CN1174529C - 光纤中的频率锁 - Google Patents

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Abstract

用两个分离光纤光栅形成的光纤谐振腔构造激光频率锁的技术和装置。

Description

光纤中的频率锁
                         相关专利申请
本申请要求1999年8月13日提交的美国临时申请号60/149,004的优先权。
                             背景
本申请涉及光纤装置和激光器。
由于各种内部过程(如散粒噪声和其它波动)或环境因素(如温度的变化或振动)，激光器的输出频率可以漂移或波动。例如，半导体激光器的频率可以随着激励电流和温度而变化。在要求频率稳定性的某些应用中，激光器频率的这种变化是非期望的。
例如，波分复用(WDM)已用于通过在不同的波长上同时发送不同的光波，而扩展光纤通信链路的容量。尤其重要的是指定并标准化WDM信号中的波长，所以来自不同制造商的WDM装置、模块、和子***是兼容的，并可以集成并配置在商用WDM网络中。一种常用的WDM波长标准是国际电信联盟(ITU)标准，其中要求不同光波的WDM波长符合ITU网络频率。因此，需要稳定不同WDM信道的激光发射机，以针对内部或外部波动引起的波长不稳定性。
其它的应用，如精密光谱测量和非线性光学工程，也可能要求激光器的频率稳定性。
                          发明内容
该应用包括使用光纤和光纤装置以稳定激光器频率的技术和装置。
                          附图说明
图1显示了基于光纤谐振腔中偏振模色散的激光频率锁的一个实施例，光纤谐振腔由光纤中的两组光纤光栅形成。
图2A显示了带有两个分离的光纤光栅、而没有偏振模色散的光纤法布里-珀罗谐振器的透射光谱，其中单个透射峰值出现在接近于1535nm，在大约1534.5nm到大约1535.6nm的反射带宽中。
图2B显示了光纤法布里-珀罗谐振器的反射带宽中两个相邻的透射峰值的实例，它是由于图1所示***中的偏振模色散通过分割单个透射峰值引起的。
图3显示了图1所示***的实现所产生的典型误差信号。
图4显示了带有和没有图1所示频率控制的情况下测量到的激光频率，它作为二极管激光器注入电流的函数。
图5显示了基于在两个分离光纤中形成的两个光纤谐振腔的激光频率锁的另一实例。
各幅附图中类似的标号指示类似的元件。
                          详细描述
图1显示了基于光纤的频率锁100的一个实施例。激光器110光学耦合到光纤120，所以输出激光束112被限制在光纤120中，并在其中传导。将光纤120设计成各向异性的，所以沿垂直于纤芯的被选方向的光偏振折射率不同于垂直于被选方向的另一光偏振折射率。例如，带有这种折射率各向异性的保偏光纤可用作光纤120。获得这种折射率各向异性的一种方法是沿被选方向对光纤120施加机械地应力，该被选方向实质得垂直于光纤轴。在另一方法中，将光纤纤心暴露于UV光下，在光纤纤芯中产生期望的双折射。此外，双折射介质材料可用于形成光纤纤芯。
光纤120包括片段，其中在光纤中形成具有实质相同光栅周期的两组布拉格光栅131和132，并且两组光栅彼此相隔一个间隙133。每个光纤光栅作为反射器，选择性地反射满足布拉格相位符合条件的布拉格波长处的光，并透射其它光谱分量。该布拉格波长等于光纤有效折射率和光栅周期之积的两倍。由于光栅131和132具有相同的光栅周期，所以它们在相同的波长处反射。光栅131和132的反射不限于单个波长，而是一个反射带宽，其中每个光栅反射带宽中任何波长处的光。每个光栅的反射带宽是光栅强度的函数，光栅强度依赖于光纤折射率周期调制的深度和每个光栅的周期数。因此，两个分离的光栅131和132只对布拉格波长处的光形成法布里-珀罗谐振器。
这种法布里-珀罗谐振腔130中布拉格波长处的光将被光栅131和132反射，而前后振动以引起光干涉。当全程相位延迟为360°或360°的任何倍数时，相长干涉使得在谐振处产生透射峰值。当相位延迟偏离谐振时法布里-珀罗谐振腔130的光传输将衰减，当相位延迟偏离谐振正好180°时光传输将变成0。随着相位延迟的连续变化光传输开始增加，并在符合另一谐振条件时达到峰值。相对于全程的相位延迟这种行为是周期性的。用光纤有效折射率和间隙133之积实质确定该全程相位延迟，并且当该积等于波长的一半时出现谐振峰值。当用频率表示时，全程相位延迟表示两个邻近谐振峰值之间的频率差，并被称为法布里-珀罗谐振腔的自由光谱区(FSR)。
通过使光纤光栅131和132的反射带宽小于FSR，法布里-珀罗谐振腔130可以被构造成在反射带宽中只有一个透射峰值。图2A显示了典型光线法布里-珀罗谐振腔的透射光谱，其中将每个光纤光栅都设计成在大约1534.5nm到大约1535.6nm的带宽中反射。没有偏振模色散，当输入光的频率符合光纤法布里-珀罗谐振腔的谐振峰值之一时，在反射带宽中显示出单个透射峰值200。
当光纤法布里-珀罗谐振腔120的精度相当高时，例如通过增加每个光栅的强度，每个透射峰值的线宽就相当窄，因此透射峰值的谐振频率是严格定义的频率。因此，该谐振频率可用作频率参考值或标记。由于当输入频率相对于谐振频率漂移时输入光的透射发生变化，所以输入光透射强度的变化可用于指示输入光相对于谐振频率的频率移动。
尤其，光纤120的折射率是各向异性的。对于固定输入频率处的输入光，平行于被选方向的光偏振经历一个折射率值，垂直于被选方向的光偏振经历不同的折射率值。沿两个正交方向的这两个不同折射率值产生两个正交偏振之间的偏振模色散，并分别产生两个相邻的谐振峰值，每个偏振对应一个。间隙133中的折射率差确定两个峰值之间的频率间隔。
图2B显示了光纤谐振腔130中接近于1541.41nm处的两个透射峰值210和220的实例，光纤谐振腔由保偏硅玻璃光纤形成。两个正交偏振之间的折射率差使两个偏振符合两个不同频率210和220处谐振腔的相同谐振模，两个不同的频率大约相差2.18GHz。
***100被设计成使用这些沿相同谐振模处两个正交偏振的两个峰值，以产生指示激光频率变化的误差信号，并基于误差信号使用反馈机构纠正激光频率。
设计光纤光栅131和132，使得它们的反射带宽覆盖能稳定激光器110之频率的光谱范围。将输出激光束112的偏振和光纤120的被选方向定向成彼此相差大约45°，所以在两个正交偏振之间实质等分输入激光功率，一个平行于被选轴，另一个垂直于被选轴。偏振装置140耦合到光纤120，以接收光纤谐振腔130的透射。这种装置140的实例包括偏振分束器和偏振光纤耦合器等等。在工作中，装置140被定向成用于分离沿被选方向的偏振与垂直于被选方向的另一偏振，沿被选方向的偏振是第一输出信号141，垂直于被选方向的偏振是第二输出信号142。光探测器151和152分别用于接收信号141和142，并将它们转换成电输出信号。
连接电路160，用于接收探测器151和152的输出信号。电路160将两个信号151和152之一(如152表示图2中的峰值220)取反，然后和另一信号相加，产生一个和信号。随后将和信号放大，用于进一步的处理。如图所示，电路160可以包括运算放大器，以执行取反，求和与放大步骤。
图3显示了以上和信号作为大约1544.78nm处激光波长的光谱色散线形状的一个实例。由于各向异性，光纤法布里-珀罗谐振腔沿两个正交偏振的两个峰值彼此分开在大约1.84GHz。当激光束112的偏振相对于光纤120的被选方向正好为45°时，两个峰值在光谱分布和强度上实质相同，只是彼此之间有光谱偏移。因此，和信号在两个峰值的中心频率处为零，当激光频率偏离该中心频率时就变为正或负。该中心频率可用作锁住激光频率的频率参考值(fref)。
可以将光纤谐振腔130设计成通过控制例如光纤120折射率的各向异性、光栅131和132的结构、以及间隙133，将频率参考值设置为期望值。对于WDM的应用，例如频率参考值可以是ITU标准指定的一个WDM波长。
参考图1，误差信号170可以是电路160的电压或电流信号，它表示和信号的符号和大小。然后将误差信号170反馈到激光器110，以形成伺服控制反馈回路。伺服回路响应误差信号170，用于将激光器110频率调节到频率参考值，所以误差信号170的大小降低到可以接受的范围，激光频率保持“锁”在频率参考值处。误差信号170的符号表示激光频率的纠正方向，大小决定激光频率的纠正量。
激光器110一般可以是任何可调激光器，频率控制单元114的信号116可以控制它的输出频率。例如，激光器110可以包括半导体激光器、带有线性或环状谐振腔的光纤激光器、或基于半导体或光纤激光器的激光器。频率控制单元114可以是激光器110内部的部分，或激光器110的外部装置。例如，如果激光器110是半导体二极管激光器，则频率控制114可以是驱动电路，控制信号116可以是到二极管的驱动电流。或者，频率控制114可以是控制二极管温度的温度控制器。如果激光器110包括作为光路一部分的光纤，那么频率控制单元114可以包括控制光纤长度并以此控制光纤频率的光纤拉伸器。
图4显示了带有和没有图1所示伺服控制***的测量到的激光波长，它是激光二极管注入电流的函数。曲线410显示了频率伺服控制***工作时的测量数据。与之相比，曲线420显示了关闭频率伺服控制***时的测量数据。测量值显示伺服控制将二极管的频率稳定性改进了一个数量级。用较高的伺服回路增益可以获得较高的稳定性。
图5显示了另一频率伺服控制***500，它使用分别在两个分离光纤120A和120B中的两个光纤谐振腔130A和130B。光纤耦合器510可用于将激光束112分成两个相等的射束，并分别将两个射束耦合到光纤120A和120B。不像单个光纤***100中所用的光纤120，两个光纤120A和120B不需要具有两个正交偏振的两个不同折射率，以产生相邻的谐振峰值，以符合由于偏振模色散的相同谐振腔模式。而是，设计两个光纤谐振腔130A和130B，使得它们同阶谐振的谐振频率彼此稍微偏离一个期望量。例如这可以通过将它们两个光栅之间的间隙、或光栅周期、或两者构造成不同的而获得。在一个实施例中，可以将两个光纤120A和120B配置在稍微不同的拉力下，以获得两个峰值之间的频率移动。
每个光纤谐振腔中两个光纤光栅之间的间隙被设置为充分小，使得谐振腔的FSR大于反射带宽。因此，在每个光纤谐振腔的反射带宽中只能显示一个透射谐振峰值。类似于图1中***100中的偏振色散，两个光纤谐振腔130A和130B的两个不同透射峰值之间的中心频率可用作频率参考值，以锁住激光器110。探测器151和152可用于接收两个透射峰值的信号，电路160可用于将一个信号取反，以产生作为反馈控制的和信号170。
在图1的***100和图5的***500中，频率参考值可以调节，所以当激光频率被锁在参考值时，激光频率也可以调节。例如，两个***中的两个移动谐振峰值可以移动，以改变中心频率。只要伺服控制适当地工作，就可以响应信号116调节激光器110，使得激光频率跟随中心频率。
在图1中的***100中，这可以通过改变光栅间距和两个光纤光栅131和132之间的间隙133而获得，所以两个峰值向相同的方向移动相同的量。光纤拉伸器可以在谐振腔130的位置处与光纤120连接，以实现调节。在图5中的***500中，可以拉伸一个或两个光纤120A和120B，使得中心频率在两个谐振峰值之间移动。
已经描述了多个实施例。然而，应该理解不脱离以下权利要求书的精神和范围可以进行各种变化和改进。

Claims (24)

1.一种装置，其特征在于，它包括：
光纤，被耦合用于接收具有某一激光波长的激光束，它具有由两组布拉格光栅形成的光纤谐振腔，所述两组布拉格光栅彼此分离并在所述激光频率处反射，所述光纤具有对沿第一方向的光偏振的第一折射率和对沿第二方向的光偏振的不同的第二折射率，所述第一方向垂直于光纤纤芯，所述第二方向垂直于所述的第一方向；
偏振元件，它耦合到所述光纤，用于接收所述光纤谐振腔的透射激光束，并产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；
第一光探测器，用于接收所述第一激光束，以产生第一探测器信号；
第二光探测器，用于接收所述第二激光束，以产生第二探测器信号；和
电路，用于将所述第一探测器信号和所述第二探测器信号组合，以产生误差信号，该误差信号表示所述激光频率相对于所述光纤谐振腔确定的参考频率的偏离量。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光束沿相对于第一方向成45°角的方向偏振。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤是保偏光纤。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，沿所述第一和所述第二方向之一对所述光纤施加机械应力。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤包括双折射介质材料。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电路包括电路单元，它将所述第一探测器信号取反，然后将取反后的第一探测器信号和所述第二探测器信号相加，产生所述的误差信号。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振单元包括偏振分束器。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振单元包括偏振光纤耦合器。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于产生所述激光束的激光器。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述激光器包括半导体激光器。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述激光器包括作为所述激光器之激光谐振腔端口的光纤。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述激光器包括由所述光纤形成的环状谐振腔。
13.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述激光器可用于响应所述误差信号调节所述激光束的所述激光频率，以相对于所述参考频率稳定所述激光频率。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于控制所述光纤谐振腔，使得所述参考频率变化的单元。
15.一种装置，其特征在于，它包括：
光纤耦合器，用于接收具有某一激光频率的激光束，并将所述激光束分成第一激光束和第二激光束；
第一光纤，被耦合用于接收所述第一激光束，它具有由两组布拉格光栅形成的第一光纤谐振腔，所述两组布拉格光栅彼此分离并在所述激光频率处反射；
第二光纤，被耦合用于接收所述第二激光束，它具有由两组布拉格光栅形成的第二光纤谐振腔，所述两组布拉格光栅彼此分离，并在所述激光频率处反射；
第一光探测器，用于接收所述第一光纤谐振腔的第一透射，以产生第一探测器信号；
第二光探测器，用于接收所述第二光纤谐振腔的第二透射，以产生第二探测器信号；和
电路，用于将所述第一和所述第二探测器信号组合，以产生误差信号，该误差信号表示所述激光频率相对于所述光纤谐振腔确定的参考频率的偏离量。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，还包括耦合到至少所述第一和所述第二光纤谐振腔之一的单元，用于控制并改变所述参考频率。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第一包括光纤拉伸器。
18.一种方法，其特征在于，它包括：
通过在光纤中制造两组彼此分离的布拉格光栅，在光纤中形成光纤谐振腔；
使光纤具有对沿第一方向的光偏振的第一折射率和对沿第二方向的光偏振的不同的第二折射率，所述第一方向垂直于光纤纤芯，所述第二方向垂直于所述第一方向；
耦合激光频率处的激光束，该频率落在所述布拉格光栅的反射带宽中；
调整所述激光束的偏振，以形成相对于所述第一方向的45°角；
从所述光纤谐振腔中在两个频率处产生两个透射峰值；
分别将透射峰值转换成两个信号；
将两个信号之一取反，并将取反后的信号和另一信号相加，以形成误差信号，该信号表示激光频率相对于频率参考值的偏离量，所述频率参考值位于两个透射峰值的中心；和
调节激光频率，以降低误差信号，从而激光频率被稳定在频率参考值。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括改变频率参考值，并相对于频率参考值保持激光频率，以调节激光频率。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，通过控制光纤谐振腔改变频率参考值。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，光纤谐振腔的布拉格光栅之间的间距被设置在一个值，使得光纤谐振腔的自由光谱区大于布拉格光栅的反射带宽。
22.一种方法，其特征在于，它包括：
通过在第一光纤中制造两组彼此分离的布拉格光栅，形成第一光纤谐振腔，以产生第一透射谐振峰值；
通过在第二光纤中制造两组彼此分离的布拉格光栅，形成第二光纤谐振腔，以产生不同于第一透射谐振峰值的第二透射谐振峰值；
耦合激光频率处的激光束，该频率落在第一和第二谐振腔中布拉格光栅的反射带宽中；
分别将透射峰值转换成两个信号；
将两个信号之一取反，并将取反后的信号和另一信号相加，以形成误差信号，该误差信号表示激光频率相对于频率参考值的偏离量，所述频率参考值位于两个透射峰值的中心；和
调节激光频率，以降低误差信号，从而激光频率被稳定在频率参考值。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，每个光纤谐振腔的自由光谱区大于布拉格光栅的反射带宽。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括改变频率参考值，并相对于频率参考值稳定激光频率，以调节激光频率。
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