用于光學封裝的多變量控制方法

專利名稱：用于光學封裝的多變量控制方法
用于光學封裝的多變量控制方法
背景技術：
發明領域本發明一般涉及半導體激光器、激光器控制器、光學封裝以及包含半導體激光器的其它光學系統。更具體地，本發明涉及用于優化光學封裝的輸出的方法，其中該光學封裝包括利用自適應光學器件光耦合到二次諧波發生(SHG)晶體或另一種類型的波長轉換器件的半導體激光器等。
背景技術：
通過將諸如紅外或近紅外分布反饋式(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(DBR) 激光器或法布里一珀羅激光器之類的單波長半導體激光器與諸如二次諧波發生(SHG)晶體之類的光波長轉換器件相組合，可形成短波長光源。典型地，SHG晶體用于產生基波激光信號的較高次諧波。為實現此目的，優選將激光發射波長調諧至波長轉換SHG晶體的光譜中心，而且激光器的輸出優選與波長轉換晶體的輸入面處的波導部分對準。諸如MgO摻雜的周期性極化鈮酸鋰(PPLN)晶體之類的典型的SHG晶體的波導光學模場直徑可以在幾微米的范圍內。結果，將來自半導體激光器的光束與SHG晶體的波導適當對準從而優化SHG晶體的輸出可能是一項困難的任務。更具體地，優化SHG晶體的輸出需要沿SHG晶體的輸入面上的兩個軸精確控制半導體激光器的光束位置。因此，必須監視和控制至少兩個變量以便定位半導體激光器的光束，使得激光器的輸出最大化。類似地，SHG晶體的相位匹配帶寬通常很窄，一般小于lnm。例如，對于12mm長PPLN 晶體，相位匹配帶寬可約為0. 16nm。如此，必須精確控制半導體激光器的波長，以優化SHG 晶體的二次諧波輸出。這可通過將熱施加到半導體激光器的波長控制部分或通過將電流注入半導體激光器的波長控制部分來實現。因此，為了使波長轉換器件的輸出效率最大化，必須控制至少三個變量。因此，需要用于包括光耦合到諸如二次諧波發生(SHG)晶體之類的波長轉換器件的半導體激光器的光學封裝的多變量控制技術。

發明內容
本發明的一個方面包括用于控制光學封裝的多變量控制方法，其中監視光學封裝的單個輸出以確定如何調節多個控制變量。具體地，多變量控制方法使用多個相位、頻率和 /或時移調制信號來優化光學封裝的輸出。光學封裝可包括半導體激光器、波長轉換器件、 配置成將半導體激光器的輸出光束光耦合到波長轉換器件的輸入面的波導部分的自適應光學器件、光學檢測器以及被編程為操作半導體激光器和自適應光學器件的至少一個可調光學部件的封裝控制器。根據本文所示和所述的一個實施例，控制光學封裝的方法可包括通過控制注入到半導體激光器的增益部分的增益電流Ism的量來控制半導體激光器的周期性激光發射強度。增益電流Iifis的周期性頻率Vfag可表示包含用于在激光投影系統中生成圖像的數據的經編碼數據信號。可向半導體激光器的波長選擇部分提供波長控制信號以控制半導體激光器的激光發射波長λ lt)可通過將位置控制信號提供給可調光學部件，這進而改變可調光學部件的位置，來將半導體激光器的輸出光束定位在波長轉換器件的輸入面上。可將經調制的波長反饋控制信號提供給波長選擇部分以調制半導體激光器的激光發射波長λ1 5經調制的波長反饋控制信號可具有頻率如此νλ = (N+1/P ) ν數據其中，N是整數，且P是大于1的整數。此外，可將經調制的位置反饋控制信號提供給可調光學部件以調制輸出光束在波長轉換器件的輸入面上的位置。經調制的位置反饋控制信號可與經調制的波長反饋控制信號異相，而經調制的位置反饋控制信號的頻率V0 可與經調制的波長反饋控制信號的頻率νλ相同。可在將經調制的信號提供給可調光學部件和半導體激光器時利用光學檢測器測量波長轉換器件的響應參數。之后，分析波長轉換器件的測得響應參數以確定歸因于經調制的波長反饋控制信號和經調制的位置控制信號的頻譜和位置分量。在分析測得的響應參數后，可分別基于測得的響應參數的頻譜分量和位置分量來調節波長控制信號和位置控制信號以優化波長轉換器件的響應參數。在本文所示和所述的另一個實施例中，控制光學封裝的方法可包括通過控制注入到半導體激光器的增益部分的增益電流I 的量來控制半導體激光器的周期性激光發射強度，其中增益電流Ii^的周期性頻率Vfdg表示經編碼的數據信號。可將第一位置控制信號提供給可調光學部件以沿第一方向控制輸出光束在波長轉換器件的輸入面上的位置。此夕卜，可將第二位置控制信號提供給可調光學部件以沿第二方向控制輸出光束在波長轉換器件的輸入面上的位置。可將第一經調制的位置反饋控制信號提供給可調光學部件以沿第一方向調制輸出光束在波長轉換器件的輸入面上的位置。第一經調制的位置反饋控制信號可具有頻率V01如此V01 = (Ν+1/Ρ)ν 數據其中，N是整數，且P是大于1的整數。可將第二經調制的位置反饋控制信號提供給可調光學部件以沿第二方向調制輸出光束在波長轉換器件的輸入面上的位置。第二經調制的位置反饋控制信號可與第一經調制的位置反饋控制信號異相。經調制的位置反饋控制信號的頻率V01可與第二經調制的位置反饋控制信號的頻率V02相同。可利用光學檢測器測量波長轉換器件的響應參數。之后，分析波長轉換器件的測得響應參數以確定歸因于第一經調制的位置反饋控制信號和第二經調制的位置反饋控制信號的位置分量。然后基于分別歸因于第一經調制的位置反饋控制信號和第二經調制的位置反饋控制信號的位置分量調節第一位置控制信號和第二位置控制信號以優化波長轉換器件的響應參數。將在以下詳細描述中闡述本發明的附加特征和優點，這些特征和優點一部分對于本領域的技術人員來說根據說明書就能弄懂，或者可通過實施包括以下詳細說明、權利要求書以及附圖的本文所述的本發明認識到。應當理解的是，以上一般描述和以下詳細描述兩者給出本發明的實施例，并且它們旨在提供用于理解所要求保護的本發明的本質和特性的概觀或框架。包括的附圖提供了對本發明的進一步的理解，且被結合在本說明書中并構成說明書的一部分。附圖示出本發明的各個實施例，并與本描述一起用于說明本發明的原理和操作。
附圖簡述

圖1是本文所示和所述的光學封裝的一個實施例的示意圖；圖2是本文所示和所述的光學封裝的一個實施例的示意圖；圖3描繪結合本文所示和所述的光學封裝的一個或多個實施例使用的半導體激光器；圖4描繪結合本文所示和所述的光學封裝的一個或多個實施例使用的波長轉換器件；以及圖5是經編碼的數據信號和經調制控制信號的頻率組成的簡化圖示。
具體實施例方式將詳細參照本發明的實施例，在附圖中示出了該實施例的示例。在可能時，將在所有附圖中使用相同的附圖標記來指示相同或類似的部件。在圖1中示出了與本文中描述的控制方法結合使用的光學封裝的一個實施例。該光學封裝一般包括半導體激光器、自適應光學器件、波長轉換器件以及封裝控制器。半導體激光器的輸出通過自適應光學器件被光耦合到波長轉換器件的輸入面中。封裝控制器電耦合到半導體激光器和自適應光學器件， 且配置成控制半導體激光器的輸出和半導體激光器與波長轉換器件的對準。本文將進一步描述光學封裝的各種部件和配置以及用于優化光學封裝的輸出的多變量控制方法。圖1和2 —般描繪本文所述光學封裝100、200的兩個實施例。應當理解實線和實箭頭指示光學封裝的各部件的電互連。這些實線和實箭頭還指示了在各部件之間傳輸的電信號，包括但不限于電子控制信號、數據信號等。此外，還應理解，虛線和虛箭頭指示分別由半導體激光器和波長轉換器件發出的紅外光束和可見光束。最初參照圖1和2，盡管在與頻率或波長轉換半導體激光源的設計和制造有關的易于獲得的技術文獻中教示了其中可包含本發明的特定實施例的概念的各種類型光學封裝的一般結構，但可一般參考包括例如光耦合到波長轉換器件120的半導體激光器110的光學封裝100、200方便地示出本發明的特定實施例的概念。由半導體激光器110發射的紅外光束119可直接耦合到波長轉換器件120的波導部分，或者可利用自適應光學器件140 耦合到波長轉換器件120的波導部分。該波長轉換器件120將紅外光束119轉換成較高次諧波，并輸出可見光束128。這種類型的光學封裝尤其可用于從較長波長的半導體激光器生成較短波長的激光束，并且可用作例如激光投影系統的可見激光源。圖3中示意性示出的半導體激光器110—般可包括波長選擇部分112、相位匹配部分114以及增益部分116。也可稱為半導體激光器110的分布式布拉格反射器或DBR部分的波長選擇部分112通常包括定位在激光腔的有源區外部的第一階或第二階布拉格光柵。 該部分提供波長選擇，因為光柵起到其反射系數取決于波長的鏡面作用。半導體激光器110 的增益部分116提供激光器的主要光增益，而相位匹配部分114在增益部分116的增益材料與波長選擇部分112的反射材料之間產生可調的光程長度或相移。波長選擇部分112可以按可采用或可不采用布拉格光柵的諸多適當可替代配置來設置。相應的控制電極113、115、117被結合在波長選擇部分112、相位匹配部分114、增益部分116或其組合之中，且在圖3中僅示意性地示出。可構想到電極113、115、117可采用各種形式。例如，控制電極113、115、117在圖3中示為相應的電極對，但可構想在部分
7112、114、116中一個或多個中的單個電極元件也將適于實踐本發明的特定實施例。控制電極113、115、117可用于將電流注入半導體激光器110的相應部分112、114、116中。例如，在一個實施例中，注入半導體激光器110的波長選擇部分112的電流可用于通過改變激光器的操作性質來控制從半導體激光器110的輸出面118發射的紅外光束119的波長λ工。所注入的電流可用于控制波長選擇部分112的溫度或波長選擇部分的折射率。因此，通過調節注入到波長選擇部分的電流量，可改變半導體激光器發射的紅外光束119的波長。注入相位匹配部分114或增益部分116的電流可類似地用于控制半導體激光器110的輸出。在圖4中示意性示出的波長轉換器件120 —般包括諸如二次諧波發生(SHG)晶體之類的非線性光學晶體。在一個實施例中，波長轉換器件120可包括MgO摻雜的周期性極化鈮酸鋰(PPL N)晶體，但可使用其它類似的非線性光學晶體。此外，應當理解，波長轉換器件可以是能將光轉換成較高次諧波的二次諧波發生(SHG)晶體或非線性光學晶體。波長轉換器件120 —般包括輸入面122和輸出面126。波長轉換器件120的波導部分124在輸入面122至輸出面128之間延伸。當波長轉換器件120是PPLN晶體時，PPLN 晶體的波導部分可具有5微米數量級的尺寸(例如，高度和寬度)。被引導到波長轉換器件120的波導部分124的紅外光束119傳播通過波長轉換器件120，在其中轉換成可見光束128，該可見光束128從波長轉換器件的輸出面126發射。在一個實施例中，由半導體激光器110產生并引導到波長轉換器件120的波導部分124中的紅外光束119具有約1060nm 的波長。在該實施例中，波長轉換器件120將紅外光束119轉換成綠光，使得可見光束128 具有約530nm的波長。現參照圖1，描繪了光學封裝100的一個實施例，其中半導體激光器110和波長轉換器件120具有基本線性的配置。更具體地，半導體激光器110的輸出和波長轉換器件120 的輸入沿單個光軸基本對準。如圖1所示，半導體激光器110發射的近紅外光119通過自適應光學器件140被耦合到波長轉換器件120的波導部分上。在圖1所示實施例中，自適應光學器件140 —般包括可調光學部件，具體是透鏡 142。透鏡142將半導體激光器110發射的近紅外光119準直并聚焦到波長轉換器件120 的波導部分上。然而，應當理解，可使用其它類型的透鏡、多個透鏡或其它光學元件。透鏡 142可耦合到執行器(未示出)以沿χ方向和y方向調節透鏡142的位置，使得透鏡142是可調光學部件。沿χ方向和y方向調節透鏡位置可有助于沿波長轉換器件120的輸入面定位紅外光束119，且更具體地是將紅外光束119定位在波長轉換器件的波導部分上，使得紅外光束119與波導部分對準且波長轉換器件120的輸出被優化。現參照圖2，示出光學封裝200的另一個實施例，其中半導體激光器110、波長轉換器件120和自適應光學器件140以折疊配置定向。更具體地，半導體激光器110的輸出和波長轉換器件120的輸入定位在基本平行的光軸上。與圖1所示實施例一樣，由半導體激光器110發射的紅外光束119利用自適應光學器件140耦合到波長轉換器件120的波導部分。然而，在該實施例中，紅外光束119必須從其初始路徑改變方向以便將紅外光束119耦合到波長轉換器件120的波導部分。因此，在該實施例中，自適應光學器件140可包括可調光學部件，具體是可調反射鏡144和透鏡142。如上所述，自適應光學器件140的透鏡142可將半導體激光器110發射的紅外光束119準直并聚焦到波長轉換器件120的波導部分。
可調反射鏡144可圍繞基本平行于圖2所示χ軸的旋轉軸旋轉并且可圍繞基本平行于y軸的旋轉軸旋轉，以將角偏差引入紅外光束119。可調反射鏡144可包括反射鏡部分和執行器部分，且可通過調節可調光學部件的執行器部分來使可調反射鏡144圍繞任一個軸旋轉。例如，在一個實施例中，可調光反射鏡144可包括一個或多個可移動微光學機電系統(MOEMS)或操作上耦合到反射鏡的微機電系統(MEMS)。MEMS或MOEMS器件可配置或布置成改變紅外光束119在波長轉換器件120的輸入面上的位置。MEMS或MOEMS器件的使用使得紅外光束119的調節能夠在大范圍上極快地完成。例如，具有a+/_l度機械偏轉的 MEMS反射鏡在與3mm焦距透鏡結合使用時可允許束斑在波長轉換器件120的輸入面上角移位+/-100 μ m。由于MEMS或MOEMS器件的快速響應時間，束斑的調節可在IOOHz至IOkHz 數量級的頻率下完成。另選地或另外地，可調光學部件可包括配置用于光束導向和/或光束聚焦的一個或多個液體透鏡部件。再者，能夠構想到可調光學部件可包括安裝到微執行器上的一個或多個反射鏡和/或透鏡。在一個構想的實施例中，可調光學部件可以是可移動或可調透鏡， 如參考圖1所述，結合固定反射鏡使用以在半導體激光器Iio和波長轉換器件120之間形成折疊光學路徑。在圖2所示的光學封裝200中，可調光反射鏡144是包含在相對緊湊、折疊路徑光學系統中的微光學機電反射鏡。在所示配置中，可調光反射鏡144被配置成折疊光路，使得光路最初穿過透鏡142以達到可調反射鏡144作為準直或近準直束，然后穿過相同的透鏡 142返回以聚焦在波長轉換器件120上。這種類型的光學配置尤其適用于波長轉換激光源， 其中由半導體激光器110產生的激光束的橫截面尺寸接近波長轉換器件120的輸入面上波導的尺寸，在這種情況下，在將束斑聚焦在波長轉換器件120的輸入面上時，接近1的放大率將得到最優耦合。為了限定和描述光學封裝200的此實施例，注意，在本文中對“準直或近準直”束的引用旨在覆蓋其中束發散度或會聚度減小的任何束配置，將束指向更準直的狀態。現在參照圖1和2，光學封裝100、200還可包括緊鄰波長轉換器件120的輸出定位的分束器180。分束器180用于將從波長轉換器件120發射的可見光的一部分改向到光學檢測器170中，該光學檢測器170用于測量所發射的可見光束1 的強度，并輸出與測得強度成比例的電信號。光學封裝100、200還可包括封裝控制器150。封裝控制器150可包括一個或多個微控制器或可編程邏輯控制器，用于存儲和執行用于操作光學封裝100、200的編程指令集。或者，微控制器或可編程邏輯控制器可直接執行指令集。封裝控制器150可電耦合至半導體激光器120、自適應光學器件140以及光學檢測器170，且被編程以操作半導體激光器110和自適應光學器件140 二者。更具體地，在一個實施例中，封裝控制器150可包括分別用于控制自適應光學器件和半導體激光器的波長選擇部分的驅動器152、154。自適應光學器件驅動器152可通過導線152、158耦合至自適應光學器件140，并分別通過導線152、158為自適應光學器件140提供χ位置和y位置控制信號。χ位置和y位置控制信號便于在χ方向和y方向上定位自適應光學器件的可調光學部件，這樣又便于將半導體激光器110的紅外光束119定位在波長轉換器件120的輸入面上。例如，當自適應光學器件140的可調光學部件是可調透鏡142時，如圖1所示，可將χ位置和y位置控制信號用于在χ方向和y方向上定位透鏡142。或者，當自適應光學器件140的可調光學部件是可調反射鏡144時，如圖2所示，可將χ位置和y位置控制信號用于使可調反射鏡144圍繞平行于χ軸的旋轉軸旋轉并圍繞平行于1軸的旋轉軸旋轉。波長選擇部分驅動器154可通過導線155耦合至半導體激光器110。波長選擇部分驅動器154可向半導體激光器110的波長選擇部分112提供波長控制信號，該波長控制信號便于調節從半導體激光器110的輸出面發射的紅外光束119的波長λ 10此外，光學檢測器170的輸出可通過導線172電 耦合至封裝控制器150的輸入，以使光學檢測器170的輸出信號被傳遞至封裝控制器150。圖1和2所示的光學封裝100、200可耦合到諸如可編程邏輯控制器之類的數據源160，其向光學封裝100、200提供經編碼的數據信號，該經編碼的數據信號可表示視頻圖像、靜止圖像等。更具體地，數據源160可經由導線162耦合到半導體激光器110的增益部分。數據源160可控制半導體激光器110的周期性激光發射強度，使得在投影時光學封裝 100,200的輸出形成圖像。為了控制半導體激光器110的周期性激光發射強度，經編碼的數據信號將增益電流Ii^注入半導體激光器110的增益部分。典型地，增益電流Iifis的周期性頻率￥_表示經編碼的數據信號的視頻圖像或靜止圖像，使得當投影由增益電流IJ^的周期性頻率Vfag調制的光學封裝的輸出時，所投影圖像是經編碼的數據信號的視頻圖像或靜止圖像。典型地，經編碼的數據信號的周期性頻率Vfag是約60Hz，其一般對應于投影圖像的視頻幀率。圖5示意性示出用于靜止圖像的經編碼數據信號的簡化頻率組成。該圖的χ 軸按照經編碼的數據信號的周期性頻率Vfag表達，而y軸描繪光學封裝的輸出的大小。經編碼的數據信號產生在經編碼的數據信號的周期性頻率Vfag下和在周期性頻率Vfag的諧波下的組成。由于圖5表示靜止圖像，所以圖像的頻率組成僅僅是DC組成(例如，該組成處于0)以及在多個周期性數據頻率例如，l*Viag、2*Viag等)下的組成。然而，在視頻圖像的情況下，另外的低頻將存在于DC與l*v數據之間的信號、l*v數據與2*v數據之間的信號
絕絕由
寸寸T。現在將具體參考圖2所示的光學封裝200討論優化光學封裝100、200的輸出的多變量控制方法。然而，應理解這種控制技術也適用于圖1所示的光學封裝100且一般適用于具有類似部件和配置的光學封裝。本文所述的多變量控制方法利用封裝控制器150來將控制信號施加到半導體激光器Iio和自適應光學器件140以便優化光學封裝200的輸出。更具體地，施加到半導體激光器110和自適應光學器件140的控制信號可利用單個調制頻率施加到半導體激光器110 和自適應光學器件140，該控制信號的頻率與數據源160提供的經編碼的數據信號的周期性頻率Vf^不同，且與數據信號的諧波的頻率也不同，以避免與經編碼的數據信號的任何干擾。在一個實施例中，如本文所述，通過向半導體激光器的增益部分提供具有周期性頻率Vfag的增益電流I j^來控制半導體激光器的周期性激光發射強度。封裝控制器150通過將波長控制信號提供給半導體110的波長選擇部分來控制半導體激光器110的激光發射波長λ 10類似地，封裝控制器150向自適應光學器件140——具體是自適應光學器件140 的可調光學部件——提供位置控制信號以將IR光束119定位在波長轉換器件120的輸入面上。為了優化光學封裝200的輸出，具體是由波長轉換器件120發射的可見光束120 的性質，封裝控制器150可用于向半導體激光器110的波長選擇部分提供經調制或抖動的波長反饋控制信號以調制或抖動半導體激光器110的激光發射波長λ 1()如上所述，為了優化波長轉換器件的輸出，半導體激光器的IR光束119的波長必須接近波長轉換器件的相位匹配帶寬。當激光發射波長不對應于波長轉換器件的相位匹配帶寬時，可見光束128的強度可能會降低。因此，通過調制半導體激光器110的激光發射波長λ工同時利用光學檢測 器170監測波長轉換器件120的輸出強度，可基于波長轉換器件的輸出強度中的波動確定特定的激光發射波長X1，從而優化波長轉換器件120的輸出強度。在一個實施例中，當輸出強度為最大值時，可優化波長轉換器件120的輸出強度。在另一個實施例中，當輸出強度達到除最大輸出強度外的預定值時，可優化波長轉換器件120的輸出強度。如上所述，選擇經調制或抖動的波長反饋控制信號的頻率，以避免與經編碼的數據信號或經編碼的數據信號的諧波的干擾。因此，在本文所述的實施例中，經調制或抖動的波長反饋控制信號的頻率是νλ = (N+1/P) ν數據其中νλ是經調制的波長反饋控制信號的頻率，N是整數且P是大于1的整數。在光學封裝200用于顯示視頻圖像的實施例中，整數N可大于0，以避免與視頻信號中可能存在的較低頻率的干擾。例如，在一個實施例中，N可以是1且P可以是2，使得經調制的波長反饋控制信號的頻率νλ是1.5*^^胃。在另一個實施例中，N可以是2且P可以是2，使得經調制的波長反饋控制信號的頻率是2. 5*VfiS。該實施例在圖5中圖示，其示出具有頻率 2. 5*v的經調制反饋控制信號的頻率組成。當向半導體激光器110的波長選擇部分提供經調制的波長反饋控制信號時，封裝控制器150可同時向自適應光學器件的可調光學部件提供經調制或經抖動的位置反饋控制信號以沿一個方向調制或抖動可調光學部件的位置，并由此調制半導體激光器的IR光束119在波長轉換器件120的輸入面上的位置。如上所述，波長轉換器件的波導部分尺寸以及波長轉換器件的模場直徑可以很小，在幾微米的數量級上。如果半導體激光器110的束119未與波長轉換器件120的波導部分對準，則波長轉換器件120的輸出強度可比輸出束與波導部分精確對準時的要小。因此，通過調制可調光學部件的位置同時測量波長轉換器件的輸出強度，在進行調制時，半導體激光器110的輸出束119可在波長轉換器件120的輸入面的表面上掃描，并且任何測得的波長轉換器件輸出強度的變化可與可調光學部件的位置關聯。利用這種技術，可將可調光學部件的位置確定為使得波長器件的輸出被優化。如本文所述，調制可調光學部件包括沿第一方向或第二方向移動可調光學部件。 例如，在一個實施例中，當可調光學部件是諸如MEMS或MOEMS反射鏡之類的可調反射鏡時， 如圖2所示，沿第一方向移動可調光學部件包括關于諸如χ軸之類的第一軸振動光學部件。 類似地，沿第二方向移動可調光學部件包括關于諸如y軸之類的第二軸振動可調光學部件。在另一個實施例中，當可調光學部件是可調透鏡時，可通過沿諸如χ軸之類的第一軸振動透鏡的位置來沿第一方向移動透鏡的位置，而且可通過沿諸如y軸之類的第二軸振動透鏡的位置來沿第二方向移動透鏡的位置。如上參考經調制的波長控制信號所述，經調制的位置反饋控制信號具有不同于數據源160的經編碼數據信號的頻率。更具體地，經調制的位置反饋控制信號的頻率V0與經調制的波長反饋控制信號的頻率相同。然而，為了便于將由經調制的位置反饋控制信號引起的波長轉換器件的輸出強度變化與由經調制的波長反饋控制信號引起的變化區別開， 可使得經調制的位置反饋控制信號與經調制的波長反饋控制信號相互異相。在一個實施例中，經調制的反饋位置控制信號與經調制的波長反饋控制信號異相90度。經調制的位置反饋控制信號有助于沿一個方向(例如，第一方向或第二方向)調制光學部件的位置。然而，為了優化波長轉換器件的輸出，可沿至少兩個方向(例如，X方向和y方向)定位可調光學部件，以便優化波長轉換器件的輸出。因此，在一個實施例中，封裝控制器150可被編程為在沿第一方向調制可調光學部件和沿第二方向調制可調光學部件之間周期性交替。例如，對于給定的時間段，可由封裝控制器施加經調制的位置反饋控制信號以使圖2所示的可調反射鏡144圍繞χ軸旋轉，從而頂光束119沿y方向在波長轉換器件的輸入面上掃描。在經過給定的時間段后，可施加經調制的位置反饋控制信號以使圖2所示的可調反射鏡144圍繞y軸旋轉，從而頂光束 119沿χ方向在波長轉換器件的輸入面上掃描。因此，通過以給定的調制或抖動頻率在對兩個不同軸施加經調制的位置反饋控制信號之間交替，經調制的位置反饋控制信號可用于沿兩個軸定位半導體激光器的輸出束119，由此關于兩個軸優化波長轉換器件120的輸出強度。或者，在另一個實施例中，封裝控制器150可被編程為在調制波長控制信號和沿第二方向調制可調光學部件之間周期性交替。當經調制的波長反饋控制信號被施加到半導體激光器110且經調制的位置反饋控制信號被施加到自適應光學器件140的可調光學部件時，可利用光學檢測器170測量波長轉換器件120的輸出強度。光學檢測器170向封裝控制器150提供指示波長轉換器件的輸出強度和輸出強度變化的電信號。因此，現在應理解波長轉換器件的輸出強度的變化既可歸因于經調制的位置反饋控制信號又可歸因于經調制的波長反饋控制信號。封裝控制器150可用于分析所測得的波長轉換器件的輸出強度，以確定和分離測得的波長轉換器件120的所輸出強度的頻譜分量(例如，由經調制的波長反饋控制信號引起的輸出強度變化)和位置分量(例如，由經調制的位置反饋控制信號的時間偏移施加引起的輸出強度變化)。基于測得的輸出強度的所確定的頻譜和位置分量，封裝控制器還可確定波長控制信號和位置控制信號的所需變化，從而優化波長轉換器件的輸出。現在更詳細地描述用于分析測得的波長轉換器件120的輸出強度以分離頻譜和位置分量并確定控制信號的所需變化的方法。在一個實施例中，在異相90度的兩個調制或抖動信號(例如，經調制的波長反饋控制信號和經調制的位置控制信號)的情況下，組合的調制信號C(t)可寫為C (t) = ε 0 · cos ( ω t) + ε λ · sin ( ω t)其中余弦項是經調制的位置反饋控制信號，正弦項是經調制的波長控制信號，且 ε 0和ε λ分別是經調制的位置反饋控制信號和經調制的波長控制信號的振幅。C(t)可重
寫寫為C(t) = M · sin(cot+a )
其中ω = 2jiV0 = 2 π νλ，且t是調制周期。M禾口 α是ε 0禾口 ε λ的函數，且可寫為
cooes]以及β = arctan( ε J ε λ).由數據源提供的包括經編碼的數據信號的任意高次諧波的經編碼的數據信號 DATA(t)可表示為傅里葉級數，如此DATA (t) = AcrHA1 · cos (2 π ν數據· ！^+B1SinO π ν 數據· t) +A2 · cos (2 π ν 數據· t)+B2Sin (2 π ν數據· t)+...因此，經調制的測得的波長轉換器件的輸出強度Sfl^ (t)可表達為組合調制信號 C(t)與經編碼的數據信號DATA(t)之和，如此

S輸出(t) = C (t) +DATA (t) = [Μ · sin (ω t+α )+DATA (t)]為了從測得的輸出強度分離位置和波長調制反饋控制信號，封裝控制器150可被編程為將測得的經調制的輸出強度(例如，Sfl^ (t))與Sin(Ot)或cos (cot)之一相乘并且在調制周期T上對該乘積積分，其中T = Ρ/ν數據。由于在頻率Viag下調制經編碼的數據信號，該操作消除了在測得的經調制輸出強度中固有的調制。取決于使用哪種乘式(例如， sin (ω t)或cos (ω t))，測得的輸出強度的頻譜分量或測得的輸出強度的位置分量之一將通過乘法/積分步驟消除。積分的結果與必須施加到相應控制信號的變化成比例，該控制信號用以針對該特定控制信號優化波長轉換器件的輸出強度。更具體地，積分結果的符號和大小將指示為了優化波長轉換器件的輸出而必須調節控制信號的方向和量。例如，當經調制的波長控制信號是余弦函數且經調制的位置反饋控制信號時正弦函數時，如上所述，可應用以下方案，以分離波長轉換器件的測得輸出強度的頻譜和位置分量。為了分離頻譜分量(例如，為了消除位置分量)，經調制的測得輸出強度3_⑴乘以 sin( t)并在經編碼的數據信號的T周期上積分，如此
TJ[M. sin(誠 + α) + ΟΑΤΑ^)]( ηω )
O其中T = Ρ/ν 0因為波長控制反饋信號和位置控制反饋信號的調制頻率(例如，ω = 2JIV0 = 23IvJ對經編碼的數據信號的頻率(例如，2 π Vfag)或其倍數，積分得到以下
τγJ[M. sin(otf + α) + ΑΤΑ{ )^\ηω ) = Μ—cos(a). ο2當經調制的波長反饋控制信號是正弦函數時，被積函數的結果與為了優化波長轉換器件的輸出而應當對施加到半導體激光器110的波長選擇部分的波長控制信號進行調節的大小和方向成比例。類似地，為了分離位置分量(例如，為了消除頻譜分量)，測得的經調制輸出強度
可乘以COS ( ω t)并在T周期上積分，如此
τj,^[M ■ sm(wt + a) + DATA(t)]. (cos ω ) = M---sin( )
ο2當經調制的位置控制信號是余弦函數時，如上所述，積分的結果得到為了優化波長轉換器件的輸出而應當對施加到可調光學部件的波長控制信號進行調節的大小和方向。盡管本文示出和描述的示例計算是用于經調制的波長控制信號是正弦函數且經調制的位置反饋控制信號是余弦函數的情況，但應理解當經調制的波長控制信號是余弦函數且經調制的位置反饋控制信號是正弦函數時，可執行類似的操作。然而，在這些情況下， 可使用不同的乘式。更具體地，為了基于具有正弦調制的控制信號分離頻譜或位置分量，測得的輸出強度應乘以Sin(Qt)然后積分，而為了基于具有余弦調制的控制信號分離頻譜或位置分量，測得的輸出強度應乘以COS(Ot)然后積分。 此外，應理解分離的位置分量可指示在任何給定時間應對可調光學部件沿兩個軸之一進行的調節。因此，封裝控制器可操作用于在進行波長轉換器件的輸出強度的測量時將調節的大小和方向與被調制的可調部件的軸相關聯。在封裝控制器已經確定并分離歸因于經調制的波長控制信號和經調制的位置反饋控制信號的測得輸出強度的頻譜和位置分量之后，封裝控制器基于測得輸出強度的分離頻譜分量調節施加到激光器的波長選擇部分的波長控制信號，從而波長轉換器件的輸出強度被優化。封裝控制器還基于測得輸出強度的分離位置分量調節施加到可調光學部件的位置控制信號，以使波長轉換器件的測得輸出強度被優化。由于施加經調制的反饋控制信號引起的波長轉換器件的輸出強度變化是波長轉換器件的平均輸出強度的一部分。因此，調節積分的大小將取決于波長轉換器件的平均輸出強度。類似地，收斂速度也取決于輸出強度。然而，期望不論波長轉換器件的輸出強度如何都具有相同的收斂速度。如此，在一個實施例中，調節積分的結果可通過將被積函數除以波長轉換器件在積分周期上的平均輸出強度來歸一化。在本文描述的多變量控制方法的另一個實施例中，封裝控制器調制同時調制χ位置和y位置控制信號(與同時調制波長控制信號和位置控制信號不同)。在該實施例中，封裝控制器150向可調光學部件提供第一經調制的反饋位置信號以調制可調光學部件在第一軸上的位置并由此沿第一方向調制輸出光束在波長轉換器件的輸入面上的位置。為了避免與經編碼的數據信號的干擾，第一經調制的反饋位置控制信號具有頻率ν 0 i，如此V01 = (N+1/P) ν數據其中V01是第一經調制的波長反饋控制信號的頻率，N是整數，且P是大于1的整數。在一個實施例中，在經編碼的數據信號是視頻信號的情況下，整數N可大于O以避免與視頻信號的低頻分量干擾。同時，封裝控制器150向可調光學部件提供第二經調制的反饋位置信號以調制可調光學部件在第二軸上的位置并由此沿第二方向調制輸出光束在波長轉換器件的輸入面上的位置。為了避免與經編碼的數據信號干擾，第二經調制的位置反饋控制信號具有與第一經調制的位置反饋控制信號的頻率V01相同的頻率v02。然而，為了便于區別由于第一經調制的位置反饋控制信號和第二經調制的位置反饋控制信號引起的輸出強度的變化，對兩個信號進行相移，使得第一經調制的位置反饋控制信號和第二經調制的位置反饋控制信號彼此異相。在一個實施例中，兩個信號彼此異相90度。如上所述，可在第一經調制的位置反饋控制信號和第二經調制的位置反饋控制信號被施加到可調光學部件時利用光學檢測器170測量波長轉換器件的輸出強度，該光學檢測器進而向封裝控制器150發送指示波長轉換器件的輸出強度變化的電信號。之后，控制器分析測得的輸出強度，并利用上述乘法/積分技術確定測得的輸出強度中分別歸因于第一經調制的位置反饋控制信號和第二經調制的位置反饋控制信號中的每一個的第一和第二位置分量。具體地，為了從波長轉換器件120的測得輸出強度分離第一位置分量和第二位置分量，使測得的輸出強度乘以sin( t)或COS(cot)，其中ω = 2πν01 = 2πν02。與 sin( t)相乘將消除第一位置分量或第二位置分量之一，而與C0S( t)相乘將消除另一個。然后在周期T上對乘積進行積分，其中T = PzViag且P是此處定義的整數。積分的結果得到為優化波長轉換器件而應施加到相應分量(例如第一位置或第二位置分量)的位置控制信號的變化的大小和方向。

基于第一和第二位置分量，封裝控制器調節施加到可調光學部件的第一位置控制信號和第二位置控制信號，使得波長轉換器件的輸出被優化。在一個實施例中，當用第一經調制的位置反饋控制信號和第二經調制的位置反饋控制信號調制可調光學部件時，經調制的波長反饋控制信號被提供給波長選擇部分以調制半導體激光器的激光發射波長λ 1。在此實施例中，經調制的波長反饋控制信號可具有如此的頻率νλ = (K+1/L)v 數據其中νλ是經調制的波長反饋控制信號的頻率，K和L是大于1的整數，且調制頻率被選擇為使得^和^充分不同足以允許分辨歸因于^和^中的每一個的測得的經調制輸出信號的部分。在一個實施例中，在經編碼的數字信號是視頻信號的情況下，整數K 可大于O以避免與視頻信號的低頻分量干擾。可利用類似于上述技術的技術分離波長轉換器件120的測得輸出強度中歸因于經調制的波長反饋控制信號的頻譜分量。更具體地，波長轉換器件120的輸出強度可乘以 sin( t)(當經調制的波長反饋控制信號是正弦函數時)或cos (cot)(當經調制的波長反饋控制信號是余弦函數時)之一，其中ω = 2πνλ且t是調制周期。之后，在全部三個調制周期(例如，l/Vfag、l/h、l/V01)的整數倍上對測得的輸出強度的頻譜分量進行積分，從而消除不想要的頻率并保留與波長控制信號的調制所引起的信號變化成比例的誤差信號。 例如，如果調制周期是ISmsUms和10ms，則適當的積分周期是180ms。積分的符號和大小指示為了使波長轉換器件的輸出被優化而應施加到波長控制信號的變化的方向和量。封裝控制器利用積分的結果來調節施加到半導體激光器的波長選擇部分的波長控制信號。在另一個實施例中，可不斷調節施加到半導體激光器的增益部分的增益電流以實現來自波長轉換器件的目標輸出強度。這種控制例程被稱為自動功率控制(APC)。當使用 APC控制例程時，半導體激光器與波長轉換器件的光學對準中的任何變化或者半導體激光器波長的變化可能不會產生波長轉換器件的輸出強度的明顯變化。相反，半導體激光器的對準和/或波長變化可導致施加到半導體激光器的增益部分的增益電流的相應變化。例如，在一個實施例中，封裝控制器可包括用于測量和調節提供給半導體激光器的增益部分的增益電流的電路。如上所述，可將經調制的波長反饋控制信號和經調制的位置控制信號提供給半導體激光器和自適應光學器件，同時因變于半導體激光器的光學對準和/或半導體激光器的波長的變化監視增益電流的變化。基于測得的增益電流變化，本文討論的控制算法可確定歸因于經調制的波長反饋控制信號和經調制的位置控制信號的增益電流變化。 之后，封裝控制器可調節提供給半導體激光器的波長控制信號和提供給自適應光學器件的位置控制信號以優化增益電流，更具體地是使提供給半導體激光器的增益部分的增益電流最小化。因此，現在應該理解本文所述控制方法可用于通過調制波長控制信號和/或位置控制信號同時測量響應參數(例如，提供給半導體激光器的增益部分的增益電流或波長轉換器件的輸出強度)來調節光學封裝的操作參數(例如，波長控制信號或自適應光學器件的對準)，并由此調節操作參數，使得響應參數最優化。現在應理解本文所述方法有助于利用施加到光學封裝的各部件的單一頻率控制信號進行的光學封裝的多變量控制。可以理解，本發明的以上詳細描述旨在提供用于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范圍的情況下對本發明作出各種修改和變化。因此，本發明旨在覆蓋本發明的修改和變化，只要這些修改和變化在所附權利要求及其等同方案的范圍之內即可。出于限定和描述本發明的目的，注意本文中對在特定數量級的值引用應理解為包含沒有從該特定數量變化一個或多個數量級的任何值。還應注意以下權利要求中的一個或多個描述控制器“被編程為”執行一個或多個所述動作。出于限定本發明的目的，注意該術語作為開放性過渡短語引入到權利要求中，并且應當以與更普遍使用的開放性前導術語 “包括”相類似的方式來解釋。此外，注意本文中對本發明的部件的陳述——諸如控制器“被編程”為按照特定方式具體化特定性質、功能——是相對于用途陳述的結構陳述。更具體地，本文對部件被“編程”的方式的引用表示該部件的現有物理狀態，因此，它應被理解為部件的結構特性的明確陳述。注意，在本文中采用類似“優選”、“常見”和“通常”之類的術語時不是旨在限制要求保護的本發明的范圍或者暗示某些特征是關鍵性的、必要的、或甚至比本發明要求保護的結構或功能更重要。相反，這些術語僅旨在突出在本發明的具體實施例中可采用或可不采用的替換或附加的特征。此外，要注意對值、參數、或變量“因變于”另一值、參數、或變量的引用不應當視為意味著該值、參數、或變量因變于一個且僅一個值、參數、或變量。為了描述和限定本發明，注意在本文中采用術語“基本上”來表示可歸因于任何數量的比較、值、測量、或其它表示的固有不確定程度。在此還使用術語“明顯”來表示例如“明顯在零之上”的定量表示不同于例如“零”的指定參考值的程度，并且應解釋為要求該定量表示以可容易辨別的量不同于所指定參考值。
權利要求
1.一種用于控制光學封裝的方法，所述光學封裝包括半導體激光器、波長轉換器件、配置成將所述半導體激光器的輸出光束光耦合到波長轉換器件的輸入面的波導部分中的自適應光學器件、光學檢測器以及被編程為操作所述半導體激光器和所述自適應光學器件的至少一個可調光學部件的封裝控制器，所述方法包括通過控制注入到所述半導體激光器的增益部分的增益電流I 的量來控制所述半導體激光器的周期性激光發射強度，其中所述增益電流Ii^具有周期性頻率V數據；向所述半導體激光器的波長選擇部分提供波長控制信號以控制所述半導體激光器的激光發射波長λ工；通過將位置控制信號提供給所述可調光學部件來將輸出光束定位在所述波長轉換器件的輸入面上；將經調制的波長反饋控制信號提供給所述波長選擇部分以調制所述半導體激光器的激光發射波長X1，其中Va = (N+1/P)v 數據其中νλ是經調制的波長反饋控制信號的頻率，N是整數，且P是大于1的整數；將經調制的位置反饋控制信號提供給所述可調光學部件以調制輸出光束在所述波長轉換器件的輸入面上的位置，其中所述經調制的位置反饋控制信號與所述經調制的波長反饋控制信號異相且所述經調制的位置反饋控制信號的頻率V0與所述經調制的波長反饋控制信號的頻率相同；測量所述波長轉換器件的響應參數；分析所述波長轉換器件的測得響應參數以確定歸因于經調制的波長反饋控制信號和經調制的位置控制信號的頻譜和位置分量；基于測得的響應參數的頻譜分量調節所述波長控制信號以優化所述波長轉換器件的響應參數；以及基于歸因于所述經調制的位置控制信號的位置分量調節位置控制信號以優化波長轉換器件的響應參數。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述響應參數是所述波長轉換器件的輸出強度。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述響應參數是注入到所述半導體激光器的增益部分的增益電流I i^。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述波長控制信號控制波長選擇部分的溫度Τλ、注入所述波長選擇部分的電流Ιλ的量或兩者。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述可調光學部件沿第一方向和第二方向可調。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述經調制的位置反饋控制信號在沿第一方向振動所述可調光學部件和沿第二方向振動所述可調光學部件之間周期性交替。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述經調制的位置反饋控制信號和所述經調制的波長反饋控制信號異相90度。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過使測得的響應參數乘以Sin(Qt)或 cos( t)之一并在調制周期T上對乘積進行積分來分離頻譜分量和位置分量，其中ω =2πνθ =2πνλ且t是調制周期，其中被積函數的結果與對波長控制信號或位置控制信號的調節的方向和大小成比例。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述自適應光學器件的可調光學部件是可調反射鏡；以及所述自適應光學器件、所述波長轉換器件和所述半導體激光器被定位成在半導體激光器的輸出和所述波長轉換器件的輸入之間限定折疊光學路徑。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述可調光學部件包括MEMS反射鏡。
11.一種控制光學封裝的方法，所述光學封裝包括半導體激光器、波長轉換器件、配置成將所述半導體激光器的輸出光束光耦合到波長轉換器件的輸入面的波導部分的自適應光學器件、光學檢測器以及被編程為操作所述半導體激光器和所述自適應光學器件的至少一個可調光學部件的封裝控制器，所述方法包括通過控制注入到所述半導體激光器的增益部分的增益電流Ism的量來控制所述半導體激光器的周期性激光發射強度，其中所述增益電流Ii^具有周期性頻率V數據；將第一位置控制信號提供給可調光學部件以沿第一方向控制輸出光束在波長轉換器件的輸入面上的位置；將第二位置控制信號提供給可調光學部件以沿第二方向控制輸出光束在波長轉換器件的輸入面上的位置；將第一經調制的位置反饋控制信號提供給可調光學部件以沿第一方向調制輸出光束在波長轉換器件的輸入面上的位置，其中Ve1 = (N+1/P)v 數據其中V01是第一經調制的波長反饋控制信號的頻率，N是整數，且P是大于1的整數； 將第二經調制的位置反饋控制信號提供給所述可調光學部件以沿第二方向調制輸出光束在所述波長轉換器件的輸入面上的位置，其中所述第二經調制的位置反饋控制信號與所述第一經調制的位置反饋控制信號異相且所述經調制的位置反饋控制信號的頻率V01與所述經調制的波長反饋控制信號的頻率V02相同； 測量所述波長轉換器件的響應參數；分析所述波長轉換器件的測得響應參數以確定歸因于第一經調制的位置反饋控制信號和第二經調制的位置反饋控制信號的位置分量；基于歸因于所述第一經調制的位置反饋控制信號的位置分量調節第一位置控制信號以優化波長轉換器件的響應參數；以及基于歸因于所述第二經調制的位置反饋控制信號的位置分量調節第二位置控制信號以優化波長轉換器件的響應參數。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述響應參數是所述波長轉換器件的輸出強度。
13.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述響應參數是注入到所述半導體激光器的增益部分的增益電流1 ^。
14.如權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括向所述半導體激光器的波長選擇部分提供波長控制信號以控制所述半導體激光器的激光發射波長λ工；將經調制的波長反饋控制信號提供給所述波長選擇部分以調制所述半導體激光器的激光發射波長X1，其中V λ = (K+1/L)V 數據其中νλ是經調制的波長反饋控制信號的頻率，K是整數，且K不等于N，且L是大于1 的整數；分析所述波長轉換器件的測得響應參數以確定歸因于經調制的波長反饋控制信號和經調制的位置控制信號的頻譜分量；以及基于測得的響應參數的頻譜分量調節所述波長控制信號以優化所述波長轉換器件的響應參數。
15.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述波長控制信號控制波長選擇部分的溫度Τλ、注入所述波長選擇部分的電流Ιλ的量或兩者。
16.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一經調制的位置反饋控制信號和所述第二經調制的位置反饋控制信號異相90度。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，通過使測得的響應參數乘以Sin(Ot)或 cos( t)之一并在調制周期T上對乘積進行積分來分離位置分量，其中ω = 2πνθ1 = 2 π V02且t是調制周期，其中被積函數的結果與對第一位置控制信號或第二位置控制信號的調節的方向和大小成比例。
18.如權利要求14所述的方法，其特征在于，通過sin(cot)或cos (cot)并在1/ν 、 1/νλ和1/ν01的整數倍上對乘積進行積分來分離頻譜分量，其中ω = 2 π νλ且t是調制周期。
19.如權利要求11所述的方法，其特征在于所述自適應光學器件的可調光學部件是可調反射鏡；以及所述自適應光學器件、所述波長轉換器件和所述半導體激光器被定位成在半導體激光器的輸出和所述波長轉換器件的輸入之間限定折疊光學路徑。
20.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述可調光學部件是MEMS反射鏡。
全文摘要
根據本發明的一個實施例，光學封裝包括利用自適應光學器件耦合到波長轉換器件的一個或多個半導體激光器。光學封裝還包括被編程為基于提供給半導體激光器的波長選擇部分和自適應光學器件的經調制反饋控制信號來操作半導體激光器和自適應光學器件的封裝控制器。可基于經調制的波長反饋控制信號來調節提供給半導體激光器的波長選擇部分的波長控制信號，使得波長轉換器件的響應參數被優化。類似地，可基于經調制的反饋位置控制信號來調節提供給自適應光學器件的位置控制信號，使得波長轉換器件的響應參數被優化。
文檔編號H01S5/0683GK102246368SQ200980151626
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月14日 優先權日2008年12月16日
發明者D·O·里基茨, D·皮庫拉, G·A·皮切, J·高里爾 申請人:康寧股份有限公司