道选择器折射指数，而L_s是频道选择器的沿光路径的物理长度。选择频道选择器250的FSR来抑制跨越增益介质或光束源的增益轮廓的通带外的振荡。可应用附加的固定的带通滤波器以减小频道选择器250要求的抑制到恰好的光栅的波长范围，即达到频道*频道间隔数目。

图4C表示在选择波长光栅中每个频道期间由一个频道选择器250产生的通带。当传输来自频道选择器250和光栅发生器246的最大值一致时，产生的一个或多个通带相应波长光栅中一个或多个频道。频道选择器250的调谐范围470小于或基本等于波长光栅中的频道间隔。频道选择器250表示在调谐位置450-458，其分别借助通带460-468选择分别由光栅发生器产生的每个通带170，168，166，164，和162。在该例中调谐该频道选择器250将显现出多个通带，例如在波长光栅中的460-468。由波长光栅中频道选择器产生的通带数可以是大于或小于由光栅发生器产生的通带数。

在本发明的激光器200中，腔长度将随温度和其他变量改变。由光栅发生器和频道选择器在组合状态下产生的周期性峰值，即通带一般地将与一个腔模式不相一致。如上所述，为校正这种情况，设计目前发明的调谐电路，通过细调激光器的光路径长度移动腔模式与通带对准。

图5A-C是强度对波长曲线图的展开图和图4A-B中所示的信号轮廓的放大图。用于调制激光器200(参见图2A-E)的光路径长度的调制信号被表示成与合成强度信号不同的相位关系。激光器200的调谐用来补偿在所选通带中激光器的一个模式和所选通带的中心波长之间的错位。

在图5A所示示例中，表示激光器输出线宽506，和该线宽幅度的合成强度变化，即强度信号508。在图5A中，模式434是在中心围绕比与通带峰值420相关的波长更短的波长的一个波长范围502-504上被调制。当激光器200的波长例如用元件254(参见图2A-E)的光路径长度调制器函数调制时，光束的强度增加，如果纵模的波长增加。调制信号500和合成强度信号508同相。在调制信号的波长范围502-504上，通带的斜率确定了强度信号508的幅度510。通带的斜率越大，强度信号508的幅度也越大。在时间t₁，t₃强度信号达到峰值幅度。强度信号的占主导的频率等于调制信号的频率。

在图5B中模式434在中心围绕通带峰值420的波长范围512-514上被调制。这相应一个波长锁定位置，在该位置上，强度信号518的主导频率两倍于调制信号500的频率，以及在该位置上，强度信号518的幅度的变化是最小。这些效应的两者起因于调制是围绕通带的中心执行的，因为在该情况下，变化的波长取样由小斜率和甚至围绕中心对称性表征的通带的一个范围。当谐振腔的光路径长度由光路径长度调制器254(参见图2A-E)调制时，光束的强度在调制信号的每个周期增加和减少两倍，这里，调制信号的每个零交叉与该强度信号的峰值一致。由于调制信号的周期对称地发生在调制信号的波长范围512-514的通带的峰值上，强度信号518的峰-峰幅度520是处在一个最小值。在该例中占主导的强度信号的频率是两倍于调制信号的频率。

图5C中模式434在中心围绕比与通带峰值420相关的波长更长的波长的波长范围522-524上被调制。当激光器200的光路径长度被调制时(参见图2A-E)，光束强度随纵模波长的增加而减小，调制信号500和合成强度信号528从而是超出相位180°。通带的斜率确定了在调制信号的波长范围522-524上该强度信号的幅度530。通带的斜率越大，强度信号的幅度越大。在时间t₀，t₂强度信号达到峰值幅度。占主导的强度信号的频率等于该调制信号的频率。

选择调制信号500的幅度使得在锁定期间输出强度的变化保持到在对激光器的给定应用中可接受的电平。选择调制信号的频率足够高以提供所要求的相干控制(例如为减小SBS)，然而不能高到与调制在由每个激光器产生的载波信号上的信息相干扰。应理解通过在图5A-C中进行比较调制信号和由此产生的强度变化，同步信号的幅度将提供激光器的多少光路径将需要进行调节的指示，同时最后比较的相位差(即0，180°)将提供按哪一个方向调节该光路径长度的指示。

本专业技术人员将理解，以上讨论的图5A-C与传输光束的相位方向和强度变化有关。也有可能进行以上讨论的关于反射光束的分析(例如，从光栅发生器观察的反射)，其中讨论的相位关系可能是相反的。此外，这些本专业技术人员可能理解，也可能根据位置而不是输出监视光束中的变化，例如如以上讨论的向后反射器260的位置以及激光器200中不同的其他位置。

图6是一个过程流程图，表示与调制一个激光器的光路径长度以调谐可调谐激光器和增加该激光器耦合效率有关的步骤。在步骤600初始化之后，在步骤602激励增益介质。下一步骤604光栅发生器用一组周期性通带，即一个梳状函数滤波输入光束，该梳状函数相应于波长光栅140(参见图1)。在下一步骤606启动激光器光路径长度的调制。接着在判定框608，进行确定关于是否开始对波长光栅的另一频道调谐。如果是，则控制转到任选步骤610，其中中断调制，同时在步骤612，通道选择器将激光器调谐到第二组通带。组合来自频道选择器和光栅发生器的反馈作为该输入光束的结果衰减除波长光栅中所选通带之外的全部。在任选步骤614继续激光器的光路径长度的调制，接着控制转到步骤616。终于无新的频道被选择，该步骤是直接从判定步骤608到达的相同的步骤。

在步骤616，检测光束中的变化。然而控制转到618。在步骤618执行信号处理。信号处理可包括任何的结合图3A-B在上面讨论的大量的信号处理技术。这些包括调制信号和强度信号的相位-同步检测，或单独监视强度信号的幅度和频率。然后在步骤620产生相位校正/误差校正信号。该信号当由上述光路径长度调节器提供时将调节该光路径长度以对准腔的一个给定的模式及波长光栅的所选通带的中心波长。

接着在判定步骤622，进行确定关于模式锁定是否已达到。如以上结合图5B所讨论的，肯定的确定可以基于在强度信号中的频率加倍或在强度信号中变化的最小化。如果未检测锁定条件，则控制返回到步骤616，和调节步骤将继续直到到达模式锁定。一旦在步骤622检测了一个锁定条件，则控制转到步骤624，其中指示锁定和任何通信开始或继续。然后控制返回到判定步骤608。

已经表示的本发有的一个优选实施例的以上说明目的是举例证明和说明。它并不意味着包罗无遗或限制本发明到公开的精确的方式。很显然对本专业有实践经验的技术人员而言很多的修改和变化将是明显的。这意味着本发明的范围将由下列权利要求和其等效物确定。

Claims (22)

1.一种激光器，包括：

一个增益介质，发射具有某一波长的光束，该光束沿一个谐振腔中的一条光路径发射；

至少一个调谐元件，与该增益介质光耦合，该至少一个调谐元件确定在该光束的光路径中的至少一个通带；以及

一个调谐电路，该调谐电路与该增益介质和该至少一个调谐元件光耦合，该调谐电路包括以下元件的至少一个：校准器，向后反射器，Fabry-Perot滤波器，衍射元件，干涉元件或双折射元件；该调谐电路有效调制该激光器的光路径长度和检测因调制产生的光束的强度变化，以及该调谐电路按照在调制和检测的强度变化之间的关系调节光路径长度以调节该光束的波长，其中，选择该调谐电路的调谐频率和调谐幅度的至少一个以通过扩展光束的线宽增加光束同通信介质的耦合效率。

2.权利要求1的激光器，其中调谐电路进一步包括：

一个光路径长度调制器，用一个调制信号调制该光路径长度，由此在至少一个通带中产生光束的强度变化；以及

一个光路径长度调节器，调节该光路径长度，以使得因该调制信号产生的光束的强度变化最小。

3.权利要求2的激光器，其中光路径长度调制器和光路径长度调节器的至少一个与该增益介质是整体的。

4.权利要求2的激光器，其中光路径长度调制器和光路径长度调节器彼此是整体的，和光路径长度调制器和光路径长度调节器响应该调制信号以调制光束以及响应一误差校正信号以调节光路径长度，从而使光束的强度变化最小。

5.权利要求2的激光器，进一步包括：

一个向后反射器，确定谐振腔的远端，光路径长度调节器与该向后反射器整体形成以改变激光器的光路径长度，从而使光束的强度变化最小。

6.权利要求2的激光器，进一步包括：

一个检测器，检测光束的强度变化和产生正比于该变化的一个强度信号；

一个相位检测器，检测在该调制信号和强度信号之间的相位误差和输出相应的误差信号；以及

其中该光路径长度调节器进一步响应该误差信号以调节该激光器的光路径长度，从而使光束的强度变化最小。

7.权利要求6的激光器，其中所述相位检测器进而可操作来检测在所选择谐波上的调制信号和强度信号之间的相位误差。

8.权利要求1的激光器，其中至少一个调谐元件包括下列元件之

一个光栅发生器，产生第一组与所选波长光栅的大量频道的中心波长对准的通带；以及

一个频道选择器，选择光束被调谐到的至少一个频道，其中从所选波长光栅中的多个频道中选择至少一个频道，通过整形和用该第一组通带来调谐至少第二通带使至少一个频道被选择。

9.权利要求8的激光器，其中光栅发生器和频道选择器的至少一个与该增益介质是整体的。

10.权利要求8的激光器，其中光栅发生器和频道选择器进而包括Fabry-Perot滤波器，衍射元件，干涉元件和双折射元件中的至少一个。

11.权利要求8的激光器，其中频道选择器包括以下元件的至少一个：Pockels单元，Kerr单元，固体校准器，间隙校准器，楔形固体校准器，楔形气体校准器。

12.权利要求8的激光器，其中频道选择器包括可调的长度和可调的折射指数中的至少一个。

13.权利要求8的激光器，其中频道选择器用第一组通带游标调谐第二组通带以选择光束被调谐到的频道的至少一个。

14.权利要求13的激光器，其中频道选择器的游标调谐是通过选择下列之一实现的：机械致动器，热致动器，电-光致动器，和压力致动器以便游标调谐第二组通带。

15.一种用于调谐一个激光器的方法，包括下列动作：

确定谐振腔中光束的至少一个通带；

调制激光器的一条光路径长度；

检测因调制动作产生的在至少一个通带中的光束的强度变化；以及

调节激光器的光路径长度以使得在检测动作中检测的强度变化最小，其中确定动作进一步包括下列动作：

滤波光束以呈现基本上与所选波长光栅的相应频道对准的第一组通带；以及

调谐光束到至少选择的该第一组通带的一个。

16.权利要求15的方法，其中调谐动作进而包括下列动作：

滤波光束以呈现波长光栅中第二组通带；以及

用第一组通带游标调谐第二组通带以便选择在该频道调谐由该增益介质发射的光束的频道。

17.权利要求15的方法，其中调节动作进而包括下列动作：

检测在正当调制时的调制和正当检测强度变化时检测的强度之间的相位误差；以及

调节谐振腔的光路径长度以使该相位误差最小。

18.权利要求17的方法，其中检测相位误差的动作在一个选择的谐波上完成。

19.一种激光器，包括：

用于确定一个谐振腔中光束的至少一个通带的装置；

用于调制谐振腔光路径长度的装置；

用于检测因调制动作产生的在至少一个通带中光束的强度变化的装置；以及

用于调节谐振腔的光路径长度以使在检测动作中检测的强度变化最小的装置，其中用于确定的装置进而包括：

用于滤波光束以呈现基本上与所选波长光栅的相应频道对准的第一组通带的装置；以及

用于调谐光束到至少选择的第一组通带的一个的装置。

20.权利要求19的激光器，其中用于调谐的装置进而包括：

用于滤波光束以呈现波长光栅中第二组通带的装置；以及

用于用第一组通带游标调谐第二组通带以选择在其上调谐由增益介质发射的光束的频道的装置。

21.权利要求19的激光器，其中用于调节的装置进而包括：

用于检测在由用于调制的装置完成的调制和由用于检测的装置检测的强度变化之间的相位误差的装置；以及

用于调节激光器的光路径长度以使该相位误差最小的装置。

22.权利要求21的激光器，其中检测相位误差的装置在一个选定的谐波上实现。

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