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1、(10)申请公布号 CN 104242051 A (43)申请公布日 2014.12.24 CN 104242051 A (21)申请号 201410476908.X (22)申请日 2014.09.18 H01S 5/065(2006.01) H01S 5/14(2006.01) (71)申请人 武汉光迅科技股份有限公司 地址 430074 湖北省武汉市洪山区邮科院路 88 号 (72)发明人 汤学胜 傅焰峰 钱坤 罗勇 陈义宗 张玓 胡强高 唐毅 罗超 (74)专利代理机构 北京天奇智新知识产权代理 有限公司 11340 代理人 王海洋 (54) 发明名称 一种外腔可调谐激光器以及其腔模锁。
2、定方法 (57) 摘要 本发明公开了一种外腔可调谐激光器以及其 腔模锁定方法， 其包括用于提供增益的半导体光 放大器(1)， 半导体光放大器(1)两端面上分别镀 有部分反射膜与增透膜， 扩束准直透镜 (2)、 可调 谐滤波器(3)， 固定栅格滤波器(4)和外腔反射镜 (6) 设置于所述半导体光放大器 (1) 镀有增透膜 的一侧组成所述外腔可调谐激光器的外腔， 所述 外腔可调谐激光器的外腔进一步包括大相位调节 组件(5)和相位快速调节组件(7) ； 所述大相位调 节组件 (5) 能够对所述外腔可调谐激光器的外腔 的腔长进行大范围的调节 ； 所述相位快速调节组 件 (7) 能够对所述外腔可调谐激光。
3、器的外腔的腔 长进行快速的调节 ； 本发明装置和方法用于实现 波长锁定， 结构简单， 波长锁定精度高。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 8 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书8页 附图5页 (10)申请公布号 CN 104242051 A CN 104242051 A 1/2 页 2 1. 一种外腔可调谐激光器， 其包括用于提供增益的半导体光放大器 (1)， 半导体光放 大器 (1) 两端面上分别镀有部分反射膜与增透膜， 所述外腔可调谐激光器的外腔设置在 增透膜一侧， 外腔包括扩束准直透镜 (2)、 外腔反射。
4、镜 (6) ； 扩束准直透镜 (2)、 外腔反射镜 (6) 之间设置有可调谐滤波器 (3)、 固定栅格滤波器 (4)， 其特征在于 ： 所述外腔可调谐激光 器的外腔进一步包括大相位调节组件 (5) 和相位快速调节组件 (7) ； 所述大相位调节组件 (5) 能够对所述外腔可调谐激光器的外腔的腔长进行大范围的调节 ； 所述相位快速调节组 件 (7) 能够对所述外腔可调谐激光器的外腔的腔长进行快速的调节 ； 所述大相位调节组件 (5)、 相位快速调节组件 (7)、 可调谐滤波器 (3)、 半导体光放大器 (1) 同控制单元 (13) 相 连。 2. 根据权利要求 1 所述的一种外腔可调谐激光器， 。
5、其特征在于 ： 所述相位快速调节组 件 (7) 包括位移控制元件， 所述位移控制元件固定于反射腔镜面 (6) 上且可带动反射腔镜 (6) 沿垂直于反射腔镜面方向快速微小移动。 3. 根据权利要求 2 所述的一种外腔可调谐激光器， 其特征在于 ： 所述大相位调节组件 (5) 设置于外腔中的扩束准直透镜 (2)、 外腔反射镜 (6) 之间光路的任意位置 ； 所述大相位 调节组件(5)包括一个或多个受控光学组件， 所述受控光学组件能够在控制单元(13)的控 制下通过改变所述受控光学组件的折射率和 / 或厚度来改变控制激光器外腔的光学腔长。 4. 根据权利要求 3 所述的一种外腔可调谐激光器， 其特征。
6、在于 ： 所述受控光学组件为 基于热光效应的温度可调热光组件或基于电光效应的驱动电压可调的光学组件或基于电 光效应的驱动电流可调的光学组件。 5. 根据权利要求 4 所述的一种外腔可调谐激光器， 其特征在于 ： 所述基于热光效应的 温度可调热光组件由通光面镀有增透膜的硅片、 加热电阻片和温度传感器组成， 加热电阻 片和温度传感器分别粘接在硅片前后通光面的非通光区域， 控制单元 (13) 与加热电阻片 和温度传感器相连以实现对硅片的温度闭环控制。 6. 根据权利要求 4 所述的一种外腔可调谐激光器， 其特征在于 ： 所述基于电光效应的 驱动电压可调的光学组件或基于电光效应的驱动电流可调的光学组件。
7、采用通光面镀有增 透膜的相位可调的液晶片， 控制单元 (13) 控制液晶片的加载电压或电流， 使液晶片的光轴 发生旋转， 改变液晶片的折射率从而改变光程。 7. 根据权利要求 4 所述的一种外腔可调谐激光器， 其特征在于 ： 所述基于热光效应的 温度可调热光组件由基板 (16)、 半导体制冷片 (17)、 温度传感器 (15) 组成， 温度传感器 (15) 设置于基板 (16) 上， 基板 (16) 下方设置半导体制冷片 (17)， 半导体制冷片 (17) 和温 度传感器 (15) 与控制单元 (13) 相连。 8. 根据权利要求 2 所述的一种外腔可调谐激光器， 其特征在于 ： 所述大相位调。
8、节组件 (5) 由基板 (16)、 半导体制冷片 (17)、 温度传感器 (15) 组成， 温度传感器 (15) 设置于基板 (16) 上， 基板 (16) 下方设置半导体制冷片 (17)， 半导体制冷片 (17) 和温度传感器 (15) 与 控制单元 (13) 相连。 9. 根据权利要求 1-8 中任意一项所述的一种外腔可调谐激光器， 其特征在于 ： 所述相 位快速调节组件 (7) 采用压电陶瓷。 10. 根据权利要求 1-8 中任意一项所述的一种外腔可调谐激光器， 其特征在于 ： 所述半 导体光放大器 (1) 镀部分反射膜的一侧为该外腔激光器的耦合输出端， 依次设置有第一输 权 利 要 求。
9、 书 CN 104242051 A 2 2/2 页 3 出光束准直透镜(8)、 光分束器(10)、 隔离器(11)、 第二输出光束准直透镜(9)， 光功率检测 装置(12)同光分束器(10)另一路分光光路相对应， 光功率检测装置(12)与控制单元(13) 相连。 11. 一种利用权利要求 10 所述的一种外腔可调谐激光器的腔模锁定方法， 其特征在 于 ： 包括如下具体步骤 ： 步骤 601 ： 激光器的控制单元 (13) 接收切换光通道命令后， 控制单元 (13) 按照所切换 光通道定标数据驱动可调滤波器 (3) 至指定滤波参数， 控制单元 (13) 驱动大相位调节组 件 (5) 在一个相位周。
10、期内逐步改变相位直至光功率检测装置 (12) 输出的光功率达到极大 值， 控制单元 (13) 记录下最大光功率采集值 P1Max， 激光器完成光通道切换， 实现波长精确 输出， 随即进入下面的持续的腔模的锁定阶段 ； 步骤 602 ： 光功率检测装置 (12) 持续采集输出光功率， 控制单元 (13) 计算当前光功率 采样值与前一次波长锁定状态下最大光功率采集值 P1Max之间的差值 ； 步骤 603 ： 判断采样功率差值是否超过设定的阈值， 如果超过阈值则进入步骤 604 ； 步骤604 ： 控制单元(13)记录下相位快速调节组件(7)当前驱动输入值Df和大相位调 节组件 (5) 当前驱动输。
11、入值 DL， 控制单元 (13) 启动相位快速调节组件 (7) 补偿相位 ： 驱动 输入由Df到Df+按设定的步长快速变化， 相位快速调节组件(7)带动反射腔镜(6)沿 垂直于反射腔镜面方向单向快速移动， 光功率检测装置 (12) 同步采集每一个驱动输入下 的输出光功率， 快速搜索这一过程中最大的光功率采样值P2Max及其对应的驱动输入值CDf， 控制单元(13)记录下光功率采集值P2Max； 计算驱动输入值CDf与前一波锁状态下驱动输入 值 Df间的差值， 使用该差值， 由定标获取的线性比例系数 K， 换算成大相位调节组件 (5) 驱 动输入变化量 DL K*(Df CDf) ； 使采样功率。
12、变化值保持在阈值和驱动输入的变化范围 - , 以内 ； 步骤 605 ： 控制单元 (13) 设置相位快速调节组件驱动输入为 Df， 设置大相位调节组件 (5) 驱动输入为 (DL+ DL)， 激光器完成一次腔模锁定操作， 进入下一次腔模锁定阶段 ； 步骤 606 ： 采集光功率检测装置 (12) 输出的光功率值， 计算当前光功率采样值与前一 次波长锁定状态下最大光功率采集值 P2Max之间的差值 ； 重复上述的步骤 (603) (606)， 重复实现激光器的实时腔模锁定。 12. 根据权利要求 11 所述的一种外腔可调谐激光器的腔模锁定方法， 其特征在于 ： 获 得K值的定标方法为 ： 逐渐。
13、调节相位快速调节组件(7)的输入， 驱动外腔反射镜(6)平移以 调整腔长， 同时监测激光器输出光频率的变化， 获得相位快速调节组件 (7) 加载电压 xp与 激光器输出光频率 yp间数值关系， 并进行线性拟合 ： yp k1xp+b1； 调节大相位调节组件 (5) 的输入， 监测激光器输出光频率的变化， 获得大相位调节组件 (5) 输入变化 xb与激光器输 出光频率 yb间近似线性拟合关系 ： yb k2xb+b2； 计算比例系数 K k1/k2。 权 利 要 求 书 CN 104242051 A 3 1/8 页 4 一种外腔可调谐激光器以及其腔模锁定方法 技术领域 0001 本发明涉及一种外。
14、腔可调谐激光器的锁模方法， 具体地说， 涉及一种实现外腔可 调谐激光器纵模锁定的方法和装置。 利用该发明方法和装置进行纵模锁定的外腔可调谐激 光器可适用于灵活波长栅格的光通信网络， 本发明属于通信领域。 背景技术 0002 可调谐激光器在光通信领域一直有着广泛的应用， 尤其是近几年， 随着高速光通 信网络技术的发展， 窄线宽可调谐激光器的需求不断增加， 可调谐激光器是未来的光通信 网络中的重要角色。从结构上分， 可调谐激光器可分为单片集成型可调谐激光器和外腔型 可调谐激光器。 单片集成型可调谐激光器具有体积小、 稳定性好等优点， 但是目前其线宽比 外腔可调谐激光器宽， 不适用于高速光通信发展趋。
15、势。 外腔可调谐激光器具有线宽窄、 调谐 范围大、 技术难度低等优点， 在现有的商用 100G 光网络传输系统应用中， 外腔可调谐激光 器占有很大的份额。 但相比于单片集成型激光器， 其稳定性较差， 容易受到外界各种因素的 干扰而引起跳模， 从而导致激光器的特性劣化， 影响系统传输性能， 抑制跳模是外腔可调谐 激光器使用过程中必须解决的一项重大任务， 外腔可调谐激光器状态监控和在线调整是一 项十分重要的工作。 0003 针对不同结构的外腔可调谐激光器， 目前提出的抑制跳模实现波长锁定的技术种 类繁多， 归纳起来就是针对振幅或相位条件偏离的监控和补偿技术。最常见的技术方案是 采用功率极大值算法或。
16、者光功率谱局部特定斜率的算法确定纵模输出频率， 通过调谐外腔 中的相位调谐元件微调纵模输出频率， 起到腔模锁定的作用。然而为了保证可调谐激光器 长期工作的稳定性， 调相元件既要保证较快的响应速度又要拥有大的相位可调范围， 往往 一种调相元件难以满足这两个要求， 所以一个快速响应的调相元件与一个大相位调谐范围 的调相元件的结合使用是最佳的选择。 0004 外腔可调谐激光器有一个明显的缺点， 容易受各种因素的影响发生跳模， 从而导 致激光器的特性劣化， 抑制跳模是外腔可调谐激光器使用过程中一项必须解决的复杂技 术。针对不同结构的外腔可调谐激光器提出的抑制跳模实现波长锁定的技术种类繁多， 归 纳起来。
17、就是针对振幅或相位条件偏离的监控和补偿技术。 因此外腔可调谐激光器状态监控 和在线调整是一项十分重要的工作。 发明内容 0005 本发明的目的克服现有技术存在的技术缺陷， 本发明针对外腔激光器腔模监控和 外腔相位补偿技术， 提出了一种外腔可调谐激光器以及其腔模锁定方法， 激光器的主控制 器通过读取光功率检测装置的取样光功率监测激光器的输出光频率的微小变化， 采取实时 有效的外腔相位混合补偿方式， 实现激光器腔模的稳定及波长精确控制。 0006 本发明的技术方案是 ： 0007 一种外腔可调谐激光器， 其包括用于提供增益的半导体光放大器， 半导体光放大 说 明 书 CN 104242051 A 。
18、4 2/8 页 5 器两端面上分别镀有部分反射膜与增透膜， 所述外腔可调谐激光器的外腔设置在增透膜一 侧， 外腔包括扩束准直透镜、 外腔反射镜 ； 扩束准直透镜、 外腔反射镜之间设置有可调谐滤 波器、 固定栅格滤波器， 所述外腔可调谐激光器的外腔进一步包括大相位调节组件和相位 快速调节组件 ； 所述大相位调节组件能够对所述外腔可调谐激光器的外腔的腔长进行大范 围的调节 ； 所述相位快速调节组件能够对所述外腔可调谐激光器的外腔的腔长进行快速的 调节 ； 所述大相位调节组件、 相位快速调节组件、 可调谐滤波器、 半导体光放大器同控制单 元相连。 0008 所述相位快速调节组件包括位移控制元件， 所。
19、述位移控制元件固定于反射腔镜面 上且可带动反射腔镜沿垂直于反射腔镜面方向快速微小移动。 0009 所述大相位调节组件设置于外腔中的扩束准直透镜、 外腔反射镜之间光路的任意 位置 ； 所述大相位调节组件包括一个或多个受控光学组件， 所述受控光学组件能够在控制 单元的控制下通过改变所述受控光学组件的折射率和 / 或厚度来改变控制激光器外腔的 光学腔长。 0010 所述受控光学组件为基于热光效应的温度可调热光组件或基于电光效应的驱动 电压可调的光学组件或基于电光效应的驱动电流可调的光学组件。 0011 所述基于热光效应的温度可调热光组件由通光面镀有增透膜的硅片、 加热电阻片 和温度传感器组成， 加热。
20、电阻片和温度传感器分别粘接在硅片前后通光面的非通光区域， 控制单元与加热电阻片和温度传感器相连以实现对硅片的温度闭环控制。 0012 所述基于电光效应的驱动电压可调的光学组件或基于电光效应的驱动电流可调 的光学组件采用通光面镀有增透膜的相位可调的液晶片， 控制单元控制液晶片的加载电压 或电流， 使液晶片的光轴发生旋转， 改变液晶片的折射率从而改变光程。 0013 所述基于热光效应的温度可调热光组件由基板、 半导体制冷片、 温度传感器组成， 温度传感器设置于基板上， 基板下方设置半导体制冷片， 半导体制冷片和温度传感器与控 制单元相连。 0014 所述大相位调节组件由基板、 半导体制冷片、 温度。
21、传感器组成， 温度传感器设置于 基板上， 基板下方设置半导体制冷片， 半导体制冷片和温度传感器与控制单元相连。 0015 所述相位快速调节组件采用压电陶瓷。 0016 所述半导体光放大器镀部分反射膜的一侧为该外腔激光器的耦合输出端， 依次设 置有第一输出光束准直透镜、 光分束器、 隔离器、 第二输出光束准直透镜， 光功率检测装置 同光分束器另一路分光光路相对应， 光功率检测装置与控制单元相连。 0017 一种外腔可调谐激光器的腔模锁定方法， 包括如下具体步骤 ： 步骤 601 ： 激光器的 控制单元接收切换光通道命令后， 控制单元按照所切换光通道定标数据驱动可调滤波器至 指定滤波参数， 控制单。
22、元驱动大相位调节组件在一个相位周期内逐步改变相位直至光功率 检测装置输出的光功率达到极大值， 控制单元记录下最大光功率采集值 P1Max， 激光器完成 光通道切换， 实现波长精确输出， 随即进入下面的持续的腔模的锁定阶段 ； 步骤 602 ： 光功 率检测装置持续采集输出光功率， 控制单元计算当前光功率采样值与前一次波长锁定状态 下最大光功率采集值 P1Max之间的差值 ； 步骤 603 ： 判断采样功率差值是否超过设定的阈值， 如果超过阈值则进入步骤 604 ； 步骤 604 ： 控制单元记录下相位快速调节组件当前驱动输入 值 Df 和大相位调节组件当前驱动输入值 DL， 控制单元启动相位快。
23、速调节组件补偿相位 ： 驱 说 明 书 CN 104242051 A 5 3/8 页 6 动输入由 Df到 Df+ 按设定的步长快速变化， 相位快速调节组件带动反射腔镜沿垂直 于反射腔镜面方向单向快速移动， 光功率检测装置同步采集每一个驱动输入下的输出光功 率， 快速搜索这一过程中最大的光功率采样值P2Max及其对应的驱动输入值CDf， 控制单元记 录下光功率采集值 P2Max； 计算驱动输入值 CDf与前一波锁状态下驱动输入值 Df间的差值， 使用该差值， 由定标获取的线性比例系数 K， 换算成大相位调节组件驱动输入变化量 DL K*(Df CDf) ； 使采样功率变化值保持在阈值和驱动输入。
24、的变化范围 - , 以内 ； 步骤605 ： 控制单元设置相位快速调节组件驱动输入为Df， 设置大相位调节组件驱动输入为 (DL+ DL)， 激光器完成一次腔模锁定操作， 进入下一次腔模锁定阶段 ； 步骤 606 ： 采集光功 率检测装置输出的光功率值， 计算当前光功率采样值与前一次波长锁定状态下最大光功率 采集值 P2Max之间的差值 ； 重复上述的步骤 (603) (606)， 重复实现激光器的实时腔模锁 定。 0018 获得 K 值的定标方法为 ： 逐渐调节相位快速调节组件的输入， 驱动外腔反射镜平 移以调整腔长， 同时监测激光器输出光频率的变化， 获得相位快速调节组件加载电压 xp与 。
25、激光器输出光频率yp间数值关系， 并进行线性拟合 ： ypk1xp+b1； 调节大相位调节组件的输 入， 监测激光器输出光频率的变化， 获得大相位调节组件输入变化 xb与激光器输出光频率 yb间近似线性拟合关系 ： yb k2xb+b2； 计算比例系数 K k1/k2。 0019 本发明具有以下优点和积极效果 ： 0020 1) 本发明产品外腔内包含多个 ( 至少 2 个 ) 有源相位调节组件， 其中一个补偿器 能够实现快速的相位补偿， 用于探测外腔的相位实时补偿量， 其他相位补偿器则用于实时 的相位补偿。 外腔中多个相位补偿器的存在， 提高相位补偿速度的同时， 大大增加了外腔相 位补偿量， 。
26、既有利于激光器腔模的快速实时锁定， 也有利于激光器不同工作环境下长期稳 频工作 ； 0021 2) 本发明用于实现波长锁定的装置结构简单， 波长锁定精度高。激光器的主控制 器通过光功率检测装置取样输出光功率， 监测激光器的输出光频率的微小变化， 采取实时 有效的外腔相位混合补偿方式， 实现激光器腔模的稳定及波长精确控制。 附图说明 0022 图 1 是本发明的第一种实施例外腔可调谐激光器及波长锁定装置实施例示意图 ； 0023 图 2 是本发明的第二种实施例外腔可调谐激光器及波长锁定装置实施例示意图 ； 0024 图 3 是本发明的第三种实施例外腔可调谐激光器及波长锁定装置实施例示意图 ； 0。
27、025 图 4 是本发明外腔可调谐激光器中可调滤波器件和周期栅格滤波器件的透射光 谱及腔模示意图 ； 0026 图 5 是根据本发明的实施例的一种快速相位补偿器的压电陶瓷加载电压与激光 器输出光频率间关系曲线 ； 0027 图 6 是本发明实施例的外腔可调谐激光器的腔模锁定方法流程图 ； 0028 图 7 是激光器输出光频率和采样光功率与外腔的相位变化间的典型关系曲线 ； 0029 其中 ： 0030 1、 半导体光放大器 ； 2、 扩束准直透镜 ； 0031 3、 可调谐滤波器 ； 4、 固定栅格滤波器 ； 说 明 书 CN 104242051 A 6 4/8 页 7 0032 5、 大相位。
28、调节组件 ； 5-1、 第一大相位调节组件 ； 0033 5-2、 第二大相位调节组件 ； 6、 外腔反射镜 ； 0034 7、 相位快速调节组件 ； 8、 第一输出光束准直透镜 ； 0035 9、 第二输出光束准直透镜 ； 10、 光分束器 ； 0036 11、 光隔离器 ； 12、 光功率检测装置 ； 0037 13、 控制单元 ； 14、 输出光纤 ； 0038 15、 温度传感器 ； 17、 半导体制冷片 ； 0039 16、 基板 ； 具体实施方式 0040 下面结合附图和实施例进一步说明。 0041 外腔可调谐激光器有很多谐振腔模， 使之能够单模工作的方法是在腔内加入窄带 滤光器，。
29、 而外腔可调谐激光器是通过腔内可调窄带滤光器来实现的。 0042 本发明所涉及的外腔可调谐激光器第一种实施列实现装置如图 1 所示， 包括耦合 输出光路， 分光元件， 光功率检测装置、 外腔可调谐激光器， 其中外腔内多种有源相位调节 组件， 具体构成包括半导体光放大器 1、 扩束准直透镜 2、 可调谐滤波器 3、 固定栅格滤波器 4、 大相位调节组件5、 外腔反射镜6、 相位快速调节组件7， 第一输出光束准直透镜8、 第二输 出光束准直透镜 9、 光分束器 10、 光隔离器 11、 光功率检测装置 12、 控制单元 13、 输出光纤 14。 其中半导体光放大器1用于提供增益， 其两端面分别镀有。
30、部分反射膜与增透膜。 扩束准 直透镜 2、 可调谐滤波器 3、 固定栅格滤波器 4、 大相位调节组件 5 和外腔反射镜 6、 相位快速 调节组件 7 依次设置于半导体光放大器 1 镀有增透膜的一侧， 组成该外腔可调谐激光器的 外腔， 整个激光器的外腔元件和温度传感器15都设置于基板16之上， 基板下方设置有半导 体制冷片 17。半导体制冷片 17 和温度传感器 15 与系统的控制单元 13 相连， 如图 1 所示。 第一输出光束准直透镜 8、 光分束器 10、 隔离器 11、 第二输出光束准直透镜 9、 输出光纤 14 设置于半导体光放大器 1 镀有部分反射膜的一侧， 组成该外腔可调谐激光器的。
31、耦合输出光 路。光分束器 10 将输出激光分为两部分， 其中分取一小部分光功率至光功率检测装置 12， 经电路放大供控制单元 13 对腔外功率定时采样 ； 另一部分输出的激光通过光隔离器 11， 最 后经第二输出光束准直透镜 9 耦合进入输出光纤 14。整个系统的控制单元 13 包含有与光 功率检测装置 12 相连接的读取模块， 与读取模块相连接的运算模块， 与运算模块、 大相位 调节组件 5、 相位快速调节组件 7 和可调谐滤波器 3 相连接的驱动模块， 以及与半导体制冷 片 17 和温度传感器 15 相连接的外腔控温模块。 0043 本发明中可调谐滤波器 3、 固定栅格滤波器 4、 大相位。
32、调节组件 5 可设置在扩束准 直透镜 2 与外腔反射镜 6 之间的任意位置， 并不限定于图 1 结构。即 ： 所述外腔可调谐激光 器的外腔设置在增透膜一侧， 外腔包括扩束准直透镜 2、 外腔反射镜 6 ； 扩束准直透镜 2、 外 腔反射镜 6 之间设置有可调谐滤波器 3、 固定栅格滤波器 4， 可调谐滤波器 3、 固定栅格滤波 器 4 位置可以对调设置。大相位调节组件 5 设置于外腔中的扩束准直透镜 2、 外腔反射镜 6 之间光路的任意位置。 0044 本发明结构中组成部件的作用具体如下 ： 0045 注入到半导体光放大器 1 的电流通过电光转换转化为宽带的自发辐射的光子， 这 说 明 书 C。
33、N 104242051 A 7 5/8 页 8 些光子沿着波导向两侧传播， 一部分特定频率的光子在谐振腔内往返传播多次满足阈值条 件， 实现振荡放大， 从而形成激光从半导体光放大器 1 的部分反射端面射出。 0046 所述的固定栅格滤波器 4 是法布理 - 泊罗标准具或者其它产生周期栅格滤波器 件， 对于用于密集波分复用 (Dense Wavelength Division Multiplexing， DWDM) 系统的激 光器， 该周期对应于 ITU-T 规定的标准的 DWDM 间隔， 如 25GHz， 50GHz， 100GHz 或者 200GHz。 0047 有源大相位调节组件 5 和相。
34、位快速调节组件 7 都用于改变激光器外腔的腔长， 相 位快速调节组件 7 主要用于外腔相位补偿量的快速探测， 有源大相位调节组件 5 对激光器 外腔的腔长调节范围更大， 是外腔相位补偿的实际执行单元。 0048 可调谐滤波器3、 相位快速调节组件7与有源大相位调节组件5一起同步调节起到 调谐激光器频率的作用。外腔可调谐激光器的最佳腔模波长输出， 对应最大光功率采集检 测值， 光功率采样检测值的变化反应激光器输出光频率的微小变化。 0049 所述的相位快速调节组件 7 是固定于外腔反射镜 6 上、 并使得外腔反射镜 6 沿垂直于反射腔的镜面方向做快速微小移动的位移控制元件。本发明采用压电陶瓷 (。
35、Piezoelectric Transducer， PZT) 来作为相位快速调节组件 7， 从而以精密控制外腔反射 镜 6 位置的方式实现相位调节。光功率检测装置 12 可同时监测激光器输出功率大小和频 率的变化， 为稳频系统提供反馈控制的依据。 0050 基于图 1 本发明这种外腔可调谐激光器实现装置第一种实施例， 外腔控制温度恒 定， 激光器内设置有分立的大相位调节组件 5， 激光器外腔腔长的大范围调节由大相位调节 组件 5 实现。大相位调节组件 5 可以采用基于热光效应的温度可调热光组件或基于电光效 应的驱动电压或驱动电流可调的光学组件。基于热光效应的大相位调节组件 5 热光组件可 以由。
36、通光面镀有增透膜的硅片、 加热电阻片和温度传感器组成， 加热电阻片和温度传感器 分别粘接在硅片前后通光面的非通光区域， 与控制单元 13 相连实现对硅片的温度闭环控 制。通过控制热硅片的温度， 使硅片的光程改变， 从而改变外腔可调谐激光器的腔长， 补偿 腔模相位。采用电光效应的大相位调节组件 5 也可选用通光面镀有增透膜的相位可调的液 晶片， 控制单元 13 通过控制液晶片的加载电压， 使液晶片的光轴发生旋转， 改变液晶片的 有效折射率达到改变光程目的。 0051 外腔可调谐激光器的第二种实施例如图 2 所示， 激光器外腔内不设置独立的有源 大相位调节组件， 即去掉了大相位调节组件 5， 由基。
37、板 16、 半导体制冷片 17、 温度传感器 15 实现大相位调节组件 5 功能。半导体制冷片 17 和温度传感器 15 与系统的控制单元 13 相 连。基板 16 存在热胀冷缩效应， 控制单元 13 改变半导体制冷片 17 的温度， 使基板 16 长度 发生变化， 实现改变外腔腔长的目的。 0052 本发明实施例包括但不限于一种或两种大相位调节组件 5， 大相位调节组件 5 可 以至少一个以上的大相位调节组件组合而成。相位快速调节组件 7 包括但不限于压电陶瓷 和可以通过外部控制手段实现位移控制的元件， 大相位调节组件 5 包括但不限于基于电光 效应、 热光效应以及各种应力感应的光程可变元件。
38、。 0053 外腔可调谐激光器的第三种实施例如图 3 所示， 外腔控制温度恒定， 激光器内设 置有两种不同的分立的第一大相位调节组件 5-1 和第二大相调节组件 5-2。第一大相位调 节组件 5-1 和第二大相位调节组件 5-2 组合而成大相位调节相位组件。第一大相位调节 组件 5-1、 第二大相位调节组件 5-2 可以采用基于热光效应的温度可调热光组件或基于电 说 明 书 CN 104242051 A 8 6/8 页 9 光效应的驱动电压或驱动电流可调的光学组件。基于热光效应的第一大相位调节组件 5-1 热光组件可以由通光面镀有增透膜的硅片、 加热电阻片和温度传感器组成， 加热电阻片和 温度。
39、传感器分别粘接在硅片前后通光面的非通光区域， 与控制单元 13 相连实现对硅片的 温度闭环控制。通过控制热硅片的温度， 使硅片的光程改变， 从而改变外腔可调激光器的 腔长， 补偿腔模相位。采用电光效应的第二大相位调节组件 5-2 也可选用通光面镀有增透 膜的相位可调的液晶片， 控制单元 13 通过控制液晶片的加载电压， 使液晶片的光轴发生旋 转， 改变液晶片的有效折射率达到改变光程目的。 外腔可调谐激光器在光通道切换阶段， 控 制单元 13 驱动第二大相位调节组件 5-2， 调节外腔腔长， 实现波长精确输出 ； 持续的腔模锁 定阶段， 第二大相位调节组件 5-2 驱动输入不变， 相位快速调节组。
40、件和大相位调节组件之 间通过一种特殊定标算法倒换相位补偿量实现稳频。 0054 下面阐述本发明外腔可调谐激光器的调谐机理 ： 如图 4 给出了本发明外腔可调谐 激光器中可调谐滤波器 3 和固定栅格滤波器 4 的透射光谱及腔模示意图。如图 4 所示， A1 为固定栅格滤波器 4 的透射谱， A2 为可调谐滤波器 3 的透射谱， A4、 A5、 A6 为谐振腔模式。 可调谐激光器设定一个 ITU-T 波长输出， A2 与 A1 一个透射峰对准， 可调谐滤波器 3 和固定 栅格滤波器 4 的合成透射光谱为 A3， A3 中透射率远大于其他次峰的透射峰称为透射主峰。 通过外腔相位调节机制移动外腔激光器。
41、的腔模， 激光器中与透射主峰最近的腔模与可调滤 波器合成透射光谱主峰重合， 在外腔内得到远大于其它腔模的增益放大， 激光器实现单模 工作和最大功率输出， 处于最佳波长锁定状态。在不跳模的前提下， 激光器中与主峰最近 的腔模沿光频率增大的方向 ( 外腔的往返光程逐渐减小 ) 先逐渐逼近透射光谱主峰， 再逐 渐远离透射光谱主峰， 得到的激光器输出光频率和采样光功率与外腔的相位变化间的典型 关系曲线如图 5 所示。曲线图 5 中， 沿着 x 轴正方向外腔的相位逐渐减小， 最佳腔模波长输 出， 对应最大光功率采集检测值， 光功率采样检测值的变化反应激光器输出光频率的微小 变化， 激光器输出光频率的变化。
42、值与外腔的相位变化基本呈线性比例关系。本发明提出的 腔模锁定方法就是根据这一原理提出的， 包括光通道切换阶段和持续的腔模锁定阶段。 0055 下面结合本发明的第一种实施例， 以基于热光效应的温度可调大相位调节组件 5 为例阐述本发明所述的外腔可调谐激光器的腔模锁定方法， 流程图如图 6 所示。具体实施 方案如下 ： 0056 步骤 601 ： 激光器控制单元 13 接收切换光通道命令， 控制单元 13 按照所切换光通 道定标数据驱动可调滤波器 3， 控制单元 13 按照预定的步长及变温范围逐步降低大相位调 节组件 5 的温度， 即实现在一个相位周期内逐步搜索最佳的补偿相位， 直至光功率检测装 。
43、置12输出的光功率极大值， 控制单元13记录下最大光功率采集值P1Max， 激光器完成光通道 切换， 实现波长精确输出， 随即进入下面的持续的腔模的锁定阶段 ； 0057 步骤 602 ： 光功率检测装置 12 持续采集输出光功率， 控制单元 13 计算当前光功率 采样值与前一次波长锁定状态下最大光功率采集值 P1Max之间的差值 ； 0058 步骤 603 ： 判断采样功率差值是否超过设定的阈值 ； 0059 步骤 604 ： 如果超过阈值， 控制单元 13 则记录下相位快速调节组件 7 当前驱动输 入值 Df和大相位调节组件 5 当前驱动输入值 DL， 控制单元 13 启动相位快速调节组件。
44、 7 补 偿相位 ： 驱动输入由Df到Df+按设定的步长快速变化， 相位快速调节组件7带动反射 腔镜6沿垂直于反射腔镜面方向单向快速移动， 光功率检测装置12同步采集每一个驱动输 说 明 书 CN 104242051 A 9 7/8 页 10 入下的输出光功率， 快速搜索这一过程中最大的光功率采样值P2Max及其驱动输入值CDf， 控 制单元13记录下光功率采集值P2Max； 计算驱动输入值CDf与波锁状态下驱动输入值Df间的 差值， 使用该差值， 由定标获取的线性比例系数 K， 换算成大相位调节组件 5 驱动输入变化 量 DL K*(Df CDf) ； 采样功率变化值的阈值和相位快速调节组件。
45、 7 驱动输入的变化范 围 - , 视激光器指标要求的波长精度而定， 由定标获取， 即采样功率变化值在阈值 及驱动输入的变化范围 - , 以内， 激光器的输出波长即符合指标要求的波长精度 ； 0060 步骤 605 ： 控制单元 13 设置相位快速调节组件 7 驱动输入为 Df， 设置大相位补偿 器 5 驱动输入为 (DL+ DL)， 激光器完成一次腔模锁定操作， 进入下一次腔模锁定阶段 ； 0061 步骤 606 ： 采集腔外光功率检测装置 12 输出的光功率值， 计算当前光功率采样值 与前一次波长锁定状态下最大光功率采集值 P2Max之间的差值 ； 0062 重复上述的步骤 603 606。
46、， 可重复实现激光器的实时腔模锁定， 整个过程外腔控 制温度恒定， 激光器在指标要求范围内波长稳定输出。 0063 上面所述的外腔可调谐激光器的腔模锁定方法包括但不限于本发明的第一种实 施例， 对于本发明的第二种和第三种实施例同样适合。所述的外腔可调谐激光器的腔模锁 定方法应用于第二种实施例， 将针对于第一种实施例的所有步骤中控制单元 13 对大相位 调节组件5所有操作转化为控制单元13对半导体制冷片17和温度传感器15组成外腔控温 系统的温度控制来实现。所述的外腔可调谐激光器的腔模锁定方法应用于第三种实施例 ： 步骤 601 光通道切换阶段， 控制单元 13 驱动第一大相位调节组件 5-2，。
47、 调节外腔腔长， 实现 波长精确输出 ； 步骤602606持续的腔模锁定稳频阶段， 第二大相位调节组件5-2驱动输 入不变， 由相位快速调节组件 7 和第一大相位调节组件 5-1 实现相互之间的相位补偿量倒 换。 0064 所述的腔模锁定方法中， 只有当前光功率采样值与前一次波长锁定状态下最大光 功率采集值之间的差值， 超过设定的阈值， 才启动有源相位补偿机制 ； 采样功率变化值的阈 值视激光器指标要求的波长精度而定， 即采样功率变化值在阈值以内， 激光器的输出波长 即符合指标要求的波长精度 ； 下一次波长锁定启动之前用于比较的最大光功率采集值取前 一次波长锁定状态下最大光功率采集值。 006。
48、5 本发明腔模锁定方法主要思想是通过相位快速调节组件 7 探测外腔的相位补偿 量， 利用不同相位调节机制(相位快速调节组件7、 大相位调节组件5和半导体制冷片17和 温度传感器 15 组成外腔控温系统 ) 外腔相位调节灵敏度之间的线性换算关系 K 将相位快 速调节组件 7 探测的相位补偿量转移到由其他相位调节机制实现。 0066 下面以本发明的第一种实施例来说明腔模锁定方法中步骤 604 提及的比例系数 K 的定标计算方法。此处， 假设相位快速调节组件 7 采用压电陶瓷 (PZT) 来实现， 大相位调节 组件 5 通过加热前后表面镀有增透膜单晶硅片来实现。 0067 线性比例系数 K 定标过程。
49、如下 ： 外腔可调谐激光器按上述的步骤 601 设定一个稳 定输出通道， 逐渐增大压电陶瓷的加载电压 V， 驱动外腔反射镜向腔内平移， 缩小腔长， 同时 监测激光器输出光频率的变化， 可以得到压电陶瓷加载电压与激光器输出光频率间的数值 关系， 如图 7 所示， 外腔相位小范围单向变化， 整个过程激光器没有出现明显的跳模现象。 对于压电陶瓷加载电压 xp与激光器输出光频率 yp间数值关系使用线性拟合 ： 0068 yp k1xp+b1 说 明 书 CN 104242051 A 10 8/8 页 11 0069 类似过程， 降低大相位补偿器单晶硅片的温度， 监测激光器输出光频率的变化， 可 以得到单晶硅片的温度 xb与激光器输出光频率 yb间近似线性拟合关系 ： 0070 yb k2xb+b2 。