專利名稱：光纖中的頻率鎖的制作方法
相關專利申請本申請要求1999年8月13日提交的美國臨時申請?zhí)?0/149,004的優(yōu)先權。
背景本申請涉及光纖裝置和激光器。
由于各種內部過程(如散粒噪聲和其它波動)或環(huán)境因素(如溫度的變化或振動)，激光器的輸出頻率可以漂移或波動。例如，半導體激光器的頻率可以隨著激勵電流和溫度而變化。在要求頻率穩(wěn)定性的某些應用中，激光器頻率的這種變化是非期望的。
例如，波分復用(WDM)已用于通過在不同的波長上同時發(fā)送不同的光波，而擴展光纖通信鏈路的容量。尤其重要的是指定并標準化WDM信號中的波長，所以來自不同制造商的WDM裝置、模塊、和子系統是兼容的，并可以集成并配置在商用WDM網絡中。一種常用的WDM波長標準是國際電信聯盟(ITU)標準，其中要求不同光波的WDM波長符合ITU網絡頻率。因此，需要穩(wěn)定不同WDM信道的激光發(fā)射機，以針對內部或外部波動引起的波長不穩(wěn)定性。
其它的應用，如精密光譜測量和非線性光學工程，也可能要求激光器的頻率穩(wěn)定性。
發(fā)明內容
該應用包括使用光纖和光纖裝置以穩(wěn)定激光器頻率的技術和裝置。
圖1顯示了基于光纖諧振腔中偏振模色散的激光頻率鎖的一個實施例，光纖諧振腔由光纖中的兩組光纖光柵形成。
圖2A顯示了帶有兩個分離的光纖光柵、而沒有偏振模色散的光纖法布里-珀羅諧振器的透射光譜，其中單個透射峰值顯示接近于1530nm，在大約1534.5nm到大約1535.6nm的反射帶寬中。
圖2B顯示了光纖法布里-珀羅諧振器的反射帶寬中兩個相鄰的透射峰值的實例，它是由于圖1所示系統中的偏振模色散通過分割單個透射峰值引起的。
圖3顯示了圖1所示系統的實現所產生的典型誤差信號。
圖4顯示了帶有和沒有圖1所示頻率控制的情況下測量到的激光頻率，它作為二極管激光器注入電流的函數。
圖5顯示了基于在兩個分離光纖中形成的兩個光纖諧振腔的激光頻率鎖的另一實例。
各幅附圖中類似的標號指示類似的元件。
詳細描述圖1顯示了基于光纖的頻率鎖100的一個實施例。激光器110光學耦合到光纖120，所以輸出激光束112被限制在光纖120中，并在其中傳導。將光纖112設計成各向異性的，所以沿垂直于纖芯的被選方向的光偏振折射率不同于垂直于被選方向的另一光偏振折射率。例如，帶有這種折射率各向異性的偏振保留光纖可用作光纖120。獲得這種折射率各向異性的一種方法是沿被選方向對光纖122施加機械地應力，該被選方向實質得垂直于光纖軸。在另一方法中，將光纖纖心暴露于UV光下，在光纖纖芯中產生期望的雙折射。此外，雙折射介質材料可用于形成光纖纖芯。
光纖120包括片段130，其中在光纖中形成具有實質相同光柵周期的兩組布拉格光柵131和132，并且兩組光柵彼此相隔一個間隙133。每個光纖光柵作為反射器，選擇性地反射滿足布拉格相位符合條件的布拉格波長處的光，并透射其它光譜分量。該布拉格波長等于光纖有效折射率和光柵周期之積的兩倍。由于光柵131和132具有相同的光柵周期，所以它們在相同的波長處反射。光柵131和132的反射不限于單個波長，而是一個反射帶寬，其中每個光柵反射帶寬中任何波長處的光。每個光柵的反射帶寬是光柵強度的函數，光柵強度依賴于光纖折射率周期調制的深度和每個光柵的周期數。因此，兩個分離的光柵131和132只對布拉格波長處的光形成法布里-珀羅諧振器。
這種法布里-珀羅諧振腔130中布拉格波長處的光將被光柵131和132反射，而前后振動以引起光干涉。當全程相位延遲為360°或360°的任何倍數時，相長干涉使得在諧振處產生透射峰值。當相位延遲偏離諧振時法布里-珀羅諧振腔130的光傳輸將衰減，當相位延遲偏離諧振正好180°時光傳輸將變成0。隨著相位延遲的連續(xù)變化光傳輸開始增加，并在符合另一諧振條件時達到峰值。相對于全程的相位延遲這種行為是周期性的。用光纖有效折射率和間隙133之積實質確定該全程相位延遲，并且當該積等于波長的一半時出現諧振峰值。當用頻率表示時，全程相位延遲表示兩個鄰近諧振峰值之間的頻率差，并被稱為法布里-珀羅諧振腔的自由光譜區(qū)(FSR)。
通過使光纖光柵131和132的反射帶寬小于FSR，法布里-珀羅諧振腔130可以被構造成在反射帶寬中只有一個透射峰值。圖2A顯示了典型光線法布里-珀羅諧振腔的透射光譜，其中將每個光纖光柵都設計成在大約1534.5nm到大約1535.6nm的帶寬中反射。沒有偏振模色散，當輸入光的頻率符合光纖法布里-珀羅諧振腔的諧振峰值之一時，在反射帶寬中顯示出單個透射峰值200。
當光纖法布里-珀羅諧振腔120的精度相當高時，例如通過增加每個光柵的強度，每個透射峰值的線寬就相當窄，因此透射峰值的諧振頻率是嚴格定義的頻率。因此，該諧振頻率可用作頻率參考值或標記。由于當輸入頻率相對于諧振頻率漂移時輸入光的透射發(fā)生變化，所以輸入光透射強度的變化可用于指示輸入光相對于諧振頻率的頻率移動。
尤其，光纖122的折射率是各向異性的。對于固定輸入頻率處的輸入光，平行于被選方向的光偏振經歷一個折射率值，垂直于被選方向的光偏振經歷不同的折射率值。沿兩個正交方向的這兩個不同折射率值產生兩個正交偏振之間的偏振模色散，并分別產生兩個相鄰的諧振峰值，每個偏振對應一個。間隙133中的折射率差確定兩個峰值之間的頻率間隔。
圖2B顯示了光纖諧振腔130中接近于1541.41nm處的兩個透射峰值210和220的實例，光纖諧振腔由偏振保留硅玻璃光纖形成。兩個正交偏振之間的折射率差使兩個偏振符合兩個不同頻率210和220處諧振腔的相同諧振模，兩個不同的頻率大約在2.18GHz的兩邊。
系統100被設計成使用這些沿相同諧振模處兩個正交偏振的兩個峰值，以產生指示激光頻率變化的誤差信號，并基于誤差信號使用反饋機構糾正激光頻率。
設計光纖光柵131和132，使得它們的反射帶寬覆蓋能穩(wěn)定激光器110之頻率的光譜范圍。將輸出激光束112的偏振和光纖120的被選方向定向成彼此相差大約45°，所以在兩個正交偏振之間實質等分輸入激光功率，一個平行于被選軸，另一個垂直于被選軸。偏振裝置140耦合到光纖120，以接收光纖諧振腔130的透射。這種裝置140的實例包括偏振分束器和偏振光纖耦合器等等。在工作中，裝置140被定向成用于分離沿被選方向的偏振與垂直于被選方向的另一偏振，沿被選方向的偏振是第一輸出信號141，垂直于被選方向的偏振是第二輸出信號142。光探測器151和152分別用于接收信號141和142，并將它們轉換成電輸出信號。
連接電路160，用于接收探測器151和152的輸出信號。電路160將兩個信號151和152之一(如152表示圖2中的峰值220)取反，然后和另一信號相加，產生一個和信號。隨后將和信號放大，用于進一步的處理。如圖所示，電路160可以包括運算放大器，以執(zhí)行取反，求和與放大步驟。
圖3顯示了以上和信號作為大約1544.78nm處激光波長的光譜色散線形狀的一個實例。由于各向異性，光纖法布里-珀羅諧振腔沿兩個正交偏振的兩個峰值彼此分開在大約1.84GHz。當激光束112的偏振相對于光纖120的被選方向正好為45°時，兩個峰值在光譜分布和強度上實質相同，只是彼此之間有光譜偏移。因此，和信號在兩個峰值的中心頻率處為零，當激光頻率偏離該中心頻率時就變?yōu)檎蜇?。該中心頻率可用作鎖住激光頻率的頻率參考值(fref)。
可以將光纖諧振腔130設計成通過控制例如光纖120折射率的各向異性、光柵131和132的結構、以及間隙133，將頻率參考值設置為期望值。對于WDM的應用，例如頻率參考值可以是ITU標準指定的一個WDM波長。
參考圖1，誤差信號170可以是電路160的電壓或電流信號，它表示和信號的符號和大小。然后將誤差信號170反饋到激光器110，以形成伺服控制反饋回路。伺服回路響應誤差信號170，用于將激光器110頻率調節(jié)到頻率參考值，所以誤差信號170的大小降低到可以接受的范圍，激光頻率保持“鎖”在頻率參考值處。誤差信號170的符號表示激光頻率的糾正方向，大小決定激光頻率的糾正量。
激光器110一般可以是任何可調激光器，頻率控制單元114的信號116可以控制它的輸出頻率。例如，激光器110可以包括半導體激光器、帶有線性或環(huán)狀諧振腔的光纖激光器、或基于半導體或光纖激光器的激光器。頻率控制單元114可以是激光器110內部的部分，或激光器110的外部裝置。例如，如果激光器110是半導體二極管激光器，則頻率控制114可以是驅動電路，控制信號116可以是到二極管的驅動電流?；蛘?，頻率控制114可以是控制二極管溫度的溫度控制器。如果激光器110包括作為光路一部分的光纖，那么頻率控制單元114可以包括控制光纖長度并以此控制光纖頻率的光纖拉伸器。
圖4顯示了帶有和沒有圖1所示伺服控制系統的測量到的激光波長，它是激光二極管注入電流的函數。曲線410顯示了頻率伺服控制系統工作時的測量數據。與之相比，曲線420顯示了關閉頻率伺服控制系統時的測量數據。測量值顯示伺服控制將二極管的頻率穩(wěn)定性改進了一個數量級。用較高的伺服回路增益可以獲得較高的穩(wěn)定性。
圖5顯示了另一頻率伺服控制系統500，它使用分別在兩個分離光纖120A和120B中的兩個光纖諧振腔130A和130B。光纖耦合器510可用于將激光束112分成兩個相等的射束，并分別將兩個射束耦合到光纖120A和120B。不像單個光纖系統100中所用的光纖120，兩個光纖120A和120B不需要具有兩個正交偏振的兩個不同折射率，以產生相鄰的諧振峰值，以符合由于偏振模色散的相同諧振腔模式。而是，設計兩個光纖諧振腔130A和130B，使得它們同階諧振的諧振頻率彼此稍微偏離一個期望量。例如這可以通過將它們兩個光柵之間的間隙、或光柵周期、或兩者構造成不同的而獲得。在一個實施例中，可以將兩個光纖120A和120B配置在稍微不同的拉力下，以獲得兩個峰值之間的頻率移動。
每個光纖諧振腔中兩個光纖光柵之間的間隙被設置為充分小，使得諧振腔的FSR大于反射帶寬。因此，在每個光纖諧振腔的反射帶寬中只能顯示一個透射諧振峰值。類似于圖1中系統100中的偏振色散，兩個光纖諧振腔130A和130B的兩個不同透射峰值之間的中心頻率可用作頻率參考值，以鎖住激光器110。探測器151和152可用于接收兩個透射峰值的信號，電路160可用于將一個信號取反，以產生作為反饋控制的和信號170。
在圖1的系統100和圖5的系統500中，頻率參考值可以調節(jié)，所以當激光頻率被鎖在參考值時，激光頻率也可以調節(jié)。例如，兩個系統中的兩個移動諧振峰值可以移動，以改變中心頻率。只要伺服控制適當地工作，就可以響應信號116調節(jié)激光器110，使得激光頻率跟隨中心頻率。
在圖1中的系統100中，這可以通過改變光柵間距和兩個光纖光柵131和132之間的間隙133而獲得，所以兩個峰值向相同的方向移動相同的量。光纖拉伸器可以在諧振腔130的位置處與光纖120連接，以實現調節(jié)。在圖5中的系統500中，可以拉伸一個或兩個光纖120A和120B，使得中心頻率在兩個諧振峰值之間移動。
已經描述了多個實施例。然而，應該理解不脫離以下權利要求書的精神和范圍可以進行各種變化和改進。
權利要求
1.一種裝置，其特征在于，它包括光纖，被耦合用于接收具有某一激光波長的激光束，它具有由兩組布拉格光柵形成的光纖諧振腔，所述兩組布拉格光柵彼此分離并在所述激光頻率處反射，所述光纖具有沿第一方向的光偏振的第一折射率和沿第二方向的光偏振不同的第二折射率，所述第一方向垂直于光纖纖芯，所述第二方向垂直于所述的第一方向；偏振元件，它耦合到所述光纖，用于接收所述光纖諧振腔的透射激光束，并產生沿所述第一方向的第一偏振射束和沿所述第二方向的第二偏振射束；第一光探測器，用于接收所述第一激光束，以產生第一探測器信號；第二光探測器，用于接收所述第二激光束，以產生第二探測器信號；和電路，用于將所述第一探測器信號和所述第二探測器信號組合，以產生誤差信號，該誤差信號表示所述激光頻率相對于所述光纖諧振腔確定的參考頻率的偏離量。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光束沿相對于第一方向成45°角的方向偏振。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光纖是偏振保留光纖。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，沿所述第一和所述第二方向之一對所述光纖施加機械應力。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述光纖包括雙折射介質材料。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電路包括電路單元，它將所述第一探測器信號取反，然后將取反后的第一探測器信號和所述第二探測器信號相加，產生所述的誤差信號。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述偏振單元包括偏振分束器。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述偏振單元包括偏振光纖耦合器。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于產生所述激光束的激光器。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述激光器包括半導體激光器。
11.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述激光器包括作為所述激光器之激光諧振腔端口的光纖。
12.如權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述激光器包括由所述光纖形成的環(huán)狀諧振腔。
13.如權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述激光器可用于響應所述誤差信號調節(jié)所述激光束的所述激光頻率，以相對于所述參考頻率穩(wěn)定所述激光頻率。
14.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括用于控制所述光纖諧振腔，使得所述參考頻率變化的單元。
15.一種裝置，其特征在于，它包括光纖耦合器，用于接收具有某一激光頻率的激光束，并將所述激光束分成第一激光束和第二激光束；第一光纖，被耦合用于接收所述第一激光束，它具有由兩組布拉格光柵形成的第一光纖諧振腔，所述兩組布拉格光柵彼此分離并在所述激光頻率處反射；第二光纖，被耦合用于接收所述第二激光束，它具有由兩組布拉格光柵形成的第二光纖諧振腔，所述兩組布拉格光柵彼此分離，并在所述激光頻率處反射；第一光探測器，用于接收所述第一光纖諧振腔的第一透射，以產生第一探測器信號；第二光探測器，用于接收所述第二光纖諧振腔的第二透射，以產生第二探測器信號；和電路，用于將所述第一和所述第二探測器信號組合，以產生誤差信號，該誤差信號表示所述激光頻率相對于所述光纖諧振腔確定的參考頻率的偏離量。
16.如權利要求15所述的裝置，其特征在于，還包括耦合到至少所述第一和所述第二光纖諧振腔之一的單元，用于控制并改變所述參考頻率。
17.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述第一包括光纖拉伸器。
18.一種方法，其特征在于，它包括通過在光纖中制造兩組彼此分離的布拉格光柵，在光纖中形成光纖諧振腔；使光纖具有沿第一方向的光偏振第一折射率和沿第二方向的光偏振不同的第二折射率，所述第一方向垂直于光纖纖芯，所述第二方向垂直于所述第一方向；耦合激光頻率處的激光束，該頻率落在所述布拉格光柵的反射帶寬中；調整所述激光束的偏振，以形成相對于所述第一方向的45°角；從所述光纖諧振腔中在兩個頻率處產生兩個透射峰值；分別將透射峰值轉換成兩個信號；將兩個信號之一取反，并將取反后的信號和另一信號相加，以形成誤差信號，該信號表示激光頻率相對于頻率參考值的偏離量，所述頻率參考值位于兩個透射峰值的中心；和調節(jié)激光頻率，以降低誤差信號，從而激光頻率被穩(wěn)定在頻率參考值。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，還包括改變頻率參考值，并相對于頻率參考值保持激光頻率，以調節(jié)激光頻率。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，通過控制光纖諧振腔改變頻率參考值。
21.如權利要求18所述的方法，其特征在于，光纖諧振腔的布拉格光柵之間的間距被設置在一個值，使得光纖諧振腔的自由光譜區(qū)大于布拉格光柵的反射帶寬。
23.一種方法，其特征在于，它包括通過在第一光纖中制造兩組彼此分離的布拉格光柵，形成第一光纖諧振腔，以產生第一透射諧振峰值；通過在第二光纖中制造兩組彼此分離的布拉格光柵，形成第二光纖諧振腔，以產生不同于第一透射諧振峰值的第二透射諧振峰值；耦合激光頻率處的激光束，該頻率落在第一和第二諧振腔中布拉格光柵的反射帶寬中；分別將透射峰值轉換成兩個信號；將兩個信號之一取反，并將取反后的信號和另一信號相加，以形成誤差信號，該誤差信號表示激光頻率相對于頻率參考值的偏離量，所述頻率參考值位于兩個透射峰值的中心；和調節(jié)激光頻率，以降低誤差信號，從而激光頻率被穩(wěn)定在頻率參考值。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，每個光纖諧振腔的自由光譜區(qū)大于布拉格光柵的反射帶寬。
25.如權利要求23所述的方法，其特征在于，還包括改變頻率參考值，并相對于頻率參考值穩(wěn)定激光頻率，以調節(jié)激光頻率。
全文摘要
用兩個分離光纖光柵形成的光纖諧振腔構造激光頻率鎖的技術和裝置。
文檔編號G02B27/28GK1370344SQ00811792
公開日2002年9月18日 申請日期2000年8月11日 優(yōu)先權日1999年8月13日
發(fā)明者S·雅科維, A·雅里弗, D·普羅文薩諾 申請人:加利福尼亞技術學院