專利名稱：波長穩(wěn)定的激光模塊的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明總的涉及適用于波分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)的激光信號(hào)的產(chǎn)生技術(shù)，尤其涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的波長穩(wěn)定的激光模塊。
在光傳輸系統(tǒng)中，由通過光纖傳輸?shù)墓饷}沖表示信息。此外，為了獲得高容量和高靈活性，可使用單個(gè)光纖傳輸多個(gè)波長的光。典型地，使用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生這種光。波分復(fù)用(WDM)光傳輸系統(tǒng)在其最簡單形式下包括多個(gè)傳輸通道，其中每個(gè)通道以適當(dāng)定義的波長傳輸。圖1示意性示出WDM傳輸系統(tǒng)，其中多個(gè)不同通道Ch1、Ch2、…、Chn被光學(xué)復(fù)用器(MUX)110組合成一個(gè)復(fù)合信號(hào)。然后，通過光纖130傳輸該復(fù)合信號(hào)，并且在一個(gè)或多個(gè)終端位置處由光學(xué)解復(fù)用器(DEMUX)120分離出各個(gè)通道Ch1、Ch2、…、Chn。通常，通道Ch1、Ch2、…、Chn位于標(biāo)準(zhǔn)波長λ1、λ2、…、λn處，并且每個(gè)通道之間存在特定的波長間隔Δλ。在密集WDM(DWDM)系統(tǒng)中，通道間隔為100GHz，對應(yīng)于約0.8nm的波長間隔Δλ，參見圖2。最大允許波長誤差當(dāng)然非常小，為100pm。這對于激光波長的精細(xì)度和穩(wěn)定性提出非常嚴(yán)格的要求。所需的相對精細(xì)度在0.005％量級或更佳。典型的半導(dǎo)體激光器與光柵組合以獲得穩(wěn)定的單一波長。然而，難以在組件的整個(gè)使用期限內(nèi)保證特定的波長。因此，提供監(jiān)測激光波長并促使激光波長處于其標(biāo)定值的機(jī)制很重要。這些機(jī)制通常包括至少一個(gè)反饋控制環(huán)，該反饋控制環(huán)監(jiān)測激光波長并通過將激光波長鎖定為穩(wěn)定基準(zhǔn)值來使激光波長穩(wěn)定。
對于怎樣實(shí)現(xiàn)用于穩(wěn)定激光的所謂波長鎖定器，現(xiàn)有技術(shù)有許多不同的實(shí)例。為了獲得波長基準(zhǔn)值所使用的一種常規(guī)元件為法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具(Fabry-Perot etalon)。這種元件具有兩個(gè)平行的局部反射面。常規(guī)的實(shí)施方式是使用石英(或類似材料)，其中在一個(gè)表面上或者在兩個(gè)表面上沉積反射層。經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)具傳輸?shù)墓饩哂兄芷谛詡鬏敳ㄩL依賴性。利用法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的傳統(tǒng)方式是將準(zhǔn)直光束(collimated beam)或近似準(zhǔn)直光束導(dǎo)向標(biāo)準(zhǔn)具，并檢測經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)具傳輸?shù)墓?。通過調(diào)整鏡子的反射率，能夠改變標(biāo)準(zhǔn)具的精細(xì)度。圖5的示意圖示出了對于較高值，術(shù)語“精細(xì)度”的定義。水平軸表示經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具的單色光的干涉條紋級次(fringe order)FOm、m+1、m+2等。垂直軸以百分比表示相對透光率T。對于較高值，精細(xì)度可被定義為相鄰最大值的間隔(自由光譜范圍，F(xiàn)SR)與半高全寬(FWHM)、即T＝50％處的全寬度之比。因此，窄且適當(dāng)分離的峰表示高精細(xì)度，而低精細(xì)度值相當(dāng)于未適當(dāng)限定的峰。事實(shí)上，更嚴(yán)格來說，精細(xì)度參數(shù)被定義為比率π /(1-R)，其中R代表兩個(gè)平行表面的反射率。該定義也適用于低精細(xì)度值。
除了前平面(facet)之外，通常也可以從半導(dǎo)體激光器的后平面獲取光。這種后平面光易于獲取，并可用于測量和監(jiān)測激光器產(chǎn)生的光。例如，后平面光可用于調(diào)整激光器的驅(qū)動(dòng)電流，以使激光器產(chǎn)生恒定輸出功率。此外，后平面光可用于實(shí)現(xiàn)波長鎖定功能。
專利文獻(xiàn)EP 1133034描述了一種波長穩(wěn)定的激光模塊，其中通過透鏡使來自后平面的光準(zhǔn)直。準(zhǔn)直光束的一部分經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具式的濾波器到達(dá)第一光電轉(zhuǎn)換器，準(zhǔn)直光束的另一部分被直接傳輸?shù)降诙怆娹D(zhuǎn)換器。因此，第一光電轉(zhuǎn)換器測量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具傳輸?shù)墓?，而第二光電轉(zhuǎn)換器對來自激光器的未過濾的光進(jìn)行采樣，以實(shí)現(xiàn)功率控制。這種方案利用平行光通量，因此需要透鏡等。然而，這種透鏡配置成本較高并且占用相當(dāng)大的空間。此外，透鏡可能引起來自標(biāo)準(zhǔn)具和光檢測器的反射光被反射回去并在激光器中聚焦。從而，承受使激光器的性能嚴(yán)重降低的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)該文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)，傳輸光表現(xiàn)傳統(tǒng)愛里函數(shù)(Airy function)的波長依賴性。因此，顯然需要低精密度的標(biāo)準(zhǔn)具來獲得對該函數(shù)的簡單鎖定。
美國專利5,825,792公開了一種用于WDM光傳輸系統(tǒng)的波長監(jiān)測與控制組件。在該專利中也提出用透鏡控制從激光器入射到濾波元件的光的發(fā)散，其中該濾波元件為法布里一珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的形式。然而，在這種情況下，不需要將光束完全準(zhǔn)直。因此，透鏡是可選的。利用兩個(gè)檢測器之間的平衡來控制激光器。在此，為了獲得適當(dāng)?shù)墓δ?，也需要具有較低精度的標(biāo)準(zhǔn)具。此外，與來自激光器的輸出光對稱地放置檢測器，并且兩個(gè)檢測器都接收經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)具的光，通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)具的角度來調(diào)節(jié)激光波長。顯然這種設(shè)計(jì)對于標(biāo)準(zhǔn)具的任何非受控傾斜非常敏感。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種成本有效、密集且耐用的波長穩(wěn)定的激光模塊，其能夠消除上述問題，從而在較寬范圍的濾波器角度內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠且有效的激光器功能。
根本發(fā)明的一個(gè)方案，由上述的激光模塊實(shí)現(xiàn)所述目的，其中第一傳感器配置為使第一光信號(hào)直接照射傳感器的感光表面，即不經(jīng)過濾波器元件。
通過這種激光模塊獲得的重要優(yōu)點(diǎn)在于，可使用既具有較陡的斜度(即與高精度標(biāo)準(zhǔn)具關(guān)聯(lián)的特征)又具有較寬的對稱捕獲范圍(即通常與低精細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)具關(guān)聯(lián)的特征)的濾波器元件。這種設(shè)計(jì)對于濾波器元件與激光器之間的相對角度變化也較不敏感。
根據(jù)本發(fā)明的這一方案的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，第二控制環(huán)包括與激光器連接的熱電制冷單元。該熱電制冷單元適用于接收波長控制信號(hào)，并響應(yīng)波長控制信號(hào)調(diào)整激光器的溫度。而反過來這種調(diào)整也會(huì)導(dǎo)致波長變化。
根據(jù)本發(fā)明的這一方案的另一優(yōu)選實(shí)施例，該激光模塊包括除法單元，該除法單元適用于接收第一和第二電信號(hào)。響應(yīng)這些信號(hào)，該除法單元產(chǎn)生表示第一電信號(hào)與第二電信號(hào)之間比率的復(fù)合控制信號(hào)。波長監(jiān)測模塊適用于接收該復(fù)合控制信號(hào)，并響應(yīng)該復(fù)合控制信號(hào)產(chǎn)生波長控制信號(hào)。通過這種設(shè)計(jì)，控制電流比率為恒定的，并且激光器溫度將被調(diào)節(jié)為波長設(shè)定值，而與第一電信號(hào)、即功率控制電流大小無關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明的這一方案的再一優(yōu)選實(shí)施例，該激光器適用于以非準(zhǔn)直光通量的形式產(chǎn)生第一和第二光信號(hào)。更優(yōu)選地，第一光信號(hào)構(gòu)成來自激光器的發(fā)散光束的第一部分，而第二光信號(hào)構(gòu)成該光束的第二部分。從而，獲得非常密集且簡單的總體設(shè)計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的這一方案的再一優(yōu)選實(shí)施例，第二傳感器和濾波器元件相對于激光器配置為使來自激光器的光線垂直地經(jīng)過濾波器元件到達(dá)第二傳感器的感光表面。也就是說，通過這種方式，從激光器發(fā)散地發(fā)出的光線以最短路徑經(jīng)過濾波器元件到達(dá)第二傳感器。從而，這導(dǎo)致從濾波器元件到第二傳感器的較高的傳輸效率。
根據(jù)本發(fā)明的這一方案的另一優(yōu)選實(shí)施例，濾波器元件相對于激光器的激光中心軸具有非零的濾波器傾角，并且第二傳感器的感光表面相對于激光中心軸具有傾角，該傾角基本等于濾波器傾角。這在某種程度上提高了第二傳感器的效率。
根據(jù)本發(fā)明的這一方案的又一優(yōu)選實(shí)施例，濾波器元件具有7度或更小的濾波器傾角。盡管較小的濾波器傾角一般是優(yōu)選的，但本發(fā)明在介于0度與7度之間的整個(gè)角度范圍內(nèi)表現(xiàn)良好，因此對于濾波器元件的任何非受控傾斜具有較大的容限。
根據(jù)本發(fā)明的這一方案的另一優(yōu)選實(shí)施例，激光器適用于產(chǎn)生波長在區(qū)間1530nm至1610nm內(nèi)、例如C帶(1530-1565nm)內(nèi)或L帶(1570-1610nm)內(nèi)的光。此外，濾波器元件配置為使其光入射面位于與激光器相距1600μm內(nèi)的位置。因此，就波長和幾何結(jié)構(gòu)而言，本發(fā)明提供較大的靈活度。
根據(jù)本發(fā)明的這一方案的又一優(yōu)選實(shí)施例，第二傳感器的感光表面具有尺寸在區(qū)間50μm至400μm、優(yōu)選在200μm以上的近似矩形輪廓。也就是說，該傳感器的尺寸在成本有效/產(chǎn)量與角度敏感性之間達(dá)到良好的平衡。
根據(jù)本發(fā)明的這一方案的再一優(yōu)選實(shí)施例，第二傳感器的中心軸位于相對于激光中心軸偏離小于或等于350μm的偏移距離處。因此，在來自第二傳感器的電信號(hào)惡化至無法接受的低質(zhì)量之前，可接受第二傳感器的較大偏移。
根據(jù)本發(fā)明的這一方案的另一優(yōu)選實(shí)施例，濾波器元件具有從300μm至1000μm范圍的厚度。此外，濾波器元件在與第二傳感器相距1000μm以內(nèi)的位置配置有光出射面。因此，本發(fā)明在光出射側(cè)也具有較大的幾何結(jié)構(gòu)靈活性。
總而言之，本發(fā)明提供在寬調(diào)節(jié)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)緊湊且成本有效的激光器的波長穩(wěn)定性。由于在激光器與濾波器元件之間沒有透鏡(或等效的準(zhǔn)直元件)，因此根據(jù)本發(fā)明提出的方案的設(shè)計(jì)也是可靠的，從而消除了來自傳感器的背反射光經(jīng)由濾波器聚焦于激光器中的風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)以下說明書和權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、有利特征和應(yīng)用將變得更為明顯。


下面通過優(yōu)選實(shí)施例并參照附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明，所述優(yōu)選實(shí)施例被作為實(shí)例公開。
圖1示出實(shí)質(zhì)上已知的WDM光傳輸系統(tǒng)的示意性方框圖，圖2是說明圖1中系統(tǒng)的光通道之間的波長間隔的示意圖，圖3a和圖3b是說明現(xiàn)有技術(shù)中使用的準(zhǔn)直光束與根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例使用的非準(zhǔn)直光束之間的角度敏感性差異的示意圖，圖4通過另一個(gè)示意圖分別說明非準(zhǔn)直光束與準(zhǔn)直光束的鎖定波長的角度依賴性，圖5定義了精度參數(shù)，其用作評價(jià)法布里-珀羅干涉儀的傳輸帶寬，圖6示出實(shí)質(zhì)上已知的波長依賴性的示意圖，參照該示意圖進(jìn)一步詳細(xì)闡述精度參數(shù)，圖7是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的捕獲范圍的示意圖，圖8a和8b是說明通過現(xiàn)有技術(shù)使用的準(zhǔn)直光束與本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例使用的非準(zhǔn)直光束可獲得的調(diào)節(jié)范圍差異的示意圖，圖9示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的波長穩(wěn)定的激光模塊的方框圖，圖10是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例怎樣為波長控制信號(hào)選擇適當(dāng)設(shè)定值的示意圖，圖11示意性說明根據(jù)本發(fā)明的波長穩(wěn)定的激光模塊的幾何結(jié)構(gòu)，圖12示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的波長穩(wěn)定的激光模塊的方框圖，圖13示出說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的第二傳感器的偏離敏感性的示意圖，圖14至圖16是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例激光器與濾波器元件之間的距離敏感性的示意圖，圖17至圖19是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的第二傳感器的尺寸敏感性的示意圖，圖20是表示在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的配置中濾波器元件分別在組裝前與組裝后的光傳輸測量結(jié)果，以及圖21是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的實(shí)際激光波長與激光器的外殼溫度之間關(guān)系的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖3a示出對于具有法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的特定窄帶通波長選擇傳輸濾波器元件的不同傾角αF的光傳輸之間關(guān)系的示意圖，其中根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)使用準(zhǔn)直光束。圖中的水平軸表示波長λ，沿垂直軸表示濾波之后記錄的傳感器信號(hào)的強(qiáng)度IAU。從圖中可知，出現(xiàn)傳輸峰的波長基本隨濾波器傾角αF而改變。例如，等于0°的濾波器傾角αF導(dǎo)致波長λ＝1,5499μm附近的第一傳輸峰，而對于等于3,0°的濾波器傾角αF，該傳輸峰出現(xiàn)在λ＝1,5492μm附近。因此，光傳輸具有較強(qiáng)的角度依賴性。
圖3b示出對于與圖3a相同的濾波器元件的不同傾角αF的光傳輸之間關(guān)系的另一示意圖。這里，根據(jù)本發(fā)明配置濾波器元件，使該濾波器構(gòu)成激光器與光傳感器之間的唯一中間元件。因此，光信號(hào)從激光器經(jīng)過濾波器元件直接到達(dá)傳感器。優(yōu)選地，來自激光器的光表現(xiàn)非準(zhǔn)直通量。濾波器元件傾斜的角度為從0°到3,0°，角度步幅為0,5°；然而傳輸曲線圖沒有明顯差異。而對于所有濾波器傾角αF，增強(qiáng)的傳輸峰穩(wěn)定保持在大約λ＝1,5498μm處。因此，本發(fā)明對于濾波器傾斜、至少對于較小傾角不敏感。
圖4通過另一個(gè)示意圖分別說明對于非準(zhǔn)直光束UCB和準(zhǔn)直光束CB鎖定波長的角度依賴性。這里，水平軸表示濾波器傾角αF，而垂直軸代表中心相交波長偏移δλ。對于準(zhǔn)直光束CB，在0,6°的濾波器傾角αF處已經(jīng)出現(xiàn)50pm的波長偏移δλ。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中使用非準(zhǔn)直光束UCB，αF＝3,5°的傾角僅導(dǎo)致3pm的波長偏移δλ。事實(shí)上，當(dāng)使用UCB時(shí)，在達(dá)到50pm的波長偏移δλ之前，允許αF＝7,0°這樣大的濾波器傾角。對于準(zhǔn)直光束CB，相應(yīng)值為1350pm(即在αF＝7,0°時(shí))。
下面重新參照圖5，我們發(fā)現(xiàn)該示意圖示出具有較高精度、即比率FSR/FWHM較大的法布里-珀羅型濾波器元件的實(shí)例。
圖6示出水平軸表示波長λ且垂直軸代表在法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)具濾波器元件之后檢測到的光強(qiáng)度IAU的示意圖。最上部的圖示出被導(dǎo)向精度為0,7、即較低值的濾波器的傳統(tǒng)準(zhǔn)直光束的光傳輸圖；而最下部的圖示出對于精細(xì)度為30、即較高值的濾波器的光傳輸圖。在這兩種情況下，采用位于二分之一振幅附近的設(shè)定點(diǎn)，分別為set0,7和set30。高密度濾波器在設(shè)定點(diǎn)set30附近具有較陡的斜度。這是優(yōu)選的，因?yàn)樵诓恍枰獦O精確功率測量的情況下就能夠非常精確地調(diào)整波長λ。然而，捕獲范圍CR30、即波長被調(diào)節(jié)至設(shè)定點(diǎn)set30的區(qū)間變得非常不對稱。這意味著，實(shí)際上只能處理相當(dāng)小的初始波長偏差，也就是與從設(shè)定點(diǎn)set30起的不對稱捕獲范圍CR30的最短部分相等的偏差。從最上部的圖可清楚看出，低精度標(biāo)準(zhǔn)具具有更為對稱的捕獲范圍CR0,7，因此具有更寬的有效調(diào)節(jié)范圍。然而，此處斜度不是很陡，因此波長精確性不是很準(zhǔn)確。
在一些應(yīng)用中，相比于獲得較高的波長精確性，波長鎖定器具有寬調(diào)節(jié)范圍更為重要。一個(gè)實(shí)例是當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)具厚度沒有被適當(dāng)控制時(shí)，導(dǎo)致諧振波長也沒有被適當(dāng)控制。在這種情況下，期望具有如下特性導(dǎo)數(shù)(derivative)的絕對值適當(dāng)高，同時(shí)能夠避開接近最大值的區(qū)域。如果使用準(zhǔn)直光束，這意味著需要低精度的濾波器元件。然而，對于這種類型的濾波器，較大區(qū)域的特性為鎖定斜度非常低。此外，在捕獲范圍內(nèi)的區(qū)域之間斜度的正負(fù)號(hào)改變。
圖7示出水平軸再次表示波長λ且垂直軸再次代表在法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)具濾波器元件之后檢測到的光強(qiáng)度IAU的示意圖。然而，此處使用根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)，其中非準(zhǔn)直光束被導(dǎo)向?yàn)V波器元件。從圖中可知，如果在大約二分之一振幅附近選擇設(shè)定點(diǎn)setUCB，則可獲得的捕獲范圍CRUCB在該設(shè)定點(diǎn)setUCB附近較為對稱。同時(shí)，設(shè)定點(diǎn)setUCB附近的斜度非常陡，因此在不具有極精確功率測量的情況下能夠非常精確地調(diào)整波長λ。
圖8a和圖8b進(jìn)一步說明現(xiàn)有技術(shù)的方案與本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)的特性差異。圖8a示出水平軸表示波長λ且垂直軸代表準(zhǔn)直光束的光強(qiáng)度IAU的光傳輸圖，該準(zhǔn)直光束的光強(qiáng)度是在具有較低精度的法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)具濾波器元件之后檢測到的。在最大值和最小值附近要避開的區(qū)域由虛線框標(biāo)出。因此，在兩個(gè)相鄰框之間可獲得調(diào)節(jié)范圍TRCB。
圖8b示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光傳輸圖，其中非準(zhǔn)直光束經(jīng)過法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)具濾波器元件傳輸。水平軸表示波長λ且垂直軸代表光強(qiáng)度IAU。同樣，在最大值和最小值附近要避開的區(qū)域由虛線框標(biāo)出。然而，此處在兩個(gè)相鄰框之間可獲得的連續(xù)調(diào)節(jié)范圍TRUCB大約是圖8a中實(shí)例的兩倍寬，即TRUCB≈2TRCB。
下面參照圖9討論根據(jù)本發(fā)明的激光模塊的一般設(shè)計(jì)。此處，方框圖示出了波長穩(wěn)定的激光模塊的第一實(shí)施例。該激光模塊包括半導(dǎo)體激光器900和與之相連的熱電制冷單元905，以控制產(chǎn)生的光的波長。然而，根據(jù)本發(fā)明，能夠想到其它可選擇的機(jī)制來調(diào)節(jié)波長，例如通過電可調(diào)激光器。在任一情況下，該設(shè)計(jì)還包括第一控制環(huán)、第二控制環(huán)以及具有法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的窄帶通波長選擇傳輸濾波器元件930。
假設(shè)激光器900產(chǎn)生的光L的光譜特性取決于功率控制信號(hào)Ibias和激光器900的溫度。通過發(fā)送至熱電制冷單元905的波長控制信號(hào)Itec來控制溫度。光L主要經(jīng)由前平面和透鏡配置940從激光器900射出，并且例如繼續(xù)傳播至光纖中。然而，光L也經(jīng)由后平面分別以第一光信號(hào)L1和第二光信號(hào)L2的形式發(fā)出，并被導(dǎo)向第一傳感器910和第二傳感器920。優(yōu)選地，激光器900適用于產(chǎn)生作為非準(zhǔn)直光通量的第一光信號(hào)L1和第二光信號(hào)L2。例如，第一光信號(hào)L1構(gòu)成來自激光器900后平面的發(fā)散光束的第一部分，而第二光信號(hào)L2構(gòu)成來自激光器900后平面的發(fā)散光束的第二部分。
因此，第一控制環(huán)包括第一傳感器910，第一傳感器910適用于響應(yīng)來自激光器900的第一光信號(hào)L1產(chǎn)生第一電信號(hào)IP。第一控制環(huán)中的功率監(jiān)測模塊915接收第一電信號(hào)IP和功率設(shè)定值IP-set，功率設(shè)定值IP-set代表將傳遞至激光器900的期望功率控制信號(hào)Ibias。功率監(jiān)測模塊915響應(yīng)第一電信號(hào)IP和功率設(shè)定值IP-set產(chǎn)生功率控制信號(hào)Ibias。例如，功率監(jiān)測模塊915可執(zhí)行比較器功能，使得如果第一電信號(hào)IP小于設(shè)定值IP-set，則功率控制信號(hào)Ibias增加，反之亦然。
相應(yīng)地，第二控制環(huán)包括第二傳感器920，第二傳感器920適用于響應(yīng)來自激光器的第二光信號(hào)L2產(chǎn)生第二電信號(hào)IW。然而，第二光信號(hào)L2首先經(jīng)過濾波器元件930，濾波器元件930配置為構(gòu)成激光器900與第二傳感器920之間的唯一中間元件。第二控制環(huán)中的波長監(jiān)測模塊925接收第二電信號(hào)IW和波長設(shè)定值IW-set。基于第二電信號(hào)IW相對于波長設(shè)定值IW-set的值，波長監(jiān)測模塊925產(chǎn)生波長控制信號(hào)Itec。類似于上述功率監(jiān)測模塊915，波長監(jiān)測模塊925可以表現(xiàn)比較器功能。
當(dāng)然，對于激光器900而言適用于在特定通道Chn(參見圖1)上傳輸?shù)倪m當(dāng)波長設(shè)定值IW-set是與該通道所需的波長λn相對應(yīng)的當(dāng)前值IW。圖10示出說明第二電信號(hào)IW與激光L的波長λ之間關(guān)系的示意圖。優(yōu)選地，波長設(shè)定值IW-set也大約為第二電信號(hào)IW的峰值IWp的一半。
因此，下面重新參照圖9，根據(jù)本發(fā)明，第二光信號(hào)L2經(jīng)過濾波器元件930到達(dá)第二傳感器920的感光表面，而第一光信號(hào)L1直接照射第一傳感器910的感光表面。從而，實(shí)現(xiàn)了激光器900的持久波長穩(wěn)定，從而在激光器900的整個(gè)使用期限內(nèi)光L具有適當(dāng)限定的波長。
圖11示意性示出根據(jù)本發(fā)明波長穩(wěn)定的激光模塊的激光器900、濾波器元件930以及第二傳感器920之間的幾何關(guān)系。假定濾波器元件930相對于激光器900的激光中心軸AL(即光發(fā)射的主方向)具有濾波器傾角αF。為了獲得最佳性能，濾波器傾角αF應(yīng)盡可能小。因此，理想的濾波器傾角αF為零。然而，根據(jù)本發(fā)明，小于或等于7度的濾波器傾角αF是可接受的。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，相對于激光器900，第二傳感器920和濾波器元件930配置為使得來自激光器900的光線Ir可與濾波器元件930的光入射面和光出射面相垂直地(NF所示)經(jīng)過濾波器元件930，到達(dá)第二傳感器920的感光表面S2。也就是說，濾波器元件930和第二傳感器920的這種取向使得來自激光器900(可被視為點(diǎn)光源)的發(fā)散光線Ir能夠以最短距離經(jīng)過濾波器元件930并到達(dá)感光表面S2。這潛在地產(chǎn)生強(qiáng)的電信號(hào)(即圖9中的第二電信號(hào)IW)。
第二傳感器920具有感光表面S2，感光表面S2相對于激光中心軸AL具有傾角α2。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，傾角α2基本等于濾波器傾角αF，以使感光表面S2平行于濾波器元件930的光入射面和光出射面。因此，垂直經(jīng)過濾波器元件930的光線也垂直地到達(dá)感光表面S2，這確保產(chǎn)生更強(qiáng)的電信號(hào)。
此外，優(yōu)選地，感光表面S2的中心軸A2也與始于激光器900的發(fā)光點(diǎn)的線NF基本對齊，該線NF垂直于濾波器元件930的光入射面和光出射面。因此，光線Ir將到達(dá)感光表面S2的中心，從而進(jìn)一步提高第二電信號(hào)IW的質(zhì)量。
測量和模擬結(jié)果(參見圖14、圖15和圖16)已經(jīng)證實(shí)濾波器元件930應(yīng)配置為使激光器900與濾波器元件930的光入射面之間的第一距離D1小于或等于1600μm。此外，其它測量和模擬結(jié)果(參見圖13)已經(jīng)表明第二傳感器920的中心軸A2不應(yīng)相對于激光中心軸AL偏移超過距離x2，距離x2等于350μm。當(dāng)然，最長允許偏移距離x2取決于第二傳感器920的感光表面S2的尺寸，從而感光表面S2越大，容許的偏移距離x2越長，反之亦然。
通常，大的監(jiān)測器尺寸(即具有大面積的感光表面S2)是優(yōu)選地，因?yàn)檫@能夠獲得強(qiáng)的電信號(hào)。相比于小監(jiān)測器，大監(jiān)測器對于角度不匹配的敏感性也更低。然而，由于產(chǎn)量較低，因此較大監(jiān)測器成本高。此外，過大的感光表面使表現(xiàn)特性(registered characteristic)的相對振幅降低。因此，監(jiān)測器尺寸是必須優(yōu)化的參數(shù)。根據(jù)測量和模擬結(jié)果(參見圖17、圖18和圖19)，如果第二傳感器920的感光表面S2的輪廓尺寸在區(qū)間50μm至400μm內(nèi)，則是有利的。此外，優(yōu)選地，該表面近似為矩形且具有寬度w2，寬度w2約為高度的兩倍，比如400μm寬，200μm高。(在此，寬度w2是沿著相對于激光中心軸AL的任一偏移距離x2的方向測得的)。也就是說，這些尺寸的傳感器的制造相對不成問題。此外，這一尺寸的傳感器具有有利于角度依賴性和相對振幅的特性。
濾波器元件930的光出射面與第二傳感器920之間的距離D2不是很重要。然而，本發(fā)明已經(jīng)證明距離D2達(dá)到1000μm是有效的。同樣，可相對自由地選擇濾波器元件930的厚度d，比如在區(qū)間300μm至1000μm內(nèi)。
以上參照圖11討論的尺寸和測量假定半導(dǎo)體激光器900產(chǎn)生波長在區(qū)間1,5480μm至1,5525μm內(nèi)的光。當(dāng)然，如果采用具有不同光譜特性的光，則會(huì)影響尺寸和測量，所以較短的波長通常需要減小幾何形狀，反之亦然。在任一情況下，本發(fā)明至少可用于整個(gè)C帶和L帶，即分別為1530nm至1565nm和1570nm至1610nm。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的波長穩(wěn)定的激光模塊的方框圖。標(biāo)號(hào)也出現(xiàn)在圖9中的那些單元和元件與以上參照圖9討論的單元相同。因此，本發(fā)明的第二實(shí)施例與第一實(shí)施例之間的差異僅在于第二控制環(huán)包括除法單元1240和可選的波長監(jiān)測模塊1225。
除法單元1240接收第一電信號(hào)IP和第二電信號(hào)IW。響應(yīng)這些信號(hào)，除法單元1240產(chǎn)生復(fù)合控制信號(hào)RWP，復(fù)合控制信號(hào)RWP表示第一電信號(hào)IP與第二電信號(hào)IW之間的比率，即RWP，＝c·IP/IW，其中c是比例因子，假定c＝1。波長監(jiān)測模塊1225接收復(fù)合控制信號(hào)RWP和復(fù)合波長設(shè)定值IW-set。響應(yīng)這些信號(hào)，波長監(jiān)測模塊1225產(chǎn)生波長控制信號(hào)Itec。這種設(shè)計(jì)獲得的優(yōu)點(diǎn)在于激光器900的溫度將被控制在由復(fù)合波長設(shè)定值IW-set給定的值，而與第一電信號(hào)IP的大小無關(guān)。
下面重新簡單地參照圖13，此處，圖13的示意圖說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的第二傳感器920的偏離敏感性。水平軸表示來自激光器900的光的波長λ，垂直軸表示由第二傳感器920產(chǎn)生的電信號(hào)SSAU。激光器900與濾波器元件930之間的距離D1為700μm。由圖可知，250μm或更小的偏移距離x2導(dǎo)致可清楚區(qū)分的特性。然而，對于更大距離D1，該設(shè)計(jì)至少可適用于達(dá)到x2＝350μm的偏移距離。
此外，重新參照圖14至圖16，我們看到，對于激光器900與濾波器元件930之間的距離D1達(dá)到1600μm的情況，本發(fā)明對達(dá)到7度的濾波器傾角αF相對不敏感。圖14至圖16中的每一個(gè)示意圖沿著水平軸表示波長λ，沿著垂直軸表示由第二傳感器920產(chǎn)生的第二電信號(hào)IW的振幅SSAU。在圖14中，激光器900與濾波器元件930之間的距離D1為100μm，而在圖15和16中，該距離分別為700μm和1600μm。
類似地，通過分析圖17至圖19，我們發(fā)現(xiàn)，對于在區(qū)間50μm至400μm內(nèi)的第二傳感器920的感光表面S2的寬度w2，由第二傳感器920產(chǎn)生的第二電信號(hào)IW具有可清楚區(qū)分的特性。在此，每個(gè)示意圖也沿著水平軸表示波長λ，沿著垂直軸表示電信號(hào)IW的振幅SSAU。在圖17中，寬度w2為50μm，而在圖18和圖19中，該尺寸分別為200μm和400μm。
圖20示出在根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的配置中記錄的濾波器元件930在組裝前與組裝后的光傳輸測量結(jié)果的示意圖。水平軸表示波長λ，最左側(cè)垂直軸表示由第二傳感器920產(chǎn)生的第二電信號(hào)IW的振幅SSAU，最右側(cè)垂直軸以dB表示濾波器反射率FR(其代表經(jīng)過濾波器元件930的傳輸?shù)姆聪驕y量)。
虛線圖表示對于組裝前的濾波器元件930的濾波器反射率FR與波長λ之間的關(guān)系。實(shí)線圖表示第二電信號(hào)IW與波長λ之間的關(guān)系，即當(dāng)已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例配置濾波器元件時(shí)。顯然，實(shí)線圖示出波長λ＝1546,6nm附近的傳輸峰。此外，從該示意圖清楚可知未組裝的濾波器元件930大約在該波長λ處具有傳輸峰(即反射率自此驟降)。因此，該配置被適當(dāng)調(diào)節(jié)。
最后，圖21是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的實(shí)際激光波長λ與激光器的外殼溫度T之間關(guān)系的示意圖。這里，水平軸表示溫度T，而垂直軸表示波長λ。對于每個(gè)獨(dú)立溫度值T以細(xì)實(shí)線畫出波長λ，以粗實(shí)線畫出平均溫度T。后者說明激光器溫度T與由激光器產(chǎn)生的光的波長λ之間的一般關(guān)系。顯然，波長λ隨著溫度T升高而增大。
在本說明書中使用的術(shù)語“包含/包括”是為了具體說明陳述的特征、整體、步驟或元件的存在。然而，該術(shù)語不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整體、步驟或元件或者其集合的存在或增加。
本發(fā)明不限于附圖中所述的實(shí)施例，而可在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)自由地改變。
權(quán)利要求
1.一種波長穩(wěn)定的激光模塊，包括半導(dǎo)體激光器(900)，適用于產(chǎn)生光信號(hào)(L)；第一控制環(huán)，包括第一傳感器(910)，適用于響應(yīng)來自該激光器(900)的第一光信號(hào)(L1)產(chǎn)生第一電信號(hào)(IP)；以及功率監(jiān)測模塊(915)，適用于接收該第一電信號(hào)(IP)并響應(yīng)該第一電信號(hào)(IP)產(chǎn)生功率控制信號(hào)(Ibias)以輸出至該激光器(900)；第二控制環(huán)，包括第二傳感器(920)，適用于響應(yīng)來自該激光器的第二光信號(hào)(L2)產(chǎn)生第二電信號(hào)(IW)；以及波長監(jiān)測模塊(925，1225)，適用于基于該第二電信號(hào)(IW)產(chǎn)生波長控制信號(hào)(Itec)以輸出至該激光器(900)的波長調(diào)節(jié)接口，該波長控制信號(hào)(Itec)和該功率控制信號(hào)(Ibias)均影響該光信號(hào)(L)的光譜特性；窄帶通波長選擇傳輸濾波器元件(930)，具有法布里-珀羅結(jié)構(gòu)，并配置為構(gòu)成該激光器(900)與該第二傳感器(920)之間的唯一中間元件，使該第二光信號(hào)(L2)經(jīng)過該濾波器元件(930)到達(dá)該第二傳感器(920)的感光表面(S2)，其特征在于該第一傳感器(910)配置為使該第一光信號(hào)(L1)直接照射該第一傳感器(910)的感光表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于該第二控制環(huán)包括與該激光器(900)相連的熱電制冷單元(905)，并且該熱電制冷單元(905)適用于接收該波長控制信號(hào)(Itec)并響應(yīng)該波長控制信號(hào)(Itec)調(diào)整該激光器(900)的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于還包括除法單元(1240)，該除法單元(1240)適用于接收該第一電信號(hào)(IP)和該第二電信號(hào)(IW)，并響應(yīng)該第一電信號(hào)(IP)和該第二電信號(hào)(IW)產(chǎn)生表示該第一電信號(hào)(IP)與該第二電信號(hào)(IW)之間比率的復(fù)合控制信號(hào)(RWP)；該波長監(jiān)測模塊(1225)適用于接收該復(fù)合控制信號(hào)(RWP)并響應(yīng)該復(fù)合控制信號(hào)(RWP)產(chǎn)生該波長控制信號(hào)(Itec)。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于該激光器(900)適用于以非準(zhǔn)直光通量的形式產(chǎn)生所述第一和第二光信號(hào)(L1，L2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于該第一光信號(hào)(L1)構(gòu)成來自該激光器(900)的發(fā)散光束的第一部分，而該第二光信號(hào)(L2)構(gòu)成來自該激光器(900)的發(fā)散光束的第二部分。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于該第二傳感器(920)和該濾波器元件(930)相對于該激光器(900)配置為，使來自該激光器(900)的光線(Ir)與該濾波器元件(930)的光入射面和光出射面垂直地(NF)經(jīng)過該濾波器元件(930)、到達(dá)該第二傳感器(920)的感光表面(S2)。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于該濾波器元件(930)相對于該激光器(900)的激光中心軸(AL)具有濾波器傾角(αF)；以及該第二傳感器(920)的感光表面(S2)相對于該激光中心軸(AL)具有基本等于該濾波器傾角(αF)的傾角(α2)。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于該濾波器元件(930)具有小于或等于7度的濾波器傾角(αF)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于該半導(dǎo)體激光器(900)適用于產(chǎn)生波長在區(qū)間1530nm至1610nm內(nèi)的光；以及該濾波器元件(930)在與該激光器(900)相距第一距離(D1)的位置處配置該光入射面，該第一距離(D1)小于或等于1600μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于該第二傳感器(920)的感光表面(S2)具有尺寸(w2)在區(qū)間50μm至400μm內(nèi)的近似矩形輪廓。
11.根據(jù)權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于該第二傳感器(920)的中心軸(A2)相對于該激光中心軸(AL)偏離一偏移距離(x2)，該偏移距離(x2)小于或等于350μm。
12.根據(jù)權(quán)利要求6至11中任一項(xiàng)所述的波長穩(wěn)定的激光模塊，其特征在于該濾波器元件(930)具有在區(qū)間300μm至1000μm內(nèi)的厚度(d)；并在與該第二傳感器(920)相距1000μm內(nèi)的第二距離(D2)的位置處配置該光出射面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種波長穩(wěn)定的激光模塊，包括半導(dǎo)體激光器(900)、功率控制環(huán)、波長控制環(huán)以及窄帶通波長選擇傳輸濾波器元件(930)。功率控制環(huán)包括適用于響應(yīng)來自激光器(900)的第一光信號(hào)(L
文檔編號(hào)H04B10/572GK1989666SQ200480043291
公開日2007年6月27日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月10日
發(fā)明者烏爾班·埃里克松, 克里斯特·弗勒伊德, 埃德加德·古巴 申請人:菲尼薩公司