专利名称：基于具有高品质因素的光学谐振腔的光锁定的制作方法
技术领域：
本文件涉及一种基于光学谐振腔的设备。
背景技术：
光学谐振腔可以配置成对于像光频基准和滤光设备那样的各种应用，呈现高谐振 腔品质因素。例如，回音壁模式(WGM)谐振腔具有以在闭环光路内全反射的回音壁模式限 制光线的结构。WGM谐振腔内的光线不能通过光透射退出谐振腔，因此，可以用于生产具有 利用法布里-珀罗(Febry-Perot)谐振腔可能难以达到的高光品质因素的光学谐振腔。WGM 谐振腔内的光线经由WG模式的瞬逝场(evanescence field)从WGM谐振腔的闭环光路的 外表面“泄漏”出去。
发明内容
本文件描述了一种提供光学谐振腔和激光器的光锁定的技术和设备的实现。在一个方面中，本文件提供了一种设备，包括产生激光的激光器、光干涉仪以及 与所述光干涉仪耦合的光学谐振腔。所述激光器产生处于激光频率上的激光输出束。所述 光干涉仪位于所述激光输出束的光路上，并且包括接收所述激光输出束的第一部分的第一 光路、接收所述激光输出束的第二部分的第二光路、以及所述第一和第二光路彼此相遇和 终止的光组合器。所述光组合器透射来自所述第一光路的部分光线，而反射来自所述第二 光路的部分光线，以产生第一组合光输出。所述光组合器还透射来自所述第二光路的部分 光线，而反射来自所述第一光路的部分光线，以产生第二组合光输出。所述光学谐振腔光耦 合在所述第一光路中，以过滤所述第一光路中的光线。这个设备包括检测模块，用于检测所 述第一和第二组合光输出，以产生代表激光频率与所述光学谐振腔的谐振之间的频率差的 误差信号；以及反馈控制机构，用于接收所述误差信号，并响应所述误差信号的频率差，调 谐(1)所述激光器和(2)所述光学谐振腔之一，以便相互锁定所述激光器和所述光学谐振 腔。
在另一个方面中，描述了相互锁定激光器和光学谐振腔的方法，所述方法包括操 作激光器，以便不调制激光束地产生处于激光频率上的激光输出束；将所述激光输出束的 激光光线引向光干涉仪，所述光干涉仪包括第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光 路相交成在所述第一光路和第二光路中的光线之间产生光干涉；将光学谐振腔光耦合在所 述第一光路中，以过滤所述第一光路中的光线；使用所述光干涉仪的两个光输出产生代表 所述激光器的激光频率与所述光学谐振腔的谐振之间的频率差的误差信号；以及响应所述 误差信号的频率差，调谐(1)所述激光器和(2)所述光学谐振腔之一，以便相互锁定所述激 光器和所述光学谐振腔。在另一个方面中，提供了使光学谐振腔的谐振相对于激光器的激光频率达到稳定 的设备。这个设备包括激光器，用于产生处于激光载频上的激光输出束；光学谐振腔，位 于所述激光输出束的光路上，以接收所述激光输出束的光线；以及光耦合器，用于将所述 光学谐振腔与所述光路耦合，以接收所述激光输出束的光线并产生光输出。所述光耦合器 相对于所述光学谐振腔被构造以及被放置，以便以不同于所述激光载频的滤光模式频率 (optical filter mode frequency)提供未处在临界耦合条件下的光耦合，在该临界耦合 条件下耦合到所述光学谐振腔的光线完全封闭在所述光学谐振腔内。所述设备包括位于所 述激光器与所述光学谐振腔之间的激光输出束的光路径中的光调制器，用于调制所述激光 输出束以产生调制边带，在所述调制边带上，所述光耦合器在所述临界耦合条件附近将所 述调制边带中的光线光耦合到所述光学谐振腔中，从而通过所述调制边带中的光线的光吸 收使所述谐振腔达到热稳定。所述调制边带在频率上不同于所述滤光模式频率。在另一个方面中，提供了操作光学谐振腔滤波器的方法，所述方法包括将控制调 制成承载调制边带的处于激光载频上的激光束的谐振腔对准光学谐振腔；操作光耦合器， 以便在耦合到所述光学谐振腔的光线完全封闭在所述光学谐振腔内的临界耦合条件附近 将处在所述调制边带中的光线耦合到所述光学谐振腔中，从而通过所述调制边带中的光线 的光吸收使所述谐振腔达到热稳定；以及在所述谐振腔正在接收和通过控制激光束的谐振 腔达到热稳定的同时，引导输入光信号通过所述光学谐振腔，以便通过处在滤光模式频率 上的所述光学谐振腔的谐振进行所述输入光信号的滤光，所述滤光模式频率不同于控制激 光束的谐振腔的所述激光载频和所述调制边带。在再一个方面中，提供了将激光器锁定在光学谐振腔上的设备，所述设备包括分 布式反馈(DFB)激光器，可响应控制信号地调谐并产生处于激光频率上的激光束；以及光 学谐振腔，被构造成支持所述光学谐振腔中的回音壁模式循环，和与所述DFB激光器光耦 合，以便以回音壁模式接收进入所述光学谐振腔中的一部分激光束，并且使所述光学谐振 腔中处在所述回音壁模式下的激光光线反馈回所述DFB激光器，使所述激光频率稳定在所 述回音壁模式的频率上，并缩小所述DFB激光器的线宽。这个设备还包括谐振腔调谐机构， 用于控制和调谐所述回音壁模式的频率，以便经由所述激光光线从所述光学谐振腔到所述 DFB激光器的反馈，调谐所述DFB激光器的激光频率。这些和其它方面以及实现详细描述在附图、说明书以及权利要求书中。
图IA-图8示出了经由光干涉仪相互锁定激光器和谐振腔的例子和操作。
图9、图10和图11示出了通过使用调制边带中的光线的热稳定将谐振腔锁定到激 光器的例子和操作。图12示出了经由注入锁定将激光器锁定到谐振腔以获得窄激光线宽的设备。
具体实施例方式描述在本文件中的光锁定技术和设备使用具有高品质因素的光学谐振腔来提供 窄谐振腔线宽。具有高品质因素的光学谐振腔可以相对于激光器的激光频率来锁定，反之 亦然。下面的例子提供了相互锁定激光器和光学谐振腔的技术和设备。在实现时，操作激 光器，以便不调制激光束地产生处于激光频率上的激光输出束。将激光输出束的激光光线 引向光干涉仪，该光干涉仪包括第一光路和第二光路，该第一光路和第二光路相交成在该 第一光路和第二光路中的光线之间产生光干涉。将光学谐振腔耦合在第一光路中，以过滤 第一光路中的光线。将光干涉仪的两个光输出用于产生代表激光器的激光频率与光学谐振 腔的谐振之间的频率差的误差信号。然后，将这个误差信号用于控制和调谐激光器和光学 谐振腔之一或两者，以便相互锁定激光器和光学谐振腔。图IA和图IB示出了相互锁定激光器和谐振腔的两个示范性设备。图IA中的设 备通过响应误差信号调谐谐振腔，将谐振腔锁定到激光器，而图IB中的设备通过响应误差 信号调谐激光器，将激光器锁定到谐振腔。在图IA和图IB中，激光器101用于产生发送到光干涉仪110的处于激光频率上 的激光输出束。本例中的光干涉仪110是马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪，并且包括将 输入光线分到存在反射器114的第一光路和存在反射器116的第二光路的输入分束器113。 第一和第二光路彼此相遇和终止在光组合器115上。在本例中，光组合器115可以是透射 来自第一光路的部分光线而反射来自第二光路的部分光线，以产生第一组合光输出Ill(A) 的部分透射和部分反射光学设备。光组合器115还透射来自第二光路的部分光线，而反射 来自第一光路的部分光线，以产生第二组合光输出112(B)。光学谐振腔130光耦合在第二 光路中，以过滤第二光路中的光线。WGM谐振腔可以用作谐振腔130，以及瞬逝耦合可以用 于将WGM谐振腔与第二光路耦合。配备检测模块120来检测第一和第二组合光输出111和 112，以产生代表激光器101的激光频率与光学谐振腔130的谐振之间的频率差的误差信 号。配备反馈控制器140来接收误差信号，并调谐激光器101和光学谐振腔130之一，以便 激光器101和光学谐振腔130相对于彼此锁定。在一些实现中，可以调谐激光器101和谐 振腔130两者来实行锁定。在图IA和图IB中，检测模块120包括光电检测器，例如，低速光电二极管，以检测 干涉仪110的白色部分和黑色部分，并在差分放大器121上相减光电检测器的输出。放大 器121的输出代表误差信号。在干涉仪110中的两条完全平衡路径中，这个输出在激光器 101与谐振腔130之间处在零光失调下处在近零电压上。存在谐振腔130的第二光路中的 光束的相位清晰地依赖于谐振腔130的谐振频率和它的带宽。谐振腔130可以根据各种机制来调谐。例如，WGM谐振腔可以由电光材料制成，并 且可以通过改变施加于该材料的电控制信号来调谐。另外，谐振腔可以通过控制谐振腔的 温度或通过使用像PZT (压电跃变)致动器那样的致动器施力或施压来机械地挤压谐振腔 来进行调谐。
图2例示了图IA和图IB中的信号A、B和C。图3示出了在饱和条件下操作时放 大器121的输出。图IA和图IB中的设计不要求来自激光器的激光载波的光调制，并且可以 设计成处在小型外壳中。可以将反馈设计成具有高增益，以提供灵敏的和有效的锁定。锁 定可以在反馈的平衡范围内自启动。图IA和图IB中的差分信号的使用将锁定范围限制在谐振腔130的谐振线宽内。 这个操作范围对于某些应用可能不是足够小。图4A-图4C和图5例示了检测模块120的不同实现以提供宽带锁定操作。图4A示出了将光电检测器之一的输出分成两个信号。图4B和图4C例示了有关 图4A中的设计的信号和检测细节。一个信号经由移相器设备410相移了 90°，而另一个信 号被发送给差分器420，差分器420生成同一光电检测器的差分输出。然后，将两个经处理 信号引入乘法器430中，乘法器430相乘这两个经处理信号。其结果是在激光器101的激 光频率与谐振腔130的谐振之间处在零频率失调下精确地具有零输出的误差信号。该信号 从零失调条件开始线性增大，并且具有受用在检测模块120中的RF组件的带宽限制的宽的 带宽。图5示出了使用第一信号处理单元410和第二信号处理单元420相互锁定激光器 101和谐振腔130的设备，第一信号处理单元410移动第一组合光输出111的相位以产生 第一信号，而第二信号处理单元420进行第二组合光输出112的时间导数以产生第二信号。 然后，将信号乘法器430用于相乘第一信号和第二信号以产生相乘信号。检测模块120使 用相乘信号生成指示激光器101与谐振腔130之间的频率差的误差信号。图6进一步示出了使用图IA和图IB中的反馈技术和图4A-图4C和图5中的反 馈技术两者相互锁定激光器101和谐振腔130的示范性设备。在本例中，设备410用于将 光干涉仪110的两个光输出之一的相位移动90°以产生第一信号，而设备420用于进行光 干涉仪110的两个光输出的另一个的时间导数以产生第二信号。乘法器设备430相乘第一 信号和第二信号以产生相乘信号，以便生成指示频率差的第一误差信号。平行地，差分放大 器121用于产生光干涉仪110的两个光输出的功率电平的差分信号，作为代表激光频率与 光学谐振腔的谐振之间的频率差的第二误差信号。然后，反馈140将第一和第二误差两者 用作另一个差分放大器610的输入，以产生作为误差信号的输出，以便激光器101和光学谐 振腔130相对于彼此锁定。上述技术使用基于CaF2高Q因素回音壁模式谐振腔滤波器的实验装置来测 试。将1551-nm(纳米)激光用在该装置中，并且将激光输出引向光纤耦合滤波器。将马 赫-曾德干涉仪与光纤跳线(fiber patch-cord)和Newport直接光纤耦合器(direct fiber-coupler)组装在一起。图7示出了滤波器的测量光谱，而图8示出误差信号的例子。基于回音壁模式谐振腔(wgmr)的光子滤波器在各种应用中可能要求精确调谐载 波与wgmr的谐振频率之间的频率差。这个差值决定光子滤波器的滤波函数的中心。例如， 对于某些应用，可以在几MHz内使单个15-MHz宽CaF2 wgmr滤波器的本征频率达到稳定。 这个频率稳定水平可能要求谐振腔在大约7mK的温度范围内达到热稳定。这可以通过使用 PID(比例积分微分)驱动热电冷却器(TEC)和无源绝热来获得。一些应用要求更高的稳定 性。例如，平衡15-MHz滤波器利用两条谐振线的相位差。这要求在热稳定上导致100 μ K 水平要求的亚兆赫级(sub-MHz)频率稳定性。这个热稳定水平可以通过使用复杂多级TEC
9控制技术来获得，其中一些要求对滤波器作精心热设计和相当硕大的包装。如下段落将描述利用谐振腔的自然热非线性来控制激光器的激光载频与谐振腔 的模式之间的频率间隔的技术和设备。例如，图9示出了使相关光学谐振腔的谐振达到稳 定的一个这样设备。在这个设备中，激光器901产生处于激光载频的激光输出束，并且将光 学谐振腔滤波器920放置在激光输出束的光路上，以接收激光输出束的光线。光耦合器被 配备成将光学谐振腔920与光路耦合，以接收激光输出束的光线和产生光输出。光耦合器 相对于光学谐振腔920被构造和被放置成以不同于激光载频的滤光模式频率来提供未处 在临界耦合条件下的光耦合，在该临界耦合条件下耦合到光学谐振腔的光线完全封闭在光 学谐振腔内。该设备包括位于激光器901与光学谐振腔920之间的激光输出束的光路径中 的光调制器920，用于调制激光输出束以产生调制边带，在调制边带上，光耦合器在临界耦 合条件附近将调制边带中的光线光耦合到光学谐振腔920中，从而通过调制边带中的光线 的光吸收使谐振腔920达到热稳定。调制边带在频率上不同于滤光模式频率。TEC 930与 谐振腔920热接触，以便经由TEC控制器940的控制来控制谐振腔920的温度。这种热控 制提供粗略DC(直流)热偏置，以使谐振腔920处在所希望热条件附近。然后，调制激光束 用于提供将谐振腔920热锁定到激光器101的精细热稳定。在受RF(射频)源或合成器912控制的频率上调制激光输出束。通过控制合成 器912的RF功率和频率能够精确地控制调制服务边带的频率位置和强度。调制的频率被 选择，以使服务边带与其耦合接近但低于临界耦合条件的辅助光模一致。光耦合器与谐振 腔之间的光耦合的临界耦合条件是内部谐振腔损耗与经由光耦合器的光耦合的损耗相 等，以及耦合到谐振腔的光线完全封闭在谐振腔内，使得耦合光的透射率在谐振时是零的 条件。在当前设计下，谐振腔920的另一种模式，即用于滤光操作的滤波模式是强过耦合 的，使得滤波模式下的光线未封闭在谐振腔内，可以透过谐振腔920。因此，服务和辅助模式 示出了与滤波模式非常不同的热非线性。这样的实际结果是，只有随着服务边带急剧起伏 (pump)的辅助模式才经由热非线性影响谐振腔的光频率，而在滤波模式下经过滤波的信号 不影响谐振腔的热条件。辅助模式下的光功率的吸收导致谐振腔温度的可逆漂移和谐振腔折射率的漂移。 这种温度变化使谐振腔边缘附近的所有光模的频率漂移。热非线性代表辅助模式下固定光 功率的自然反馈。谐振腔的温度变化或激光频率的变化导致以辅助光模的斜率保持服务边 带的谐振腔边缘的光加热或冷却。这种热反馈的反馈增益取决于谐振腔的热非线性、模体 积、热导率和谐振腔主体的热容量。图10示出了上面针对基于谐振腔中的服务边带的热效应的热稳定讨论过的频 率。因此，在临界耦合条件附近服务边带中的光线的存在可以无需反馈控制电路地将滤波 模式频率锁定到激光载频。在一些实现中，可以配备反馈控制器，以便进一步提高通过服务 边带的热稳定。例如，可以将光检测器用于监视服务边带中的光线从谐振腔的透射，并且可 以将反馈控制器用于控制激光器的激光频率或谐振腔的温度，以保证在服务边带的临时耦 合条件附近，服务边带处于谐振斜率上。在这种技术中，辅助光功率可以以完全不同的光频率急剧起伏，不影响在滤波模 式频率下过滤信号。滤波模式的热非线性可以保持在低水平上。激光频率可以随时间漂移， 和当激光漂移时，经由服务边带的热锁定可以保持激光载波与wgmr的谐振之间的频率差。因此，对于这种锁定方案，不要求长期高度稳定的激光。我们利用200-kHz CaF2线性wgmr滤波器、EO-空间调制器和Koherasl550_nm激 光器测试了所建议技术。为了测量热反馈的增益，使激光频率漂移100MHz，并且像图11所 示那样测量激光频率与该模式的谐振频率之间的相对漂移。当服务边带具有120 μ W的光 功率时，测量出反馈时间常数是大约500ms和增益是大约1000。在高于150 μ W的功率上， 这个特殊装置的反馈变得不稳定。频率差的测量稳定性是大约100kHz，其对应于平衡滤波器中的近似1°相位稳定 性。进一步的提高可以利用频率高于热折射振荡的频率的分调制服务边带获得。这种类型 的分调制(sub-modulation)抑制了热折射振荡，使服务边带的功率增大，其结果是，使反 馈增益增大。在操作通过服务边带稳定的上述光学谐振腔滤波器时，将控制调制成承载调制边 带的处于激光载频的激光束的谐振腔对准光学谐振腔。将光耦合器用于在临界耦合条件附 近将处在调制边带中的光线耦合到光学谐振腔中，从而通过调制边带中的光线的光吸收使 谐振腔达到热稳定。在谐振腔正在接收和通过控制激光束的谐振腔达到热稳定的同时，通 过光学谐振腔引导输入光信号，以便通过处于滤光模式频率上的光学谐振腔的谐振进行输 入光信号的滤光，该滤光模式频率不同于调制边带和控制激光束的谐振腔的激光载频。另一种光锁定是通过注入锁定将激光器锁定到谐振腔。例如，为了使线变窄和达 到稳定，可以通过将从激光器出来的激光光线引向回音壁模式(WGM)谐振腔，然后经由直 接注入将从WGM谐振腔出来的激光光线馈送到激光器，可以将激光器锁定到WGM谐振腔。经 过谐振腔的一部分光线被反射回到激光器，以使激光频率(波长)锁定在谐振腔的高Q模 式的频率上，并且使它的谱线变窄。如果WGM谐振腔相对于像温度变化或振动那样的环境 干扰是稳定的，谐振腔的模态频率的稳定性就传递给激光频率或波长。WGM谐振腔可以由 电光材料制成，并且可以通过改变施加于该材料的电控制信号来调谐。由于光注入锁定，可 以应用施加于谐振腔的DC电压调谐激光波长或频率。另外，通过将微波或RF场应用于具 有与谐振腔的一个或多个自由谱范围匹配的频率的WGM谐振腔，激光频率可以是调相的和 /或调幅的。由于谐振腔的模态频率可以通过温度、压力的施加、或在谐振腔由电光材料制 成的情况下、施加的DC电位来进行改变，所以也可以调谐激光器的频率(或波长)。如果 通过将微波信号应用于施加于激光器的DC电流来调制激光器的频率，则激光器在频率(波 长)上保持锁定在谐振腔上。因此，可以获得可调制、窄线宽激光器。当WGM激光器由电光 材料制成时，可以将微波或RF场应用于带有适当耦合电路的谐振腔，以调制继续保持锁定 在WGM谐振腔上的激光器的强度。图12示出了将激光器锁定到光学谐振腔的一个示范性设备。这个设备包括分布 式反馈(DFB)激光器，它可响应控制信号而被调谐并产生处于激光频率的激光束。将光学 谐振腔构造成支持光学谐振腔中的回音壁模式循环，和与DFB激光器光耦合，以便以回音 壁模式接收进入光学谐振腔中的一部分激光束，并且使光学谐振腔中的处在回音壁模式下 的激光光线反馈回DFB激光器，使激光频率稳定在回音壁模式的频率上，并缩小DFB激光器 的线宽。这个设备还包括谐振腔调谐机构，用于控制和调谐回音壁模式的频率，以便经由激 光光线从光学谐振腔到DFB激光器的反馈，调谐DFB激光器的激光频率。本例中的光耦合 器是用于输入和输出耦合的棱形耦合器。将微型光学耦合器件配备在DFB激光器与谐振腔之间。DFB激光器具有比其它激光器高的固有Q值，因此，在WGM谐振腔的密度谱中在WG模 式的选择上提供更好的控制。WGM谐振腔也可以通过像挤压谐振腔的PZT致动器那样的施 加应变或通过热控制来调谐或控制。如图所示，可以热控制形成激光设备的基座。虽然本文件包含许多规定，但这些规定不应该被理解为限制本发明的范围或所要 求的东西，而是对本发明的具体实施例特有的特征的描述。在本文件中在分立实施例的背 景下描述的某些特征也可以在单个实施例中组合在一起实现。相反，在单个实施例的背景 下描述的各种特征也可以分开地或以任何适当子组合在多个实施例中实现。此外，尽管上 面可能将这些特征描述成在某些组合中起作用，甚至一开始就这样要求的，但来自所要求 组合的一种或多种特征在一些情况下可以脱离该组合，并且所要求的组合可以指向子组合 或子组合的变种。上面只公开了几种实现。可以根据在本文件中所述和所例示的内容作出所述实现 的变种和改进以及其它实现。
权利要求
1.一种设备，包括激光器，用于产生处于激光频率上的激光输出束；光干涉仪，位于所述激光输出束的光路上，并包含接收所述激光输出束的第一部分的 第一光路、接收所述激光输出束的第二部分的第二光路、以及所述第一和第二光路彼此相 遇和终止的光组合器，所述光组合器(1)透射来自所述第一光路的部分光线，而反射来自 所述第二光路的部分光线，以产生第一组合光输出，以及(2)透射来自所述第二光路的部 分光线，而反射来自所述第一光路的部分光线，以产生第二组合光输出； 光学谐振腔，光耦合在所述第一光路中，以过滤所述第一光路中的光线； 检测模块，用于检测所述第一和第二组合光输出，以产生代表激光频率与所述光学谐 振腔的谐振之间的频率差的误差信号；以及反馈控制机构，用于接收所述误差信号，并响应所述误差信号的频率差，调谐(1)所 述激光器和(2)所述光学谐振腔之一，以便将所述激光器和所述光学谐振腔相对于彼此锁 定。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述反馈控制机构调谐所述激光器，以便相对于所述光学谐振腔的谐振锁定所述激光
3.如权利要求1所述的设备，其中所述反馈控制机构调谐所述光学谐振腔，以便将所述光学谐振腔的谐振锁定到所述激光器。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述检测模块包含差分放大器，用于产生所述第一和第二组合光输出的功率电平的差 分信号作为误差信号。
5.如权利要求1所述的设备，其中 所述检测模块包含第一信号处理单元，用于移动所述第一组合光输出的相位以产生第一信号； 第二信号处理单元，用于进行所述第二组合光输出的时间导数以产生第二信号；以及 信号乘法器，用于相乘所述第一信号和所述第二信号以产生相乘信号， 其中，所述检测模块使用所述相乘信号来生成指示频率差的误差信号。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述检测模块使用所述相乘信号的DC成分来生成误差信号。
7.如权利要求5所述的设备，包括第二检测模块，其包含差分放大器，用于接收所述第一组合光输出的一部分和所述第 二组合光输出的一部分，以产生所述第一和第二组合光输出的接收部分的功率电平的差分 信号，作为代表激光频率与所述光学谐振腔的谐振之间的频率差的第二误差信号，其中，所述反馈控制机构使用所述误差信号和所述第二误差信号两者来彼此相互锁定 所述激光器和所述光学谐振腔。
8.如权利要求7所述的设备，包括第二差分放大器，用于接收所述误差信号和所述第二误差信号，以便产生不同输出信 号，其中所述反馈控制机构响应所述不同输出信号来彼此相互锁定所述激光器和所述光学谐振腔。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述光学谐振腔是窄带回音壁模式光学谐振腔。
10.一种相互锁定激光器和光学谐振腔的方法，包括操作激光器，以便不调制激光束地产生处于激光频率上的激光输出束； 将所述激光输出束的激光光线引向光干涉仪，所述光干涉仪包括第一光路和第二光 路，所述第一光路和第二光路相交以在所述第一光路和第二光路中的光线之间产生光干 涉；将光学谐振腔光耦合在所述第一光路中，以过滤所述第一光路中的光线； 使用所述光干涉仪的两个光输出来产生代表所述激光器的激光频率与所述光学谐振 腔的谐振之间的频率差的误差信号；以及响应所述误差信号的频率差，调谐(1)所述激光器和(2)所述光学谐振腔之一，以便所 述激光器和所述光学谐振腔相对于彼此锁定。
11.如权利要求10所述的方法，包括产生所述光干涉仪的两个光输出的功率电平的差分信号作为误差信号。
12.如权利要求10所述的方法，包括将所述光干涉仪的两个光输出之一的相位移动90°以产生第一信号；进行所述光干涉仪的两个光输出的另一个的时间导数以产生第二信号；以及相乘所述第一信号和所述第二信号来产生相乘信号，以便生成指示频率差的误差信号。
13.如权利要求12所述的方法，包括 使用所述相乘信号的DC成分来生成误差信号。
14.如权利要求12所述的方法，包括产生所述光干涉仪的两个光输出的功率电平的差分信号，作为代表激光频率与所述光 学谐振腔的谐振之间的频率差的第二误差信号；以及使用所述误差信号和所述第二误差信号两者来彼此相互锁定所述激光器和所述光学 谐振腔。
15.一种使光学谐振腔的谐振相对于激光器的激光频率达到稳定的设备，包括 激光器，用于产生处于激光载频上的激光输出束；光学谐振腔，位于所述激光输出束的光路上，以接收所述激光输出束的光线； 光耦合器，用于将所述光学谐振腔与所述光路耦合，以接收所述激光输出束的光线并 产生光输出，所述光耦合器相对于所述光学谐振腔被构造和被放置成以不同于所述激光载 频的滤光模式频率来提供未处在临界耦合条件下的光耦合，在该临界耦合条件下耦合到所 述光学谐振腔的光线完全封闭在所述光学谐振腔内；以及光调制器，位于所述激光器与所述光学谐振腔之间的激光输出束的光路径中，以调制 所述激光输出束来产生调制边带，在所述调制边带上，所述光耦合器在所述临界耦合条件 附近将所述调制边带中的光线光耦合到所述光学谐振腔中，从而通过所述调制边带中的光 线的光吸收使所述谐振腔达到热稳定，其中，所述调制边带在频率上不同于所述滤光模式 频率。
16.如权利要求15所述的设备，包括热控制器，用于控制所述谐振腔的温度，以使所述谐振腔在所述调制边带上处在临界 耦合条件附近。
17.如权利要求15所述的设备，其中所述光学谐振腔是回音壁模式谐振腔。
18.如权利要求15所述的设备，包含引导具有在滤光模式频率附近的谱成分的光信号经过所述光学谐振腔，以便通过处在 滤光模式频率上的所述光学谐振腔的谐振滤光所述光信号的机构。
19.一种操作光学谐振腔滤波器的方法，包括将控制调制成承载调制边带的处在激光载频上的激光束的谐振腔对准光学谐振腔；操作光耦合器，以便在临界耦合条件附近将处在所述调制边带中的光线耦合到所述光 学谐振腔中，从而通过所述调制边带中的光线的光吸收使所述谐振腔达到热稳定，在所述 临界耦合条件下耦合到所述光学谐振腔的光线完全封闭在所述光学谐振腔内；以及在所述谐振腔正在接收和通过控制激光束的谐振腔达到热稳定的同时，引导输入光信 号通过所述光学谐振腔，以便通过处在滤光模式频率上的所述光学谐振腔的谐振进行所述 输入光信号的滤光，所述滤光模式频率不同于所述调制边带和控制激光束的谐振腔的所述 激光载频。
20.如权利要求19所述的方法，包括使用与所述光学谐振腔接合的热控制设备控制所述光学谐振腔的温度，使所述谐振腔 在所述调制边带上处在临界耦合条件附近。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述光学谐振腔是回音壁模式谐振腔。
22.—种将激光器锁定到光学谐振腔的设备，包括分布式反馈(DFB)激光器，可响应控制信号地调谐并产生处于激光频率上的激光束；光学谐振腔，被构造成支持所述光学谐振腔中的回音壁模式循环，所述光学谐振腔与 所述DFB激光器光耦合，以便以回音壁模式接收进入所述光学谐振腔中的一部分激光束， 并且使所述光学谐振腔中处在所述回音壁模式下的激光光线反馈回所述DFB激光器，以使 所述激光频率稳定在所述回音壁模式的频率上，并缩小所述DFB激光器的线宽；以及谐振腔调谐机构，用于控制和调谐所述回音壁模式的频率，以便经由所述激光光线从 所述光学谐振腔到所述DFB激光器的反馈，调谐所述DFB激光器的激光频率。
23.如权利要求22所述的设备，其中所述光学谐振腔包含电光材料，所述电光材料响应施加于所述光学谐振腔的电信号而 改变折射率；以及所述谐振腔调谐机构施加和控制所述电信号以调谐所述DFB激光器的激光频率。
24.如权利要求22所述的设备，其中所述谐振腔调谐机构控制和调谐所述光学谐振腔的温度以调谐所述DFB激光器的激光频率。
25.如权利要求22所述的设备，其中所述谐振腔调谐机构施加和控制加在所述光学谐振腔上的压力以调谐所述DFB激光器的激光频率。
全文摘要
一种提供光学谐振腔和激光器的光锁定的技术和设备。
文档编号H01S3/00GK102007652SQ200980113758
公开日2011年4月6日 申请日期2009年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者卢特·马利基, 安德雷·B·马特斯科, 安纳托利·萨夫琴科夫, 弗拉迪米尔·伊尔琴科, 戴维·塞德尔, 杰里·伯德, 梁伟 申请人:光电波股份有限公司