CN1567007A - 可调式激光光源及其波长撷取方法 - Google Patents

可调式激光光源及其波长撷取方法 Download PDF

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Abstract

一种可调式激光光源，包含激光光学放大芯片、准直透镜、衍射光栅、聚焦透镜及一波长撷取装置。激光光学放大芯片一端的输入光经由准直透镜准直后入射至衍射光栅，由于不同波长的光线经衍射光栅后会产生不同的衍射角度，这些不同衍射角度的光线再经由一聚焦透镜会聚形成一连续带状的光斑。波长撷取装置包含其上形成有一狭缝的遮光板及一反射镜，将此波长撷取装置放置于光斑所在位置，该狭缝仅容许对应一特定宽度的光束通过，激光使该可调式激光光源输出对应该特定衍射角的波长。

Description

可调式激光光源及其波长撷取方法
技术领域
本发明提供一种可调式激光光源，特别是一种利用波长撷取装置快速调制所需波长的可调式激光光源。
现有技术
图1为一现有可调式激光光源100的示意图。如图1所示，该可调式激光光源100包含一激光光学放大芯片102、准直透镜104、衍射光栅106及一可旋转的反射镜108。如图1所示，激光光学放大芯片102一端发出的入射光，经由准直透镜104准直后以一定的掠角(Grazing Angle)入射至衍射光栅106时，产生的一阶衍射光(First-order Diffraction)110会依波长不同产生不同的衍射角。此时若将反射镜108旋转至与欲输出的波长的行进方向垂直，则该波长的一阶衍射光束110会经由反射镜108反射后再回到激光光学放大芯片102，激发以该波长为中心的放大增益而形成一外部共振腔，而能于零阶反射光112(Zeroth-order Reflection)处输出该所需波长。因此，调整该反射镜108的倾角，可达到激光光源波长可调的目的。
然而，现有的可调式激光光源需用一个构件众多的旋转机构来精确调整反射镜的倾角，另外其旋转中心跟准直透镜104及反射镜108有相对关系，其尺寸精度要求相当高，相对地温度控制十分困难，且反射镜的面积需足以截取各个于不同衍射角出现的分光波长，一旦所需的输出波长范围较广时，包含反射镜在内的整个旋转机构将体积庞大而难以将其小型化，且不易提高其波长调制速度，故难以符合现今快速调变且小型化的光通信组件需求。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可调式激光光源，其能快速调制出所需波长且易于小型化。
依本发明的设计，一种可调式激光光源包含激光光学放大芯片、准直透镜、衍射光栅、聚焦透镜及一波长撷取装置。激光光学放大芯片一端的输入光经由准直透镜准直后入射至衍射光栅，由于不同波长的光线经衍射光栅后会产生不同的衍射角度，这些不同衍射角度的光线再经由一聚焦透镜将不同衍射角分布的光束聚焦形成一带状分布的多个会聚光斑，而此带状分布的光斑则代表了不同波长光束的聚焦位置，而波长撷取装置包含一遮光板及一反射镜，遮光板上形成有一道仅容许一预定的会聚光束通过的狭缝，该狭缝的宽度也同时代表只有特定波长的激光能通过该狭缝。
由该设计，当狭缝沿带状分布的光斑方向移动而选择出特定波长的会聚光斑，使具有欲输出的波长的会聚光束进入时，该会聚光束即可抵达反射镜再反射回激光光学放大芯片，由激光光学放大芯片另一端输出，形成以欲输出的波长为中心的外部共振腔，获得快速调制激光光源波长的效果，该波长撷取装置也可以一狭窄宽度的反射镜来取代上述的遮光板及反射镜。
再者，可于准直透镜与衍射光栅间的光路设置一补偿板，由修正补偿板的倾角可微调共振腔的光程，使本发明的可调式激光光源能快速调制出符合国际电信联盟标准信道规格(InternationalTelecommunication Union grid；ITU grid)的波长。
附图简单说明
图1为一现有可调式激光光源的示意图。
图2为依本发明的一实施例，显示一可调式激光光源10示意图。
图3为一示意图，显示本发明衍射光栅与聚焦透镜搭配的分光原理。
图4为一示意图，显示本发明可调式激光光源10的一变化例。
图5为本发明另一实施例的示意图，显示一包含补偿板设计的可调式激光光源30。
图6为一示意图，显示本发明可调式激光光源30的一变化例。
图7为依本发明的另一实施例，显示一可调式激光光源40的示意图。
组件符号说明
10、30、40  可调式激光光源
12  激光光学放大芯片
14  准直透镜
16  穿透式衍射光栅
18  聚焦透镜
20  波长撷取装置
22  遮光板
22a  狭缝
24  反射镜
26  反射式衍射光栅
32  补偿板
34  基板
36  反射条纹
100  可调式激光光源
102  激光光学放大芯片
104  准直透镜
106  衍射光栅
108  反射镜
110  一阶衍射光束
112  零阶反射光
0  激光光源输出
P1、P2  会聚光点
λ1、λ2  分光波长
实施方式
图2为依本发明的一实施例，显示一可调式激光光源10示意图。如图2所示，可调式激光光源10包含一激光光学放大芯片12、准直透镜14、穿透式衍射光栅16、聚焦透镜18及一波长撷取装置20。波长撷取装置20包含一遮光板22及一反射镜24，遮光板22上形成有一狭缝22a。
图3为一示意图，显示本发明衍射光栅16与聚焦透镜18搭配的分光原理。如图3所示，当入射光I经过衍射光栅16后，由于光学衍射效应跟光的波长有关，不同波长的光束其衍射角度也不同。当衍射光栅16与聚焦透镜18的角度及位置经适当搭配后，经过衍射光栅16分光后呈不同衍射角分布的个别波长的光束，如图示彼此分离的λ1、λ2光束，可再经由聚焦透镜18会聚成如P1、P2的独立会聚点。换言之，原本于空间中依衍射角散布的分光波长，由聚焦透镜18的作用可转换为线性空间散布(Linear Spatial Dispersion)。
请再参考图2，激光光学放大芯片12一端发出的光线先经由准直透镜14准直为平行光后，以一定的角度θ入射至衍射光栅16，而形成不同衍射角的各个分光波长光束，再经聚焦透镜18将各个分光波长光束会聚成一带状分布的多个分离焦点的会聚光斑进入波长撷取装置20中。
本发明的波长撷取装置20于聚焦透镜18的焦点位置配置一反射镜24，反射镜24的表面可为依照聚焦透镜18焦平面(Focal plane)分布的平面或曲面，再搭配一可于聚焦透镜18与反射镜24间沿带状分布的各个彼此分离的焦点间移动的遮光板22。因遮光板22上形成有一狭缝22a，将狭缝22a移动至欲输出波长的会聚焦点时，该特定波长即可抵达反射镜24再反射回激光光学放大芯片12，形成以该特定波长为中心的外部共振腔，该特定波长的激光光经由共振腔来回振荡多次，并经过激光光学放大芯片12而将功率放大，再经由激光光学放大芯片另一端输出一窄频激光光源0，如此可调式激光光源10即可输出波长撷取装置20所撷取的特定波长，获得快速调制激光光源波长的效果。
遮光板22作为阻挡未选取的会聚光束进入反射镜24，及开设一宽度极小的狭缝22a以供选取的会聚光束穿透之用，其形式与构成材料并不限定，但狭缝22a之外的材质优选为具有光吸收或散射材料，以避免未选取的其余波长会聚光束于系统中形成杂散光。另狭缝22a形成的方式例如是一光学基板上涂布一层光吸收或散射物质后，再于此涂布层开设一宽度极小的光学穿透孔以形成一狭缝，或以光学穿透材质构成该狭缝。
波长撷取装置20的平移运动举例而言可使用一微引动器引动，或任何可使狭缝22a沿带状分布的各个彼此分离的焦点间移动的机构，例如使用一压电引动器(piezoelectric actuator)、气动引动器(pneumatic actuator)或由微机电(MEMS)技术制造的微形引动器均可，尤其以微机电(MEMS)技术制造的微形引动器较佳，其不但可缩小尺寸，移动速度更可达到毫秒(ms)等级。
因遮光板22的狭缝22a宽度决定了反射镜24回馈至激光光学放大芯片12的功率强度(Power Level)，及所撷取的波长的频谱纯度(Spectral Purity)，故狭缝22a的宽度范围，以能介于维持反射镜24至激光光学放大芯片12间的共振腔的振荡能量，与维持撷取波长的频谱纯度两者之间的范围较佳。
图4为一示意图，显示本发明可调式激光光源10的一变化例。本发明的衍射光栅形式并不限定，例如可如图4所示采用一反射式衍射光栅26，仅需调整聚焦透镜18与波长撷取装置20的配置位置即可。再者，本发明除移动遮光板22之外也可将衍射光栅设计为可转动而遮光板22则保持固定，同样可达到波长撷取的效果。如图4所示，当衍射光栅26的倾角改变时，平行光入射至衍射光栅26的角度θ即产生变化，如此可使会聚至该固定狭缝22a位置的波长持续变化，因此，可由调整衍射光栅的转角，选取恰落入狭缝22a的所需输出波长，同样可获得快速调制激光光源波长的效果。
因此，由上述的不同变化例可知，本发明也可同时转动衍射光栅并移动遮光板，如此更可提高激光光源10的波长调制速度与弹性。
图5为本发明另一实施例的示意图，显示使用穿透式的衍射光栅16及一包含补偿板32设计的可调式激光光源30。
可调式光学组件皆须依循相同的光纤通信标准信道规格，以确保其波长兼容性。因此，可调式激光光源必须以国际电信联盟(International Telecommunication Union；ITU)所定义的波长光谱规格传输数据。因此，若设计出的可调式光源能直接输出符合国际电信联盟标准信道规格(ITU grid)的波长光谱，则可明显增加运用上的弹性，并达到高速調制的目的以改善数据传输效果。因此，如图5所示，本实施例于准直透镜14与穿透式衍射光栅16间的光路设置一补偿板32，补偿板32举例而言可为一透明玻璃板。由转动补偿板32而变化其与经准直的平行光的夹角，可细微调整狭缝22a所选取的分光波长，其由反射镜24反射至激光光学放大芯片12的光程，而达到微调共振腔长度的效果，使可调式激光光源30能直接输出符合国际电信联盟标准信道规格的波长。换言之，加入补偿板32的可调式激光光源30设计，形成了针对输出标准信道规格波长的回授设计，而可补偿衍射光栅分光出的波长间距与标准信道规格间距的差值，使可调式激光光源30直接输出精确符合标准信道规格的波长，达到快速调制的目的。
图6为一示意图，显示本发明可调式激光光源30的一变化例。如图6所示，可调式激光光源30同样可采用一反射式衍射光栅26，仅需变化聚焦透镜18与波长撷取装置20的配置位置即可。再者，衍射光栅可设计为可转动而遮光板22则保持固定，同样可达到波长撷取的效果。当衍射光栅26的倾角改变时，平行光入射至衍射光栅26的角度θ即产生变化，如此使会聚至固定狭缝22a位置的特定波长改变，而可由调整衍射光栅的转角，选取出恰落入狭缝22a的所需输出波长，此时若撷取出的波长未落入标准信道规格的范围，再由变化补偿板32的倾角，可实时微调反射镜24至激光光学放大芯片12的共振腔长度，使可调式激光光源30直接输出精确符合标准信道规格的波长。
补偿板32不限定为一透明玻璃所构成，而可为任何高折射率的光学穿透物质，借由改变与光束之间的入射角以修正反射镜24至激光光学放大芯片12间的光程。
图7为依本发明的另一实施例，显示一可调式激光光源40的示意图。如图7所示，本发明的波长撷取装置可由一基板34及于其表面镀上一条纹状(Strip-like)的反射镀膜而构成，基板34用以提供该反射条纹36的反射镀膜的形成表面，其形状及材料并不限制，例如可使用一光吸收材料或光穿透材料均可。由衍射光栅26的转动或基板34的移动，可使反射条纹36进入所需波长的会聚光束范围，再由该反射条纹将该会聚光束反射回激光光学放大芯片12。如图7所示，本实施例同样可选择性加入一补偿板，若撷取出的波长未落入标准信道规格的范围，可由变化补偿板32的倾角，获得使可调式激光光源40直接输出精确符合标准信道规格的波长的效果。
以上所述仅为举例，而非限制本发明。任何未脱离本发明的精神和范畴，而对其进行的等效修改或变化，均应包含于权利要求的范围中。

Claims (10)

1.一种可调式激光光源，其特征在于：
一激光光学放大芯片，用以产生一输入光及该可调式激光光源的一输出光；
一准直透镜，置于该输入光的行进光路以将其准直为平行光；
一衍射光栅，置于该平行光的行进光路，该平行光经过该衍射光栅后使不同波长产生依不同衍射角分布的光束；
一聚焦透镜，用以将依不同衍射角分布的不同波长光束转换为带状分布的多个会聚光斑；及
一波长撷取装置，包含一遮光板及一反射镜，该遮光板形成有仅容许一会聚光斑通过的一狭缝，且通过该狭缝的该会聚光斑经该反射镜反射回该激光光学放大芯片，使该会聚光斑的中心波长形成为该可调式激光光源的输出波长。
2.如权利要求1所述的可调式激光光源，其特征在于该遮光板除该狭缝之外表面材质包括选自一光吸收材料及一光散射材料所组成的群组中的一种。
3.如权利要求1所述的可调式激光光源，其特征为该遮光板表面的该狭缝部位为光学穿透材质所构成。
4.一种可调式激光光源，其特征在于：
一激光光学放大芯片，用以产生一输入光及该可调式激光光源的一输出光；
一准直透镜，置于该输入光的行进光路以将其准直为平行光；
一衍射光栅，置于该平行光的行进光路，该平行光经过该衍射光栅后使不同波长产生依不同衍射角分布光束；
一聚焦透镜，用以将依不同衍射角分布的不同波长光束转换为带状分布的多个会聚光斑；及
一波长撷取装置，包含一基板及形成于该基板的反射镀膜所构成，该反射镀膜为宽度仅容许一会聚光斑反射的条状反射膜，且经由该反射膜反射的该会聚光斑反射回该激光光学放大芯片，使该会聚光斑的中心波长形成为该可调式激光光源的输出波长。
5.如权利要求4所述的可调式激光光源，其特征在于该基板的材料包括一光吸收材料或一光穿透材料。
6.一种可调式激光光源，其特征为：
一激光光学放大芯片，用以产生一输入光及该可调式激光光源的一输出光；
一准直透镜，置于该输入光的行进光路以将其准直为平行光；
一衍射光栅，置于该平行光的行进光路，该平行光经过该衍射光栅后使不同波长产生依不同衍射角分布的光束；
一聚焦透镜，用以将依不同衍射角分布的不同波长光束转换为带状分布的多个会聚光斑；及
一波长撷取装置，用以撷取该会聚光斑中的一个，并回馈至该激光光学放大芯片；及
一补偿板，设置于该准直透镜与该衍射光栅间的光路，用以修正该输入光的光程，以调整回馈至该激光光学放大芯片的该会聚光斑波长。
7.一种可调式激光光源的波长选取方法，包含如下步骤：
以一准直透镜将一激光光学放大芯片的输入光准直为平行光；
将一衍射光栅置于该平行光的行进光路，该平行光经过该衍射光栅后，使不同波长产生不同衍射角分布的光束；
利用一聚焦透镜将波长依不同衍射角分布的不同波长光束转换为带状分布的多个会聚光斑；
将该多个会聚光斑入射至仅容许其中之一会聚光斑进入的一狭缝，并将进入该狭缝的唯一该会聚光斑反射回该激光光学放大芯片，使该会聚光斑的中心波长形成为该可调式激光光源的输出波长。
8.如权利要求7所述的可调式激光光源的波长选取方法，其中该狭缝为形成于一遮光板上的仅容许一会聚光斑通过的条状开口，移动该遮光板以撷取该会聚光斑中的一个，并经由一反射镜将通过该狭缝的该会聚光斑反射回该激光光学放大芯片，使该会聚光斑的中心波长形成为该可调式激光光源的输出波长。
9.如权利要求7所述的可调式激光光源的波长选取方法，其中该狭缝为形成于一基板上仅容许一会聚光斑进入的条状反射镀膜，移动该基板使唯一进入该条状反射膜的该会聚光斑反射回该激光光学放大芯片，使该会聚光斑的中心波长形成为该可调式激光光源的输出波长。
10.如权利要求7所述的可调式激光光源的波长选取方法，还包含于该准直透镜与该衍射光栅间的光路设置一补偿板，并由改变该补偿板与该平行光的夹角的方式变化该输入光的光程的步骤，使回馈至该激光光学放大芯片的该会聚光斑的中心波长形成为符合国际电信联盟标准信道规格的波长。
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