CN1839522A - 外腔可调谐激光器中的相位控制 - Google Patents

外腔可调谐激光器中的相位控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单模外腔可调谐激光器，其包括增益介质、可调谐元件和信道分配栅格元件。所述信道分配栅格元件最好是FP标准具，其被构建和配置以定义对应于ITU信道栅格的多个等间隔透射峰值，例如，200、100、50或25GHz。可调谐元件最好是可调谐镜，用作鉴别栅格标准件的峰值的粗调元件。本发明的可调谐激光器具有相对短腔长度，即，不大于15mm，最好是不大于12mm。已经发现，FP标准具在外腔中引入相位非线性，引起空腔谐振模的压缩，即，对应于标准具透射峰值的空腔谐振模间隔的缩小。随着栅格FP标准具的FWHM带宽，以下称为(FWHM)FP的减小，模压缩增加。(FWHM)FP应当处于从大约2GHz到大约8GHz的范围内。最好是，(FWHM)FP近似地处于3和6GHz之间。

Description

外腔可调谐激光器中的相位控制
技术领域
本发明涉及作为光收发信机的外腔可调谐激光器，它特别适用于波分复用的光通信网络。
背景技术
作为可调谐光源的激光器的使用大大地改进了波分复用(WDM，wavelength-division multiplexed)系统或新演进的密集波分复用(DWDM，dense wavelength-division multiplexed)系统的可重构性。例如，通过简单地调谐波长，就能向一个节点分配不同的信道。可调谐激光器还可以被用来形成基于波长路由的虚拟专用网络，即，光子网络。
可以使用不同的方案来提供可调谐激光器，诸如分布式布喇格(Bragg)反射器激光器、具有活动顶镜的VCSEL激光器、或者外腔二极管激光器。外腔可调谐激光器提供若干优点，诸如高输出功率、宽调谐范围、良好的侧模抑制和窄的线宽。已经研制出各种激光器调谐机制以提供外腔波长选择，诸如可用机械方法调整的或者可用电子方法激活的腔内选择器元件。
美国专利第6,526,071号描述了一种外腔可调谐激光器，它可用于电信应用中，以便产生在国际电信联盟(ITU，InternationalTelecommunication Union)栅格上的任何信道的中心波长。所公开的可调谐激光器包括增益介质、栅格发生器和信道选择器，栅格发生器和信道选择器二者位于所述光束的光路上。栅格发生器按照对应于信道间隔的区间来选择所述腔的周期性纵模，并排斥邻模。所述信道选择器选择所述波长栅格内的信道，同时排斥其它信道。
为了适应日益增长的光通信业务量，正在研制具有50GHz并且最终为25GHz的信道间隔的密集波分复用系统。由于密集波分复用使用比较窄的信道间隔，所以发射机激光器在整个调谐和工作温度范围内的波长(频率)精度已经成为一个重要的问题。具有50GHz信道间隔的密集波分复用系统典型地需要有关激光频率的±2.5GHz的精度。而具有25GHz的系统通常需要±1.25GHz的频率精度。因此，用于快速地和正确地设置和保持所期望的工作波长的可靠的波长稳定方案就成为可调谐激光器的组装和运行中的一个关键问题。
激光器波长和其它输出参数的主动控制系统通常在外腔可调谐激光器系统中实现。通常，这些主动控制系统依赖于将激光器波长锁定到期望的工作波长。普通锁定技术可以通过电流或温度反馈，使用反馈信号将波长中心保持在所期望的值上。波长锁定系统可以作为外部支持电路而出现，或者被集成到激光器模块中。
美国专利第6,366,592号描述了一种可调谐激光器，包括可调谐法布里-珀罗(FP，Fabry-Perot)腔和腔长度调制器，后者控制所述腔的光学长度。所述FP腔首先被调谐到所期望的工作波长，然后，所述腔长度调制器被驱动将激光器腔的物理长度改变典型地小于在工作波长处的光的一个波长的量。通过参照由波长锁定器所检测的绝对波长，实现精细腔间模调谐。可替代地，对腔长度进行调整，直到输出功率被最大化为止，当空腔谐振模被集中于FP滤光器的中心波长时，将出现这种情况。在此项专利中所描述的解决方案据说最适用于具有短激光器腔的可调谐激光器，上述激光器腔最好是小于3厘米(cm)，在一个优选实施例中，小于1厘米。
本发明人已经注意到，连续可调的腔内元件的离散波长选择可以限制波长调谐的精度，并且需要利用波长锁定系统把波长保持在所期望的运行值。本发明人还注意到，如果也被集成的话，波长锁定系统的使用将增加激光器模块的成本，并且不利于激光器系统的小型化。
美国专利申请第2003/0012230号描述了一种外腔激光器，包括位于增益介质和端镜之间的光路上的栅格标准具和光楔标准具信道选择器。所述栅格标准具具有对应于ITU栅格的栅格线之间的间隔的自由光谱范围(FSR，free spectrial range)。所述信道选择器的线宽的半最大值全宽度(FWHM，full width half maximum)据说是大于1纳米(nm)，对应于大约120GHz，并且小于1.5纳米，对应于大约190GHz。在一个特定的实例中，栅格发生器具有大约0.2纳米的半最大值全宽度线宽，这对应于大约25GHz。
本申请人已经注意到，当所述栅格发生器具有相对于空腔谐振模间隔的较低精细度时，把空腔谐振模的中心定位于栅格发生器(即，已选定的信道)的选定峰值上，以便在波长栅格的每一个信道之间抑制外腔激光器的邻模是特别困难的。在这种情况下，通常需要一个反馈系统，它主动地控制所述谐振波长，并将其锁定于已选定的信道上。
已经研制出多种液晶(LC，liquid crystal)器件，作为在激光器和相关的波分复用系统部件中用于波长选择的电可调谐光谱滤光器。
通常用交流(AC)电压来驱动液晶滤光器，以避免因电化学效应而导致液晶性能下降。在发表于《Journal of Applied Physics》第71卷第2464-66页的论文“Frequency Locking of a TunableLiquid-Crystal Filter”中，描述了用于可调谐法布里-珀罗(FP)滤光器的频率锁定的技术。被施加到LC-FP滤光器以控制滤光器的谐振的频率为ω的交流电压引起在发射的光强中处于2ω的小调制。为了补偿温度起伏，通过一个能使源自所述2ω信号的派生信号最小化的反馈系统来进行FP滤光器的频率跟踪。
可以通过使用主动可调谐镜来进行激光器腔的波长选择和调谐。在美国专利第6,215,928号中公开了一种使用液晶的电-光可控元件，它可以被用作主动可调谐镜。由主动可调谐镜把激光器的激光波长确定为所述镜的谐振波长。可通过改变提供给电-光可控元件的电压或电流，来移动所述谐振波长。
美国专利第6,205,159号公开了一种外腔半导体激光器，它通过改变到LC-FP干涉仪的电压，调谐到一个离散的波长集。人们可以调谐到的所述离散波长集由静态腔内标准具定义。静态腔内标准具的FSR被这样设计，使得它大于LC-FP干涉仪的分辨率带宽。静态标准具的半最大值全宽线宽度必须小于外腔纵模间隔。对于外腔光路长度为25mm的情形来说，具有100GHz的FSR和3.3GHz的半最大值全宽度的固态标准具被认为是满足稳定工作的要求。
发明内容
本发明涉及一种单模外腔可调谐激光器，包括增益介质、可调谐元件和信道分配栅格元件。所述信道分配栅格元件最好是FP标准具，后者被构建和配置以限定多个等间隔的透射峰值。在波分复用和密集波分复用电信系统的应用中，透射峰值间隔，即，栅格元件的自由光谱范围(FSR)对应于ITU信道栅格，例如，200、100、50或25GHz。所述FP标准具包括一对互相面对并且被光路分隔开的部分反射镜。所述FP标准具可以是固体或空气间隔的标准具。
所述可调谐元件最好是可调谐镜，用作鉴别栅格标准具的各个峰值的粗调元件。可调谐元件的半最大值全宽度带宽不小于栅格标准具的半最大值全宽度带宽。对于纵向单模操作，对应于特定信道频率的FP标准具的透射峰值应当选择，即透射单空腔谐振模。因此，FP标准具应当具有被定义为自由光谱范围(FSR)除以半最大值全宽度(FWHM)的精细度，它能抑制每一个信道之间的所述腔的邻模。对于单模激光器发射来说，纵空腔谐振模应当被定位于所述标准具的透射峰值中的一个(由所述可调谐元件选出的一个)的最大值处。这样一来，只有特定的频率能通过所述标准具，而其它竞争的邻空腔谐振模将被抑制。
本发明的可调谐激光器具有相对短的腔长度，即，不大于15mm。当激光器系统被组装在标准封装(例如，蝶形封装)中时，由于尺寸的限制，希望短激光器腔。而且，正如通过以下的讨论将变得更清楚的那样，短腔对透过标准具的模表现出比长腔更好的模抑制。下面，标准具对邻近激光模的空腔谐振模的抑制将被称为光谱标准具侧抑制(ESS，etalon side suppression)。最好是，腔长度不大于12mm。
减小激光器腔长度导致纵空腔谐振模的间隔的增加，即，由于下列关系
使得纵向空腔谐振模的间隔，即，以下被称为(FSR)cavity的激光器腔的自由光谱范围增加，式中，c0为真空中的光速，ni(i＝1，...，m)为填充光在腔中所遇到的第i个光学元件的介质以及腔本身(即，自由空间)的折射率，并且Li为第i个光学元件光程的物理长度。激光器腔中的光的光路被称为有效腔长度Leff，它被定义为
Leff＝∑iniLi                             (2)
有效腔长度当然涉及外腔的物理长度L0。所述激光器外腔可以被认为是一个光学谐振器，它由通常是平行的、由一个长度分隔的两个面对面的和反射性的表面组成，上述长度被定义为腔的物理长度L0。一般来说，Leff≥L0。
可以将方程式(1)重写为
对于具有小于15mm的L0的外腔激光器来说，(FSR)cavity典型地大于大约8-10GHz。
当使用较短的腔时，从原理上来说，可以使用较低精细度的FP标准具。使用较低精细度的FP标准具的能力将放松对准公差，由此降低器件的复杂性。
本发明人已经发现，FP标准具在外腔中引入了相位非线性，由此导致空腔谐振模的压缩，即，对应于标准具透射峰值的空腔谐振模间隔的缩小。随着栅格FP标准具的半最大值全宽度带宽[以下称为(FWHM)FP]的减小，模压缩增加。对于足够大的(FWHM)FP数值来说，所述数值依赖于腔长度，空腔谐振模压缩变为可忽略的。对于第一近似，对于(FWHM)FP小于2.5(FSR)cavity的情形来说，模压缩的效果是显著的，即，大于10％。
虽然模压缩对于FP标准具的十分窄的带宽分辨率来说是特别显著的，但是，在实践中，其它考虑在(FWHM)FP中设置了较低的限值。FP标准具在激光器腔中引入了光学损耗，它随着(FWHM)FP的减小而增加。本发明人已经观察到，为了限制光学损耗，(FWHM)FP应当不小于2GHz。
本发明人已经发现，(FWHM)FP应当处于从大约2GHz到大约8GHz的范围内。最好是，(FWHM)FP近似地处于3和6GHz之间。信道间隔(FSR)FP最好是介于25和200GHz之间。
标准具模内的空腔谐振模压缩的效果可以被用来控制所述激光器腔的相位。本发明人已经确定，对于给定的腔长度，也就是对于给定的“固有”(即，不考虑标准具的非线性)空腔谐振模间隔(FSR)cavity来说，可以这样来选择(FWHM)FP，使得在一个标准具峰值内，至少有一个空腔谐振模，上述峰值被定位于距离标准具模(即，峰值)的中心不大于一定距离。换句话说，对于已经被可调谐元件选定的任何信道来说，激光器发光波长可以被限定在被选定标准具峰值的峰值波长附近的一定波长范围内。满足这种条件的激光器系统将呈现出一种被动相位“准同步”，这是由激光器腔的几何形状实现的，并且不需要主动控制。
图1是表示激光器腔内的各种模的图：(A)为由谐振外腔引起的空腔谐振模，即，(FSR)cavity；(B)为峰值位置被锁定于标准ITU信道间隔(在所示的实例中，(FSR)FP为100GHz)的FP标准具的模；并且(C)为可调谐元件，即，信道选择器的通带。
对于给定的“固有”空腔谐振模间隔(FSR)cavity，标准具透射峰值内的包括标准具非线性的影响的空腔谐振模间隔从最小的模间隔smin到最大的模间隔smax改变。参照图2(a)，smin对应于这样的情况，其中，在标准具透射峰值内至少有两个空腔谐振模，并且靠近对应于(选定的)标准具峰值的最大值的频率fFP的该两个模距离所述频率fFP基本上等距。在这种情况下，没有足以提供所需相干长度的优势频率，并且可能出现纵模跳跃。在模跳跃的情况下，模在各纵向空腔谐振模之间跳跃，导致激光器输出波长和功率的突然不连续改变。在图2(a)中，以开口正方形来表示标准具峰值以内和以外的空腔谐振模的位置。
参照图2(b)，smax提供这样的条件，其中，一种空腔谐振模的频率基本上与fFP重叠，fFP对应于最佳单模激光器操作，即，具有(完全的)相位同步的稳定激光振荡。
本发明人已经观察到，在可调谐激光器系统中，栅格标准具的有利滤光特性与人们希望获得的期望频率(波长)精度有关。他们已经发现，对于给定的频率精度±Δυ，应当这样来选择(FWHM)FP，使得满足下列关系：
smin≤2Δυ                  (4)
当满足由方程式(4)表示的条件时，实现激光器腔的相位准同步。
理解到相位准同步条件允许激光器设计中的灵活性，例如，可以按照不同的顾客要求来修改设计。根据本发明，可达到低至大约0.5GHz的激光器输出频率中的频率精度。
本发明人已经注意到，smin对可调谐元件(即，信道选择器)的分辨率带宽存在着相当弱的相关性。对处于50到200GHz范围的可调谐元件的半最大值全宽度，已经发现，(FWHM)FP的变化处于0.1-0.2GHz内。
在一个方面，本发明涉及被配置在激光器发光频率上发出单纵模输出辐射的可调谐激光器系统，所述激光器系统包括：
具有物理长度L0和多个空腔谐振模的外腔；
向外腔发射光束的增益介质；
被安排在外腔中的信道分配栅格元件，用于限定基本上对准于选定波长栅格的相应信道的多个通带，所述通带具有处于半最大值全宽度(FWHM)的带宽；
以及被安排在外腔中的可调谐元件，用于可调谐地选择各通带中的一个，以便选择对其调谐光束的信道，
其中，L0不大于15mm，并且处于信道分配栅格元件的半最大值全宽度的带宽处于2和8GHz之间。
在另一个方面，本发明涉及一种用于控制可调谐激光器系统的激光器发光频率的方法，上述可调谐激光器系统具有一个外腔，该外腔限定相互间隔(FSR)cavity的多个空腔谐振模，所述激光器发光频率是在单纵空腔谐振模上选择的，所述方法包括下列各步骤
把从增益介质发出的光束调谐到从基本上对准于选定波长栅格元件的相应信道的多个通带中选择的通带的相应中心频率，
选择处于选定通带的半最大值全宽度的带宽，使得
FWHM＜2.5(FSR)cavity以及
FWHM≥2GHz。
在优选实施例中，所述可调谐元件是一个可调谐镜，它形成外腔的端镜，并且连同所述增益介质(例如，半导体激光二极管)的反射前面在长度上定义。图3示意性地描绘了包括可调谐镜的外腔激光器的配置。增益介质1包括前面2和背面3。前面2是部分反射的，并且用作外腔的一个端镜。背面3具有低的反射性，它典型地涂覆有抗反射涂层(未示出)。准直透镜4将从增益介质发出的光束汇聚到FP标准具5，后者具有被锁定于ITU信道栅格的模。在FP标准具5之后，所述光束投射到可调谐镜面6，后者形成外腔的另一个端镜，并且连同增益介质的前面一起，规定了所述腔的物理长度L0。通过选择标准具透射峰值中的一个，来将可调谐镜调谐到期望的信道频率。通过改变由电压发生器7所施加的电压，电调谐可调谐镜6。
为了在激光器腔中发生激光器效应，必须满足两个条件：谐振条件和增益条件，二者可以分别由下列方程式来表示
2jΦLD+2jΦFS+2jΦFP+jΦR2＝2jNπ         (5)
式中，N为整数，GLD为激光二极管的光谱增益，φLD为激光二极管引入的相位延迟，φFP为标准具引入的相位延迟，φFS为自由空间引入的相位延迟，GFP为标准具的透射谱，R1为激光二极管的前面的反射率，R2(λ)为可调谐镜的反射率，以及φR2为可调谐镜引入的相位延迟。标准具相位延迟φFP与标准具镜的反射率有关。众所周知，由精细度表示的透射锐度随着标准具的镜的反射率而增加。因此，通过一个适当函数，可以建立φFP与(FWHM)FP的关联。
将方程式(5)和(6)合并，就得到激光器空腔谐振模
本发明人已经注意到，与腔中所存在的其它元件和腔本身所引入的对激光器腔中的相位非线性的贡献相比，FP标准具对激光器腔中的相位非线性作出了主要的贡献。可调谐元件选择标准具峰值中的一个。因此，被选定标准具峰值的相位非线性可因此被认为是FP标准具的非线性与可调谐元件的非线性的组合。如上所述，由FP标准具引起的模压缩表现出对可调谐元件的分辨率带宽的弱相关性。
借助于方程式(7)，有可能导出针对所期望的smin值的标准具相位延迟以及(FWHM)FP的数值或数值范围。所期望的smin数值与可调谐激光器所需的或所期望的频率精度有关。
通过监测激光器的输出功率以及对一个激光器参数作出小的调整(例如，调整增益介质的注入电流，直到功率最大化为止)，就能实现精细信道定中心和长期的频率稳定度。正如从以下的讨论中将变得更清楚的那样，通过仅使用由于栅格标准具光学透射特性的适当选择所提供的相位准同步的输出功率的简单的最大化，能实现所述空腔谐振模的信道定中心。
所述激光器系统可以装入标准的14引脚蝶形封装中，后者可以含有温度稳定系统。根据本发明的一个实施例，增益介质被安装在第一热电冷却器(TEC，thermoelectric cooler)上。
根据另一个实施例，信道分配栅格元件被安装在第二热电冷却器上。
根据本发明的又一个实施例，增益介质和信道分配栅格元件，可选地还有可调谐镜，被安装在同一个热电冷却器上。
本发明的激光器系统的进一步的优点在于，它可以不包括活动部件来实现可调谐性。
根据本发明的激光器系统被专门地设计用于在ITU的50GHz信道栅格上的整个C波段上提供快速切换。采用根据本发明的主动控制系统，不需要波长锁定器来实现具有25GHz的密集波分复用信道间隔的频率稳定度。
附图说明
图1是外部纵向空腔谐振模(A)、信道分配栅格的透射模(B)和信道选择器、即可调谐元件的带宽(C)的图形表示。
图2(a)是当激光器的振荡状态处于模跳跃时，由可调谐元件选择的信道分配栅格的通带内的纵向空腔谐振模的图形表示。
图2(b)是在相位同步状态下，由可调谐元件选择的信道分配栅格的通带内的纵向空腔谐振模的图形表示。
图3是根据本发明的一个实施例，包括可调谐镜的外腔可调谐激光器的方框图。
图4(a)是根据本发明的另一个实施例的可调谐激光器组件的示意图。
图4(b)是根据本发明的又一个实施例的可调谐激光器组件的示意图。
图5是表示作为处于FP标准具的半最大值全宽度(FWHM)的带宽的函数的激光器外腔的光损耗的图，上述FP标准具具有50GHz的自由光谱范围(FSR)，并且以对光束的垂线倾角为0.5°被定位于所述腔内。
图6是示例性的测量结果，表示作为激光二极管注入电流的函数的激光器输出功率(实线)和输出光频率(虚线)。
图7是表示可调谐镜的光谱响应的图，可调谐镜表现出由于施加交流电压而产生的振荡。
图8是表示可调谐镜的光谱响应的图，它也表示调制深度对入射波长的相关性。
图9是在频率fA(粗实线)和2fA(虚线)处，作为波长(细实线)和激光器输出功率的交流分量的函数的综合激光器输出功率的示例性测量结果。
图10是根据本发明的一个实施例的可调谐激光器的波长稳定控制电路的示意图。
具体实施方式
图4(a)简略地描绘了根据本发明的一个优选实施例的可调谐激光器系统。增益介质19基于半导体激光二极管，例如专门为外腔激光器应用而设计的InGaAs/InP多量子阱FP增益芯片。所述二极管包括前面17和背面16。所述二极管的背面16是腔内小平面，并且具有处于10-4/10-5数量级的已测量残余反射率的抗反射涂层。最好是，增益芯片波导是弯曲的，使之具有到达背面的入射角，以便进一步地减小背反射。前面17是部分反射的，并且用作外腔的一个端镜。前面17的反射率处于5％和30％之间的范围。来自二极管背面的发出光束由准直透镜11进行准直，后者把光束准直到法布里-珀罗标准具滤光镜12。在一个优选实施例中，激光二极管的增益带宽为100纳米(nm)左右。
可以以这样的方式来设计激光器，使得其工作波长对准于国际电信联盟(ITU，International Telecommunication Union)的信道栅格。在这种情况下，激光器的中心波长经由FP标准具12定中心于ITU栅格，上述FP标准具12被构建和配置以定义多个透射峰值。透射峰值间隔，即对应于信道间隔的自由光谱范围(FSR)FP可以是，例如，200GHz，100GHz，50GHz或25GHz。透射峰值的锐度由(FWHM)FP来表示，或者由作为标准具的FSR与FWHM之比的精细度来表示。
最好是，FP标准具被放置在腔内与光束15的垂线有小倾角，以便使FP标准具的反射光返回到激光二极管。FP标准具的倾角最好是包括在0.4°和0.8°之间，更可取的是大约0.5°。
在FP标准具12之后，光束投射在可调谐镜13上，可调谐镜13连同第一端镜一起，定义所述腔的物理长度L0。可调谐镜13把光信号反射回增益介质，导致腔内可调谐镜和增益介质的前面17之间发生谐振行为。换句话说，从增益介质的背面到可调谐镜的光路形成一个谐振腔，其(FER)cavity相反地依赖于外腔的有效腔长度Leff[方程式(3)]。通过增益介质的部分反射的前面17将激光束从外腔耦合出去。可选地，准直透镜14可以被放置在激光器输出光束的光路上。
激光器组件被设计产生基本上单纵向并且最好是横向模的辐射。纵向模指的是在激光器腔内同时在几个离散频率产生激光。横向模对应于在激光辐射的横向上光束亮度截面的空间变化。一般来说，适当选择增益介质，例如市售的含有波导的半导体激光二极管，保证单个空间或横向模操作。
激光器被配置成在匹配于WDM或DWDM系统中的等间隔信道频率的多个等间隔输出频率中被选定的一个上发出输出辐射。所述激光器可通过操作在波长λCM(CM＝空腔谐振模)上发出单纵向模输出，上述波长依赖于腔内的光学元件的光谱响应以及腔的相位。
FP标准具在激光器腔中引入相位延迟，后者引起空腔谐振模的压缩，即，对应于标准具透射峰值的空腔谐振模间隔的缩小。参照图2(a)，(FWHM)FP被这样选择，以便通过考虑空腔谐振模的压缩的影响来获得所期望的smin数值。通过方程式(4)，smin的数值与所需的激光器频率精度Δυ有关。
表I和表II报告在(FSR)FP＝100GHz的条件下，针对(FWHM)FP的不同数值的smin、smax和标准具侧抑制(ESS)的各种数值。各种数值都是从方程式(7)的数字仿真导出的。表I指的是相对较长的激光器腔，即，L0＝25mm，表II指的是相对较短的激光器腔，即，L0＝12.5mm。对于表I和表II二者来说，可调谐镜的FWHM，即(FWHM)TM为100GHz。对处于50到200GHz的(FWHM)TM，在(FWHM)FP的数值中，可以找出0.1-0.2GHz的差值，这表明在所考虑的范围内，(FWHM)FP对(FWHM)TM的弱相关性。
表I
 L0＝25mm   (FSR)cavity       ＝5.3GHz       (FSR)FP       ＝100GHz
 (FWHM)FP(GHz)   Finesse   smin(GHz)  smax(GHz)   ESS(dB)
 1.974.075.947.9210.05   50.825.616.812.69.9   1.42.32.83.23.6  1.92.63.13.43.7   12.88.06.04.63.6
表II
 L0＝12.5mm   (FSR)cavity       ＝9.6GHz       (FSR)FP       ＝100GHz
 (FWHM)FP(GHz)   Finesse   smin(GHz)   smax(GHz)   ESS(dB)
 1.974.075.947.9210.05   50.825.616.812.69.9   1.62.93.74.55.2   2.83.94.75.35.9   19.813.810.98.97.4
从表I和表II可以清楚地看出，随着(FWHM)FP数值的减小，空腔谐振模压缩增加，并且在较短腔长度的情况下，这种趋势有所增强。例如，对于(FWHM)FP＝4.07GHz的情形来说，在L0＝25mm的条件下，最小空腔谐振模间隔被减小大约57％，而在L0＝12.5mm的条件下，模间隔减小大约70％。而且，在表I和表II报告的结果表明，在较短激光器腔中，ESS更加显著。所有其它激光器参数都相同。
因此，相对较短腔长度具有能得到相对较大的ESS的优点，即，在较短激光器腔中，所述标准具具有较好的光谱选择性。本发明人已经注意到，不大于大约15mm的腔长度允许这样的激光器设计，在其中，所述栅格元件具有良好的光谱选择性。
表III和表IV分别报告在腔长度L0＝12.5mm以及(FSR)FP＝50和25GHz的条件下，(FWHM)FP、精细度和smin的数值。
表III
    L0＝12.5mm               (FSR)cavity        ＝9.6GHz(FSR)FP＝50GHz
(FWWHM)FP(GHz)   Fimesse   smin(GHz)
1.974.075.947.9210.05   25.412.38.426.35.0   1.83.04.04.85.5
表IV
    L0＝12.5mm               (FSR)cavity      ＝9.6GHz(FSR)FP＝25GHz
  (FWHM)FP(GHz)   Finesse  smin(GHz)
  1.974.075.947.9210.05   12.76.14.2322.5   1.83.34.55.56.2
结果表明，较低的(FSR)FP需要稍为多一些的选择，即，如果希望得到相对较高的频率精度，就需要有更窄的透射带宽的标准具。
表V报告在激光器腔具有腔长度L0＝10mm的条件下，针对(FSR)FP的不同数值的(FWHM)FP和smin的数值。
表V
    L0＝10mm                (FSR)cavity        ＝12GHz(FSR)FP＝            25GHz              50GHz           100GHz
 (FWHM)FP(GHz)  smin(GHz)  smin(GHz)  smin(GHz)
 1.974.075.947.9210.05  1.93.65.06.27.1  1.83.24.35.36.2  1.73.04.04.95.7
作为(FWHM)FP和smin之间的可能关系的一个实例，本发明人已经从表I到V所报告的实例中推断出(FWHM)FP和smin之间的一种近似线性的关系，后者可以表示为下列关系：
(FWHM)FP＝α+β·smin                       (8)
例如，参照在表V中所报告的数据，在L0＝10mm和(FSR)FP＝100GHz的条件下，α≌-1.7GHz和β≌2.0。如果所需的Δυ为±1.25GHz和smin≈2Δv)[从方程式(4)]，则(FWHM)FP≈3.3GHz。
回到在表II中报告的实例，在L0＝12.5mm、(FSR)FP＝100GHz和Δυ为±1.25GHz的条件下，(FWHM)FP≈3.6GHz。考虑到表I到V所示的所有实例，对于腔长度介于10和12.5mm之间和(FSR)FP处于从25到100GHz的情况来说，±1.25GHz的频率精度对应于(FWHM)FP处于从大约2.6GHz到大约3.6GHz数值。
(FWHM)FP轴与斜坡的交点取决于腔长度和信道间隔，α＝α[(FSR)FP，Leff]和β＝β(FSR)FP，Leff]。对于L0处于7.5和15mm之间以及信道间隔处于25和100GHz之间的情况来说，α大致上处于从-0.8到-2.7GHz的范围，并且β大致上处于从1.2到2.6的范围。随着信道间隔的增加和随着Leff(L0)的增加，斜坡和交点在绝对值上增加。
本发明人发现，在光路长度不大于约15mm的条件下，对于不大于大约8GHz的(FWHM)FP数值来说，可以获得相位准同步。最好是，(FWHM)FP不大于6GHz。
最佳(FWHM)FP的选择还必须考虑到，激光器腔中的光损耗将随着标准具的光谱选择性而增加。此外，随着(FWHM)FP的减小，标准具中的光功率密度增加，导致由于热-光效应引起的标准具光谱响应的可能不稳定性。在实践中，这些考虑在(FWHM)FP的最佳数值的选择上设置了一个低限。
图5表示，在FP标准具被定位于0.5°的倾角、具有(FSR)FP＝50GHz和500微米(μm)的光束模场直径(MFD，mode field diameter)的条件下，随着(FWHM)FP的减小，光学损耗将有所增加。对于(FWHM)FP小于3GHz的情形来说，光学损耗将变为大于2分贝(dB)，而对于(FWHM)FP为2GHz的情形来说，光学损耗将大于3分贝。
(FWHM)FP最好是大于2GHz，更可取的是大于3GHz。
当满足激光频率的被动相位准同步条件时，即，当适当地选择标准具的(FWHM)FP时，有可能实现闭环控制，使得激光器工作在对应于(由可调谐镜面选出的一个)标准具峰值、从而对应于激光输出功率的局部最大值的期望波长。
用于使激光模对准于选定的标准具峰值的闭环控制可以通过例如调整增益介质(例如激光二极管)的注入电流来进行。激光二极管的注入电流的变化引起增益介质的折射率变化，因而引起激光器输出的相位变化。激光二极管的注入电流的小量调整可以被用来使输出功率最大化。
图6表示在根据本发明的示例性的可调谐激光器中，作为激光二极管注入电流ILD的函数的激光器输出功率(实线)。在输出功率的局部最大值处，获得了空腔谐振模与(选定的)标准具峰值的对准。局部最小值对应于模跳跃的状态。图6还表示激光频率对ILD(虚线)的相关性。最大和最小频率之间的差值对应于选定标准具峰值内的两个相邻空腔谐振模之间的最小距离，即对应于smin。
从图6可以看出，可以获得激光器的多于一种的稳定工作状态，所述稳定工作状态对应于输出功率中的峰值。通过改变注入电流可以选择输出功率，以便对应于一系列离散值中的一个，局部最大值附近的每一个功率数值在时间上是稳定的。
如果激光器由于某些原因产生，例如，由于老化或热效应所引起的漂移，则仅调整注入电流来校正频率就足够了，由此通过快速地和精细地确定中心频率，来避免模跳跃的出现。
通过用处于能保证单模工作范围内的某注入电流来切换激光二极管以接通可调谐激光器。在处于单模工作范围内的注入电流的任何初始数值，即使考虑到由于老化和热效应引起的可能的电流漂移，可调谐激光器的配置仍然允许快速和精确地确定信道的中心频率。
可以实施一种能使激光器输出功率最大化的简单算法，以便在标准具模的峰值下细调所述空腔谐振模。
激光器腔中的可调谐元件用作粗调元件，它在FP标准具的各个峰值之间进行鉴别。可调谐元件相对于选定信道频率的定位的精度和控制是很重要的，特别是当需要高的激光器频率精度时。因此，人们希望有一个控制环路来设置和保持可调谐元件的峰值对准于所选定的空腔谐振模。
在优选实施例中，所述可调谐元件是可调谐镜。回到图4(a)，在美国专利第6,215,928号中，更详细地描述了根据一个优选实施例的可调谐镜13的结构。简要地说，所述可调谐镜是一个电-光元件，它包括形成于衬底上的波导。在所述波导上形成衍射光栅，所述衍射光栅例如由与波导相同的材料制成。在衍射光栅上形成一个覆层，它至少填充所述衍射光栅的间隙。所述覆层由具有可电选择的宽范围的折射率的液晶材料制成。在所述覆层上可选地还有一个抗反射涂层，和/或在面对波导的衬底表面上还有一个抗反射涂层。在液晶层的相对表面上放置了两个透明导体。电压或电流源被连接到这两个透明导体上。根据被施加到导体上的电压或电流，可调谐镜仅在给定的波长(λTM)上反射辐射。在所有其它波长上的辐射都通过所述可调谐镜。因此，在本实施例的激光器配置中，可调谐镜起到作为可调谐选择器元件和作为腔端镜这两种作用。
用频率为fA的交变电压VTM[VTM(fA)]来驱动可调谐镜，以防止液晶因直流应力而性能下降。所施加的电压的频率可以处于20kHz到200kHz的范围。可调谐镜的光谱响应是一条谱线，其线型例如类似于劳仑兹曲线(Lorentzian curve)的线型，其中心波长为λTM，并且具有处于从大约50GHz到大约250GHz的范围内的(FWHM)TM带宽。在一个特定的实施例中，所述λTM可以在80纳米(nm)的范围上被调谐。
最好是，光束的投射基本上垂直于可调谐镜的波导表面。当入射波长λ符合或接近λTM时，具有恒定功率的、波长为λ的投射光束被镜所反射。由于施加的交流电压，可调谐镜随后反射幅度调制、频率为fA及其有关的高次谐波2fA、3fA、...、nfA的光束。
交流电压引起可调谐镜的光谱响应的中心波长λTM的振荡。图7通过把归一化的反射功率描绘成波长的函数，通过假定所述谱线具有高斯(Gaussian)形状，示意性地表示可调谐镜的光谱响应。所述谱线按照峰值λTMmin和λTMmax之间的频率fA产生振荡。在图7中，实线表示以λTM为中心的谱线，而虚线则表示以λTMmin和λTMmax为中心的谱线。这种振荡引起反射光束的振幅调制，它相关于入射波长λ相对于λTM的位置。图8表示针对两个入射光束的反射光束的调制效应，第一入射光束具有近似等于可调谐镜的波长的波长，即，λ1∽λTM，并且第二入射光束具有不同于λTM的波长，例如，λ2＜λTM。对处于λ1的入射光束来说，谱线的振荡引起反射光束中在频率fA(及其高次谐波)上的振幅调制，所述调制具有最小的调制深度。与此相对比，如果入射波长λ2基本上不同于λTM。则谱线的振荡引起具有相对较大调制深度的调制，随着波长差绝对值Δλ＝|λ-λTM|增加，调制深度将增大。因而，有可能由反射光束的已调制分量的谱分析来导出波长差Δλ。
对20和200kHz之间的VTM频率fA范围来说，调制深度处于从大约0.1％到大约10％的范围。调制深度也是电压VTM的函数，随着电压在从3V到30V有效值的范围内增加，调制将变得更深。
大的调制深度对应于可调谐镜没有对准于入射空腔谐振模的状态，而最小的调制深度则对应于(最佳的)对准状态。
导出Δλ(即，入射波长与可调谐镜的谐振波长的对准程度)的一种方法就是，通过测量反射光束的功率的已调分量。最好是在腔外测量光束功率，以便减少激光器腔内的光学元件，后者可能是插入损耗的来源，或者可能引入相位波动。参照图4(b)，光电检测器18可以被放置在增益介质10的前面在激光器输出端。根据这个实施例，在通过分光器20，例如按照98％/2％的分配比例进行分光之后，激光器输出光束将被检测。
可替代地，可以测量透过可调谐镜的功率的已调制分量。参照图4(a)，可调谐镜13具有典型值为70％∽95％的反射率，允许入射光的一小部分被透射。显而易见，最小的透射比出现在λTM处。在图4(a)所示的激光器配置中，光电检测器18，例如光电二极管，被放置在腔外，以测量透过可调谐镜的光。
在图4(a)和图4(b)所示的两种配置中，可以借助于光检测器跟随有电光谱分析器，例如示波器(未示出)或与其集成，来测量向外透射的光的已调制分量，例如，交流透射功率[图4(a)]，或者交流激光器输出功率[图4(b)]Pf。例如，光电二极管可以直接被连接到所述示波器。
由光电检测器18所接收的透射或激光器输出功率是波长的函数。考虑到图4(b)的配置，如果反射光束的波长改变，则反射的功率也改变。图9表示反射功率对波长的示例性的测量结果。细实线表示综合的检测功率Pi(未调制)，它是可调谐镜的光谱响应。Pi的最大值对应于谐振波长λTM。粗实线表示在频率fA处的激光器输出功率的已调制分量Pf′，它表现出对应于谐振波长的尖锐最小值。还可以测量高次谐波的已调制分量。在图9中，用虚线来表示在频率2fA处的已调制分量Pf″。图9清楚地表示激光器输出功率的已调制分量对波长变化的灵敏度在大小上要比综合功率Pi高出几个数量级。由于综合功率及其已调制分量均依赖于输入功率，即，投射光束的功率，所以可以监测比值PI/Pf用于波长控制。
反射光束[图4(b)]或者从可调谐镜面透过的光束的调制的幅度表明信道选择器(即，可调谐镜)与空腔谐振模对准所需的调整幅度。反射或透射光束的调制相位表示调整的方向。在操作上，在激光器组件中，对激光器输出端处的光功率的交流分量及其相关相位进行测量，以便评估空腔谐振模波长λCM与可调谐镜的峰值波长λTM之间的波长差，即，Δλ＝λCM-λTM的大小和符号。为了减小或抵消波长差Δλ，通过改变被施加到可调谐镜的电压VTM，来谋求光功率的交流分量的最小化。
作为对已调制信号的光谱分析的替代，可以使用两种其它方法。在监测透过可调谐镜的功率的情况下，可以实施一种梯度算法，使总的透过功率最小化，以便将λTM对准于λCM。可通过改变所施加的电压VTM并且在图4(a)所示的类型的配置中(例如，通过实施一种控制算法)测量透过的功率，来实现透过功率的最小化。在监测激光器输出[图4(b)]的情况下，可以实施一种梯度算法来使激光器输出的光功率最大化。
用于可调谐元件的对准的控制算法保证例如，在从1530到1565纳米的C波段中，在整个激光器调谐范围内，调制深度不大于大约±2％。这样一来，对处于从1530到1565纳米范围内的发光波长来说，激光器输出信号的谱线宽度的展宽不大于大约10MHz。
调制的频率被选择得足够低，以避免在透射的过程中，与由外腔激光器提供的已调制的载波信号发生干扰。最好是，调制频率被包含在20kHz到200kHz的范围内。
采用这个系统就能实施实时信号监测。用于ITU栅格上的所有信道的初始工作点都被存储在查找表中。在查找表中，每一个信道与被施加到可调谐镜的电压VTM相关，因而也和可选择的信道波长λTM相关联。
为了激光器腔中的模稳定，应当实现在λCM处的空腔谐振模与在λFP处的标准具透射峰值的中心的对准。如上所述，通过调整激光二极管的注入电流ILD并且监测激光器输出功率，能实现将标准具峰值的中心对准于所述空腔谐振模。借助于被放置在增益介质的前面在激光器输出的光电检测器，能测量激光器的输出功率，如图4(b)的配置所示。查找表还可以存储注入电流ILD的初始工作数值，ILD与信道频率相关联。
在一个优选实施例中，借助于在图4(b)所示的配置中的光电二极管，来实现用于将可调谐镜对准于空腔谐振模以及将空腔谐振模对准于标准具峰值的激光器输出功率的监测。为了将可调谐镜对准于选定的空腔谐振模，对输出功率中的交流分量进行分析，而为了将空腔谐振模对准于标准具峰值，寻求综合(未调制的)输出功率的最大化。为此目的，可以实施两种顺序操作的控制算法。
要注意的是，这两种控制算法可以互相独立地进行工作，例如，如果不满足最小损耗(即，空腔谐振模的相位同步)的条件，则用于将可调谐镜对准于所述空腔谐振模的控制算法工作。
图10表示根据本发明的一个实施例，用于激光器系统的波长和模稳定的控制电路的简略设置。对应于图4(b)所示元件的可调谐激光器的元件被赋予相同的参考数字，并且其详细说明从略。所述激光器组件装入具有引脚55和尾光纤51的14引脚蝶形封装56中。通过输出连接(例如，引脚和/或尾光纤)装入激光器组件的封装形成可调谐激光器模块50。光电检测器18电连接到驱动器53。所述驱动器实施用于频率和模控制的控制算法。当激光器被接通电源或者信道被切换时，所述驱动器从查找表中读取准备施加到激光二极管的电流ILD以及准备施加到可调谐镜的电压VTM。然后，所述驱动器开始顺序执行用于模控制的闭环算法，以便将空腔谐振模对准于选定的标准具峰值下，同时执行用于频率控制的算法，以便将信道选择器对准于振荡空腔谐振模。在设置步骤中，通过运行于PC 54上的程序，由驱动器53来控制所有的电流。有关可调谐镜的对准的反馈信息由实时光功率监测电路提供，并且所述PC被用作控制器，以调整调谐电压从而获得期望的波长。所述PC还被用作这样的控制器，调整激光二极管的注入电流来实现相位同步的条件。需要理解的是，在芯片卡上实现的反馈电路可以被用来控制所有的参数，以取代使用PC。
最好是，可调谐激光器模块温度稳定，以便使光学腔长度漂移最小化和/或稳定激光器腔的相位。参照图10，增益介质10和前透镜14可以被安装在具有大约0.2℃的温度稳定度的热-电冷却器(TEC)(未示出)上。
温度控制还可以允许对频率稳定进行细调。在这种情况下，在激光器工作之前，可以生成一个查找表，在其中，ITU栅格的每一个信道都与激光二极管的注入电流以及TEC(即，增益介质)的温度T1相关联。T1的轻微变化对应于激光器腔相位的细小变化，因此，可以被调整用于通过法布里-珀罗标准具的选定波长峰值，即，λCM∽λFP，来对空腔谐振模的波长进行细调。在输出功率和激光二极管的温度之间可以找到类似于图6所示的牧场生。然而，由于温度变化的斜率，使得激光器对不稳定性的响应通常比较慢，所以改变电流ILD用于空腔谐振模对准的方法优选。
最好是，FP标准具被放置在具有大约0.2℃温度稳定度的热-电冷却器(TEC)上。为了将标准具峰值锁定于ITU条纹，FP标准具的温度稳定性是重要的。典型地，对市售的FP标准具来说，用于对准于ITU栅格的峰值频率温度灵敏度为1.3GHz/℃上下。可以在激光器系统的初始特性化过程中设置所述温度。可调谐镜可以被放置于具有FP标准具的TEC上。在可调谐镜包括一个液晶(LC)的情况下，由于液晶层的特性可以因热起伏而发生变化，所以可调谐镜的温度稳定是人们特别地期待的。
可替代地，增益芯片、FP标准具，以及(可选地)可调谐镜都可以被放置在同一TEC上。显而易见，通过调节温度来实现激光器腔的相位调谐是不可能的。使用单个TEC在封装成本和简化温度控制方面可能是有利的。

Claims (24)

1.一种被配置用于在激光器发光频率上发出单纵模输出辐射的可调谐激光器系统，所述激光器系统包括：
具有物理长度L0和多个空腔谐振模的外腔；
向外腔发射光束的增益介质；
被安排在外腔中的信道分配栅格元件，用于限定基本上对准于选定波长栅格的相应信道的多个通带，所述通带具有处于半最大值全宽度(FWHM)的带宽；
以及被安排在外腔中的可调谐元件，用于可调谐地选择各通带中的一个，以便选择对其调谐光束的信道，
其中，L0不大于15mm，并且处于信道分配栅格元件的FWHM的带宽处于2和8GHz之间。
2.根据权利要求1的激光器系统，其中，处于FWHM的信道分配栅格元件的带宽处于3和6GHz之间。
3.根据权利要求1或2的激光器系统，其中，长度L0不大于12mm。
4.根据前述任何一项权利要求所述的激光器系统，其中，在不低于0.5GHz的给定频率精度Δυ内，在单空腔谐振模上选择激光器发光频率，并且选择处于FWHM的信道分配栅格元件的带宽，使得信道分配栅格元件的通带内的外腔的两个相邻空腔谐振模之间的最小距离smin不大于频率精度Δυ的两倍。
5.根据前述任何一项权利要求所述的激光器系统，其中，所述选定波长栅格具有从25到200GHz范围的信道间隔。
6.根据前述任何一项权利要求所述的激光器系统，其中，所述选定波长栅格具有25或50GHz的信道间隔。
7.根据前述任何一项权利要求所述的激光器系统，其中，所述信道分配栅格元件包括法布里-珀罗标准具。
8.根据权利要求7所述的激光器系统，其中，所述法布里-珀罗标准具被放置为相对于光束的垂线倾角处于0.4°和0.8°之间。
9.根据权利要求7或8所述的激光器系统，其中，所述法布里-珀罗标准具被放置为相对于光束的垂线倾角为0.5°。
10.根据前述任何一项权利要求所述的激光器系统，其中，所述可调谐元件具有处于FWHM的范围从50到250GHz的带宽。
11.根据权利要求10所述的激光器系统，其中，所述可调谐元件具有处于FWHM的范围从50到100GHz的带宽。
12.根据前述任何一项权利要求所述的激光器系统，其中，所述可调谐元件包括位于外腔的一端的可调谐镜。
13.根据权利要求12所述的激光器系统，其中，所述可调谐镜是一种电-光元件，它包括形成于衬底上的波导和形成于波导上的衍射光栅。
14.根据权利要求13所述的激光器系统，其中，所述可调谐镜还包括一个覆层，它至少填充所述衍射光栅的间隙，所述覆层包括液晶材料。
15.根据前述任何一项权利要求所述的激光器系统，其中，所述增益介质是半导体激光二极管。
16.根据前述任何一项权利要求所述的激光器系统，其中，在单横空腔谐振模上选择所述激光器发光频率。
17.一种用于控制可调谐激光器系统的激光器发光频率的方法，上述可调谐激光器系统具有外腔，所述外腔限定相互间隔(FSR)cavity的多个空腔谐振模，所述激光器发光频率是在单纵空腔谐振模上选择的，所述方法包括下列各步骤：
把从增益介质发出的光束调谐到从基本上对准于选定波长栅格元件的相应信道的多个通带中选择的通带的相应中心频率，
选择处于选定通带的FWHM的带宽，使得
FWHM＜2.5(FSR)cavity以及
FWHM≥2GHz。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述处于选定通带的FWHM的带宽不大于8GHz。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述处于选定通带的FWHM的带宽介于3和6GHz之间。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，选定波长栅格元件的信道具有介于25到100GHz之间的信道间隔。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，处于选定通带的FWHM的带宽和smin满足下列关系
FWHM＝α+β·smin
式中，α处于从-0.8到-2.7GHz的范围，同时β处于从1.2到2.6的范围。
22.根据权利要求17所述的方法，还包括：通过调整增益介质的注入电流，将激光器的发光频率对准于选定的通带，以便使激光器的输出功率最大化的步骤。
23.一种用于控制可调谐激光器系统的激光器发光频率的方法，上述可调谐激光器系统具有外腔，所述外腔限定相互间隔(FSR)cavity的多个空腔谐振模，所述激光器发光频率是在给定频率精度Δυ内的单纵空腔谐振模上选择的，所述方法包括下列各步骤：
把从增益介质发出的光束调谐到从基本上对准于选定波长栅格元件的相应信道的多个通带中选择的通带的相应中心频率，
选择处于选定通带的FWHM的带宽，使得它不大于2.5(FSR)cavity，并且使得通带内外腔的两个相邻空腔谐振模之间的最小距离smin不大于频率精度Δυ的两倍。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述频率精度不低于0.5GHz。
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