锁定至回音壁模式谐振腔的可调谐激光器

摘要

公开了一种激光设备，包括：激光光源，产生包括第一频率和第二频率的激光；光学谐振腔，被构造为支持在光学谐振腔内循环的回音壁模式并对应于第一频率，光学谐振腔通过光学接口光耦合至激光光源，以接收激光的一部分进入光学谐振腔，以及使光学谐振腔中在回音壁模式下传播的第一频率的激光返回，作为回到激光光源的返回光，以使激光稳定在第一频率从而通过光学注入减小激光光源的谱线宽度，其中光学谐振腔包括光学谐振腔的内部机构，内部机构使用在回音壁模式下的接收光在光学谐振腔中循环，以生成回音壁模式下的反向传播光，反向传播光通过光学接口从光学谐振腔耦合出并返回激光光源，激光设备具有与光学谐振腔相关的单个光学接口。

说明书

优先权和相关申请

本申请要求于2007年6月13号提交的题为“Compact,Tunable,Ultranarrow-LineSource Based on a Laser Injection Locked to a Whispering Gallery Mode OpticalResonator(基于锁定至回音壁模式光学谐振腔的激光注入的紧凑、可调谐、超窄谱线源)”的第60/934,524号美国临时申请的权益，该申请的公开内容通过引用并入并作为本申请的说明书的一部分。

背景技术

本申请涉及激光器和激光器稳定性。

激光器可能受到各种扰动和变化的影响，而激光器操作可能受到这种扰动和变化的不利影响。例如，温度波动和变化可能造成激光器的激光波长、激光功率水平和激光的光学相位的波动。可使用各种激光器稳定技术来稳定激光器以抵抗扰动和变化且减小激光谱线宽度。

激光器稳定技术的一个实施例使用法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔作为光学基准来检测激光频率相对于法布里-珀罗腔的谐振频率的变化，基于该频率变化生成误差信号并将该误差信号馈送到电子锁定电路，该电子锁定电路调谐激光器以相对于法布里-珀罗腔的谐振频率锁定或稳定激光频率。除了上述电反馈和锁定以外，使用法布里-珀罗腔作为光频基准以在光学注入锁定情况下将光学反馈直接提供给激光器来稳定激光器。例如，可将半导体激光器的激光输出引入外部基准法布里-珀罗腔，可将外部法布里-珀罗腔的光学反射或传输引回至半导体激光器以稳定激光波长并减小半导体激光器的激光谱线宽度。

发明内容

本申请的说明书尤其描述了通过光学注入将激光器稳定至光学回音壁模式的实施例和实现。在一个方面，激光设备包括激光器，可响应于控制信号被调谐并且产生具有激光频率的激光束；以及光学谐振腔，被构造为支持在光学谐振腔内循环的回音壁模式，光学谐振腔被光耦合至激光器，以接收激光束的一部分进入回音壁模式下的光学谐振腔，以及将光学谐振腔中在回音壁模式下的激光反馈至激光器，以使激光频率稳定在回音壁模式的频率，以及减小激光器的谱线宽度。

在附图、详细说明书以及权利要求中详细描述了这些和其他实施例和实现。

附图说明

图1示出了激光设备的实施例，其中激光器被光耦合至回音壁模式光学谐振腔并且通过来自光学谐振腔的光学反馈稳定至光学谐振腔；

图2示出了基于图1中的激光设备，对通过谐振腔稳定的激光器产生的激光输出的测量；

图3、4、5、6A和6B图示了支持回音壁模式的各种示例性光学谐振腔结构；

图7A和7B图示了用于耦合回音壁模式光学谐振腔的两个渐逝波耦合(evanescentcoupling)实施例；

图8A和8B示出了可调谐光学WGM谐振腔的实施例；

图9示出了激光设备的实施例，其中，激光器被光耦合至可调谐回音壁模式光学谐振腔并且通过来自光学谐振腔的光学反馈稳定至光学谐振腔；

图10示出了紧凑激光设备，其中激光器被光耦合至可调谐回音壁模式光学谐振腔并且通过来自光学谐振腔的光学反馈稳定至光学谐振腔；

图11示出了图10中的紧凑激光器的封装实施例。

具体实施方式

激光器可被锁定至回音壁模式(WGM)谐振腔，用于通过将来自激光器的激光引入WGM谐振腔然后通过直接注入将来自WGM谐振腔的激光馈送到激光器中来实现谱线变窄和稳定。光学WGM谐振腔限制回音壁模式中的光完全在闭环光学路径中反射。不像法布里-珀罗谐振腔，WGM谐振腔中的光不能通过光学传播离开谐振腔，因而可用于产生难以用法布里-珀罗谐振腔实现的、具有高光学质量因子的光学谐振腔。WGM谐振腔中的光通过WG模式的渐逝波场(evanescence field)“漏”出WGM谐振腔的闭环光学路径的外表面。光耦合器可用于通过渐逝波场耦合进/出WGM谐振腔的光。作为实施例，半导体激光器可通过光学注入设计的光耦合而直接耦合至高质量因子Q回音壁模式谐振腔(WGM)以稳定激光器。通过谐振腔的光的一部分被反射回激光器以具有被锁定至高Q模式谐振腔的频率的激光频率(波长)，并且使其谱线变窄。如果WGM谐振腔被稳定以抵抗环境扰动，例如温度变动或热震动，则将谐振腔的模态频率的稳定性传递给激光频率或波长。

WGM谐振腔可由电光材料制成并且可通过改变被应用于材料的电控制信号进行调谐。由于光学注入锁定，因此激光波长或频率可通过被应用至谐振腔的DC电压的施加而调谐。此外，通过将微波或RF场应用于具有与WGM谐振腔的一个或多个自由频谱范围匹配的频率的WGM谐振腔，可对激光频率进行相位和/或振幅调制。由于可通过温度、压力的施加，或者在谐振腔由电光材料制成的情况下通过施加的DC电势而改变谐振腔的模态频率，因此激光的频率(波长)也可被调谐。此外，如果通过将微波信号应用于被施加至激光器的DC电流而调制激光的频率，则激光器保持被锁定在谐振腔的频率(波长)。因而，可获得可调制的、窄谱线宽度的激光。当WGM谐振腔由电光材料制成时，微波或RF场可被应用于具有适当耦合电路的谐振腔以调制激光强度，该激光器继续保持锁定至WGM谐振腔。

图1示出了激光设备的实施例，其中激光器1被光耦合至回音壁模式谐振腔4并且通过来自光学谐振腔4的光学反馈稳定至光学谐振腔4。激光器1可响应于来自激光控制电路的控制信号进行调谐并且还可通过来自振荡器7的控制信号进行调制。激光器1产生可能由于各种原因漂移或波动的、具有激光频率的激光束。光学谐振腔4被构造为支持在光学谐振腔4内循环的回音壁模式。光学谐振腔4内两个反向传播光束5a和5b可以是相同的WG模式。光学谐振腔4被光耦合至激光器1以接收进入光学谐振腔4的激光束的一部分，例如，回音壁模式的光束5a。接收到的光束5a在WGM光学谐振腔内的散射可产生相同WG模式的反向传播光束5b。光栅6可选地形成于光学谐振腔4的表面以建立反向传播光束5b。这个反向传播光束5b可在从激光器1进来的激光束的相反方向被耦合出光学谐振腔4，从而可被耦合至激光器1以实现注入锁定。

在这种实施例中，WGM谐振腔耦合器3用于将来自激光器1的激光耦合至光学谐振腔4并且将光束5b的光耦合出回音壁模式的谐振腔4和透镜组2，并且用于将激光引回激光器1以将激光频率稳定至回音壁模式的频率和减小激光器1的谱线宽度。

透镜组2可通过各种结构实现。在图1的实施例中，透镜组包括第一GRIN透镜2a，与激光器1相邻并且被构造为具有小孔径以将光聚焦到激光器1上和聚集来自激光器1的光；以及第二GRIN透镜2b，与光耦合器3相邻并且被构造为具有大孔径以将光聚焦到光耦合器3内和聚集来自光耦合器3的光。光耦合器3可以是各种构造，并且可以是图1实施例中的棱镜。

WGM谐振腔4可被调谐以稳定回音壁模式来抵抗环境扰动，从光学谐振腔到激光器的激光反馈将光学谐振腔中的回音壁模式的稳定性传递至激光器。可提供谐振腔调谐机制以控制和调谐回音壁模式的频率。在注入锁定情况下，谐振腔4的调谐通过从光学谐振腔4到激光器1的激光反馈对激光器1的激光频率进行调谐。在一种实现中，谐振腔调谐机制控制和调谐光学谐振腔4的温度来基于热效应调谐激光器1的激光频率。在另一种实现中，谐振腔调谐机制应用和控制被施加至光学谐振腔的压力以调谐激光器的激光频率。在又一种实现中，光学谐振腔4包括响应于被施加至光学谐振腔4的电势而改变折射率的光电材料，谐振腔调谐机制施加和控制电势以调谐激光器1的激光频率。谐振腔调谐机制还可被配置为调制电势以调制光学谐振腔4的回音壁模式的频率和激光器1的激光频率。可同时对激光器1和光学谐振腔4进行控制以增大激光器的频率调谐范围，从而控制机制可被实现为既调整光学谐振腔4的回音壁模式的频率，又在使激光频率稳定在回音壁模式的频率时调整激光器1的激光频率。

图2示出了基于图1的激光设备，对通过谐振腔稳定的激光器产生的激光输出的测量。在该实施例中，WGM谐振腔4的Q为10⁹，并且激光器为半导体激光器，且对通过激光器的电流进行调谐。

图1中的WGM谐振腔4和本申请中的其它设备可以通过各种构造实现。图3、4和5图示了用于实现这种WGM谐振腔的三种示例性几何形状。

图3示出了实心电介质球体的球形WGM谐振腔100。球体100具有绕z轴101对称的平面102内的赤道。平面102的圆周是个圆，平面102是圆形横截面。WG模式围绕球形外表面内的赤道并且在谐振腔100内循环。围绕赤道平面102的外表面的球面曲率沿着z方向及其垂直方向提供了空间限制以支持WG模式。球体100的偏心率通常很小。

图4示出了示例性的类似于球体的微谐振腔200。这种谐振腔200可通过绕着沿短椭圆轴的对称轴101(z)旋转椭圆(具有轴向长度a和b)形成。因此，类似于图3中的球体谐振腔，图4中的平面102也具有圆周并且是个圆形横截面。不同于图3中的设计的是，图4中的平面102为非球形的回转椭球体的圆形横截面并且围绕回转椭球体的短椭圆体轴。谐振腔100的偏心率为(l-b²/a²)^1/2并且通常较大，例如大于10^-1。因此谐振腔200的外表面不是球体的一部分，并且沿着z方向提供了比球形外表面更多的模式空间限制。更具体地，Z所在的平面(例如，zy或zx平面)内的腔的几何形状为椭圆。位于谐振腔200中心处的赤道平面102垂直于轴101(z)，并且WG模式在谐振腔200内的平面102的圆周附近循环。

图5示出了另一种示例性WGM谐振腔300，谐振腔300具有非球形外表面，其外部轮廓为可由笛卡尔坐标的二次方程算术表示的大体圆锥形。类似于图3和4的形状，外表面提供了平面102方向的曲率和与平面102垂直的方向z上的曲率以限制和支持WG模式。这种非球形、非椭圆表面可尤其为抛物线或双曲线。图5中的平面102是圆形横截面，并且WG模式围绕赤道圆循环。

上述图3、4和5中的三个示例性几何形状共享共同的几何特性，即它们都是绕着轴101(z)轴向或圆柱对称，WG模式绕着轴101(z)在平面102内循环。弯曲的外表面围绕平面102是平滑的，并且绕着平面102提供了二维限制以支持WG模式。

显著地，每个谐振腔内的WG模式沿z方向101的空间范围被限制于平面102上方和下方，因而不可能具有球体100、回转椭球体200或圆锥形300的全部范围。可替代地，只有绕着足够大以支持回音壁模式的平面102的完整形状的一部分可用于WGM谐振腔。例如，由球形的适当部分形成的环形、盘形和其它几何形状可用作球形WGM谐振腔。

图6A和6B分别示出了盘形WGM谐振腔400和环形WGM谐振腔420。在图6A中，实心盘400具有位于中央平面102上方的上表面401A和位于平面102下方的下表面401B，上表面401A和下表面401B相隔距离H。距离H的值足够大以支持WG模式。除了中央平面102上方的足够大距离外，谐振腔可具有如图5、6A和6B所示的陡沿。外部弯曲表面402可选自如图3、4和5所示的任一种形状以获得想要的WG模式和频谱属性。图6B中的环形谐振腔420可通过从图6A的实心盘400去除中心部分来形成。由于WG模式位于环420的、外表面402附近的外部部分附近，环的厚度h可被设置为足够大以支持WG模式。

光耦合器通常用于通过渐逝波耦合将光能量耦合进或耦合出WGM谐振腔。图7A和7B示出了与WGM谐振腔接合的示例性光耦合器。光耦合器可直接与谐振腔的外表面接触或者与谐振腔的外表面间隔一定间隙，以实现期望的临界耦合。图7A示出了作为WGM谐振腔的耦合器的有角抛光光纤头。具有有角端面的波导、例如平面波导或其它波导也可用作耦合器。图7B示出了作为WGM谐振腔的耦合器的微棱镜。还可使用其它渐逝波耦合器，例如，由光子能隙材料形成的耦合器。

在具有均匀指标的WGM谐振腔中，WG模式的电磁场的一部分位于谐振腔的外表面处。通常需要光耦合器与具有均匀指标的WGM谐振腔之间的间隙以实现适当的光耦合。这个间隙用于适当地“卸载”WG模式。通过WGM谐振腔的电介质材料的属性、谐振腔的形状、外部条件和耦合器(例如棱镜)的耦合强度，确定WG模式的Q因子。当所有参数被适当平衡以实现临界耦合条件时，可获得最大的Q因子。在具有均匀折射率的WGM谐振腔中，如果例如棱镜等的耦合器接触谐振腔的外表面，则耦合较强，这种装载能够使Q因子变小。因此，利用表面与耦合器之间的间隙以减少耦合并增大Q因子。通常，这个间隙非常小，例如，小于被耦合至WG模式的光的一个波长。可使用例如压电元件的精确定位设备以将这个间隙控制和保持在适当值。

图8A和8B示出了适于在本申请的激光设备中使用的可调谐电光WGM谐振腔1000的实施例。用于谐振腔1000的电光材料可以是任何适当的材料，包括电光晶体(例如，铌酸锂)和半导体多量子阱结构。一个或多个电极1011和1012可形成于谐振腔1000上以在存在WG模式的区域内应用控制电场来控制电光材料的性质和改变谐振腔的滤波功能。假设谐振腔1000具有如图6A或6B所示的盘形或环形几何形状，则电极1011可形成于谐振腔的顶部，电极1012可形成于谐振腔的底部，如图8B中的设备的侧视图所示。在一种实现中，电极1011和1012可构成RF或微波谐振腔，以应用RF或微波信号以随期望的光学WG模式共同传播。电极1011和1012可以是微带线电极。可施加变化的DC电压以调谐WGM频率，可应用RF或微波信号以调制WGM频率。

图9示出了激光设备的实施例，其中激光器被光耦合至可调谐回音壁模式光学谐振腔并且通过来自光学谐振腔的光学反馈而稳定至光学谐振腔。在这种实施例中，提供激光器控制单元以通过调谐激光器或调制激光器来控制激光器1，并且提供谐振腔控制单元以调谐或调制WG谐振腔。激光器控制单元和谐振腔控制单元可彼此相通，以在注入锁定操作条件下同时控制激光器1和谐振腔4。

例如，可同步激光频率和调谐谐振腔4的WGM频率。这种操作可通过将作为信号被谐振腔控制单元施加至谐振腔4的电压分离至激光器控制单元来实现。激光器控制单元施加该分离信号来控制驱动激光器1的电流。这种同时调谐激光器1和谐振腔4的操作能够增大激光设备的频率调谐范围。

综上所述，通过将激光器输出耦合入光学谐振腔、以及将激光耦合出回音壁模式下的激光，可由回音壁模式光学谐振腔来控制和调谐可调谐激光器，其中光学谐振腔由电光材料制成以支持回音壁模式。然后，从光学谐振腔耦合出的激光被光学注回到激光器内，以稳定回音壁模式频率处的激光频率和减小激光器的谱线宽度。可控制对激光器的控制信号和/或被施加至光学谐振腔的电光材料的电压，以在稳定回音壁模式的频率处的激光频率时调谐激光频率。在这种情况下，可实现各种操作。作为一个实施例，可调制被施加至光学谐振腔的电光材料的电压以调制激光频率。作为另一个实施例，可调制被施加至光电谐振腔的电光材料的电压以调制来自激光器的激光输出，同时调谐对激光器的控制信号以调谐激光频率。

图10示出了紧凑激光设备的实施例，其中激光器被光耦合至可调谐回音壁模式光学谐振腔并且通过来自光学谐振腔的光学反馈而稳定至光学谐振腔。这种紧凑激光设备包括在紧凑封装内安装有其它元件的底板。如图所示，半导体激光器安装在底板上，并且响应于电激光控制信号可调谐以产生激光频率的激光束。光学谐振腔安装在底板上，并且由电光材料制成，以支持在光学谐振腔内沿彼此相反的第一和第二方向循环的回音壁模式下的光。光耦合器安装在底板上，并且被光耦合至光学谐振腔，以将来自激光器的激光束的激光渐逝地耦合到光学谐振腔内作为回音壁模式下的激光，以及渐逝地耦合来自光学谐振腔的激光以产生反馈激光。透镜组安装底板上并且被光耦合于激光器与光学耦合器之间，以将激光束从激光器引至光耦合器和将反馈激光从光耦合器引入激光器。对于谐振腔，在光学谐振腔上形成电极以接收电谐振腔控制信号，在底板上形成电馈送导体以将电谐振腔控制信号应用于光学谐振腔的电极。

为了确保棱镜耦合器、谐振腔和激光器芯片之间的光束的垂直准直，将光学透明板安装在底板上、位于激光器和光学谐振腔之间的光学路径中，光学透明板设置可被调整以改变激光束与底板的高度。可调整杆可移动地置于槽保持器内，并且保持透明板以进行调整。谐振腔与棱镜耦合器之间的间隙由与光耦合器接合的位置控制器控制，并且可操作为控制光耦合器与光学谐振腔之间的间隙。

在另一方面，光耦合器耦合来自光学谐振腔的激光输出光束，激光设备包括光隔离器，光隔离器安装在底板上以接收作为激光设备的输出激光束的激光输出光束。

图11示出了用于图10中的紧凑激光器的封装实施例。这种封装包括芯片I/O连接器来为封装内的所有元件(例如，激光器控制单元和谐振腔控制单元)提供电输入和输出连接。

虽然本说明书包含许多细节，但这些细节不应该构成对本发明范围或所要求保护的范围的限制，而是针对本发明具体实施方式的特征的描述。在单独实施方式的情况下在本发明说明书中描述的特定特征还可与单个实施方式结合实现。反之，在单个实施方式的情况下描述的各种特征还可单独在多个实施方式或任何适当的子组合中实现。而且，尽管特征在上文被描述为作为特定组合实现，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可从组合中分离，所要求保护的组合可针对子组合或子组合的变体。

本文只公开了某些实现方式。然而可理解，可在基于本专利申请描述和图示内容的基础上进行改进和进行其它实现。