專利名稱：激光諧振器中的以電氣方式可控的準(zhǔn)直器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種用于激光器組件的準(zhǔn)直器(collimator)、這種激光器組件和ー種用于包括這種激光器組件的光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射器。
背景技術(shù)：
可調(diào)諧激光器因?yàn)樗鼈兊耐ㄓ眯远诠馔ㄐ畔到y(tǒng)中有著很高的需求。它們廣泛地部署在核心網(wǎng)中，但迄今為止，太昂貴而無(wú)法用在接入網(wǎng)絡(luò)中，即用在位于顧客的駐地的數(shù)據(jù)傳輸裝置中。當(dāng)前使用的設(shè)計(jì)典型地依賴于復(fù)雜的光電激光器芯片。替代方案是擴(kuò)展式腔激光器(ECL)，ECL使用與以機(jī)械方式調(diào)諧的薄膜濾波器和用于準(zhǔn)直的球透鏡組合的低成本増益芯片。以機(jī)械方式可調(diào)諧的激光器設(shè)計(jì)通常提供能夠用來(lái)調(diào)整激光波長(zhǎng)的三個(gè)參數(shù)濾波器位置(激光增益輪廓(profile)的粗調(diào)諧)、激光器電流(腔模式的細(xì)調(diào)諧)和激光器溫度(相位的細(xì)調(diào)整)。使用激光器溫度細(xì)調(diào)相位需要昂貴的Peltier冷卻器/加熱器并具有緩慢的響應(yīng)速度的另外的缺點(diǎn)。作為替代方案，可通過(guò)使用壓電元件移動(dòng)腔鏡，這需要移動(dòng)零件，且因此昂貴并且不夠穩(wěn)健。另外，可使用半導(dǎo)體相位調(diào)諧部分，然而，這需要光泵浦。由于芯片之間的耦合損失，増益和相位控制部分應(yīng)該集成在單個(gè)芯片上，這需要復(fù)雜的光刻法，而該光刻法又是昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
提出本發(fā)明以便提供一種細(xì)調(diào)激光器組件的相位的便宜方法，該方法可克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)中的至少ー些缺點(diǎn)。本發(fā)明的第一方面提供一種用于激光器組件的準(zhǔn)直器，包括具有第一光軸的第一以靜電方式可控的液體透鏡和具有與第一光軸對(duì)齊的第二光軸的第二以靜電方式可控的液體透鏡。替代于用于準(zhǔn)直激光模式的球透鏡，可使用該準(zhǔn)直器?？赏瑫r(shí)調(diào)整第一以靜電方式可控的液體透鏡和第二以靜電方式可控的液體透鏡的焦距，以便在改變腔的光程長(zhǎng)度的同時(shí)保持組件的焦距恒定，并因此保持相位匹配條件。如圖I中所示，以靜電方式可控的液體透鏡10可包括一滴11疏水液體(例如，硅油、I-溴十二烷或類似物質(zhì))，該液滴11具有折射率n2，附著于特殊制備的表面。液滴11可浸入在具有折射率Ii1的導(dǎo)電液體12(諸如，Na2SO4水溶液)中。液滴11可位于表面區(qū)域上，該表面區(qū)域可處理為是疏水的并包括環(huán)形電極13。當(dāng)電壓施加于環(huán)形電極13時(shí)，液滴11離開(kāi)環(huán)形電極13，產(chǎn)生更陡峭的表面并減小液體透鏡10的焦距。本發(fā)明包括這樣的見(jiàn)解可控制兩個(gè)液體透鏡的組件以在改變每個(gè)液體透鏡的焦距的同時(shí)具有恒定的焦距f。然而，由于液滴11的表面區(qū)域的形狀改變，因此光穿過(guò)具有折射率n2的所述一滴疏水液體的距離改變。由于光程長(zhǎng)度是光在介質(zhì)中行進(jìn)的距離和介質(zhì)的折射率的乘積，所以通過(guò)在保持準(zhǔn)直器的焦距f恒定的同時(shí)控制每個(gè)液體透鏡的形狀可細(xì)調(diào)諧相位條件。當(dāng)然，也可控制準(zhǔn)直器的焦距f，這消除了在制造過(guò)程期間的激光器組件的精確機(jī)械細(xì)調(diào)諧的需要。然而，一旦已實(shí)現(xiàn)最佳焦距f，在如上所述細(xì)調(diào)相位的同時(shí)，焦距將保持恒定。液體透鏡被設(shè)計(jì)用于消費(fèi)者應(yīng)用(諸如，數(shù)字照相機(jī)或用在移動(dòng)電話中的照相機(jī))，且因此代表低成本技木。因此，可以以低成本提供根據(jù)本發(fā)明第一方面的準(zhǔn)直器。另夕卜，該準(zhǔn)直器具有另外的優(yōu)點(diǎn)因?yàn)榭刂菩盘?hào)的電性質(zhì)和液體透鏡的高響應(yīng)速度，可容易地并且快速地細(xì)調(diào)激光器組件的相位。本發(fā)明的準(zhǔn)直器的另ー優(yōu)點(diǎn)在干由于液體透鏡的靜電性質(zhì)，功耗低。本發(fā)明的第二方面提供一種激光器，包括布置在激光器腔的相反側(cè)的增益介質(zhì)和半透明鏡子、控制電路和根據(jù)本發(fā)明第一方面的準(zhǔn)直器。這里，術(shù)語(yǔ)“半透明”不限于反射50%的入射光的鏡子，而是描述鏡子反射ー些入射光并且透射入射光的另一部分的事實(shí)。在激光器技術(shù)中，半透明鏡子通常反射80%或更多的入射光。
優(yōu)選地，準(zhǔn)直器布置在半透明鏡子和増益介質(zhì)之間。另外，激光器可還包括電介質(zhì)濾波器(dielectric filter),布置在準(zhǔn)直器和半透明鏡子之間?？刂齐娐房删哂羞B接到第一以靜電方式可控的液體透鏡的第一輸出和連接到第ニ以靜電方式可控的液體透鏡的第二輸出?？刂齐娐房蛇m應(yīng)于把用于控制第一以靜電方式可控的液體透鏡的焦距的第一控制電壓提供給第一輸出并把用于控制第二以靜電方式可控的液體透鏡的焦距的第二電壓提供給第二輸出，其中第一電壓和第二電壓之和設(shè)置為預(yù)定恒定值。本發(fā)明的第三方面提供一種用于光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射器，包括根據(jù)本發(fā)明第二方面的激光器。發(fā)射器可還包括光基準(zhǔn)源，適應(yīng)于提供光基準(zhǔn)信號(hào)；光混合器，適應(yīng)于混合光基準(zhǔn)信號(hào)和激光器的輸出信號(hào)并由此產(chǎn)生中頻信號(hào)；和本機(jī)基準(zhǔn)源，適應(yīng)于提供本機(jī)基準(zhǔn)頻率。激光器的控制電路可適應(yīng)于把中頻與本機(jī)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較，本機(jī)基準(zhǔn)頻率優(yōu)選地是石英基準(zhǔn)，并且激光器的控制電路適應(yīng)于在輸出頻率高于本機(jī)基準(zhǔn)頻率時(shí)控制準(zhǔn)直器増加相位并且在輸出頻率低于本機(jī)基準(zhǔn)頻率時(shí)控制準(zhǔn)直器減小相位。以這種方法，可實(shí)現(xiàn)激光器頻率的非常穩(wěn)定的控制。發(fā)射器的控制電路可適應(yīng)于確定中頻信號(hào)的幅度?？刂齐娐房呻S后適應(yīng)于控制準(zhǔn)直器的焦距，以使激光器的輸出信號(hào)的幅度達(dá)到最大值。在光基準(zhǔn)信號(hào)的幅度恒定或非常緩慢地改變的所有情況下，可實(shí)現(xiàn)這種方法
另ー方面，發(fā)射器可還包括監(jiān)測(cè)ニ極管，適應(yīng)于提供包括關(guān)于激光器的輸出信號(hào)的幅度的信息的反饋信號(hào)。然后，控制電路可適應(yīng)于控制準(zhǔn)直器的焦距，以使激光器的輸出信號(hào)的幅度達(dá)到最大值。許多算法可用于達(dá)到最大激光幅度。例如，可執(zhí)行用于控制相位的不同電壓設(shè)置的掃描，針對(duì)每個(gè)電壓設(shè)置測(cè)量幅度。另ー方面，可采用搜索算法，其中按照小步調(diào)整電壓并且把針對(duì)新電壓設(shè)置的幅度與針對(duì)前一電壓設(shè)置的幅度進(jìn)行比較。如果幅度減小，則使步進(jìn)的方向反轉(zhuǎn)。另ー方面，可使用低頻導(dǎo)頻音。這里，利用周期性信號(hào)連續(xù)地調(diào)制焦點(diǎn)(例如，sinus調(diào)制)?？刂齐娐房墒箤?dǎo)頻音與測(cè)量的幅度相關(guān)聯(lián)，并且可從該比較獲得最佳焦點(diǎn)控制信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的透鏡的裝置允許獨(dú)立地調(diào)諧焦點(diǎn)和相位。然而，由于透鏡的缺陷，焦點(diǎn)的修改可稍微影響相位設(shè)置，反之亦然。為了處理這些相互依賴性，控制塊可把不同的時(shí)間常數(shù)應(yīng)用于相位和焦點(diǎn)的控制信號(hào)的濾波。例如，用于相位控制的時(shí)間常數(shù)可以是比用于焦點(diǎn)控制的時(shí)間常數(shù)小的數(shù)量級(jí)。如果多個(gè)極值存在于幅度中，則用于控制焦點(diǎn)的算法可安定于局部極值。通過(guò)在制造期間手工調(diào)整(這確保算法開(kāi)始于最佳值附近)能夠克服這個(gè)問(wèn)題。為了避免手工調(diào)整，在重新啟動(dòng)或冷起動(dòng)發(fā)射器之后可執(zhí)行自動(dòng)調(diào)整例程。在這種例程期間，相位可設(shè)置為固定值，并且可嘗試不同的焦點(diǎn)設(shè)置。對(duì)于每一焦點(diǎn)設(shè)置，修改激光器電流，例如，激光器電流可緩升或緩降，同時(shí)測(cè)量激光的幅度。從這些測(cè)量，能夠獲得針對(duì)給定焦點(diǎn)設(shè)置的激光器的閾值電流。例如，在焦點(diǎn)設(shè)置的范圍上使用線性掃描以這種方法測(cè)試幾種焦點(diǎn)設(shè)置，并且具有最低閾值電流的焦點(diǎn)設(shè)置將會(huì)被選擇用于裝置操作。如果發(fā)射器實(shí)現(xiàn)于包括外差接收器的光數(shù)據(jù)傳輸裝置中，則光基準(zhǔn)源可以是接收器的光本機(jī)振蕩器并且光混合器可以是接收器的光電ニ極管。


將參照多個(gè)附圖更徹底地描述本發(fā)明，其中
圖I顯示以靜電方式可控的液體透鏡；
圖2顯示使用根據(jù)本發(fā)明的準(zhǔn)直器的激光器；
圖3顯示表示相角對(duì)輸入電壓的依賴的示圖；以及 圖4顯示包括根據(jù)本發(fā)明的激光器的發(fā)射器。
具體實(shí)施例方式圖2顯示使用根據(jù)本發(fā)明的準(zhǔn)直器23的激光器20。増益介質(zhì)21和半透明鏡子22位于激光器腔的相反端。由于增益介質(zhì)21發(fā)射具有有限角度的模式，所以提供準(zhǔn)直器23 以準(zhǔn)直由増益介質(zhì)21發(fā)射的光。選擇準(zhǔn)直器23的焦距，以使從半透明鏡子22反射的光以與增益介質(zhì)21發(fā)射光的角度相同的角度聚焦。激光器20可還包括電介質(zhì)濾波器24，電介質(zhì)濾波器24提供選擇腔模式之一的粗調(diào)諧機(jī)構(gòu)。然后，通過(guò)相位調(diào)整實(shí)現(xiàn)模式的細(xì)調(diào)諧。圖3顯示表示相角對(duì)示例性液體透鏡(例如，圖I的液體透鏡10)的輸入電壓的依賴的示圖，該示例性液體透鏡在Na2SO4水溶液中包括一滴I-溴十二燒。液體透鏡10的光功率線性地依賴于施加于環(huán)形電極13的電壓。本發(fā)明的準(zhǔn)直器的光功率能夠描述為此
—······· — -f· — .·— (X I* t " I*す 20
J JI 2
其中f是準(zhǔn)直器的焦距，f和f2分別是第一液體透鏡和第二液體透鏡的焦距，并且I.
—7· =ul·' ,+β f
描述焦距fi和施加的電壓Vi之間的關(guān)系。α和β是取決于組件的細(xì)節(jié)的常數(shù)。這種構(gòu)造具有幾種優(yōu)點(diǎn)
一與使用固定透鏡相比，極大地提高了對(duì)透鏡組件到増益芯片的距離的容忍(tolerance),因?yàn)槟軌蛟诮M件之后調(diào)整焦距。
—調(diào)整腔相位不需要移動(dòng)零件。一因?yàn)槊總€(gè)透鏡的光功率線性地依賴于施加的電壓，所以為了保持組件的光功率恒定而需要做的事情是使施加的電壓之和保持恒定。這提示了使用簡(jiǎn)單的功率分配器作為
控制元件(參見(jiàn)圖4)，其中P1AV0一通過(guò)適當(dāng)選擇液體，能夠設(shè)計(jì)裝置對(duì)電壓變化的靈敏度；與折射率Ii1和n2的差異很大的情況相比，如果折射率Ii1和n2的差異很小，則相同的電壓變化將會(huì)導(dǎo)致較小的相變。相位的變化能夠如下計(jì)算
J = \n； --n, ) -
其中Λ z是整個(gè)透鏡組件的厚度的變化。對(duì)于球面透鏡(球面透鏡是很好的近似)，球的半徑R與焦距f相關(guān)，如
P = 打丨 .,
——————
且因此，相位的變化能夠重新表示為
J, ·￡ 、■ I 1ttm I
'廠 1' i{uv+.ガ.+
=(n.見(jiàn)_^. ι 2_'
一 .I.へI..//)5......
圖3顯示作為輸入電壓V的函數(shù)的Δφ的結(jié)果示圖。圖3的例子中的電壓相對(duì)較高，
然而，功耗保持較低，因?yàn)樵撗b置是靜電的。如以上所述，可以為液體透鏡選擇其它材料，導(dǎo)致折射率Ii1和η2之間的更高的差異以獲得更低的控制電壓。圖4顯示包括根據(jù)本發(fā)明的激光器20的發(fā)射器40。為了方便描述，已省略對(duì)于理解本發(fā)明而言不需要的發(fā)射器40的那些零件。發(fā)射器40的激光器20詳細(xì)地表示在圖2中。因此，在這里將會(huì)省略對(duì)它的部件的詳細(xì)描述。發(fā)射器40包括控制電路41，控制電路41產(chǎn)生用于調(diào)整激光器20的準(zhǔn)直器23的相位和焦距(在圖4中表示為φ和f)的控制信號(hào)。在圖4中，顯示了単獨(dú)的功率分配器45，功率分配器45也可形成控制電路41的一部分。功率分配器45把用于調(diào)整準(zhǔn)直器23的相位和焦距的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合準(zhǔn)直器23的液體透鏡的控制信號(hào)。除了以上之外，控制電路41還向增益介質(zhì)21提供激光器電流。發(fā)射器40還包括光基準(zhǔn)源42，光基準(zhǔn)源42提供具有基本上恒定的波長(zhǎng)或光基準(zhǔn)頻率的光基準(zhǔn)信號(hào)。由激光器20產(chǎn)生的激光束的一部分和光基準(zhǔn)信號(hào)在光混合器43中混合，由此產(chǎn)生具有與光基準(zhǔn)信號(hào)和激光束的頻率之間的頻率差對(duì)應(yīng)的頻率的中間信號(hào)。例如，光電ニ極管可用作光混合器43，產(chǎn)生能夠由控制電路41容易地處理的電信號(hào)。通過(guò)把中頻信號(hào)與固定基準(zhǔn)信號(hào)(諸如，由石英振蕩器提供的基準(zhǔn)頻率)進(jìn)行比較并相應(yīng)地調(diào)整相位，控制電路41能夠控制激光器20的相位。以這種方法，類似于鎖相環(huán)(PLL)，控制激光器20的相位并因此控制激光器20的頻率，以便總是對(duì)應(yīng)于光基準(zhǔn)源的頻率減去固定基準(zhǔn)信號(hào)的頻率。圖4中顯示的示例性發(fā)射器40還包括監(jiān)測(cè)ニ極管44，監(jiān)測(cè)ニ極管44適應(yīng)于產(chǎn)生包括關(guān)于由激光器20產(chǎn)生的激光束的幅度的信息的信號(hào)并把這個(gè)信號(hào)提供給控制電路41。以上已詳細(xì)地描述由控制電路41執(zhí)行的調(diào)整激光器的相位和頻率的過(guò)程。標(biāo)號(hào)
10液體透鏡 11液滴 12導(dǎo)電液體 13環(huán)形電極 20激光器 21增益介質(zhì) 22半透明鏡子 23準(zhǔn)直器 24電介質(zhì)濾波器 40發(fā)射器 41控制電路 42光基準(zhǔn)源 43光混合器 44監(jiān)測(cè)ニ極管 45功率分配器 R半徑 F焦距
nl, n2折射率
權(quán)利要求
1.一種用于激光器組件(20)的準(zhǔn)直器(23)，包括具有第一光軸的第一以靜電方式可控的液體透鏡(10)和具有與第一光軸對(duì)齊的第二光軸的第二以靜電方式可控的液體透鏡(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的準(zhǔn)直器(23)，還適應(yīng)于在根據(jù)分別由第一和第二以靜電方式可控的液體透鏡(10)接收的第一和第二控制信號(hào)改變準(zhǔn)直器(23)的光程長(zhǎng)度的同時(shí)保持準(zhǔn)直器(23)的焦距恒定。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2之一所述的準(zhǔn)直器(23)，其中所述第一以靜電方式可控的液體透鏡(10)和第二以靜電方式可控的液體透鏡(10)各自包括一滴(11)疏水液體，浸入在導(dǎo)電液體(12)中，所述疏水液體優(yōu)選地是硅油或I-溴十二烷，具有第一折射率(Ii1)，所述導(dǎo)電液體(12)優(yōu)選地是Na2SO4水溶液，具有不同于第一折射率(Ii1)的第二折射率(n2);和環(huán)形電極(13)，適應(yīng)于把電場(chǎng)施加于所述一滴(11)疏水液體。
4.一種激光器(20)，包括布置在激光器腔的相反側(cè)的半透明鏡子(22)和增益介質(zhì)(21)以及控制電路(41)，其特征在于根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的準(zhǔn)直器(23)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光器(20)，其中所述準(zhǔn)直器(23)布置在半透明鏡子(22)和增益介質(zhì)(21)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光器，還包括電介質(zhì)濾波器(24)，布置在準(zhǔn)直器(23)和半透明鏡子(22)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6之一所述的激光器(20)，其中所述控制電路(41)具有連接到第一以靜電方式可控的液體透鏡(10)的第一輸出和連接到第二以靜電方式可控的液體透鏡(10)的第二輸出，控制電路(41)適應(yīng)于把用于控制第一以靜電方式可控的液體透鏡(10)的焦距的第一控制電壓提供給第一輸出并把用于控制第二以靜電方式可控的液體透鏡(10)的焦距的第二電壓提供給第二輸出，其中第一電壓和第二電壓之和設(shè)置為預(yù)定恒定值。
8.一種用于光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射器(40)，包括根據(jù)權(quán)利要求4至7之一所述的激光器(20)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的發(fā)射器(40)，還包括光基準(zhǔn)源(42)，適應(yīng)于提供光基準(zhǔn)信號(hào)；光混合器(43)，適應(yīng)于混合光基準(zhǔn)信號(hào)和激光器(20)的輸出信號(hào)并由此產(chǎn)生中頻信號(hào)；和本機(jī)基準(zhǔn)源，適應(yīng)于提供本機(jī)基準(zhǔn)頻率，其中激光器(20)的控制電路(41)適應(yīng)于把中頻與本機(jī)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較，本機(jī)基準(zhǔn)頻率優(yōu)選地是石英基準(zhǔn)，并且激光器(20)的控制電路(41)適應(yīng)于在輸出頻率高于本機(jī)基準(zhǔn)頻率時(shí)控制準(zhǔn)直器(23)增加相位并且在輸出頻率低于本機(jī)基準(zhǔn)頻率時(shí)控制準(zhǔn)直器(23)減小相位。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)射器(40)，其中所述控制電路(41)適應(yīng)于確定中頻信號(hào)的幅度并且控制準(zhǔn)直器(23)的焦距，以使激光器(20)的輸出信號(hào)的幅度達(dá)到最大值。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9之一所述的發(fā)射器(40)，還包括監(jiān)測(cè)二極管(44)，適應(yīng)于提供包括關(guān)于激光器(20)的輸出信號(hào)的幅度的信息的反饋信號(hào)，其中控制電路(41)適應(yīng)于控制準(zhǔn)直器(23)的焦距，以使激光器(20)的輸出信號(hào)的幅度達(dá)到最大值。
12.一種光數(shù)據(jù)傳輸裝置，包括外差接收器和根據(jù)權(quán)利要求9、從屬于權(quán)利要求9的10或11之一所述的發(fā)射器(40)，其中光基準(zhǔn)源(42)是外差接收器的輸入信號(hào)。
13.—種光數(shù)據(jù)傳輸裝置，包括外差接收器和根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)射器(40)，其中光混合器(43)是用于接收外差接收器的光數(shù)據(jù)信號(hào)的光電二極管。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求I至3之一所述的用于調(diào)整激光器腔的相位的準(zhǔn)直器(23)的使用。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求8至11之一所述的發(fā)射器(40)或者一種根據(jù)權(quán)利要求12或13之一所述的用于光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信的光數(shù)據(jù)傳輸裝置的使用。
全文摘要
一種包括具有第一光軸的第一以靜電方式可控的液體透鏡和具有與第一光軸對(duì)齊的第二光軸的第二以靜電方式可控的液體透鏡的用于激光器組件的準(zhǔn)直器、一種包括這種準(zhǔn)直器的激光器和一種使用所述激光器進(jìn)行光數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)射器。
文檔編號(hào)G02B26/02GK102687060SQ200980163267
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者S.斯莫洛茨, T.特雷耶 申請(qǐng)人:諾基亞西門子通信公司