WO2015101049A1 - 一种可调谐激光器系统 - Google Patents

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WO2015101049A1
WO2015101049A1 PCT/CN2014/084465 CN2014084465W WO2015101049A1 WO 2015101049 A1 WO2015101049 A1 WO 2015101049A1 CN 2014084465 W CN2014084465 W CN 2014084465W WO 2015101049 A1 WO2015101049 A1 WO 2015101049A1
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tunable
laser
filter
acousto
fabry
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PCT/CN2014/084465
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Inventor
高培良
Original Assignee
天津奇谱光电技术有限公司
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/141—External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/1062—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using a controlled passive interferometer, e.g. a Fabry-Perot etalon
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    • H01S3/1068—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using an acousto-optical device

Definitions

  • the present invention is in the field of optoelectronics, and more particularly, a tunable laser system employing a tunable Fabry-Perot filter and a tunable acousto-optic filter. Background technique
  • the common tuning techniques are mainly as follows: 1. Tuning by rotating the grating with a precision stepping motor, the problems are as follows: First, to achieve precise tuning of the optical frequency The stepping accuracy and repeatability of the stepping motor are very high, so the manufacturing cost is relatively high; the second is that it is difficult to achieve miniaturization due to the use of the stepping motor; the third is that the working stability in the harsh working environment is relatively poor, In particular, the ability to withstand various types of mechanical vibrations is poor, so tunable lasers using this technology are only suitable for use in laboratory work environments. 2. Tuning with tunable acousto-optic filter has the advantages of fast tuning speed, no mechanical moving parts, and miniaturization.
  • the disadvantage is that the tunable acousto-optic filter has a wide filtering bandwidth, so the tuning precision of the laser is not High, therefore, tunable lasers that simply use this technique are difficult to achieve precision continuous tunability and are only suitable for applications where tuning accuracy and output bandwidth are not high. 3.
  • the disadvantage is speed comparison.
  • the temperature drift coefficient of the optical filter component is 0.02 nm/degree
  • the required optical spectrum range is 20 nm
  • the temperature adjustment range is 100. Degree, which is difficult to achieve in practical applications.
  • a tunable laser system comprising an output beam collimating lens and a first laser cavity mirror mounted in sequence, a laser gain medium, an intracavity collimating lens, an active optical phase modulator, a first tunable acousto-optic filter
  • the utility model is characterized in that: further comprising a second tunable acousto-optic filter, a tunable method cloth a Rio-Perot filter, a second laser cavity mirror, and a laser drive and control system;
  • the intracavity collimating lens is configured to collimate light emitted by the laser gain medium and enter the first at a Bragg angle a tunable acousto-optic filter; the first-order diffracted light of the first tunable acousto-optic filter enters the second tunable acousto-optic filter at a Bragg angle, eliminating distortion caused by the first tunable acousto-optic filter Optical frequency Doppler shift, changing the
  • a tunable laser system comprising an output beam collimating lens and a first laser cavity mirror mounted in sequence, a laser gain medium, an intracavity collimating lens, an active optical phase modulator, a first tunable acousto-optic filter
  • the device further includes: a second tunable acousto-optic filter, a tunable Fabry-Perot filter, a Fabry-Perot etalon, a second laser cavity mirror, and a laser driving and control system;
  • the intracavity collimating lens is configured to collimate light emitted by the laser gain medium and enter the first tunable acousto-optic filter at a Bragg angle; a level of the first tunable acousto-optic filter The diffracted light enters the second tunable acousto-optic filter at a Bragg angle, eliminating optical frequency Doppler shift caused by diffraction of the first tunable acousto-opti
  • the tuning frequency of the peak frequency of the transmitted light of the tunable Fabry-Perot filter is greater than or equal to its intrinsic free spectral range.
  • the first laser cavity mirror and the second laser cavity mirror are one of the following types of mirrors: a flat mirror, a concave mirror and a convex mirror, having a partial or 100% reflectivity and the laser gain medium Having the same spectral range; the first laser cavity mirror or a multilayer dielectric film directly plated on one end face of the laser gain medium.
  • the laser gain medium is a broadband laser gain medium.
  • the active optical phase modulator can be one of the following types: an electro-optic phase modulator, an acousto-optic phase modulator, a magneto-optical phase modulator, or some combination of the above-described phase modulators.
  • the first tunable acousto-optic filter includes an acousto-optic crystal and an electro-acoustic transducer disposed on the acousto-optic crystal;
  • the second tunable acousto-optic filter includes an acousto-optic crystal and An electroacoustic transducer disposed on the acousto-optic crystal.
  • an outer anti-reflection surface of the first mirror of the tunable Fabry-Perot filter is provided with an anti-reflection film; the inner side of the first mirror of the tunable Fabry-Perot filter is transparent a high reflectivity multilayer dielectric film; an inner pass surface high reflectivity multilayer dielectric film of the second mirror of the tunable Fabry-Perot filter; the tunable Fabry-Perot An antireflection film is disposed on the outer light-passing surface of the second mirror of the filter.
  • the liquid crystal optical phase modulator generates a certain optical phase delay for linearly polarized light in a certain direction driven by an applied electric field, and has the same spectral range as the laser gain medium.
  • the laser drive and control system includes: a central control system, a laser pump source, an active optical phase modulator drive source, two RF signal sources, and a tunable Fabry-Perot filter a driving source for implementing the laser gain medium, the active optical phase modulator, the first tunable acousto-optic filter, the second tunable acousto-optic filter, and the tunable method
  • the drive control function of the Brill-Perot filter and the control of optical frequency tuning and output optical power are:
  • the laser system utilizes the phase modulation effect of liquid crystal on light and the thin size (about 10 micrometers) in the light passing direction, combined with the traditional Fabry-Perot etalon technology.
  • the fast and precise tuning of the laser frequency guarantees a large tuning spectral range and a narrow laser output spectrum.
  • the laser uses two tunable acousto-optic filters to eliminate the optical frequency drift caused by a single tunable acousto-optic filter and to compress the spectral width of the diffracted light from a single tunable acousto-optic filter.
  • the relative angle of the second tunable acousto-optic filter can further compress the spectral width of the diffracted light such that the output spectrum of the laser is narrower and more stable, improving the performance of the laser.
  • the invention has reasonable design, non-mechanical moving parts, stable and reliable performance, low cost, small size, easy installation and production, and can meet the requirements of small size and extreme working environment, and can be widely used in optics. Testing, fiber optic communications, biology, medical devices and fiber optic sensor networks. DRAWINGS
  • Figure 1 shows the first tunable acousto-optic filter 100 and the relationship between incident and diffracted light
  • Figure 2 shows the second tunable acousto-optic filter 200 and the relationship between incident and diffracted light
  • Figure 3 shows a wave vector diagram of the incident beam, the acoustic field, and the diffracted beam in the acousto-optic crystal of the tunable acousto-optic filter 100;
  • Figure 4 is a diagram showing the wave vector relationship of the incident beam, the acoustic wave field and the diffracted beam in the acousto-optic crystal of the tunable acousto-optic filter 200;
  • Figure 5 shows a tunable acousto-optic filter 300 with dual tunable acousto-optic filters and a schematic diagram of the relationship between incident and diffracted light;
  • Figure 6 shows a schematic representation of the angle change of the tunable acousto-optic filter 200 in the tunable acousto-optic filter 300;
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of a conventional Fabry-Perot light etalon
  • FIG. 8 is a schematic structural view of a general liquid crystal optical phase modulator
  • Figure 9 shows the relationship between the phase and electric field of the liquid crystal optical phase modulator under the action of an external electric field
  • Figure 10 shows a schematic diagram of a tunable Fabry-Perot filter comprising a liquid crystal optical phase modulator
  • Figure 11 shows a schematic diagram of a tunable laser system 500 of the present invention
  • Figure 12 is a schematic illustration of a tunable laser system including a Fabry-Perot optical etalon of the present invention
  • Figure 13 shows a schematic diagram of the diffraction spectrum of a tunable acousto-optic filter
  • Figure 14 shows a schematic diagram of the transmission spectrum of a Fabry-Perot etalon
  • Figure 15 shows a schematic diagram of the transmission spectrum of a tunable Fabry-Perot filter
  • Figure 16 shows a schematic diagram of the output spectrum of a tunable laser system 500
  • Figure 17 shows a schematic diagram of the transmission spectrum of a Fabry-Perot etalon that meets ITU optical frequency requirements
  • Figure 18 shows an output spectrum of a tunable laser system 600 including a Fabry-Perot etalon.
  • the tunable acousto-optic filter includes a transducer 20 and an acousto-optic crystal 30.
  • the RF signal source 10 is connected to the transducer 20. 2 to the incident light beam is incident on the Bragg angle ⁇ ⁇ acousto-optic crystal 30, producing a zero-order diffracted beam and first-order diffracted light beam 3 4.
  • Figure 3 shows the wave vector relationship of the incident beam, the acoustic field and the diffracted beam in the acousto-optic crystal of the tunable acousto-optic filter 100.
  • the working principle of the acousto-optic filter is based on a phenomenon of Bragg diffraction.
  • Bragg diffraction involves the interaction of photons (quantum of light energy) and phonons (quantum of acoustic energy). In this interaction, energy and momentum are conserved.
  • K D K i + K s
  • K d the momentum of the diffracted photons
  • K i the momentum of the incident photons
  • K S is the momentum of the interacting phonons.
  • the formula indicates that the magnitude of the optical wave frequency offset is equal to the frequency of the acoustic wave.
  • the optical frequency and the acoustic frequency are different by many orders of magnitude, the resulting offset is small, but in some laser systems. Still cause unstable operation.
  • One solution to this problem is to use two AOTFs, the second of which is used to offset the frequency offset caused by the first AOTF. Or use two transducers on the same side on the same acousto-optic crystal.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a tunable acousto-optic filter 200 of the same construction as tunable acousto-optic filter 100.
  • the tunable acousto-optic filter 100 includes a transducer 21 and an acousto-optic crystal 31, and the RF signal source 11 is coupled to the transducer 21.
  • Figure 4 shows the acousto-optical crystal acousto-optic tunable filter 200 in the incident light beam, an acoustic wavefield A wave vector diagram of the diffracted beam.
  • the sound wave causes the direction of the diffracted light
  • the lower offset, and the angular frequency ⁇ of the second diffracted ray 6 is also shifted downward by v s IK s
  • Figure 5 shows a block diagram of a dual tunable acousto-optic filter 300 with frequency offset compensation consisting of tunable acousto-optic filters 100 and 200.
  • the tunable acousto-optic filter 200 not only compensates for the frequency offset produced by the tunable acousto-optic filter 100, but also compresses the diffraction spectrum produced by the tunable acousto-optic filter 100 to produce the first-order diffracted beam 4. If the tunable acousto-optic filter 200 is deflected At a small angle, the diffracted light ray 6 will be further compressed due to the diffractive nature of the tunable acousto-optic filter.
  • Figure 6 shows a schematic diagram of the angle change of the tunable acousto-optic filter 200 in the tunable acousto-optic filter 300.
  • the Acousto-Optical Tunable Filter (A0TF) is a solid-state, band-pass optical filter that can be electrically tuned. Compared to traditional technologies, AOTF provides continuous, fast adjustment and narrow spectral bandwidth.
  • AOTF provides continuous, fast adjustment and narrow spectral bandwidth.
  • Figure 13 shows a diffraction spectrum of an acousto-optic tunable filter. ⁇ V c is the half-width of the diffraction spectrum.
  • a ve is defined as the difference between the frequency of the peak of the diffracted light intensity and the frequency at which the diffracted light intensity is zero or close to zero.
  • the ⁇ vc on both sides of the diffracted light spectrum is different, and the value of the half-width of the diffraction spectrum is larger, depending on factors such as different types and length of the acousto-optic effect.
  • a ve can range from less than 1 nanometer to more than ten nanometers.
  • the acousto-optic crystals employed are anisotropic and have birefringence characteristics.
  • One of these materials is cerium oxide (Te0 2 ), which is widely used in such applications due to its high optical uniformity, low light absorption and high optical power capability in shear mode.
  • Other substances such as lithium niobate (LiNb0 3 ), gallium phosphide (GaP), and lead molybdate (PbMo0 4 ) are also frequently used in various acousto-optic devices. There are many factors that influence the selection of specific substances.
  • Figure 7 shows a schematic of a conventional Fabry-Perot light etalon 44.
  • the material of the Fabry-Perot etalon 44 is generally optical glass such as fused silica or BK7 in the near-infrared and visible-light bands, assuming that the material has a refractive index n and both light-passing surfaces 42 and 43 are plated high.
  • the spectral bandwidth of the transmitted light is mainly related to the reflectivity R. The higher the reflectivity, the smaller the spectral bandwidth or finesse.
  • the Fabry-Perot optical etalon's transmission spectrum is characterized by a very narrow bandwidth for each transmission spectrum, equal frequency spacing of the output spectrum and a very wide optical band width.
  • Figure 14 shows a Fabry. Schematic diagram of the transmission spectrum of the Fabry-Perot etalon.
  • Liquid crystal materials generally used as photovoltaic devices have high resistivity. Therefore, it can be considered as an ideal dielectric material.
  • the liquid crystal has anisotropic dielectric properties and uniaxial symmetry due to the ordered orientation of the constituent molecules and the stretched morphology. Like a uniaxial crystal, the direction of the optical axis coincides with the orientation of the molecules.
  • an electric dipole is formed. Under the action of the moment formed by the electric dipole, the orientation of the liquid crystal molecules is turned to the direction of the electric field, and the direction of the optical axis of the liquid crystal can be changed by changing the strength of the electric field, thereby changing the linearly polarized light incident to a specific direction. The phase.
  • FIG. 1 A schematic diagram of a liquid crystal optical phase modulator 24 is shown in FIG.
  • the liquid crystal optical phase modulator 24 includes a sheet of transparent material 60, a liquid crystal 23, a sheet of transparent material 64 that are sequentially mounted, and an electrode and an isolating layer are plated on the inner surface 62 of the sheet of transparent material 60 on the inner surface 66 of the sheet 64 of transparent material 64.
  • the electrode and the isolation layer are plated, and the driving source 22 is connected to the two electrodes.
  • the thickness of the liquid crystal generally used as the phase modulation device is about several micrometers to ten micrometers.
  • Figure 9 shows the relationship between the phase change of a light wave with a wavelength of 1550 nm driven by a liquid crystal optical phase modulator 24 driven by a square wave voltage, and an optical phase delay of about 2 ⁇ can be achieved.
  • Figure 10 shows a tunable Fabry-Perot filter containing a liquid crystal optical phase modulator.
  • the tunable Fabry-Perot filter 400 includes mirrors 16 and 26 and a liquid crystal optical phase modulator 24 placed between mirrors 16 and 26, plated on the outer surfaces 18 and 29 of mirrors 16 and 26.
  • a highly reflective multilayer dielectric film layer having a reflectance R of R is plated on the inner surfaces 21 and 28, and a Fabry-Perot cavity is formed by the two high-reflection film layers. Due to liquid crystal The thickness is small (a few microns to a few dozen microns), so a large Fabry-Perot filter with a large intrinsic free spectral range (free spectral range of the filter without an applied electric field) can be made.
  • the electric field is used to change the effective refractive index of the liquid crystal in the Fabry-Perot cavity to adjust the optical frequency V and the free spectral range (FSR) of the transmitted light of the Fabry-Perot filter.
  • the light beam 15 incident on the tunable Fabry-Perot filter 400 is a beam traveling in the z direction, and the polarization axis is linearly polarized light in the X direction, assuming the length of the Fabry-Perot cavity.
  • the refractive index of the material in the cavity is n
  • the free spectral range FSR2 of the filter 400, the transmitted light frequency, and the spectral bandwidth of the transmitted light can be expressed as:
  • ⁇ V c / (2nD+ r ), where c is the speed of light, ⁇ represents the incident light by the liquid crystal optical phase modulator 24 under the applied electric field
  • Figure 15 shows a schematic transmission spectrum of a tunable Fabry-Perot filter 400.
  • the tunable Fabry-Perot filter 400 can achieve a tuning range of the transmitted optical frequency greater than the intrinsic free spectral range FSR2 for linearly polarized light incident near zero, with an accuracy of less than 1 GHz.
  • the change in the bandwidth A v ti of the free spectral range FSR2 and the transmitted light is much smaller, and therefore, the tunable Fabry-Perot filter 400 can be transmitted under the action of an applied electric field.
  • the tuning range of the optical peak frequency is greater than its intrinsic free spectral range without substantially changing the spectral bandwidth and free spectral range of the transmitted light. This feature is of great importance for the application of the tunable Fabry-Perot filter 400 in the present invention.
  • the liquid crystal optical phase modulator 24 is constructed by placing a liquid crystal material in a cavity formed by two sheets of transparent optical material. Therefore, the thickness of the two transparent optical materials 60 and 64 directly affects the tunable Fabry-
  • the length D of the Fabry-Perot cavity of the Perot filter 400 affects the free spectral range that can be achieved. The larger the free spectral range, the shorter the length of the Fabry-Perot cavity is required. The smaller the thickness of the two sheets of transparent optical materials 60 and 64.
  • the thickness of the two transparent optical materials is 0.5 mm, the refractive index is 1.5, the thickness of the liquid crystal is 10 ⁇ m, and the maximum intrinsic free spectral range that the tunable Fabry-Perot filter 400 can achieve is about It is 100 GHz.
  • one method is to have two pieces of transparent optics.
  • the inner surface of one of the materials 60 and 64 is plated with a highly reflective film, and the highly reflective film and the highly reflective film of the mirror 16 or 26 constitute the Fabry-Perot cavity of the tunable Fabry-Perot filter 400.
  • the inner surface of the transparent optical material 60 may first be provided with a high reflective layer having a reflectivity R, and then an electrode, a spacer layer, etc., and the high reflective layer and the high reflective film on the mirror 26 constitute a Fabry-
  • the Perot cavity in turn, not only eliminates the mirror 16, but also greatly shortens the length of the Fabry-Perot cavity.
  • a high reflective film may be disposed on the inner surface of the transparent optical material 64 to form a Fabry-Perot cavity with a high reflective film on the inner surface of the transparent optical material 60, since the thickness of the liquid crystal layer is very thin.
  • This structure can realize a very large free spectral range tunable Fabry-Perot filter, but with this method, the actual production is very difficult.
  • the liquid crystal optical phase modulator 24 needs to be placed in the Fabry-Perot cavity formed by the mirrors 16 and 26 for the tunable method.
  • the Brie-Perot filter 400 brings a certain degree of difficulty, especially in the case where a high sharpness coefficient is required. Since the light intensity transmitted through the mirrors 16 and 26 is relatively weak, it is more difficult to fabricate such a filter. Therefore, reducing the sharpness factor of the tunable Fabry-Perot filter 400 can reduce the difficulty of its fabrication.
  • FIG 11 shows a schematic block diagram of a tunable laser system 500 of the present invention.
  • laser cavity mirrors 45 and 51 form the cavity of the laser
  • the broadband fluorescent beam 48 emitted by the laser gain medium 47 is collimated by the intracavity collimator lens 49 to pass through the active optical phase modulator.
  • the laser laser gain medium 47 is a semiconductor material
  • the output beam 53 is typically a divergent beam that can be collimated by an out-of-cavity collimating lens 54.
  • the beams 5, 55 , 56 and 57 can be used to monitor the optical power and frequency in the laser cavity, etc., to avoid inserting other spectroscopic devices into the laser cavity or the output optical path to achieve such a function, and can also be used as an output beam of the laser 500 for other purposes.
  • Laser cavity mirrors typically have different reflectivities for different wavelengths or colors of light, and the reflectivity referred to herein is the reflectance corresponding to the spectral bandwidth at which the laser operates.
  • the laser cavity mirror 45 is used as an output mirror of the laser 500, and a partial mirror (reflectance less than 100%) is used, and the reflectance can be adjusted according to factors such as loss or gain of the laser cavity, and the laser cavity mirror 51 is used. Use a full mirror (100% reflectivity).
  • the laser cavity mirrors 45 and 51 can be a flat mirror, a convex mirror or a concave mirror.
  • the laser cavity mirror 45 can usually be directly formed on one output surface of the semiconductor gain medium, because the semiconductor gain medium generally has a relatively large output dispersion angle, and therefore, the cavity
  • the collimating lens 49 is typically used when the laser gain medium is a semiconductor gain medium.
  • the intracavity collimating lens can generally be used instead of a non-planar cavity mirror to achieve a reasonable distribution of the intracavity beam.
  • the acousto-optic tunable filter 200 functions to compensate for the Doppler frequency shift generated by the first-order diffracted light 4 of the acousto-optic tunable filter 100, and therefore, the output light frequency of the laser 500 is not affected.
  • the RF signal source 10 is connected to the transducer 20 as a driving source of the tunable acousto-optic filter 100, providing RF energy and adjusting the oscillation light frequency of the laser cavity by changing the RF frequency; the RF signal source 11 and the transducer
  • the 21-phase connection as a driving source of the tunable acousto-optic filter 200, provides RF energy and adjusts the resonant frequency of the laser cavity by changing the RF frequency.
  • the active optical phase modulator 7 produces laser oscillation and amplification in a laser cavity by adjusting the phase of the beam within the cavity.
  • the tunable acousto-optic filters 100 and 200 can also be driven by the same RF signal source. As previously analyzed, if the tunable acousto-optic filter 200 is deflected by a small angle, the spectral width of the diffracted ray 6 will be further compressed due to the diffractive nature of the tunable acousto-optic filter, thereby compressing the cavity of the laser 500. The spectral width of the resonant beam.
  • the filter 400 at this time is equivalent to a Fabry-Perot etalon, and the optical frequency of the tunable laser 500 is affected by the filter 400.
  • the limitation of the transmission spectrum that is, the output of the tuned laser 500 can only be tuned to the transmission spectrum of the intrinsic transmission spectrum of the tunable Fabry-Perot filter 400.
  • the tunable laser 500 can achieve continuous and precision tuning outputs.
  • the free spectral range of the tunable Fabry-Perot filter 400 should be made larger than the width of the intrinsic resonant spectrum of the tunable laser 500 (FWHM) ⁇ VL .
  • ⁇ VL is defined as the width (FWHM ) of the laser resonance spectrum of the tunable laser 500 without the tunable Fabry-Perot filter 400, which is limited by the half width ⁇ vc of the diffraction spectrum, The smaller A ve is, the smaller A v L is . Since the tunable Fabry-Perot filter 400 does not substantially change the free spectral range during tuning, it is possible to continue to maintain stable single mode operation during tuning of the tunable laser 500. At the same time, the tunable Fabry-Perot filter 400 also determines the spectral width of the laser output light. A Fabry-Perot filter with a high sharpness factor can reduce the spectral bandwidth of the output beam and increase the side mode rejection ratio.
  • the bandwidth of the output spectrum can be substantially uniform during the tuning process of the tunable laser 500. Since the active optical phase modulator 7, the tunable acousto-optic filters 100 and 200, and the tunable Fabry-Perot filter 400 each have a wide optical spectral range, the tunable laser 500 can be implemented in a wide spectrum. Precision continuous tunability within range.
  • Figure 16 shows a schematic diagram of the output spectrum of a tunable laser system 500.
  • the output of tunable laser 500 is required to meet the ITU (International Communication Standard) 100 GHz optical frequency requirement (ITU Grid), and therefore requires tunable methods.
  • ITU International Communication Standard
  • the transmission spectrum of the Brill-Perot filter 400 satisfies the International Telecommunications Union (ITU) standard.
  • the width ⁇ VL of the intrinsic resonance spectrum of the tunable laser 500 is less than or equal to 200 GHz, therefore, if the intrinsic free spectral range of the tunable Fabry-Perot filter 400 is When set to 250 GHz, the above-mentioned requirements for the output stability of the laser 500 are satisfied, and the length D of the Fabry-Perot cavity is approximately equal to 0.4 mm, which is as true as previously analyzed.
  • the tunable Fabry-Perot filter 400 can achieve precise frequency tuning of the spectrum of transmitted light greater than 250 GHz when applied with an applied electric field, thus enabling precision between two 100 GHz ITU grid optical frequencies Continuous tuning.
  • the tunable laser 500 can also meet the requirements.
  • the commonly used C frequency band (about 1530 nm - 1570 nm) or L frequency band (about 1570 nm - 1610 nm) has an optical spectrum bandwidth of about 40 nm, and the tunable laser 500 can be fully realized in C.
  • Frequency Precision tuning in the band and / or L frequency band Since the output of the tunable laser 500 is only required to meet the ITU 100 GHz optical frequency requirement in the 50 GHz or 100 GHz DWDM fiber communication application, and no continuous tuning is required, another tunable laser system 600 structure can be used to satisfy This requirement.
  • Figure 12 is a block diagram showing the structure of a tunable laser system 600 of the present invention.
  • the tunable laser system 600 adds a Fabry-Perot etalon 52 to the tunable laser system 500.
  • the transmission spectrum of the etalon 52 satisfies the requirements of the fiber optic communication ITU, so the tunable laser system 600 output can only be tuned. Go to the ITU frequency (Grid).
  • Figure 17 shows a transmission spectrum of the Fabry-Perot etalon 52 in the laser cavity.
  • Figure 18 shows a schematic diagram of the output spectrum of a Fabry-Perot etalon tunable laser system 600. Assume Fabry-Perot etalon
  • the sharpness factor of 52 is greater than the sharpness factor of the tunable Fabry-Perot filter 400, and the bandwidth ⁇ V p2 of the output spectrum of the tunable laser system 600 depends on the transmission spectral bandwidth of the Fabry-Perot etalon 52.
  • the tunable laser system 600 output can be easily compressed.
  • the spectral width of the light 2. can reduce the sharpness factor of the tunable Fabry-Perot filter 400, making it easier to fabricate.
  • the tunable laser system 500 and 600 drive and control system includes: a central control system, a laser pump source, an active optical phase modulator drive source, two RF signal sources, and a tunable Fabry-Perot filter Drive source for driving control of laser gain medium, active optical phase modulator, first tunable acousto-optic filter, second tunable acousto-optic filter, and tunable Fabry-Perot filter And achieve optical frequency tuning and output optical power control.

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Abstract

一种可调谐激光器系统，该系统的第一种结构包括一个输出光束准直透镜（54）和依次安装起来的第一激光腔反射镜（45）、激光增益介质（47）、腔内准直透镜（49）、有源光相位调制器（7）、第一可调谐声光滤波器（100）、第二可调谐声光滤波器（200）、可调谐法布里-珀罗滤波器（400）和第二激光腔反射镜（51）；该系统的第二种结构是在上述第一种结构中增加一个具有固定频率间隔的法布里-珀罗标准具（52）达到进一步压缩激光器输出光束的频带宽度，也使得激光器的输出光的峰值与法布里-珀罗标准具（52）的透射光谱的峰值一致。上述激光器系统设计合理，具有无机械移动部件、性能稳定可靠、成本低、尺寸小、易于安装及生产等特点。

Description

一种可调谐激光器系统 技术领域
本发明属于光电领域， 尤其是一种采用可调谐法布里-珀罗滤波器和可调谐 声光滤波器的可调谐激光器系统。 背景技术
在外腔式宽带可调谐激光器中， 常用的调谐技术主要有以下方式： 1、 通过 精密步进马达带动光栅的旋转来进行调谐的， 其存在的问题体现在： 一是为实 现光频率的精密调谐， 对步进马达的步进精度和重复性要求很高， 因此制造成 本比较高； 二是由于采用步进马达， 不易做到小型化； 三是在恶劣工作环境 下的工作稳定性比较差， 特别是抗各类机械振动的能力比较差， 因此， 采用该 技术的可调谐激光器只适合用于实验室工作环境中使用。 2、 利用可调谐声光 滤波器进行调谐， 其优点是调谐速度快， 没有机械移动部件， 可以做到小型 化， 缺点是可调谐声光滤波器的滤波带宽比较宽， 使得激光器的调谐精度不 高， 因此， 单纯采用这种技术的可调谐激光器很难做到精密连续可调谐， 只适 合用于对调谐精度和输出带宽不高的应用中。 3、 利用光栅或激光谐振腔中的 其他光学滤波器件， 如光学标准具等透射光频率随温度漂移的特点进行调谐， 其优点是调谐精度高和输出光的光谱带宽比较窄， 缺点是速度比较慢， 特别是 在要求调谐光谱范围宽的情况下， 这个缺点尤为明显， 例如： 光学滤波器件的 温度漂移系数是 0. 02纳米 /度， 要求的光频谱范围是 20纳米， 温度调节范围 是 100度， 这在实际应用中是很难实现的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足， 提供一种调谐速度快、 精度高、 成本低、 尺寸小且易于生产的可调谐激光器系统。
本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种可调谐激光器系统， 包括一个输出光束准直透镜和依次安装起来的第 一激光腔反射镜、 激光增益介质、 腔内准直透镜、 有源光相位调制器、 第一可 调谐声光滤波器， 其特征在于： 还包括第二可调谐声光滤波器、 可调谐法布 里-珀罗滤波器、 第二激光腔反射镜及激光器驱动和控制系统； 所述腔内准直 透镜用于将所述激光增益介质发出的光准直， 并以布拉格角进入所述第一可调 谐声光滤波器； 所述第一可调谐声光滤波器的一级衍射光以布拉格角进入所述 第二可调谐声光滤波器， 消除由第一可调谐声光滤波器衍射造成的光频率多普 勒漂移， 改变所述第二可调谐声光滤波器放置的角度可以起到压缩衍射光的频 谱带宽； 在所述第二可调谐声光滤波器一级衍射光的光轴方向上设置所述可调 谐法布里-珀罗滤波器， 在所述可调谐法布里 -珀罗滤波器后设置所述第二激光 腔反射镜； 由所述的第一激光腔反射镜和所述的第二激光腔反射镜构成了激光 器谐振腔； 所述的第一激光腔反射镜、 宽带激光增益介质、 腔内准直透镜、 有 源光相位调制器、 第一可调谐声光滤波器、 第二可调谐声光滤波器、 可调谐法 布里-珀罗滤波器和第二激光腔反射镜安放的位置使得只有经过所述的第一可 调谐声光滤波器和所述的第二可调谐声光滤波器的一级衍射光的光线才能在所 述激光谐振腔内形成激光振荡； 所述可调谐激光器系统从所述第一激光腔反射 镜输出； 所述可调谐法布里-珀罗滤波器由依次连接起来的第一反射镜、 液晶 光相位调制器和第二反射镜依次连接构成， 由所述的第一反射镜和所述的第二 反射镜构成法布里-珀罗腔。
一种可调谐激光器系统， 包括一个输出光束准直透镜和依次安装起来的第 一激光腔反射镜、 激光增益介质、 腔内准直透镜、 有源光相位调制器、 第一可 调谐声光滤波器， 其特征在于： 还包括第二可调谐声光滤波器、 可调谐法布 里-珀罗滤波器、 法布里-珀罗标准具、 第二激光腔反射镜及激光器驱动和控制 系统； 所述腔内准直透镜用于将所述激光增益介质发出的光准直， 并以布拉格 角进入所述第一可调谐声光滤波器； 所述第一可调谐声光滤波器的一级衍射光 以布拉格角进入所述第二可调谐声光滤波器， 消除由第一可调谐声光滤波器衍 射造成的光频率多普勒漂移， 改变所述第二可调谐声光滤波器放置的角度可以 起到压缩衍射光的频谱带宽； 在所述第二可调谐声光滤波器一级衍射光的光轴 方向上设置所述可调谐法布里-珀罗滤波器， 在所述可调谐法布里 -珀罗滤波器 后设置所述第二激光腔反射镜； 由所述的第一激光腔反射镜和所述的第二激光 腔反射镜构成了激光器谐振腔； 所述的第一激光腔反射镜、 宽带激光增益介 质、 腔内准直透镜、 有源光相位调制器、 第一可调谐声光滤波器、 第二可调谐 声光滤波器、 可调谐法布里-珀罗滤波器和第二激光腔反射镜安放的位置使得 只有经过所述的第一可调谐声光滤波器和所述的第二可调谐声光滤波器的一级 衍射光的光线才能在所述激光谐振腔内形成激光振荡； 所述可调谐激光器系统 从所述第一激光腔反射镜输出； 所述可调谐法布里 -珀罗滤波器由依次连接起 来的第一反射镜、 液晶光相位调制器和第二反射镜依次连接构成， 由所述的第 一反射镜和所述的第二反射镜构成法布里-珀罗腔。
而且， 所述可调谐法布里 -珀罗滤波器的透射光的峰值频率的调谐范围大 于或等于其本征自由光谱范围。
而且， 所述第一激光腔反射镜和第二激光腔反射镜均为下列几种反射镜之 一： 平面镜， 凹面镜和凸面镜， 具有部分或 100%的反射率并与所述激光增益介 质具有相同光谱范围； 所述第一激光腔反射镜或者是直接镀在激光增益介质一 个端面上的多层介质膜。
而且， 所述激光增益介质是一种宽带激光增益介质。
而且， 所述有源光相位调制器可以是下列几种类型之一： 电光相位调制 器、 声光相位调制器、 磁光相位调制器或上述几种相位调制器的某种组合。
而且， 所述第一可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设置在所述声光 晶体上的一个电声换能器； 所述第二可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设 置在所述声光晶体上的一个电声换能器。
而且， 所述可调谐法布里 -珀罗滤波器的第一反射镜的外侧通光面设置增 透膜； 所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第一反射镜的内侧通光面设置高反射 率多层介质膜； 所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第二反射镜的内侧通光面高 反射率多层介质膜； 所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第二反射镜的外侧通光 面设置增透膜。
而且， 所述液晶光相位调制器在外加电场的驱动下对某一方向的线偏振 光产生一定的光相位延迟， 并具有与激光增益介质相同的光谱范围。
而且， 所述的激光器驱动和控制系统包括： 一个中央控制系统， 一个激光 泵浦源、 一个有源光相位调制器驱动源、 两个射频信号源和一个可调谐法布 里-珀罗滤波器的驱动源， 来实现对所述激光增益介质、 所述有源光相位调制 器、 所述第一可调谐声光滤波器、 所述第二可调谐声光滤波器和所述可调谐法 布里-珀罗滤波器的驱动控制功能， 并实现光频率调谐和输出光功率的控制。 本发明的优点和积极效果是：
1、 本激光器系统利用液晶对光的相位调制作用和在通光方向尺寸薄 （约 10微米） 的特点， 结合传统的法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 标准具的技术， 设计了可调谐法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 滤波器， 并结合可调谐声光滤波 器， 不仅降低了对可调谐声光滤波器的窄的滤波带宽的要求， 而且实现在宽频 谱范围内的激光频率的快速精密调谐， 保证了大的调谐光谱范围和窄的激光器 输出光谱。
2、 本激光器采用了二个可调谐声光滤波器来消除由单一可调谐声光滤波器 所产生的光频率漂移和压缩由单一可调谐声光滤波器的衍射光频谱宽度， 另 外， 通过改变第二个可调谐声光滤波器的相对角度可以进一步压缩衍射光频谱 宽度使得激光器的输出光谱更加窄和更加稳定， 提高了激光器的性能。
3、 本发明设计合理， 具有无机械移动部件、 性能稳定可靠、 成本低、 尺寸 小、 易于安装及生产等特点， 可满足对于要求尺寸小和极端工作环境下的可靠 运行， 可广泛应用于光学测试、 光纤通讯、 生物、 医疗器械和光纤传感器网络 等领域中。 附图说明
图 1给出了第一个可调谐声光滤波器 100以及入射和衍射光关系示意图； 图 2给出了第二个可调谐声光滤波器 200以及入射和衍射光关系示意图； 图 3给出了可调谐声光滤波器 100的声光晶体中入射光束、 声波场和衍射 光束的波矢关系图；
图 4给出了可调谐声光滤波器 200的声光晶体中入射光束、 声波场和衍射 光束的波矢关系图；
图 5给出了一种具有双可调谐声光滤波器的可调谐声光滤波器 300以及入 射和衍射光关系示意图；
图 6给出了可调谐声光滤波器 300中可调谐声光滤波器 200改变角度的示 意图；
图 7给出了一种普通法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 光标准具的示意图； 图 8给出了一种普通液晶光相位调制器的结构示意图；
图 9给出了液晶光相位调制器在外电场作用下光相位和电场的关系曲线示 意图；
图 10给出了一种包含一个液晶光相位调制器的可调谐法布里 -珀罗滤波器 的示意图；
图 11给出了本发明的一种可调谐激光器系统 500的示意图；
图 12给出了本发明的一种包括一个法布里-珀罗光标准具可调谐激光器系 统的示意图；
图 13给出了一个可调谐声光滤波器的衍射光谱的示意图；
图 14给出了一个法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 标准具的透射光谱示意 图；
图 15给出了一个可调谐法布里 -珀罗滤波器的透射光谱示意图；
图 16给出了可调谐激光器系统 500的输出光谱示意图；
图 17给出了满足 ITU光频率要求的法布里-珀罗标准具的透射光谱示意 图；
图 18给出了包含一个法布里 -珀罗标准具的可调谐激光器系统 600的输出 光谱示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
可调谐声光滤波器
图 1是一种现有的可调谐声光滤波器 100的结构示意图， 该可调谐声光滤 波器包括一个换能器 20和一个声光晶体 30， 射频信号源 10连接到换能器 20， 入射光束 2以布拉格角 ΘΒ入射到声光晶体 30， 产生零级衍射光束 3 和一 级衍射光束 4。
图 3给出了可调谐声光滤波器 100的声光晶体中入射光束、 声波场和衍射 光束的波矢关系图。
声光滤波器的工作原理是基于一种布拉格衍射的现象。 布拉格衍射涉及了 光子 （光能的量子） 和声子 （声能的量子） 的相互作用过程。 在这个互作用的 过程中， 能量和动量都是守恒的。 动量守恒要求 K D = K i + K s， 其中 K d是衍射光子的动量， K i是入射光子的 动量， K S是互作用的声子的动量。 这就给出了布拉格衍射最基本的波矢等式。 它表明了衍射光的波矢是入射光波矢与声波波矢的矢量和，
能量守恒要求 =ω +Ω， 其中 是衍射光的角频率， ω是入射光的角频 率， Ω是声波的角频率。 这表明衍射光子的角频率被声波的角频率轻微改变， 即光线的频率产生了多普勒频移。
根据上面的公式， = ω + Ω， 公式表明光波频率偏移的大小等于声波 的频率， 尽管因为光线频率和声波频率相差很多个数量级， 从而产生的偏移量 很小， 但是在一些激光器系统中还是会引起不稳定的运行。 这个问题的一个解 决办法是使用两个 A0TF, 其中第二个 A0TF用来抵消第一个 A0TF所带来的频率 偏移。 或在同一个声光晶体上使用两个在同一侧的换能器。
图 2给出了一种与可调谐声光滤波器 100相同结构的可调谐声光滤波器 200的示意图。 可调谐声光滤波器 100包括一个换能器 21和一个声光晶体 31， 射频信号源 11连接到换能器 21。 入射光束 4以布拉格角 ΘΒ入射到声光晶 体 31， 产生零级衍射光束 5 和一级衍射光束 6， 图 4给出了可调谐声光滤波器 200的声光晶体中入射光束、 声波场和衍射光束的波矢关系图。
在图 3中， 光线 2 ( κ2), 光线 4 ( κ4) 和声波 40 ( K s) 的关系是： κ2 + K s = κ40 声波 ^不仅仅使得衍射光的方向向上偏移， 光线的角频率 ω 也向 上偏移了 Ω = vs I K s|, 其中 ^是声波的速度。
在图 4中， 光线 4 ( κ5), 光线 6 ( κ8) 和声波 41 ( K s) 的关系是： κ4 - K s = κ60 在这种情况下， 声波使得衍射光的方向向下偏移， 并且将第二次衍 射的光线 6的角频率 ω 也向下偏移了 vs I K s|。 因为向上和向下的偏移量基 本相同， 当光线 6从声光滤波器 200中射出时， 整体频率偏移被充分的消除 了。
图 5给出了由可调谐声光滤波器 100和 200组成的具有频率偏移补偿的双 可调谐声光滤波器 300的结构示意图。 可调谐声光滤波器 200不仅补偿了由可 调谐声光滤波器 100产生的频率偏移， 还对由可调谐声光滤波器 100产生一级 衍射光束 4产生的衍射光谱产生压缩作用。 如果将可调谐声光滤波器 200偏转 一个小角度， 由于可调谐声光滤波器的衍射特性， 衍射光光线 6将会得到进一 步压缩。 图 6给出了可调谐声光滤波器 300中可调谐声光滤波器 200改变角度 的示意图。
声光可调谐滤波器 （A0TF ) 是一种固态的、 可采用电调谐的带通光滤波 器。 与传统的技术相比， A0TF提供了连续、 快速的调节能力和窄的光谱带宽。 声光滤波器有两种类型： 共线型与非共线型。 其中具有高射频频率的非共线型 和非近轴滤波器比较容易实现窄带滤波， 图 13给出了一个声光可调谐滤波器 的衍射光谱示意图， Δ V c是衍射光谱的半宽度， 在这里 A v e定义为衍射光 强度的峰值的频率和衍射光强度为零或接近零的频率的差值。 对于衍射光频谱 为非对称的情况， 衍射光频谱两侧的△ v c不同， 则取衍射光谱的半宽度较大 一侧的值， 一般地， 取决于不同的类型和声光作用的长度等因素， A v e的范 围可以做到从小于 1纳米到十几纳米。
在一些具体实施中， 例如需要窄带调节时， 采用的声光晶体是各向异性并 有双折射特性。 其中一种物质为二氧化碲 （Te02)， 由于其运行在剪切模式时具 有高光学均匀性、 低光吸收度和耐高光功率能力的特点， 广泛使用于这类应用 中。 其他物质例如铌酸锂 （LiNb03 )、 磷化镓 （GaP ) 和钼酸铅 （PbMo04 ) 也经 常用于各种声光器件中。 影响选择特定物质的因素有很多， 下面仅列出几种， 如： 声光器件的类型、 高质量晶体是否容易获得以及应用的类型和需求， 例如 衍射效率功率损耗、 入射光与衍射光的分散度和整体器件的大小等。
法布里 -珀罗 （ Fabry- Perot)光标准具
图 7给出了一种普通的法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 光标准具 44的示意 图。 该法布里-珀罗光标准具 44的材料一般在近红外和可见光波段采用象融石 英或 BK7这样的光学玻璃， 假设材料的折射率为 n， 两个通光面 42 和 43都镀 高反射膜， 假设反射率为 R， 厚度为 h， 光以接近零度的入射角入射， 则光标 准具 44的自由光谱范围 FSI^可以表示为： Δ λ = λ 2/ (2 )，或用频率表示： Δ =c/ (2nh)，其中 c 是光速。 透射光的峰值频率可以表示为： V=mc/ (2nh)，其 中 m是干涉级次， 透射光的频谱带宽可以表示为： Δ v e i ( FWHM) =c (l-R) / (2 π nhR1/2) , 其中 c是光速。
从上述两个公式可以看出， 光标准具 44的自由光谱范围 FSI^ 与厚度为 h 成反比。 假设材料的折射率为 n=l. 5， 要实现 FSR^lOOGHz , 厚度 h l毫米。 FSI^要求越大， 厚度就越小。 在标准具的材料和厚度确定后， 透射光的频谱带 宽主要和反射率 R有关， 反射率越高， 频谱带宽或锐度 （finesse ) 越小。 法 布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 光标准具的透射光谱的特点是每个透射谱的带宽 非常窄， 输出光谱的频率间隔相等并且光频带宽度非常宽， 图 14给出了一个 法布里 -珀罗 （ Fabry-Perot ) 标准具的透射光谱示意图。
一般情况下， 对于光纤通讯用的激光器， 要求有很窄的输出频谱带宽， 也 相应地要求采用高锐度系数的标准具。
液晶光相位调制器
一般用作光电器件的液晶材料具有高的电阻率。 因此， 可以被认为是理想 的电介质材料。 由于构成分子的有序的取向和拉伸延长的形态， 液晶具有各向 异性的电介质特性和单轴对称性， 就象一个单轴晶体一样， 其光轴的方向与分 子的排列取向一致。 当液晶分子在外界电场的作用下， 会形成电偶极子。 在电 偶极子所形成的力矩作用下， 使得液晶分子的取向转向电场的方向， 可以通过 改变电场的强弱， 改变液晶的光轴的方向， 从而改变对某一特定方向入射的线 偏振光的相位。 因此， 可以利用液晶的这一特性， 制作光相位调制器， 可调谐 滤波器， 或其他光电器件， 如光开关和光强调制器等。 图 8给出了一种液晶光 相位调制器 24的示意图。 液晶光相位调制器 24包括依次安装起来的透明材料 薄片 60、 液晶 23、 透明材料薄片 64， 在透明材料薄片 60的内表面 62上镀电 极和隔离层， 在透明材料薄片 64的内表面 66上镀电极和隔离层， 驱动源 22 连接到两个电极上。 一般用作相位调制器件的液晶的厚度约为几微米至十几微 米。 图 9显示的是一个液晶光相位调制器 24在 ΙΟΚΗζ方波电压的驱动下， 对 光波长为 1550纳米的光波相位变化的关系， 最大可实现约 2π的光相位延迟。
可调谐法布里 -珀罗滤波器
图 10给出了一种包含一个液晶光相位调制器的可调谐法布里 -珀罗滤波器
400的示意图。 可调谐法布里 -珀罗滤波器 400包括反射镜 16和 26以及放置 在反射镜 16和 26之间的液晶光相位调制器 24， 在反射镜 16和 26的外表面 18和 29上镀增透膜， 在内表面 21和 28上镀反射率为 R的高反射多层电介质 膜层， 在并由该两高反射膜层形成法布里 -珀罗 （Fabry-Perot ) 腔。 由于液晶 的厚度很小 （约几微米至十几微米）， 因此， 可以制作本征自由光谱范围 （在 无外加电场时， 滤波器的自由光谱范围） 较大的法布里-珀罗滤波器。 利用电 场改变法布里 -珀罗 （Fabry-Perot ) 腔内液晶的有效折射率， 来调节法布里- 珀罗滤波器的透射光的光频率 V和自由光谱范围 （FSR)。
如图 10所示， 入射到可调谐法布里 -珀罗滤波器 400的光束 15是一束沿 z 方向传播， 偏振轴为 X 方向的线偏振光， 假设法布里-珀罗腔的长度为 D， 腔内材料的折射率为 n， 则滤波器 400的自由光谱范围 FSR2、 透射光频率和透 射光的频谱带宽可分别表示为：
Δ λ = λ 2/ (2ηϋ+ Γ )，或用频率表示： Δ V =c/ (2nD+ r )，其中 c 是光速， Γ 代表由液晶光相位调制器 24在外加电场作用下对入射光所产生的附加光程； 透射光的峰值频率可以表示为： V=mc/ (2nD+ r )，其中 m是干涉级次； 透射光的 频谱带宽 （FW匪） 可以表示为： Δ V t i=c (l-R) / ( (2nD+ Ji r ) R1/2)， 其中 c 是 光速。 图 15给出了可调谐法布里 -珀罗滤波器 400的透射光谱示意图。
根据上述公式和实验证明， 可调谐法布里 -珀罗滤波器 400对于接近零度入 射的线偏振光可以实现大于本征自由光谱范围 FSR2的透射光频率的调谐范围， 精度可达小于 lGHz。 相比较而言， 对自由光谱范围 FSR2和透射光的频带宽带 A v ti的改变要小的多， 因此， 可调谐法布里 -珀罗滤波器 400 在外加电场的 作用下， 可以实现的透射光峰值频率的调谐范围大于其本征自由光谱范围， 而 基本不改变透射光的频谱带宽和自由光谱范围。 这个特性对于将可调谐法布 里 -珀罗滤波器 400在本发明中的应用具有重要意义。
通常情况下， 液晶光相位调制器 24的构成是将液晶材料放置在两片透明光 学材料构成的腔中， 因此， 所述两片透明光学材料 60和 64的厚度直接影响可 调谐法布里 -珀罗滤波器 400的法布里-珀罗腔的长度 D， 也就影响所能实现的 自由光谱范围， 自由光谱范围越大， 要求法布里-珀罗腔的长度越短， 也就要 求两片透明光学材料 60和 64的厚度越小。 假设上述两片透明光学材料的厚度 为 0. 5毫米， 折射率为 1. 5， 液晶的厚度为 10微米， 可调谐法布里-珀罗滤波 器 400能够实现的最大本征自由光谱范围约为 100GHz。 要实现更大的自由光谱 范围， 需要降低上述两片透明光学材料 60和 64的厚度， 这为制作液晶光相位 调制器 24带来了困难。 为了克服这个制作困难， 一个方法是在两片透明光学 材料 60和 64的其中一片的内表面镀高反射膜， 在该高反射膜与反射镜 16或 26的高反射膜构成可调谐法布里 -珀罗滤波器 400的法布里-珀罗腔， 这样可以 大大缩短法布里-珀罗腔的长度， 增加自由光谱范围。 例如： 透明光学材料 60 的内表面可以先设置反射率为 R的高反膜层， 再设置电极和隔离层等， 则该高 反膜层与反射镜 26上的高反膜构成法布里-珀罗腔， 从而， 不仅可以省去反射 镜 16， 而且可以大大缩短法布里-珀罗腔的长度。 同样的方法， 也可以在透明 光学材料 64的内表面设置一个高反膜， 使其与透明光学材料 60的内表面的高 反膜形成法布里-珀罗腔， 由于液晶层的厚度非常薄， 这种结构可以实现非常 大的自由光谱范围的可调谐法布里-珀罗滤波器， 但使用这种方法， 实际制作 难度很大。
另外， 在制作可调谐法布里 -珀罗滤波器 400时， 由于需要将液晶光相位 调制器 24放置在由反射镜 16和 26构成的法布里 -珀罗腔内， 为制作可调谐法 布里 -珀罗滤波器 400， 带来一定的难度， 特别是要求高锐度系数的情况， 由于 透过反射镜 16和 26的光强比较弱， 制作这样的滤波器难度更大。 因此， 降 低可调谐法布里 -珀罗滤波器 400的锐度系数， 可以降低其制作难度。
下面对本发明的一种可调谐激光器系统的结构进行详细说明。
图 1 1给出了本发明的一种可调谐激光器系统 500的结构示意图。 在该激 光器中， 激光腔反射镜 45和 51组成激光器的谐振腔， 由激光增益介质 47发 出的宽带荧光光束 48经腔内准直透镜 49准直后的光束 2透过有源光相位调制 器 7后， 以布拉格角 ΘΒ进入可调谐声光滤波器 100的声光晶体 30， 其一级衍射 光 4以布拉格角进入可调谐声光滤波器 200的声光晶体 3 1， 其一级衍射光 6经 过可调谐法布里 -珀罗滤波器 400后， 由激光腔反射镜 51反射后在上述激光腔 内形成激光振荡和放大并从激光腔反射镜 45输出激光光束 53。 如果激光激光 增益介质 47是半导体材料， 输出光束 53通常是一种发散光束， 可由腔外准直 透镜 54准直。 在激光谐振过程中， 由可调谐声光滤波器 100和 200产生了其 他零级衍射光束 5、 55和 56， 以及一级衍射光束 57作为激光腔内损耗泄漏出 激光腔外； 光束 5、 55、 56和 57 可用于监控激光腔内的光功率和频率等， 可 以避免在激光腔内或输出光路上插入其他分光器件去实现这样的功能， 也可作 为激光器 500的输出光束用于其他用途。 激光腔反射镜通常对不同波长或颜色光的反射率不同， 这里提到的反射率 是与激光器运行的频谱带宽相对应的反射率。 一般， 激光腔反射镜 45作为激 光器 500的输出镜， 采用部分反射镜 （反射率小于 100%)， 其反射率的大小可 以根据激光腔的损耗或增益大小等因素来调整， 激光腔反射镜 51采用全反镜 ( 100%反射率）。 激光腔反射镜 45和 51可以采用平面镜， 凸面镜或凹面镜。
如果激光增益介质是半导体增益介质时， 通常可直接在半导体增益介质的 一个输出表面直接镀反射膜形成激光腔反射镜 45， 因为半导体增益介质一般都 有比较大的输出分散角， 因此， 腔内准直透镜 49一般是针对激光增益介质是 半导体增益介质时使用。 当激光增益介质是气体， 液体或有些固体介质时， 一 般可以不用腔内准直透镜， 而是采用非平面腔镜以实现腔内光束的合理分布。
正如上面的分析， 声光可调谐滤波器 200起到了对声光可调谐滤波器 100 的一级衍射光 4产生的多普勒频率偏移的补偿作用， 因此， 激光器 500的输出 光频率不受声光可调谐滤波器 100和 200的声光调制频率的影响。
射频信号源 10与换能器 20相连接， 作为可调谐声光滤波器 100的驱动源， 提 供射频能量并通过改变射频频率来调节激光谐振腔的振荡光频率； 射频信号源 11与换能器 21相连接， 作为可调谐声光滤波器 200的驱动源， 提供射频能量 并通过改变射频频率来调节激光谐振腔的谐振频率。 根据激光腔内不同的谐振 频率， 有源光相位调制器 7通过调节腔内光束的相位使得某一个特定频率的光 在激光腔内产生激光振荡和放大。 可调谐声光滤波器 100和 200也可以用同一 射频信号源驱动。 正如前面分析的， 如果将可调谐声光滤波器 200偏转一个小 角度， 由于可调谐声光滤波器的衍射特性， 衍射光线 6的频谱宽度将会得到进 一步压缩， 从而， 压缩激光器 500的腔内谐振光束的频谱宽度。
在可调谐法布里 -珀罗滤波器 400无外加电场作用时， 这时的滤波器 400相 当于一个法布里-珀罗标准具， 可调谐激光器 500输出的光频率受滤波器 400 的本征透射光谱的限制， 即可调谐激光器 500的输出只能调谐在可调谐法布 里 -珀罗滤波器 400的本征透射光谱的透射光谱上。 通过调节驱动可调谐法布 里 -珀罗滤波器 400的外加电场， 可以精密调谐滤波器 400的透射光谱和可调 谐激光器 500的输出光谱。 当可调谐法布里 -珀罗滤波器 400的调谐范围大于 或等于其自由光谱范围时， 可调谐激光器 500可以实现连续和精密调谐输出。 为了提高可调谐激光器 500的可调谐单模输出的稳定性， 应使得可调谐法 布里 -珀罗滤波器 400的自由光谱范围大于可调谐激光器 500的本征谐振光谱 的宽度 （FWHM ) Δ V L。 Δ V L 定义为可调谐激光器 500在没有可调谐法布里- 珀罗滤波器 400时的激光谐振光谱的宽度 （FWHM ) , 该激光谐振光谱宽度 Δ V L 受衍射光谱的半宽度 Δ v c的限制， A v e越小， A v L越小。 由于可调谐法布 里 -珀罗滤波器 400在调谐过程中， 基本不改变自由光谱范围， 使得在可调谐 激光器 500的调谐过程中， 能够继续维持稳定单模运行。 同时， 可调谐法布 里 -珀罗滤波器 400也决定了激光器输出光的频谱宽度。 采用高锐度系数的法 布里-珀罗滤波器能起到压缩输出光束的频谱带宽和提高边模抑制比。 由于调 谐过程对法布里 -珀罗滤波器 400的透射光谱的带宽影响可以忽略， 因此， 可 调谐激光器 500在调谐过程中， 输出光谱的带宽可以做到基本一致。 由于有源 光相位调制器 7、 可调谐声光滤波器 100和 200和可调谐法布里 -珀罗滤波器 400均具有很宽的光频谱范围， 因此， 可调谐激光器 500能够实现在宽频谱范 围内的精密连续可调谐。 图 16给出了可调谐激光器系统 500的输出光谱示意 图。
对于可调谐激光器 500在光纤通讯的应用， 如 100GHz的 DWDM系统中， 要 求可调谐激光器 500的输出满足 ITU (国际通讯标准） 100GHz 的光频率要求 ( ITU Grid ) , 因此， 也就要求可调谐法布里 -珀罗滤波器 400的透射光谱满足 国际电讯联盟 （ITU ) 标准。 如前面的分析， 在这样的应用中， 假设可调谐激 光器 500的本征谐振光谱的宽度 Δ V L小于或等于 200GHz , 因此， 如果可调谐 法布里 -珀罗滤波器 400的本征自由光谱范围设置为 250GHz时， 就满足上面提 到的对激光器 500输出稳定性的要求， 则法布里-珀罗腔的长度 D约等于 0. 4 毫米， 真如前面分析的， 这是可能做到的。 在有外加电场作用时， 可调谐法布 里 -珀罗滤波器 400可以实现大于 250GHz的透射光的频谱的精密频率调谐， 因 此， 可实现在两个 100GHz ITU grid 光频率的之间的精密和连续调谐。 一般可 以做到间隔小于 1GHz的光频率精密调谐。 同样， 对于如 25GHz或 50GHz的光 纤通讯应用， 可调谐激光器 500同样也可以满足要求。 目前， 在光纤通讯中， 常用的 C频率带 （约 1530纳米 -1570纳米） 或 L频率带 （约 1570纳米 -1610 纳米） 的光频谱带宽约为 40纳米， 可调谐激光器 500完全可以实现在 C频率 带和 /或 L频率带范围内的精密调谐。 由于在 50GHz或 100GHz DWDM的光纤通 讯的应用中往往只要求可调谐激光器 500的输出满足 ITU 100GHz 的光频率要 求， 并不需要连续调谐， 因此， 可以采用另一种可调谐激光器系统 600结构来 满足这种要求。
图 12给出了本发明的一种可调谐激光器系统 600的结构示意图。
可调谐激光器系统 600是在可调谐激光器系统 500中增加了一个法布里-珀 罗标准具 52， 该标准具 52的透射光谱满足光纤通讯 ITU 的要求， 因此可调谐 激光器系统 600输出只能调谐到 ITU的频率 （Grid ) 上。 图 17给出了激光腔 内法布里 -珀罗标准具 52的透射光谱示意图。 图 18给出了包含一个法布里-珀 罗标准具可调谐激光器系统 600的输出光谱示意图。 假设法布里 -珀罗标准具
52的锐度系数大于可调谐法布里 -珀罗滤波器 400的锐度系数， 可调谐激光器 系统 600的输出光谱的带宽 Δ V p2取决于法布里 -珀罗标准具 52的透射光谱带 宽 Δ v e3， Δ v e3越小， 则 Δ v P2越小。 由于法布里 -珀罗标准具 52比可调谐 法布里 -珀罗滤波器 400更容易做到高的锐度系数， 因此， 这样的好处是： 1. 可以易于压缩可调谐激光器系统 600输出光的光谱宽度， 2.可以降低可调谐法 布里 -珀罗滤波器 400的锐度系数， 使得其更容易制作。
可调谐激光器系统 500和 600驱动和控制系统包括： 一个中央控制系统、 一个激光泵浦源、 一个有源光相位调制器驱动源、 两个射频信号源、 一个可调 谐法布里-珀罗滤波器的驱动源， 实现对激光增益介质、 有源光相位调制器、 第一可调谐声光滤波器、 第二可调谐声光滤波器和可调谐法布里 -珀罗滤波器 的驱动控制功能， 并实现光频率调谐和输出光功率的控制。
需要强调的是， 上述说明仅起演示和描述的作用， 并不是一个详细无遗漏的说 明， 也没有意图将本发明限制在所描述的具体形式上。 经过上面的描述， 对本 发明的许多改动和变化都可能出现。 所选择的具体实施仅仅是为了更好的解释 本发明的原理和实际中的应用。 这个说明能够使熟悉此领域的人可以更好的利 用本发明， 根据实际需要设计不同的具体实施和进行相应的改动。

Claims

权利要求书
1、 一种可调谐激光器系统， 包括一个输出光束准直透镜和依次 安装起来的第一激光腔反射镜、激光增益介质、腔内准直透镜、 有源 光相位调制器、 第一可调谐声光滤波器， 其特征在于： 还包括第二可 调谐声光滤波器、 可调谐法布里-珀罗滤波器、 第二激光腔反射镜及 激光器驱动和控制系统；所述腔内准直透镜用于将所述激光增益介质 发出的光准直， 并以布拉格角进入所述第一可调谐声光滤波器； 所述 第一可调谐声光滤波器的一级衍射光以布拉格角进入所述第二可调 谐声光滤波器，消除由第一可调谐声光滤波器衍射造成的光频率多普 勒漂移，改变所述第二可调谐声光滤波器放置的角度可以起到压缩衍 射光的频谱带宽；在所述第二可调谐声光滤波器一级衍射光的光轴方 向上设置所述可调谐法布里-珀罗滤波器，在所述可调谐法布里 -珀罗 滤波器后设置所述第二激光腔反射镜；由所述的第一激光腔反射镜和 所述的第二激光腔反射镜构成了激光器谐振腔；所述的第一激光腔反 射镜、 宽带激光增益介质、 腔内准直透镜、 有源光相位调制器、 第一 可调谐声光滤波器、 第二可调谐声光滤波器、 可调谐法布里-珀罗滤 波器和第二激光腔反射镜安放的位置使得只有经过所述的第一可调 谐声光滤波器和所述的第二可调谐声光滤波器的一级衍射光的光线 才能在所述激光谐振腔内形成激光振荡；所述可调谐激光器系统从所 述第一激光腔反射镜输出； 所述可调谐法布里-珀罗滤波器由依次连 接起来的第一反射镜、 液晶光相位调制器和第二反射镜依次连接构 成， 由所述的第一反射镜和所述的第二反射镜构成法布里-珀罗腔。
2、 一种可调谐激光器系统， 包括一个输出光束准直透镜和依次 安装起来的第一激光腔反射镜、激光增益介质、腔内准直透镜、 有源 光相位调制器、 第一可调谐声光滤波器， 其特征在于： 还包括第二可 调谐声光滤波器、 可调谐法布里-珀罗滤波器、 法布里-珀罗标准具、 第二激光腔反射镜及激光器驱动和控制系统；所述腔内准直透镜用于 将所述激光增益介质发出的光准直，并以布拉格角进入所述第一可调 谐声光滤波器；所述第一可调谐声光滤波器的一级衍射光以布拉格角 进入所述第二可调谐声光滤波器，消除由第一可调谐声光滤波器衍射 造成的光频率多普勒漂移，改变所述第二可调谐声光滤波器放置的角 度可以起到压缩衍射光的频谱带宽；在所述第二可调谐声光滤波器一 级衍射光的光轴方向上设置所述可调谐法布里-珀罗滤波器， 在所述 可调谐法布里-珀罗滤波器后设置所述第二激光腔反射镜； 由所述的 第一激光腔反射镜和所述的第二激光腔反射镜构成了激光器谐振腔； 所述的第一激光腔反射镜、 宽带激光增益介质、腔内准直透镜、 有源 光相位调制器、 第一可调谐声光滤波器、 第二可调谐声光滤波器、可 调谐法布里-珀罗滤波器和第二激光腔反射镜安放的位置使得只有经 过所述的第一可调谐声光滤波器和所述的第二可调谐声光滤波器的 一级衍射光的光线才能在所述激光谐振腔内形成激光振荡；所述可调 谐激光器系统从所述第一激光腔反射镜输出； 所述可调谐法布里-珀 罗滤波器由依次连接起来的第一反射镜、液晶光相位调制器和第二反 射镜依次连接构成，由所述的第一反射镜和所述的第二反射镜构成法 布里-珀罗腔。
3、根据权利要求 1和 2所述的一种可调谐激光器系统， 其特征在 于： 所述可调谐法布里-珀罗滤波器的透射光的峰值频率的调谐范围 大于或等于其本征自由光谱范围。
4、根据权利要求 1和 2所述的一种可调谐激光器系统， 其特征在 于：所述第一激光腔反射镜和第二激光腔反射镜均为下列几种反射镜 之一： 平面镜， 凹面镜和凸面镜， 具有部分或 100%的反射率并与所 述激光增益介质具有相同光谱范围；所述第一激光腔反射镜或者是直 接镀在激光增益介质一个端面上的多层介质膜。
5、 根据权利要求 1和 2所述的一种可调谐激光器系统， 其特征 在于： 所述激光增益介质是一种宽带激光增益介质。
6、 根据权利要求 1和 2所述的一种可调谐激光器系统， 其特征 在于： 所述有源光相位调制器可以是下列几种类型之一： 电光相位调 制器、声光相位调制器、磁光相位调制器或上述几种相位调制器的某 种组合。
7、 根据权利要求 1和 2所述的一种可调谐激光器系统， 其特征 在于：所述第一可调谐声光滤波器包括一块声光晶体和设置在所述声 光晶体上的一个电声换能器；所述第二可调谐声光滤波器包括一块声 光晶体和设置在所述声光晶体上的一个电声换能器。
8、 根据权利要求 1和 2所述的一种可调谐激光器系统， 其特征 在于：
所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第一反射镜的外侧通光面设置增透 膜； 所述可调谐法布里-珀罗滤波器的第一反射镜的内侧通光面设置 高反射率多层介质膜； 所述可调谐法布里 -珀罗滤波器的第二反射镜 的内侧通光面高反射率多层介质膜； 所述可调谐法布里 -珀罗滤波器 的第二反射镜的外侧通光面设置增透膜。
9、 根据权利要求 1和 2所述的一种可调谐激光器系统， 其特征 在于：所述液晶光相位调制器在外加电场的驱动下对某一方向的线偏 振光产生一定的光相位延迟， 并具有与激光增益介质相同的光谱范 围。
10、 根据权利要求 1至 9任一项所述的一种可调谐激光器系统， 其特征在于：所述的激光器驱动和控制系统包括：一个中央控制系统， 一个激光泵浦源、一个有源光相位调制器驱动源、两个射频信号源和 一个可调谐法布里-珀罗滤波器的驱动源， 来实现对所述激光增益介 质、 所述有源光相位调制器、 所述第一可调谐声光滤波器、 所述第二 可调谐声光滤波器和所述可调谐法布里 -珀罗滤波器的驱动控制功 能， 并实现光频率调谐和输出光功率的控制。
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