CN1886680A - 可调谐振光栅滤光器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种能反射波长处在一个谐振波长的光辐射的可调谐振光栅滤光器，所述谐振波长是可根据需要有选择地改变的。这种滤光器包括：一个衍射光栅(3)，一个平面波导(4)，以及一种用来调谐滤光器的具有按选择可变的折射率的透光材料，优选的是一种液晶(LC)材料，所述透光材料形成平面波导的一个可调谐覆盖层(5)。衍射光栅(3)设置在可调谐层(5)隔着平面波导(4)的对面，从而可以将光栅结构参数修改成适合所希望的滤光器响应带宽而不会显著地影响滤光器的可调谐性。在本发明的谐振结构(1)内，芯层即波导(4)可以更接近可调谐层(5)，或者与可调谐层直接接触，或者与可调谐层隔着很薄的中间层。芯层(4)接近可调谐层(5)意味着传播模可以显著地延伸入可调谐层(5)，使得对波导(4)内基模的有效折射率可以更有效地受到可调谐层折射率改变的影响。

Description

可调谐振光栅滤光器

技术领域

本发明涉及特别适合波分多路复用光通信网络的可调谐振光栅滤光器(tunable resonant grating filter)。具体地说，本发明涉及在波分多路复用的外腔可调谐激光器(external-cavity tunable laser)内用作可调谐反射器的可调谐振光栅滤光器。

背景技术

平面波导光栅内的导模谐振效应(guided-mode resonance effect)可以用来生产理想或接近理想的反射滤光器。对于入射波长(或频率)等于相应滤光器谐振波长的情况，入射辐射受谐振反射控制，而不能透过滤光器。对于所有其他入射波长，器件基本上是透明的。

业已对谐振光栅滤光器的一些属性作了研究。在Wang S.S.和R.Magnusson的“多层波导光栅滤光器”(“Multilayerwaveguide-grating filters”，Applied Optics，vol.34(1995)，p.2414)中，考虑了一些用多个薄膜层构成的谐振反射滤光器。在Donald K.J.等人的“有限长度的窄带介质谐振光栅反射滤光器的设计考虑”(“Design considerations for narrow-band dielectric resonant gratingreflection filters of finite length”，J.Opt.Soc.Am.A(2000)，p.1241)中研究了一种多散射干涉波导方法来预测谐振光栅反射滤光器的响应。

通常，谐振光栅滤光器的结构包括一个具有一些高折射率区和低折射率区的衍射光栅，设置在一个波导层上，而波导层通常处在一个支持这层的基片上。波导层，或者说芯层，用作可以传播一些离散模(discrete mode)的空腔。波导顶上的光栅将入射的照射平面波耦合给波导内的这些离散模。

如在Rosenblatt D.等人的“谐振光栅波导结构”(“ResonantGrating Wave guide Structures”，IEEE Journal of QuantumElectronics，vol.33(1997)，p.2038)中所述，在用一个入射光束照射一个谐振光栅波导结构时，部分光束直接透射，而部分光束被衍射后保留在波导层内。保留在波导层内的光中有些然后又衍射出来，与光束的透射部分干涉。在光束的一个特定波长和角取向，这种结构发生“谐振”，即在直接透射场与衍射分量之间出现完全相消干涉，从而没有光透射。谐振的带宽取决于诸如光栅的厚度、占空比(台阶宽度与光栅周期之比)和折射率以及层的厚度之类的参数。这带宽可以设计成非常窄(0.1nm量级)。

在G.Levy-Yurista和A.A.Friesem的“具有多层光栅波导结构的甚窄光谱滤光器”(“Very narrow spectral filters with multilayeredgrating-waveguide structures”，Applied Physics Letters，vol.77(2000)，p.1596)中，揭示了一种谐振光栅波导结构，用一个也用作蚀刻过程终止层的缓冲层将光栅层与波导层隔开。说的是通过将波导层与光栅层隔开有可能更好地优化和控制它们的厚度。

谐振光栅滤光器的谐振波长可以通过改变结构内不同的层的折射率予以控制。这样改变折射率导致不同的相位匹配条件，因此导致谐振波长改变。例如，可以通过施加一个外部电场来改变折射率。在Dudovich N.等人的“基于有源半导体的光栅波导结构”(“ActiveSemiconductor-Based Grating Waveguide Structures”，IEEE Journalof Quantum Electronics，vol.37(2001)，p.1030)中揭示了一些具有InGaAsP/InP物质和基于反向电压配置的有源光栅波导结构。

可调谐滤光器在光通信中特别是在波分多路复用(WDM)中有许多应用。在WDM系统中，若干具有不同波长的信道通过一个光纤发送，每个信道承载不同的信息。可以用一个可调谐滤光器来选择和滤出一个适当的信道。为了适应越来越多的业务量，正在研制信道间隔为50GHz甚至是25GHz的稠密WDM(DWDM)系统。信道间隔为50GHz的DWDM系统通常要求频率精度为±2.5GHz，而信道间隔为25GHz的系统一般要求精度为±1.25GHz。由于DWDM使用较窄的信道间隔，滤光器的通带也应该很窄，以免出现不同信道之间的串扰。

谐振光栅滤光器特别适合作为用于WDM系统的可调谐滤光器，因为谐振状态本身就会引起比较高的波长选择性，因此制作窄的FWHM原则上是可行的(理想的是低到0.1nm，甚至更低)。

Hue Tan等人的“可调谐子波长谐振光栅滤光器”(“A tunableSubwavelength Resonant Grating Optical Filter”，proceedings ofLEOS 2002，p.825)揭示了通过调谐一个作为滤光器的覆盖层的液晶(LC)层来调谐振波长的谐振光栅滤光器。所达到的调谐范围为17nm，而模拟表明，LC滤光器具有达到调谐范围为55nm而带宽为0.1nm的可能性。

用激光器作为可调谐光源可以显著地改善WDM和DWDM系统的可重构性。例如，可以通过简单地调谐波长为一个节点指配不同的信道。

可用不同的途径提供可调谐激光器、分布式Bragg反射激光器、带有可移动的顶部反射器的VCSEL激光器或外腔二极管激光器。外腔可调谐激光器有着若干优点，诸如输出功率高、调谐范围宽、旁模抑制好和带宽窄之类。业已开发了各种激光器调谐机构来提供外腔波长选择，诸如机械可调谐或电激活的内腔选择器件。

激光腔的波长选择和调谐可以用一个有源可调谐反射器执行。美国专利No.6,215,928揭示了一种有源可调谐反射器，它包括一个在平面波导上形成的衍射光栅和一个至少填入衍射光栅间隙的覆盖层。覆盖层可以用能光电调谐的液晶材料形成。通过改变提供给光电受控件的电压或电流可以改变谐振波长。

美国专利No.6,205,159揭示了一种通过改变加到液晶Fabry-Perot(LC-FP)干涉仪上的电压调谐到一组离散的波长上的外腔半导体激光器。这组可以调谐到的离散波长由一个静态内腔校准器(staticintracavity etalon)限定。静态内腔校准器的自由光谱范围(FSR)设计成高于LC-FP干涉仪的分辨带宽。静态规格的FWHM线宽度必须小于外腔纵模间距。

申请人注意到，为了得到一个具有比较大的调谐范围(例如不小于30-40nm)和比较窄的FWHM带宽的滤光器，以满足例如在信道间隔为100GHz(0.8nm)在铒C波段工作的WDM系统的可调谐激光器内作为可调谐元件的需要，谐振光栅滤光器的诸如波导或光栅层的厚度或光栅周期之类的结构参数是决定性的。

日本专利申请No.63-244004揭示了一种可用来制造致偏构件或聚焦透镜的波导光栅构件。在所揭示的器件中，光沿着波导侧向入射。利用一个外加电压改变LC材料的折射率可以导致改变光的偏转角，从而能控制输出光的角度。

类似，美国专利No.5,193,130揭示了一种光致偏器件，用一个电压信号改变在波导层表面附近的LC层的对准方向。在所揭示的器件中，由于存在一个光栅，沿着波导传播的波导光分成两个光束，第一个光束射到LC上，而第二个光束射向基片。通过施加一个电压信号，可以改变射出波导层的光的方向。

发明内容

本发明提出了一种能反射处在谐振波长的光辐射的可调谐振光栅滤光器，所述谐振波长是可根据需要有选择地改变的。这种滤光器包括：一个具有一些低折射率区和高折射率区的周期性结构，即一个衍射光栅；一个平面波导；以及一种具有一个可有选择地改变的折射率的透光材料，用以调谐滤光器，所述透光材料形成平面波导的一个可调谐覆盖层。这种透光材料优选的是一种电-光透光材料，优选的是一种液晶(LC)材料。

谐振光栅滤光器的光学特性取决于它们的结构特征，诸如光栅层的厚度、波导层的厚度或光栅的低折射率区与高折射率区之间的折射率反差。申请人发现，适当选择器件的结构特征可以有益地兼顾窄带宽和宽可调谐性。

申请人发现，通过将衍射光栅设置在相对于平面波导可调谐层的对面，就可以将光栅结构参数修改成适合所希望的滤光器响应带宽而不会显著地影响滤光器的可调谐性。也就是说，一种包括一个设置在波导之下的衍射光栅的谐振结构允许在选择适当的光栅结构中有较大的灵活性，使得在按带宽分辨率要求选择具有较小的耦合效率的同时可以达到所希望的调谐范围。在这种谐振结构内，芯层即波导可以更接近可调谐层，或者与可调谐层直接接触，或者与可调谐层之间隔着较薄的中间层。芯层接近可调谐层意味着传播模可以显著地延伸入可调谐层，使得对波导内基模的有效折射率可以更有效地受到可调谐层折射率改变的影响。

申请人认识到一个耦合效率较低的光栅是为了得到一个带宽较窄的谐振滤光器所希望的。优选的是，为了得到不大于0.6nm左右的FWHM带宽(特别适合于信道间隔为50GHz的可调谐激光器DWDM系统)，耦合系数应该不大于0.0026左右。最好，耦合效率应该大约在0.001到0.002之间。

制造一种芯层夹在光栅与可调谐层之间的谐振光栅结构，可以放宽其中一些结构参数的制造公差，因为调谐范围呈现为不大受光栅参数改变的影响。此外，为了得到一个耦合系数不大于0.0026的弱衍射光栅，没有必要去制造一个厚度小于150-200nm的薄光栅。

本发明的可调谐振光栅滤光器特别适用于信道间隔为50GHz和25GHz的DWDM系统的外腔可调谐激光器。本发明的可调谐振光栅滤光器可以在整个铒C波段(1530-1570nm)上可调谐。

在本发明的一个情况中，提出了一种包括一个可调谐振光栅滤光器的外腔可调谐激光器。

附图说明

图1为一个谐振光栅滤光器的层状结构的简化例示图，图中还示出了在辐射垂直入射的情况下的相应入射波和衍射波。

图2(a)至2(c)示出了对芯层厚度的一些不同的值计算得到的谐振光栅滤光器的FWHM带宽与衍射光栅厚度的函数关系。折射率反差Δn_G/n_G在图2(a)中为0.26、在图2(b)中为0.07而在图2(c)中为0.04。

图3为一个在芯层与光栅层之间包括一个“间隙”层的谐振光栅滤光器的层状结构的简化例示图。

图4示出了图3所示的这种谐振光栅滤光器的对于间隙层厚度从0nm(即，没有间隙层)到300nm(对于所有曲线芯层厚度值相同)的一些不同的值的FWHM带宽与衍射光栅厚度的函数关系。

图5(a)和5(b)示出了图1这种谐振光栅滤光器的对于可调谐层的折射率n₁的两个不同的值的在结构各层中的归一化光模分布(实线)，在图5(a)中n₁＝1.5，在图5(b)中n₁＝1.7。

图6为一个在芯层与可调谐层之间包括一个“中间”层的谐振光栅滤光器的层状结构的简化例示图。

图7示出了对中间层厚度从0nm(即没有中间层)到200nm的一些不同的值计算得到的调谐范围与芯层厚度的函数关系。

图8为一个按照本发明的一个优选实施例设计的谐振光栅滤光器的层状结构的简化例示图。

图9(a)和9(b)示出了图1这种结构的光学特性与图8所示的这种结构的光学特性之间的比较情况。在图9(a)中示出了FWHM带宽与光栅厚度的函数关系，而在(b)中示出了调谐范围与光栅厚度的函数关系。

图10为一个按照本发明的另一个优选实施例设计的谐振光栅滤光器的层状结构的简化例示图。

图11示出了所计算的FWHM带宽与耦合效率的函数关系，典型的是FWHM取决于衍射光栅的“强度”。

图12(a)和12(b)示出了图10所示的这种结构对于间隙层的厚度的一些不同的值的FWHM带宽(图12(a))和调谐范围(图12(b))与衍射光栅厚度的函数关系。

图13示出了图10所示的这种结构对于间隙层厚度从0nm(即没有间隙层)到300nm的一些不同的值的所计算的调谐范围与光栅厚度的函数关系。

图14为一种包括一个按照本发明的一个实施例设计的光栅谐振滤光器的外腔可调谐激光器的原理图。

具体实施方式

申请人研究了一种如图1示意性示出的谐振光栅滤光器的结构(也称为谐振结构)。谐振结构1包括一个在一个铺底的覆盖层(cladding layer)5上形成的波导亦即芯层4和一个包括一些分别具有折射率n_L和n_H的低折射率区6和高折射率区7的衍射光栅层3。光栅的低、高折射率区之间的折射率反差(refractive index contrast)Δn_G/n_G定义为

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_G}{n_G}=\frac{n_H-n_L}{[{\mathrm{Fn}}_L+(1-F)n_H]}---\left(1\right)$

其中，n_G为光栅折射率的平均值，而F为光栅的占空比(dutycycle)。

在光栅3上形成一个覆盖层2，覆盖层2用一种可调谐材料优选的是具有较宽的可选折射率范围的LC材料形成。芯层4的折射率n_c大于周围各层的折射率，以保证限制这些光模沿着波导传输。层5可以按需要生长在一个基片(未示出)上，或者它本身就是一个基片(起着基片的作用)。例如，芯层4可以用Si₃N₄制成，而层5可以用不掺杂的SiO₂制成，优选的是生长在一个Si基片(未示出)上。或者，层5也可以是一个玻璃基片，芯层就生长在这个玻璃基片上。

根据滤光器的主方向定义一个直角坐标系(x，y，z)，z轴垂直于波导的主表面，在有一个光束照射到结构1上时光就受到光栅3的衍射。在图1所示的这个例子中，与结构垂直入射，即沿着z方向入射。光栅优选的是设计成具有周期Λ，使得只有零级(zero order)和一级衍射(first diffracted order)可以在波导内传播；而所有其他级衍射逐渐消失。零级将沿着z方向穿过多层结构传播，而一级衍射将在芯区内以一个主要取决于光栅周期和芯折射率的衍射角传播。如果衍射角大于由芯层4与周围层之间的界面8和9给出的临界角(在本方法内，光栅处理为一个小扰动，因此认为是一个界面)，这级衍射将在波导内沿着x轴传播。折射率不同的两层之间的界面的临界角定义为发生全反射的最小角度，如图1所示，有sinΘ_1，3＝n_1，3/n_C。

在谐振状态下，入射光耦合给在芯层内沿着x轴传播的基模(fundamental mode)。沿着x轴以一个所规定的传播常数β传播的光受到周期扰动(光栅)的衍射，再次射出波导。在谐振波长，周期扰动将光耦合回z方向，成为沿着z轴的反射。所有其他波长基本上透过器件。在谐振时，波导层内产生驻波，波导层就象一个谐振腔，由于全内反射将光限制在谐振腔内，从而建立起能量。

为了发生谐振，在光栅-芯界面处基模在正切方向上(即沿x轴)的 β值由下式给出

$\stackrel{\‾}{k_i^x}+\stackrel{\‾}{k_g}=\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}---\left(2\right)$

其中，k_i ^x为入射光束的波数(wave number)的沿x方向的分量，而k_g为光栅的波数，定义为

$\stackrel{\‾}{k_g}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}\hat{x}---\left(3\right)$

其中，A为光栅周期。由于在本情况下我们考虑垂直入射，因此 $k_i^x=0.$ 因此，基模的传播常数与光栅周期之间的关系由下式给出

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}\hat{x}---\left(4\right)$

虽然在图1中所示的和以下所讨论的是光束垂直入射的情况，但垂直入射并非必需的限制。在考虑以角度 入射时，谐振条件还应该考虑在特定谐振波长λ₀和角度

发生谐振时光束的角取向。

众所周知，谐振波长λ₀为由下式给出的特征值问题的非平凡解

$\mathrm{tg}(u\·t_C)=\frac{u(w_2+w_5)}{u^2-w_2{w}_5}---\left(5\right)$

其中t_c为波导(芯)厚度，u为在芯内传播波的模态参数(modalparameter)，而w₂和w₅为覆盖层2和5(图1)的模态参数。这些模态参数可以由以下各式表示

$u=\sqrt{{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_C\right)}^2-{\mathrm{\β}}^2}---\left(6\right)$

$w_{\mathrm{2,5}}=\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-{\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_{\mathrm{1,3}}\right)}^2}---\left(7\right)$

其中λ为入射光的波长。

遵循横向谐振的多路径干涉方法，能得出这个结构在谐振时光谱响应与光栅和波导参数的函数关系的解析表达式。芯层内一级衍射的反射效率可以用这级衍射所受到的有效光栅强度η_d表示为

$R\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{{{\mathrm{\η}}_d}^2}{{{\mathrm{\η}}_d}^2+4(1-{\mathrm{\η}}_d){\sin }^2\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)/2}---\left(8\right)$

其中，(λ)为衍射级在波导区内所经历的往返相位，包括与腔的光径、在两个芯界面处的界面反射和由于衍射引起的耦合关联的相移。在谐振波长λ₀附近的波长λ(从而在 附近的角度)处的光谱特性因此通常为Lorentzian。

有效光栅强度η_d表示光栅耦合入一个衍射级的耦合效率，取决于波长、衍射级、入射衍射角，也取决于诸如光栅厚度t_G、折射率反差Δn_G/n_G和光栅周期Λ之类的光栅参数。在只在一级发生衍射的情况下，耦合效率相应于一级衍射效率，可以用一级传播模的光强度与入射的光强度之比表示。实质上，耦合效率表明一个光栅(耦合器)在使光的方向改变成空间内单个方向上的有效程度。以下，有效光栅强度将称为耦合效率。

(λ)的产生为1/2的强度的改变给出一个FWHM移相带宽(dephasing bandwidth)，为

移相带宽也可以表示为如下切向分量的改变

其中，k₀为在峰值波长λ₀处自由空间内的波数，而d/dβ定义为模态移相率(modal dephasing rate)，表示对于切向分量的相位改变率。模态移相率定义为

通常，芯与覆盖层之间的折射率反差较大就会使模态移相率的值较大，从而使FWHM的带宽的值较小[见式(10)]。

式(10)表明带宽随着η_d的减小和模态移相率的增大而减小。因此，具有一个η_d值较小的光栅的结构可以给出较窄的光谱响应带宽。耦合入衍射模的耦合效率η_d的值小的光栅也称为“弱”光栅，表示它们具有使传播衍射模所到受的较小的光栅强度。

图2(a)至2(c)示出了图l所示这种谐振结构的所计算的FWHM带宽在芯厚度t_C为200nm(粗实线)、300nm(点划线)和400nm(带黑方块的细实线)三个不同的值的情况下的与光栅厚度t_G函数关系。在计算中，假设芯层4的折射率n_C＝1.96，而覆盖层5和光栅3的区域6(小折射率区域)的折射率n_L＝n₃＝1.445。光栅的高折射率区域7的折射率在图2(a)至2(c)的曲线中取三个不同的值。在图2(a)中光栅折射率反差Δn_G/n_G＝0.26，在图2(b)中Δn_G/n_G＝0.07，而在图2(c)中Δn_G/n_G＝0.04。FWHM的计算从式(10)得出。计算中基准波长为1.55μm。

作为一般考虑，可以发现FWHM随着光栅厚度t_G的增大而增大。然而，在折射率反差比较高的情况下(Δn_G/n_G＝0.26)增大得比在折射率反差比较小的情况下(Δn_G/n_G＝0.07和0.04)更为显著。在Δn_G/n_G＝0.26的情况下，可以观察到随t_G增加得较快，例如，光栅厚度从50nm增大到80nm导致FWHM带宽增大一倍以上。虽然在图2(a)中没有示出，但对于Δn_G/n_G＝0.26的情况，光栅厚度在200nm左右可以得到的FWHM为20nm。相反，对于Δn_G/n_G＝0.04的情况，光栅厚度为200nm或更厚一些仍然可以保证FWHM的值也不大于0.5nm。

从图2(a)所示的结果我们可以推断，为了满足例如在50GHz信道间隔的DWDM应用的可调谐激光器内的需要具有一个比较小的FWHM带宽，即不大于0.6nm左右，在所示的这个例子中，光栅应该选择成或者具有很小的厚度，即t_G不大于30nm，如果光栅折射率反差比较高的话，或者具有比较小的折射率反差，即不大于0.07左右。

选择图1的谐振结构内的光栅具有几十纳米(例如，30nm)的t_G的第一个可选项可以允许比较高的折射率反差Δn_G/n_G(例如，0.26)，但会使光栅制造特别麻烦，特别是考虑到诸如化学蒸汽淀积或蚀刻之类的大多数技术具有几个纳米的制造公差。但是，选择一个至多0.05优选的是在0.03到0.04之间的小折射率反差就允许制造厚度至少为150-200nm的光栅。

图2(a)至2(c)表明，对于给定的光栅厚度和光栅折射率反差，芯厚度t_G的增大会导致FWHM的减小。一般地说，芯层厚度比较大和/或芯层的折射率比覆盖层的大可以产生一个比较小的FWHM带宽。然而，在大的折射率反差的情况下[图2(a)]，对于芯厚度为400nm的，只是在光栅厚度小于40nm的情况下才可以得到不大于0.5nm的FWHM带宽。

一般说来，具有小FWHM带宽的光谱响应可以在具有一个“弱”光栅(即具有较小的耦合效率η_d的光栅)的结构内实现。弱光栅可以例如通过选择薄的光栅结构(小的t_G)或者用具有小的折射率反差(小的Δn_G/n_G)的光栅结构得到。可以理解，满足这两个条件也可导致光栅强度具有小的值。

可以通过在芯层与光栅层之间插入一个称为间隙层的层来得到小的光栅耦合效率。存在一个间隙层可降低模态场与周期区之间的叠加，从而削弱了场的衍射效应。图3示意性地例示了一个包括处在芯层与光栅层之间的间隙层10的谐振结构12。这个结构还包括一个玻璃片11，起着可调谐层2的盖板的作用。在光透射材料为LC材料的情况下，优选的是用一个盖板。这个谐振结构的与图1所示的谐振结构中相应的部分标以相同的标注数字，不再详细说明。

图4示出了图3的谐振结构的FWHM带宽对于间隙层厚度t_gap从0nm(即，没有间隙层，因此这个结构相当于图1所示的结构)到300nm的一些不同的值的与光栅厚度t_G的函数关系。FWHM的计算从式(10)得出，其中假设Δn_G/n_G＝0.26，t_C＝200nm，Λ＝950nm，n_C＝1.96(Si₃N₄)，而n₃＝1.445(不掺杂的SiO₂)。在本例中，间隙层用SiO₂形成。对于t_gap＝0nm的曲线与图2(a)中对于t_C＝200nm所示的曲线相应。结果例示了FWHM的值随间隙层的厚度的增大而减小。例如，对于光栅厚度t_G＝30nm的情况，在t_gap＝300nm时FWHM的值大约比t_gap＝0时的值小1.7倍。

除了有着具有适合DWDM应用的适当带宽的光谱响应之外，谐振光栅滤光器应该呈现为具有大范围的可调谐性，即，大的调谐范围。优选的是，调谐范围不小于10nm，最好不小于30-40nm，例如对于一些要求调谐范围覆盖铒C-波段的应用来说。

可调谐性意味着对谐振光栅滤光器的谐振波长的移动量。为了移动谐振波长，应该移动特征值问题(式5)的解。改变谐振条件，即移动谐振波长的一种方式是改变谐振结构中影响芯内的传播模的有效折射率n_eff的其中一个层的折射率。

就一级近似来说，谐振波长λ₀可以表示为

λ₀＝n_eff·Λ                         (12)

其中，Λ为光栅周期。于是可以得出谐振波长的调谐范围Δλ₀为

Δλ₀＝Δn_eff·Λ                         (13)

表明Δλ₀与传播模的有效折射率的改变量Δn_eff成正比。

对于可调谐层即作为可通过改变它的折射率来调谐振波长的层来说，芯层和周期性结构(光栅)不是好的候选对象，因为它们的折射率的改变将对FWHM带宽有很大影响，从而会妨害结构在不同谐振波长的光谱响应的均匀性。

因此，优选的是通过改变谐振结构的一个覆盖层的折射率来实现调谐。在图1这个谐振结构中，可调谐层是覆盖层2，它优选的是用可选折射率范围大的液晶(LC)材料制成。LC层的折射率n₁根据加到它上的电场改变，使谐振光栅结构成为可电调谐的。

申请人发现，为了实现有效的可调谐性，传播模式的光模分布应该在空间上延伸到显著地与可调谐层交叠。这样，可调谐层的折射率n₁的改变就会导致对波导内传播模的有效折射率n_eff的明显改变。图5(a)和5(b)示出了对于图1所示的这种谐振结构的各层的光模分布的两个例子。在图5(a)和5(b)中，谐振结构还包括一个覆盖LC材料的玻璃板。模态场用一个基于有限差分时域技术的市售软件计算。基光模的振幅示于图5(a)和5(b)的上部。在模拟中结构参数假设为：Δn_G/n_G＝0.26，t_C＝200nm，Λ＝950nm，n_C＝1.96(Si₃N₄)，而n₃＝1.445(不掺杂SiO₂)，t_G＝30nm。可调谐覆盖层(LC材料)的折射率n₁从1.5改变到1.7。在图5(a)中n₁＝1.5，而在图5(b)中n₁＝1.7。谐振结构的基传播模是准高斯的，呈现为有一个延伸入可调谐层的“拖尾”，这个拖尾表示这个模对可调谐层的空间交叠。在LC层内的交叠程度和基模的曲线形状受折射率n₁改变的影响，如从图5(a)与图5(b)的比较中所见。对于n₁＝1.5计算得的有效折射率n_eff为1.5995，而对于n₁＝1.7计算得的有效折射率n_eff为1.6505。从式(13)可以得出调谐范围Δλ₀等于48.5nm。

对于与图5(a)和5(b)的例子相当的结构只是光栅厚度t_G取为200nm而不是以上例子中的30nm的情况，也对基传播模的有效折射率进行了计算。有效折射率的改变计算为0.02291，相应于λ₀为22.9nm，小于在图5(a)和(b)这个例子中的二分之一。这表明，在图1所示的这种结构内，为了改善可调谐性优选的是光栅具有小的厚度，因为大厚度的光栅使芯层与可调谐层之间的间距增大，从而影响基模对可调谐层的交叠。如前面所看到的，具有象这样小的厚度(例如，30nm)的光栅往往是技术关键。

申请人发现，在光栅层与可调谐层之间插入一个在这里称为中间层的层可以影响可调谐性。图6示意性地例示了一个谐振光栅结构14，它包括一个处在光栅层3与可调谐层2之间的中间层13。中间层应该具有比芯层的小的折射率。这个谐振光栅滤光器的与图1所示的谐振光栅滤光器中相应的部分标以相同的标注数字，不再详细说明。

在某些谐振滤光器的设计中可以设想在光栅与可调谐层之间加一个中间层。例如，中间层可以是一个光透明的导电层，例如用铟锡氧化物(ITO)形成，用作一个控制可调谐层的电极。或者，也可以是为了改善形成可调谐层的透光材料与在下面的层的粘附而插入一个中间层。在透光材料为LC材料的情况下，可以将一个例如用聚酰亚胺形成的中间层与LC接触放置，作为对准层。

在图7中，对于中间层的厚度从0nm(即，没有中间层)到200nm的一些不同的值示出了图6所示的这种结构的调谐范围与波导(芯)厚度的函数关系。调谐范围用有限差时域软件按式(13)计算。在计算这些曲线中所考虑的结构参数为：Δn_G/n_G＝0.26，Λ＝950nm，n_C＝1.96，n₃＝1.445，t_G＝30nm，而Δn₁＝0.2，其中n₁在从1.5到1.7的范围内。中间层在这个例子中取为用SiO₂形成。结果表明，调谐范围随着芯厚度的增大而减小。此外，对于给定的芯厚度，调谐范围随着中间层厚度的增大而减小。

图7所示的结果清楚地表明，可调谐性显著地受芯厚度t_C的影响和/或受在光栅层与可调谐层之间是否存在一个中间层的影响。在这两种情况下，这是由于在波导内的传播模的中心变成离可调谐层更远一些(通常，基模集中在芯中心附近)，因此不能显著与可调谐层交叠，从而不能有效地改变有效折射率。

通过将图2(a)至2(c)所示的结果与图7所示的结果相比较，申请人注意到，为了得到较窄的光谱响应带宽，较厚的芯层是所希望的，而为了得到宽范围的可调谐性，较薄的芯层是有益的。作为一个例子，如果选择一个具有Δn_G/n_G＝0.04和t_G＝200nm的光栅，为了使FWHM带宽为0.4nm，所需的芯厚度为220nm左右。然而，这样的芯厚度意味着调谐范围为25nm(结构参数假设与以上提到的图中所示的这些计算中的结构参数相同)。这个调谐范围例如对于在C波段的波长范围内工作的DWDM系统内的应用可能是不适合的，对于这种系统，要求调谐范围至少为30nm，优选的是不小于40nm。

申请人发现，通过将衍射光栅设置在可调谐层隔着平面波导的对面，就可以将光栅结构参数修改成适合所希望的滤光器响应带宽而不会显著地影响到滤光器的可调谐性。也就是说，一种包括一个设置在光栅与可调谐层之间的波导的谐振结构允许在选择适当的光栅结构中有较大的灵活性，使得在按带宽分辨率要求选择具有较小的耦合效率的同时可以达到所希望的调谐范围。

可以将芯层设置成接近可调谐层，可以直接与可调谐层接触，也可以在芯层与可调谐层之间有一个或多个较薄的中间层。中间层应该具有使它不显著影响可调谐性的厚度，最大允许厚度取决于波导的折射率和厚度，也取决于中间层的折射率。例如，对于一个200nm厚的Si₃N₄的芯层和一个ITO(n＝1.9)的中间层，ITO的厚度应该不大于40nm。芯层接近可调谐层意味着传播模可以部分延伸入可调谐层，因此改变可调谐层的折射率可以有效地影响有效折射率。

图8示意性地示出了一个按照本发明的一个优选实施例设计的谐振光栅滤光器的层状结构。谐振结构20包括在衍射光栅层23上形成的芯层28，衍射光栅层23包括一些低折射率区21和高折射率区22，低、高折射率区之间的折射率反差为Δn_G/n_G。光栅层23形成在一个缓冲层24上，缓冲层24可以按需要形成在基片25上。在芯层28上形成一个覆盖层30，覆盖层30用一种可调谐透光材料优选的是用一种具有较大范围的可选折射率的LC材料形成。

芯层28的折射率n_C大于周围各层的折射率，以保证将这些光模限制在波导内。折射率n_C大于光栅平均折射率n_G。

可以通过改变一个外部参数如由于施加一个电压(V)而提供的电场或者温度(T)来改变可调谐材料的折射率。选择一种适当的可调谐材料，使得在为器件的工作和可调谐性考虑的整个电压(温度)范围内折射率n₁(V)[或者n₁(T)]保持小于芯层折射率。

在可调谐层由电-光材料组成的情况下，优选的是谐振结构包括处在LC层的相对表面上的透明导电层26和29。或者，这两个电接触结构的层可以是层29和基片25，当然假设基片是导电或半导电的(例如是用硅形成的)。优选的是，设置一个玻璃板31作为LC层的盖板。

参见图8，在一个优选实施例中，光栅的低折射率区21是用与缓冲层24的相同材料形成的。

可任选地，在芯层上形成一个中间层27。中间层可以改善导电层26的粘附和/或它的厚度的均匀性，特别是在用喷涂或淀积形成时。

可选择的，在覆盖层30上有一个抗反射涂层和/或在基片25与缓冲层24之间有一个抗反射涂层(未示出)。

虽然衍射光栅示为具有矩形形状，但也可以为这周期性结构设想其他形状，只要光栅可以将光辐射耦合入波导区。衍射光栅应产生一个一维的(如在图8这个谐振结构中)或两维的周期扰动。光栅的周期性可以是单元的或多元的，可以与入射光的极化有关或无关。

在可调谐覆盖层20用诸如LC材料之类的电-光可调谐材料形成的情况下，波长的选择用电信号来实现。通过改变提供给电-光控制材料的电压或电流可以改变谐振波长。在电-光材料是LC材料时，为使滤光器工作而提供的电信号是一个交变电压，以防止由于dc的应力而使LC恶化。根据加到导体(在图8中为导电层26和29)上的电压的振幅，可调谐滤光器反射的只是处在一个给定波长λ₀处的辐射。所有其他波长的辐射都通过谐振滤光器。显然，透射率最小的出现在λ₀处。

虽然理论上在λ₀处的反射率为100％，但谐振光栅滤光器的实际反射率通常为70％-95％，因为例如由于基片或缓冲层引起的损耗，使得有一小部分的入射光透射。

LC材料的厚度优选的是不大于5μm左右，最好为不超过2μm，在一个优选实施例中为1μm左右。

虽然优选的是可调谐覆盖层用电-光材料形成，但不一定要这样。例如，也可以设想使用诸如聚合物之类的热-光材料。对形成可调谐覆盖层的材料的要求是它应该具有在一个较宽的范围内随温度(T)或电场的外部参数改变而改变的折射率。对于热-光材料来说，为了对于适当的温度变化得到若干纳米的可调谐性，热-光材料应该具有至少为10^-4/℃的热-光系数dn/dT。一大类LC材料呈现具有大到对于适当的电场改变足以获得数十微米的调谐范围的通常不大于1-2V/μm的电-光系数。选择适当的电-光或热-光材料当然取决于应用，即取决于所需的调谐范围。

可以理解，在可调谐层用热-光材料形成的情况下，热调谐只需要一个传导体。参见图8，调谐这个滤光器只需要传导层29(不是传导层26)。此外，在层30是一个聚合物层的情况下盖板31不是必需的。

在一个优选实施例中，将光栅周期Λ选择成使得在波导内只产生一级衍射模，即应该满足条件Λ＞λ_max/n_C，其中λ_max为所关心的范围内的最大的波长，例如在范围为C波段的情况下，λ_max≈1570nm。优选的是，应该将光栅周期选择成不出现二级衍射，而在波导内基传播模与一级衍射模之间有耦合。最后这个条件可以表示为

$\mathrm{\&Lambda;}<\min \{\frac{{2\mathrm{\&lambda;}}_{\min }}{n_C},\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\min }}{\max [n_1,n_3]}\}---\left(14\right)$

其中λ_min为所关心的范围内的最小的波长，例如，在这范围是C波段的情况下，λ_min≈1530nm。

作为一个例子，对于t_C＝200nm，Λ可以在大约800至1050nm的范围内。

在图9(a)和9(b)中，示出了图3所示这种结构与图8所示这种结构的性能比较，这两个结构在可调谐层与芯层之间都没有中间层。也就是说，没有图3中的层10和没有图8中的层27或26。在图9(a)中，示出了FWHM带宽与光栅厚度的函数关系，其中带黑方块的细实线为对于图3这种“光栅在芯层之上”的结构，而带黑圆的粗实线为对于图8这种“光栅在芯层之下”的结构。在图9(b)中，示出了调谐范围与光栅厚度的函数关系。在计算中，这两个结构将如下参数n_C＝1.96，n₃＝1.445作为低折射率光栅区的参数，t_C＝200nm，Λ＝948nm，Δn_G/n_G＝0.04，而n₁＝1.5-1.7。这两个结构的差异当然是光栅层的位置。图9(a)所示的对于光栅在芯层之上的结构的数据与图2(c)中所示的对于t_C＝200nm的数据相应。图9(a)的结果清楚地表明，在任何所考虑的光栅厚度处，光栅处在芯层下的结构的FWHM带宽都比光栅在芯层与可调谐层之间的结构的窄。此外，图9(b)表明，光栅处在芯层之下的结构的调谐范围要比光栅层处在芯层之上的结构的调谐范围大许多。

重要的是要注意到光栅在芯层之下的结构的调谐范围在所考虑的光栅厚度范围内大致保持不变(45nm左右)。相反，对于光栅在芯层之上的结构可以看到取决于光栅厚度。这意味着，在光栅在波导之下的谐振结构内，可调谐性受由于例如制造过程的精度而引起的光栅厚度起伏的影响较小。因此，在结构是按照本发明所设计的情况下，可以放宽光栅的制造公差。

图10示出了一个按照本发明的另一个实施例设计的谐振光栅滤光器。在谐振光栅滤光器40中，在基片49上形成一个缓冲层47。在缓冲层内形成高折射率区50，以便形成一个厚度为t_G的光栅层，光栅层内的低折射率区53与缓冲层的横向与高折射率区邻接的这些区域相应。可按需要任选的是，在光栅层上形成一个厚度为t_gap的间隙层51，间隙层优选的是用与缓冲层相同的材料形成。在间隙层51上(或者在光栅层上)形成一个芯层46。在芯层上可形成一个任选的中间层46。在芯层之上形成一个电-光控制的可调谐层43。在基片49与缓冲层47之间形成一个任选的抗反射涂层48。将透明的导电层42和44设置在优选的是用LC材料形成的可调谐层的相对表面上。或者，在基片是导电或半导电的(例如是用硅形成的)情况下，这两个与结构电接触的层可以是层42和基片49。在基片是一个诸如玻璃之类的绝缘基片情况下，可以在基片上生长一个导电层(在图10中，在与任选层48相应的位置处)，使得在这个导电层与导电层42(或45)之间可以形成电接触。在可调谐层43上设置一个玻璃盖板41。

优选的是，在这个结构内可以包括一个间隙层，以便减弱基模对光栅的交叠，从而降低光栅的耦合效率而不需要改变光栅本身的特性。

优选的是，按照本发明设计的这个谐振光栅滤光器包括一个衍射效率较小的光栅。图11示出了用市售软件根据图10所示这种类型的结构的耦合波动方程的解计算的FWHM带宽与耦合效率η_d的函数关系。在所考虑的FWHM的范围内，FWHM对η_d的依从关系是一次近似线性的。如果所希望的FWHM为0.4nm，耦合效率应该是0.0015。范围为0.001到0.002的耦合效率与大约从0.2到0.5nm的FWHM相应。

申请人注意到了对于迄今所考虑的这些例子的所有谐振结构，FWHM带宽对耦合效率的关系曲线改变并不大。可以理解，在计算中应该改变光栅厚度以便对于不同的Δn_G/n_G值具有相同的耦合效率。例如，用光栅在芯层之上、Δn_G/n_G＝0.26和t_G＝25nm的谐振结构，用光栅在芯层之下、Δn_G/n_G＝0.04和t_G＝200nm的谐振结构，或者用光栅在芯和间隙层之下、Δn_G/n_G＝0.04、t_G＝50nm和t_gap＝100nm的谐振结构都可以得到为0.0014的耦合效率。

在本发明的语境内，如果η_d不大于0.0026左右，就将这个衍射光栅认为是“弱”光栅，即具有比较小的耦合效率。图12(a)和12(b)分别示出了对于图10所示的这种结构在间隙层的厚度t_gap为从0nm到300nm的一些不同的值时的FWHM带宽和调谐范围与光栅厚度的函数关系。实线表示t_gap＝0时的情况，与没有间隙层即芯层直接在光栅层上形成的结构相应。结构参数为：n_C＝1.96，n₃＝1.445，与低折射率光栅区域的相同，t_C＝200nm，Λ＝950nm，Δn_G/n_G＝0.26，而n₁＝1.5-1.7。这些曲线显示了调谐范围对间隙层的厚度只有较弱的依从关系，至少在所考虑的0-300nm的范围内。应指出的是，可以将增大间隙厚度在光学性能上认为相当于增大光栅厚度。

应注意的是，在本发明的这个谐振结构中不必为了得到一个弱衍射光栅去制造一个厚度较小的光栅。另一方面，如果所希望的是一个较薄(例如，为50nm)的光栅，可以对形成光栅层进行良好的控制和复制，因为用淀积过程(例如，用等离子强化化学蒸汽淀积)能限定光栅厚度。为了复制光栅的低(或高)折射率区，通常需要一个蚀刻步骤。当前的蚀刻技术通常呈现绝对精度为至少4-5nm。如果光栅层安排在芯层之上，这可能就有问题，因为芯层本身可能受蚀刻的影响。

为了比较，图13示出了对于图3所示的这种光栅层置在芯层之上而在芯层与光栅之间有一个间隙层的结构的调谐范围与光栅厚度的函数关系。这些曲线示出了间隙层的厚度t_gap为从0nm到300nm的一些不同的值时的情况。结构参数与在图4中所示的这些计算中所用的结构参数相同。对于一个给定的光栅厚度，可看到调谐范围随着间隙层厚度的增大明显减小。

实例1

参见图8，缓冲层和低折射率光栅区用折射率为1.445的(不掺杂)SiO₂形成；高折射率光栅区用折射率为1.54的SiO_xN_y形成；芯层用折射率为1.96的Si₃N₄形成。光栅厚度为220nm，而芯层厚度为200nm。调谐层用折射率在1.5到1.7范围内的向列相LC形成。对于折射率为1.5的LC材料，光栅周期为948.5nm，以便具有为1526nm(C波段的下限)的谐振波长。

这种结构可以用制造半导体器件的标准技术制造。作为一个例子，在一个Si基片上用PECVD淀积SiO₂层，以便形成缓冲层。随后，用干蚀刻对缓冲层的表面进行蚀刻，形成一些与需形成的高折射率光栅区相应的沟槽区。接着将这些沟槽用SiO_xN_y充填。或者，也可以是在基片上淀积一层SiO_xN_y作为缓冲层，然后在它的表面上形成一些与低折射率区相应的沟槽，再用SiO₂充填这些沟槽。

然后，将所得的表面(即，光栅上表面)抛平。在下个步骤中，用PECVD淀积一层Si₃N₄，以便形成芯层。在芯层上可以任选地用PECVD淀积一层不超过40nm的SiO₂薄层。在下个步骤中，在芯层上或者在SiO₂薄层上淀积一层厚为30nm的ITO。最后，将LC单元安装在这个结构的顶上，用一个ITO层和一个玻璃板结束。

这个谐振结构的调谐范围为40nm左右。

实例2

参见图10所示的这种结构，缓冲层和间隙层用折射率为1.445的(不掺杂)SiO₂形成；高折射率光栅区用折射率为1.96的Si₃N₄形成；芯层用折射率为1.96的Si₃N₄形成。光栅厚度为50nm，芯层厚度为200nm，而间隙层厚度为300nm。调谐层用折射率在1.5到1.7范围内的向列相LC形成。对于折射率为1.5的LC材料，光栅周期为950nm，以便具有为1526nm(C波段的下限)的谐振波长。将一个厚度为1mm左右的玻璃板覆盖在LC单元上。LC单元的相对表面上置有用ITO形成的厚为20nm的透明导电层。在处在芯层上的ITO层之上形成一个厚为20nm的聚酰亚胺(polymide)层，以便调准LC材料。

这个谐振结构的调谐范围为40nm左右。

这种结构可以用制造半导体器件的标准技术制造。作为一个例子，在一个Si基片上用PECVD淀积一层SiO₂，形成缓冲层。随后，在缓冲层上淀积一层Si₃N₄。随后，用例如干蚀刻对Si₃N₄层进行蚀刻，形成一些与需形成的低折射率光栅区相应的沟槽区。淀积一层SiO₂，以便填满这些沟槽和在光栅上形成SiO₂的间隙层。

这个工艺过程的优点是在蚀刻沟槽的步骤中精度不必很高，沟槽有轻微的过蚀刻是可允许的。在这种情况下，光栅厚度的精度由Si₃N₄的高折射率区的淀积过程给出。

在一个优选实施例中，按照本发明设计的这种谐振光栅滤光器在外腔可调谐激光器内用作一个调谐构件。外腔可调谐激光器特别适合在远程通信应用中作为可调谐光源，特别是用于WDM和DWDM系统，为国际电信协会(ITU)网格(grid)上任何信道产生中心波长。

图14示意性地示出了包括一个按照本发明设计的可调谐振反射滤光器的外腔可调谐激光器60。增益媒体61，优选的是一个半导体激光二极管，包括正侧面62和背侧面63。正侧面62执行部分反射，用作外腔的端镜之一。背侧面63具有低的反射率。它通常涂有一个抗反射涂层(未示出)。准直透镜64将增益媒体发射的光束会聚到一个使这些模锁定到ITU信道网格上的Fabry-Perot(FP)校准器65上。FP校准器起着一个信道分配网格器件的作用，配置和设计成限定多个等间隔的透射峰。在FP校准器后，光束照射到可调谐振光栅滤光器66上，可调谐振光栅滤光器66形成外腔的另一个端镜，与增益媒体正侧面一起给定了腔的物理长度L₀。可调谐振滤光器66用作激光腔的端镜，从而也称为可调谐反射器。可调谐反射器调谐到所希望的信道频率，选择这些校准器透射峰中的一个峰。

在一个优选实施例中，通过改变由电压产生器67提供的外加电压对可调谐反射器66进行电调谐。外加电压是一个交流(AC)电压。激光器的激光输出波长被选择成与可调谐反射器的谐振波长λ₀相应。可调谐反射器66是一个按照本发明的优选实施例之一设计的谐振光栅滤光器。

优选的是，激光系统设计成基本上产生单个纵模辐射和产生单个横模辐射。纵模指的是在激光腔内同时在若干离散频率上产生的激光。横模与在激光辐射的横向上光束强度截面的空间改变相应。通常，适当选择增益媒体，例如一个市场上可买到的包括一个波导的半导体激光二极管，可以保证单个空间或横模操作。

在一个优选实施例中，光束的照射基本上与可调谐反射器的波导表面垂直。

在图14的激光系统中，可调谐反射器用作鉴别网格校准器的峰的粗调谐器件。可调谐反射器的FWHM带宽不小于网格校准器的FWHM带宽。对于纵向单模操作来说，FP校准器的与一个特定信道频率相应的透射峰应该选择即透射单个空腔谐振模。因此，FP校准器应该具有一个定义为自由光谱范围(FSR)除以FWHM的精细度，抑制在每个信道之间腔的近邻模。对于单模激光辐射来说，应该将一个纵向空腔谐振模定位成使校准器透射峰中的一个峰(由可调谐反射器选择的峰)最大。这样，只有所规定的频率将通过校准器，而其他竞争的近邻空腔谐振模将受到抑制。

按照本发明所设计的这个激光系统特别设计成在整个C波段提供在ITU 50GHz或25GHz信道网格上的快速切换。

如果这个激光系统设计成模间隔为50GHz，可调谐反射器的反射频带应该不大于0.6nm左右，以便得到相邻信道之间的消光比至少为5dB。优选的是，可调谐反射器的FWHM带宽不大于0.4nm。这个激光系统在C波段上的可调谐性需要一个调谐范围至少为40nm的可调谐反射器。

对于作为信道间隔为25GHz的DWDM系统的一个外腔激光源的可调谐反射器的应用来说，FWHM带宽优选的是大约在0.2nm到0.3nm之间。

在激光系统内不大希望FWHM带宽小于0.2-0.3nm，因为这会使对激光器内的反射器的对准和控制更为困难。

或者，也可以将按照本发明所设计的谐振光栅滤光器用于WDM和DWDM系统的可调谐上线(增添)/下线(卸下)(add/drop)设备。对于这种应用，除了调谐范围宽以外，设计应该修改成带宽窄(例如为0.1-0.2nm)和谐振波长周围的边带小，横模的消光比优选的是不大于-30dB。

Claims (15)

1.一种配置成以一个激光器发射波长发射辐射的外腔可调谐激光器(60)，所述可调谐激光器系统包括一个具有多个腔模的外腔，所述外腔包括：

一个将光束发射入外腔的增益介质(61)；以及

一个用于反射谐振波长的光束的可调谐振光栅滤光器(66；20；40)，所述滤光器包括

一个衍射光栅，

一个与所述衍射光栅光学相互作用的平面波导(28；46)，所述衍射光栅和平面波导形成一个谐振结构，以及

一种可用于调谐滤光器的具有可按选择而变的折射率的透光材料，所述透光材料形成平面波导的一个可调谐覆盖层(30；43)，

其中所述平面波导设置在衍射光栅与可调谐覆盖层之间。

2.如权利要求1的激光器系统，其中所述被发射的辐射是一个单纵模辐射。

3.如权利要求1的激光器系统，还包括一个配置在外腔内的信道分配网格元件，用来限定多个基本上与一个所选择的波长网格的各相应信道对准的通带。

4.如权利要求3的激光器系统，其中所述可调谐振光栅滤光器配置在外腔中，可调谐地选择其中一个通带，从而选择一个信道，将光束调谐到该信道上。

5.如权利要求3或4的激光器系统，其中所选择的波长网格具有50GHz或25GHz的信道间隔。

6.如权利要求1的激光器系统，其中所述可调谐振光栅滤光器在外腔中配置成使得照射到滤光器上的光束基本上与平面波导的一个主表面垂直。

7.一种反射以一个谐振波长的光辐射的谐振光栅滤光器(20；40)，所述滤光器包括：

一个具有包括低折射率区(21；53)和高折射率区(22；50)的周期性结构的衍射光栅(23；52)，所述衍射光栅的耦合效率η_d不大于0.0026；

一个与所述衍射光栅光学相互作用的平面波导(28；46)，所述衍射光栅和平面波导形成一个谐振结构；以及

一种可用于调谐滤光器的具有可按选择而变的折射率的透光材料，所述透光材料形成平面波导的一个可调谐覆盖层(30；43)，

其中所述平面波导设置在衍射光栅与可调谐覆盖层之间。

8.如权利要求7的滤光器，其中所述透光材料是一种液晶材料，它的可按选择而变的折射率由一个电信号控制。

9.如权利要求7的滤光器，其中所述衍射光栅的耦合效率的范围为0.001到0.002。

10.如权利要求7的滤光器，其中所述平面波导是一个具有一个大于可调谐覆盖层的可变折射率而等于衍射光栅的平均折射率的折射率n_c的层。

11.如权利要求10的滤光器，所述滤光器还包括一个相对于平面波导设置在衍射光栅的另一面的缓冲层(24，47)，所述缓冲层具有一个比衍射光栅的平均折射率低的折射率n₃。

12.如权利要求7至11中任一项所述的滤光器，还包括一个设置在平面波导与衍射光栅之间的间隙层(51)，所述间隙层具有一个比波导的折射率和衍射光栅的平均折射率低的折射率。

13.如权利要求11或12的滤光器，其中所述平面波导用氮化硅材料制成，所述高折射率区用氮化硅或氮氧化硅制成，而低折射率区和缓冲层用二氧化硅制成。

14.如权利要求12的滤光器，其中所述间隙层用二氧化硅制成。

15.如权利要求8至14中任一项的滤光器，还包括两个光透明的导电层(26；42；29；44)，配置在所述透光材料相对两侧，用来将电信号加到透光材料上。

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