[3.]随着光通讯系统的增长，对在精确光谱频率或波长内工作的激光源的需求也在增长。波分复用(WDM)系统使用几个激光系统，每个系统在一个独特的工作波长被调制。调制的光信号接着被复用，光谱分离的信道结合在一起并通过一条或多条光纤传播出去。在一个接收器端，信道根据它们的波长被解复用开并被发送到单个的检测器。
[4.]虽然波分复用系统大大地增加了一个单根光纤的容量，但也增加了价格负担；必须维持每个激光源的波长精确度的控制。任何信道的任何重大波长漂移都会引起在接收端该信道或其它相邻信道的信号衰弱。在光波分复用系统中的半导体激光源的波长应该控制在由ITU标准定义的信道间隔的一个很小范围内。
[5.]波长监测器(WM)通常与激光系统一起用来监测辐射源的波长或频率的变化。波长监测器也可以作为一个单独器件使用，或与一个激光系统一起形成一个波长锁定器(WL)以稳定和维持一个或多个激光的工作波长，通过检测工作波长的相对变化，然后生成一个与从它的工作波长的标称值的偏离成比例的反馈信号。反馈信号接着被用来调节工作波长直到反馈信号被减小到一个可接受的水平。
[6.]不同的波长监测和锁定技术在过去已经得到应用。其中一种波长锁定器基于薄膜干涉滤波器如美国第4,309,671号；6,122,301号；6,144,025号；6,411,634号专利中所述。基于滤波器方法的一个共同的不足是需要许多滤波器，其中每个滤波器可以用来锁住一个相对较少数量的相邻ITU的信道。为了能够覆盖一个更广的光谱范围，如C和L电信带谱，则需要库存大量不同的滤波器；因此，这会增加成本，库存需求和生产的复杂性。由于滤波器制造费用和复杂性的增加，这给减小信道间隔带来了更大的困难。
[7.]另一种常用的波长监测器使用法布里-珀罗(Fabry-Perot)标准具，并基于多光束干涉，如美国第5,825,792号；第6,005,995号专利和美国第2003/0063871号专利申请中所述，这些专利附此作为参考。一个标准具的厚度和所用材料的折射率决定了对应于波长锁定信道间隔的自由光谱范围(FSR)。必须控制标准具表面反射率以获得所需决定波长辨别率的精度。
[8.]基于标准具的波长监测器存在几个问题。在一个前面结构中的基于标准具的波长监测器通常需要一个分束器或光分支以将输出光的一部分重新导入波长锁定器上。这会增加激光系统的成本，复杂性，及所需的包装空间。
[9.]为了在标准具响应函数中得到所需的对比度，就需要几乎在法线入射角工作。由于设定点在标准具振幅调制响应曲线的中间，大部分的光被反射，且有可能被耦合回激光源。如果不除去，这些光将造成性能劣化。为了除去反回的光束，在激光器(LD)和波长锁定器之间要放一个光隔离器，这会增加产品的成本，包装的复杂性及包装空间。
[10.]第三组波长锁定器采用基于双光束干涉的波长选择性器件，如马赫-增特尔(Mach-Zehnder)干涉仪(参照例如美国第6,549,548号专利)。这种波长锁定器有一个正弦的光谱响应，在一个给定的ITU信道间隔下，超出了基于标准具的波长锁定器的可获范围和对比度。同时，美国第6,549,548号专利中所述的波长锁定器基于一个复杂的双折射波片滤波系统，该系统使用多个元件，并需要精确地制造和装配。它还需要一个分束器将出射光重新导入波长锁定器。这种波长锁定器昂贵，复杂，还大大增加了整个激光器系统的成本。
[11.]因此，很有必要提供一个简单，制作成本低，包装复杂性低的波长锁定器件，以克服现有波长锁定器的不足之处。
发明简述
[12.]I根据前面所述，本发明的一个目的是提供一种低复杂性，并能低成本地批量生产的波长锁定器。
[13.]本发明的另一个目的是提供一种有很小光回射的波长锁定器件，因而在波长锁定器和激光器(LD)之间不需要光隔离器，从而减小包装空间和复杂性。
[14.]尽管下列所述的方法是针对前端波长锁定器结构，对于业内人士来说，它可以很容易地应用于后端波长锁定器结构。
[15.]本发明提供一个波长锁定器，将分束器与波长分辩元件的功能集成在一个单一的光学元件中。分束器的功能是将输出激光束的一小部分导向波长和功率监测光检测器(PDs)。所需的波长选择性可以通过在到达波长监测光检测器的至少两束干涉光束之间引入一个光路差来获得。根据本发明的波长锁定器由一个用衍射光删及一个带有波长和功率监测光检测器的次支架组成。输出激光束的一部分被光学元件分开并被导入一个光检测器，以监测输出激光功率。输出激光束的另一部分被光学元件分开并导入一个波长监测光检测器。光束的波长监测部分包括至少两个具有为获得需要的波长选择性而引入的光路差的单独光束。
[16.]根据本发明，提供了一种用来监测一个光束的波长监测器件，包括：
a)一个带有相对的第一和第二间隔分开表面的分束器，用来接收来自需被监测的光束的光辐射，
第一和第二表面中的一个将光辐射中的一个第一部分反射到一个第一位置，
第一和第二表面的另一表面包括在它上面或附近的一个光学结构，以便：
将光辐射的一个第二部分反射到第一位置，将光辐射的一个第三部分反射到第二位置；
b)光辐射的第一和第二部分经过光学干涉形成一束复合光束后，一个第一光检测器在第一位置接收光辐射，第一光检测器用来探测复合光束的波长特性；及
c)一个第二光检测器接收在第二位置的光辐射，其中在第二位置的光辐射的第三部分按比例与入射光束的光功率对应；
其中第一表面和光学结构以一定的方向放置，并且相互间隔开，这样，光辐射的第一和第二部分会在沿着通向第一光检测器的一个光路上相互光学干涉
如业内人士所知，通过反射，折射或衍射可以将光束导入上述位置。
[17.]根据本发明，还提供了一个用来监测一个输入光束的波长监测器，该监测器包括带有第一和第二间隔分开端面的一个分束器，其中的一个端面上有一个光学结构用来将输入光束的一部分分为第一，第二和第三子光束，其中第三子光束是输入光束功率的至少70％，其中第一和第二子光束被分别导入第一和第二光检测器，另一端面带有一个用来将输入光束的一个第四部分入射到第一光检测器的一个表面，以使输入光束的一部分与第一子光束沿着一个公共通路的至少一部分的传播，这样，两光束将沿着一个公共通路相互干涉，其中干涉是在到达公共通路之前第一子光束和输入光束的第四部分经过的光路长度差的一个函数。如业内人士所知，通过反射，折射或衍射可以将光束导入上述位置。
[18.]本发明的特征包括构筑和操作细节将通过所附图示进行更为详细的描述。
图示简述
[19.]图1是带有根据本发明的一种波长锁定器的一个激光系统的示意图。
[20.]图2a是波长锁定器的标准化响应图及它以波长为函数的变化率曲线图。
[21.]图2b是以波长为函数的波长锁定器标准倾斜度比较曲线图。
[22.]图3是根据本发明的第一个实施例的波长锁定器示意图，其中一个单板块起到了分束器和干涉仪的功能。
[23.]图4是根据本发明的第二个实施例的波长锁定器示意图。
[24.]图5是根据本发明的第三个实施例的波长锁定器示意图。
[25.]图6是根据本发明的第四个实施例的波长锁定器示意图。
[26.]图7是根据本发明的第五个实施例的波长锁定器示意图。
理想实施例的描述
[27.]图1是根据本发明的一种波长监测器的光学平面图。以干涉分束器形式的一个元件104置于输入波导101和附加的输出光纤110之间。输入波导101可以是一根输入光纤或一个半导体激光器。光检测器(PDs)114和116被用来接收被光学元件104反射的光束。一个透镜102被用来准直来自入射波导101的光束，及一个透镜109被用来将收到的准直光束聚焦到附加的光纤110中。
[28.]在工作中，来自输入波导101的前端面的输出传播经过透镜102以形成一束准直光束103。准直光束103又被干涉分束器104分成四条子光束：一束准直光束108，一束功率监测光束115，及波长监测光束112和113。当根据本发明的波长监测器被用作一个半导体激光器的前端波长监测器时，准直光束103的大部分功率作为一个准直输出光束108传播经过干涉分束器104，并被聚焦透镜109耦合进入输出光纤110。光束108通常包含了初始光束103的80％以上的光功率。如果波长监测器被用作一个独立的结构时，输入准直光束103被重新分配到功率监测光束115及波长监测光束112和113。透镜102和109通常是非球面的，不过，其它透镜如球状或自聚焦(GRIN)透镜也可以用于相同的功能。波长监测光束的一束112被干涉分束器104的前表面105从入射光束103分开，接着被导入波长监测光检测器114。第二条波长监测光束113从光束111被干涉分束器的背面106分开，也被导入波长监测光检测器114。功率监测光束115由来自干涉分束器104背面106的入射光束111的一部分分光形成。在其它替代结构如实施例3到5中，功率监测光束115由来自干涉分束器104的前端面105的入射光束104的一部分分光形成。功率监测光束115被导入功率监测光检测器116。光束113被干涉分束器104相对于光束112延迟。光束112和113的干涉提供了波长锁定器的波长选择反应，如图2a所示的50GHz信道间隔。波长锁定是通过保持来自波长监测光检测器114和功率监测光检测器116之间的信号比处于一个定数来获得。
[29.]干涉分束器104可以为楔形或平面平行片，如下详细所述。
[30.]图2a表示一个多光束干涉器，如现有技术的一个标准具，及根据本发明的双光束干涉器件的标准响应随激光器波长的变化。这两种器件都有一个对应于50GHz信道间隔的自由光谱范围。图2b表示各自的标准倾斜度或标准反应速率随图2a中所示的标准响应的器件的工作波长的变化函数。
[31.]图3为根据图1所示的本发明的第一实施例的一个集成波长监测器。为了使图示更为清晰，只画出了几条表示传播光束中心的主要线条。波长监测器包括一个带有一个楔角β的楔形干涉分束器304。一个衍射光栅307置于干涉楔304的背面306。由透镜302准直的入射光束303被干涉楔304的第一前表面305分成两个光束311和312。光束311包含光束303的大部分功率，并传播经过干涉楔304的第一表面305到达背面306。光束312被楔表面305反射，导向波长监测光检测器314。干涉楔304的表面306与衍射光栅307连成一体。通过在干涉楔304的表面306上蚀刻光栅，衍射光栅307可以被做成，如表面浮雕光栅。准直光束311又再由表面306分成2条光束：由表面306的镜反射形成的光束318，和是由衍射光栅307反射的光栅衍射序列光束317。正如业内人士所知，光栅结构通常优化为反射第一衍射序列，但也可以用其它衍射序列。或者可以生成另一条传播经过表面306的光束(未在图中示出)并将该光束耦合经过聚焦透镜进入输出光纤(如图1中的光束108)。光束318折射经过干涉楔304的表面305，并作为准直光束315被导入功率监测光检测器316。光束317折射经过干涉楔304的表面305，并作为准直光束313被导入波长监测器光检测器314。如图3所示，光束312和313在波长监测光检测器314的表面以一个横向位移Δh的形式相互横向错位。光束312和313的干涉沿着光束312和313的主光线在自由空间中出现，并在波长监测光检测器314的活性区域生成一个波长选择性波长锁定器响应，如图2所示的双光束干涉。
[32.]干涉光束312和313的主光线之间的光路差可以通过下面的方程计算得到：
[33.]$\mathrm{OPD}=\frac{t}{\mathrm{cps}\left({\alpha }_{\mathrm{refr}}\right)}+\frac{t}{\cos \left({\alpha }_{\mathrm{difr}}\right)}---\left(1\right)$
[34.]其中t表示在带有光栅结构307的主光束横截面处的楔子厚度，αrefr表示在楔304的第一表面305的折射角度，αdifr表示在楔304的第二表面306的衍射角度。根据折射和衍射角度的基本公式：
[35.]sin(α)＝n·sin(αrefr)    (2)
[36.]$\sin ({\alpha }_{\mathrm{refr}}+\beta )+\sin \left({\alpha }_{\mathrm{difr}}\right)=m·\frac{\lambda }{d}---\left(3\right)$
[37.]光路差的方程(1)可以写成：
[38.]$\mathrm{OPD}=\frac{t}{\sqrt{1-{\left(\frac{\sin \left(\alpha \right)}{n}\right)}^2}}+\frac{t}{\sqrt{1-{(m·\frac{\lambda }{d}-\sin (A\sin \left(\frac{\sin \left(\alpha \right)}{n}\right)+\beta ))}^2}}---\left(4\right)$
[39.]其中α表示在楔304的第一表面305上的入射角，n表示楔304材料的折射率；λ表示传播光束的波长；d表示光栅槽之间的间隔；m表示衍射序列；β表示楔角的大小。
[40.]在最简单的结构中，光束312，313和315中的功率大小由波长锁定元件304的未镀膜表面305和306在空气-玻璃界面的菲涅耳反射决定。表面305和306可以附加性地包括用来平衡光束312和313的功率水平的镀膜，以增加光谱调制干涉响应的对比度，及平衡监测光检测器314和316的响应水平。由于光束312和313有一个横向错位Δh，当波长监测光检测器的中心位于光束中心的中间点位置时能获得最高的调制对比度。在理想的实施例中，功率监测光检测器316和波长监测光检测器314装在一个公共基座319上，如图3的示意图所示。波长变化与输入光束303的功率变化独立地监测出：来自波长监测光检测器314的输出信号通过用功率监测光检测器316的输出信号相触除而被标准化。波长监测光检测器314和功率监测光检测器316位于准直光束303的同一侧。
[41.]图4是根据本发明的第二个实施例的集成波长监测器。根据第二实施例，波长监测元件404包括两个带有作在后表面406的衍射光栅407的平面平行表面405和406。根据第二实施例，来自波导401的输出传播经过一个透镜402，形成一个准直光束403。准直光束403又被干涉波长锁定元件404分成几条单独光束。至少有三条子光束由干涉平面平行片404形成：主光束，它包含光束403的大部分功率并传播经过波长锁定器元件404，被耦合到输出光纤(未在图中示出)，一束功率监测光束415和波长监测光束412和413。准直光束403被干涉片404的第一表面405分成两条光束411和412。光束411通常包含光束403的大部分功率，并传播经过干涉片404的第一表面405到达第二表面406。光束412被平面表面405反射，并被导向波长监测光检测器414。干涉片404的表面406包含一个光栅407。光栅407可以通过在干涉片404的表面406蚀刻槽而做成如表面浮雕光栅。准直光束411被表面406分成至少两条光束：由来自表面406镜反射形成的光束417，由来自光栅结构407的反射中的衍射形成的光束418。正如业内人士所知，光栅结构通常优化为反射第一衍射序列，但也可以用其它衍射序列。或者透射光束(图1所示的光束108)也可以形成于表面406，并通过聚焦透镜耦合进输出光纤。光束417作为准直光束413被表面405折射后从干涉片404出来，并被导入波长监测光检测器414。光束418作为准直光束415被表面405折射后从干涉片404出来，并被导入功率监测光检测器416。
[42.]根据第二实施例，干涉光束412和413主光线之间的光路差可以通过下面的公式计算得到：
[43.]$\mathrm{OPD}=\frac{2·t}{\sqrt{1-{\left(\frac{\sin \left(\alpha \right)}{n}\right)}^2}}---\left(5\right)$
[44.]其中t是干涉片404的厚度；α是在干涉片404第一表面的入射角；n是在传播光束的工作波长λ下的干涉片404材料的折射率。
[45.]在最简单的结构中，光束412，413和415中的功率大小由波长锁定元件404的未镀膜表面405和406在空气-玻璃界面的菲涅耳反射决定。表面405和406可以附加性地包括用来平衡光束412和413的功率水平的镀膜，以最大化光谱调制干涉响应的对比度，及平衡监测光检测器414和416的响应水平。由于光束412和413有一个横向错位Δh，当波长监测光检测器的中心位于光束中心的中间点位置时能获得最高的调制对比度。在理想的实施例中，功率监测光检测器416和波长监测光检测器414装在一个公共基座419上，如图4的示意图所示。波长变化与输入光束403的功率变化独立地监测出：来自波长监测光检测器414的输出信号通过用功率监测光检测器416的输出信号相触除而被标准化。波长监测光检测器414和功率监测光检测器416位于准直光束403的同一侧。
[46.]图5是根据本发明的第三实施例的集成波长监测器。根据第三实施例，波长监测器中光栅507以一个平面平行表面的形式作在波长监测器干涉分束器504的前表面505上。根据第三实施例，来自输入波导501的输出传播经过一个透镜502，形成一束准直光束503。准直光束503入射到包含衍射光栅507的平片504的第一表面505上，被分成至少三条独立光束511，512和515。光束511由经过干涉分束器504的前表面505的光束503的折射形成，并传播经过干涉片504的第一表面到第二表面506。光束512由来自表面505的光束503的镜反射形成，并被导入波长监测光检测器514。光束515作为来自光栅507的在光束503的反射中的衍射序列形成，并被导入功率监测光检测器516。正如业内人士所知，光栅结构通常优化为反射第一衍射序列，但也可以用其它衍射序列。光束511被平面表面506反射，并作为光束517被导向前表面505。光束513由折射光束517经过前表面505形成，并被导入波长监测光检测器514。光束512和513在波长监测光检测器514的表面干涉，提供波长锁定器的所需波长选择性。干涉光束512和513的主光线之间的光路差可以通过方程(5)计算得到。波长监测光检测器514和功率监测光检测器516在准直光束503的同一侧。在另一个第四实施例中，光束511在表面506被分成两条光束。一条光束，对应于图1中的光束108(在图5中没有示出)，包含入射光束511的大部分功率，传播经过表面506，并通过一个聚焦透镜被耦合进入输出光纤。第二条光束517由反射来自平表面506的光束511的一部分形成，并被导向前表面505。光束513由折射光束517经过前表面505形成，并被导向波长监测光检测器514。光束512和513在波长监测光检测器514的表面相干，提供波长锁定器的所需波长选择性。干涉光束512和513的主光线间的光路差可以通过方程(5)计算得到。波长监测光检测器514和功率监测光检测器516在准直光束503的同一侧。
[47.]图6是根据本发明的第五个实施例的集成波长锁定器，其中波长锁定器的干涉分束器604是一个带有置于它的前表面605上的衍射光栅607的楔子604。根据第五个实施例，来自波导601的输出传播经过一个透镜602，形成一个准直光束603。准直光束603入射到包含衍射光栅607的干涉片604的第一表面605上，被分成至少三条独立的光束611，612和615。光束611包含光束603的大部分功率，并折射经过干涉片604的第一表面605传播到第二表面606。光束615由表面605对光束603的镜反射形成，并被导入功率监测光检测器616。光束612作为来自光栅607的在光束603的反射中的衍射序列形成，并被导向波长监测光检测器614。正如业内人士所知，光栅结构通常优化为反射第一衍射序列，但也可以用其它衍射序列。光束611从楔表面606反射成光束617，并被导向第一表面605。经过表面605折射后，光束613是光束617的延续，并被导向波长监测光检测器614。光束612和613在波长监测光检测器614的表面相干，为波长监测器提供所需的波长选择性。干涉光束612和613的主光线间的光路差可以通过方程(4)计算得到。波长监测光检测器614和功率监测光检测器616在准直光束603的不同侧。
[48.]在另一个第六实施例中，光束611在后表面606被分成两条光束。一条光束，对应于图1中的光束108(在图6中没有示出)，包含入射光束611的大部分功率，传播经过表面606，并通过一个聚焦透镜被耦合进输出光纤。第二条光束617被楔表面606反射，导向第一表面605。经过表面605折射之后，光束613是光束617的延续，并被导入波长监测光检测器614。光束612和613在波长监测光检测器614的表面相干，为波长监测器提供所需的波长选择性。干涉光束612和613的主光线间的光路差可以通过方程(4)计算得到。波长监测光检测器614和功率监测光检测器616在准直光束603的不同侧。
[49.]图7是根据本发明的第七实施例的集成波长锁定器。根据第七实施例，波长锁定器中的衍射光栅707以平面平行片的形式作在干涉分束器704的前表面705上。根据该实施例，来自波导701的输出传播经过一个透镜702，形成一个准直光束703。准直光束703入射到包含衍射光栅707的干涉片704的第一表面705上，被分成至少三条独立的光束711，712和715。光束711由光束703经过表面705折射形成，然后传播到第二表面706。光束712由光束703在前表面705的镜反射形成，并被导入波长监测光检测器714。光束715作为来自光栅707的在光束703的反射中的衍射序列形成，并被导入功率监测光检测器716。正如业内人士所知，光栅结构通常优化为反射第一衍射序列，但也可以用其它衍射序列。光束711从平表面706反射成光束717，并被导向第一表面705。经过表面705折射后，光束713是光束717的延续，并被导入波长监测光检测器714。光束712和713在波长监测光检测器714的活性区域相干，为波长监测器提供所需的波长选择性。干涉光束712和713的主光线间的光路差可以通过方程(5)计算得到。波长监测光检测器714和功率监测光检测器716在准直光束703的不同侧。在另一个第八实施例中，光束711在表面706再被分成两条光束。一条光束，对应于图1中的光束108(在图7中没有示出)，包含入射光束711的大部分功率，传播经过表面706，并通过一个聚焦透镜被耦合进入输出光纤。第二条光束717由来自后表面706的光束711的反射形成，并被导向第一表面705。光束713由光束717经过表面705的折射形成，并被导入波长监测光检测器714。光束712和713在波长监测光检测器714的表面相干，为波长锁定器提供所需的波长选择性。干涉光束712和713的主光线间的光路差可以通过方程(5)计算得到。波长监测光检测器714和功率监测光检测器716在准直光束703的不同侧。
[50.]虽然本发明通过参照实施例得到图示和描述，但业内人士会知道，在不脱离本发明的范围内，还可以做成本波长监测器设计的几种其他变形。例如，虽然所示的实施例中，一个入射光束被分成三条光束，这些光束被反射，一个第四条附加光束被传播透过块区，但该透射光束也可以被反射到一个特定的位置，在该位置它可以被耦合进一个光学波导。或者，虽然没有图示，本发明也可以以透射形式工作，其中所有或一些输出端，包括那监测光检测器被放在输入光束的不同侧。
[51.]尽管衍射光栅必须透射本发明中图中表示的反射到特定位置的光束，其中两条光束有一个重叠的光路。这可以通过使一条光束在被传播之前反弹，以确保在入射到检测器之前，传播并在自由空间混合的两条光束之间存在一条光路差来实现。在另一个不是很理想的实施例中，透光材料块可以用带有两个面或有一定间隔的两个透光基座的表面来代替。这两个分开的表面所起的功能效果比所述的理想实施例效果差，也更不方便。
[52.]用在本发明术语‘块’包括带有多个侧面的一个楔形物或块状物，侧面可以是，也可以不是平行的。
相关申请的相互参考
[1.]本申请主张于2003年10月22日提交的，题为“激光波长锁定系统”的美国临时专利申请第60/513,505号的优先权，该专利申请作为参考被结合入本申请。