用于波長監測的位置敏感檢測器的製作方法

2023-05-24 21:29:11 1

專利名稱：用于波長監測的位置敏感檢測器的製作方法
用于波長監測的位置敏感檢測器
相關申請的交叉參照 本申請與2007年7月20日提交的共同待審和共同受讓的題為"用于波長監測的 位置敏感檢測器(POSITION SENSITIVE DETECTORS INWAVELENGTH MONITORING)"的美國專 利申請S/N 11/880， 251相關並要求該申請的權益。

背景技術：
本發明一般涉及半導體雷射器和其它波長可調諧光源中的波長監測和控制。更具 體地，本發明使用波長敏感檢測器以便於半導體雷射器和其它波長可調諧光源中的波長監 測和控制。
發明概要 半導體雷射器可按照多種方式來配置。作為示例和為了說明而非限制目的，通過 將諸如分布反饋式(DFB)雷射器、分布式布拉格反射鏡(DBR)雷射器或法布裡一珀羅雷射 器之類的單波長半導體雷射器與諸如二次諧波產生(SHG)晶體之類的光波長轉換器件組 合，可將短波長源配置用於高速調製。SHG晶體可被配置成通過將例如1060nm DBR或DFB 雷射器調諧至能將波長轉換成530nm的SHG晶體的光譜中心而產生基本雷射信號的高次諧 波。 諸如MgO摻雜的周期性極化鈮酸鋰(PPLN)之類的SHG晶體的波長轉換效率與激 光二極體與SHG器件之間的波長匹配緊密相關。如熟悉雷射器設計的技術人員所能理解 地，DFB雷射器是利用蝕刻到半導體材料中的格柵或類似結構作為反射介質的諧振腔雷射 器。DBR雷射器是其中蝕刻光柵與半導體雷射器的電子泵浦區物理分離的雷射器。SHG晶 體利用非線性晶體的二次諧波發生性質來使雷射輻射倍頻。 本發明人已經認識到，在波長可調諧光源中使用波長轉換器件進行波長控制是重 要的，因為PPLN SHG器件的帶寬通常非常小——對於典型的PPLN SHG波長轉換器件而言， 半峰值全帶寬(FWHM)波長轉換帶寬僅處於0. 16到0. 2nm的範圍，而且主要取決於晶體的 長度。此外，本發明人已經認識到，一般而言，半導體雷射器中的波長控制是通常重要的，因 為雷射器腔中的模式跳變以及不受控制的大波長變化會導致半導體雷射器的輸出波長在 工作期間移動。在波長經轉換的光源的情況下，一旦半導體雷射器波長偏離出PPLN SHG器 件的波長轉換帶寬之外，該轉換器件在目標波長處的輸出功率就會下降。例如，在雷射投影 系統中，輸出功率的下降尤其是個問題，因為它們會產生即時變化，這些即時變化容易被視 為圖像中的特定位置處的缺陷。這些可視缺陷通常呈現為圖像上的有組織的、圖案化的圖 像缺陷，因為所產生的圖像就是雷射的不同部分的溫度演變的標誌。 在倍頻應用中，波長轉換器件的轉換效率對波長變化會非常敏感，而本發明人已 經認識到，需要監測波長以幫助補償由于波長波動引起的倍頻光的實時功率波動。通過監 測該波長，有可能檢測那些變化並補償它們。作為示例，可增大注入IR雷射器的電流以補 償轉換效率的下降。除此之外，或作為替代，如果檢測到比雷射器的自由光譜範圍更大的波 長變化，可將雷射器重置為零一段短的時間，以迫使模式選擇更接近雷射器的DBR部分所
4限定的標稱波長。 根據本發明的一個實施例，提供了一種用於監測光源的波長的系統。該系統包括 導光部分、光學矢量發生器以及一個或多個位置敏感檢測器。導光部分被配置成將光源產 生的光的至少一部分向光學矢量發生器引導作為可變波長輸入光。光學矢量發生器包括定 位於可變波長輸入光的光程中的光柵耦合波導。該光柵耦合波導被配置成響應於可變波長 輸入光而呈現反射或透射光諧振效應。該光諧振效應包括光柵耦合波導的局部輸出矢量區 響應於可變波長輸入光而產生的波長相關輸出矢量。局部輸出矢量區沿光柵耦合波導的一 維度的位置隨可變波長輸入光的波長而變化。位置敏感檢測器被定位于波長相關輸出矢 量的光程中，且被配置成便於產生指示局部輸出矢量區沿光柵耦合波導的維度的位置的信 號。 根據本發明的另一實施例，提供了光學封裝，該光學封裝包括波長可調諧半導體 雷射器、波長轉換器件以及用於監測該半導體雷射器的波長的系統。該監測系統包括導光 部分、波長相關光學矢量發生器、一個或多個位置敏感檢測器、以及控制器。該控制器被配 置成響應於位置敏感檢測器所產生的輸出矢量位置信號來調諧波長可調諧光源的波長、波 長轉換器件的轉換帶寬、或同時調諧這兩者。 雖然主要在成像的背景下描述本發明的概念，但可構想的是，本發明的多個概念 也可應用於其中光源的波長波動會成為問題的任何光源應用。
附圖簡述 本發明的特定實施例的以下詳細描述可在結合以下附圖閱讀時被最好地理解，在 附圖中相同的結構使用相同的附圖標記指示，而且在附圖中

圖1是根據本發明的一個實施例的光學封裝的示意圖，該光學封裝包括波長可調 諧半導體雷射器、波長轉換器件以及用於監測該半導體的波長的系統； 圖2是根據本發明的另一個實施例的用於監測半導體的波長的系統的示意圖；
圖3是根據本發明的又一個實施例的用於監測半導體的波長的系統的示意圖；
圖4-6是適用於本發明的特定實施例範圍的替代光學矢量發生器的示意圖。
詳細描述 先參照圖l，可參照光學封裝示出本發明的某些實施例的特定部件，該光學封裝包 括波長可調諧半導體雷射器10、波長轉換器件20、以及用於監測半導體雷射器10的波長的 系統30。 一般而言，該監測系統30包括導光部分32、光學矢量發生器34以及一個或多個 位置敏感檢測器36。 在圖1中被示意性示為分束器32A和光學透鏡32B的導光部分32被配置成引導半 導體雷射器10所產生的光的至少一部分15向光學矢量發生器34引導。半導體雷射器10 所產生的光15在此稱為可變波長輸入光，因為其波長因上述模式跳變、熱圖案成型效應等 而產生變化。為描述和定義本發明起見，注意短語"可變波長輸入光"也指波長僅從規定基 準或目標值變化、但其值不一定隨時間變化的傳播光，就像模式跳變的背景下的情況一樣。
在所示實施例中，光學矢量發生器34包括光柵耦合波導，並定位於可變波長輸入 光15的光程中，且響應於該可變波長輸入光15而呈現反射性光諧振效應。雖然適用於本 發明的多種光柵耦合波導的結構、功能以及性質可從有關該主題的文獻中收集，但應當注 意的是，光柵耦合波導僅當入射光具有一個特定入射角和一特定波長、且具有不需要與常規光譜儀通常相關聯的長光程長度的性質時一般才反射光。通常，從波長可調諧光源10至 波長轉換器件20、且包括光學矢量發生器34和位置敏感檢測器36測得的系統的光程小於 約100mm，而且可小至15mm或更小。 一般而言，導光部分32、光學矢量發生器34以及位置 敏感檢測器36對系統的總光程長度的貢獻小於約50mm，或在某些情況下小至5mm。
因此，一般而言，光柵耦合波導尤其適用於其中需要小型波長監測光源或其中光 源被包含在公共外殼中的應用，以作為可攜式單元，即個人無需機械輔助即可運輸或移動 的單元。還應注意，本發明的概念不限於特定的光學矢量發生器，或僅限於當前在本文中提 出的那些光柵耦合波導設計。 光柵耦合波導34中產生的光諧振效應包括從光柵耦合波導34的局部輸出矢量區 VA響應於可變波長輸入光15而產生的波長相關輸出矢量50。局部輸出矢量區V,沿光柵 耦合波導34的位置隨可變波長輸入光15的波長而變化。因此，可使用位置敏感檢測器36 來通過在波長相關的輸出矢量50的光程中定位檢測器36、並使用檢測器所產生的位置信 號作為波長的指示而確定可變波長輸入光15的波長。 更具體地，在圖1中所示的本發明的實施例中，導光部分32被配置成將可變波長 輸入光15向光學矢量發生器34引導作為包括多個不同的矢量分量42的弧形波前40。在 實施本發明的特定實施例時，可通過如圖l所示的發散輻照或會聚輻照來形成波前40。就 弧形波前40而言，輸入光15在光學矢量發生器34上的入射角沿光學矢量發生器34的輸 入面35的橫向維度變化。因為光學矢量發生器34是諸如光柵耦合波導之類的諧振結構， 所以光學矢量發生器34將呈現反射性光諧振作用，但該光諧振將僅在特定的入射角e AT 呈現，即對應於輸入光15的波長的角度。因此，就特定的輸入波長A而言，光諧振作用將
僅在相應的入射角e A下呈現，而不會在其它入射角例如e。下呈現。因此，輸出矢量50是
波長相關的，而且從光學矢量發生器34的局部輸出矢量區VA產生，該區的具體位置取決於 輸入光15的波長。 雖然可以通過多種方式來推導、測量、逼近或者以其它方式確定局部輸出矢量區， 但根據本發明的一個實施例，可通過在波長相關輸出矢量50的路徑中插入一個或多個位 置敏感檢測器36並使用如下逼近公式來確定輸入光15的波長 其中neff是波導的有效折射率，m是整數(正或負)，A是輸入光15的波長，A
是光柵周期，e皿是平均入射角，x是諧振的位置，以及R是入射波的曲率半徑。通過使用 位置敏感的檢測器36來產生指示波長相關輸出矢量50在位置敏感檢測器36的輸入面38 上的位置P,的信號，可確定諧振位置x。基於上述公式，任何波長變化將導致下式給定的 束移 因此，通過使用具有較大曲率半徑R的弧形波前40，可實現對小波長變化的大束 位移。 位置敏感檢測器36可包括任何常規或有待開發的檢測器，且可定義多種輸入面 38配置。作為示例而非限制，位置敏感檢測器可包括限定相應的平面輸入面38的一個或多 個光敏檢測器陣列36，這些光敏檢測器陣列被定位成接收從光學矢量發生器34處的角度
6範圍和位置範圍上產生的波長相關輸出矢量50。可變波長輸入光的入射角e A與波長入 的上述關聯可按照多種方法來執行，這些方法包括但不限於使用幾何算法、查找表等。 共同參照圖1和2，注意光學矢量發生器34可包括光柵耦合波導，且可被配置成響 應於可變波長輸入光15而呈現出如圖1所示的反射性光諧振效應，或如圖2所示的透射性 光諧振效應。在任一種情況下，光矢量發生器被配置成使反射性或透射性光諧振效應包括 波長相關輸出矢量50，該輸出矢量50可用於按照上述方式將可變波長輸入光的入射角e A 與波長A相關聯。 在圖1中所示的本發明的實施例中，光矢量發生器34包括基本均勻的空間光柵分 布，而可變波長輸入光15包括限定弧形波前40和可變傳播矢量分布的多個不同的分量矢 量42。相反，參照圖3中所示的本發明的實施例，光學矢量發生器34可替代地被配置成包 括根據光學矢量發生器34的輸入面上的位置而變化的空間光柵分布，而可變波長輸入光 15包括限定平面波前40和基本均勻的傳播矢量分布的多個不同的分量矢量42。因此，在圖 3的實施例中，沿光學矢量發生器的空間位置形成波長關聯的基礎，因為產生波長相關輸出 矢量的空間位置Pp^、Pi根據可變波長輸入光的波長而變化。 更具體地，參照圖3，導光部分被配置成將可變波長的輸入光向光矢量發生器34 引導作為基本平面的波前40，該波前40包括限定平面波前40和基本均勻的傳播矢量分布 的多個不同的分量矢量。光矢量發生器34被配置成使波長相關輸出矢量50在光矢量發生 器34的輸入面35上的特定空間位置PpPyPi處產生。位置敏感檢測器36的輸入面38上 的波長相關輸出矢量50的位置PA可與光學矢量發生器34的輸入面35上的空間位置 P2、Pi以及可變波長輸入光的波長相關聯，因為產生波長相關輸出矢量50的空間位置P"P2、 Pi是可變波長輸入光15的波長A的函數。 作為示例而非限制，圖4-6給出了適用於圖3中所示的實施例的範圍的多個光柵 耦合波導光學矢量發生器的示意圖。具體而言，通過提供以下部件，可將光學矢量發生器34 配置成包括根據光學矢量發生器34的輸入面上的位置而變化的空間光柵分布啁啾光柵， 其中光柵的周期在與光學矢量發生器34的長度交叉的Y方向上變化(參見圖4);厚度經 修改的光柵，其中通過修改光柵耦合波導沿Y方向的波導部分的厚度，向光柵結構中引入 有效折射率變化(參見圖5);或不平行光柵，其中通過沿Y方向上的光學矢量發生器的長 度引入不平行光柵線改變了光柵周期(參見圖6)。 返回圖l，本發明的特定實施例將可應用於一種光學封裝的環境，該光學封裝包括 波長可調諧的光源10和控制器60，該控制器被配置成響應於位置敏感檢測器36產生的輸 出矢量位置信號來調諧波長可調諧光源的波長。替代地或另外地，控制器60可被配置成響 應於輸出矢量位置信號調諧波長轉換器件30的轉換帶寬。雖然所示實施例示出對在波長 轉換器件30的上遊的可變波長輸入光15採樣，但還可構想的是，導光部分32可被配置成 對波長轉換器件30下遊的波長可調諧光源所產生的光的一部分採樣，其中可測量頻率經 轉換的光的波長。還可構想的是，通過檢測波長轉換器件30的輸出處的殘餘IR光，還可執 行下遊採樣。 可以理解，本發明的以上詳細描述旨在提供用於理解所要求保護的本發明的本質 和特性的概觀或框架。對本領域的技術人員顯而易見的是，可在不背離本發明的精神和範 圍的情況下對本發明作出各種修改和變化。因而，本發明旨在涵蓋本發明的所有這些修改
7和變型，只要它們落在所附權利要求書及其等價技術方案的範圍中即可。
例如，雖然在半導體雷射器的背景下描述了本發明的多個概念，但可構想的是，本 發明的特定方面將可應用於存在波長變化或誤差的多種激射或非激射光源。
為描述和限定本發明，注意本文中提到的變量是參數或另一變量的"函數"並不旨 在表示該變量僅是所列舉的參數或變量的函數。相反，本文所提到的作為所列舉的參數的 "函數"的變量旨在作為開放式的描述，以使該變量可以是單個參數或多個參數的函數。
注意，類似"優選"、"普遍"和"通常"之類的術語在本文中採用時不旨在限制要求 保護的本發明的範圍或者暗示某些特徵是關鍵性的、必要的、或甚至對要求保護的本發明 的結構或功能而言重要。相反，這些術語僅旨在突出在本發明的具體實施例中可採用或可 不採用的替換的或附加的特徵。 此外，本文中對本發明的部件按照特定方式配置或具體化特定性質或功能的陳述 是相對於用途陳述的結構陳述。例如，本文所提到的導光部分"被配置成"將光向光學矢量 發生器引導表示導光部分的現有物理條件等等將作為導光部分的結構特性的明確陳述。
為了描述和限定本發明，注意在本文中採用術語"基本上"和"約"來表示可歸因 於任何數量的比較、值、測量、或其它表示的固有不確定程度。
權利要求
一種用於監測光源的波長的系統，所述系統包括導光部分、光學矢量發生器以及一個或多個位置敏感檢測器，其中所述導光部分被配置成將光源產生的光的至少一部分向光學矢量發生器引導作為可變波長輸入光；所述光學矢量發生器包括定位於所述可變波長輸入光的光程中的光柵耦合波導；所述光柵耦合波導被配置成響應於所述可變波長輸入光而呈現反射性或透射性光諧振效應；所述光諧振效應包括從所述光柵耦合波導的局部輸出矢量區響應於可變波長輸入光而產生的波長相關輸出矢量；所述局部輸出矢量區沿所述光柵耦合波導的一維度的位置隨所述可變波長輸入光的波長而變化；以及所述位置敏感檢測器被定位于波長相關輸出矢量的所述光程中，且被配置成便於產生指示所述局部輸出矢量區沿所述光柵耦合波導的所述維度的位置的信號。
2. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述導光部分被配置成將可變波長輸入光 向所述光學矢量發生器引導作為包括可變傳播矢量分布的弧形的發散或會聚波前。
3. 如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述光柵耦合波導被配置成在所述可變波 長輸入光的所述可變傳播矢量分布中所包括的給定入射角下呈現所述反射性或透射性光 諧振效應。
4. 如權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述光學矢量發生器包括光柵耦合波導，所 述光柵耦合波導包括基本均勻的空間光柵分布。
5. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述導光部分被配置成將可變波長輸入光 向所述光學矢量發生器引導作為包括基本均勻的傳播矢量分布的基本平面的波前。
6. 如權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述光柵耦合波導被配置成在所述可變波 長輸入光的所述均勻的可變傳播矢量分布所限定的入射角下呈現所述反射性或透射性光 諧振效應。
7. 如權利要求5所述的系統，其特徵在於，所述光學矢量發生器包括光柵耦合波導，所 述光柵耦合波導包括根據沿所述波導的一維度的位置而變化的空間光柵分布。
8. 如權利要求7所述的系統，其特徵在於，所述根據沿所述波導的一維度的位置而變 化的空間光柵分布由以下部件提供啁啾光柵，其中所述光柵的周期橫跨所述光學矢量發 生器的一維度而變化；厚度經過修改的光柵，其中通過修改所述光柵耦合波導的所述波導 部分沿所述光學矢量發生器的一維度的厚度，向所述光柵結構中引入了有效折射率變化； 或不平行光柵，其中通過沿所述光學矢量發生器的一維度引入不平行光柵線而改變所述光 柵周期。
9. 如權利要求l所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括被配置成產生所述光的波 長可調諧光源，所述光的至少一部分被引導向所述光學矢量發生器；以及定位於所述光源 所產生的光的光程中的波長轉換器件。
10. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述波長可調諧光源、所述導光部分、所述 光矢量發生器以及所述位置敏感檢測器被包括在公共外殼中，以作為可攜式單元。
11. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，從所述波長可調諧光源到所述波長轉換器件、且包括所述光學矢量發生器以及所述位置敏感檢測器而測得的所述系統的光程小於約 100mm。
12. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述導光部分、所述光學矢量發生器以及 所述位置敏感檢測器對所述系統的總光程長度的貢獻小於約50mm。
13. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括被配置成產生所述光的波 長可調諧光源，所述光的至少一部分被引導向所述光學矢量發生器。
14. 如權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括控制器，所述控制器被配 置成至少部分地響應於所述位置敏感檢測器所產生的信號來調諧所述波長可調諧光源。
15. 如權利要求14所述的系統，其特徵在於，所述系統被配置成作為雷射投影系統中 包括的可見光源而工作。
16. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括定位於所述光源所產生的 光的光程中的波長轉換器件。
17. 如權利要求16所述的系統，其特徵在於，所述系統還包括控制器，所述控制器被配 置成響應於所述位置敏感檢測器所產生的信號來調諧所述波長轉換器件的轉換帶寬。
18. 如權利要求l所述的系統，其特徵在於所述系統還包括波長可調諧光源和定位於所述光源所產生的光的光程中的波長轉換 器件；以及所述導光部分被配置成將所述波長轉換器件上遊或下遊的所述波長可調諧光源所產 生的光的至少一部分向所述光學矢量發生器引導作為原始波長或頻率經轉換的輸入光。
19. 如權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述位置敏感檢測器所產生的信號從指示 所述位置敏感檢測器的輸入面上的所述波長相關輸出矢量的位置的信號得出。
20. —種波長經轉換的雷射源包括半導體雷射器、波長轉換器件、用於監測所述半導體 雷射器的激射波長的系統以及控制器，其中所述半導體雷射器包括波長可調諧的雷射器；所述波長轉換器件定位於所述半導體雷射器所產生的光的光程中； 用於監測所述半導體雷射器的激射波長的所述系統被配置成使所述波長可調諧雷射 器所產生的波長經轉換或未經轉換的光的一部分被引導向一個或多個附加光學部件，所述 一個或多個光學部件被配置成便於產生表示所述半導體雷射器的激射波長的信號；以及所述控制器被配置成至少部分地響應於所述位置敏感檢測器所產生的信號來調諧所 述波長可調諧光源或所述波長轉換器件。
全文摘要
本發明的特定實施例一般涉及倍頻和其它光學應用中的波長監測。根據本發明的一個實施例，提供了一種用於監測光源的波長的系統。該系統包括導光部分、光學矢量發生器以及一個或多個位置敏感檢測器。該光學矢量發生器包括被配置成響應於可變波長輸入光而呈現反射性或透射性光諧振效應的光柵耦合波導。該光諧振效應包括光柵耦合波導的局部輸出矢量區響應於可變波長輸入光而產生的波長相關輸出矢量。局部輸出矢量區沿光柵耦合波導的維度的位置隨可變波長輸入光的波長而變化。位置敏感檢測器被定位于波長相關輸出矢量的光程中，且被配置成便於產生指示局部輸出矢量區沿光柵耦合波導的維度的位置的信號。公開並要求保護其它實施例。
文檔編號G01J9/00GK101784873SQ200880104466
公開日2010年7月21日 申請日期2008年7月16日 優先權日2007年7月20日
發明者J·高裡爾 申請人:康寧股份有限公司