專利名稱：用于鎖定到可調(diào)諧激光器的傳輸峰值的查找及跟蹤控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及激光器，更具體來說，涉及可調(diào)諧激光器。
背景信息波分復(fù)用(WDM)是一種用于通過相同光纖同時(shí)傳送多個(gè)信道的數(shù)據(jù)的技術(shù)。在發(fā)射機(jī)端，對(duì)于各信道采用具有不同波長(zhǎng)(顏色)的光來調(diào)制不同的數(shù)據(jù)信道。光纖可通過這種方式同時(shí)攜帶多個(gè)信道。在接收端，采用適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)濾波技術(shù)在解調(diào)之前可易于分離這些復(fù)用信道。通過光纖傳送更大量的數(shù)據(jù)的需要產(chǎn)生了所謂的密集波分復(fù)用(DWDM)。DWDM涉及把附加信道封裝到給定帶寬空間中。DWDM系統(tǒng)中的相鄰信道之間所得到的更窄間隔要求來自發(fā)射激光二極管的精確波長(zhǎng)精確度。可調(diào)諧激光器提供節(jié)省成本的靈活選擇供光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用使用。單個(gè)可調(diào)諧激光器可取代DWDM鏈路中的數(shù)百個(gè)固定波長(zhǎng)激光器的任一個(gè)，因而為降低成本提供了極大的可能性。它們還允許對(duì)陣列中激光器之間的波長(zhǎng)間隔的精確控制。調(diào)諧激光振蕩頻率的能力還放寬了制造公差，并且有助于健壯的激光器組件，它們可調(diào)諧為補(bǔ)償環(huán)境溫度變化以及因老化作用引起的漂移?？烧{(diào)諧激光器還提供允許靈活的網(wǎng)絡(luò)管理以及適合于重新配置的優(yōu)點(diǎn)。這提供可便捷地適應(yīng)新的顧客服務(wù)的更有效的帶寬使用。對(duì)于測(cè)試和測(cè)量使用、光學(xué)組件的波長(zhǎng)表征、光纖網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用，對(duì)可調(diào)諧激光器存在不斷增長(zhǎng)的需求。在密集波分復(fù)用(DWDM)光纖系統(tǒng)中，多個(gè)分開的數(shù)據(jù)流同時(shí)在單一光纖中傳播，其中各數(shù)據(jù)流通過在特定信道頻率或波長(zhǎng)的激光器的調(diào)制輸出來創(chuàng)建。當(dāng)前，以波長(zhǎng)計(jì)大約0.4納米或者大約50GHz的信道間隔是可實(shí)現(xiàn)的，在當(dāng)前可用的光纖和光纖放大器的帶寬范圍內(nèi)允許多達(dá)128個(gè)信道由單一光纖承載。更大的帶寬要求將來很可能產(chǎn)生更小的信道間隔。DWDM系統(tǒng)在很大程度上基于分布式反饋(DFB)激光器，它與反饋控制環(huán)中關(guān)聯(lián)的參考標(biāo)準(zhǔn)具配合工作，其中參考標(biāo)準(zhǔn)具定義國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)波長(zhǎng)網(wǎng)格。與各個(gè)DFB激光器的制造關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計(jì)變化產(chǎn)生波長(zhǎng)網(wǎng)格上的信道中心波長(zhǎng)的分布，因而各個(gè)DFB發(fā)射機(jī)僅可用于單個(gè)信道或者少量相鄰信道。已經(jīng)研制連續(xù)可調(diào)外腔激光器來克服各個(gè)DFB裝置的限制。已經(jīng)研制各種激光調(diào)諧機(jī)構(gòu)來提供外腔波長(zhǎng)選擇，例如用于透射和反射中的機(jī)械調(diào)諧光柵。外腔激光器應(yīng)當(dāng)能夠以可選擇波長(zhǎng)來提供穩(wěn)定的單模輸出，同時(shí)有效地抑制與處于腔的增益帶寬內(nèi)的外腔模關(guān)聯(lián)的激光發(fā)射。這些目標(biāo)一直難以實(shí)現(xiàn)，并且相應(yīng)地需要一種以可選擇波長(zhǎng)提供穩(wěn)定的單模操作的外腔激光器。
附圖簡(jiǎn)介通過結(jié)合附圖參照以下詳細(xì)說明，將更好地理解本發(fā)明的上述方面以及許多附帶的優(yōu)點(diǎn)，附圖中，相似的參考標(biāo)號(hào)在各個(gè)視圖中表示相似部分，除非另有說明

圖1是外腔二極管激光器(ECDL)的一般實(shí)施例的示意圖；圖2是圖表，說明調(diào)制ECDL激光器腔的光路長(zhǎng)度對(duì)于激光模的頻率和激光器輸出強(qiáng)度的調(diào)制所具有的效果；圖3是圖表，說明調(diào)制激勵(lì)輸入信號(hào)和所得響應(yīng)輸出信號(hào)可如何結(jié)合以便計(jì)算解調(diào)誤差信號(hào)；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的ECDL的示意圖，其中，鈮酸鋰塊用作光路長(zhǎng)度調(diào)整元件；圖5是具有單模式帶寬控制器的可調(diào)諧激光器的腔鎖定過程的時(shí)間響應(yīng)的圖表；以及圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例、具有多帶寬模式控制器的可調(diào)諧激光器的腔鎖定過程的圖表。
詳細(xì)說明公開用于執(zhí)行在信道變化期間鎖定外腔二極管激光器(ECDL)的腔長(zhǎng)度的波長(zhǎng)鎖定的伺服或控制技術(shù)和設(shè)備的實(shí)施例。在以下描述中，提出了大量具體細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的透徹理解。但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)知道，可在沒有這些具體細(xì)節(jié)的一種或多種的情況下或者采用其它方法、組件、材料等來實(shí)施本發(fā)明。在其它情況下，沒有詳細(xì)描述和表示眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作，以免影響對(duì)本發(fā)明的若干方面的理解。本說明中提到“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”表示結(jié)合該實(shí)施例所述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”在本說明的各個(gè)位置中的出現(xiàn)不一定都指的是同一個(gè)實(shí)施例。此外，具體特征、結(jié)構(gòu)或特性可通過任何適當(dāng)方式結(jié)合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中。作為概述，圖1中表示可用于實(shí)現(xiàn)以下所述的本發(fā)明的若干方面的ECDL 100的一般實(shí)施例。ECDL 100包括其中包含二極管增益芯片102的增益介質(zhì)。二極管增益芯片102包括法布里-珀羅二極管激光器，其中包括部分反射前小面104以及涂敷了抗反射(AR)涂層以使其表面的反射最小的基本上無反射的后小面106。二極管增益芯片102可選地可包括在增益介質(zhì)上的彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)無反射后小面106。外腔元件包括二極管腔內(nèi)準(zhǔn)直透鏡108、調(diào)諧濾波元件110、腔長(zhǎng)度調(diào)制元件112以及反射元件114。一般來說，反射元件114可包括反射鏡、光柵、棱鏡或者也可代替元件110來提供調(diào)諧濾波功能的其它反射器或反向反射器。輸出側(cè)組件包括二極管輸出準(zhǔn)直透鏡116、光隔離器118以及聚焦輸出光束122使其進(jìn)入輸出光纖124的光纖聚焦透鏡120。ECDL 100的基本操作如下?？煽仉娏鱅被提供給二極管增益芯片102(增益介質(zhì))，從而在二極管結(jié)上產(chǎn)生電壓差，它產(chǎn)生光能量(光子)的發(fā)射。發(fā)出的光子在共同定義激光器腔的端部的部分反射前小面104與反射元件114之間來回傳遞。當(dāng)光子來回傳遞時(shí)，產(chǎn)生多個(gè)諧振或“激光”模。在激光模下，光能量(光子)的一部分臨時(shí)占據(jù)激光器外腔，如腔內(nèi)光束126所示；同時(shí)，激光器外腔中的光子的一部分最終通過部分反射前小面104。包含通過部分反射前小面104離開激光器腔的光子的光經(jīng)過二極管輸出準(zhǔn)直透鏡116，它使光準(zhǔn)直為輸出光束122。輸出光束則經(jīng)過光隔離器118。光隔離器用來防止反射回去的光重新進(jìn)入激光器外腔，并且一般是可選元件。在光束通過光隔離器之后，由光纖聚焦透鏡120使其進(jìn)入輸出光纖124。一般來說，輸出光纖124可包括偏振保持類型或單模類型、如SMF-28。通過輸入電流的適當(dāng)調(diào)制(一般對(duì)于高達(dá)2.5GHz的通信速率)或者通過輸出光束(未示出)的光路中設(shè)置的外部元件的調(diào)制(對(duì)于10GHz和40GHz通信速率)，數(shù)據(jù)可被調(diào)制在輸出光束上，以便產(chǎn)生光數(shù)據(jù)信號(hào)。這種信號(hào)可進(jìn)入光纖并根據(jù)光通信領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的做法通過基于光纖的網(wǎng)絡(luò)來傳送，從而提供極高帶寬的通信能力。ECDL的激光模是腔端部之間的總光路長(zhǎng)度(腔光路長(zhǎng)度)的函數(shù)；即，光通過各種光學(xué)元件和那些元件與由部分反射前小面104和反射元件114所規(guī)定的腔端部之間的空間時(shí)經(jīng)過的光路長(zhǎng)度。這包括二極管增益芯片102、二極管腔內(nèi)準(zhǔn)直透鏡108、調(diào)諧濾波元件110以及腔長(zhǎng)度調(diào)制元件112，再加上光學(xué)元件之間的路徑長(zhǎng)度(即通常為氣體、如空氣的占據(jù)ECDL腔的傳輸介質(zhì)的路徑長(zhǎng)度)。更準(zhǔn)確地說，總光路長(zhǎng)度是通過各光學(xué)元件和傳輸介質(zhì)的路徑長(zhǎng)度乘以那個(gè)元件或介質(zhì)的折射系數(shù)后的和。如上所述，在激光模下，光子以諧振頻率在腔端反射器之間來回傳遞，諧振頻率是腔光路長(zhǎng)度的函數(shù)。實(shí)際上，沒有調(diào)諧濾波元件，激光器將以多個(gè)頻率進(jìn)行諧振。為簡(jiǎn)潔起見，如果把外部激光器建模為法布里-珀羅腔，則這些頻率可由下式確定Cl=λx2n---(1)]]>其中λ＝波長(zhǎng)，Cl＝腔的長(zhǎng)度，x＝任意整數(shù)即1，2，3，...，以及n＝介質(zhì)的折射率。諧振頻率的數(shù)量由增益譜的寬度確定。此外，增益譜的形狀一般為具有中央峰的拋物線-因此，在中心波長(zhǎng)的各側(cè)的激光模(通常稱作邊模)的強(qiáng)度迅速下降。下面會(huì)進(jìn)一步詳細(xì)說明，各種技術(shù)可適用于“調(diào)諧”激光器，從而以對(duì)應(yīng)于預(yù)期通信信道的頻率產(chǎn)生光輸出信號(hào)。例如，這可通過調(diào)整一個(gè)或多個(gè)調(diào)諧元件、如調(diào)諧濾波元件110以產(chǎn)生腔光路長(zhǎng)度的相應(yīng)變化、從而改變激光模頻率來實(shí)現(xiàn)。調(diào)諧濾波元件衰減不希望的激光模，使得輸出光束實(shí)質(zhì)上包含具有窄帶寬的相干光。理想情況是，希望使與ECDL設(shè)計(jì)用于的各種信道頻率對(duì)應(yīng)的頻率范圍上的輸出光束的功率最大。雖然一種顯而易見的解決方案可能只是提供更多驅(qū)動(dòng)電流，但是，這單獨(dú)不起作用，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電流的變化改變二極管增益芯片的光學(xué)特性(例如光路長(zhǎng)度)。此外，許多二極管增益芯片僅在輸入電流的有限范圍上工作。根據(jù)本發(fā)明的若干方面，一種用于產(chǎn)生最大功率輸出的技術(shù)是通過相位控制調(diào)制來執(zhí)行“波長(zhǎng)鎖定”。在這種技術(shù)中，提供“抖動(dòng)”或調(diào)制信號(hào)以導(dǎo)致激光器腔的光路長(zhǎng)度中的相應(yīng)調(diào)制。這產(chǎn)生調(diào)制相移效應(yīng)，從而產(chǎn)生激光模的小調(diào)頻。這種調(diào)頻的結(jié)果產(chǎn)生輸出光束的強(qiáng)度(功率)的相應(yīng)調(diào)制、又稱作調(diào)幅。這種調(diào)幅可采用各種技術(shù)來檢測(cè)。在一個(gè)實(shí)施例中，在向激光二極管提供恒定電流時(shí)監(jiān)測(cè)激光二極管結(jié)電壓(激光二極管芯片102上的電壓差)，其中，電壓與輸出光束的強(qiáng)度成反比，例如，最小測(cè)量二極管結(jié)電壓對(duì)應(yīng)于最大輸出強(qiáng)度。在另一個(gè)實(shí)施例中，分束器用來分離輸出光束的一部分，使得分離部分的強(qiáng)度可由光電裝置、如光電二極管來測(cè)量。光電二極管所測(cè)量的強(qiáng)度與輸出光束的強(qiáng)度成正比。然后，所測(cè)量的調(diào)幅可用來產(chǎn)生解調(diào)誤差信號(hào)，它被反饋給伺服控制環(huán)，從而調(diào)整激光器的(實(shí)質(zhì)上)連續(xù)光路長(zhǎng)度，以便產(chǎn)生最大強(qiáng)度。上述方案在圖2中示意表示。該圖表表示功率輸出曲線(PO)，它說明當(dāng)激光模接近由信道頻率中心線200所表示的預(yù)期信道時(shí)產(chǎn)生的典型功率輸出曲線。采用相移調(diào)制方案的伺服環(huán)的目的是調(diào)整激光器腔中的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，使得激光振蕩頻率朝預(yù)期信道頻率移動(dòng)。這通過采用從激光模的調(diào)頻所產(chǎn)生的解調(diào)誤差信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。在這種技術(shù)中，調(diào)制信號(hào)被提供給腔中的光學(xué)元件、如光長(zhǎng)度調(diào)制元件112，以便調(diào)制腔的光路長(zhǎng)度。與激光的信道間隔相比，這種調(diào)制比較小。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，調(diào)制可能具有4MHz的偏移，而信道間隔為50GHz。調(diào)制信號(hào)202A、202B和202C分別對(duì)應(yīng)于(平均)激光頻率204A、204B和204C。激光頻率204A低于預(yù)期信道頻率，激光頻率204C高于預(yù)期信道頻率，而204B則接近預(yù)期信道頻率。每個(gè)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生輸出光束的強(qiáng)度中的相應(yīng)調(diào)制；這些強(qiáng)度調(diào)制分別表示為調(diào)制幅度波形206A、206B和206C。一般來說，強(qiáng)度調(diào)制可通過以上所述的用于確定輸出光束的強(qiáng)度的方式來測(cè)量。如圖2所示，波形206A、206B和206C的峰-谷幅度直接被它們相應(yīng)的調(diào)頻信號(hào)202A、202B和202C的調(diào)制限制與功率輸出曲線PO相交的點(diǎn)所牽制，例如調(diào)制信號(hào)202A的相交點(diǎn)208和210所示。這樣，當(dāng)激光頻率更接近預(yù)期信道頻率時(shí)，輸出光束的測(cè)量強(qiáng)度的峰-谷幅度減小。在激光頻率和信道頻率一致的點(diǎn)上，這個(gè)值變?yōu)樽钚?。此外，如圖3所示，腔長(zhǎng)度誤差可由下式導(dǎo)出 其中非斜體i是虛數(shù)，φ表示激勵(lì)輸入(即調(diào)制信號(hào)202A、202B和202C)與包含調(diào)幅輸出波形206A、206B和206C的響應(yīng)輸出之間的相位差，以及ω是調(diào)制的頻率。積分解可通過通常為以下所述類型的數(shù)字伺服環(huán)的謹(jǐn)慎時(shí)間抽樣方案來精確近似，如時(shí)間樣本標(biāo)記300所示。除了提供誤差幅度之外，上述方案還提供誤差方向。例如，當(dāng)激光頻率錯(cuò)誤地處于預(yù)期信道頻率的一側(cè)(所述實(shí)例中為更低)時(shí)，激勵(lì)和響應(yīng)波形實(shí)質(zhì)上將同相。這將產(chǎn)生正的總誤差值。相反，當(dāng)激光頻率處于預(yù)期信道頻率的另一側(cè)(在本例中為更高)時(shí)，激勵(lì)和響應(yīng)波形實(shí)質(zhì)上將異相。因此，總誤差值將為負(fù)的。一般來說，調(diào)制的波長(zhǎng)鎖定頻率ω應(yīng)當(dāng)被選擇為低于激光頻率的若干數(shù)量級(jí)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，范圍500Hz-100kHz中的調(diào)制頻率可與185-199THz的激光頻率配合使用。在圖4中，ECDL 400表示為包括ECDL 100公共的、具有相同參考標(biāo)號(hào)的各種元件，例如增益二極管芯片102、透鏡108、116和120等。信道選擇子系統(tǒng)可包括波長(zhǎng)選擇控制塊502。注意，雖然波長(zhǎng)選擇控制塊表示為處于控制器420的外部，但是，這個(gè)塊的控制方面可由控制器420單獨(dú)提供。波長(zhǎng)選擇控制塊502提供電氣輸出504和506，用于分別控制濾波器F1和F2的溫度。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度控制元件設(shè)置在圓形標(biāo)準(zhǔn)具的周邊，如TEC 508和510所示。嵌入濾波器內(nèi)部的加熱器也可用來控制標(biāo)準(zhǔn)具的溫度。相應(yīng)的RTD512和514用于向波長(zhǎng)選擇控制塊502返回溫度反饋信號(hào)。一般來說，標(biāo)準(zhǔn)具用于激光器腔中以提供濾波功能。它們用作法布里-珀羅諧振器。使光束通過標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)果在激光器輸出中產(chǎn)生一組傳輸峰值(又稱作通帶)。傳輸峰值的間隔(按照頻率，又稱作空閑譜范圍)取決于標(biāo)準(zhǔn)具的兩個(gè)面、例如濾波器F1的面516和518以及濾波器F2的面520和522之間的距離。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)具的溫度改變時(shí)，使標(biāo)準(zhǔn)具的材料膨脹或收縮，從而使面之間的距離變化。這有效地改變標(biāo)準(zhǔn)具的光路長(zhǎng)度，這可用于移動(dòng)傳輸峰值。濾波器的作用是累積的。因此，除所選信道激光模以外的所有激光模實(shí)質(zhì)上可通過對(duì)準(zhǔn)各濾波器的單個(gè)傳輸峰值來衰減。在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具的配置被選取，使得標(biāo)準(zhǔn)具的相應(yīng)空閑譜范圍略有不同。這使傳輸峰值能夠在與游標(biāo)尺所使用的類似的游標(biāo)微調(diào)技術(shù)下被校準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)施例中，稱作“網(wǎng)格生成器”的濾波器之一配置成具有對(duì)應(yīng)于通信信道網(wǎng)格、如ITU波長(zhǎng)網(wǎng)格的空閑譜范圍，而且峰值與ITU信道頻率對(duì)齊。通過將相應(yīng)網(wǎng)格生成器標(biāo)準(zhǔn)具的溫度保持在預(yù)定溫度，這個(gè)波長(zhǎng)網(wǎng)格實(shí)質(zhì)上保持固定。同時(shí)，稱作信道選擇器的另外的標(biāo)準(zhǔn)具的溫度經(jīng)過調(diào)整，以便相對(duì)網(wǎng)格生成器的來移動(dòng)其傳輸峰值。通過以這種方式移動(dòng)濾波器的傳輸峰值，對(duì)應(yīng)于信道頻率的傳輸峰值可被調(diào)準(zhǔn)，從而產(chǎn)生與所選信道頻率對(duì)應(yīng)的腔激光模。在另一個(gè)實(shí)施例中，兩種濾波器的傳輸峰值均被移動(dòng)，以便選擇信道。一般來說，這些方案的任一個(gè)可通過采用其中存儲(chǔ)了關(guān)于相應(yīng)信道的標(biāo)準(zhǔn)具溫度的信道-標(biāo)準(zhǔn)具濾波器溫度查找表來實(shí)現(xiàn)，如查找表524所示。查找表中的標(biāo)準(zhǔn)具溫度/信道值通?？赏ㄟ^校準(zhǔn)程序、通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來獲得，或者根據(jù)適合于調(diào)諧數(shù)據(jù)的調(diào)諧函數(shù)來計(jì)算。響應(yīng)輸入信道選擇444，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)具溫度從查找表524中被檢索，并采用本領(lǐng)域眾所周知的適當(dāng)溫度控制環(huán)路來用作標(biāo)準(zhǔn)具的目標(biāo)溫度。ECDL 400還可包括具有反射背面414的腔光路長(zhǎng)度調(diào)制元件412。更具體來說，腔光路長(zhǎng)度調(diào)制元件包括與后側(cè)反射鏡耦合的鈮酸鋰(LiNbO3)相位調(diào)制器。反射材料可選地可涂敷到相位調(diào)制器的背面。鈮酸鋰是一種當(dāng)在其上施加電壓時(shí)改變其折射率(光通過材料的速度與光通過真空的速度之比)的材料。因此，通過在LiNbO3相位調(diào)制器上提供調(diào)制電壓信號(hào)，可使激光器外腔的光路長(zhǎng)度調(diào)制或“抖動(dòng)”，從而產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)，例如以上所述的信號(hào)202A、202B和202C。ECDL 400的各種光學(xué)組件安裝或者耦合到熱可控基板或“基片”416上。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)熱電冷卻器(TEC)元件418、如珀耳帖元件安裝在基片416上或者集成到其中，使得基片的溫度可經(jīng)由輸入電信號(hào)精確控制。由于材料隨著溫度變化而膨脹和收縮，基片的長(zhǎng)度能夠極精確地調(diào)整。長(zhǎng)度的調(diào)整引起部分反射前小面104與反射元件414之間的距離的變化，從而產(chǎn)生激光器腔的光路長(zhǎng)度的變化。因此，控制基片的溫度可用來調(diào)整激光模的頻率。一般來說，基片的溫度控制將用于很細(xì)致的調(diào)諧調(diào)整，而通過調(diào)諧濾波元件110來進(jìn)行較粗略的調(diào)諧調(diào)整，下面會(huì)更詳細(xì)地說明。對(duì)于波長(zhǎng)鎖定，控制器420產(chǎn)生調(diào)制或“抖動(dòng)”波長(zhǎng)鎖定信號(hào)422，它由放大器424進(jìn)行放大。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，調(diào)制波長(zhǎng)鎖定信號(hào)422可包括具有恒定頻率的正弦波，例如具有大約889Hz的頻率的2伏峰-峰信號(hào)。經(jīng)放大的調(diào)制波長(zhǎng)鎖定信號(hào)則被提供到LiNbO3相位調(diào)制器412的表面，而相反表面則連接到地，從而提供LiNbO3材料上的電壓差。因此，調(diào)制器、因而整個(gè)激光器腔的光路長(zhǎng)度以調(diào)制頻率(例如889Hz)進(jìn)行調(diào)制。在一個(gè)實(shí)施例中，2伏峰-峰電壓差產(chǎn)生大約4MHz的頻移。這個(gè)路徑長(zhǎng)度調(diào)制產(chǎn)生輸出光束122的強(qiáng)度中的調(diào)制，它在一個(gè)實(shí)施例中由光電檢測(cè)器426來檢測(cè)。如圖4所示，分束器428設(shè)置在輸出光束122的光路中，使輸出光束的一部分被引向光電檢測(cè)器426。在一個(gè)實(shí)施例中，光電檢測(cè)器426包括光電二極管，它響應(yīng)所接收的光強(qiáng)度(hvdet)而產(chǎn)生電壓電荷。相應(yīng)的電壓VPD則被反饋到控制器420。在一個(gè)可選實(shí)施例中，增益二極管芯片上的結(jié)電壓(VJ)而不是VPD被用作強(qiáng)度反饋信號(hào)。如前面參照?qǐng)D3所述的腔長(zhǎng)度誤差信號(hào)則根據(jù)VPD或VJ的幅度調(diào)制和相位、結(jié)合調(diào)制波長(zhǎng)鎖定信號(hào)422來得出?？刂破?20包括數(shù)字伺服環(huán)，它配置成根據(jù)以上參照?qǐng)D2和圖3所述的調(diào)頻方案來調(diào)整基片416的溫度，使腔長(zhǎng)度誤差信號(hào)最小。響應(yīng)誤差信號(hào)，產(chǎn)生溫度控制信號(hào)430中的適當(dāng)調(diào)整?；瑴囟鹊恼{(diào)整引起整個(gè)腔長(zhǎng)度、因而激光振蕩頻率的相應(yīng)變化。這又引起(理想情況)激光振蕩頻率與預(yù)期信道頻率之間差異的減小，因而完成控制環(huán)。為了達(dá)到初始條件，或者為了控制基片溫度，熱阻裝置(RTD)434或者熱敏電阻或熱電偶可用于向控制器420提供溫度反饋信號(hào)434。把可調(diào)諧激光器調(diào)諧到目標(biāo)頻率(即新信道)時(shí)，調(diào)諧速度以及頻率穩(wěn)定性對(duì)操作極為重要。本發(fā)明的實(shí)施例提供改進(jìn)速度以及頻率穩(wěn)定性的解決方案。最初把ECDL 400調(diào)諧到新頻率(信道)時(shí)，腔長(zhǎng)度如圖2所示處于波峰(PO)的任一側(cè)，并且移動(dòng)而到達(dá)傳輸曲線的峰。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，控制器420包括高帶寬模式和低帶寬模式。在這個(gè)初始時(shí)間周期中，高帶寬控制器模式可用于向致動(dòng)器、如基片TEC 418提供更多能量，以便實(shí)現(xiàn)更高速的查找。當(dāng)腔長(zhǎng)度誤差信號(hào)到達(dá)預(yù)定門限以內(nèi)時(shí)，控制器可轉(zhuǎn)換到較低帶寬控制器模式以便接近目標(biāo)(傳輸曲線的峰值)以及保持鎖定在峰值。在這種跟蹤模式中，較低帶寬控制器能夠?qū)⒃肼曤娖奖３州^低，并且向可調(diào)諧激光器提供更好的頻率穩(wěn)定性。通過采用可變帶寬控制器所得到的改進(jìn)通過比較圖5和圖6所示的時(shí)間響應(yīng)圖來證明。圖5是腔鎖定過程的跟蹤的一個(gè)實(shí)例，并且說明當(dāng)使用單帶寬控制器時(shí)的情況。圖5的上圖繪出在腔鎖定過程中誤差信號(hào)612對(duì)時(shí)間。誤差信號(hào)的零點(diǎn)對(duì)應(yīng)于傳輸曲線的峰值。圖5的下圖示出控制可調(diào)諧激光器的腔長(zhǎng)度的TEC 418的溫度。如圖所示，采用單帶寬模式控制器，最終達(dá)到目標(biāo)，其中誤差信號(hào)保持為比較接近零。在這個(gè)實(shí)例中，大約需要3秒鐘鎖定到目標(biāo)。圖6說明其中使用了可變帶寬控制器的情況，并且表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的腔鎖定過程的跟蹤。在查找階段，控制器420的較高帶寬模式允許基片TEC 418的溫度極快地上升。但是，如分解圖80所示，當(dāng)誤差信號(hào)剛好接近零時(shí)，控制器420轉(zhuǎn)換到采用較低帶寬濾波器或模式的跟蹤模式，使得平緩地接近零誤差信號(hào)，從而避免超過目標(biāo)頻率。此外，在穩(wěn)定狀態(tài)中，可調(diào)諧激光器的頻率穩(wěn)定性可通過在采用較低帶寬控制器的跟蹤模式時(shí)使誤差信號(hào)保持為極接近零來得到改進(jìn)。在這個(gè)實(shí)例中，控制器420在誤差信號(hào)的絕對(duì)值大于約0.03時(shí)處于查找模式，以及當(dāng)誤差信號(hào)處于+/-0.03的門限范圍內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)換到跟蹤模式。這無疑只是作為實(shí)例，因?yàn)榉秶赡芨蠡蚋?，取決于應(yīng)用以及激光器的工作容限。多模式控制器420可通過多種控制器方案的任一個(gè)來實(shí)現(xiàn)，例如超前/滯后控制器或PID(比例積分微分)控制器。在查找模式中，還可使用繼電器式或類似的開環(huán)控制器。在查找模式中時(shí)，處于高帶寬模式的控制器420可采用更大的功率來驅(qū)動(dòng)TEC 418，例如，驅(qū)動(dòng)功率可能是大約2或3瓦，以及在跟蹤模式中，處于較低帶寬模式的控制器可減小功率，以便采用例如大約0.1-0.2瓦來驅(qū)動(dòng)TEC 418。如圖6所示，采用雙模式控制器，僅用大約1.7秒將圖5中的相同可調(diào)諧激光器鎖定到相同頻率。因此，通過采用雙模式控制器，就不必在可調(diào)諧激光器的速度與頻率穩(wěn)定性之間進(jìn)行折衷。因此，可同時(shí)優(yōu)化查找以及跟蹤伺服，從而極大地改進(jìn)可調(diào)諧激光器的性能。雖然已經(jīng)根據(jù)可調(diào)諧激光器的腔鎖定伺服來描述了實(shí)施例，但是所述技術(shù)也可用于可調(diào)諧濾波器(圖4的F1和F2)的標(biāo)準(zhǔn)具的溫度控制?？烧{(diào)諧激光器中的標(biāo)準(zhǔn)具的溫度控制用于將傳輸曲線移動(dòng)到預(yù)期頻率。這種技術(shù)也可適用于采用不同類型的致動(dòng)器來調(diào)諧到所請(qǐng)求頻率的所有其它類型的可調(diào)諧激光器。以上包括摘要中所述的本發(fā)明的所述實(shí)施例的描述并不是要窮舉本發(fā)明的各個(gè)方面或者將本發(fā)明限定于所公開的精確形式。雖然本文為了說明目的而描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例和實(shí)例，但是相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)知道，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，各種等效修改是可行的?？筛鶕?jù)以上詳細(xì)描述對(duì)本發(fā)明進(jìn)行這些修改。以下權(quán)利要求中使用的術(shù)語不應(yīng)當(dāng)理解為將本發(fā)明限制到說明及權(quán)利要求中所公開的具體實(shí)施例。相反，本發(fā)明的范圍完全由以下權(quán)利要求來確定，這些權(quán)利要求將根據(jù)權(quán)利要求釋義的已制定原則來解釋。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧激光器，包括致動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧激光器的調(diào)諧元件；多帶寬模式控制器，包括高帶寬模式和較低帶寬模式，所述控制器最初在所述高帶寬模式中驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器，當(dāng)與目標(biāo)頻率關(guān)聯(lián)的誤差信號(hào)處于門限范圍內(nèi)時(shí)轉(zhuǎn)換到所述較低帶寬模式。
2.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于，所述調(diào)諧元件包括熱電冷卻器(TEC)。
3.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于，所述調(diào)諧元件包括標(biāo)準(zhǔn)具和濾波器其中之一。
4.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于，所述高帶寬模式采用第一功率等級(jí)來驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器，以及所述較低帶寬模式采用第二功率等級(jí)來驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器，所述第一功率等級(jí)大于所述第二功率等級(jí)。
5.如權(quán)利要求4所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于，所述第一功率等級(jí)包括較高功率，以及所述第二功率等級(jí)包括較低功率。
6.如權(quán)利要求4所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于，所述誤差信號(hào)從送往光路長(zhǎng)度調(diào)制元件的抖動(dòng)信號(hào)中導(dǎo)出。
7.如權(quán)利要求6所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于，所述光路長(zhǎng)度調(diào)制元件包括鈮酸鋰(LiNbO3)相位調(diào)制器。
8.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于，處于所述高帶寬模式的所述控制器包括繼電器式控制器或者開環(huán)控制器。
9.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于，所述控制器包括超前/滯后控制器和比例積分微分(PID)控制器其中之一。
10.一種調(diào)諧激光器的方法，包括抖動(dòng)所述激光器的腔長(zhǎng)度，以便產(chǎn)生目標(biāo)頻率的傳輸峰值誤差信號(hào)；以第一功率等級(jí)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，以便使所述誤差信號(hào)向零移動(dòng)；當(dāng)所述誤差信號(hào)在接近零的門限范圍以內(nèi)時(shí)，以小于所述第一功率等級(jí)的第二功率等級(jí)驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述抖動(dòng)包括向相位調(diào)制器提供電壓信號(hào)，以便調(diào)制所述激光器的腔長(zhǎng)度。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述電壓信號(hào)包括恒定頻率的大致正弦波信號(hào)。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器包括改變熱電冷卻器(TEC)的溫度。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器包括調(diào)諧標(biāo)準(zhǔn)具或?yàn)V波器其中之一。
15.一種系統(tǒng)，包括外腔二極管激光器(ECDL)；致動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)所述ECDL的調(diào)諧元件；多帶寬模式控制器，包括用于查找新目標(biāo)頻率的高帶寬模式以及用于跟蹤所述目標(biāo)頻率的較低帶寬模式，所述控制器最初在所述高帶寬模式中驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器，然后，當(dāng)與目標(biāo)頻率關(guān)聯(lián)的誤差信號(hào)處于門限范圍以內(nèi)時(shí)，在所述較低帶寬模式中驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)諧元件包括熱電冷卻器(TEC)。
17.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述調(diào)諧元件包括標(biāo)準(zhǔn)具和濾波器其中之一。
18.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高帶寬模式采用第一功率等級(jí)來驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器，以及所述較低帶寬模式采用第二功率等級(jí)來驅(qū)動(dòng)所述致動(dòng)器，所述第一功率等級(jí)大于所述第二功率等級(jí)。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一功率等級(jí)包括較高功率，以及所述第二功率等級(jí)包括較低功率。
20.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述誤差信號(hào)從送往光路長(zhǎng)度調(diào)制元件的抖動(dòng)信號(hào)中導(dǎo)出。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光路長(zhǎng)度調(diào)制元件包括鈮酸鋰(LiNbO3)相位調(diào)制器。
22.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括采取所述高帶寬模式的繼電器式控制器或者其它開環(huán)控制器。
23.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括超前/滯后控制器和比例積分微分(PID)控制器其中之一。
全文摘要
用于執(zhí)行波長(zhǎng)鎖定的伺服或控制技術(shù)及設(shè)備采用相移調(diào)制方案來調(diào)整激光器腔中的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件(F1，F(xiàn)2)，以便把激光振蕩頻率向預(yù)期信道頻率鎖定?？刂破?420)包括高帶寬模式和低帶寬模式。當(dāng)最初鎖定到新信道時(shí)，高帶寬控制器模式可用于提供更大能量來驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，以便實(shí)現(xiàn)更快查找。當(dāng)誤差信號(hào)達(dá)到零誤差的預(yù)定門限以內(nèi)時(shí)，控制器可轉(zhuǎn)換到較低帶寬模式，向致動(dòng)器提供較少功率，以便平緩地接近目標(biāo)頻率以及避免超調(diào)。較低帶寬控制器模式可將噪聲電平保持較低，以及向可調(diào)諧激光器提供更好的頻率跟蹤穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H04B10/155GK1849733SQ200480025756
公開日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2004年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月10日
發(fā)明者J·－C·羅, A·戴伯, M·賴斯, R·巴特拉 申請(qǐng)人:英特爾公司