光学频率测量装置

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2020年2月24日提交的题为“基于标准具的波长锁定器”的美国临时专利申请62/980,761的优先权。在先申请的公开内容被认为是本专利申请的一部分，并通过引用结合到本专利申请中。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于测量光束的频率或波长的装置，以及涉及一种用于激光器的光学锁定器和在其中使用的组件。

背景技术

在光纤通信信道中，密集波分复用(dense wavelength division multiplexing，DWDM)用于通过单根光纤传输多个光信号。对于这样的应用，信道中的每一个具有不同的频率，

由激光源产生的光学信号的频率通过光学锁定机构锁定到目标频率。光学锁定机构可以测量光学信号的波长或频率，并且可以基于该测量使用反馈回路来调节相对应的激光源的输出。

在一些情况下，光学锁定机构可以包括用于测量波长或频率的Fabry-Perot(FP)标准具或干涉仪。示例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。在光在表面之间反弹时，透射的光线相互干涉，从而产生基于频率和板之间的光学距离的特征干涉图案。

FP标准具的频率响应具有图1B中示出的特性曲线。为了给频率测量装置提供最大的分辨率，FP标准具被校准，使得期望的频率处于具有高梯度的频率响应曲线图的区域中。因此，频率方面的较小变化可能产生输出方面的巨大变化。

如上所述，图1A和图1B是作为示例提供的。其他示例可能不同于关于图1A和图1B描述的内容。

图2示出了结合标准具(诸如图1A中示出的FP标准具)的频率测量装置的示例。频率测量装置包括标准具201、输出监控器202、参考监控器203和分束器204。输入光束210到达分束器，并被分成测量光束211和参考光束212。如上所述，测量光束穿过标准具，并且光束的强度由输出监控器202测量。

然而，在没有输入光束的强度的测量的情况下，输出光束的强度可能不是有用的量(例如，为了能够确定正确的波长是标准具的透射率)。因此，使用分束器204偏转输入光束的功率的一部分以提供参考光束212，并且参考光束的强度由参考监控器203直接测量(不穿过标准具)以给出参考测量。将参考测量和标准具的输出进行比较，以确定频率。

如上所述，图2是作为示例提供的。其他示例可能与关于图2描述的内容不同。

现在存在朝向无网格操作的趋势。在无网格操作中，光纤通信或其他激光应用的操作是以不在设定网格上的频率执行的。当使用单个标准具和参考光束时，可能存在不能容易地对频率进行精确确定的区域，例如，因为波长/强度关系的斜率接近于零。在这种情况下，强度测量中的较小误差可能导致波长方面的不可接受的大误差(例如，信号干扰噪声比(SINR)取决于斜率，其中低斜率区域具有低SINR)。

为了缓解这种情况，频率测量装置可以利用两个标准具制成、被配置成使得一个标准具的波长响应的最大值和最小值位于或接近另一标准具的波长响应的最大斜率的位置。在某些情况下，两个标准具之间存在最佳的相位偏移，并且可以示出的是使波长响应的所有点处的可用斜率最大化(因此最大化SINR)。如上所述，这种装置可能仍然需要分离的参考光束。图3A示出了这种双标准具装置的响应作为相对相位差的函数的示例，该相对相位差可以等同于波长或频率，并且图3B示出了图3A的曲线图的斜率的示例。如可以看出的那样，在所有点处，响应中的一个具有至少为每弧度|0.336|的斜率。如上所述，图3A和图3B是作为示例提供的。其他示例可能不同于关于图3A和图3B描述的内容。

然而，现在存在朝向在无网格操作中进行更精确的频率控制的趋势。因此，需要一种光学频率测量装置，其能够实现改善的SINR，并且能够在宽范围内的任何点处更精确地锁定频率。此外，参考光束的使用降低了光学频率测量装置的效率，因此存在对不需要参考光束的解决方案的需要。

发明内容

根据一些可能的实施方式，组件可以包括分束器，该分束器被配置为将输入光束分成至少三个光束。组件可以包括具有至少三个区域的标准具，该标准具被定位成使得每个光束穿过不同的区域，其中每个区域具有不同的路径长度，使得每个区域具有类似于其他区域的自由光谱范围的自由光谱范围，并且其中每个区域具有透射峰，该透射峰与其他区域的透射峰以相位差分离开。组件可以包括检测器，该检测器被配置为针对光束测量标准具的输出强度Tn(n＝1，2，3)。组件可以包括控制器，该控制器被配置为确定输出强度的比率Ta/Tb(a，b＝1，2，3，a≠b)，其中比率在输出强度下具有斜率，该斜率在阈值以上。

根据一些实施方式，光学锁定器可以包括组件。该组件可以包括：分束器，该分束器被配置为将输入光束分成至少三个光束；具有至少三个区域的标准具，该标准具被定位成使得每个光束穿过不同的区域；检测器，该检测器被配置为针对光束测量标准具的输出强度Tn；控制器，该控制器被配置为：确定输出强度的比率Ta/Tb，其中这个比率在输出强度下具有阈值以上的斜率、获得输入光束的目标频率、并且基于目标频率和输出强度的比率确定输入光束的实际频率。

根据一些可能的实施方式，一种方法可以包括由光学锁定器将输入光束分成至少三个光束，并且使每个光束穿过光学锁定器的标准具的不同区域；由光学锁定器提供输入光束的目标频率；由光学锁定器测量每个光束的输出强度；由光学锁定器确定输出强度的比率Ta/Tb，其中该比率在输出强度下具有斜率，该斜率在阈值以上；由光学锁定器基于目标频率和输出强度的比率Ta/Tb确定输入光束的实际频率；以及由光学锁定器基于对实际频率的确定来提供标识输入光束的实际频率的信息。

附图说明

图1A是本文描述的标准具的示例的图。

图1B示出了如本文所述的不同精细度值下标准具的频率响应曲线的示例。

图2示出了本文描述的光学锁定器的示例。

图3A示出了本文描述的双标准具光学频率测量装置的响应的示例。

图3B示出了如本文所述的图3A中曲线的斜率(导数)的示例。

图4示出了用于在本文描述的光学频率测量装置中使用的示例组件。

图5A示出了如本文所述的图4的组件的响应的示例。

图5B示出了如本文所述的图5A的响应的比率的示例。

图5C示出了如本文所述的图5B的比率的斜率(导数)的示例。

图6是与锁定激光器相关的示例过程的流程图。

图7A至图7C是本文描述的示例性固体标准具的示例示意性图示。

图8是本文描述的示例性带空气间隙的标准具的示例示意性图示。

具体实施方式

示例实施方式的以下详细描述参考了附图。不同附图中相同的附图标记可以标识相同或相似的元件。

本文描述的一些实施方式提供了一种光学频率测量装置，其在宽频带上实现无网格操作并且是自归一化的(例如，光学频率测量装置不需要使用参考光束)。例如，光学频率测量装置可以使用具有三个或更多区域(每个区域具有不同的路径长度)的标准具。在一些实施方式中，标准具及其多个区域由单个元件(例如，整体性元件)形成。每个区域的频率响应使得频率响应具有相似的自由光谱范围(free spectral range，FSR)，但是在相位方面分散，如下面更详细描述的那样。输入光束被分成三个光束，每个光束被引导到这些区域中的一个中，并且测量每个光束穿过标准具后的强度。

图4是在光学频率测量装置中使用的组件的示例400的图。例如，该组件可以包括三向分束器401、具有区域411、412和413的标准具402以及具有三个监控器421、422和423的监控器阵列403。区域中的每一个可以具有由标准具的侧部上的附加叠层件404提供的不同的厚度，这导致标准具的侧部具有台阶状轮廓。在一些实施方式中，每个叠层件404可以跨标准具的单个区域。厚度方面的这种差异在三束光束之间产生相位差，诸如2π/3的相位差。

输入光束430可以被分束器401分成三个测量光束431、432和433，这些测量光束中的每一个被引导通过标准具的区域411、412和413中相应的一个，并且然后来自每个区域的输出光束的强度被相应的监控器421、422和423测量。光学频率测量装置可以采用对应于每个区域的输出与对应于每个其他区域的输出的比率，而不是将每个输出光束的强度与参考光束进行比较(参见图5A至图5C)。

如上所述，图4是作为示例提供的。其他示例可能与关于图4描述的内容不同。图4中示出的装置的数量和布置是作为示例提供的。

图5A示出了每个输出光束T1、T2和T3相对于相对相位差的响应的示例(与图3A一样，这可能与波长或频率有关)。相对应的比率T1/T2、T2/T3和T3/T1在图5B中示出。图5C示出了图5B的曲线图的斜率。如图3A和图3B的双标准具参考情况下一样，通过选择斜率在期望阈值之上的比率中的一个，可以在FSR内的点处获得可接受的斜率。所选择的比率可以是具有最大斜率的比率(例如，在测量的输出强度下的所有比率中的)，或者所选择的比率可以是具有满足阈值的斜率的任何比率。

图5B中的比率可以是自归一化的(例如，独立于波束功率)。因此，不需要参考光束来确定频率(在FSR内)。在一些实施方式中，比率是周期性的(例如，响应以等于标准具的FSR的周期重复)。在一些实施方式中，所确定的比率可以用于标识FSR内的特定频率，但是也将对应于遍及标准具的不同FSR的一系列频率。例如，当频率测量装置是用于激光器的光学锁定器时，光学锁定器可以被提供有用于激光器的估计的频率(例如，根据激光器的校准)，以及比率Ta/Tb中的一个的值。估计的频率可以用于确定实际频率在哪个FSR(例如，响应的哪个周期)中，并且值Ta/Tb可以标识FSR内的确切频率。在这种情况下，估计的频率的误差范围可能小于标准具的FSR。

尽管在一些方面，FSR在本文中被描述为单个值，但是在其他方面，可能存在多个不同的FSR。例如，上文描述的三个标准具可以具有不同的相应FSR，然而，多个FSR的差异可能是小于标准具的平均或标称FSR的量。在这种情况下，三个标准具的FSR彼此之间的差异可以小于2％、小于1％、或者小于0.5％等。

虽然上面的示例示出了三个光束、标准具的三个区域和三个比率，但是可以使用三个以上的光束，其中每个光束穿过具有不同厚度的相应区域，并且其中光束的可用比率中的一些或全部用于确定波长。使用更多的光束和区域允许更大的FSR下的提高的精度(例如，允许测量装置在估计的频率或波长中支持更宽的误差范围)。

控制装置可以通过确定标准具响应对于估计的波长的周期、根据测量的比率和初始波长(或频率)估计来获得波长(或频率)。例如，对于平均FSR为F、初始估计波长为E的标准具，实际波长可以被确定为在(E-F/2)＜λ＜(E+F/2)的范围内，其中λ代表实际波长。该范围包括标准具的波长响应的单个周期，因此通过确定测量的信号对应的周期中的位置，控制装置可以唯一地确定实际波长。控制装置可以确定所测量的强度的比率Ta/Tb，并且可以检查比率中的具有预定阈值之上的斜率的一个比率，以确定周期中的位置。例如，如图5B所示，对于每个比率的给定值，每个周期内最多有对应于该值的两个波长。例如，对比率T1/T2的1.7的测量值可以对应于稍微高于π/4的相位，或者稍微高于13π/16的相位(并且控制装置可以使用FSR和对应于周期中的一个点的波长来确定对应于每个相位的波长，例如，T3的峰值，其在图5B中是相位0)。对于估计的波长上小于阈值量的误差(例如，足够小以至于误差不会重叠两个点)，控制装置可以通过选择估计波长上的误差内的点来在点之间进行消歧。否则，控制装置可以通过抖动激光以确定比率的斜率是正还是负，或者通过检查另一比率(因为检查图5B中的比率中的两个的任意组合可以唯一地定义周期内的点)，来在点之间进行消歧。

如上所述，图5A至图5C是作为示例提供的。其他示例可能不同于关于图5A至图5C所描述的内容。

图6是用于将激光器与结合了根据图4的组件的光学频率测量装置锁定的示例过程600的流程图。在一些实施方式中，示例过程600的步骤可以由控制装置来执行。附加地或替代性地，被描述为由另一装置执行的步骤可以作为对来自控制装置的控制信号的响应来执行。在一些实施方式中，本文所述的激光器可以具有预定的目标频率和已知或近似的频率误差。

在步骤601中，激光器可以向组件生成输入光束。激光器可以通过分束器生成输入光束，或者对于具有前向光束输出和后向光束输出的激光器，后向输出可以用作光学频率测量装置的输入光束，使前向输出自由用于其他目的。附加地或替代性地，可以使用用于为激光器的光学锁定提供输入光束的其他技术。

在步骤602，输入光束可以被组件分成三个光束，其中每个光束穿过标准具的一个区段。如上所述，全部标准具区段可以具有相似的FSR，但是可以以相位差(例如，2π/3)被分离开。

在步骤603中，可以在各个光束穿过标准具之后测量每个光束的输出强度。例如，控制装置可以使用组件的测量部件来测量每个光束的输出强度。附加地或替代性地，控制装置可以获得其他光束特性的测量，以允许确定标准具的透射率。

在步骤604中，可以确定比值Tm/Tn，其中Tm/Tn表示输出强度中的两个的比值，使得Tm/Tn的斜率适合于光学锁定(例如，阈值或可能的比率的最大斜率之上)。当确定哪个或哪些比率具有可用的斜率时，控制装置可以计算每对输出强度的比率Ta/Tb、确定输出强度中的哪一个具有最大的斜率(例如，通过抖动激光器)，并且基于计算比率和确定哪个输出强度具有最大的斜率的结果来确定哪个比率Tm/Tn具有可用的斜率。在一些实施方式中，比率Ta/Tb是自归一化的，因此控制装置可以直接根据该比率的值(在代表正斜率和负斜率的两个选项内)确定给定比率的斜率。

在步骤605中，反馈回路可以用于将激光器锁定到目标频率。例如，在步骤611：目标频率可以用于确定激光器处于比率Tn/Tm的频率响应的哪个周期；在步骤612：可以基于Tn/Tm的值和先前确定的周期来标识激光器的实际频率(例如，这可以通过预先校准的函数或查找表来完成)；在步骤613：如果Tn/Tm的斜率不再满足用于锁定的阈值，则控制装置可以调整激光器的配置以使激光器更接近目标频率，并且从步骤611或者从步骤604重复。回到步骤612，如果激光频率上的误差足够大，则步骤612的结果可以给出两个可能的值(正斜率和负斜率)。可以通过检查其他比率中的一个的值(其将唯一地标识给定周期内的频率)或者通过为反馈环路挑选最初移动的一个方向，并在这使激光器进一步远离目标频率的情况下在随后的周期中在另一方向上移动，来对这两种可能性进行消歧。附加地，在步骤612中，可以查验其他比率中的一个以确认所确定的频率，即使在不应该有歧义的情况下。

如上所述，例如，步骤604和605可以在控制装置上实施。例如，步骤604和605可以在充当控制器的处理器上或者在多个控制器(例如，一个用于光学频率测量装置，并且一个用于激光器)上实施。在使用单独的控制器的情况下，在步骤611和612中，例如，一个或多个控制器可以具有标识目标频率(其通常对于激光器来说是已知的)和比率Tn/Tm(其通常对于光学频率测量装置来说是已知的)两者的信息。在这种情况下，无论使用哪个控制器来执行该步骤，相关信息(例如，目标频率或比率Tn/Tm)可以由另一控制器发送到该控制器。在一些实施方式中，单个控制装置可以包括多个控制器。

过程600可以包括附加的实施方式，诸如下文和/或结合本文别处描述的一个或多个其他过程描述的任何单个实施方式或实施方式的任何组合。

尽管图6示出了过程600的示例步骤，但是在一些实施方式中，过程600可以包括与图6中描绘的步骤相比附加步骤、更少的步骤、不同的步骤或者不同布置的步骤。附加地或替代地性，可以并行执行过程600的步骤中的两个或多个。

图7A至图7C示出了标准具的示例配置700。这些仅作为示例呈现，并且可以使用具有至少三个区段的任何标准具，这些区段中的每一个具有相似的FSR，并且这些区段中的每一个具有与其他区段的透射峰以相位差分离开的透射峰。在一些实施方式中，(标准具的每个区域的)透射峰值在标准具的FSR上均匀分开。

图7A示出了具有三个区域的固体标准具，该标准具包括主体711、第一层712(形成第一叠层件)和第二层713(形成第二叠层件)，所有这些全部由适合用作标准具的透明材料(例如石英)制成。第一叠层件在第一区域和第二区域中附接到主体，但是不存在于第三区域中。第二叠层件附接到第一叠层件，并且仅存在于第一区域中。结果，第一区域具有比第二区域更大的厚度，该第二区域具有比第三区域更大的厚度，并且可以通过对主体和每个叠层件使用不同的厚度来选择每个区段的光路长度。

作为形成如图7A所示的相同结构的替代方式，可以在第三区域上放置掩模，并且然后通过沉积来施加层712。随后，可以在第二区域和第三区域上放置至少一个掩模，并且通过沉积来施加层713。然后去除掩模，以使层712和713留在适当的位置，如图所示。附加地，可以(作为叠层件或通过沉积)在主体711和第一层712之间提供另外的层(未示出)，以微调标准具的FSR。

图7B示出了具有四个区域的固体标准具，该标准具包括主体721、第一叠层件722、第二叠层件723和第三叠层件724。在这种情况下，每个叠层件附接到主体上，并且每个叠层件仅存在于一个区域中。每个叠层件的厚度(加上主体的厚度)定义了这个区域的路径长度。与图7A和图7C中示出的其他标准具相比，这些区段不是按厚度顺序的。在一些实施方式中，这可以通过叠层件的适当布置或蚀刻到不同深度而被实现有其他构造。

图7C示出了具有三个区域的、被形成为单个一体件的固体标准具。在一些实施方式中，这可以通过蚀刻合适的材料来实施，以形成所需的厚度。附加地或者替代性地，每个光束可以以不同的角度穿过标准具，使得每个光束的路径长度不同，无论区域的厚度是否不同。附加地或者替代性地，区域可以被设置在单独的本体上(例如，标准具可以在多个标准具本体上分开，每个标准具本体包括区域中的一个或多个)。附加地或替代地性，这些区域可以设有不同厚度和不同折射率的某种组合。

如上所述，图7A至图7C是作为示例提供的。其他示例可能不同于关于图7A至图7C所描述的内容。

图8示出了空气间隙型标准具的示例800，其包括与第二固体元件802分开空气间隙的第一固体元件801。例如，空气间隙型标准具可以由被空气间隙分开的两个本体(或多于两个本体)形成。例如，标准具可以是频率测量装置组件的子组件，并且子组件可以包括多个本体。标准具还可以在固体元件801和802中的每一个上包括反射表面803，以为标准具提供反射。通过为固体元件801或802中的至少一个的反射表面提供台阶式轮廓，可以提供不同路径长度的区段，该台阶式轮廓可以以类似于图7A至图7C的台阶式表面的方式构造。

虽然上面已经公开了仅具有一个台阶式表面的标准具，但是应当理解的是，标准具可以被构造成在两个反射表面(例如，图8的两个内表面、或者图7C的顶表面和底表面)上具有台阶式表面。虽然上述公开的标准具区域是通过叠层件或蚀刻形成的，但是也可以使用其他方法来形成标准具。

对于区段中的每一个将输入光束分开成分离的光束可以通过分束器进行。虽然以上描述描写了将光束分成例如具有相等强度的三个光束，但是应该理解的是，其他配置也是可能的。如果光束没有被均等地分开，则可以通过将每个比率乘以比例因子来考虑分开的光束的不同强度，从而校准组件以解决不均等的分开。分开的光束的强度可以彼此具有一致的关系，从而导致这种比例因子是恒定的。

如上所述，图8是作为示例提供的。其他示例可能与关于图8描述的内容不同。

前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在是穷举性的或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以根据实施方式的实践获得修改和变化。另外，本文描述的实施方式中的任何一个可以被组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式不可能被组合的理由。

如本文所用，根据上下文，满足阈值可以指大于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、小于或等于阈值、等于阈值、不等于阈值等的值。

即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式进行组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求与权利要求集中的每个其他权利要求的组合。如本文所用，涉及项目的列表中“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”旨在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及多个相同项目的组合。

除非明确说明，否则本文使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。而且，如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。进一步，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用。另外，如本文所用，术语“集合”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目或相关和不相关项目的组合)，并且可以与“一个或多个”互换使用。当只旨在使用一个项目时，使用短语“仅一个”或类似的语言。而且，如本文所用，术语“具有”等旨在是开放式术语。另外，短语“基于”旨在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。而且，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在是包含性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，在与“任一”或“仅其中之一”结合使用的情况下)。

进一步，为了便于描述本文可以使用空间上相对的术语(诸如“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等)来描述一个元件或特征与图中示出的另一(多个)元件或(多个)特征的关系。除了附图中描述的取向之外，空间相关术语旨在包含使用或操作中的设备、装置和/或元件的不同取向。设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他取向)，并且本文使用的空间相对描述符同样可以相应地进行解释。为了便于描述，本文可以使用更多的数字相关术语，诸如“近似”、“类似”等。根据上下文，数字相关术语旨在涵括在另一数值的其他示例当中的另一数值的阈值量内的数值，诸如在10％、5％、1％或0.5％内的数值。