專利名稱：利用鎖模激光器產(chǎn)生具有高重復(fù)率的光脈沖串的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光脈沖串的產(chǎn)生，更具體地講，涉及一種產(chǎn)生具有高重復(fù)率的光脈沖串的裝置和方法。
已經(jīng)認(rèn)識到已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器是一種具有高重復(fù)率的光脈沖串源。美國專利No.6,031,851中公開了一種已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器，在此將該專利整體引入作為參考。

圖1是常用已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器的示意圖。該常規(guī)已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器由一個基底55，一個激活區(qū)56，和電極57-59構(gòu)成?；?5和激活區(qū)56被劃分成分布的布拉格反射器區(qū)(DBR區(qū))51，電子吸收調(diào)制器區(qū)52，增益區(qū)53，和可飽和吸收器區(qū)54。
如下所述，光脈沖串的產(chǎn)生是利用常規(guī)已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器完成的。通過電極57向可飽和吸收器區(qū)54提供反向偏置電壓。通過電極58向增益區(qū)53提供直流電流。通過電極59向電子吸收調(diào)制器區(qū)52提供調(diào)制偏壓，調(diào)制偏壓是由反向直流偏壓和一個正弦電壓疊加產(chǎn)生的。調(diào)制偏壓致使發(fā)射出光脈沖串。常規(guī)已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器可以產(chǎn)生具有在30至40GHz范圍的重復(fù)率的光脈沖串。
也可以利用陣列波導(dǎo)管衍射光柵(AWG)或法布里-珀羅校準(zhǔn)器(Fabry-Perot etalon)完成光脈沖串的產(chǎn)生。圖2示出了用于產(chǎn)生光脈沖串的AWG裝置71。AWG裝置71由一個輸入波導(dǎo)管61，一個光學(xué)多路分解器62，多個波導(dǎo)管63，一個光學(xué)多路復(fù)用器64，和一個輸出波導(dǎo)管65構(gòu)成。多個波導(dǎo)管63的光路長度彼此不同。如圖3A中所示，向輸入波導(dǎo)管61提供了光脈沖串Pin。如圖2中所示，光學(xué)多路分解器62多路分解光脈沖串Pin，以產(chǎn)生多個光脈沖串。將產(chǎn)生的光脈沖串分別提供給波導(dǎo)管63，以使其延遲。波導(dǎo)管63的不同光路長度致使光脈沖串被延遲不同的延遲時間。多路復(fù)用器64多路復(fù)用延遲的光脈沖串，以產(chǎn)生輸出光脈沖串Pout。輸出光脈沖串Pout具有的重復(fù)率是輸入光脈沖串Pin的重復(fù)率的m倍，m是波導(dǎo)管63的數(shù)量。
在日本公開專利申請(JP-A平8-148749)中，Yokoyama等人披露了另一種產(chǎn)生光脈沖串的技術(shù)。這種光脈沖串產(chǎn)生技術(shù)使用了兩個半導(dǎo)體激光器，其中一個是已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器，另一個是無源鎖模半導(dǎo)體激光器。已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生一個光脈沖串，以激勵無源鎖模半導(dǎo)體激光器。無源鎖模半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生與來自己調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器的光脈沖串同步的輸出光脈沖串。通過光激勵獲得的同步提高了輸出光脈沖串的重復(fù)率的穩(wěn)定性。
光信號處理的最近發(fā)展要求能夠產(chǎn)生具有高于50GHz，最好是高于80GHz的重復(fù)率的光脈沖串，而且要求能夠精確地控制重復(fù)率。因而，希望有一種能夠產(chǎn)生具有精確控制的高重復(fù)率的光脈沖串的技術(shù)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種精確地控制產(chǎn)生的光脈沖串的重復(fù)率的光脈沖串發(fā)生器。
一種光脈沖串發(fā)生器包括第一和第二光諧振器，和一個光脈沖發(fā)生器。第一光諧振器中具有一個第一光路長度的第一光路。第二光諧振器插入到第一光路中。第二光諧振器中具有一個實(shí)際等于第二光路長度的1/m的第二光路長度的第二光路，m是一個自然數(shù)。光脈沖發(fā)生器向第一光諧振器提供包括對應(yīng)于第一光路長度調(diào)諧的第一重復(fù)率分量的第一光脈沖串。第一光脈沖串的提供使得能夠在第一光諧振器中產(chǎn)生第二光脈沖串。第一光諧振器提取第二光脈沖串的一部分，以輸出一個輸出光脈沖串。
當(dāng)光脈沖串發(fā)生器進(jìn)一步包括一個插入到第一光諧振器的第一光路中的激光器增益元件時，激光器增益元件最好接收第一光脈沖串，以便與第一光脈沖串同步地放大第二光脈沖串。
激光器增益元件最好是一個包括接收第一光脈沖串的可飽和吸收器區(qū)，和一個耦合到可飽和吸收器區(qū)以放大第二光脈沖串的增益區(qū)的鎖模半導(dǎo)體激光器。
鎖模半導(dǎo)體激光器最好在可飽和吸收器區(qū)上具有一個反射表面，并且第一光諧振器包括一個反射鏡，通過增益區(qū)和第二光諧振器將第一光路形成在反射表面和反射鏡之間。
反射鏡優(yōu)選可以移動，以便能夠調(diào)節(jié)第一光路長度。
第一光諧振器可以由具有一對反射表面的法布里-珀羅諧振器構(gòu)成，第一光路形成在這對反射表面之間。
在這種情況下，第一光脈沖串的第一重復(fù)率優(yōu)選是f/n，n是一個自然數(shù)，f是一個由下式定義的圓周頻率f＝c/2L其中c是真空中的光速，L是反射表面對之間的第一光路的第一光路長度。這致使第二光脈沖串的第二重復(fù)率成為圓周頻率f的m倍。
第二光諧振器可以由包括一對光學(xué)平板的法布里-珀羅校準(zhǔn)器構(gòu)成，第二光路形成在光學(xué)平板對之間。
在這種情況下，法布里-珀羅諧振器和法布里-珀羅校準(zhǔn)器優(yōu)選設(shè)計(jì)成不在法布里-珀羅諧振器與法布里-珀羅校準(zhǔn)器之間形成一個諧振器。這是優(yōu)選通過使光學(xué)平板對與形成在法布里-珀羅諧振器的反射鏡對之間的第一光路傾斜一定的角度取得的。
第一光諧振器可以由一個環(huán)形諧振器構(gòu)成，這個環(huán)形諧振器是將第一光諧振器的第一光路形成一個環(huán)路而構(gòu)成的。
在這種情況下，第一光脈沖串的第一重復(fù)率優(yōu)選是f′/n，n是一個自然數(shù)，而f′是一個由下式定義的圓周頻率f′＝c/L，其中c是真空中的光速，L是環(huán)狀第一光路的第一光路長度。這致使第二光脈沖串的第二重復(fù)率成為圓周頻率f′的m倍。
第一光諧振器可以包括一個光纖，以形成環(huán)形諧振器。
第二光諧振器可以由一個法布里-珀羅校準(zhǔn)器構(gòu)成，而第一光諧振器由一個環(huán)形諧振器構(gòu)成。
當(dāng)?shù)谝还庵C振器由一個環(huán)形諧振器構(gòu)成時，第二光諧振器可以由另一個環(huán)形諧振器構(gòu)成，這個環(huán)形諧振器是將第二光諧振器的第二光路形成一個環(huán)路而構(gòu)成的。
第二光諧振器包括另一個光纖，以形成另一個環(huán)形諧振器。
第一和第二光諧振器的第一和第二光路長度最好是可調(diào)節(jié)的。
第一實(shí)施例第一實(shí)施例的光脈沖串發(fā)生器是由光脈沖源6和鎖模激光器12構(gòu)成的。光脈沖源6通過光隔離器7和準(zhǔn)直透鏡5b向鎖模激光器12提供調(diào)制光脈沖串13。光隔離器7防止了來自鎖模激光器12的不希望的反饋。應(yīng)當(dāng)指出，可以通過光纖(未示出)發(fā)送調(diào)制光脈沖串13。光脈沖源6可以是一個無源鎖模半導(dǎo)體激光器，一個DFB半導(dǎo)體激光器，和一個已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器。在本實(shí)施例中，使用了圖1中示出的已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器作為光脈沖源6。已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器由于其較短的諧振器長度，使得它的模式間隔能夠與時鐘頻率相同。這使得能夠減小調(diào)制光脈沖串13的抖動。
鎖模激光器12是由半導(dǎo)體激光器1，半透明反射鏡2，法布里-珀羅校準(zhǔn)器3，波長選擇器4，和準(zhǔn)直透鏡5構(gòu)成的。法布里-珀羅校準(zhǔn)器3，波長選擇器4和準(zhǔn)直透鏡5串聯(lián)地布置在半導(dǎo)體激光器1和半透明反射鏡2之間。
半導(dǎo)體激光器1在與半透鏡反射鏡2相對的一側(cè)具有一個反射端面11a。反射端面11a和半透明反射鏡2起到了法布里-珀羅諧振器的作用。此后，將法布里-珀羅諧振器稱為主諧振器。反射端面11a涂覆有層狀結(jié)構(gòu)的介電膜，以將其反射率提高到大約0.8。層狀結(jié)構(gòu)介電膜可以由SiO2/TiO2層或Si/SiO2層形成。
半導(dǎo)體激光器1的相反端面11b涂覆一層抗反射涂層。抗反射涂層可以包括層狀結(jié)構(gòu)的介電膜，例如，SiO2/TiO2層或Si/SiO2層的介電膜。端面11b的反射率被降低到10-4以下。端面11b的低反射率防止了在端面11b與半透明反射鏡2之間形成一個諧振器。
半導(dǎo)體激光器1包括一個在端面11b上的增益區(qū)1a，和一個在端面11a上的可飽和吸收器區(qū)1b。增益區(qū)1a和可飽和吸收器區(qū)1b分別設(shè)置有電源電極。
給作為一個光學(xué)放大器的增益區(qū)1a提供直流電流，以便在端面11b與半透明反射鏡2之間形成的主諧振器內(nèi)產(chǎn)生諧振的光脈沖串14?？娠柡臀掌鲄^(qū)1b接收來自光脈沖源6的光脈沖串13，以使諧振的光脈沖串14與光脈沖串13同步。
半透明反射鏡2透過一部分諧振的光脈沖串14，以輸出一個輸出光脈沖串15。如圖4中箭頭A所指示的，半透明反射鏡2可以沿主諧振器的光路移動。可移動半透明反射鏡2使得能夠把主諧振器的光路長度L調(diào)節(jié)到希望的長度。應(yīng)當(dāng)指出，主諧振器的光路長度L意味著半導(dǎo)體激光器1的反射端面11b與半透明反射鏡2的半反射表面之間的光路長度?？梢苿影胪该鞣瓷溏R2使得能夠精確地調(diào)節(jié)輸出光脈沖串15的重復(fù)率。
法布里-珀羅校準(zhǔn)器3起到一個插入到主諧振器的光路中的子諧振器的作用。法布里-珀羅校準(zhǔn)器3是由一對平行的半反射表面構(gòu)成的。具體地講，法布里-珀羅校準(zhǔn)器3包括一個由石英、光學(xué)玻璃之類的材料形成的光學(xué)平板，和一對形成在光學(xué)平板兩側(cè)的半反射層。半反射層可以是由層狀結(jié)構(gòu)的介電層或薄金屬膜形成的。法布里-珀羅校準(zhǔn)器3被設(shè)計(jì)成具有由下式定義的平行半反射表面之間的光路長度dd＝L/m，其中L是主諧振器的光路長度，m是一個等于或大于2的整數(shù)。使諧振的光脈沖串14的傳輸系數(shù)最大的重復(fù)率具有c/2d的間隔Δf，其中c是真空中的光速。
將法布里-珀羅校準(zhǔn)器3布置為稍微傾斜于主諧振器的光路。法布里-珀羅校準(zhǔn)器3的傾斜布置防止了在半透明反射鏡2與法布里-珀羅校準(zhǔn)器3之間，和法布里-珀羅校準(zhǔn)器3與半導(dǎo)體激光器1的端面11b之間形成諧振器。
法布里-珀羅校準(zhǔn)器3可以包括一對半透明的平行反射鏡，和一個由插入在半透明平行反射鏡之間的壓電材料或電光材料制造的光學(xué)介質(zhì)。使用壓電或電光光學(xué)介質(zhì)使得能夠響應(yīng)施加到光學(xué)介質(zhì)的電壓來調(diào)節(jié)半透明平行反射鏡之間的光路長度d。
波長選擇器4確定諧振的光脈沖串14的波長，從而確定了輸出光脈沖串15的波長。波長選擇器4可以是一個分散棱鏡，衍射光柵，或由層狀結(jié)構(gòu)的介電層構(gòu)成的波長選擇濾光器?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)波長選擇器4與主諧振器的光路之間的角度，把輸出光脈沖串15的波長設(shè)置到希望的波長。波長選擇器4使輸出的光脈沖串15的波長與同步光脈沖13的波長不同。如果不需要精確地控制輸出光脈沖串15的波長，那么可以省略波長選擇器4。但是，實(shí)際中最好使用波長選擇器4。
第一實(shí)施例的光脈沖串發(fā)生器可以產(chǎn)生重復(fù)率是輸出光脈沖串13的重復(fù)率的m倍的調(diào)制光脈沖串15。輸出光脈沖串15的產(chǎn)生機(jī)理如下。
作為圖1中所示的已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器的光脈沖源6產(chǎn)生調(diào)制光脈沖串13。對應(yīng)于主諧振器的光路長度調(diào)諧調(diào)制的光脈沖串13的重復(fù)率。具體地講，調(diào)制的光脈沖串13具有f/n的基本重復(fù)率，f是一個由下式確定的圓周頻率
f＝c/2L，n是一個自然數(shù)，c是真空中的光速，L是主諧振器的光路長度。調(diào)制的光脈沖串13的產(chǎn)生是通過利用一個標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器(未示出)向已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器提供一個f/n頻率的正弦電壓取得的。正弦電壓致使光脈沖源6產(chǎn)生具有f/n的基本重復(fù)率的調(diào)制光脈沖串13。調(diào)制光脈沖串13也包括具有2f/n，3f/n，...，f，...的重復(fù)率的諧波分量。將產(chǎn)生的調(diào)制光脈沖串13通過端面11b輸入到半導(dǎo)體激光器1。
向半導(dǎo)體激光器1的增益區(qū)1a提供一個直流電流，并且向可飽和吸收器區(qū)1b提供一個反向的偏壓。直流電流和反向偏壓的提供致使半導(dǎo)體激光器1通過無源鎖模在主諧振器中產(chǎn)生諧振光脈沖串14。
起到具有d(＝L/m)的光路長度的子諧振器作用的法布里-珀羅校準(zhǔn)器3將諧振的光脈沖串14的諧振模限制到滿足由法布里-珀羅校準(zhǔn)器3的布置確定的諧振條件的諧振模。法布里-珀羅校準(zhǔn)器3致使諧振的光脈沖串14具有主諧振器的圓周頻率的m倍的高重復(fù)率。
半導(dǎo)體激光器1通過可飽和吸收器區(qū)1b接收調(diào)制光脈沖串13，以便與調(diào)制光脈沖串13同步地調(diào)制諧振的光脈沖串14。調(diào)制光脈沖串13及其諧波分量的基本重復(fù)率f/n使得能夠?qū)⒅C振的光脈沖串14的重復(fù)率精確地控制到m倍的圓周頻率f。半透明反射鏡2部分地透過諧振的光脈沖串14，以產(chǎn)生輸出光脈沖串15。因此，鎖模激光器12可以在穩(wěn)定和精確地控制重復(fù)率的同時，產(chǎn)生具有高重復(fù)率的與調(diào)制光脈沖串13同步的輸出光脈沖串15。
法布里-珀羅校準(zhǔn)器3可以通過它的不希望的反射和輻射造成諧振的光脈沖串14的損耗。但是，用作一個設(shè)置在主諧振器內(nèi)部的激光器增益元件的半導(dǎo)體激光器1來補(bǔ)償損耗，因而，損耗并不對輸出光脈沖串15的產(chǎn)生造成嚴(yán)重問題。
此外，半導(dǎo)體激光器1的補(bǔ)償能夠減小噪聲，和減小輸出脈沖串15的脈寬。半導(dǎo)體激光器1的增益區(qū)1a放大和再生諧振的光脈沖串14。可飽和吸收器區(qū)1b吸收自身發(fā)射的光，以從諧振的光脈沖串14除去背景噪聲?？娠柡臀掌鲄^(qū)1b也減小諧振的光脈沖串14的脈寬。因此，減小了輸出光脈沖串15的噪聲，和縮小了輸出光脈沖串15的脈寬。
必須知道可以在細(xì)節(jié)上改進(jìn)第一實(shí)施例的光脈沖串發(fā)生器。例如，可以把波長選擇器4結(jié)合到光脈沖串發(fā)生器的另一個組件中。例如，可以將一個用作波長選擇器4的擴(kuò)散布拉格反射器單片集成在半導(dǎo)體激光器1中，以便使擴(kuò)散布拉格反射器與增益區(qū)1a鄰接。也可以用一個起到波長選擇器以及主諧振器的反射鏡作用的衍射光柵代替半透明反射鏡2。
可以用光纖，用其它固體光學(xué)材料制造的波導(dǎo)管或透明介質(zhì)完成半導(dǎo)體激光器1與半透明反射鏡2之間的諧振的光脈沖串14的傳輸。使用光纖傳輸諧振的光脈沖串14可以伴隨如下所述的一種光脈沖串發(fā)生器的改進(jìn)。用一個形成在半導(dǎo)體激光器1的相對一側(cè)的光纖端部的半反射膜代替半透明反射鏡2。將半反射膜用作主諧振器的一個反射器。將法布里-珀羅校準(zhǔn)器3、波長選擇器4和準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在光纖和半導(dǎo)體激光器1之間。最好傾斜地切斷光纖的另一端，以避免形成一個不希望的諧振器。
使用半導(dǎo)體波導(dǎo)管傳輸諧振的光脈沖串14可以伴隨著在一個半導(dǎo)體基底上的光脈沖串發(fā)生器的單片集成。
使用用諸如石英和鈮酸鋰之類的光學(xué)材料制造的波導(dǎo)管，可以伴隨著諸如光脈沖源6、半導(dǎo)體激光器1、法布里-珀羅校準(zhǔn)器3和波長選擇器4之類的光脈沖串發(fā)生器的所有組件結(jié)合在一個硅平臺上，形成一個模塊結(jié)構(gòu)。
第二實(shí)施例圖5示出了第二實(shí)施例的光脈沖串發(fā)生器。
第二實(shí)施例的光脈沖串發(fā)生器是由一個光脈沖源6和一個鎖模激光器16構(gòu)成的。光脈沖源6是由圖1中所示的已調(diào)制鎖模半導(dǎo)體激光器形成的。光脈沖源6通過一個光隔離器7給鎖模激光器16提供調(diào)制光脈沖串13。
鎖模激光器16包括反射鏡2a，2b，和2c，以及一個半透明反射鏡2d，以便在其中形成一個環(huán)狀的光路。就是說，反射鏡2a，2b和2c，以及半透明反射鏡2d形成了一個環(huán)形諧振器。將環(huán)形諧振器用作鎖模激光器16中的一個主諧振器。環(huán)形諧振器的環(huán)狀光路具有光路長度L。反射鏡2b和2c可以在圖5中箭頭A所示的方向上移動?？梢苿拥姆瓷溏R2b和2c使得光路長度L可以調(diào)節(jié)。
準(zhǔn)直透鏡5b、半導(dǎo)體激光器1和準(zhǔn)直透鏡5a串聯(lián)地插入到反射鏡2a和2b之間。包括一個可飽和吸收器區(qū)1b和一個增益區(qū)1a的半導(dǎo)體激光器1除了在其兩端分別涂覆有抗反射涂層之外，幾乎與第一實(shí)施例中所述的相同?？狗瓷渫繉臃乐沽嗽诎雽?dǎo)體激光器1的兩端之間形成一個諧振器。
在反射鏡2c和半透明反射鏡2d之間串聯(lián)地插入一個光隔離器7和一個法布里-珀羅校準(zhǔn)器3。光隔離器7防止了光信號在環(huán)形諧振器中逆時針方向的傳輸。
法布里-珀羅校準(zhǔn)器3用作插入在主諧振器(環(huán)形諧振器)中的一個子諧振器。法布里-珀羅校準(zhǔn)器3具有與第一實(shí)施例中所示的相同結(jié)構(gòu)。法布里-珀羅校準(zhǔn)器3具有一對半反射表面，在兩個半反射表面之間具有d的光路長度。光路長度d是由下式確定的d＝L/m，其中L是環(huán)形諧振器的環(huán)狀光路的光路長度，m是一個自然數(shù)。
下面說明利用第二實(shí)施例的光脈沖發(fā)生器產(chǎn)生輸出光脈沖串15。
光脈沖源6產(chǎn)生調(diào)制光脈沖串13，以便使調(diào)制光脈沖串13具有f′/n的基本重復(fù)頻率，f′是一個由下式定義的主諧振器(環(huán)形諧振器)的圓周頻率f′＝c/L，其中c是真空中的光速，n是一個自然數(shù)。調(diào)制光脈沖串13也包括具有2f′/n，3f′/n，...，f′，...的重復(fù)率的諧波。通過半透明反射鏡2d、反射鏡2a和準(zhǔn)直透鏡5b將調(diào)制光脈沖串13輸入到半導(dǎo)體激光器1中。
半導(dǎo)體激光器1通過無源鎖模在環(huán)形諧振器中產(chǎn)生一個諧振的脈沖串14。諧振的脈沖串14在環(huán)形諧振器中順時針循環(huán)，以取得諧振。由法布里-珀羅校準(zhǔn)器3的結(jié)構(gòu)確定諧振的模，以造成諧振的脈沖串14具有圓周頻率f′的m倍的重復(fù)率。
根據(jù)調(diào)制光脈沖串13調(diào)制半導(dǎo)體激光器1，調(diào)制光脈沖串13具有f′/n的基本重復(fù)率，并且包括其諧波。這導(dǎo)致諧振的光脈沖串14與調(diào)制光脈沖串13同步，并且也把諧振的光脈沖串14的重復(fù)率穩(wěn)定到m×f′。
半透明反射鏡2d部分地透過諧振的光脈沖串14，以產(chǎn)生輸出的光脈沖串15。
必須懂得，可以在細(xì)節(jié)上改進(jìn)第二實(shí)施例的光脈沖串發(fā)生器。例如，可以省略光隔離器7。光隔離器7的省略導(dǎo)致光脈沖串順時針和逆時針兩個方向的傳送。在這種改進(jìn)中，半導(dǎo)體激光器1最好包括兩個增益區(qū)1a，并且把可飽和吸收器區(qū)1b設(shè)置在兩個增益區(qū)1a之間。
此外，可以用一個半透明反射鏡代替反射鏡2a，2b和2c中的一個，并且通過半透明反射鏡完成調(diào)制光脈沖串13的輸入，或輸出光脈沖串15的輸出。
此外，如圖6A和6B中所示，可以把一個環(huán)形諧振器用作子諧振器，取代法布里-珀羅校準(zhǔn)器3。圖6A中所示的改進(jìn)光脈沖串發(fā)生器包括半透明反射鏡18a，18b，18e，和反射鏡18c，18d，18f，18g。半透明反射鏡18a，18b和反射鏡18c，18d形成了一個主諧振器，而半透明反射鏡18b，18e和反射鏡18f，18g形成了一個子諧振器。圖6B中示出的另一種改進(jìn)的光脈沖串發(fā)生器包括半透明反射鏡19a，19b，19e和19f，以及反射鏡19c和19d。半透明反射鏡19a，19b和反射鏡19c和19d形成了一個主環(huán)形諧振器，而半透明反射鏡19a，19e，和19f，以及反射鏡19d形成了一個子諧振器。
第三實(shí)施例圖7A示出了第三實(shí)施例的一個光脈沖串發(fā)生器。在第三實(shí)施例中，將由一個光纖10a構(gòu)成的環(huán)形諧振器用作主諧振器，并且將由一個環(huán)狀光纖10b構(gòu)成的環(huán)形諧振器用作子諧振器。
光纖10a構(gòu)成的主諧振器和環(huán)狀光纖10b構(gòu)成的子諧振器分別提供了環(huán)狀光路。確定環(huán)狀光路的光路長度以滿足以下的關(guān)系d＝L/m，其中L是主諧振器的光路長度，d是子諧振器的光路長度，m是一個自然數(shù)。環(huán)狀光纖10b通過一個光耦合器8b耦合到光纖10a。
將光耦合器8a插入到光纖10a中，通過它把調(diào)制光脈沖串13從光脈沖發(fā)生器6輸入到主諧振器。光脈沖發(fā)生器6以與第一和第二實(shí)施例中所述的相同方式操作。
把半導(dǎo)體激光器1插入到主諧振器的環(huán)狀光路中。半導(dǎo)體激光器1包括兩個增益區(qū)1a，和一個設(shè)置在兩個增益區(qū)1a之間的可飽和吸收器區(qū)1b。
半導(dǎo)體激光器1通過無源鎖模產(chǎn)生光脈沖串30a和30b，將光脈沖串30a順時針方向傳輸，并且逆時針方向傳輸光脈沖串30b。最好是從反向傳輸光脈沖串30a和30b的觀點(diǎn)提供兩個增益區(qū)1a。利用調(diào)制光脈沖串13調(diào)制半導(dǎo)體激光器1，以使光脈沖串30a和30b與調(diào)制光脈沖串13同步。半導(dǎo)體激光器1的兩端分別涂覆了抗反射涂層，以防止形成不希望的諧振器。
使光脈沖串30a和30b在主和子諧振器中諧振，同時用子諧振器的光路長度d確定諧振條件。光脈沖串30a和30b所具有的重復(fù)率是f′的m倍，其中f′是用下式確定的圓周頻率f′＝c/L，c是真空中的光速。
將一個波長選擇器4插入到光纖10a中，以固定光脈沖串30a和30b的波長。波長選擇器4可以是一個由層狀結(jié)構(gòu)的介電層構(gòu)成的散射棱鏡，衍射光柵或波長選擇濾光器。可以用一個與光纖10a結(jié)合的衍射光柵纖維替代波長選擇器4。在這種情況下，最好把一個光隔離器插入在結(jié)合的衍射光柵纖維和半導(dǎo)體激光器1之間。光隔離器的插入有效地防止了結(jié)合的衍射光柵纖維與半導(dǎo)體激光器1之間的不希望的諧振器的形成。
將一個光耦合器8c插入到光纖10a中，以把一個光纖10c耦合到光纖10a。光耦合器8c提取光脈沖串30a和30b的一部分，以通過光纖30c產(chǎn)生輸出光脈沖串15。輸出光脈沖串15具有m倍于f′的高重復(fù)率。
可以通過向光纖10a施加熱或電場來調(diào)節(jié)輸出光脈沖串15的重復(fù)率。熱或電場的使用改變了光纖10a的折射率，從而改變了光纖10a的光路長度。當(dāng)把光纖10a緊密地纏繞在一個壓電元件上時，可以通過向壓電元件施加電壓獲得輸出光脈沖串的重復(fù)率的調(diào)節(jié)。對壓電元件施加電壓，改變了光纖10a的長度，這樣能夠調(diào)節(jié)輸出光脈沖串15的重復(fù)率。
第三實(shí)施例的光脈沖串發(fā)生器能夠產(chǎn)生具有高重復(fù)率的光脈沖串，同時使重復(fù)率穩(wěn)定。
必須懂得，可以在細(xì)節(jié)上改進(jìn)第三實(shí)施例的光脈沖串發(fā)生器。
圖7B示出了第三實(shí)施例的一個改進(jìn)的光脈沖串發(fā)生器。這個改進(jìn)的光脈沖串發(fā)生器是由一個環(huán)狀光纖10b，和一個通過設(shè)置在點(diǎn)A和C的光耦合器(未示出)耦合到環(huán)狀光纖10b的光纖10構(gòu)成的。把光耦合器8c在點(diǎn)D插入到光纖10。光纖10和10b形成了一個具有通過點(diǎn)A，B，C和D的環(huán)狀光路的主諧振器，點(diǎn)B位于光纖10b上。環(huán)狀光纖10b獨(dú)立地形成了一個具有另一個環(huán)狀光路的子諧振器。
將半導(dǎo)體激光器1，波長選擇器4和光隔離器7插入到光纖10中。半導(dǎo)體激光器1，波長選擇器4是光隔離器7以與第一實(shí)施例中所述的相同方式操作。
光纖10的E端通過一個光隔離器7和一個耦合透鏡5c光學(xué)耦合到光脈沖發(fā)生器6。光脈沖發(fā)生器6以與第一實(shí)施例中所述的相同方式，向半導(dǎo)體激光器1提供調(diào)制光脈沖串。
圖7B中所示的改進(jìn)的光脈沖發(fā)生器以與圖7A中所示的光脈沖發(fā)生器相同的方式操作。
此外，可以由半導(dǎo)體波導(dǎo)管形成環(huán)形諧振器。在這種情況下，主諧振器是由一個由順序疊層在一個半導(dǎo)體基底上的一個覆蓋層、一個波導(dǎo)管層、和另一個覆蓋層構(gòu)成的環(huán)狀脊形波導(dǎo)管形成的。鎖模半導(dǎo)體激光器與環(huán)狀脊形波導(dǎo)管單片地結(jié)合在半導(dǎo)體基底上。鎖模半導(dǎo)體激光器帶有一個DBR(分布布拉格反射器)區(qū)，一個連接于DBR區(qū)的增益區(qū)，一個連接于增益區(qū)的吸收吸收器區(qū)，和連接于吸收吸收器區(qū)的另一個增益區(qū)。DBR區(qū)發(fā)揮用于選擇環(huán)形諧振器中產(chǎn)生的光脈沖串的波長的波長選擇器的功能。子諧振器是由另一個環(huán)狀半導(dǎo)體波導(dǎo)管形成的。子諧振器通過一個Y分支或定向光耦合器光學(xué)耦合到主諧振器。確定子諧振器的環(huán)狀光路的光路長度d，以滿足下式d＝L/m，其中L是主諧振器的環(huán)狀光路的光路長度，m是一個自然數(shù)。
主諧振器帶有第一和第二Y分支波導(dǎo)管。第一Y分支波導(dǎo)管用于從一個光脈沖發(fā)生器輸入調(diào)制光脈沖串。光脈沖發(fā)生器耦合到第一Y分支波導(dǎo)管的一端。光脈沖發(fā)生器包括由一個增益區(qū)和一個可飽和吸收器區(qū)構(gòu)成的鎖模半導(dǎo)體激光器。鎖模半導(dǎo)體激光器單片地集成在半導(dǎo)體基底上。第二Y分支波導(dǎo)管用于提取主諧振器中循環(huán)的光脈沖串的一部分。
在這個改進(jìn)中，可以把一個法布里-珀羅校準(zhǔn)器用作子諧振器，取代環(huán)形諧振器。在這種情況下，將法布里-珀羅校準(zhǔn)器埋置在一個橫跨主諧振器的環(huán)狀波導(dǎo)管形成的槽中。
此外，在這個改進(jìn)中，用一個埋置在橫跨主諧振器的環(huán)狀波導(dǎo)管形成的槽中的波長選擇器替代鎖模半導(dǎo)體激光器的DBR區(qū)。
此外，在這個改進(jìn)中，將一個光隔離器插入到主諧振器中，以造成產(chǎn)生的光脈沖串以順時針和逆時針方向中的一個方向傳輸。光隔離器可以包括一個利用法拉第旋轉(zhuǎn)的隔離器，或一個用半導(dǎo)體構(gòu)成的隔離器。
盡管通過具有某種特定程度的優(yōu)選形式說明了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)知道可以在結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)上，以及部件的組合和布置上改變這里說明的優(yōu)選形式，而不脫離附屬權(quán)利要求中定義的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一個光脈沖串發(fā)生器，包括其中具有一個第一光路長度的第一光路的第一光諧振器；插入到所述第一光路中的第二光諧振器，其中所述第二光諧振器中具有一個實(shí)際上等于所述第二光路長度的1/m的第二光路長度的第二光路，m是一個自然數(shù)；向所述第一光諧振器提供包括一個對應(yīng)于所述第一光路長度調(diào)諧的第一重復(fù)率的分量的第一光脈沖串的光脈沖發(fā)生器，其中所述第一光脈沖串的提供使得能夠在所述第一光諧振器中產(chǎn)生第二光脈沖隔離器，其中所述第一光諧振器提取所述第一光脈沖串的一部分，以輸出一個輸出光脈沖串。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于進(jìn)一步包括一個插入到所述第一光諧振器的所述第一光路中的激光器增益元件，其中所述激光器增益元件接收所述第一光脈沖串，以便與所述第一光脈沖串同步地放大所述第二光脈沖串。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述激光器增益元件是一個鎖模半導(dǎo)體激光器，包括接收所述第一光脈沖串的可飽和吸收器區(qū)，和耦合到所述可飽和吸收器區(qū)以放大所述第二光脈沖串的增益區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述鎖模半導(dǎo)體激光器具有一個在所述可飽和吸收器區(qū)上的反射表面，和其中所述第一光諧振器包括一個反射鏡，和其中所述第一光路通過所述增益區(qū)和所述第二光諧振器形成在所述反射表面和所述反射鏡之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于可移動地設(shè)計(jì)所述反射鏡，以便能夠調(diào)節(jié)所述第一光路長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第一光諧振器是由具有一對其間形成了所述第一光路的反射表面的法布里-珀羅諧振器形成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第一光脈沖串的所述第一重復(fù)率是f/n，n是一個自然數(shù)，f是一個由下式定義的圓周頻率f＝c/2L，其中c是真空中的光速，L是所述反射表面對之間的所述第一光路的所述第一光路長度，和其中所述第二光脈沖串的所述第二重復(fù)率是所述圓周頻率的m倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第二光諧振器是由包括一對其間形成了所述第二光路的光學(xué)平板的法布里-珀羅校準(zhǔn)器形成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于將所述法布里-珀羅諧振器和所述法布里-珀羅校準(zhǔn)器設(shè)計(jì)為在所述法布里-珀羅諧振器與所述法布里-珀羅校準(zhǔn)器之間不形成一個諧振器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述光學(xué)平板對傾斜于形成在所述法布里-珀羅諧振器的所述反射鏡對之間的所述第一光路。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第一光諧振器是由將所述第一光諧振器的第一光路形成一個環(huán)路而形成的環(huán)形諧振器構(gòu)成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第一光脈沖串的所述第一重復(fù)率是f′/n，n是一個自然數(shù)，f′是一個由下式定義的圓周頻率f′＝c/L，其中c是真空中的光速，L是所述環(huán)狀第一光路的所述第一光路長度，和其中所述第二光脈沖串的所述第二重復(fù)率是所述圓周頻率的m倍。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第一光諧振器包括一個光纖，以形成所述環(huán)形諧振器。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第二光諧振器是由一個法布里-珀羅校準(zhǔn)器形成的。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第二光諧振器是由將所述第二光諧振器的所述第二光路形成一個環(huán)路而形成的另一個環(huán)形諧振器構(gòu)成的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第二光諧振器包括另一個光纖，以形成所述另一個環(huán)形諧振器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第一光諧振器的所述第一光路長度是可以調(diào)節(jié)的。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光脈沖串發(fā)生器，其特征在于所述第二光諧振器的所述第二光路長度是可以調(diào)節(jié)的。
全文摘要
一種光脈沖串發(fā)生器是由第一和第二光諧振器(3，12)以及一個光脈沖發(fā)生器(6)構(gòu)成的。第一光諧振器(12)中具有第一光路長度的第一光路。第二光諧振器(3)插入到第一光路中。第二光諧振器(3)中具有一個實(shí)際上等于第二光路長度的1/m的第二光路長度的第二光路，m是一個自然數(shù)。光脈沖發(fā)生器(6)向第一光諧振器(12)提供包括對應(yīng)于第一光路長度調(diào)諧的第一重復(fù)率的分量的第一光脈沖串(13)。第一光脈沖串(13)的提供使得能夠在第一光諧振器(12)中產(chǎn)生一個第二光脈沖串(14)。第一光諧振器(12)提取第二光脈沖串(14)的一部分，以輸出一個輸出光脈沖串(15)。
文檔編號H01S5/042GK1398029SQ0214105
公開日2003年2月19日 申請日期2002年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月12日
發(fā)明者橫山弘之 申請人:日本電氣株式會社