專利名稱：包含金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的波長(zhǎng)鎖定器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎖定光束的波長(zhǎng)到一個(gè)預(yù)定波長(zhǎng)，或者到多個(gè)預(yù)定波長(zhǎng)中的一個(gè)。本發(fā)明在光通信領(lǐng)域(將要在相關(guān)領(lǐng)域主要描述)具有特殊用途，但是本發(fā)明最廣泛的方面不限于光通信應(yīng)用。本發(fā)明特別涉及使用法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器的波長(zhǎng)鎖定。
該說(shuō)明書(shū)中，“光”和“光學(xué)”一般不僅指可見(jiàn)光，還包括電磁場(chǎng)發(fā)射的其他波長(zhǎng)的光，例如，波長(zhǎng)范圍大約為200nm到1mm的光，即，從紫外到遠(yuǎn)紅外。
波長(zhǎng)鎖定器已廣為人知并得到應(yīng)用，例如，用于確保由激光器產(chǎn)生的、在光通信網(wǎng)絡(luò)里傳輸?shù)墓庑盘?hào)具有正確的波長(zhǎng)。這是極為重要的，例如，在波分復(fù)用(WDM)光通信系統(tǒng)，甚至在密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)中，其中在一根光纖中使用多個(gè)波長(zhǎng)信道傳遞光信號(hào)。如果光信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)并不落在其正確預(yù)分配的波長(zhǎng)信道內(nèi)，就會(huì)產(chǎn)生例如信號(hào)的干擾和/或信號(hào)探測(cè)的問(wèn)題。
目前主要有兩個(gè)主要的通信波段，稱為C波段(191.6-196.2THz)和L波段(186.4-191.6THz)。這些波段中存在由國(guó)際通信協(xié)會(huì)(ITU)定義的標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)信道，間隔為100GHz(0.8nm)，50GHz(0.4nm)，或25GHz(0.2nm)。(未來(lái)，可能使用附加的波段、波段內(nèi)波長(zhǎng)信道的窄間隔)。因此需要將光信號(hào)的波長(zhǎng)“鎖定”在這些標(biāo)準(zhǔn)化的波長(zhǎng)，例如，波長(zhǎng)鎖定器用于此目的。
國(guó)際專利申請(qǐng)WO 02/39553(轉(zhuǎn)讓給Bookham技術(shù)PLC)公開(kāi)了一種使用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)鎖定器，在這種情況下波長(zhǎng)鎖定器基于馬赫-曾德干涉儀。
美國(guó)專利No.5798859公開(kāi)了一種基于一個(gè)或兩個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器的波長(zhǎng)鎖定器。使用兩個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器的波長(zhǎng)鎖定器在兩個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器之間等量分割從可調(diào)諧激光器中發(fā)出的光信號(hào)功率，所述標(biāo)準(zhǔn)器具有相似的，但是略微不同的波長(zhǎng)相關(guān)輸出響應(yīng)。選擇兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器的輸出響應(yīng)，使得它們?cè)陬A(yù)定輸入波長(zhǎng)(例如1550nm)的振幅相同。相應(yīng)的，如果輸入波長(zhǎng)不同于預(yù)定波長(zhǎng)，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器的輸出將相互偏離。波長(zhǎng)鎖定器的電子電路形成部分比較兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器的輸出，根據(jù)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器輸出的比率調(diào)整可調(diào)諧激光器的輸出波長(zhǎng)，使得它鎖定在預(yù)定(所需)波長(zhǎng)(即，從標(biāo)準(zhǔn)器輸出到激光器存在反饋)。該專利還公開(kāi)了以兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器鎖定器的類似方式使用單個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器的波長(zhǎng)鎖定器。在單標(biāo)準(zhǔn)器鎖定器中，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器透射的標(biāo)準(zhǔn)器的輸出具有依賴于標(biāo)準(zhǔn)器輸出(從標(biāo)準(zhǔn)器反射回去)的不同的波長(zhǎng)。選擇標(biāo)準(zhǔn)器使得透射和反射輸出在預(yù)定波長(zhǎng)(例如1550nm)具有相同的振幅，比較、反饋和調(diào)諧激光器使其鎖定到該預(yù)定波長(zhǎng)的發(fā)生方式與兩標(biāo)準(zhǔn)器波長(zhǎng)鎖定器相同。
根據(jù)第一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種波長(zhǎng)鎖定器，基本鎖定光束的波長(zhǎng)為預(yù)定波長(zhǎng)，波長(zhǎng)鎖定器包括布置的至少一個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器以接收光束的取樣部分，并從中產(chǎn)生至少一個(gè)輸出束，其強(qiáng)度依賴于取樣光束的波長(zhǎng)，其中法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器包括金剛石。
本發(fā)明的第二個(gè)方面是提供一種波長(zhǎng)漂移探測(cè)器，探測(cè)光束波長(zhǎng)從預(yù)定波長(zhǎng)的漂移，波長(zhǎng)漂移探測(cè)器包括布置的至少一個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器以接收光束的取樣部分，從中產(chǎn)生至少一個(gè)輸出束，其強(qiáng)度依賴于取樣光束的波長(zhǎng)，其中法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器包括金剛石。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明第一方面的波長(zhǎng)鎖定器和/或根據(jù)本發(fā)明第二方面的波長(zhǎng)漂移探測(cè)器包括依賴于標(biāo)準(zhǔn)器輸出的裝置，調(diào)整光束的波長(zhǎng)以減小或消除其從預(yù)定波長(zhǎng)的漂移。相應(yīng)的，本發(fā)明第二方面優(yōu)選包括一個(gè)根據(jù)本發(fā)明第一方面的波長(zhǎng)鎖定器。
標(biāo)準(zhǔn)器優(yōu)選包括一個(gè)輸入面和一個(gè)輸出面，它們是金剛石相對(duì)的面(例如，金剛石晶片)。優(yōu)選地，標(biāo)準(zhǔn)器的功能在金剛石材料內(nèi)部產(chǎn)生(例如，而不是在兩個(gè)空間隔開(kāi)的金剛石晶片的外表面之間產(chǎn)生)。
光束優(yōu)選包括光信號(hào)，光束的取樣部分優(yōu)選包括光信號(hào)的取樣部分。
如上所述，已經(jīng)知道了使用一個(gè)或多個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器的波長(zhǎng)鎖定器，例如從美國(guó)專利No.5798859獲知。根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)鎖定器可能在美國(guó)專利中描述，除了以下這點(diǎn)，替換(每個(gè))從空間分開(kāi)的部分反射鏡形成的標(biāo)準(zhǔn)器(空氣或其他氣體填充在反射鏡之間的空間，如專利中所述)或一些其他通常的標(biāo)準(zhǔn)器，該標(biāo)準(zhǔn)器包括金剛石。相應(yīng)的，美國(guó)專利No.5798859的整個(gè)公開(kāi)內(nèi)容在此引用作為參考。
在波長(zhǎng)鎖定器(或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器)中使用金剛石作為標(biāo)準(zhǔn)器材料具有多個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。
第一，金剛石具有高的折射率。例如，其在1550nm處測(cè)量的折射率大約為2.39(例如和石英玻璃比較，其折射率在相同的波長(zhǎng)大約為1.44)。優(yōu)勢(shì)在于由金剛石形成的標(biāo)準(zhǔn)器在給定的自由光譜范圍內(nèi)在長(zhǎng)度上(沿著光學(xué)路徑測(cè)量)通?？梢钥s短，因而和普通具有低折射率的標(biāo)準(zhǔn)器相比，提高了緊湊度。(自由光譜范圍是標(biāo)準(zhǔn)器的一個(gè)指定特性，在下面將有討論。)因此，使用金剛石，波長(zhǎng)鎖定器的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器可以比普通的標(biāo)準(zhǔn)器小，這有可能是小型化的一般需要和光電系統(tǒng)集成的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。
高折射率金剛石的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于標(biāo)準(zhǔn)器的菲涅爾反射率足夠高，不需要提供反射膜(至少對(duì)于某些應(yīng)用)。因?yàn)槎喾N原因，去除對(duì)反射膜的需要是使用金剛石作為標(biāo)準(zhǔn)器材料的第二個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。它減少了制造步驟的數(shù)目，相應(yīng)的減少了制造成本。而且，它避免了隨著時(shí)間流逝由于吸收水影響標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)比率的潛在問(wèn)題(相應(yīng)的，金剛石標(biāo)準(zhǔn)器一般具有隨時(shí)間比普通覆蓋的標(biāo)準(zhǔn)器更穩(wěn)定的對(duì)比率)。而且，反射覆蓋層的避免使用防止了對(duì)這些覆蓋物的可能損壞(它們會(huì)阻止標(biāo)準(zhǔn)器正常運(yùn)作)。
下面的優(yōu)點(diǎn)也和使用金剛石作為標(biāo)準(zhǔn)器材料的第三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)有關(guān)，它具有高強(qiáng)度和堅(jiān)硬度，使其不易劃傷(如果未覆蓋)。
金剛石用作標(biāo)準(zhǔn)器的第四個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于它具有很好的熱穩(wěn)定性。例如，金剛石具有低的熱膨脹系數(shù)，折射率隨溫度改變系數(shù)也很低。這兩個(gè)屬性的組合使得標(biāo)準(zhǔn)器具有高度穩(wěn)定的自由光譜范圍和很好的波長(zhǎng)穩(wěn)定性(隨溫度變化)。
第五，也許是最重要的，金剛石作為標(biāo)準(zhǔn)器材料的優(yōu)勢(shì)在于，金剛石還具有極高的熱導(dǎo)率。這意味著在標(biāo)準(zhǔn)器中存在最小化的溫度梯度(即，整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器等溫)。該特性的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)器的溫度，特別是在使用過(guò)程中光束經(jīng)過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)器的區(qū)域可以被精確控制。例如，因?yàn)榻饎偸母邿釋?dǎo)率，通過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)器外部部分的溫度(例如，外表面，諸如標(biāo)準(zhǔn)器安裝的表面)，光束經(jīng)過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)部區(qū)域的溫度也就控制了，這是因?yàn)閮?nèi)部區(qū)域的溫度和標(biāo)準(zhǔn)器外部部分的溫度基本相同。
用作標(biāo)準(zhǔn)器材料(為本發(fā)明目的測(cè)量)的金剛石的這些屬性與石英玻璃屬性的大量比較列于下表
另外，金剛石的大的電磁場(chǎng)發(fā)射透射“窗口”(即，電磁場(chǎng)發(fā)射波長(zhǎng)可以穿透金剛石的大的范圍)使得金剛石適于用作波長(zhǎng)從大約200nm(UV)到大約1mm(遠(yuǎn)紅外)波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)器。
金剛石的化學(xué)惰性使得標(biāo)準(zhǔn)器易于清洗，它可以使用通常的任何清洗工藝，而不像其他材料在溫度高于500度時(shí)就處于氧化氣氛。
從美國(guó)專利No.5335245中獲知在CO2激光器的金剛石晶片窗口中使用法布里-珀羅干涉儀的原理。該專利描述了使用金剛石晶片作為激光器腔的窗口。通過(guò)正確選擇透射晶片的厚度，CO2激光器的某些譜發(fā)射線可以被抑制，而其他則不受抑制。然而，使用金剛石作為激光器腔的窗口與本發(fā)明中在波長(zhǎng)鎖定器中使用金剛石作標(biāo)準(zhǔn)器是截然不同的。美國(guó)5335245中描述的激光器，激光器的整個(gè)輸出通過(guò)金剛石晶片窗口透射，窗口僅阻斷了相應(yīng)于激光器材料一定譜線的波長(zhǎng)的透射(以完全被動(dòng)的方式)。相反，根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)鎖定器(或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器)中金剛石標(biāo)準(zhǔn)器優(yōu)選以主動(dòng)的方式用作反饋機(jī)制的一部分，其主動(dòng)探測(cè)光束中的波長(zhǎng)漂移，主動(dòng)使用信息調(diào)整光束波長(zhǎng)使其鎖定在所需波長(zhǎng)。而且通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器接收光束的一個(gè)取樣部分(例如小于10％，諸如功率的2％和4％之間)就可實(shí)現(xiàn)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)鎖定器和/或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器的優(yōu)選包括依賴于法布里-珀羅金剛石標(biāo)準(zhǔn)器輸出的裝置，調(diào)整光束的波長(zhǎng)以減小或消除其從預(yù)定波長(zhǎng)的漂移。優(yōu)選的，這種調(diào)整裝置包括電子裝置以控制產(chǎn)生光束的光源。
波長(zhǎng)鎖定器和/或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器可以遠(yuǎn)離光源，在這種情況下，調(diào)整裝置優(yōu)選為傳輸控制信號(hào)到光源以調(diào)整光束的波長(zhǎng)。然而優(yōu)選的，波長(zhǎng)鎖定器或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器包括光束的光源。
如前面早先所述，光束優(yōu)選為光信號(hào)，例如通信光信號(hào)。
本發(fā)明的第三個(gè)方面是提供一種光信號(hào)發(fā)射機(jī)，包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的波長(zhǎng)鎖定器或根據(jù)本發(fā)明第二方面的波長(zhǎng)漂移探測(cè)器。優(yōu)選的，光信號(hào)發(fā)射機(jī)包括產(chǎn)生光信號(hào)的光源。
光束的光源優(yōu)選包括激光器。激光器可以是可調(diào)諧激光器(即激光器的輸出可以在一個(gè)較寬的波長(zhǎng)范圍變化，通常至少為70nm)?？商鎿Q的方案是，激光器可以是固定波長(zhǎng)激光器(其輸出仍然可以在很小的波長(zhǎng)范圍內(nèi)調(diào)整以允許將被校正的波長(zhǎng)漂移)。
本發(fā)明的第四個(gè)方面是在根據(jù)本發(fā)明第一方面的波長(zhǎng)鎖定器、或者根據(jù)本發(fā)明第二方面的波長(zhǎng)漂移探測(cè)器、或者根據(jù)本發(fā)明第三方面的光信號(hào)發(fā)射機(jī)中，提供使用金剛石作為法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器。
金剛石標(biāo)準(zhǔn)器優(yōu)選包括單晶金剛石。
有利的是，金剛石也可以是合成金剛石。金剛石可以例如由化學(xué)氣相淀積形成。
更為有利的是，金剛石標(biāo)準(zhǔn)器盡可能無(wú)缺陷(例如，摻雜和/或條紋)。
本發(fā)明中用作標(biāo)準(zhǔn)器的優(yōu)選金剛石可以使用與本申請(qǐng)同時(shí)提交的、由Element Six Limited提交的英國(guó)專利申請(qǐng)“光學(xué)質(zhì)量金剛石材料”(Optical Quality Diamond Material)中描述的方法生產(chǎn)。該專利申請(qǐng)描述了通過(guò)使用碳源(優(yōu)選為甲烷氣體)、精確控制合成環(huán)境，通過(guò)化學(xué)氣相淀積碳到金剛石襯底上形成合成金剛石。
本發(fā)明中使用的金剛石樣品由Element Six BV提供，經(jīng)過(guò)其同意，僅用于本發(fā)明的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?br> 優(yōu)選的，金剛石標(biāo)準(zhǔn)器包括一個(gè)輸入面和一個(gè)相對(duì)的輸出面，它們以標(biāo)準(zhǔn)器厚度d的距離分隔。標(biāo)準(zhǔn)器的輸入和輸出面優(yōu)選為基本是平的，并優(yōu)選為基本是平行的平面。標(biāo)準(zhǔn)器的輸入和輸出面是部分反射的，優(yōu)選是拋光的。
已經(jīng)知道，標(biāo)準(zhǔn)器的自由光譜范圍(FSR)定義為(以頻率方式)FSR＝c/2nd其中c是光速n是標(biāo)準(zhǔn)器材料(即金剛石)的折射率d是標(biāo)準(zhǔn)器的厚度(即輸入面和輸出面之間的距離)自由光譜范圍是在標(biāo)準(zhǔn)器的頻率(或波長(zhǎng))相關(guān)輸出特性中的相鄰最大或最小值之間的頻率(或波長(zhǎng))間隔。
金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的厚度d優(yōu)選為至少是0.1mm，更優(yōu)選的為至少0.2mm，特別是至少0.5mm。金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的厚度d優(yōu)選為不超過(guò)5.0mm，更優(yōu)選的不超過(guò)4.0mm，特別是不超過(guò)2.0mm。標(biāo)準(zhǔn)器的厚度優(yōu)選范圍為1.0mm到1.5mm之間。優(yōu)選的，標(biāo)準(zhǔn)器的厚度為1.251mm(對(duì)于其中入射光束垂直入射標(biāo)準(zhǔn)器的輸入面的實(shí)施例)，進(jìn)而提供在1550nm處50GHz的自由光譜范圍。(這是因?yàn)槌鲇诒景l(fā)明目的，在該波長(zhǎng)處測(cè)量的金剛石的折射率為2.3964)。(50GHz的自由光譜范圍的優(yōu)勢(shì)在后面解釋)。
標(biāo)準(zhǔn)器的調(diào)制深度特性依賴于標(biāo)準(zhǔn)器表面的菲涅爾反射率。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器的表面可以看作兩個(gè)透射介質(zhì)之間的界面，即金剛石材料和其他與該金剛石材料直接相鄰的介質(zhì)。對(duì)于其中金剛石材料沒(méi)有覆蓋層的本發(fā)明的實(shí)施例，直接與金剛石材料相鄰的透射介質(zhì)一般是空氣(這也不是必須的情況)。標(biāo)準(zhǔn)器每個(gè)面的反射率(R)由下面的公式給出R＝((nt-ni)/(nt+ni))2其中ni是入射介質(zhì)的折射率nt是透射介質(zhì)的折射率對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)器的輸入面，入射介質(zhì)將是空氣(或者其他直接與金剛石材料輸入面的外部直接相鄰的介質(zhì))，透射介質(zhì)將是金剛石材料。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)器的輸出面，入射介質(zhì)將是金剛石材料，透射介質(zhì)將是空氣(或是其他與金剛石材料的輸出面的外面直接相鄰的介質(zhì))。
標(biāo)準(zhǔn)器的調(diào)制特性可以通過(guò)最大透射(峰)和最小透射(谷)的比值定義，稱為對(duì)比率(CR)。
CR＝Tmax/Tmin對(duì)比率還可以由標(biāo)準(zhǔn)器反射率定義CR＝((1+R)/(1+R))2標(biāo)準(zhǔn)器的插入損耗(IL)通過(guò)從理想透射率(100％)減去最大透射(峰)決定。
IL＝1-Tmax參考附圖，通過(guò)實(shí)例描述本發(fā)明，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)鎖定器或光信號(hào)發(fā)射機(jī)的一個(gè)實(shí)施例的視圖；圖2的圖闡述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的透射和反射的光信號(hào)與波長(zhǎng)的依賴關(guān)系。
圖3示出了用于提供波長(zhǎng)鎖定的圖2中的透射和反射的光信號(hào)之間預(yù)設(shè)的差；和圖4是根據(jù)本發(fā)明波長(zhǎng)鎖定器的一個(gè)實(shí)施例中分光器功能的結(jié)構(gòu)闡述。
圖1示出了，根據(jù)本發(fā)明的波長(zhǎng)鎖定器或光信號(hào)發(fā)射機(jī)的實(shí)施例，包括激光器設(shè)備10，該激光器設(shè)備既可以是固定波長(zhǎng)激光器例如分布反饋激光器(DFB)，也可以是可調(diào)諧波長(zhǎng)激光器例如分布布拉格反射器(DBR)，在激光器子組件101上安裝有熱敏電阻122。激光器設(shè)備10發(fā)出的光被準(zhǔn)直透鏡12準(zhǔn)直并經(jīng)過(guò)光學(xué)隔離器13以平行光束B(niǎo)透射。束B(niǎo)然后進(jìn)入分束器/標(biāo)準(zhǔn)器組件11，其包括光學(xué)分束器裝置15，法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器16和一對(duì)光電二極管17&18。法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器16包括單晶合成金剛石。金剛石標(biāo)準(zhǔn)器具有輸入面26和輸出面36(見(jiàn)圖4)，它們以標(biāo)準(zhǔn)器的厚度d的距離分開(kāi)(其中結(jié)合金剛石的折射率，決定了標(biāo)準(zhǔn)器的自由光譜范圍)。輸入和輸出面26和36是高度拋光的，不含有任何反射覆蓋物(或其他覆蓋物)。優(yōu)選的金剛石厚度d為1.251mm，以提供50GHz的自由光譜范圍。
波長(zhǎng)鎖定器中的激光器子組件101和其他光學(xué)部件都放置在具有高熱導(dǎo)率的光學(xué)部件板121上。根據(jù)波長(zhǎng)分束器/標(biāo)準(zhǔn)器組件的特殊應(yīng)用，分束器/標(biāo)準(zhǔn)器組件11的光學(xué)輸出可以通過(guò)第二個(gè)光學(xué)隔離器(未示出)耦合。
光電二極管17，18的電信號(hào)S1和S2連接到控制電子設(shè)備21，其反過(guò)來(lái)連接到激光二極管以提供激光器操作波長(zhǎng)的閉環(huán)反饋控制。激光二極管設(shè)備10優(yōu)選的發(fā)射光輸出到DWDM光通信系統(tǒng)。放置熱敏電阻122以與激光二極管設(shè)備10相鄰，以維持激光器溫度的正確控制，這是因?yàn)樵诠鈱W(xué)配置中激光器對(duì)于由溫度變化導(dǎo)致的波長(zhǎng)變化具有最高的敏感度。
激光二極管設(shè)備10發(fā)出的光被透鏡12(位于激光器前表面附近)準(zhǔn)直，以提供分束器/標(biāo)準(zhǔn)器組件中(特別對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)器16)到光學(xué)部件的平面波前。
參考圖4，分束器15(概念上是一個(gè)立方體)是一個(gè)包括光入口，光出口和入口/出口端口的四端口光學(xué)部件。分束器設(shè)備能夠例如是平板型分束器，或者立方型分束器。分束器部分透射激光二極管10發(fā)射的準(zhǔn)直光束，向上到達(dá)輸出光學(xué)裝置或者進(jìn)一步到達(dá)共同封裝的電-光設(shè)備，例如，調(diào)制器(進(jìn)一步到達(dá)光通信網(wǎng)絡(luò))。分束器15轉(zhuǎn)移準(zhǔn)直光束B(niǎo)功率的一小部分B1，一般4％，因此準(zhǔn)直光束功率的96％可在輸出B’獲得。4％的取樣光束B(niǎo)1，與準(zhǔn)直光束B(niǎo)基本垂直，直接導(dǎo)向到金剛石標(biāo)準(zhǔn)器。金剛石標(biāo)準(zhǔn)器具有波長(zhǎng)相關(guān)透射和反射特性，分別是B2(取樣光束B(niǎo)1的透射輸出部分)和B3，(取樣光束B(niǎo)1的反射輸出部分)。金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的反射部分B3，經(jīng)過(guò)分束器橫向返回，再一次與主準(zhǔn)直光束B(niǎo)基本垂直。因?yàn)榉质骶哂?6％的透射率，標(biāo)準(zhǔn)器的反射輸出B3，經(jīng)過(guò)分束器作為光束B(niǎo)3出現(xiàn)，一小部分B3·被反射并且在光學(xué)隔離器13中損耗。
(光學(xué)設(shè)計(jì)的一方面是分束器允許主光束B(niǎo)/B’的基本零漂移，這樣保持光軸筆直。這對(duì)于共同封裝的模塊應(yīng)用尤為重要，避免了偏置光輸入進(jìn)入例如后續(xù)的半導(dǎo)體光-電調(diào)制器。)已經(jīng)陳述，金剛石標(biāo)準(zhǔn)器16具有透射輸出B2和反射輸出B3，(其在經(jīng)過(guò)分束器之后變成B3)。標(biāo)準(zhǔn)器的透射輸出B2的強(qiáng)度由光電二極管17探測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)器的反射輸出B3的強(qiáng)度由光電二極管18探測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)器的這些透射和反射輸出具有波長(zhǎng)相關(guān)特性，圖2中示出了它們的典型曲線。上面的曲線(黑)是透射輸出特性，下面的曲線(淺)是反射輸出特性。
從對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器透射和反射輸出特性之間的差的電子處理過(guò)程中獲得波長(zhǎng)鎖定。如前面早先所述，標(biāo)準(zhǔn)器的自由光譜范圍是輸出特性中相鄰最大或最小值之間的頻率差(該頻率差對(duì)于透射和反射特性來(lái)說(shuō)都相同)。相應(yīng)的，利用透射和反射輸出特性間的差，使用具有2XGHz自由光譜范圍的標(biāo)準(zhǔn)器，能夠鎖定到具有XGHz間隔的頻率。
優(yōu)選選擇金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的厚度，使得標(biāo)準(zhǔn)器的透射和反射輸出特性都具有50GHz的自由光譜范圍(FSR)。金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的高折射率使得對(duì)比率接近2，以便透射和反射特性之間的差如圖3所示。為了允許鎖定到25GHz ITU柵格頻率，選擇差特性的振幅使得鎖定點(diǎn)大約或正好是25GHz。在校準(zhǔn)過(guò)程中，控制單元21中包含絕對(duì)對(duì)比率的小的變化。
有利的是，金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的高折射率避免了為獲得25GHz波長(zhǎng)鎖定點(diǎn)而需要使用很厚的標(biāo)準(zhǔn)器。很明顯，使用小的標(biāo)準(zhǔn)器能夠獲得50GHz和25GHz鎖定點(diǎn)的能力有助于減少波長(zhǎng)分束器/標(biāo)準(zhǔn)器組件11中的空間需求。
在分束器/標(biāo)準(zhǔn)器組件11的制造中，金剛石標(biāo)準(zhǔn)器16在分束器/標(biāo)準(zhǔn)器組件11中主動(dòng)角對(duì)準(zhǔn)以獲得在ITU柵格中心點(diǎn)信道的鎖定，進(jìn)而最小化了在邊緣的極端信道處例如C波段(191.6-196.2THz)中任何自由光譜范圍(FSR)的偏離(walk off)。
參考圖1，光電二極管17和18將從金剛石標(biāo)準(zhǔn)器透射的和反射的光功率轉(zhuǎn)換成光電流以分別提供電信號(hào)S1和S2。優(yōu)選的，這些信號(hào)與控制電子設(shè)備21連接。每個(gè)光電二極管將入射光轉(zhuǎn)換成光電流，響應(yīng)度一般為1mA/mW，即一階，光電流直接正比于光功率。每個(gè)光電二極管一般與入射其上的光以2°放置，以減少返回光學(xué)系統(tǒng)的光反射。每個(gè)光電二極管旋轉(zhuǎn)，與另一個(gè)相對(duì)，例如圖1中所示，使得從金剛石標(biāo)準(zhǔn)器探測(cè)到的信號(hào)的光學(xué)相位差減小。這在允許探測(cè)的光功率在決定主光束光學(xué)功率即用作功率監(jiān)視器時(shí)是極為有利的。該應(yīng)用的合適的光電二極管從LGP Electro Optics，Woking，Surrey，UK獲得，例如，部件序列GAP1060。
光電二極管信號(hào)S1和S2為控制電子設(shè)備21提供輸入。這些信號(hào)然后被緩沖并輸入到一個(gè)包括對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)相位轉(zhuǎn)換的差分放大器。優(yōu)選的實(shí)施例中，通過(guò)應(yīng)用25GHz和50GHz情況下反射和透射光強(qiáng)度的差，鎖定的波長(zhǎng)在標(biāo)準(zhǔn)器透射特性的振幅的66％、標(biāo)準(zhǔn)器反射特性振幅的34％處獲得。
激光器設(shè)備10一般在ITU波長(zhǎng)處操作，S1和S2之間的差和一個(gè)存儲(chǔ)在控制電子設(shè)備21中的參考值進(jìn)行比較。根據(jù)激光器設(shè)備10的波長(zhǎng)控制裝置，控制電子設(shè)備然后進(jìn)行操作(使用合適的控制信號(hào)裝置以調(diào)整激光器波長(zhǎng)，S3)，使得光電二極管差信號(hào)和存儲(chǔ)的參考值相同。因?yàn)楣怆姸O管操作波長(zhǎng)對(duì)溫度和驅(qū)動(dòng)電流或電場(chǎng)都敏感，操作波長(zhǎng)的閉環(huán)控制可以通過(guò)改變激光器電學(xué)操作條件或通過(guò)改變激光器操作溫度執(zhí)行。如果激光器波長(zhǎng)從所需值改變，光電二極管差信號(hào)偏離存儲(chǔ)值，控制電子設(shè)備21產(chǎn)生一個(gè)和該偏離成比例的誤差信號(hào)。通過(guò)正確配置誤差信號(hào)的極性，S3可以被導(dǎo)引到調(diào)整激光器設(shè)備10返回到正確的ITU波長(zhǎng)，這樣將誤差最小化并保持激光器在所需操作波長(zhǎng)。這樣構(gòu)成了反饋控制回路。在激光器設(shè)備10是可調(diào)諧激光器的情況，控制電子設(shè)備需要適合每個(gè)所需激光器設(shè)備波長(zhǎng)并相應(yīng)驅(qū)動(dòng)激光器調(diào)整裝置，同時(shí)采取適當(dāng)?shù)拿總€(gè)ITU操作波長(zhǎng)的存儲(chǔ)參考值。用于單波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)操作波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的示例性存儲(chǔ)裝置是查找表。
控制電子設(shè)備21中的存儲(chǔ)值在生產(chǎn)的工廠測(cè)試過(guò)程中決定，這樣存儲(chǔ)參考值對(duì)于測(cè)試和鎖定波長(zhǎng)都是特定的，特定單元進(jìn)行測(cè)試，構(gòu)成了一個(gè)預(yù)定的參考值。通過(guò)依次測(cè)試每個(gè)操作波長(zhǎng)和在控制電子設(shè)備21中存儲(chǔ)相應(yīng)的參考值，每個(gè)操作波長(zhǎng)可以被設(shè)置成在特定的精度內(nèi)與ITU柵格相匹配。同時(shí)S1和S2之間的差是與存儲(chǔ)的參考值相比較的量，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知道從S1和S2偏移的其他數(shù)據(jù)可以和適當(dāng)存儲(chǔ)的預(yù)定參考值或設(shè)定值進(jìn)行比較。
控制電子設(shè)備中的差信號(hào)的相位轉(zhuǎn)換操作依賴于鎖定的波長(zhǎng)。相位轉(zhuǎn)換在鎖定的頻率具有25GHz的間隔時(shí)是需要的，因?yàn)檫@位于和50GHz的標(biāo)準(zhǔn)器特性的相對(duì)側(cè)，見(jiàn)圖3。相位轉(zhuǎn)換可以應(yīng)用于控制電子設(shè)備21內(nèi)的任何合適點(diǎn)例如，應(yīng)用到光電二極管差信號(hào)產(chǎn)生的誤差信號(hào)和在控制電子設(shè)備中存儲(chǔ)的參考信號(hào)振幅。
上面描述的波長(zhǎng)鎖定器僅是可以使用金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的一個(gè)波長(zhǎng)鎖定器實(shí)例。以其他方式和/或使用多于一個(gè)金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的波長(zhǎng)鎖定器(例如，美國(guó)專利No.5798859中描述的)都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種波長(zhǎng)鎖定器，基本鎖定光束的波長(zhǎng)到一設(shè)定的波長(zhǎng)，所述波長(zhǎng)鎖定器包括布置的至少一個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器以接收光束的取樣部分和從中產(chǎn)生至少一個(gè)輸出束，其強(qiáng)度依賴于取樣光束的波長(zhǎng)，其中法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器包括金剛石。
2.一種波長(zhǎng)漂移探測(cè)器，探測(cè)光束波長(zhǎng)從預(yù)定波長(zhǎng)的漂移，所述波長(zhǎng)漂移探測(cè)器包括布置的至少一個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器以接收光束的取樣部分以從中產(chǎn)生至少一個(gè)輸出束，其強(qiáng)度依賴于取樣光束的波長(zhǎng)，其中法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器包括金剛石。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)鎖定器，或根據(jù)權(quán)利要求2所述的波長(zhǎng)漂移探測(cè)器，進(jìn)一步包括調(diào)整裝置，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)器的輸出來(lái)調(diào)整光束的波長(zhǎng)以減小或消除它從預(yù)定波長(zhǎng)的漂移。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的波長(zhǎng)鎖定器或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器，其中調(diào)整裝置包括控制電子設(shè)備。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的波長(zhǎng)鎖定器或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器，其中布置調(diào)整裝置是為了控制產(chǎn)生光束的光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波長(zhǎng)鎖定器或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器，其中光源遠(yuǎn)離波長(zhǎng)鎖定器或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器，所述調(diào)整裝置將控制信號(hào)傳輸?shù)焦庠匆哉{(diào)整光束的波長(zhǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的波長(zhǎng)鎖定器或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器，其中光源包括波長(zhǎng)鎖定器或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器的一部分。
8.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的波長(zhǎng)鎖定器或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器，其中光束包括光信號(hào)，光束的取樣部分包括光信號(hào)的取樣部分。
9.一種光信號(hào)發(fā)射機(jī)，包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的波長(zhǎng)鎖定器或波長(zhǎng)漂移探測(cè)器，所述光信號(hào)發(fā)射機(jī)包括產(chǎn)生光信號(hào)的光源。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或任一基于權(quán)利要求5的權(quán)利要求中所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器或發(fā)射機(jī)，其中光源包括激光器。
11.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器或光信號(hào)發(fā)射機(jī)中，金剛石用作法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)器。
12.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的波長(zhǎng)鎖定器，漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中金剛石包括單晶金剛石。
13.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中金剛石是合成金剛石。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中金剛石由化學(xué)氣相淀積形成。
15.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中金剛石基本是無(wú)缺陷的。
16.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中金剛石標(biāo)準(zhǔn)器包括一個(gè)部分反射輸入面和一個(gè)相對(duì)的部分反射輸出面，它們被一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器的厚度分開(kāi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中輸入和輸出面基本是平的，其放置在基本平行的平面中。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求17所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中輸入和輸出面是拋光的。
19.根據(jù)權(quán)利要求16到18中任一項(xiàng)的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中輸入面和/或輸出面是沒(méi)有覆蓋物的。
20.根據(jù)權(quán)利要求16到19中任一項(xiàng)的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的厚度至少是0.1mm，優(yōu)選為至少0.2mm，特別是至少為0.5mm。
21.根據(jù)權(quán)利要求16到20中任一項(xiàng)的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的厚度不超過(guò)5.0mm，優(yōu)選為不超過(guò)4.0mm，特別是不超過(guò)2.0mm。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或權(quán)利要求21的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中金剛石標(biāo)準(zhǔn)器的厚度范圍從1.0mm到1.5mm，優(yōu)選的厚度為1.25mm。
23.根據(jù)上述任一項(xiàng)權(quán)利要求中所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中金剛石標(biāo)準(zhǔn)器具有透射波長(zhǎng)相關(guān)輸出特性和反射波長(zhǎng)相關(guān)輸出特性，它們中的每個(gè)都有2XGHz的自由光譜范圍，允許波長(zhǎng)鎖定點(diǎn)在2XGHz和XGHz的間隔。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中在XGHz間隔的波長(zhǎng)鎖定點(diǎn)由標(biāo)準(zhǔn)器的透射波長(zhǎng)相關(guān)輸出特性和反射波長(zhǎng)相關(guān)輸出特性之間的差決定。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中透射波長(zhǎng)相關(guān)輸出特性和反射波長(zhǎng)相關(guān)輸出特性之間的差的振幅預(yù)先設(shè)定，使得波長(zhǎng)鎖定點(diǎn)相隔XGHz。
26.根據(jù)權(quán)利要求23到25中任一項(xiàng)所述的波長(zhǎng)鎖定器、漂移探測(cè)器、發(fā)射機(jī)或應(yīng)用，其中X是25。
全文摘要
一種波長(zhǎng)鎖定器，用于鎖定光束波長(zhǎng)基本到一預(yù)定波長(zhǎng)，包括布置的至少一個(gè)法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)器以接收光束的取樣部分和從中產(chǎn)生至少一個(gè)輸出束，其強(qiáng)度依賴于取樣光束的波長(zhǎng)。法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)器包括金剛石。優(yōu)選的金剛石標(biāo)準(zhǔn)器是單晶合成金剛石，具有高度拋光的沒(méi)有任何反射覆蓋層的輸入面和輸出面。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1714486SQ200380103720
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2003年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月21日
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