光学锁定器的制作方法

本发明涉及一种光学锁定器。特别地，本发明涉及用于测量光学锁定器中的波长的干涉仪的改进。

背景技术：

在光纤通信信道中，密集波分复用(dwdm)用于通过单根光纤传输多个光信号。对于这样的应用，每个信道具有由频率网格(例如itu-tg.694.1)定义的不同频率。

由激光源产生的光信号的频率通过波长锁定机构“锁定”到网格的频率。波长锁定机构包括用于测量每个光信号的波长的装置，以及根据测量调节相应激光源的输出的反馈回路。

通常，用于测量波长的装置包括法布里-珀罗(fp)标准具(或干涉仪)。fp标准具在图1a中示出，并且包括具有两个反射表面的透明板。当光在表面之间反弹时，透射的光线相互干扰，产生特征干涉图案，这取决于频率和板之间的光学距离。

fp标准具的频率响应具有图1b所示的特性曲线。为了向光学锁定器提供最大分辨率，对其进行校准，使得所需频率位于具有高梯度的频率响应图的区域中。这意味着频率的微小变化将在输出中产生很大的变化。

由于标准具的行为取决于通过板的光程长度，因此行为强烈依赖于温度。由于材料随温度膨胀以及材料的折射率随温度变化，光程将随温度而增加。

p(t)＝n(t)l(t)

其中p是光程长度，n(t)是作为温度函数的折射率，l(t)是作为温度函数的物理长度，α是热膨胀系数，ψ是热-光学系数。α对大多数材料是正的，ψ可以是正的或负的。

因此，为了确保正确校准，必须严格控制标准具的温度。这可以通过将标准具保持在恒定温度来完成。在诸如wo2015/030896中公开的更复杂的标准具中，标准具的温度可以以受控的方式变化，以便使标准具能够自动地重新校准到不同的频率。

温度控制增加了标准具制造的额外复杂性和成本，因此需要一种可以与温度无关的光学锁定器。

为了形成与温度无关的标准具(以形成与温度无关的光学锁定器的基础)，干涉光束之间的相位差必须与温度无关。为了实现这一点，光束之间的光程差必须与温度无关。

考虑简化的fp标准具，其中只有两个透射光束：一个直接穿过透明板的光束，以及一个从每个干涉表面反射一次的光束。p1是第一光束的光程长度，p2是第二光束的光程长度，δp是光程差。

可以在fp标准具的任何教科书讨论中找到，例如，https://en.wikipedia.org/wiki/fabry-perot_interferometer。

δp包含透明板内路径长度差异的贡献，以及空气中路径长度差异的贡献。空气中路径长度的差异在合理温度下基本上是恒定的，因此温度依赖性来自透过透明材料的路径长度的差异。p1是透过透明材料的第一光束的光程长度，且p2是透过透明材料的第二光束的光程长度。由于第一和第二路径通过相同的材料，p2＝3p1，因此δp＝δpair+2p1。因此，路径差的温度依赖性，dδp/dt＝2dp1/dt，是通过透明材料的路径的温度依赖性。

对于任何已知材料，dp1/dt不能为零。对于已知材料，路径长度随温度的变化dp/dt通常是正的，因为即使在那些具有负热光系数的材料中，材料本身的膨胀(即l的增加)也抵消了折射率的减少。图2示出了这一点-图2a示出了一系列玻璃的α对ψ，图2b示出了一系列玻璃的总热路径依赖性。由于dp/dt为正，因此透明板中的材料组合不会导致dp1/dt为零。

因此，与温度无关的标准具是不可能的。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于光学锁定器的干涉仪。干涉仪包括具有不同热路径长度灵敏度的至少两种透明材料。干涉仪被配置成使得输入光束被干涉仪分成第一中间光束和第二中间光束，第一中间光束和第二中间光束重新组合以形成输出光束，第一中间光束和第二中间光束沿着不重叠的相应第一中间光束路径和第二中间光束路径行进。至少一个中间光束路径穿过至少两种透明材料。选择穿过每种透明材料的每个中间光束路径的长度，使得第一中间光束路径和第二中间光束路径之间的光程差基本上与温度无关。

根据另一方面，提供了一种用于光学锁定器的迈克尔逊(michelson)干涉仪。干涉仪包括分束器、第一反射镜和第二反射镜、以及至少两种透明材料。分束器配置成将输入光束分成第一中间光束和第二中间光束，并重新组合所述中间光束以形成输出光束，第一中间光束和第二中间光束沿相应的第一中间光束路径和第二中间光束路径行进。第一反射镜和第二反射镜分别被定位成与所述第一中间光束路径和第二中间光束路径相交，使得第一光束路径和第二光束路径通过第一反射镜和第二反射镜反射回分束器，并且其中第一反射镜和第二反射镜定位成使得在第一光束路径和第二光束路径之间产生光程差。至少两种透明材料具有不同的热路径长度灵敏度。选择穿过每种透明材料的每个中间光束路径的长度，使得第一中间光束路径和第二中间光束路径之间的光程差基本上与温度无关。

根据另一方面，提供了一种用于光学锁定器的马赫-曾德尔(mach-zehnder)干涉仪。干涉仪包括第一分束器和第二分束器、至少一个反射镜和至少两种透明材料。第一分束器配置成将输入光束分成第一中间光束和第二中间光束，第一中间光束和第二中间光束沿相应的第一中间光束路径行和第二中间光束路径行进。第二分束器配置成重新组合所述中间光束以形成输出光束。所述至少一个反射镜定位成与所述第一中间光束路径和/或第二中间光束路径相交，使得第一光束路径和第二光束路径从第一分束器行进到第二分束器，并且其中定位所述至少一个反射镜以形成第一光束路径和第二光束路径之间的光程差。至少两种透明材料具有不同的热路径长度灵敏度。选择穿过每种透明材料的每个中间光束路径的长度，使得第一中间光束路径和第二中间光束路径之间的光程差基本上与温度无关。

根据另一方面，提供了一种用于光学锁定器的干涉测量组件。该组件包括输入组件、干涉仪和检测器组件。输入组件被配置为接收测试光束，将测试光束分成多个物理上不重合(coincident)的输入光束，并将输入光束引导到干涉仪。干涉仪被配置为接收每个输入光束并且为每个输入光束产生具有取决于输入光束的波长的强度的输出光束。检测器组件配置成产生多个输出信号，每个输出信号取决于相应输出光束的强度。输入组件被配置为引导输入光束，使得每个输入光束以不同的路径差行进通过干涉仪，并且使得输出光束物理上分开地到达检测器组件。

根据另一方面，提供了一种用于光学锁定器的干涉测量组件。该组件包括干涉仪和检测器组件。干涉仪被配置成使得沿着第一路径从输出端观察到的输入图像至少在垂直于输入光束的方向上与沿着第二路径从输出端观察到的输入图像移位。检测器组件被配置为检测由干涉仪产生的干涉图案的不同区域的强度，并且基于区域的强度确定多个输出信号；其中每个输出信号对于强度和波长之间的关系具有不同的相位。

根据另一方面，提供了一种测量测试光束的波长的方法。该方法包括将测试光束提供到根据前两个方面中的任一个的干涉测量组件中，并且基于在测量的强度下具有最大随波长的变化率的输出信号确定测试光束的波长。

附图说明

在附图中，示出了光学组件：

双线表示反射镜(例如图3中的303)；

细虚线表示分束器(例如图3中的302)；

粗虚线或虚线表示光束路径(例如图3中的30)；

未示出对最终输出没有贡献的光束路径。

图1a示出了法布里-珀罗标准具；

图1b是说明法布里-珀罗标准具的频率响应的图示；

图2示出了一系列玻璃的热性能；

图3示出了根据现有技术的mach-zehnder干涉仪；

图4示出了根据一个实施例的mach-zehnder干涉仪；

图5示出了一系列干涉仪的强度v波长图；

图6示出了干涉仪的示例几何形状；

图7示出了将具有精确热独立性的干涉仪与l2过长111微米的干涉仪进行比较的曲线图；

图8示出了具有多个输出信号的干涉仪的示例性输出；

图9示出了将光束聚焦到检测器上的配置；

图10示出了一系列干涉仪的干涉图案；

图11示出了示例性干涉仪沿检测器切片的强度与相位角的关系；

图12示出了另一示例性干涉仪沿检测器切片的强度与相位角的关系；

图13示出了示例性检测器；以及

图14示出了示例性干涉仪。

方程式中的项的索引

(除非在方程式的描述中另有规定)

t-温度

p-光程长度

l-物理路径长度

α-线性热膨胀系数

n-折射率

ψ-热光系数

q-热路径长度灵敏度，q＝1/ldp/dt＝nα+ψ

ν-频率

λ-波长

c-真空中的光速

s-输出功率

e-电场强度

w-分布的高斯半宽

-角度(如说明中所示)

θ-相位差

除非另外定义，否则下标表示数量是针对特定分量或沿特定路径。下标n或x表示分量或路径的选择(例如，nx将是所讨论的任何材料的折射率)。

δ用于表示差异，例如，δp是光程差。

具体实施方式

温度无关干涉仪

为了创建与温度无关的光学锁定器，需要与温度无关的干涉仪。如上所示，对于标准具来说这是不可能的。然而，这可以用于其他类型的干涉仪。

例如，考虑如图3所示的mach-zehnder(mz)干涉仪。输入光束30被分束器301分成中间光束31和32。中间光束31通过反射镜303行进到分束器302，而中间光束32被分束器301转向并使用反射镜304被引导到分束器302。在分束器302处，光束31和32重新组合成输出光束33，并且输出的强度取决于中间光束31和32的相位差，并因此取决于中间光束31和32所经过的路径之间的光程差。

假设光束31所经过的路径具有路径长度p31，且假设光束32所经过的路径具有路径长度p32。

δp＝p32-p31

因此

如果

由于p32和p31是独立的(与p2是p1倍数的fp标准具不同)，这种情况在实践中是可能实现的。

例如，考虑图4中所示的m-z干涉仪。输入光束40被分束器401分成中间光束41和42。中间光束41直接行进到分束器402，而中间光束42由分束器301转向并使用反射镜403引导到分束器402。在分束器402处，光束41和42重新组合成输出光束43，并且输出的强度取决于分束器402处的中间光束41和42的相位差，并因此取决于中间光束41和42所经过的路径之间的光程差。图4的干涉仪具有由第一材料制成的部分421和由第二材料制成的部分422。光束41所经过的路径仅穿过第一材料；并且光束42所经过的路径穿过第一材料和第二材料。

如果适当地选择第一材料和第二材料，通过相对于光束41穿过第一材料所经过的路径的长度来调整光束42穿过第一材料和第二材料中的每一种所经过的路径的长度，可以给出路径差异与热无关的几何形状。例如，在块421由laf9(商业上可获得的玻璃)制成并且块422由石英制成的情况下，图5示出了针对不同物理路径长度比率的输出强度与波长的图。从分束器401到分束器402测量图5中的物理路径长度，并减去光束32通过块421行进的距离以折扣路径的等效部分。

在图5a中，该比率是2.826，并且输出强度与波长图形随着温度的升高向左移动(即图形在较低波长的方向上平移)。在图5b中，比率为4.355，图形随着温度的升高向右移动。图5c示出了比率为3.537的情况-并且在50k的温差下图形没有变化-即干涉仪与温度无关。

应当理解，只要第一路径和第二路径是独立的，即第一路径的至少一部分不与第二路径重叠，反之亦然，则各种几何形状都是可能的，这导致温度独立性。基于mz或michelson干涉仪的一些示例几何结构如图6所示。双线表示反射表面，虚线表示分束器，粗虚线表示光所经过的路径(忽略任何对干涉图案无贡献的光束)。每个封闭区域由不同的材料制成。可以调整路径的非重叠部分以给出期望的温度独立性，这将要求至少一个路径的非重叠部分穿过两种不同的材料。如图6d所示，可以通过在两个玻璃之间提供气隙来产生分束器，在气隙与输入相对的一侧具有楔形或圆柱形表面。气隙输入侧的部分内反射提供了所需的光束分离。楔形或圆柱形表面确保气隙远侧上的光束角度与气隙近侧上的光束角度不同，从而产生所需的路径差。

为了获得所需的自由光谱范围以及热独立性，物理路径长度必须满足：

其中l1是第一光程的非重叠部分的物理长度(即分束器之间的路径)；l2是第二光程的非重叠部分的物理长度；qx是材料x的热路径长度灵敏度，q＝nα+ψ；δv是自由光谱范围；c是真空中的光速；和lnx是穿过材料x的路径n的物理长度。

对于图4中所示的干涉仪，或者对于路径l1仅通过第一材料、路径l2通过第一材料的距离为l0且通过第二材料的距离为l2-l0的其他干涉仪，方程式归纳如下。

其中q1是第一材料的热路径长度灵敏度，q2是第二材料的热路径长度灵敏度，q＝nα+ψ。当l1和l2都在第一材料穿过距离l0，然后各自穿过相应的其他材料(例如图6x)时，这些方程可以与qn一起使用，qn是路径ln穿过的其他材料的热路径长度灵敏度。当然，在自由光谱范围内存在一些自由度的情况下，可以选择距离l1，并由此计算自由光谱范围。

虽然折射率n与温度有关，但q可以假设为常数，因为n的变化很小(ψ通常大约为10^-6到10^-7，n通常在1和2之间，因此对于在100k左右的温度差异，变化达到约0.1％)。这种近似引入的误差可能是微不足道的-l1和l2的典型值大约为1000微米，因此q的任何变化引起的误差可能与制造公差相似。图7示出了将具有精确热独立性的干涉仪与其中l2过长111微米的干涉仪进行比较的曲线图-温度依赖性为0.5mhz每k每微米误差。鉴于光学锁定器通常将以数十ghz的频率工作，这是可接受的变化。

多输出信号

为了使光学锁定器有效地起作用，应该在波长/强度图的高梯度区域进行波长测量。下面给出了使用单个干涉仪在整个波长范围内实现这种灵敏度的方法的例子，即使干涉仪与温度无关。本领域技术人员将理解，下面的示例不要求干涉仪与温度无关，并且只要温度被充分控制，它将对与温度相关的干涉仪有效。

以下示例的原理是提供具有两个或更多个输出信号的干涉仪，其中至少一个输出信号在任何波长处具有高梯度。图8中示出了这种情况的例子，其中线1、2分别示出了第一输出信号和第二输出信号。如图所示的曲线，通过根据波长改变测量哪个信号，可以在整个范围内保持高度的灵敏度。

产生多个输出信号的第一个选择是使用多个输入光束-输入光束垂直或水平分离，以在输出光束中产生相应的分离，并允许分别解析来自每个输出光束的信号。为了引起输出光束的差异，每个输入光束可以具有进入干涉仪的不同角度，从而为每个光束产生不同的光程差。为了产生到干涉仪的输入光束，待测光束可以在进入干涉仪之前被一个或多个分束器分开。

对于具有正弦响应的干涉仪，例如michelson或mach-zehnder干涉仪，两个光束的输出(其中每个光束的波长/强度图之间具有π/2相位差)提供足够的灵敏度。对于其他干涉仪，可能需要两个以上的输出光束(因此超过两个输入光束)以足够的灵敏度覆盖所有波长。该技术可用于任何干涉仪，其中输出信号到达物理上分开的检测器组件。

通过水平和/或垂直分离输入光束可以增加物理分离。图9a示出了在侧视图901和平面图902中具有垂直堆叠光束的示例性干涉仪，并且图9b示出了在侧视图911和平面图912中具有水平堆叠光束的示例性干涉仪。每个示例性干涉仪具有一对输入光束903和904，913和914，它们被引导到干涉仪905，915中(显示为michelson干涉仪，但是可以使用其他类型干涉仪)。每个光束被引导到干涉仪中，使得每个光束的路径差异是不同的，例如，通过向每个光束引入小的角度误差。输入光束903和904，913和914产生相应的输出光束，其由抛物面镜组件906，916聚焦到检测器组件907，917上。检测器组件907，917未在平面图中示出，因为它位于抛物面镜组件906，916下方。抛物面镜组件906，916包括两个抛物面镜，每个光束一个，检测器组件907，917包括每个光束的检测器或检测器区域，并为每个光束产生单独的输出信号。

或者，可以使用单个输入光束来获得两个输出信号。这可以通过在michelson或mach-zehnder干涉仪的反射镜中引入小角度误差来完成。从图10中可以看出，当角度误差增加时，干涉图案倾向于朝向一系列平行条纹，而不是形成同心圆。图案强度随波长的变化不太明显，但是相反，图案平移至波长变化的任一侧。图案以这种方式表现的条件是，当从干涉仪的输出端观察时，沿着一个光束路径的输入图像在垂直于光束路径的方向上与沿另一个光束路径的输入图像移位。在输入图像完全平行于光束路径移位的情况下，出现经典的同心圆条纹图案，并且其强度取决于波长。在输入图像完全垂直于光束路径移位的情况下，干涉图案是一系列条纹，并且强度与波长无关。其他移位将形成图10中所示的中间图案，这取决于光束路径和连接输入图像的线之间的角度。

图11a示出了随着两个臂之间的相位差(θ)变化，穿过检测器中心的强度的水平(x)分布。可以看到斑点沿x轴移位，并随着相位差的变化被另一个斑点取代。这种情况周期性地发生，其周期等于fsr。图11b示出了由检测器的每一半检测到的积分强度(即x>0，x<0)-这产生了两个信号1101，1102，其具有所需的π/2相位差(并且如结合图8所讨论的)。

如果光束之间的角度增加，则条纹间距减小(如上参照图10所述)，并且若干强度峰值在图像上移动。这在图12a中示出，其示出了穿过检测器中心的强度的水平(x)分布，因为对于与图11a相比光束之间具有更大的角度的干涉仪，两个臂之间的相位差(θ)是变化的。图12b示出了针对检测器的每一半收集的积分强度-可以看出该示例不适合于多输出系统，因为两个信号1201，1202是反相的，因此每个信号的最大梯度一起发生。本领域技术人员将理解，可以改变光束之间的角度和检测器区域的配置，以产生具有期望相位差的任何数量的信号。

因此，图案的不同区域中的强度仍将随波长而变化。因此，测量图案的分离区域可以给出在相互恒定的相位差下随波长变化的信号。例如，将探测器分成如图13所示的三个部分，并将两个信号作为信号1/信号2和信号3/信号2，将给出具有取决于探测器2的宽度的相移的曲线图。

或者，可以将检测器分成两部分，并从每个部分获得输出信号。

通常，为了检索多个输出信号，可以将检测器划分为该数量的段，从每个段检索一个信号，或者划分为更多个段，其中信号通过段的组合获得。

可以根据在每个检测器处接收的功率来计算信号之间的相位差。

其中wx和wy分别是x和y中光束的高斯半宽，是两个光束之间分离的方向角，θ是两个光束之间的相位差并且取决于频率，etot是输出的总电场，stot是总输出功率，e0是常数，sign是从区域n接收的信号，并且n+和n-是x方向上的区域n的范围，以wx为单位测量。上面的方程式给出了理想情况，其中y方向上的探测器的范围是无限的。在探测器延伸到±ywy的实际应用中，最终的积分是：

为了产生可用于光学锁定器的输出，必须对输出信号进行归一化，使得信号仅取决于波长而不取决于输入光束的功率。在传统的光学锁定器中，这是通过在标准具之前分离光束，将第一光束发送到干涉仪，以及将第二光束发送到检测器来执行的。来自标准具的输出信号被来自检测器的信号分压，以形成归一化的输出信号。然而，这需要将一部分功率“虹吸”到检测器，因此降低了光学锁定器的效率。

当使用michelson干涉仪时，可以获得更有效的归一化，同时还可以防止光返回激光器。图14中示出了示例性系统。michelson干涉仪1401可以是与温度无关的(如图所示，并且如上所述)，或者它可以是传统的michelson干涉仪。另外，这可以与上述发射极中的角度误差一起使用。假设输入光束以输入偏振极化，输入偏振是线性偏振。分束器1402是100％偏振分束器，被配置为允许输入偏振通过。输入光束(未示出)的反射分量被吸收表面吸收，并且透射分量通过四分之一波片1403传递到干涉仪1401，这意味着干涉仪内的光是圆偏振的。干涉仪产生两个输出光束-一个通过检测器1404，另一个沿输入光束的路径返回。当第二输出光束通过四分之一波片时，它被线性偏振，使得当它遇到100％偏振分光器时，光束被全反射到检测器1405。

干涉仪的输入功率是检测器1404和1405处的功率之和，因此归一化可以计算为s1204/(s1204+s1205)，其中s是在每个检测器处测量的功率。如果检测器1404和1405不具有相同的灵敏度，则归一化信号将在强度和波长之间具有略微非正弦的关系。这对于探测器之间灵敏度的～10％差异并不重要，并且可以在更大的差异下进行校正。类似地，由于多部分检测器的各段之间的任何死区，信号轮廓将被改变，但是这些误差可以得到补偿，因为效果在带上是相同的。