CN100449890C - 频率锁定装置 - Google Patents

Abstract

光信号，特别是来自激光器的光信号的频率稳定方法和装置，所述装置(11)包括分束器(15)、无源鉴频器(16)和一对光电二极管(17和18)。分束器(15)在使用时接收平行光束(B)并将样本光束(B1)转向，射向鉴频器(16)，鉴频器(16)将所述样本光束的一部分(B2)透射到光电二极管中的一个(17)，并将所述样本光束的另一部分(B3)反射到另一个光电二极管(18)。从样本光束的透射部分和反射部分各自的强度导出控制信号(S3)，如果需要，控制信号(S3)用于操纵电子控制器，调节激光器输出信号的频率，保持规定的频率。

Description

频率锁定装置

本发明领域

本发明涉及供固定或可调谐激光器使用的频率锁定装置，所述装置用于将激光器的输出光锁定在所选频率上，具体地说，本发明是(但不仅仅是)供电信系统中的激光器使用的频率锁定装置。

本发明背景

在本说明书中，在以下的含义上使用术语``系统中，不仅仅意指可见光，而且也包括频率在100THz和375THz之间的电磁辐射。

在使用单频光的光纤通信系统中，激光源的特定的频率不是关键的，只要频率落在光纤的低介入/色散特性和接收机的带宽中就可以。如果激光源因任何原因产生漂移或变化，只要接收机的带宽足够宽，使它能够检测调制信号就可以。

频率的漂移或变化可以由工作温度、激光器的物理结构及激光材料的特性老化引起。分布反馈(DFB)激光器在C-Band通信波段中每℃将产生约10GHz的漂移。因此，激光源一般配备有温度控制装置。

可以通过使用波分复用(WDM)系统来提高光纤通信系统的信息携带能力，在波分复用中，单根光纤可以传输许多不同频率的信道。在WDM系统中，频率信道的漂移包括不同信道的编号和间隔的漂移，因而包括系统的数据携带能力的漂移。

标称上存在中心在231THz(1300nm)和194THz(1550nm)的两种主通信波段。由于194THz波段适合各种不同类型的通信应用，因此，它是更有用的波段。当前，194THz(1550nm)的WDM系统正在发展成为包括80、2.5Gb/s信道，以及40、10Gb/s信道的系统。194THz通信波段位于红外光谱段，具有分布在191THz和197THz之间的200、100和50GHz的国际电信联盟(ITU)信道间隔(ITU网格)。通常把194THz(1550nm)通信系统的工作寿命ITU信道频率稳定规格的设置为在工作寿命内1.25GHz变化。

为了在194THz波段内提供40或80个信道，需要使用能够准确地调节到特定频率并且在整个工作寿命上保持这些频率(在限制范围内)的光源。合适的光源包括分布式布拉格反射器(DBR)激光器，每个激光器利用选择所需信道的装置工作，以便产生一个频率信道的光。，已经开发了宽范围可调谐激光器，例如，如第七节中所述的简单的光栅分布式布拉格反射器(SG-DBR)激光器、``管”，Markus-Christian Amann and Jens Buus，Artech House，ISBN0-89006963-8。SG-DBR激光器的调谐机制是通过借助于供给布拉格反射器部分的前后面的采样光栅的电流，对工作频率进行差分电流控制，利用通过向相位部分提供控制电流而可能的精细调谐来实现的。一般说来，可以或者通过电流驱动、电场控制或者通过温度控制来动态地调谐半导体激光器。

为了防止半导体激光器的频率漂移，市场上可以买到实现``率锁定”功能的装置。一种众所周知的锁频装置就是法布里-帕罗标准滤光器，这种滤光器在下述文章中作了说明：``A Compact WavelenthStabilization Scheme for Teleoommunication Transmitters″B.Villeneuve，H.B.Kim，M.Cyr and D.Gatiepy，Published By NortelTechnology Ottawa，Canada。

在US-A-5789859中公开了一种频率锁定方法，所述专利描述了一种方法，在所述方法中，输入信号通过法布里-帕罗标准滤光器以便提供检测到的具有随波长变化的强度的输出信号。将与输入信号分开获取的参考信号与从标准滤光器检测到的输出信号进行比较，以便提供与输入信号的频率对应的反馈信号。然后校准系统，以便确定决定锁定状态的强度的比值。这样，如果比值落在预定的比值限外，则可以调整输入信号的频率。

本发明提供一种使用无源鉴频器(PFD)的频率锁定装置的改进的方案。

发明慨述

根据本发明的第一方面，提供一种用于平行光信号的频率稳定装置，它包括分束器、无源鉴频器(PFD)和一对光电二极管，工作时，所述分束器接收平行光束并且将射向PFD的样本光束转向(最好大致转向90度)，PFD将所述样本光束的一部分发送到所述光电二极管中的一个，而将所述样本光束的另一部分反射到所述光电二极管中的另一个。

PFD最好包括法布里-帕罗标准滤光器，或者，PFD可以包括干涉滤光器。

最佳的分束器为4端口分束器，它具有：平行输入光束引入端口；主透射引出端口；既是样本光束透射输入端口又是样本光束反射输入端口的另一个端口；以及反射样本光束透射端口，所述后两个端口设置成与所述平行输入端口和主透射光束端口正交，其特征在于，由所述PFD反射的所述样本光束的所述部分返回穿过所述分束器射向所述第二二极管。

分束器一般将光束的10％的最大样本(更一般地说是在1-5％的范围内，最好是光束的约5％)射向PFD，样本光束最好与光束正交。

使两个光电二极管相对于接收的样本光束倾斜，使得它们以相反的旋转方向、相等的倾角倾斜(最好按照大约2°的弧度倾斜)。

本发明的另一方面提供一种激光器模块，它包括：激光器子装置，所述激光器子装置包括用于准直激光器输出的准直透镜；以及按照本发明第一方面的频率稳定装置。

激光器子装置和频率稳定装置安装在具有高热导率的板上，例如钨铜板上，使得它们之间的温差最小。所述模块可以包括位于与激光器相邻、并与控制激光器模块温度的热电子控制器连接的热敏电阻。

光隔离器可以位于与频率稳定装置的主光束的输入端相邻的位置上，以便防止来自频率稳定装置的背反射。

所述模块还可以包括电子控制器，它接收来自两个光电二极管的信号，处理所述信号，并产生控制激光器光信号频率的反馈信号。电子控制器处理两个光电二极管信号之间的差值以便产生用于控制激光器的差信号。所述两个光电二极管信号被缓冲并输入到能将输入信号倒相的差分放大器。

本发明的第三方面提供一种对具有电子控制装置的激光器的规定频率的光信号进行频率稳定的方法，所述方法包括：将来自激光器的准直光信号光束的样本光束转向无源鉴频器(PFD)，无源鉴频器透射所述光束的第一部分而反射所述样本光束的第二部分；产生从样本光束的透射和反射部分的相应的强度导出的控制信号；以及如果需要，利用所述控制信号操纵电子控制器，以便调整激光器输出信号的频率，维持规定的频率。

借助于分束器从信号光束中提取样本光束，所述样本光束通常是信号光束的5％。所述分束器允许光轴的大致零偏移。

样本光束的反射部分和透射部分最好以正交方式横穿主信号光束。在最佳实施中，在所需的光信号频率下，样本光束的透射部分和反射部分各自基本上是样本光束的大约50％，但依赖于信号频率。

两束光的样本部分的相对强度用于产生表示它们之间的差异的差信号，并且电子控制器将差信号与存储的预定参考值进行比较，并控制激光器的频率以便使存储的预定参考值和差信号相等。

将两束光的样本部分馈入各光电二极管，以便产生表示它们的相对光强度的信号。

表示光强度的所述信号之和用于监视激光器输出的光信号功率。

其中，PFD的频率特性具有2X GHz的自由光谱范围和X GHz的半峰全宽，虽然以X GHz间隔的各点是借助于差信号的倒相确定的，但是，最佳实施例稳定装置可以用于既以2X GHz间隔又以X GHz间隔产生各频率稳定点。

附图说明

下面将参照附图并通过实例说明本发明，附图中：

图1a是本发明最佳实施例的频率锁定装置的示意图，

图1b是本发明又一个最佳实施例的频率锁定装置的示意图，

图2是带有积分频率锁定装置的激光器模块的示意图，

图3是表示图1a的频率锁定装置中透射和反射光电二极管的响应的实例曲线图，

图4a是表示图1b的频率锁定装置中透射光电二极管的响应的实例曲线图，

图4b是表示图1b的频率锁定装置中透射光电二极管部分的响应的实例曲线图，

图4c是表示图1b的频率锁定装置中差信号特征的实例的曲线图，以及

图5是用于图1a或1b的频率锁定装置的分束器的示意图。

本发明的详细说明

为了便于理解，将参照本发明的使用法布里-帕罗标准滤光器作为无源鉴频器的频率锁定装置的最佳实施例，从原理上说明本发明。

参照图1a，它示出与热敏电阻122一起安装在激光器子装置101上的激光装置10，激光装置10可以是固定频率的激光器(例如分布式反馈激光器(DFB))或者是调频激光器(例如分布式布拉格反射器(DBR))，激光装置10带有频率稳定装置11，频率稳定装置11可以与其它光学装置(未示出)例如电信应用的电-光调制器组装在一起。

激光装置10的光由准直透镜12准直并通过光隔离器13作为平行光束B发送出去。

然后，使光束B进入频率锁定装置11。频率锁定装置11包括分束器装置15、无源鉴频器装置(PFD)16以及一对光电二极管17和18。

频率锁定器装置11中的激光子装置101和其它光学部件都安装在具有高热导率的光学组装板121上。频率锁定装置11的光学输出可以通过第二个光隔离器(未示出)耦合，这取决于频率锁定装置的特定用途。

光电二极管17和18的电信号S1和S2连接到控制电子装置21，控制电子装置21又连接到激光二极管，以便形成对激光器工作频率的闭环控制。

激光二极管10最终提供输出给WDM系统的光。由于激光器对光学配置中温度的变化引起的频率变化具有最高的灵敏度，所以，在与激光二极管10相邻的位置设置热敏电阻122，以便保持对激光器温度的精确控制。

来自激光器二极管10的光由设置在靠近正面的透镜12准直，以便给锁定装置中的光学部件，特别是给PFD提供平面波前。

参照图5，分束器15(抽象为一个立方体)是4端口的光学部件，由光引入、引出和引入/引出端口组成。例如，分束器装置可以是平板形分束器或立方体形分束器。分束器部分地将激光二极管10的准直光束向前发送到输出光学部件或其它组合的电光装置，例如调制器。分束器15将准直光束B的功率的小部分B₁(一般为5％)转向，从而准直光束功率的95％作为输出B’使用。5％的样本光束B₁基本上与准直光束B正交，并射向PFD。PFD具有取决于波长的传输特性，并将样本光束B₁的一部分B₂透射，而将其余部分作为光束B_3’反射。来自PFD的反射的部分B_3’返回横穿分束器，再次基本上正交于主准直光束B。由于分束器一般具有95％的透过率，所以被PFD反射的光B_3’的大部分穿过分束器组合成光束B₃，只有一小部分B_3”被反射，并在光隔离器13中损耗。

光学设计方面在于，分束器允许主光束B/B’的大致0偏差，从而保持光轴为直线。这对组合模块的应用特别重要，它可以避免偏移光学输入进入例如下游半导体电光调制器。

如上所述，PFD 16透射转向光B₁的一部分B₂，并将其余光作为光束B_3’反射。透射的样本光部分B₂取决于它的频率并传送给光电二极管17，光电二极管17监视传送的样本光的强度。PFD反射的光功率B_3’最终大部分组合为光束B₃，由监视其强度的光电二极管18检测。

在本发明的最佳实施例中，PFD包括法布里-帕罗标准滤光器。对于这种应用，标准滤光器具有如图3所示的取决于频率的传输特性，所述标准滤光器可用于向激光二极管10提供允许频率锁定的反馈信号。对于使用标准滤光器的PFD，选择标准滤光器的传输特性以便提供100GHz的自由光谱范围(FSR)，所述自由光谱范围由标准滤光器的光谐振腔的厚度确定。为了允许锁定到50GHz ITU网格频率，一般把所述标准滤光器的精细度选择为接近2，使得标准滤光器的传输特性的半峰全宽(FWHM)近似或精确地等于50GHz。在校正期间，在控制装置21中调节绝对精细度的小的变化。半峰全宽由以下方程给出

半峰全宽＝自由光谱范围/精细度           (1)

这就方便地避免了为获得50GHz频率锁定点必须使用很厚的标准滤光器。很清楚，使用较小的标准滤光器就能获得100GHz和50GHz两个锁定点，有助于减小频率锁定装置11对空间的需要。

选择标准滤光器16的温度系数，以便与光学装置的小的物理尺寸以及光学组装板121的高热导率的优点相结合，在0℃至70℃的温度范围内，提供正确操作所需的热稳定性，一般地说，标准滤光器16的温度系数应为0.06GHz/℃。在典型的50GHz WDM信道间隔的情况下，本发明的设计导致±1.25GHz的频率稳定性。

适合所述应用的标准滤光器的供应商是WavePrecision，

Massachusetts，USA。

在使用包括法布里-帕罗标准滤光器的PFD的最佳实施例中，在频率锁定器装置11的制造期间，无源鉴频器16在锁定器装置11中自动地在角度上对准，以便实现锁定在ITU网格的中点信道上，从而使例如在C波段(190.1-196.65THz)的边缘上极端信道中离散的自由光谱范围(FSR)的最小。通常把100GHz的FSR标准滤光器制造成FSR的容差为±0.04GHz。

从对标准滤光器的透射和反射信号之间的差值的电子处理获得频率锁定。锁定可以在标准滤光器的传输特性的两侧获得，而且由于标准滤光器特性的任意一侧上的锁定点的分隔现在为50GHz，所以锁定50GHz的ITU网格频率可能就要选用100GHz的标准滤光器。参见图1a，光电二极管17和18将来自PFD的透射和反射的光功率转换为光电流，分别提供电信号S1和S2。这些信号最好连接到控制电子装置21。每一个光电二极管都以1mA/mW的响应度(即第一级)将入射光转换成光电流，所述光电流直接与光功率成正比。每一个光电二极管都安装成与入射光成2°角，以便减少光学背向反射到光学系统中的光量。例如，如图1a所示，每一个光电二极管以相反的方向相对于另一个二极管旋转，以便减小来自PFD的检测信号的光相位差。这一点在允许把检测到的光功率用于确定主光束的光功率，即，作为功率监视时特别有用。用于这方面的合适的光电二极管有LGPElectro Optics，Woking，Surrey，UK的产品，零件编号为GAP1060。

光电二极管的信号S1和S2提供控制电子装置21的输入信号。然后这些信号被缓存并输入给差分放大器，差分放大器包括在适当时候的输入信号的倒相，以便能够锁定在标准滤光器的PFD的倾斜特性的两侧，如图3所示。

频率锁定器装置11只使用单一分束器15分出激光束B的一小部分(通常为5％)，从而使插入损耗小，因而保持主光束中的最大功率。在最佳实施例中，通过利用50GHz和100GHz两种情况下反射和透射光强度之间的差值，在标称的50％无源鉴频器透射功率和50％反射功率的的条件下获得锁定的频率。

利用通常工作在ITU频率的激光装置10，将S1和S2之间的差值与存储在控制电子装置21中的参考值进行比较。然后，控制电子装置工作，利用合适的控制信号装置S3调整依赖于激光装置10的频率控制装置的激光器的频率，使得光电二极管差信号等于存储的参考值。由于激光二极管的工作频率对温度和驱动电流或场的灵敏度很高，因此可以或者通过改变激光器的电气工作环境或者通过改变热电控制(TEC)设置点的温度来实现对工作频率的闭环控制。如果激光器的频率偏离所需的值，则光电二极管的差信号就会偏离所述存储值，控制电子装置21就产生与所述偏差成正比的误差信号。通过正确配置误差信号S3的极性能够控制激光装置10返回正确的ITU频率，从而使误差最小，并使激光器保持在所需的工作频率。这构成反馈控制环。在激光装置10为可调谐激光器的情况下，控制电子装置将需要适应每一种所需的激光装置的频率，并据此驱动激光调谐装置，以及为每一个ITU的工作频率采用合适的存储参考值。用于存储单频和多频工作频率数据的典型存储装置就是查找表。

控制电子装置21中的存储值是在工厂进行模块测试期间确定的，使得存储的参考值既是所测试频和锁定的精确频率又是接受测试的装置所特有的，因而构造预定的参考值。通过依次测试每一个工作频率并在控制电子装置21中存储对应的参考值，可以将每一个工作频率设置成在规定的精度范围内与ITU网格匹配。虽然S1和S2之间的差值是与存储的参考值比较的量，但是，本专业的技术人员将明白，可以利用从S1和S2导出的其它数据来与合适的存储的预定参考值或值集进行比较。

在使用包括法布里-帕罗标准滤光器的PFD的最佳实施例的控制电子装置中，差信号的倒相操作取决于被锁定的频率。在具有50GHz间隔的各锁定频率之间需要倒相，因为这些锁定频率落在100GHz的标准滤光器特性曲线的相对的两侧(见图3)。可以在任何合适的时间在控制电子装置21中，例如对从光电二极管的差信号产生的误差信号或存储在控制电子装置中的参考信号的幅度进行倒相。

在本发明的又一个最佳实施例中，PFD包括干涉滤光器。图1b示出又一个最佳实施例的频率锁定装置的示意图。

参见图1b，所述实施例与图1a所示的实施例完全相同，除了已经把PFD 116变成干涉滤光器之外。在这又一个实施例中，除了下面详细说明的之外，频率锁定装置的工作与关于利用法布里-帕罗标准滤光器的PFD的最佳实施例所说明的一样。

干涉滤光器可以通过利用图4a所示的峰值透射曲线一侧的透射特性，来产生与频率有关的信号。考虑曲线的左侧，在有限的频率范围内，所述透射响应随频率的增加单调地下降，而反射特性则随频率的增加作相应的单调地上升。通过处理干涉滤光器的透射和反射特性之间的差值可以再次获得频率锁定，除了现在锁定点是差信号的与频率有关的预定幅度之外，如图4c所示。可以根据应用的需要来选择干涉滤光器的工作频率范围，例如，窄带滤光器可以用来提供诸如DFB激光器的固定频率激光器的频率锁定，而宽带滤光器可以用来提供诸如DBR激光器的可调谐激光器的频率锁定。关于干涉滤光器的配置，必须根据具体的应用和待覆盖的工作频率/信道来选择滤光器的中心频率。干涉滤光器可以工作在其透射特性曲线的任意一侧，这取决于所需的具体的应用。

图4a示出一种干涉滤光器，在所述干涉滤光器中，在左侧，例如从195.25THz至195.75THz，即500GHz范围内，透射特性基本上是线性的。因此，这种滤光器可以拥有5个100GHz ITU信道，或10个50GHz信道。图4b示出所述透射特性及其对应的反射特性的主要的线性部分。在感兴趣的典型频率范围上，它们近似于线性。透射和反射特性的梯度相当低，利用两个响应之间的差值，利用双梯度(即对频率偏差的两倍灵敏度)可以获得近似线性传递函数，如图4c所示。本专业的技术人员将明白，使用图1b的控制电子装置21中的信号S1和S2可以生成差信号。为了考虑激光器10的输出功率强度的变化，必须通过除以和信号(S1+S2)来将差信号(S1-S2)归一化。

参见图1b，为了将所述差分信号用于锁定激光装置10，首先要进行归一化，然后，将所述差分信号的归一化幅度与预定的参考幅度比较，预定的参考幅度是与所需的ITU的信道频率对应、在频率锁定装置的最终测试期间获得并存储在所述装置中的。在利用来自目标ITU信道的差信号的偏差时，存储值用来产生控控制信号，控制激光装置的频率调谐装置，使所述偏差最小，即，锁定激光器的频率。虽然S1和S2之间的差值是与存储的参考值比较的量，但是，本专业的技术人员会明白，从S1和S2导出的其它数据也可以用于与适当的预定参考值或值集进行比较。

由于滤光器的透射特性对入射角的灵敏度不是很高，所以，所述另一个实施例不需要在装配期间对滤光器进行对准。而且，可以使干涉滤光器具有很低的温度系数，通常为0.05GHz/℃。另外，锁定波长间隔是在制造期间确定的，并存储在所述装置中，因而允许在不影响锁定装置设计的情况下选择信道间隔，例如100GHz、50GHz、25GHz。另外，由于控制电子装置提供消除这种影响的参考信号校正，因此，干涉滤光器斜坡上的工作频率的精确位置对频率锁定装置的工作不是关键的。而且干涉滤光器可以很小且紧凑，并在1000GHz范围内具有基本上线性响应，为覆盖10个100GHz的ITU信道作好准备。

参见图2，图中示出模块100，它具有：激光器装置101，例如，激光装置101包括可调谐激光器110，后者可以是GB2337135中说明的带有相邻的热敏电阻的型号；准直透镜123；光隔离器124；以及例如50GHz集成频率锁定装置111，所有这些部件都安装在由例如铜/钨(CuW)制成的单一光学组装板121上。锁定装置111在图1a或1b用编号11表示，并且图中相同的标号用于其内部的部件。

光学组装板是以基本上恒温、在利用与激光器装置110相邻的热敏电阻122和在光学组装板下面的热-电冷却器(TEC)(未示出)的闭环温度控制的条件下工作的。光学组装板具有理想的高热导率，以便使热敏电阻122和PFD 16之间的热梯度最小，并降低热敏电阻122和TEC之间的热阻抗。

还可以利用与第一光隔离器相似形式的第二光隔离器(未示出)将来自激光器、通过分束器的主准直光束与其余的光学元件隔离。这具有保护锁定装置的光电二极管不受下游光路，例如来自光学连接器接口上光学模块外部产生的光反射的影响的优点。对附加隔离器的需求取决于频率锁定装置的具体应用。

激光光束由准直透镜123准直，并穿过光隔离器124到达分束器15，规定分束器15用来对光束进行通常为5％的采样。反射的样本光束射向如上所述的具有100GHz的FSR的无源鉴频器16。

对于典型的可调谐激光器110，通过取得光电二极管信号S1和S2之间的差值来实现各间隔的ITU信道的锁定点，所述信号S1和S2分别来自无源鉴频器的透射和反射响应，如图3所示。在电子装置中处理(图2没有示出，但是上面作了讨论)信号S1和S2，产生反馈控制信号S3，如图1a所示，反馈控制信号S3用于控制例如可调谐激光器的相位部分，因而控制激光器的工作频率。

如图3所示，在这种设计的情况下，所有偶数编号的信道都将出现在PFD透射响应的一侧，而奇数编号的信道将出现在PFD的透射响应的另一侧。信道编号的这种编制方法可以用于简化更快的信道变更系统。

这种方案还允许把相同的100GHz的标准滤光器用于50GHz间隔的可调谐激光器。通常的50GHz的标准滤光器比100GHz的标准滤光器大很多，例如，大到两倍的厚度。因此，这种尺寸缩小在装置的制造中提供相当大的优点，较小的物理空间很受欢迎。

使用又一个最佳实施例的频率锁定装置111的模块100适合于利用宽带干涉滤光器作为PFD 16，为有限调谐范围的可调谐激光器，例如，三节分布式布拉格反射器(DBR)半导体激光器提供锁频。或者，在这种可供选择的最佳实施例中，频率锁定装置111可以适合于利用窄带干涉滤光器作为PFD 16，以便为固定频率激光器，例如分布式反馈(DFB)半导体激光器提供锁频。

有利的是，在所述各实施例中的任何一个中，对透射和反射信号S1和S2求和都可以用来作为对从激光装置10/110前馈的主光束功率输出的监视。这样配置光电二极管17、18，使得它们以相反的方向相对于入射光倾斜，以便使检测到的来自PFD 16的光信号之间的光相位差最小。这允许对所使用的光电二极管的信号求和，因为总的光电流与来自线性度很好的分束器的相对于平行光束功率的5％的转向光成正比，并且响应与波长无关，。

有利的是，激光器装置10/110的平行光束允许在频率锁定装置的配置111中应用各种不同的PFD，频率锁定装置的配置111允许在锁定装置的设计中有一定的灵活性，并能够对PFD的光学性能规范进行精确的控制。

把分束器15用于具有与主光束基本上正交的转向光束的主平行光束中，允许锁定装置111具有非常紧凑的物理布局，因此，可以将锁定装置111安装在与激光装置相同的平台100上。

PFD 16在两个实施例中都是小的物理部件。这就允许作紧凑的物理布局，所述物理布局对于使热敏电阻122和PFD 16之间的热梯度减至最小是重要的，以便降低锁定频率误差，特别是降低随模块工作外壳温度变化而变化的锁定频率误差。

来自光电二极管17、18的检测信号对入射的平行光束的功率的一小部分采样，但是，由于把激光装置10/110构造成从其正面提供大部分光功率，所以提供大的检测光电流。此外，在控制电子装置21中既使用来自PFD的输入到差分放大器的透射特性又使用其反射特性，有助于在标称上将结果误差信号对工作频率的有限变化的灵敏度加倍。这提供一种具有高灵敏度的频率锁定装置，并能实现具有高频率稳定性的锁定装置设计。

在高热导率光学组装板121上安装激光装置101和频率锁定装置111的方法允许将具有有限温度系数的PFD用于具有高频率稳定性的锁定装置的配置。在没有其它有源装置的情况下，高热导率还有助于使激光器温度控制装置能够单独为锁定装置提供温度稳定性的设计，因此，这种设计是热力学上和电气上高效率的设计。

频率锁定装置111的输入端的光隔离器124用于消除或者来自锁定装置的光学表面上或者来自沿光学路径(包括安装有模块100的系统)的其他表面的反射容易受背反射影响的激光器的干扰，从而消除对工作频率和功率的影响。

在频率锁定装置111的输出侧的光隔离器(未示出)用于消除来自主系统的光学背反射对检测的光电流的影响，从而提高锁定频率的精度。

Claims (20)

1.一种平行光信号的频率稳定装置，它包括分束器、无源鉴频器(PFD)和一对光电二极管，所述分束器使用时接收平行光束并且使射向所述无源鉴频器的样本光束从所述平行光束转向，所述无源鉴频器将所述样本光束的一部分透射到所述光电二极管中的一个并将所述样本光束的另一部分反射到所述光电二极管中的另一个，其中，所述无源鉴频器包括法布里-帕罗标准具，所述法布里-帕罗标准具的频率特性具有2X GHz的自由光谱范围和X GHz的半峰全宽，既允许间隔为2XGHz的频率稳定点又允许间隔为X GHz的频率稳定点。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述分束器是4端口分束器，所述4端口分束器具有：平行输入光束引入端口；主透射引出端口；既是样本光束透射输出端口又是样本光束反射输入端口的另一个端口；以及反射样本光束透射端口，所述后两个端口设置成与所述平行输入光束引入端口和主透射引出端口正交，其特征在于，由所述无源鉴频器反射的所述样本光束的所述部分返回穿过所述分束器射向所述二极管中的所述另一个。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述分束器通常将所述光束中通常总计5％的样本光束射向所述无源鉴频器。

4.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述两个光电二极管相对于所述接收的样本光束倾斜安装，使得它们以相反的旋转方向相等地倾斜。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述各光电二极管按照大约2°的弧度倾斜。

6.一种激光器模块，它包括激光器子装置和如权利要求1所述的频率稳定装置，所述激光器子装置包括用于使所述激光器输出准直的准直透镜。

7.如权利要求6所述的激光器模块，其中，所述激光器子装置和所述频率稳定装置都安装在具有高热导率的板上，以便将所述激光器子装置和所述频率稳定装置之间的温差减至最小。

8.如权利要求7所述的激光器模块，还包括设置在所述激光器附近并连接到用于控制所述激光器模块内温度的热电控制器的热敏电阻。

9.如权利要求6至8中任何一个所述的激光器模块，还包括设置在所述频率稳定装置的主光束输入端附近的光隔离器，用于阻挡来自所述频率稳定装置的背反射。

10.如权利要求6所述的激光器模块，还包括电子控制器，所述电子控制器接收来自所述两个光电二极管的信号，处理所述信号并产生用于控制来自所述激光器的光信号频率的反馈信号。

11.如权利要求10所述的激光器模块，其中，所述电子控制器处理所述两个光电二极管信号之间的差值以便产生用于控制所述激光器的差信号。

12.如权利要求11所述的激光器模块，其中，所述两个光电二极管信号被缓冲并输入到能够把输入信号倒相的差分放大器。

13.一种对来自具有电子控制器的激光器的规定频率的光信号进行频率稳定的方法，所述方法包括将来自所述激光器的光信号光束的样本光束转向到无源鉴频器，所述无源鉴频器将所述样本光束的第一部分透射而将所述样本光束的第二部分反射，产生从所述样本光束的所述透射和反射部分各自的强度导出的控制信号，并将所述控制信号用于操纵所述电子控制器，如果需要，调节所述激光器输出信号的频率，保持规定的频率，其中，所述无源鉴频器包括法布里-帕罗标准具，所述法布里-帕罗标准具的频率特性具有2X GHz的自由光谱范围和XGHz的半峰全宽，既允许间隔为2X GHz的频率稳定点又允许间隔为XGHz的频率稳定点。

14.如权利要求13所述的方法，其中，借助于分束器从所述信号光束提取所述样本光束，所述分束器通常将所述信号光束的5％转向。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述分束器允许光轴的基本上0的偏移。

16.如权利要求14或15中所述的方法，其中，所述样本光束的所述反射部分和透射部分以正交方式横过所述信号光束。

17.如权利要求13至15中任何一个所述的方法，其中，所述样本光束的所述透射部分和反射部分在所需光信号频率下各自基本上是所述样本光束的大约50％。

18.如权利要求13至15中任何一个所述的方法，其中，所述两个光束样本部分的相对强度用于产生表示它们之间差值的差信号，以及所述电子控制器将所述差信号与预定的存储的参考值比较并控制所述激光器的频率，使所述存储的参考值与所述差信号相等。

19.如权利要求13至15中任何一个所述的方法，其中，将所述两个光束样本部分送到光电二极管，以便产生表示它们的相对光强度的信号。

20.如权利要求19所述的方法，其中，表示光强度的所述各信号的总和用于监视从所述激光器输出的光信号功率。

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