小型高性能波长可调谐激光器

摘要

本发明涉及一种小型高性能波长可调谐激光器，其使用的可调谐激光谐振腔利用了色散补偿的声光可调谐滤波器。输出波长的精度和稳定性由波长锁定器决定。波长锁定器利用了两束分离的腔内激光束，从而避免了使用分束器，相对于一般的波长锁定器设计，降低了对空间的需求，并且使得运行更加稳定，组装更加容易。声光可调谐滤波器的结构为：在同一块晶体上焊接两个换能器，方向相对，产生两个相向传播的声波。准直光经过第一个声波衍射后产生的色散可以由相反方向的第二个声波来补偿。通过使用不同的激光增益介质、声波驱动频率和声光晶体，本发明可以用来制造用于各种不同应用的宽波长范围的可调谐激光器。

说明书

技术领域

本发明涉及可调谐激光器，尤其是一种使用了色散补偿的声光可调谐滤波器和波长锁定器的激光谐振腔，可以实现快速调谐速度、稳定的波长和功率输出的小型高性能波长可调谐激光器。

背景技术

目前，大多数现代电信系统都是基于光纤通讯技术。光纤网络提供了前所未有的大通讯容量和安装的灵活性，可以支持不断发展的各种宽带应用。宽带可调谐激光器可以帮助最大限度的利用现有的光纤网络资源。通过动态调谐可以将信息流量从拥挤通道转移到未使用的通道，从而满足互联网的需求。可调谐激光器也是实现动态光纤网络的关健器件之一，可以快速简便地建立或改变光路。

针对这种应用的理想的可调谐激光器将包括以下特性：宽可调谐范围，覆盖C和(或)L波段(大约1530纳米至1610纳米)；尺寸小；任何两个国际电信联盟(ITU)频率间隔之间的切换速度快(小于1毫秒)；长期工作稳定性好(超过25年的运行时间)；极端环境情况下的高可靠度；低耗电量；成本低和生产工艺简单。

可惜的是，现有可调谐激光器的尺寸、可调谐波长范围、调谐速度和输出功率等指标还远不能满足市场需求。现有的可调谐激光器系统可以分成三类：使用腔内机械可移动部件，如衍射光栅、棱镜、标准具或MEMS(微电子机械系统)等作为波长调谐单元的系统；使用腔内温度可调节部件，通过加热或冷却部件来选定波长的系统；使用腔内不可移动的光学器件进行调节的系统，包括使用磁光器件、声光器件、电光器件或通过改变注入电流的方式选择波长。

通过机械调节光栅或棱镜角度来调节波长的技术对机械冲击和震动的干扰抵抗非常差，会引起短期甚至长期的性能不稳定，所以带有移动部件的可调谐激光器不适合应用在光纤通讯中。通过温度调谐因热力传输的固有性质，调节速度慢，所以可应用的范围很小。通过物理光学方式调节波长的各种技术当中，声光技术因为其不需要可移动部件和通过电控制方式即可实现快速调谐速度、宽可调谐范围以及相对简单的设计，是满足上述光纤通讯系统应用严格要求的一种可行方案。正如在一些美国专利和公开的论文中所披露的，通过选择合适的声光晶体和驱动声波频率，可以设计出针对不同应用的宽带范围的可调谐激光器。现有的应用在光纤通讯中的使用声光滤波器设计的可调谐激光器的主要问题是：(1)法布里-珀罗腔内的激光振荡因为色散没有补偿而不稳定；(2)波长锁定器的结构使得安装非常困难，并且不能实现小型化；(3)波长锁定器性能不稳定。

为了解决上述产品中存在的问题，并且满足前文提到的光纤通信的需求，有必要设计一种全新的可调谐激光器系统，从而大大改进性能、工作的稳定性和易于生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用光纤通讯应用的小型高性能波长可调谐激光器，可以满足光纤通讯对于亚毫秒级调谐速度、小尺寸和在极端工作环境下高可靠度的需求，设计结构易于组装、批量生产成本低的优点的同时，还保证了高性能和小体积。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种小型高性能波长可调谐激光器，其特征在于：包括

(a)一个指定反射率的输出镜和一个端面镜组成的激光谐振腔；

(b)一个宽带激光增益介质安放在激光谐振腔内并可以在指定波长范围进行激光振荡；

(c)一个声光可调谐滤波器安放在激光谐振腔内，从激光增益介质输出的激光束通过腔内准直透镜校准为平行光后输入至声光可调谐滤波器；该滤波器包括具有声学上的各向异性和光学上的双折射特性的晶体；在晶体中激励产生声波的方式包括第一声波换能器和第二声波换能器焊接在晶体选定的两个相对的表面；第一和第二声光衍射的方式为第一声场和第二声场在同一块声光晶体中对向传播，起到光色散补偿的作用；

(d)前面提到的组成激光谐振腔的声光可调谐滤波器、输出镜和端面镜安放的位置使得只反射经过声光滤波器衍射的光线；

(e)一个微波功率源给换能器提供射频能量，通过改变射频频率来调节激光谐振腔的振荡波长；

(f)一个微波信号相位延迟线，可以在0度和180度之间调节两个微波信号的相对相位；

(g)激光增益介质的泵浦源；

(h)激光谐振腔端面镜安装在底座上，底座与锆钛酸铅(PZT)单元相连；

(i)一个PZT驱动器，用来驱动前面提到的PZT单元；

(j)一个腔内准直透镜，用来将激光束校准为平行光后输入至声光可调滤波器。

而且，所述的声光可调谐滤波器安放在与激光束成布拉格角的位置并对不同波长的激光束均保持接近布拉格角。

而且，所述的输出镜和端面镜可以是平面镜、凸面镜和凹面镜的某种组合，构成不同类型的激光谐振腔，并且输出镜具有小于100％的反射率，端面镜具有100％反射率。

小型高性能波长可调谐激光器进一步包括：

(k)一个波长锁定器，由指定特性的标准具和光电探测器组成；

(l)一个电子信号处理单元连接到第一和第二光电探测器并相应处理检测到的光功率；

(m)一个闭环反馈信号控制单元用来改变射频频率和驱动PZT来锁定振荡波长；

(n)全反射端镜可以用不完全反射端镜代替。

而且，所述的波长锁定器的结构为第一个光电探测器位于激光谐振腔的外部，端面镜的后面；用于波长锁定器的光学标准具位于谐振腔的外部，用来接收从声光滤波器输出的腔内激光束；第二个光电探测器位于激光谐振腔的外部，用来接收端面镜泄漏的激光束。

而且，所述的激光谐振腔包括一个不完全反射输出镜和一个不完全反射端面镜。

小型高性能波长可调谐激光器还进一步包括：

(o)一个透镜安放在激光谐振腔外部，用来准直并集合从输出镜输出的激光束后输入至耦合准直器；

(p)一个标准具安放在激光谐振腔内，具有指定的光学传输特性，使用国际电信联盟(ITU)的标准频率间隔的透射特性，来压缩激光输出带宽并增加边模抑制比；

(q)一个耦合准直器，包括一个用于光纤通信的带光纤尾纤的准直器来接收激光谐振腔的输出激光束。

而且，所述的耦合准直器包括一个单模保偏(PM)光纤。

而且，所述的标准具的光学传输特性的频率间隔为25GHz、50GHz或100GHz。

而且，所述的第一和第二声光衍射的方式是由一个铌酸锂(LiNbO₃)晶体中的第一和第二声场形成的。

而且，所述的第一和第二声光衍射的方式是由一个二氧化碲(TeO₂)晶体中的第一和第二声场形成的。

而且，在半导体增益介质上直接镀具有一定透射率的反射层，来取代输出镜。

一种波长可调谐激光器，其特征在于包括：

一个第一反射镜；

一个第二反射镜；

一个准直透镜；

一个激光增益介质，安放在第一镜与准直透镜之间的轴线上；

一个声光可调谐滤波器，安放在第一反射镜和第二反射镜之间，包括一个第一换能器焊接在晶体选定的第一个表面，和一个第二换能器焊接在晶体选定的第二个表面，第一个表面和第二个表面的方向相对，第一个换能器从第一个表面处向第二个表面的方向发射第一个声波，第二个换能器从第二个表面处向第一个表面的方向发射第二个声波；

一个移相器，连接在第一个换能器和第二个换能器之间，其特征在于：

激光介质发射出的光通过准直透镜和声光滤波器到达第二镜，

使用移相器来改变第一个换能器和第二个换能器之间的相位差时，从第一镜射出的激光波长就随之改变。

而且，所述的第二反射镜是一个全反射镜。

而且，所述的第二反射镜是一个具有高反射率的反射镜。

本发明的优点和积极效果是：

本发明波长可调谐激光器包括一使用了色散补偿的声光可调谐滤波器、尺寸小、波长可调谐、产生稳定激光振荡的激光谐振腔，声光可调谐滤波器的结构为：在同一块晶体上焊接两个换能器，方向相对，产生两个相向传播的声波。通过调节两个声场之间的相位差来优化色散补偿，使之能够适应不同声光晶体和换能器制作中产生的误差。

本发明的波长可调谐激光器使用了运行稳定、易于安装、尺寸小的波长锁定器的设计，输出波长的精度和稳定性由波长锁定器决定。波长锁定器利用两束分离的腔内激光，从而避免了使用分束器，相对于传统的波长锁定器大大的降低了对空间的需求，并且使得运行更加稳定，组装更加容易。

本发明是一种尺寸小、具有快速调谐能力、波长与功率输出稳定的可调谐激光器装置，可用于光纤通讯网络以及其他有着严格要求的应用场合，具有经济有效、易于生产、高性能的优点。

附图说明

图1是一个波矢图，演示了声光布拉格光栅滤波器的工作情况。

图2是一个概念图，演示了由于入射光和声波的发散性引起的衍射光的色散。

图3是一个可调谐滤波器的原理结构图，显示了在同一块晶体上焊接两个换能器，方向相对，产生两个相向传播的声波，声波覆盖范围没有重叠。

图4显示了通过声光晶体的布拉格衍射。

图5是一个概略的平面图，显示了一种波长可调谐激光器的具体实施。

图6是一个概略的平面图，显示了一种带有波长锁定器的波长可调谐激光器的具体实施。

图7显示了通过用于波长锁定的低锐度的标准具后功率传输和波长之间的线性关系。

图8是带有闭环反馈控制的激光器系统的原理框图。

图9是一个概略的平面图，显示了一种包括光纤通讯中常用的带光纤尾纤的波长可调谐激光器的具体实施。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步详述。

图1显示了入射光(κ_i)、衍射光(κ_d)和声波(κ_s)的波矢关系，κ_i±κ_s＝κ_d这个关系总是成立的，使用加号(+)还是减号(-)由入射声波的传播方向决定。对于各向同性型布拉格衍射，κ_i＝κ_d，n_i＝n_d，θ_i＝θ_d，Sinθ_B＝λ/2nλ_s＝(λ/2nυ_s)f_s，其中n_i和n_d分别是入射光和衍射光的折射率，υ_s是声波的速度，f_s是声波的频率。对于各向异性型布拉格衍射，θ_i≠θ_d，可以证明存在下列关系：Sinθ_i+Sinθ_d≈(λ/2nυ_s)f_s，和λ＝±υ_s(n_d-n_i)/f_s。

在一个固定系统中，声光介质和入射光的角度不变，可以通过改变声波的频率来改变衍射光的波长。可调谐声光滤波器的种类有两种：共线型与非共线型。其中非共线型包括各向同性布拉格衍射型和远轴各向异性布拉格衍射型。其中远轴各向异性布拉格衍射型，正如在其他几个美国专利中探讨过的，因为其窄带宽，在实际的应用中的价值更高。

如图2所示，在两种衍射中都存在色散的问题。假设入射光的发散角(即光线2和光线4的夹角)为δ_θ；声波的发散角为δ_φ，那么发散角、波长和波束宽度的关系可以表达为：δ_θ≈2λ/πnω₀；δ_φ≈λ_s/L，其中ω₀是入射光线的束腰半径，n是声光晶体的折射率，L是声波的宽度。

对于以接近布拉格角入射的光线，在发散的声波作用下，衍射光的发散角度为2δφ(入射光线4衍射产生光线6和8，入射光线2衍射产生光线10和12)。在使用有限宽度的声波时，色散永远存在，使用具有相同频率和发散角的声波对向传播可以补偿色散。在实际应用中为了达到最佳效果，还需要一个方法来调节补偿声波和第一个声波之间的相位差。相向传播声波的色散补偿在一些公开的论文中有更为详细的描述。

图3显示了声光可调谐滤波器(AOTF)的设计，包括一个双折射晶体24，如二氧化碲或铌酸锂，以及两个换能器30-1和30-2(电机换能器或压电换能器)焊接在晶体24相对的两个表面上。

换能器可以采用单一换能器或一组换能器。换能器可以使用纵向振动换能器或横波换能器，连接到合适的微波信号源40上，如频率和幅度可调的压控振荡器。当接收到微波信号后，换能器根据微波驱动信号的频率，在双折射晶体中产生相应频率的声波。

为了优化色散补偿，换能器30-2通过一个微波移相器28连接到微波信号源40。两个换能器也可以使用两个单独的微波信号源控制，信号源的频率相同或差别很小，可以分别控制相位移动。在特定的实施中，两个微波信号源的频率最好相同。

图4显示了在一个激光系统中使用AOTF 100作为可调谐滤波器。入射光线50相对声波20波阵面的夹角θ_i为近似布拉格角，经过声波20的衍射产生一个零阶光线55和一个一阶光线70，一阶光线70经过第二个声波26的衍射又产生一个零阶光线70和一个一阶光线60。滤波器的结构使得腔内光线70可以用作波长锁定器的一个输入光线。

图5显示了安放在输出端的一个输出镜80，输出镜80有指定的反射率或透射率(例如镜子反射98％的入射光和透射2％的入射光)；以及在返回端装有一个全反射镜86(即100％反射率)。镜子80和86组成了激光谐振腔的两个腔镜。

激光反射镜通常对不同波长或颜色的光的反射率不同，这里提到的反射率是与激光器运行的波长带宽相对应的反射率。反射镜的目的是为激光系统提供所谓的“正反馈”。

光学反射膜可以直接镀在激光介质上，在半导体增益介质中尤为常见。带有平镜的法布里-珀罗腔或平行平面腔，也叫“临界稳定激光谐振腔”，产生一个平面之字形光路，但是这种谐振腔对机械干扰和腔镜的偏角非常敏感。

另外两种激光谐振腔包括不稳定激光谐振腔和稳定激光谐振腔。不稳定激光谐振腔一般使用凸面镜或凸面镜或与平面镜的组合。稳定激光谐振腔一般使用凹面镜或凹面镜与平面镜的组合。在实际应用中，不同的激光谐振腔的设计和使用条件可以用来满足不同功率和激光模式应用的要求。

激光增益介质82如图5所示那样位于两面反射镜子之间。这使得一些从增益介质中射出的光可以被反射回介质进一步放大。激光增益介质可以选用能够沿光路50和60放大激光振荡的任何激光增益介质。

在所示的为光纤通讯应用设计的具体实施中，激光增益介质使用了半导体宽带增益介质，其工作原理是由光激发的PN结空穴和自由电子的重新结合，从半导体放大器发射出的光可以用以半导体放大器的禁带宽度为中心的光子能量的有限分布来描述。

一个准直透镜84将激光增益介质发射出的散射光变为平行光线50。将入射光发散度的减小极为重要，因为滤波器衍射光线的发散度直接受入射光发散度影响，对激光器的运行性能至关重要。

波长选择声光滤波器100安放在准直透镜84和端面反射镜86之间。通过改变射频(RF)频率，以及通过锆钛酸铅(PZT)底座88沿着光线60的方向移动反射镜86，可以选择滤波器的频率。

根据图5，在一种具体实施中，端面镜86通常是在激光器运行的波长范围内的全反射镜。这符合激光谐振腔的传统设计：带有不完全反射镜作为激光器的输出镜，以及另一个全反射镜固接在PZT底座88上通过移动全反镜来为不同波长进行激光模式的相位匹配。

图6显示了和图5相同的激光谐振腔，唯一不同的是将全反射镜86换成具有高反射率(例如99％)的不完全反射镜。为了减少激光谐振腔的损耗，端镜86的反射率不应低于95％。这个结构会稍微增加激光谐振腔的损耗，但其优点是可以利用两个腔内光线60和70来构建一个波长锁定器。

通过增加不完全反射镜80的反射率，可以补偿由不完全反射镜86带来的额外的损耗，从而使得总的激光谐振腔损耗保持与图5所示的系统相同。波长锁定器包括光电探测器90-1和90-2，以及一个低锐度标准具92。

图7显示了标准具的波长与传输率(T)的关系。标准具的波长与传输率的关系可以用下面的公式来表达：λ＝αT+β，其中α和β是由标准具的锐度决定的线性拟合的常数。α的数值可以根据不同的应用条件、可调节波长范围和波长锁定的精度来设计。

由于接收到的功率与传输率T直接成正比，波长λ和接收到的功率P的关系可以表达为：λ＝αP+β，更可进一步表达为：Δλ＝αΔP。假设光电探测器90-1用来监测激光谐振腔的功率变化，而且激光功率保持不变，那么光电探测器90-2所监测到的功率变化(ΔP)就完全是由波长变化(Δλ)引起的。

这个信息再反馈回射频(RF)功率驱动器10和PZT驱动器，通过改变射频信号频率和调整腔镜位置，可以相应的将变化的波长拉回到指定波长。这使得激光振荡波长保持稳定。在激光器系统正常的运行中，激光器功率可以由光电探测器90-1准确监测，这个信息可以通过一个闭环反馈控制回路去控制激光器的泵浦源来保持固定的激光功率输出。图8显示了这样一个激光器系统的功能控制和反馈回路。

本发明的一个特点是使用了两束腔内激光的结构，相对于传统结构来说，本发明有以下一些优点；

(1)尺寸小。图6所示的激光谐振腔比美国之前专利中所提及的设计结构更加紧凑，尺寸要小得多。在实际应用中为了装配方便，可以将光电探测器90-1焊接在端镜86上。

(2)低成本。只需三个部件：一个标准具92以及两个光电探测器90-1和90-2。不需要分束器和其他部件。

(3)易于组装。因为两个光电探测器可以分别组装，这就减少了各部件之间光学调整的相互依赖性，从而降低了组装的复杂度，并提高了各部件的允许误差。

(4)工作更加可靠和稳定。由于以上提及的各种优点，这种结构受机械干扰和应力的影响更小。

为了在光纤通讯的应用中使用图6所示的可调谐激光器系统400，还需添加两个组件：可运行在指定ITU间隔(即激光振荡频率峰值间隔为25GHz、50GHz或100GHz)的激光谐振腔标准具94；以及一个带光纤尾纤的准直器98将激光的输出光线耦合到光纤上。见附图9。准直器98通常采用保偏(PM)光纤。

输出镜80被一个直接镀在半导体增益介质表面的反射膜96所取代。

在C和L波段(波长范围大约为1530纳米至1610纳米)光纤通讯中，可调谐滤波器100采用了非共线型、远轴各向异性布拉格衍射型。非共线型声光滤波器的一个重要特性在于：对相对大分散角的入射光来说，可以保持一个窄的滤波带宽。选用二氧化碲(TeO₂)作为晶体的材料仅仅是出于以下考虑，并不限制其他晶体的使用：二氧化碲具有极低的声波速度，同时还有其他合适的特性，例如声学上的各向异性和光学上的双折射特性。

二氧化碲具有很多的优点，可以减少对功率的需求，其横向结构使声路得到扩展，因此可以在不增加驱动功率的前提下产生更大的光阑。铌酸锂(LiNbO₃)晶体是这种应用的另一个选择。在一种具体实施中，远轴各向异性布拉格衍射在超过某一频率时，入射角突然增加，起到窄带滤波的作用。在窄带滤波器的应用中，这种类型的布拉格衍射的使用已经在一些美国专利和出版书籍中有过详细的描述。

通过使用不同的激光增益介质、声波驱动频率和声光晶体，可以用来制造用于各种不同应用的宽波长范围和不同功率要求的可调谐激光器。

针对本发明的说明仅起到演示和描述的作用，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。