TW201315063A - 具有匹配共振腔之外部共振腔的光源 - Google Patents

具有匹配共振腔之外部共振腔的光源 Download PDF

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Abstract

本發明提供包含雷射源與波導的光源。雷射源包含雷射共振腔，雷射共振腔具有從DBR光柵延伸至反射性雷射輸出刻面的雷射光路徑長度，且雷射源以基本波長發射輸出光束。波導包含輸入刻面與輸出刻面。波導沿著從波導的輸入刻面至波導的輸出刻面的波導光長度延伸，且波導係光耦接至雷射源，藉以形成外部共振腔，外部共振腔具有從反射性雷射輸出刻面延伸至波導的輸入刻面的光路徑長度，光路徑長度係實質上等於雷射光路徑長度。

Description

具有匹配共振腔之外部共振腔的光源 對相關申請案的交叉引用
本申請案對美國申請案第13/212,713號(申請於2011年8月18日)請求如美國專利法第120條所規定的優先權權益，美國申請案第13/212,713號全文內容在此作為引用而併入本文中。
本發明之具體實施例大體上相關於光源，且更特定言之，為包含頻率轉換雷射源的光源，且頻率轉換雷射源具有經耦接以用於光回饋控制的外部共振腔。
先前技術仍存在著缺陷。本發明意圖解決此種缺陷及/或提供對於先前技術的改進。
雖然本發明的各種概念不限於操作於光頻譜的任何特定部分中的雷射，在本文中時常參照倍頻綠雷射(frequency-doubled green lasers)，其中二極體IR源的波長波動通常產生頻率轉換綠輸出功率的波動。此種波動通常可歸因於用於頻率轉換雷射中的波長轉換裝置 (通常為週期性極化鈮酸鋰晶體(periodically poled lithium niobate；PPLN)SHG晶體)的相對窄的頻譜接收率曲線。若前述的頻率轉換雷射係用於(例如)掃描投影機，則功率波動可產生不可被接受的影像人工假影(artifacts)。對於在雷射包含兩或三區DBR雷射的特定情況而言，雷射共振腔係由具有相對高反射率的在雷射晶片一側上的布拉格鏡(Bragg mirror)，與具有相對低反射率的在雷射晶片另一側上的塗層來界定。所產生之此種配置的往返損耗曲線(round-trip loss curve)與布拉格鏡的頻譜反射率曲線成反比。又，雷射僅可選擇整數的波長(稱為共振腔模態)。隨著晶片被操作，晶片的溫度改變(且因此半導體材料的折射率改變)，而相對於布拉格反射曲線推移共振腔模態。一旦當前主控的共振腔模態移動得離布拉格反射曲線峰值太遠，則雷射切換至最靠近布拉格反射曲線峰值的模態，因為此模態對應至最低損耗-已知為模態跳躍(mode hopping)的現象。
模態跳躍可產生突然的輸出功率改變，且將時常在所投影影像的微亮與微暗區域之間產生可見的邊界，因為模態跳躍傾向為發生於所投影影像內的特定位置處。有時，雷射將持續以特定共振腔模式發射，即使雷射移離布拉格反射峰值多於一個自由頻譜範圍(模態間距(mode spacing))-可能相關於共振腔中的空間電洞燒毀(spatial hole burning)與電子-光子動力性質的現象。此產生兩或更多個共振腔模態間距的模態跳躍，以及所 對應的不可被接受的大輸出功率改變。
來自SHG晶體的光回饋，可在DBR雷射中產生雷射波長不穩定性。限制光回饋效應的一種方法，可為使用楔形的SHG晶體的輸入及/或輸出刻面(facets)，而使DBR雷射產生的光束不正交於輸入及/或輸出刻面。然而，楔形刻面可需要以相對於系統光軸的某一角度定向，此可增加機械設計限制條件，因為可期望使用對稱設計來提升穩定性。即使在刻面的楔形為大角度時，發明人已認知到，來自SHG前刻面的寄生反射可顯著地影響雷射波長的穩定性。根據本發明的發明主題，提供了配置與對應的操作方法，以處理頻率轉換光源中的這些與其他類型的功率變異。
根據一種具體實施例，光源包含雷射源與波導。雷射源包含雷射共振腔，雷射共振腔具有從DBR光柵延伸至反射性雷射輸出刻面的雷射光路徑長度，且雷射源以基本波長發射輸出光束。波導包含輸入刻面與輸出面。波導沿著從波導輸入刻面至波導輸出刻面的波導光路徑延伸，且波導係光耦接至雷射源，從而形成外部共振腔，外部共振腔具有從反射性雷射輸出刻面延伸至波導輸入刻面的光路徑長度，外部共振腔的光路徑長度係實質上等於雷射光路徑長度。
根據另一具體實施例，光源包含雷射源、波長轉換裝置與耦接光學器件。雷射源包含雷射共振腔，雷射共振腔具有從DBR光柵延伸至反射性雷射輸出刻面的雷射 光路徑長度，且雷射源以基本波長發射輸出光束。波長轉換裝置包含輸入刻面、輸出刻面與波導，波導從波長轉換裝置的輸入刻面延伸至波長轉換裝置的輸出刻面。波長轉換裝置的輸入刻面與輸出刻面相對於一平面具有角度，該平面係正交於從雷射源的輸出刻面發射的輸出光束的光路徑，而使少於約2.5%的輸出光束被從波長轉換裝置的輸入刻面與輸出刻面反射進雷射源。波長轉換裝置係光耦接至雷射源，從而形成外部共振腔，外部共振腔具有從反射性雷射輸出刻面延伸至波長轉換裝置的輸入刻面的光路徑長度，外部共振腔的光路徑長度係實質上等於雷射光路徑長度。耦接光學器件包含鏡片部件與反射性部件，且耦接光學器件將輸出光束導向波長轉換裝置的輸入刻面，而使外部共振腔內的輸出光束的光路徑為摺疊光路徑。波長轉換裝置將雷射源發射的輸出光束轉換成頻率轉換輸出光束，頻率轉換輸出光束具有經轉換波長，經轉換波長係短於基本波長。
根據又另一具體實施例，光源包含雷射源與波長轉換裝置。雷射源包含雷射共振腔，雷射共振腔具有從DBR光柵延伸至反射性雷射輸出刻面的雷射光路徑長度，且雷射源以基本波長發射輸出光束。波長轉換裝置包含輸入刻面、輸出刻面與波導，波導從波長轉換裝置的輸入刻面延伸至波長轉換裝置的輸出刻面。波長轉換裝置的輸入刻面與輸出刻面係正交於反射性雷射輸出刻面處的輸出光束的光路徑。波長轉換裝置係光耦接至雷射源， 從而形成外部共振腔，外部共振腔具有從反射性雷射輸出刻面延伸至波長轉換裝置的輸入刻面的光路徑長度，外部共振腔的光路徑長度係實質上等於雷射光路徑長度。波長轉換裝置的長度，使雷射輸出刻面與波長轉換裝置的輸出刻面之間的光路徑長度不為雷射共振腔內雷射光路徑長度的整數倍。波長轉換裝置的輸入刻面的輸入刻面反射率係小於雷射源的反射性雷射輸出刻面的輸出刻面反射率。波長轉換裝置將雷射源發射的輸出光束轉換成頻率轉換輸出光束，頻率轉換輸出光束具有經轉換波長，經轉換波長係短於基本波長。
現將詳盡參照本發明的具體實施例，具體實施例的範例係圖示說明於附加圖式中。盡可能地在圖式中使用相同的元件符號來代表相同(或類似)的部分。
一開始參照第1圖，根據本發明的一個具體實施例，光源100包含雷射共振腔與波長轉換裝置，雷射共振腔呈現為DBR雷射二極體110的形式，而波長轉換裝置呈現為波導PPLN晶體120的形式。雖然在本發明所討論的特定情況中，光源100包含經配置為三區DBR雷射二極體110並作為IR泵源的雷射源，以及用於倍頻以進入綠波長範圍的波導PPLN晶體120，注意到本發明的概念可均等應用至各種頻率轉換雷射配置，包含(但不限 於)利用在二階弦波產生(SHG)之外的頻率轉換的配置。本發明的概念亦可應用至除了雷射掃描投影機以外的各種應用。
DBR雷射二極體110界定雷射共振腔，包含插入在相對高反射率後雷射刻面119與在DBR雷射二極體110輸出處的相對低反射率雷射輸出刻面117之間的增益區116、相位區114與波長選擇性DBR區112。由DBR雷射二極體110界定的雷射共振腔，提供在其中傳播的光的光路徑長度LLC，光路徑長度LLC為有效雷射共振腔長度。應瞭解到在圖式中，雷射共振腔的光路徑長度LLC僅因圖示說明之目的而被標誌為DBR雷射二極體110的長度，且雷射共振腔的光路徑長度LLC為在其中旅行的光的光距離且可或不可等於DBR雷射二極體110的實體長度，且亦可由對DBR雷射二極體110的控制訊號來改變光路徑長度LLC。
可將控制電極102、104、106分別併入波長選擇性DBR區112、相位區114、增益區116或以上之組合，並僅簡要地圖示說明於第1圖中。控制電極可被電氣耦接至雷射控制器101，雷射控制器101可經配置以各別提供波長選擇性調變訊號103、相位調變訊號105與增益調變訊號107至波長選擇性區112、相位區114與增益區116。控制器101可包含任何數量的硬體與軟體部件以產生調變訊號103、105、107。發明人已思量了控制電極102、104、106可為各種形式。例如，控制電極102、104、 106在第1圖中圖示說明為各別的電極對，但發明人已思量到，在區112、114、116的一或多者中的單一電極元件102、104、106將亦適合實施本發明的特定具體實施例。控制電極102、104、106可用以將電流注入DBR雷射二極體110的對應區112、114、116。所注入的電流可用以改變雷射的操作性質，例如藉由控制雷射區的一或多者的溫度、將電流注入界定於雷射基板中的經傳導性摻雜的半導體區域、控制DBR雷射二極體110的波長選擇性DBR區112與相位區114的折射率、控制增益區116中的光增益等等。
在一個具體實施例中，波長轉換裝置120包含具有頻率轉換波導122的SHG晶體，頻率轉換波導122從輸入刻面121延伸至輸出刻面123。如第1圖所圖示說明，波長轉換裝置120的輸入刻面121係光耦接至DBR雷射二極體110。波導122可週期性地極化以達成準相位匹配(quasi-phase matching)，以將從DBR雷射二極體110發射的IR輸出光束118倍頻。隨後，從波長轉換裝置120的輸出刻面123發射頻率轉換輸出光束124，頻率轉換輸出光束124具有短於IR輸出光束118波長的經轉換波長。在一個具體實施例中，頻率轉換輸出光束124具有在綠頻譜範圍中的波長。
雖然波導122被圖示說明為SHG晶體的部件，但具體實施例不限於此。例如，波導122可被併入光纖或其他光部件中。
波長轉換裝置120的輸入刻面121及/或輸出刻面123可為反射性，而使由DBR雷射二極體110發射的IR光束的部分被反射回雷射。波長轉換裝置的輸入刻面121及/或輸出刻面123可界定功能如同Fabry-Perot共振腔的外部共振腔，外部共振腔的光路徑長度LEC從反射性雷射輸出刻面117延伸至波長轉換裝置的輸入刻面121或輸出刻面123，取決於波長轉換裝置120的輸入刻面121與輸出刻面123的反射率。
如詳細說明於下文，可將極化攪亂(polarization scrambling)單元130光耦接至波長轉換裝置120，以攪亂頻率轉換輸出光束124，而進一步縮減在至少部分由光源100產生的掃描雷射影像中的人工假影外貌。
來自DBR雷射二極體110的雷射共振腔的光的部分，被發射通過雷射輸出刻面117並耦接至波長轉換裝置120，同時剩餘的光在DBR光柵(作動如鏡子)與雷射輸出刻面117之間來回反彈，每次穿過增益區116的增益介質。此外，往後反射光可從波長轉換裝置的輸入刻面121及/或輸出刻面123反射出，並再進入雷射共振腔。這些往後反射光可產生DBR雷射二極體110與從波長轉換裝置120發射出的頻率轉換輸出光束124的波長不穩定性。
如上文所說明，DBR雷射的共振腔可由在一側的波長選擇性DBR區段光柵與在另一側的雷射輸出刻面的反射率來閉合。往返頻譜增益曲線可表示為： RTG(λ)=G．DBR(λ)．R ff
其中RTG(λ)為往返增益、G為增益區增益係數、而R ff 為雷射前刻面反射率。為了決定由雷射選擇的波長，共振腔模態可被計算出。在雷射共振腔內的往返光路徑，為雷射二極體的共振腔模態之波長的整數倍。共振腔模態係由決定可產生駐波的波長來計算出，亦即存在往返光波相位改變為2π的波長。隨後，由DBR雷射二極體發射的波長，由最接近RTG頻譜曲線的共振腔模態來給定。各種模態之間的波長差可表示為：
其中L為雷射二極體長度，而n為砷化鎵(GaAs)的折射率。
作為範例且不為限制，在雷射共振腔實體長度為3mm時，模態間距為約0.06nm。隨後，期望最大波長波動應為約±0.03nm，此最大波長波動將產生約4%的頻率轉換功率波動，在假定波長轉換裝置為0.24頻寬PPLN晶體時。然而，發明人已認知到，所測量到的功率波動要大得多，且實驗結果指示，部分的波長波動係歸因於波長轉換裝置的輸入刻面及/或輸出刻面上的寄生反射所引發的不穩定性。
在由產生來自波長轉換裝置之往後反射的可變量並施加提昇的增益電流所組成的一個實驗中，約-110dB的回饋產生正常操作的DBR雷射二極體。回饋位準從約 -110dB提昇至約-3dB的往後反射。在-70dB，在低電流處發現一些不正常的模態跳躍。在-40dB，不正常模態跳躍散佈在全電流範圍各處。模態跳躍結構呈現為在-18dB消失，並由較平順的轉變替代。最後，在-3dB回饋處，所期望的正常IR波長曲線形狀被完全干擾，並顯現非常大的振幅波長變異。因此，進入雷射共振腔的往後反射可提昇波長不穩定性。
第2圖視覺地圖示說明往返延伸共振腔頻譜反射曲線的一種範例。為了完整度，注意到第2圖的曲線已被標準化為使最大反射等於1.0。此外，參照第1圖，注意到第2圖的曲線係使用波長選擇性DBR區112來獲得，波長選擇性DBR區112具有0.6nm的半高全寬(full width half maximum；FWHM)頻譜頻寬、具有2.5%反射率的外部反射器(例如波長轉換裝置的輸入刻面)、長度為3mm的雷射共振腔、與在雷射輸出刻面117與外部反射器之間長度為7mm的延伸共振腔。曲線上的點對應至特定的共振腔模態。在外部鏡具有小於雷射輸出刻面的反射係數的情況中可見，在不具有外部反射器時模態間距保持為接近模態。在繪製於第1圖的光源中，外部反射器可被視為波導122的輸入刻面121。此外，調變的週期係由雷射輸出刻面117與外部鏡之間的距離來支配，外部鏡係由波導122的輸入刻面121來界定。在彼距離不同於雷射往返光路徑時，模態間距與調變週期皆為不同。
如圖示說明於第2圖，被圍繞的點對應於當前由DBR雷射二極體選擇的模態。在雷射共振腔的有效長度由調變增益訊號來改變時，第2圖的曲線將保持在原位。然而，隨著DBR雷射二極體加熱(由於增益電流調變)，共振腔模態偏移至右側。所選擇的模式可快速地以最小調變降至最接近的共振腔模態，如箭頭所指示。圖式中的點可沿著曲線斜度部分往上或往下移動。位於DBR曲線遠處的另一模態可朝向調變的一最大值移動，並可被選擇，雖然此模態係遠離DBR最大值。在所圖示說明的情況中，波長波動的振幅最後可比±0.03nm要大得多。
此外，調變頻率隨著外部反射性表面與DBR雷射二極體的距離提升而提升。結果為DBR雷射二極體可變得不穩定，且開始常常發生模態跳躍。因此，模擬與實驗指出，低至0.01%的回饋即可足以產生雷射不穩定性。即使使用楔形與抗反射(AR)鍍膜晶體，可仍難以達成此種反射性位準。
發明人已認知到，在外部反射性表面(例如繪製於第1圖中的波長轉換裝置120的輸入刻面121)實質上相同於雷射共振腔光路徑時(亦即，共振腔匹配情況)，增益曲線調變的週期實質上相同於共振腔模態彼此的距離。
第3圖繪製根據一種具體實施例的光源的往返延伸共振腔頻譜反射曲線的圖表，其中DBR雷射二極體110與波長轉換裝置120的輸入刻面121位於共振腔匹配情況(見第1圖)。如第2圖，圖表中的點表示共振腔模態， 被圍繞的點為當前所選擇的共振腔模態。由增益電流注入及/或DBR雷射二極體110加熱所造成的增益曲線的調變，不影響模態之間的相對增益。換言之，在模態移動時，模態全部位於實質上與調變相同的位置，且與點接合的曲線具有與單獨DBR曲線相同的形狀。因此，模態將被選擇，像是沒有外部共振腔的存在一樣。因此，在雷射共振腔與由雷射輸出刻面與波長轉換裝置的輸入刻面所界定的外部共振腔匹配時，波長不穩定性可被消除，即使在波長轉換裝置的輸入刻面具有顯著的反射係數時。作為範例且不為限制，在一種具體實施例中，DBR雷射二極體110經歷在雷射作業期間具有少於約0.5nm的平均振幅的模態跳躍序列。
再次參照第1圖，為了獲得共振腔匹配情況，外部共振腔LEC的長度需為雷射共振腔LLC的光路徑長度的整數倍。因此，波長轉換裝置120需相對於DBR雷射二極體110來放置以達成此情況。共振腔匹配情況的容忍度可為許多參數的函數。根據一種具體實施例，作為範例且不為限制，外部共振腔長度LEC係於0.2mm內，假定雷射反射率為2.5%、DBR頻寬為0.6nm且外部共振腔長度為9.4mm。
此外，在外部雷射共振腔由多重鏡組成時，諸如在波長轉換裝置120的輸入刻面121與輸入刻面123皆呈現往後反射時，具有最高反射率的鏡需為離DBR雷射二極體110最遠的鏡。因此，在波長轉換裝置的輸出刻面123 提供往後反射時，輸出刻面123的反射率需大於輸入刻面121的反射率。共振腔模態大抵由支配鏡來決定，選擇最遠鏡的最高反射率可使模態間距降低，從而減少模態跳躍的振幅。
現參照第4圖，共振腔匹配效應被實驗性地驗證。實驗包含將1060nm DBR雷射二極體耦接至輸入刻面非楔形(亦即，平輸入刻面)的光纖，以將4%回饋引入雷射。外部共振腔長度係由將光纖耦接至反射計(reflectometer)來調整，反射計測量光纖輸入刻面與DBR雷射二極體輸出刻面之間的距離。雷射穩定性係由測量頻譜寬度來決定，由於DBR雷射二極體係於快速歸零(RZ)調變方案來調變並接收逐漸提升的平均增益電流。曲線190繪製在外部共振腔對準共振腔匹配情況(L=9.36mm)時的結果，曲線192繪製在外部共振腔未對準共振腔匹配情況約150微米時的結果，且曲線194繪製在外部共振腔的長度與康寧G1000雷射封裝中從雷射二極體至PPLN晶體輸入刻面的長度相同時的結果。如可見於第4圖所提供的結果，共振腔匹配情況中的標準差(曲線190)保持為小於共振腔未匹配的情況。
第5圖示意地繪製光源200，其中波長轉換裝置的輸入刻面221與輸出刻面223，與正交於由DBR雷射二極體110發射之IR輸出光束之光路徑的平面成楔形角度θ。楔形角度θ可為減少來自波長轉換裝置之往後反射量的角度。在一種具體實施例中，楔形角度θ為使少於 約2.5%的IR輸出光束反射進DBR雷射二極體110的角度。作為範例且不為限制，在輸入刻面221與輸出刻面223兩者上的楔形角度θ可為約10度。在替代性具體實施例中，輸入刻面221或輸出刻面223之一者可具有角度。
波長轉換裝置220相對於DBR雷射二極體110而放置，以使反射性雷射輸出刻面117與輸入刻面221之間的外部共振腔具有實質上等於雷射共振腔內的雷射光路徑長度LLC的光路徑長度LEC，而使雷射共振腔與外部共振腔位於共振腔匹配情況。可選地，可施加抗反射鍍膜至波長轉換裝置220的輸入刻面221及/或輸出刻面223，以進一步減少往後反射。
因為共振腔匹配情況在DBR雷射二極體110與波長轉換裝置220之間可需要相當大的距離，可利用耦接光學器件以在外部共振腔內產生摺疊的光路徑。第6圖示意地圖示說明光源300，光源300包含楔形波長轉換裝置220以及外部共振腔內的摺疊光路徑。在所圖示說明的具體實施例中，耦接光學器件包含產生摺疊光路徑的鏡片部件310與反射性部件335。IR輸出光束118係由鏡片部件210聚焦，並作為經聚焦輸出光束118’被導向反射性部件335。經聚焦輸出光束118’隨後被反射回朝向鏡片部件310，如圖示說明為經反射輸出光束118”，其中經反射輸出光束118”隨後被聚焦為經耦接輸出光束118”’，而使經耦接輸出光束118”’投射在波長轉換裝置 220的波導222處的楔形輸入刻面221上。反射性雷射輸出刻面117與輸入刻面221之間的輸出光束總和光路徑距離(外部光共振腔光路徑長度LEC)可實質上等於雷射共振腔內的雷射光路徑長度LLC。在一種具體實施例中，從反射性雷射輸出刻面117至反射性部件335的光路徑長度為約雷射共振腔內的雷射光路徑長度LLC的一半。亦可將波長轉換裝置的輸入與輸出刻面鍍上抗反射鍍膜。應瞭解到，可由摺疊光路徑將具有平輸入與輸出刻面的波長轉換裝置耦接至DBR雷射二極體。
在替代性具體實施例中，波長轉換裝置的(一或多個)外部反射性表面可相對於DBR雷射二極體放置，並經配置使得雷射共振腔與外部共振腔不位於共振腔匹配情況中，以促進非常快的以大於人眼平均反應時間之頻率發生的模態跳躍。在模態跳躍發生在大於人眼平均反應時間的頻率時，儘管存在由大振幅模態跳躍所導致的大振幅波長變異，觀察者將不會注意到影像中的人工假影。換言之，人眼將把波長變異平均化，使得人工假影實質上不會被觀察者注意到。
第7圖繪製圖示說明根據一種具體實施例的光源的往返延伸共振腔頻譜反射曲線的圖表，其中外部回饋係強於雷射輸出刻面。第7圖的圖表圖示增益曲線與模態位置，假定15%外部反射器(例如波長轉換裝置的反射性刻面)且外部共振腔長度為27nm。如圖示說明於第2圖與第3圖，圖表中的點代表共振腔模態，且被圍繞的 點為當前所選擇的共振腔模態。共振腔係由回饋主控，且模態間距主要係由外部共振腔長度加上雷射共振腔內的雷射光路徑來支配。因此，如第7圖所繪製並相較於第3圖，模態的密度可急遽地提升，從而使DBR雷射二極體非常快速地模態跳躍。
第8圖繪製如前述具有延伸共振腔模態的光源的波長圖表，具有最高的往返反射率(最低的損耗)，且為對雷射共振腔共振偏移的函數。為了簡化說明，假定在新延伸共振腔模態成為最低損耗模態之後立即發生模態跳躍，圖表代表此種雷射二極體的輸出波長的演進。現實上，初始選擇的低損耗模態可較所圖示說明者持續得較久，即使在此模態不再為低損耗模態之後，由於諸如空間電洞燒毀與電子-光子動力性質的現象。第8圖圖示模態以0.12nm移動，且雷射二極體進行許多小振幅的模態跳躍。
再者，因為共振腔模態移動，由雷射輸出刻面與波長轉換裝置的反射性刻面界定的Fabry-Perot鏡持續地在高反射率與低反射率之間改變。因為圍繞外部共振腔的均等鏡的反射率持續變化，雷射共振腔內的光子密度亦改變並造成模態自調變。雷射二極體可持續地在不同模態之間高速跳動。
為了進一步促進快速模態跳躍，相位區可由相位調變訊號來調變，而使操作模態可沿著有效反射率曲線快速往下移動，並迫使雷射在顯著地遠離布拉格反射峰值之 前選擇新操作模態。如此，新模態的波長將非常接近初始模態，且將不太會遠離不具有外部鏡的雷射共振腔一個自由頻譜範圍以上。因此，即使相位控制訊號被調變以觸發模態跳躍，操作波長將保持為接近布拉格反射峰值，且波長轉換裝置的輸出功率僅有小改變。類似地，可提供增益調變訊號至增益區，及/或提供波長選擇性調變訊號至波長選擇性區，以促進快速模態跳躍。波長選擇性調變訊號頻率需大於增益調變訊號頻率，而使波長波動快速發生。名稱為「Phase Modulation in a Frequency-Converted Laser Source Comprising an External Optical Feedback Component」的美國專利公開案第2010/0254412號說明了各種調變訊號技術。
現參照第9圖，圖示說明經配置以促進快速模態跳躍的光源400。光源400包含如前述的DBR雷射二極體110，以及波長轉換裝置120，波長轉換裝置120具有平輸入刻面121與平輸出刻面123以提升反射率並形成外部共振腔。可將輸入刻面121鍍上抗反射鍍膜(或者處理為具有抗反射性質)，且從輸入刻面121至雷射輸出刻面117的距離LG可被設為等於雷射共振腔內的雷射光路徑長度LLC。波長轉換裝置120的長度為使輸出刻面123不為雷射共振腔內雷射光路徑長度LLC的整數倍(亦即，不位於共振腔匹配情況)。可將波長轉換裝置120的輸出刻面123鍍膜或製備，以反射較輸入刻面121多的IR輸出光束118。在一種具體實施例中，將輸入刻面 121鍍膜以反射少於約0.3%的IR輸出光束118，並將輸出刻面123鍍膜以反射約15%的IR輸出光束118。應瞭解到，可使用其他的反射率比例。
因為輸出刻面123作為主控外部鏡，具有光路徑長度LEC的外部共振腔被放置在雷射輸出刻面117與輸出刻面123。如上文所說明，波長轉換裝置120的長度為使外部共振腔的光路徑長度LEC相對於雷射共振腔內的雷射光路徑長度LLC不位於共振腔匹配情況中，以促進發生地快於人眼平均反應時間的快速模態跳躍。相位區或增益區可如上文所說明而使用調變訊號來調變，以進一步促進快速模態跳躍波動。
在一種具體實施例中，外部共振腔可如第6圖圖示說明般摺疊，以減少光源400的總和封裝長度。
現參照第10圖，圖示說明另一光源500配置。波長轉換裝置520具有平輸入與輸出刻面521與523，平輸入與輸出刻面521與523具有如上文所說明的反射率(輸入刻面521的反射率少於輸出刻面523的反射率)，且波長轉換裝置520的長度為使輸出刻面523不位於共振腔匹配情況中。如圖示說明於第10圖，波長轉換裝置具有兩個波導：並排放置且定中心於兩個不同波長上的第一波導部分522a與第二波導部分522b。波導部分可被垂直堆疊如第10圖所圖示，或為不同的設置，諸如(例如)在相同的水平面上。
光源500進一步包含波長選擇性致動器511，波長選 擇性致動器511經配置以循序地將IR輸出光束118耦接入第一或第二波導部分522a、522b。波長選擇性致動器511可為能夠將IR輸出光束118導入第一與第二波導部分522a、522b的任何裝置或組件。在一種具體實施例中，波長選擇性致動器511可為微機電系統(MEMS)致動稜鏡或可被控制以引導輸出光束(如由輸出光束118’與118”所指示)的鏡片。亦可利用致動鏡或反射性表面以循序地將IR輸出光束118導入第一與第二波導部分522a、522b。第一波導部分522a經配置以將所引導的IR輸出光束118’倍頻至第一頻率轉換波長λ1，且第二波導部分522b經配置以將所引導的IR輸出光束118”倍頻至第二頻率轉換波長λ2。第一頻率轉換波長λ1係與第二頻率轉換波長λ2相隔△λ，而使由頻率轉換輸出光束124的構成性與破壞性干擾所產生的散斑的外貌縮減約。因此，此種光源可同時減少由歸因於模態跳躍的波長波動所產生的人工假影，與由散斑所產生的人工假影。注意到，控制器亦可提供調變訊號給波長選擇性區112、相位區114及/或增益區116，以產生快速模態跳躍。
亦可利用額外的減少散斑技術，連同上文所說明的外部共振腔配置。例如，且再次參照第1圖，可將極化攪亂單元130光耦接至波長轉換裝置，以經由快速極化攪亂進一步將散斑的外貌縮減約。在一種具體實施例中，極化攪亂單元130可將頻率轉換輸出光束124的波長波動轉換成可縮減散斑外貌的極化攪亂。例如，DBR 雷射二極體110可由調變訊號來調變，諸如上文所說明的增益及/或相位調變，以調變DBR二極體110而使DBR二極體110發射具有改變的波長的IR輸出光束118。如上文所說明，模態跳躍可使DBR雷射二極體發射具有波動波長的輸出光束，具有波動波長的輸出光束可亦使頻率轉換輸出光束124的波長波動。
在一種具體實施例中，極化攪亂單元130可經配置為極化分離與延遲單元，如說明於名稱為「Systems and Methods for Polarization Modulation of an Optical Signal」的美國專利第7,653,097號。應瞭解到，可利用其他的極化調變器。極化分離與延遲單元130經配置以將快速振盪或在兩輸出波長間切換(第一波長λ1與第二波長λ2)的頻率轉換輸出光束124，分離成具有相等功率與正交極化的兩個部件，將部件之一者延遲預定量以產生光路徑長度差△L，並結合兩個部件以產生經結合的頻率轉換輸出光束124’。正交極化不限於以90度極化的光，或線性極化。極化在兩個極化狀態不干擾彼此的情況下為正交。例如，左手與右手圓形極化(circular polarization)為正交極化。為了最佳地減少散斑，如本文所討論，光路徑長度差△L與第一波長λ1與第二波長λ2之間的波長差△λ，需足夠大而使兩個正交光束在同相狀態(in-phase state)與異相狀態(out of phase state)之間振盪，而使頻率轉換輸出光束124亦於兩個正交狀態之間振盪。同相可被界定為部件具有近似為π的偶數 整數倍的相位差。反之，異相可被界定為部件具有近似為π的奇數整數倍的相位差。
極化分離與延遲單元130可包含一或多個極化光束分離器，一或多個極化光束分離器可用以將頻率轉換輸出光束124分離成正交極化的兩個光束(第一正交極化成分與第二正交極化成分)。極化光束分離器的一個特定範例為Glan-Taylor稜鏡，Glan-Taylor稜鏡通常包含兩個呈直角的方解石稜鏡(或其他類似的雙折射材料)，兩個方解石稜鏡在他們的長面上以空氣間隙分離，且方解石晶體的光軸被對準為與反射平面平行。入射的頻率轉換輸出光束124的電場向量平行於投射/反射平面(稱為p-極化)的成分被傳送通過極化光束分離器，且電場向量正交於投射/反射平面(稱為s-極化)的成分經歷總和內部反射並被以直角偏轉(deflect)。若頻率轉換輸出光束124被以對投射/反射平面45度極化，則頻率轉換輸出光束124將被分成具有近似為相等功率的正交極化p與s成分，其中一個被傳送且另一個被反射。
例如，s-極化成分127可被從極化光束分離器反射，並立即退出極化分離與延遲單元130。p-極化成分128可在極化分離與延遲單元130內經歷反射，隨後被傳送通過光束分離器並與s-極化成分127結合，以形成經結合頻率轉換輸出光束124’，從而在s與p成分127、128之間產生光路徑長度差△L。所產生的經結合頻率轉換輸出光束124’的極化攪亂可使散斑的外貌縮減。
頻率轉換輸出光束124的波長可由各種手段來調變。在一種具體實施例中，相位區114及/或增益區116可由調變訊號如上文所說明般調變，以產生如上文所說明的波長波動。亦可利用其他的波長調變技術。
應瞭解到，以上的實施方式意為提供概觀或架構，以瞭解所請發明主題的本質與特性。顯然的是，在本發明領域中具有通常知識者可對本文所說明的具體實施例進行各種修改與變異，而不脫離本發明的精神與範圍。因此，本發明意為包含此發明的修改與變異，只要修改與變異位於附加申請專利範圍的範圍與均等範圍內。
注意到，像是「較佳」與「通常」的用詞，在使用於本文中時，不意為限制所請發明的範圍，亦不意為隱含一些特徵為關鍵的、必要的、或甚至對所請發明之結構或功能為重要的。相反的，這些用詞僅意為強調可或不可利用於本發明特定具體實施例中的替代或額外特徵。再者，注意到對值、參數、或為另一值、參數或變數之「函數」的變數，不應被視為表示該值、該參數或變數僅為唯一一個值、一個參數或變數的函數。
為了說明並界定本發明，注意到本文使用「實質上」、「近似」與「約」之用詞，以表示任何量化比較、值、測量或其他表示可具有的固有不確定程度。用詞「實質上」在本文中亦用以表示量化表示(例如「實質上高於零」)變異自所述參照(例如「零」)的程度，且應被解譯為需要量化表示以可輕易察覺到的量變異自所述參 照。
100‧‧‧光源
101‧‧‧控制器
102‧‧‧控制電極
103‧‧‧波長選擇性調變訊號
104‧‧‧控制電極
105‧‧‧相位調變訊號
106‧‧‧控制電極
107‧‧‧增益調變訊號
110‧‧‧DBR雷射二極體
112‧‧‧波長選擇性DBR區
114‧‧‧相位區
116‧‧‧增益區
117‧‧‧反射性雷射輸出刻面
118‧‧‧IR輸出光束
120‧‧‧波導PPLN晶體
121‧‧‧輸入刻面
122‧‧‧頻率轉換波導
123‧‧‧輸出刻面
124‧‧‧頻率轉換輸出光束
124’‧‧‧頻率轉換輸出光束
127‧‧‧s-極化成分
128‧‧‧p-極化成分
130‧‧‧極化攪亂單元
119‧‧‧後雷射刻面
200‧‧‧光源
220‧‧‧波長轉換裝置
221‧‧‧輸入刻面
222‧‧‧波導
223‧‧‧輸出刻面
300‧‧‧光源
310‧‧‧鏡片部件
335‧‧‧反射性部件
118’‧‧‧經聚焦輸出光束
118”‧‧‧經反射輸出光束
118”’‧‧‧經耦接輸出光束
400‧‧‧光源
500‧‧‧光源
520‧‧‧波長轉換裝置
521‧‧‧輸入刻面
522a‧‧‧第一波導部分
522b‧‧‧第二波導部分
523‧‧‧輸出刻面
第1圖為根據本發明之一或多個具體實施例之光源的簡要示意圖，光源包含界定外部共振腔的DBR雷射二極體與波長轉換裝置；第2圖圖示說明在非共振腔匹配情況中的雷射系統的往返延伸共振腔頻譜反射曲線；第3圖根據本發明之一或多個具體實施例，圖示說明在共振腔匹配情況中的光源的往返延伸共振腔頻譜反射曲線；第4圖為波長標準差對IR波長隨著增益電流提升的圖表，對於共振腔匹配情況與非共振腔匹配情況；第5圖為根據本發明之一或多個具體實施例之光源的簡要示意圖，光源包含界定外部共振腔的DBR雷射二極體與具有楔形刻面的波長轉換裝置；第6圖為根據本發明之一或多個具體實施例之光源的簡要示意圖，光源包含界定摺疊外部共振腔的DBR雷射二極體與具有楔形刻面的波長轉換裝置；第7圖根據本發明之一或多個具體實施例圖示說明在非共振腔匹配情況中的光源的往返延伸共振腔頻譜反射曲線；第8圖根據本發明之一或多個具體實施例圖示說明具 有最高的往返反射率的延伸共振腔模態的波長圖表，最高的往返反射率為對二極體共振腔共振偏移的函數；第9圖為根據本發明之一或多個具體實施例之光源的簡要示意圖，光源包含界定外部共振腔的DBR雷射二極體與波長轉換裝置，且於非共振腔匹配情況中；以及第10圖為根據本發明之一或多個具體實施例之光源的簡要示意圖，光源包含DBR雷射二極體與具有兩個可選擇性波導的波長轉換裝置。
100‧‧‧光源
101‧‧‧控制器
102‧‧‧控制電極
103‧‧‧波長選擇性調變訊號
104‧‧‧控制電極
105‧‧‧相位調變訊號
106‧‧‧控制電極
107‧‧‧增益調變訊號
110‧‧‧DBR雷射二極體
112‧‧‧波長選擇性DBR區
114‧‧‧相位區
116‧‧‧增益區
117‧‧‧反射性雷射輸出刻面
118‧‧‧IR輸出光束
120‧‧‧波導PPLN晶體
121‧‧‧輸入刻面
122‧‧‧頻率轉換波導
123‧‧‧輸出刻面
124‧‧‧頻率轉換輸出光束
124’‧‧‧頻率轉換輸出光束
127‧‧‧s-極化成分
128‧‧‧p-極化成分
130‧‧‧極化攪亂單元
119‧‧‧後雷射刻面

Claims (20)

  1. 一種光源，該光源包含一雷射源與一波導，其中：該雷射源包含一雷射共振腔，該雷射共振腔具有從一DBR光柵延伸至一反射性雷射輸出刻面的一雷射光路徑長度，且該雷射源以一基本波長發射一輸出光束；該波導包含一輸入刻面與一輸出刻面，該波導沿著一波導光長度延伸，該波導光長度係從該波導的該輸入刻面至該波導的該輸出刻面；以及該波導係光耦接至該雷射源，藉以形成一外部共振腔，該外部共振腔具有從該反射性雷射輸出刻面延伸至該波導的該輸入刻面的一光路徑長度，該光路徑長度係實質上等於該雷射光路徑長度。
  2. 如請求項1所述之光源，其中該波導包含一波長轉換裝置的一頻率轉換波導，該頻率轉換波導將該雷射源發射的該輸出光束轉換成一頻率轉換輸出光束，該頻率轉換輸出光束具有一經轉換波長，該經轉換波長係短於該基本波長。
  3. 如請求項1所述之光源，其中該波導的該輸入刻面與該輸出刻面相對於該雷射源的該輸出刻面發射的該輸出光束的一光路徑具有角度。
  4. 如請求項3所述之光源，該光源進一步包含一鏡片部件與一反射性部件，其中該鏡片部件與該反射性部件經配置以將該輸出光束引導朝向該波導的該輸入刻面，而使該外部共振腔內的該輸出光束的一光路徑為一摺疊光路徑。
  5. 如請求項3所述之光源，其中該波導的該輸入刻面的角度與該輸出刻面的角度為，使少於約2.5%的該輸出光束被從該波導的該輸入刻面與該輸出刻面反射回該雷射源。
  6. 如請求項3所述之光源，其中該波導的該輸入刻面與該輸出刻面相對於該雷射源的該輸出刻面發射的該輸出光束的該光路徑具有約10度的角度。
  7. 如請求項3所述之光源，其中該外部共振腔的該光路徑長度為位於該雷射源的該雷射共振腔內的該雷射光路徑長度的約0.2mm內。
  8. 如請求項3所述之光源，其中該雷射源的該輸出光束經歷在雷射期間具有少於約0.5nm的一平均振幅的循序模態跳躍。
  9. 如請求項1所述之光源，其中： 該波導的該輸入刻面與該輸出刻面係正交於在該反射性雷射輸出刻面處的該輸出光束的一光路徑；且該波導的一長度為，使該反射性雷射輸出刻面與該波導的該輸出刻面之間的一光路徑長度不為該雷射共振腔內的該雷射光路徑長度的一整數倍。
  10. 如請求項9所述之光源，該光源進一步包含一鏡片部件與一反射性部件，其中該鏡片部件與該反射性部件經配置以將該輸出光束導向該波導的該輸入刻面，而使該外部共振腔內的該輸出光束的一光路徑為一摺疊光路徑。
  11. 如請求項9所述之光源，其中該波導的該輸入刻面的一輸入刻面反射率係小於該雷射源的該反射性雷射輸出刻面的一輸出刻面反射率。
  12. 如請求項11所述之光源，其中該波導的該輸入刻面的該輸入刻面反射率係小於該輸出光束的約0.3%，且該雷射源的該反射性雷射輸出刻面的該輸出刻面反射率為該輸出光束的約15%。
  13. 如請求項9所述之光源，其中該雷射源的該輸出光束經歷位於大於一人眼平均反應時間的一頻率的循序模態跳躍。
  14. 如請求項9所述之光源，其中該光源進一步包含耦接至該雷射源的一雷射控制器；該雷射共振腔包含一增益區、一波長選擇性區與一相位區；且該雷射控制器經程式化以提供一增益調變訊號給該增益區、提供一相位調變訊號給該相位區、提供一波長選擇性調變訊號給該波長選擇性區、或以上之結合，而使該雷射源經歷位於大於一人眼平均反應時間的一頻率的模態跳躍。
  15. 如請求項14所述之光源，其中該波長選擇性調變訊號的一波長選擇性調變訊號頻率，係大於該增益調變訊號的一增益調變訊號頻率。
  16. 如請求項14所述之光源，其中該光源進一步包含一極化分離與延遲單元，該極化分離與延遲單元光耦接至該波導的該輸出刻面；該極化分離與延遲單元從該波導的該輸出刻面接收一頻率轉換輸出光束，且該極化分離與延遲單元經配置以：將該頻率轉換輸出光束分離成一第一正交極化成分與一第二正交極化成分；在該第一正交極化成分與該第二正交極化成分之間產生一光路徑長度差△L；以及 將該第一正交極化成分與該第二正交極化成分結合為一經結合頻率轉換輸出光束；該雷射控制器經程式化以指示該雷射控制器藉由對該雷射源施加一波長調變訊號以調變該輸出光束，而使一經調變頻率轉換輸出光束包含至少一第一波長λ1與一第二波長λ2，而使該第一波長λ1與該第二波長λ2相隔一波長差△λ，且該波長差△λ與該光路徑長度差△L為使該第一正交極化成分與該第二正交極化成分往返振盪於一同相(in-phase)狀態與一異相(out of phase)狀態，在該同相狀態中該第一正交極化成分與該第二正交極化成分為近似同相，在該異相狀態中該第一正交極化成分與該第二正交極化成分為近似異相。
  17. 如請求項9所述之光源，其中：該光源包含一波導選擇性致動器；該波導包含一第一波導部分與和該第一波導部分分隔的一第二波導部分；該第一波導部分將該輸出光束頻率轉換，而使從該第一波導部分退出該波導的一頻率轉換輸出光束具有一第一頻率轉換波長；該第二波導部分將該輸出光束頻率轉換，而使從該第二波導部分退出該波導的該頻率轉換輸出光束具有一第二頻率轉換波長；以及 該第一頻率轉換波長係與該第二頻率轉換波長相隔△λ。
  18. 如請求項17所述之光源，其中：該光源進一步包含電氣耦接至該雷射源的一雷射控制器；該雷射共振腔包含一增益區、一波長選擇性區與一相位區；以及該雷射控制器經程式化以提供一增益調變訊號給該增益區、提供一相位調變訊號給該相位區、或以上之組合，而使該雷射源經歷位於大於一人眼平均反應時間的一頻率的模態跳躍。
  19. 一種光源，該光源包含一雷射源、一波長轉換裝置與耦接光學器件，其中：該雷射源包含一雷射共振腔，該雷射共振腔具有從一DBR光柵延伸至一反射性雷射輸出刻面的一雷射光路徑長度，且該雷射源以一基本波長發射一輸出光束；該波導轉換裝置包含一輸入刻面、一輸出刻面與一波導，該波導從該波長轉換裝置的該輸入刻面延伸至該波長轉換裝置的該輸出刻面；該波長轉換裝置的該輸入刻面與該輸出刻面相對於從該雷射源的該輸出刻面發射的該輸出光束的一光路徑具有角度，而使少於約2.5%的該輸出光束被從該波 長轉換裝置的該輸入刻面與該輸出刻面反射回該雷射源；該波長轉換裝置係光耦接至該雷射源，藉以形成一外部共振腔，該外部共振腔具有從該反射性雷射輸出刻面延伸至該波導的該輸入刻面的一光路徑長度，該光路徑長度係實質上等於該雷射光路徑長度；該耦接光學器件包含一鏡片部件與一反射性部件，且該耦接光學器件將該輸出光束導向該波長轉換裝置的該輸入刻面，而使該外部共振腔內的該輸出光束的該光路徑為一摺疊光路徑；以及該波長轉換裝置將該雷射源發射的該輸出光束轉換成一頻率轉換輸出光束，該頻率轉換輸出光束具有一經轉換波長，該經轉換波長係短於該基本波長。
  20. 一種光源，該光源包含一雷射源與一波長轉換裝置，其中：該雷射源包含一雷射共振腔，該雷射共振腔具有從一DBR光柵延伸至一反射性雷射輸出刻面的一雷射光路徑長度，且該雷射源以一基本波長發射一輸出光束；該波導轉換裝置包含一輸入刻面、一輸出刻面與一波導，該波導從該波長轉換裝置的該輸入刻面延伸至該波長轉換裝置的該輸出刻面； 該波長轉換裝置的該輸入刻面與該輸出刻面相對於在該反射性雷射輸出刻面處的該輸出光束的該光路徑為正交；該波長轉換裝置係光耦接至該雷射源，藉以形成一外部共振腔，該外部共振腔具有從該反射性雷射輸出刻面延伸至該波長轉換裝置的該輸入刻面的一光路徑長度，該光路徑長度係實質上等於該雷射光路徑長度；該波長轉換裝置的一長度為，使在該反射性雷射輸出刻面與該波長轉換裝置的該輸出刻面之間的一光路徑長度不為該雷射共振腔內該雷射光路徑長度的一整數倍；該波長轉換裝置的該輸入刻面的一輸入刻面反射率係小於該雷射源的該反射性雷射輸出刻面的一輸出刻面反射率；以及該波長轉換裝置將該雷射源發射的該輸出光束轉換成一頻率轉換輸出光束，該頻率轉換輸出光束具有一經轉換波長，該經轉換波長係短於該基本波長。
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