可对激光波长与腔光路径长度进行不相关调谐的外腔激光器装置

摘要

本发明公开了一种外腔激光器装置和方法，其中，波长或信道选择是独立于外腔光路径长度的调节而进行的。所述装置包括波长或信道选择器调谐器和外腔调谐器，其中波长调谐器独立于外腔调谐器。将波长选择和将光路径长度的调谐机构构造为相对于彼此独立地或不相关地操作。波长调谐器可以根据第一信号——信道选择信号来操作，而外腔调谐器根据第二信号——外腔调节信号来操作。波长调谐器和外腔调谐器可以在同一控制器或分开的控制器的控制下操作。可以从控制器所访问的调节参数数据查找表获得信道选择信号，并且可以从来自检测器的误差信号获得外腔调节信号，将所述检测器构造为测量外腔损耗。

说明书

背景技术

在光纤远程通信中一直有增加带宽的需求。一种实现了带宽扩充的途径是通过密集波分复用(DWDM)，其中，在单一光纤中同时存在多个分开的数据流，同时每个数据流的调制发生在不同的信道上。将每个数据流调制到操作在特定信道波长的相应半导体发送激光器的输出光束上，并将来自半导体激光器的调制输出结合到单一光纤上，以在其各自的信道上发送。国际电信联盟(ITU)现在要求信道分离约0.4纳米，或者大约50GHz。此信道分离在当前可用的光纤和光纤放大器的带宽范围之内，允许单一光纤承载多达128条信道。将来，光纤技术的进步和对更高带宽的一直增长的需求可能会导致更小的信道分离。

向着更高带宽的驱动力导致了对精密特定波长DWDM设备的使用，所述精密特定波长DWDM器件要求根据狭小的发送信道间隔仔细地调节和校准。已经开发出连续可调谐激光器，以在这些复杂设备的测试和测量中起辅助作用。这种可调谐激光器一般使用调谐元件，例如外腔内的枢轴可调节光栅，以在可用于精密WDM组件特性的激光器输出中产生可调节的波长范围。

随着这种可调谐激光器而出现的一个问题是“模式跳跃”(mode-hopping)，其中，激光器不连续地将频率改变到不同的纵向模式(longitudinal mode)。当用作远程通信发送器时，这些模式跳跃将会在调制的数据流中造成发送误差。一种用于设计可调谐激光器的方法是使用具有间隔细微的模式的较长腔，并以“类似连续”的方式调谐激光器，在间隔细微的模式之间进行模式跳跃。当改变操作波长时发生模式跳跃的事实是此设计所固有的。模式本身是不受控的，因而无法在模式跳跃的时间段内精确地调谐操作波长。

另一种可调谐激光器的方法是“无模式跳跃”调谐，其中，腔长度与波长调谐机制同步地改变，以在调谐期间保持激光器操作在相同的纵向模式。此方法具有避免模式跳跃问题的潜在能力并可以调谐到所有波长，但同步调节的约束使得此设计难以实现。

最近，对可重构(re-configurable)光网络体系结构使用的增加导致了使用可调谐外腔激光器作为光通信发送器。已将用于远程通信的可调谐外腔激光器以总体上与用于测试和测量目的的可调谐激光器相同的方式进行构造，同时将光栅的调谐耦合到外腔的调谐上，以提供激光器波长输出的无模式跳跃调谐。

但是已经证明，这种无模式跳跃调谐对于高带宽DWDM系统所要求的间隔狭小的发送频带的调谐来说不是最优的。无模式跳跃调谐常常难以实现，而且在很多情况下，为了提供用于调谐光栅和光腔长度的特定旋转/平移关系，无模式跳跃调谐涉及费时的对特定或“奇妙”(magic)枢轴点的定位。

更具体而言，无模式跳跃调谐的设计目的是将波长选择滤波器与腔的有效腔长度的改变相耦合，所述波长选择滤波器从激光器的许多可能的纵向模式中选择一个，所述有效腔长度决定了纵向模式的波长，从而决定了确切的操作波长。当腔长度与波长滤波之间的耦合不精确时，沿着调谐曲线仍可能发生模式跳跃，虽然在比没有耦合时更少的点发生。更具体而言，波长滤波器到腔模式的耦合阻止了下述调节，即调节波长滤波器而不将此改变直接耦合到腔长度和操作波长。尽管无模式跳跃调谐体系结构对于测试和测量激光器可能是好的设计选择，但是它对于可调谐DWDM发送源不一定是最优的设计选择。

调谐时，DWDM发送器必须中止在初始操作波长的发射，然后重新开始在精确限定的第二波长的发射。一般而言，在任何其它波长的发射都不能发送到系统中，因为这可能导致被调谐信道和其它发送信道之间的串扰(crosstalk)。一种调谐方法是将激光器直接模式跳跃到目标波长。在调谐期间将激光器低功耗(power down)、关闭、滤波或以其它方式保证避免其它波长的情况下进行调谐是更实用的，其中，可以在系统级或在源处采取这些预防措施。利用这些预防措施，激光器在信道之间调谐期间的精确模式跳跃行为就不重要了。重要的是精确地实现目标波长。必须精确控制有效腔长度，其决定了确切的操作波长。只有在调谐和向系统中的发送开始之后，才必须避免导致源的幅度和频率改变的模式跳跃。

在一些DWDM系统中，在操作期间调节信道频率，以在可接受的位(bit)错误率将系统容量最大化。远程通信源必须在大温度范围上操作，一般是-5℃到70℃，因此必须抵消此温度对有效腔长度、滤波器特性和激光器的总体状态所具有的影响。热补偿和精细频率控制的操作特性是类似的，并导致要求远程通信发送器具有对腔长度和波长滤波元件的精确控制。由于这些设计考虑，无模式跳跃调谐方法在DWDM源应用中并未赋予与其在测试和测量应用中相同的优点。需要一种用于DWDM应用的可调谐激光源，其具有对波长滤波元件和腔长度的独立精细控制，但在粗糙调谐时不限于避免模式跳跃行为。

发明内容

本发明提供了一种外腔激光器系统和方法，其中，波长或信道选择是独立于外腔光路径长度的调节而进行的。用通用的术语来说，本发明是一种包括波长或信道选择器调谐器和外腔调谐器的外腔激光器装置，其中波长调谐器未耦合于或独立于外腔调谐器，或者其中使这种耦合最小化。换言之，将波长选择和腔光路径长度的调谐机构构造为相对于彼此不相关地操作，以使得对调谐滤波器波长通带的调谐对有效腔长度具有最小影响，而且对有效腔长度的调谐对调谐滤波器的通带具有最小影响。

在一些实施例中，独立地并且不相关地对调谐滤波器和腔路径长度进行调谐，以使得第一调谐器在对腔路径长度影响最小的情况下影响调谐滤波器的通带，而第二调谐器在对调谐滤波器的通道具有最小影响的同时影响腔路径长度。在其它实施例中，调谐机构可以既影响通带又影响腔路径长度，但对调谐机构进行协调，以使得纯粹的影响基本上是对通带的调节或者基本上是对腔路径长度的调节。

更具体而言，第一调谐器可以既影响调谐滤波器的通带又影响腔路径长度，而第二调谐器可以影响通带和腔路径长度中的一个或两个，但是是以不同或非完全相同的方式来影响的。则存在两个调谐器的一种协调调谐，其在对腔长度影响最小的情况下调节调谐滤波器的通带，还存在第二种协调调谐，在对通带影响最小的情况下调节腔长度。这两种协调调谐是“不相关”(orthogonal)的。

通带位置可以根据第一信号——信道选择信号来操作，而腔长度调谐器根据第二信号——腔模式调节信号来操作。信道选择信号可以从控制器所访问的调节参数数据查找表获得，或者从来自检测器的误差信号获得。腔模式调节信号可以从存储在查找表中的调节参数获得，或者作为来自检测器的误差信号获得。所述检测器可以包括电压检测器，该电压检测器被定位并构造为测量与外腔相关联的增益区域两端的电压。在其它实施例中，检测器可以包括光检测器，该光检测器被定位为接收来自外腔的输出。

在某些实施例中，本发明的外腔激光器包括增益介质，该增益介质包括第一和第二输出平面，并从第一输出平面沿着光路径发射相干光。末端镜位于光路径中，并且末端镜和第二输出平面限定了激光器的外腔。可以将来自第二输出平面的输出耦合到光纤中。信道选择器位于第二输出平面和末端镜之间的光路径中。信道选择器影响腔内滤波的通带，而信道选择器可操作地耦合到调谐机构。

信道选择器可以包括具有平行反射表面的标准具，所述反射表面由间隔层分开。调谐机制通过改变间隔层的光路径长度而对标准具进行操作。对于空气或液体间隔的标准具，调谐机制可以包括压电、热、压力和微机械机构。对于用诸如铌酸锂或液晶之类的电光材料填充的标准具，调谐机构可以包括所施加的电场。对于固体标准具，调谐机构可以是热或机械的。信道选择器可以包括楔形标准具，可以通过对楔形标准具的宏观位置调节来调谐，所述的位置调节改变了下述位置，在该位置处，腔内光束通过滤波器到达新位置，其中，间隔层在宏观上更厚或更薄，因此峰透射的波长分别更长或更短。

在其它实施例中，信道选择器可以包括表面光栅，该表面光栅决定了将从增益区域而来的哪些波长有效地折射回增益区域中。滤波器的形状一般由具有最大耦合效率的波长围绕以具有高耦合效率的波长通带而组成。可以通过调节光束到达光栅的角度来调谐通带的波长。如果旋转的中心是在光束中心与光栅相交的位置，则可以在对激光器腔的有效路径长度改变最小的情况下调节通带。将光栅平移改变激光器腔的有效路径长度，改变的量与沿着光束路径的平移分量成比例。假设平移时发生的旋转最小，则平移将会对通带具有最小影响。

光栅可以由连接到光栅上的两点的两个机械致动器来致动，所述机械致动器例如是微机械致动器或压电致动器。利用此致动器的设置，每个致动器都会既影响光栅的平移状态又影响其旋转状态。两个致动器的影响可以通过对其致动的协调来变得不相关。存在两个致动器的第一成比例致动，其纯粹影响光栅的旋转；还存在第二成比例致动，其纯粹影响光栅的平移。第一致动——纯旋转致动改变滤波的通带而对腔的光路径长度影响最小，而第二致动——纯平移致动改变腔长度而对通带影响最小。按此方式，耦合到光栅上的两个致动器给予了对光栅的通带和有效腔长度的不相关或独立调节。致动器的类型和定位可以取决于本发明的具体应用而改变。

在某些实施例中，可以用一个旋转致动器和一个平移致动器来代替两个平移致动器。旋转致动器可以对镜子或回射(retroreflection)组件进行操作，以实现光束和光栅之间的角度改变，所述镜子或回射组件对腔内光束而非光栅进行操作。同样，可以用液晶或其它电光光束控制设备来代替旋转的镜子。还可以通过使透镜位于光束中，并在透镜的聚焦平面上定位空间光调制器来实现旋转，其中将每个角度映射到唯一的空间位置。在激光器腔中也可以使用液晶空间光调制器、微机械“数字微镜(micromirror)设备”和微机械光栅光阀。

在某些实施例中，外腔调谐器可以包括腔长度致动器，该腔长度致动器包括热电设备，该热电设备被构造为将热量驱动到末端镜所连接到的热激活膨胀构件中。或者，外腔调谐器可以包括被构造为驱动末端镜位置的机械或微机械组件，或者与外腔相关联的电光元件，可以对所述电光元件进行操作，以通过对该电光元件施加电压而改变外腔的有效光路径长度。

在根据本发明的外腔激光器的操作期间，对信道选择器进行调谐提供了独立于或基本未耦合于对外腔光路径长度的调谐的波长强度滤波。光路径长度决定了确切的操作波长，在要求高度的波长精确性和稳定性的激光器操作中，必须仔细地控制光路径长度。信道选择器担当可调谐强度滤波器，并通过选择以高强度发激光的激光器模式而粗糙地决定了波长。对波长强度滤波与光路径长度的独立或不相关化防止了在其它情况下可能由于颤动、热起伏、组件磨损和影响信道选择器的其它因素而产生的波长改变。

附图说明

图1是使用独立波长调谐和外腔调谐的具有楔形标准具信道选择器的外腔激光器装置的示意图；

图2A、2B和2C图示了图1的外腔激光器对于一个波长栅格中的一个所选信道，楔形标准具、栅格标准具和外腔的通带特性；

图3A、3B和3C图示了对于图1的外腔激光器的调谐，一个波长栅格中多个信道的增益响应；

图4图示了本发明的外腔激光器装置的波长调谐外形，用栅格生成器所限定的波长栅格示出；

图5是具有使用独立波长调谐和外腔调谐的光栅信道选择器的外腔激光器装置；

图6是具有电光波长调谐器和电光外腔调谐器的外腔激光器装置。

具体实施方式

更具体地参照附图，为说明性目的而将本发明包含在图1至图6中所示的装置和方法中。应该意识到，所述装置在构造和部件的细节方面可能变化，而且所述方法在细节和事件的顺序方面可能变化，而不脱离此处所公开的基本概念。本发明是主要根据在外腔激光器上的使用而公开的。但是，本发明也可以用在其它类型的激光器和光系统上，这一点对于本领域技术人员来说是很明显的。还应该理解，此处所使用的术语仅是为了描述具体实施例的目的，而非意在进行限制。

稳态激光器操作的根本基础物理原理是，腔内的光波的电场在腔中经过往返之后自我再生。即使对激光的调制比光完成在腔内的往返所耗时间更慢，此条件也适用。电场是个复数量，可以用两个实数量，例如幅度和相位来指明电场。用实数量幅度和相位来表达，往返一致性条件变为两个条件。在腔中经历往返之后，光波的幅度自我再生，同样，光波的相位自我再生。

本发明提供了一种激光器装置，其可以在最小地影响光波往返相位的同时影响光波往返幅度滤波，并在最小地影响光波往返幅度滤波的同时影响往返相位。仅当以2π为模的相位是零时，往返相位可以自我复制。净往返相位为零的波长称为激光器模式，激光器仅会在这些波长进行操作。

往返相位根本上是由往返光路径长度除以光束的波长来决定的，但也受到不变地与幅度滤波相关联的小相移以及来自末端镜以外的光表面的散射光的微小影响。腔的光路径长度一般意指在发激光波长的总往返相位。如果光路径长度的改变除以初始光路径小于通带波长的改变的一半除以初始波长，则腔内幅度滤波的改变对光路径长度产生的影响最小。当散射的幅度相对于往返光波的总幅度很小时，来自其它光表面的散射影响将会最小。

往返幅度大大地影响可能的激光器模式的相对强度。激光器一般将会在具有最高往返透射率的模式上操作，并且如果其它模式所具有的往返透射率小于发激光模式的往返透射率的一半，则这些其它模式在正常操作期间的强度一般将会小于发激光模式的千分之一。此往返幅度滤波包括所有光学表面的频谱性质以及增益区域中的增益。从而，例如，增益频谱之外的波长的透射率将会是可忽略的，即使置于腔中的光滤波器所具有的透射率在这些波长中之一为最大。此考虑对于标准滤波器尤其恰当，标准滤波器具有多个透射峰和具有多个衍射级的光栅。可以使用具有覆盖了感兴趣的调谐范围的高透射率通带和调谐范围之外的低透射率的静止滤波器，来实现在激光器的调谐范围之外没有透射率最大值的往返幅度滤波。具有周期性透射率最大值的栅格生成滤波器将会限制可能的在最大值附近透射率很高的位置发激光的情况。

往返幅度滤波还可以由在感兴趣的调谐范围内具有单一透射峰和环绕该峰的高透射率通带的可调谐滤波器组成。这种滤波器的例子是自由频谱范围超过感兴趣的调谐范围的标准具、表面光栅和Bragg或反射光栅。可调谐滤波器还可以由实现类似效果的多个元件组成，例如具有多个透射峰的元件，和具有距第一个峰间隔不同的多个峰的可调谐元件；其净效果是发生在使来自两个元件的峰重叠的地方的单一透射峰，以及对哪些峰重叠进行游标式调谐。

可以将幅度滤波看作是总的腔内往返幅度透射，而强度滤波是幅度滤波的平方，即总的腔内往返强度透射。在总的腔内往返幅度透射可以由一个或多个调谐元件影响的情况下，对此透射提供可调谐幅度滤波。当幅度滤波器通带中心波长的改变除以初始波长小于光路径长度改变的一半除以初始路径长度时，腔路径长度改变对可调谐幅度滤波的影响最小。注意，对于“无模式跳跃调谐”，光路径长度的改变除以初始路径长度等于幅度滤波器的通带中心波长的改变除以初始波长。

记住上述内容，现在参照图1，其中示出了具有不相关的波长调谐和腔光路径长度调谐的外腔激光器装置10。装置10包括增益介质12和末端或外部反射元件或者末端镜14。增益介质12可以包括传统的法布里一珀罗(Fabry-Perot)二极管发射器芯片，并具有防反射(AR)涂层的前平面16和部分反射的后平面18。外激光器腔由后平面18和末端镜14画出或限定。增益介质12从前平面16发射相干光束，该光束由透镜20来准直，以限定光路径22，光路径22与外腔的光轴共线，末端镜14置于光路径22中。增益介质12的前后平面16、18也与外腔的光轴对准。传统的输出耦合光学元件(未示出)与后平面18相关联，用于将外腔激光器10的输出耦合到光纤中。

外腔激光器10包括栅格生成元件和可调谐元件或信道选择器，在图1中它们分别示为置于增益介质12和末端镜14之间的光路径22中的栅格标准具24和楔形标准具26。栅格标准具24置于可调元件26之前的光路径22中，并具有平行反射面28、30。栅格标准具24作为干涉滤波器操作，并且由栅格标准具24的折射率以及面28、30的间隔所限定的栅格标准具24的光学厚度引起通信频带内的多个透射率最大值，所述最大值出现在与所选波长栅格的中心波长相一致的波长处，所述波长栅格例如是ITU(国际电信联盟)栅格。也可以选择其它波长栅格。栅格标准具24具有与ITU栅格的栅格线之间的间隔相对应的自由频谱范围(FSR)，因而栅格标准具24操作以提供以波长栅格的每个栅格线为中心的多个通带。栅格标准具24具有在波长栅格的每个信道之间抑制外腔激光器的相邻模式的精细度(自由频谱范围除以半高全宽(FWHM))，如下文进一步讨论的那样。

栅格标准具24可以是固体、液体或气体间隔的平行板标准具，并可以通过用经由温度控制的热膨胀和收缩来确定面28、30之间的光学厚度的精确尺寸而调谐。或者可以通过以下方式调谐栅格标准具24：通过倾斜以变化面28、30之间的光学厚度、通过将电场施加到电光标准具材料上、通过改变气体间隔标准具的压力、通过用第二光束在非线性光学材料中诱发折射率改变，或者通过用热、压电或微机械装置来改变间隔大小，所述间隔决定了填充气体或液体的标准具的空间。或者，可以在激光器操作期间主动调谐栅格标准具24，如与本申请同时提交并在本申请中通过引用而包含了的序列号为09/900,474的美国专利申请，该申请题为“ExternalCavity Laser with Continuous Tuning of Grid Generator”(可对栅格生成器进行连续调谐的外腔激光器)，其发明人是Andrew Daiber。

楔形标准具信道选择器26担当干涉滤波器，其具有基本平行的反射表面32和34。可以通过将表面32和34延伸越过光束所射到的这些表面上的区域并使这些表面间的间隔逐渐变小，沿激光轴细微地改变面32和34之间的间距，改变的量小于或等于操作波长。所述楔形标准具的锥度足够小，使得32和34之间跨越激光束的厚度改变是可忽略或可容忍的，而且所述楔形标准具的锥度足够大，使得滤波器跨越光束的宏观移动引起面32和34之间距离沿着光束的宏观改变。表面32和34之间的间隔可以是气体填充、液体填充或用固体填充的。表面32和34之间的间隔可以通过以下方式来改变：通过使固体标准具热膨胀、通过使气体或液体标准具中的间隔装置热、压电或微机械膨胀、通过倾斜气体、固体或液体标准具、通过改变气体间隔标准具的压力、通过使用电光材料作为间隔物并用所施加的电场改变折射率、通过在间隔层中使用非线性光学材料并用第二光束诱发路径长度改变，或者通过其它调谐机制。

如图1所示的楔形标准具26只是一种可以根据本发明而在外腔激光器中使用的可调谐元件或信道选择器，可以用包括光栅、电光材料、薄膜和游标调谐设备在内的其它各类信道选择器来代替它。在美国专利No.6,108,355中对使用空气隙楔形标准具用于信道选择进行了描述，其中“楔形”是由邻近的衬底所限定的逐渐变薄的空气隙。在序列号为09/814,646的美国专利申请中，对使用枢轴可调节光栅器件作为通过调节光栅角度来调谐的信道选择器、以及在外腔激光器中使用通过选择性地施加电压而调谐的电光可调谐信道选择器进行了描述，该申请的发明人是AndrewDaiber，申请日是2001年3月21日。使用平移调谐的渐变薄膜干涉滤波器作为信道选择器在序列号为09/814,646的美国专利申请和与本申请同时提交的序列号为09/900,412的题为“Graded Thin Film Wedge InterferenceFilter and Method of Use for Laser Tuning”(渐变薄膜楔形干涉滤波器和用于激光器调谐的方法)的发明人为Hopkins等的美国专利申请中进行了描述。在此通过引用，包含了上述发明。

在一些例子中，为清楚起见，对外腔激光器10的各光学组件的相对大小、形状和距离进行了夸张，不一定按比例绘制。外腔激光器10可以包括例如聚焦和准直组件的附加组件(未示出)，和被构造为去除与外腔激光器10的各种组件相关联的假反馈的偏振光器件，以及阻挡在感兴趣的调谐范围之外但在增益介质的增益外形之内的波长。

楔形标准具26限定了多个通带，这些通带比栅格标准具34的通带宽得多，同时楔形标准具26的更宽的通带所具有的周期基本对应于或大于栅格标准具34所限定的最短和最长波长的信道之间的间距。换言之，楔形标准具26的自由频谱范围超过了栅格标准具34所限定的波长栅格的全波长范围。楔形标准具26具有抑制与特定所选信道相邻近的信道的精细度。

通过改变楔形标准具26的面32、34之间的光学厚度而用楔形标准具26在多个通信信道之间选择。这是通过沿着轴x平移或驱动楔形标准具26来实现的，所述轴x平行于楔形标准具26逐渐变薄的方向，并且垂直于光路径22和外腔激光器10的光轴。楔形标准具26所限定的每个通带都支持可选信道，并且随着楔形前进或平移进入光路径22，沿着光路径22行进的光束通过楔形标准具26越来越厚的部分，其支持相反面32、34在更长的波长信道上的相长干涉。随着楔形标准具26从光路径22退出，光束将会经历楔形标准具26越来越薄的部分，并将相应地支持更短的波长信道的通带暴露给光路径22。楔形标准具26的自由频谱范围对应于上文提到的栅格标准具24的完整波长范围，使得可以在整个波长栅格范围内对通信频带内的单一损耗最小值进行调谐。从栅格标准具24和楔形标准具26至增益介质12的组合的反馈支持在所选信道的中心波长处发射激光。在整个调谐范围内，楔形标准具26的自由频谱范围比栅格标准具24的宽。

经由波长调谐组件或机构来调谐楔形标准具26的位置，所述组件或机构包括波长调谐器驱动元件36，该元件被排列和构造为根据所选信道而可调节地定位楔形标准具26。波长调谐器驱动元件36可以包括步进电机和适合用于楔形标准具26的精确平移的硬件。或者，波长调谐器驱动元件36可以包括各种致动器或调节机构，其包括但不限于DC(直流)伺服电机、螺线管、音圈致动器、压电致动器、超声波驱动器、形状记忆设备以及类似的直线和/或旋转致动器。如果将楔形标准具26以外的不同类型的信道选择器用于本发明，则相应地构造波长调谐器驱动元件36以调谐该信道选择器。可以与楔形标准具26和波长调谐器驱动元件36相关联地使用线性编码器40，以确保由驱动器36准确地定位楔形标准具26。可以替代或附加地使用监测操作波长的粗分光计(未示出)，以确保由驱动器36准确地定位楔形标准具26或由驱动器36准确地定位不同类型的信道选择器。

将波长调谐器驱动元件36可操作地耦合到波长控制器38，该波长控制器提供信号，以由驱动元件36控制楔形标准具26的定位。波长控制器38还包括数据处理器和存储器(未示出)，其中存储了楔形标准具26的波长调谐信息的查找表，该查找表提供了与可选信道波长相对应的位置。波长控制器38获得或创建传送到波长驱动器36的适当的信道或波长选择信号，波长驱动器36接着驱动或调节楔形标准具26。波长控制器38可以在波长调谐器驱动器36的内部，或者可以在外部并共享在外腔激光器10的其它组件定位和伺服功能部件中。

当将外腔激光器10调谐到不同的通信信道波长时，波长控制器38根据查找表中的位置数据而发信号给波长驱动元件36，驱动元件36将楔形标准具26平移或以其它方式调节到准确位置，其中楔形标准具26位于光路径22中的部分的光学厚度提供支持所选信道的相长干涉。可以与楔形标准具26和和波长调谐器驱动器36相关联地使用线性编码器40，以确保由波长调谐器驱动器36准确地定位楔形标准具26。

作为附加的编码器特征，楔形标准具26可以包括在其末端的不透明区42、44，这些区域是光可检测的，并且用于在将楔形标准具26的位置调节到了其最长或最短的信道波长时验证楔形标准具26的位置。不透明区42、44提供了可在楔性标准具的位置调谐中使用的附加的编码器机制。当楔形26移动到这样的位置当中，使得不透明区42、44中的一个进入光路径22时，不透明区42、44将会阻挡或削弱沿着光路径的光束。如下文进一步描述的那样，这种光的削弱是可检测的。可以将这些不透明区用作“起点”或“过远”信号。可以用所述起点信号来将可作为电机位置基准的协调系统初始化。然后，可以通过对步进电机所前进的步或微步(microstep)数进行计数然后将此信息与每步前进的角度和丝杆的螺距进行组合，来确定驱动系离开起点的位置。或者，可以将编码器连接到驱动系上。还可以使用起点信号，通过提供接近于光学元件的基准点并周期性地搜索此基准点，来补偿丝杆的热膨胀或丝母的机械磨损。

末端镜14和输出平面18所限定的外腔可以由外腔调谐器和驱动机构46来调谐。在所示出的实施例中，将外腔驱动器46可操作地耦合到末端镜14，并构造为通过调节末端镜14的位置而调节外腔的光路径长度l。在其它实施例中，可以将外腔驱动器46可操作地耦合到增益介质12，并构造为调节增益介质12的位置以调谐外腔，或者热调节增益介质12的光路径长度以调谐外腔。而在另外的实施例中，外腔驱动器46可以是电光性的，并且通过改变外腔中的电光调谐器(未示出)的有效光学厚度来实现对光路径长度l的调节，如下文进一步描述的那样。外腔的电光调谐在序列号为09/900,426的美国专利申请中公开，该申请题为“Evaluation andAdjustment of Laser Losses According to Voltage Across Gain Medium”(根据增益介质两端电压来评估和调节激光器损耗)，其发明人是Daiber等，在此通过引用而包含了该申请所公开的内容。各种用于调谐光路径长度l的机构可以用于本发明，并将会相应地构造波长调谐以提供对光路径长度l的调节。

在某些实施例中，外腔驱动器46可以包括热可调谐补偿器元件(未示出)，将该热可调谐补偿器元件构造为通过根据从外腔控制器48到耦合至该热可调谐补偿器元件的热电控制器(也未示出)的光学腔调节信号而对该热补偿器元件进行加热或冷却，来定位末端镜14。在外腔激光器中使用热控制调谐元件来调节末端镜和其它光学组件的位置还在以下美国专利申请中进行了描述：2001年3月21日提出的序列号为09/814,646，发明人为Andrew Daiber的美国专利申请和与本申请同时提交的序列号为09/900,443，发明人为Mark Rice等，题为“Laser Apparatus with ActiveThermal Tuning of External Cavity”(可进行外腔主动热调谐的激光器装置)的美国专利申请。

外腔驱动器46可操作地耦合到外腔控制器48，该外腔控制器提供信号以由外腔驱动器46控制末端镜14的定位。可以将外腔控制器46可操作地耦合到电压传感器50，接着将电压传感器50可操作地耦合到与增益介质12相关联的一对电极52、54中的一个上。电极52、54从驱动电流源56提供驱动电流给增益介质12。由于来自末端镜14的光反馈穿过涂覆有防反射材料的前平面16进入增益介质12，所以传感器50所监测到的增益介质12两端的电压精确地指示了与外腔相关联的损耗。将外腔控制器48构造为从电压传感器50的输出生成腔模式信号，并将补偿信号提供给外腔驱动器46。在外腔激光器中使用监测增益介质两端的电压调制来评估外腔损耗并由其生成误差信号还在序列号为09/900,426的美国专利申请中进行了描述，该申请题为“Evaluation and Adjustment of Laser LossesAccording to Voltage Across Gain Medium”(根据增益介质两端电压来评估和调节激光器损耗)，其发明人是Daiber等，在此通过引用而包含了该申请所公开的内容。

外腔控制器48可以替代或附加地包括所存储的光学腔调谐信息的查找表，该查找表提供与可选光路径长度l相对应的位置。外腔控制器48可以在外腔驱动器46的内部，或者可以在外部并共享在外腔激光器10的其它组件定位和伺服功能部件中。在某些例子中，外腔控制器46可以与上文所述的波长控制器36包含在同一控制器设备中。可以包括与外腔驱动器46相关联的编码器50，以确保由外腔控制器对外腔驱动器46进行准确定位或调节。

外腔激光器10或其各种组件可以包含在微型机电系统(或MEMS)设备中，其中在单一硅衬底上加工出可调节末端镜，该衬底可以与外腔激光器的其它部分构成一体。MEMS设备中的外腔激光器的实施例在上文提到的2001年3月21日提出的序列号为09/814,646的美国专利申请中进行了描述。

在图2A至图2C中图示了栅格标准具24、楔形标准具26和由后平面18和末端镜14所限定的外腔的通带关系，在图2A至图2C中示出了外腔纵向模式通带PB1、栅格标准具通带PB2和楔形标准具通带PB3。在纵轴上示出了相对增益，而在横轴上示出了波长。从图中可以看出，楔形标准具26的自由频谱范围(FSR_{信道选择器})大于栅格标准具24的自由频谱范围(FSR_{栅格生成器})，栅格标准具24的自由频谱范围又大于外腔的自由频谱范围(FSR_腔)。外腔的通带峰PB1(激光器模式)与栅格标准具24的波长栅格所限定的波长PB2的中心波长周期性地对准。有一个来自楔形标准具26的通带峰PB3延伸越过波长栅格的所有通带PB2。在图2A-2C所示的具体示例中，波长栅格延伸越过64个间隔为0.5纳米(nm)或62GHz的信道，最短波长信道在1532nm，而最长波长信道在1563.5nm。

栅格标准具24和楔形标准具26的精细度决定了相邻模式或信道的削弱。如上文所提到的那样，精细度等于自由频谱范围除以半高全宽，或精细度＝FSR/FWHM。在图2B中示出了栅格标准具通带56在半最大值处的宽度，而图2C中示出了楔形标准具通带58在半最大值处的宽度。在外腔内对栅格标准具24和楔形标准具26的定位增进了对边模式(side mode)的抑制。

在图3A-3C中图示了对楔形标准具26的通带PB3在以1549.5nm为中心的信道和在1550nm处的邻近信道之间进行调谐，其中示出了对由栅格标准具24所生成的信道的选择以及对邻近信道或模式的削弱。为清楚起见，从图3A-3C中省略了图2A-2C中所示的外腔通带PB1。栅格标准具24选择与栅格信道间隔相对应的外腔的周期性纵向模式，同时拒绝相邻的模式。楔形标准具26在波长栅格中选择特定信道，并拒绝其它所有信道。在一个特定信道处对于在大约加或减一半信道间隔范围内的滤波器偏移，所选信道或发激光模式是固定的。对于更大的信道偏移，发激光模式跳至下一邻近信道。

在图3A中，楔形标准具通带PB3以1549.5nm处的栅格信道为中心。在1549.5nm处与通带PB2相关联的相对增益高，而与1549.0nm和1550.0nm处的邻近通带PB2相关联的相对增益水平被相对于所选的1549.5nm信道而抑制。与1550.5nm和1548.5nm处的邻近通带PB2相关联的增益被进一步抑制了。虚线指示未被楔形标准具26抑制的通带PB2的相对增益。

图3B示出了在1549.5nm和1550.0nm处的信道之间的位置的楔形标准具通带PB，如信道切换期间所发生的那样。在1549.5nm和1550.0nm处与通带PB2相关联的相对增益都高，两个信道都未被抑制。相对于1549.5nm和1550.0nm的信道，抑制了与在1549.0nm和1550.5nm处的通带PB2相关联的相对增益水平。虚线指示未被楔形标准具26抑制的通带PB2的相对增益。

图3C示出了以1550.0nm处的栅格信道为中心的楔形标准具通带PB3，在1550.0nm处与通带PB2相关联的相对增益高，而相对于所选的1550.0nm信道，抑制了在1549.5nm和1550.5nm处与邻近通带PB2相关联的相对增益水平，还抑制了在1551.0nm和1549.0nm处与通带PB2相关联的增益。同样，虚线指示未被楔形标准具26抑制的通带PB2的相对增益。

为清楚起见，从图3A-3C中省略了外腔纵向模式所限定的通带PB1。如前面所讨论的那样，激光器将会在具有通过腔的最高往返透射率的腔模式上产生激光。在图3A中，通带PB2具有最高透射率，接近于PB2的峰的激光器模式将会具有通过腔的最高总透射率。通过对腔的光路径长度上进行小的高频振动或者频率调制，可以生成误差信号，该误差信号可以用于调节腔的(平均)光路径长度，以使得通过通带PB3将激光器模式锁定于具有最大透射率的通带PB2的峰。在通带PB3的位置上定位小的高频振动或者频率调制以将通带PB3的峰锁定于发激光模式也是有用的，其中发激光模式自身被锁定于通带PB2的峰。使用高频振动或调制元件来将频率调制引入激光器组件在序列号为09/900,426的美国专利申请中进行了描述，该申请题为“Evaluation and Adjustment of Laser Losses According toVoltage Across Gain Medium”(根据增益介质两端电压来评估和调节激光器损耗)，其发明人是Daiber等，在此通过引用而包含了该申请。

当调节通带PB3，以使其向着图3B中所代表的位置离开图3A中所示的位置时，激光器保持锁定于具有最高透射率的通带PB2的峰。对通带PB3的调节对光路径长度具有最小影响，并未与其耦合。如上文所提到的那样，先前使用的外腔激光器已经通过根据预定关系将光路径长度的改变与通带PB3的调谐相耦合而克服了“模式跳跃”，以确保发激光模式的波长跟踪通带PB3。未耦合的调谐构造允许精确地锁定光路径长度和发激光波长，而不要求对调谐滤波器通带PB3的锁定的同样精度。对于通带PB3的移动，激光波长保持恒定，直到如图3C所示，通带PB3接近通带PB2的另一个峰。在本发明的替代性实施例中(未示出)，其中在激光器腔内部不存在栅格生成器PB2，所发生的调谐类似于在图3A-3C中所示的调谐，除了由激光器模式通带PB1代替了栅格通带PB2以外。

本发明所利用的波长调谐独立于或在其它情况下不耦合于根据本发明的外腔光路径长度的调谐。结果，外腔激光器10提供了“阶梯式”或模式跳跃的调谐外形。图4将“阶梯式”激光器输出外形图示为横轴上的相对信道选择器位置相对于纵轴上的发激光波长。将信道选择器通带峰波长示为沿着纵轴的增量，而将对于通带峰的相应信道选择器位置示为沿着横轴的增量。在模式跳跃调谐所限定的每个“平台”上，发激光的波长保持稳定，而不管信道选择器的透射峰波长的改变。优选实施例将信道选择器的透射峰波长锁定于发激光的波长，以使输出功率最大化，使边模式抑制率最大化，并且使信道选择器位置会偏离足够远以创建向新信道的模式跳跃的可能性最小化。每个平台P的发激光都发生在与其它所有平台P的纵向模式不同的激光器纵向模式中。

现在参照图5，示出了根据本发明另一实施例的外腔激光器装置58，其中相同的标号用来表示相同的部件。和在图1的实施例中一样，为清楚起见而夸张了组件的相对大小和组件之间的距离。所示出的外腔激光器装置58具有作为波长调谐器的光栅60，光栅60被设置成利特罗(Littrow)构造。将光栅60可操作地耦合到致动器62、64，致动器62、64相对于光栅60表面上的点66对称地位于光栅60上，点66大体上位于光路径22的中央。致动器62、64可以是压电、微机械或其它类型的致动器。调谐器68命令对致动器62、64的长度进行改变。

外腔激光器58包括波长选择控制元件70和外腔控制元件72，这两个元件可操作地耦合到调谐器68。调谐器68包括和与差信号生成器74、76，它们可操作地耦合到波长控制元件70和外腔控制元件72，用来为致动器62、64生成驱动信号。波长控制元件70可操作地耦合到波长锁定器78和波长检测器80。在输出平面18的前面定位光束分裂器82，用于将激光器输出的一部分经由反射元件84、86(反射器84是部分透射的)导向波长锁定器78和波长检测器80。波长调谐的控制信号是由波长控制元件70从波长锁定器78和波长检测器80的输出中获得并传送给调谐器68的，调谐器68相应地驱动致动器62、64。

增益介质12耦合到电极88、90，同时驱动电流源92可操作地耦合到电极88，而电极90合适地接地。电压传感器94可操作地耦合到电极90和外腔控制元件72(或者，电压传感器94可以耦合到电极88)。传感器94从增益介质12两端所监测到的电压获得误差信号，外腔控制元件72使用该信号来获得用于腔光路径长度调谐的控制信号。将这些控制信号传送到调谐器68，调谐器68相应地驱动致动器62、64。

致动器62、64长度的相等改变将光栅60沿光束22平移，以改变光路径长度l(由光栅60和增益介质平面18来限定)而不调谐光栅60以影响波长。以相等的幅度和相反的方向改变致动器62、64的长度，使光栅60相对于点62绕枢轴转动，以改变光栅60的调谐而不改变外腔的光路径长度l。对光栅60通带的这种调谐独立于或未耦合于对光路径长度的调谐，同样，对光路径长度l的调谐独立于或未耦合于对光栅60通带的调谐。这种对光栅通带和腔光路径长度的不相关调谐是用相同的致动器62、64来实现的，但以不同的方式实现以实现不同的调谐。栅格生成器未与外腔激光器58一起示出，但可以包括在其中。

现在参照图6，示出了根据本发明的另一个实施例的外腔激光器98，其中相同的标号用来表示相同的部件。外腔激光器使用第一电光可调谐元件100。电光可调谐元件100包括一对透明衬底102、104，其中插入有电光液晶(LC)材料106。透明电极108、110分别位于邻近的衬底102、104上，并限定出反射或部分反射的表面，使得LC衬底担当标准具。透明电极108、110可以包括例如氧化铟锡(ITO)导体。可以包括定向或开槽的聚合物层的对准层(未示出)位于LC材料86和透明电极108、110之间。这种液晶电光设备的制造和使用在本领域中是公知的。

第一电光调谐元件100可操作地耦合到波长控制器112，波长控制器112将可调节电压提供给透明电极108、110中的一个，其中另一个合适地接地。LC材料106包括多个单独的双折射液晶分子(未示出)，所述液晶分子可以响应于由电极108、110加在LC材料106两端的电压而被定向。这种液晶材料在本领域中是公知的，在此不作描述。液晶分子方向的变化改变了LC材料106的折射率，因而改变了LC材料106的有效光学厚度。从而，当相干光束沿着光路径22通过LC衬底106时，由波长控制器加在透明电极108、110两端的电压将会改变该光束在部分反射面108和110之间经历的有效光路径长度。有效光路径长度的改变调谐了电光调谐元件100的最大透射率波长。对电光信道选择器的使用也在2001年3月21日提出的序列号为09/814,646的美国专利申请中进行了描述，在此通过引用而包含了该发明所公开的内容。

外腔激光器装置98还包括第二电光活性调谐元件114，其位于末端镜14之前和第一电光调谐元件100之后的光路径22中。电光调谐元件114可操作地耦合到外腔控制器116，外腔控制器116又耦合到位于末端镜14之后的光路径22中的光检测器118。在这点上，末端镜14可以是例如95％反射，以使得末端镜允许来自外腔激光器98的输出的一部分到达光检测器118。或者，可以用电压传感器来代替光检测器118，将所述电压传感器构造为以上述方式监测增益介质12两端的电压。

第二电光调谐元件114包括位于透明电极122、124之间的铌酸锂或其它电光材料层120。将外腔控制器116构造为将可调节电压施加到电极122、124中的一个上，而将其中另一个合适地接地。构造第二电光调谐元件114以使得对调谐元件114的电光材料两端电压的调节在改变调谐元件114的有效光学厚度的同时，也调节横跨外腔(在二极管平面18和末端镜14之间)的总的光路径长度l。使用电光元件用于外腔调谐也在上文提到的序列号为09/900,426的美国专利申请中进行了描述，该申请题为“Evaluation and Adjustment of Laser Losses According to Voltage AcrossGain Medium”(根据增益介质两端电压来评估和调节激光器损耗)，其发明人是Daiber等，在此通过引用而包含了该申请。

在外腔激光器98的操作中，通过根据来自波长控制器112的指令调节由电极108、110施加在LC衬底86两端的电压，来实现波长调谐或信道选择，波长控制器112可以从存储的查找表数据中获得所选发送信道波长的电压信息。对外腔光路径长度l的调节是通过由外腔控制器116根据从光检测器118所获得的误差信号，调节由电极122、124施加在电光材料层120两端的电压来实现的。和在以上实施例中一样，第一电光调谐器100和波长控制器112的波长调谐是与第二电光调谐器114和外腔控制器116对外腔光路径长度l的调节独立地进行的。即，波长控制器112对第一电光调谐器100的调谐未与外腔控制器116对第二电光调谐器114的调谐耦合。外腔激光器98值得注意的是，它实现了独立的波长调谐和外腔调谐而不需要任何元件的物理致动，即不需要移动装置。

还可以用第二电光调谐元件114来引入信号调制，所述信号调制的形式是加入到外腔激光器的光路径长度l中的频率高频振动。所述信号调制可以包括例如大约20kHz的频率调制。经由元件116引入的频率高频振动对光路径长度l的调制在外腔激光器98的输出功率中产生强度变化，光检测器118可以检测到此变化(或者通过监测由于从外腔反馈到增益介质12中的光而在增益介质两端产生的电压来检测)。这些强度变化的幅度和相位误差将会根据外腔模式与电光调谐元件100和栅格生成器24所限定的通带的中心波长之间的对准而变化。换言之，调制信号中的强度变化和相移提供了一种有效途径，用于评估外腔损耗和得出用于调节外腔光路径长度的相应误差信号。从而，外腔控制器116从频率高频振动所引入的调制中获得误差信号，并将补偿信号传送给外腔控制器116，外腔控制器116相应地调节施加到电光衬底120两端的电压，以通过改变衬底120的折射率来调谐或调节光路径长度l。用调制元件来向激光器组件中引入频率调制或高频振动在上文提到的序列号为09/900,426的美国专利申请中进行了描述，该申请题为“Evaluation and Adiustment of Laser Losses According toVoltage Across Gain Medium”(根据增益介质两端电压来评估和调节激光器损耗)，其发明人是Daiber等，在此通过引用而包含了该申请。

虽然已经参照本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应该理解，可以进行各种改变，也可以用等同物来替换，而不脱离本发明的真正精神和范围。此外，可以进行多种修改，以使特定的情况、材料、物质组成部分、处理、处理的一个或多个步骤适合于本发明的目的、精神和范围。意在使所有这种修改处于本发明所附权利要求的范围之内。