CN102829866B - 分布反馈式光纤激光器无源光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种分布反馈式光纤激光器无源光谱测量系统，它包括：锯齿波驱动，分布反馈式半导体激光器经过锯齿波电流驱动后，产生一束激光输入到光纤耦合器，光纤耦合器连接分布反馈式半导体激光器，第一光纤隔离器，第二光纤隔离器和分布反馈式光纤激光器；进入到分布反馈式光纤激光器的光被该器件反射和透射，其中反射回来的光依次经过光纤耦合器、第一光纤隔离器、第一光电探测器实现光电转换，透射光经过第三光纤隔离器输入到第三光电探测器实现光电转换。第一除法电路接收来自第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号并输出至示波器；第二除法电路接收来自第三光电探测器和第二光电探测器输出的电信号并输出至示波器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于分布反馈式光纤激光器无源精细谱观测的测量系统，该系统能够实现较高的波长分辨率，能够观测到目前光谱仪达不到的更高精度，特别是对于分布反馈式光纤激光器无源谱激光激射窗口的观测提供了有效测量途径。
背景技术
分布反馈式光纤激光器（DFB-FL）具有稳定的单模工作特性、线宽窄、相干长度长、尺寸小、易于组网、波分复用、结构稳定等特点，在光通讯、光谱学以及传感领域内具有广泛的应用和巨大发展空间。1994 年J.T.Kringlebotn 等人[1]首次报道了通过加热光栅引入相移的方法制作出了分布反馈（DFB）光纤激光器，1995 年A.Asseh[2]通过在光栅中引入了永久相移制作出了DFB 光纤激光器。近几年关于DFB-FL 的研究逐步深入和多样化[3-10]。国内上海光机所、北方交通大学、电子23 所、国防科学技术大学以及中科院北京半导体所等也相继开展了此类研究[11-17]。伴随着DFB-FL 的巨大应用潜力的发掘，如何提高DFB-FL性能已成为新的研究重点[18,19]。
DFB FL实际上是在一段掺杂光纤（掺铒或者铒镱共掺）上采用紫外曝光方法刻写一个相移光栅，根据已有的研究和报道称，当相移量为π时产生的激光激射窗口位于光栅正中间，能够形成最为理想的单纵模激光。由于现有的光谱测量技术限制，对于DFB-FL无源光谱（相移光栅光谱）的检测精度还不够高，传统上大都采用光谱分析仪来观察，目前的光谱分析仪测量精度一般不低于1pm，（日本安立MS9710C、MS9710C分辨率为20pm； 恒河光谱AQ6370分辨率可达10nm；MOI公司生产的小型光谱仪模块最高为1pm），而质量较高的DFB-FL无源光谱中产生激光的激射窗口非常窄，低于pm几个数量级，因此采用光谱仪很难观察到DFB-FL无源谱的精细结构，这就大大限制了该激光器件的发展和改进。另外，也有一些报道通过大范围连续可调激光光源实现波长扫描方式的光谱测量，但是目前现有的大范围连续可调激光光源扫描波长步长一般不低于0.01pm，产生的激光线宽较宽，因此实际的测量精度依然很难有巨大提高和突破，加上光源的造价成本也非常高，达到几十万元一台，使用非常不方便。
参考文献：
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[18] Akihito Suzuki, Youhei Takahashi, Masato Yoshida, Masataka
发明内容
本发明针对目前存在的光谱仪精度不够高的问题，以及对DFB-FL激光无源精细谱精细谱测量的需要，设计了一种基于半导体激光器波长微调技术的分布反馈式光纤激光器无源光谱测量系统，利用注入电流对DFB半导体激光器波长的连续微调原理，通过激光扫描DFB-FL实现了对DFB-FL无源光谱的高精细度测量，精度可达10-3pm量级。
一种分布反馈式光纤激光器无源光谱测量系统，它包括：
锯齿波驱动，为分布反馈式半导体激光器注入电流；
分布反馈式半导体激光器采用符合国际电联ITU标准的分布反馈式光纤激光器，其中心波长要求在被测器件中心Bragg波长附近，分布反馈式半导体激光器经过锯齿波电流驱动后，产生一束激光输入到光纤耦合器，激光的波长和强度均随时间表现为锯齿波形状；分布反馈式半导体激光器输出激光波长随注入电流大小而对应改变，当注入电流采用锯齿波波形时，其输出波长也随之发生扫描，如果输出波长围绕需要测量的分布反馈式光纤激光器（DFB-FL）中心波长，则可以扫描出DFB-FL无源光谱，包括反射光谱和透射光谱；
光纤耦合器，连接分布反馈式半导体激光器，第一光纤隔离器，、第二光纤隔离器和发布反馈式光纤激光器；分布反馈式半导体激光器发出的激光经过光纤耦合器分别进入到第二光纤隔离器和分布反馈式光纤激光器；
第二光电探测器，进入到第二光纤隔离器的光经过第二光电探测器进行光电转换形成电压信号，用于补偿消除激光器功率随时间的变化；
分布反馈式光纤激光器，进入到分布反馈式光纤激光器的光被该器件反射和透射，其中反射回来的光依次经过光纤耦合器、第一光纤隔离器、第一光电探测器1实现光电转换，透射光经过第三光纤隔离器3输入到第三光电探测器3实现光电转换。
第一除法电路，接收来自第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号并输出至示波器，用于观测DFB FL反射光谱图；
第二除法电路，接收来自第三光电探测器和第二光电探测器输出的电信号并输出至示波器，用于观测DFB FL透射光谱图；
第一除法电路和第二除法电路均通过集成电路MPY100构成，电路结构简单，稳定可靠；
示波器，接收来自第一除法电路和第二除法电路的电信号，由第一除法电路获得的信号波形为分布反馈式光纤激光器反射光谱信号，经过示波器输出；由第二除法电路获得的信号波形为分布反馈式光纤激光器透射光谱信号，经过示波器输出。
系统中采用的探测器为常见通讯用InGaAs PIN光电探测器，光纤尾纤封装，探测波长范围为0.8-1.7um。
DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。DFB激光器波长的调谐简单地说是由内置光栅决定，一般DFB会内置半导体光栅或者金属光栅，这个光栅类似谐振腔，这个腔由带不同反射率的镜面、折射率、腔长度决定。
L=mλ/2n（L腔长度，m模数，λ波长，n折射率），通过设置腔长，折射率和选择激光模数即可筛选出所要的波长。
调谐波长靠的是光栅折射率的变化实现的，Δλ=λ/n×Δn，当折射率变化的时候，DFB激光器的输出波长也随着变化，折射率的变化靠改变输入电流改变，调谐速度比较快。
DFB电流对波长的调谐系数为0.01nm/mA。
本专利设计的系统产生以下明显效果：
1，系统区别于带有一定补偿的数字离散式波长扫描方式，采用波长连续扫描方式，能够实现更高的10-3pm量级精度的光谱测量，解决了目前光谱仪分辨率不高的问题；
2，采用线宽较窄的分布反馈式半导体激光器作为扫描光源，由于其激光光谱宽度较窄，保证了测量系统具有足够高的波长分辨率；
3，采用成本较低的分布反馈式半导体激光器作为扫描光源，大大降低了系统的成本；
4，采用锯齿波微调原理，使得分布反馈式半导体激光器输出波长发生连续、可控、周期扫描的变化，实现了DFB-FL无源谱的精细测量；
5，采用光纤隔离器防止激光的反射造成的干涉等干扰信号，进一步提高了系统的信噪比；
6，采用参考光归一化处理，消除了激光功率波动引起的测量误差；除法电路是用于消除光源功率随时间的波动影响的，即为归一化信号处理，光电探测器2产生的电压信号为归一化信号，该信号与光电探测器1获取的电压信号相除，在一个扫描周期下即可获得分布反馈式光纤激光器的无源反射光谱，该信号与光电探测器3获取的电压信号相除，在一个扫描周期下即可获得分布反馈式光纤激光器透射光谱。如图2所示为示波器上观测到的反射光谱图，图3为示波器上观测到的透射光谱图。
7，采用反向光探测实现了DFB-FL反射谱的测量，同时采用前向光同步探测，实现了DFB-FL透射谱的测量，共同实现了DFB FL反射谱与透射谱的同步测量。
附图说明
图1是系统结构示意图；图2是示波器上观测到的分布反馈式光纤激光器反射谱；图3是示波器上观测到的分布反馈式光纤激光器透射谱；图4是理论上理想的DFB-FL无源反射谱；图5是本系统扫描得到的DFB-FL反射光谱；图6是采用的某DFB半导体激光器出光波长与注入电流对应关系曲线图；图7是基于MPY100的除法电路。
具体实施方式
如图1所示为系统结构图。根据图1将分布反馈式半导体激光器与驱动电路相连；分布反馈式半导体激光器发出的光经过光纤与光纤耦合器相连；光纤耦合器分成两路光，分别通过光纤与待测量的DFB-FL以及光纤隔离器2相连；光纤隔离器2、光纤隔离器2、光纤隔离器3分别与对应的光电探测器1、光电探测器2、光电探测器3通过光纤相连；光电探测器将光信号转变为电压信号，光电探测器1输出的电信号、光电探测器2输出的电信号分别通过导线与除法电路1相连，光电探测器2输出电信号作为分母，两组信号进行相除运算，获得输出的信号即为归一化后的DFB-FL无源反射谱信号；光电探测器3输出电信号、光电探测器2输出的电信号分别通过导线与除法电路2相连，光电探测器2输出电信号作为分母，两路信号进行相除运算，获得输出的信号即为归一化后的DFB-FL无源透射谱信号；除法电路1、除法电路2输出的信号均可通过示波器进行观察和记录。
系统主要由激光器驱动电路、分布反馈式半导体激光器、光纤耦合器1个，光纤隔离器3个，光电探测器3个、除法电路2块，示波器1台构成。其中，分布反馈式半导体激光器及其激光器驱动电路用于产生波长扫描的激光；激光经过光纤耦合器将激光分为两束，其中一束作为参考光用于归一化，另一束光到达需要测量的分布反馈式光纤激光（DFB-FL）进行测量；光电探测器都是用于将激光功率信号转换为电压信号；隔离器均起到隔离反射光的作用，使得各路光信号单向通过，不会反射回去对其他光信号产生干扰；由于分布反馈式半导体激光器在锯齿波电流驱动作用下，除了本系统所希望得到的波长连续扫描效果外，还会引起功率的波动，即输出功率随锯齿波的变化也产生锯齿波状功率分布，这就给实际观测DFB FL相移光栅谱带来不必要的干扰，为了消除消除这个锯齿波状的功率分布，采用了除法电路来消除功率的波动，将两路信号相除，实现归一化效果；除法电路可以采用乘除法集成电路MPY100搭建构成，电路如图7所示，输入信号为V1、V2，输出为Vo，Vo=10V2/V1；示波器用于观测获取的DFB-FL无源谱反射光谱和透射光谱，通常实验室常用示波器均可以完成，无需非常高的配置，设备易于获取，常见型号如：美国泰克的大部分型号的示波器、Fluke的大部分型号示波器、HP公司的大部分型号示波器以及国产市面上常见示波器均可。从示波器上观测到除法电路1输出的电信号如图2所示，从示波器上观测到除法电路2输出的电信号如图3所示，图2为通过该系统获取的某一DFB-FL器件的无源反射谱，图3为通过该系统获取的DFB-FL器件的无源透射谱。
如图4所示为理论上理想的DFB-FL无源反射谱，激光激射窗口位于整个光栅的正中间，而且宽度非常窄，该激射窗口直接决定了产生激光的波长，并且如果激射窗口只有一个会使得激光器很好地产生单波长激光。但是由于实际制作工艺（紫外曝光量、曝光均匀度以及外界扰动等影响），往往达不到理想情况，特别是激射窗口会发生一定的偏移和展宽。
传统上采用光谱仪由于分辨率问题是无法观察到中间缝隙的，要想很好地提高制作工艺，实现更好的激光器件的改进和生产，就特别需要对其精细的光谱进行观测。本专利设计的系统通过激光扫描方式可以解决这一问题。
如图5为本系统扫描得到的DFB-FL反射光谱可以观测到器件的激射窗口，可以计算出，该器件反射谱宽度约为0.2nm，而激射窗口位置位于中心偏右的位置，激射窗口宽度约为0.01pm。
系统中使用的分布反馈式半导体激光器为常见分布反馈式半导体激光器，一般国内厂家有中国科学院北京半导体研究所、四川腾光科技有限公司、长春海洋光电有限公司、深圳市华儒科技有限公司、北京胜广达科技有限公司、武汉英飞华科技有限公司等，国外有主要有Nanoplus、Eagleyard、NTT、Thorlabs等几家公司。其他光电器件均为通讯常用普通器件。分布反馈式半导体激光器中心波长（典型波长）要求选择在待测器件中心波长中心位置附件，分布反馈式半导体激光器线宽（激光光谱宽度）一般在100kHz左右，换算为波长表示的光谱宽度为8×10-5nm，只有扫描激光器的光谱宽度保持比实际待测DFB FL激光激射窗口窄才能够保证系统足够高的测量分辨率。
如图6所示为某一中心波长为1550.3nm的DFB半导体激光器输出波长与注入电流关系曲线图。图中可以看到，激光器阈值工作在大约18mA左右，超过18mA后激光器发光正常，并且，输出激光的波长随注入驱动电流近似线性变化，这就为该方案测量DFB-FL无源谱提高了扫描激光条件。该激光器的典型线宽Δf为200KHz（不同厂家生产的器件线宽不同，一般从100KHz-1MHz不等），根据公式：
换算成波长单位表示即为线宽Δλ为3.2×10-3pm，该激光器发出的激光光谱宽度远远低于待测器件激射窗口宽度，跟远低于光谱仪的分辨率，因此相比光谱仪而言，具有更高的分辨精度。
Claims (3)
1.一种分布反馈式光纤激光器无源光谱测量系统，它包括：
锯齿波驱动，为分布反馈式半导体激光器注入电流；
分布反馈式半导体激光器中心波长要求在被测器件中心Bragg波长附近，分布反馈式半导体激光器经过锯齿波电流驱动后，产生一束激光输入到光纤耦合器，激光的波长和强度均随时间表现为锯齿波形状；分布反馈式半导体激光器输出激光波长随注入电流大小而对应改变，当注入电流采用锯齿波波形时，其输出波长也随之发生扫描；
光纤耦合器，连接分布反馈式半导体激光器，第一光纤隔离器，第二光纤隔离器和分布反馈式光纤激光器；分布反馈式半导体激光器发出的激光经过光纤耦合器分别进入到第二光纤隔离器和分布反馈式光纤激光器；
第二光电探测器，进入到第二光纤隔离器的光经过第二光电探测器进行光电转换形成电压信号，用于补偿消除激光器功率随时间的变化；
分布反馈式光纤激光器，进入到分布反馈式光纤激光器的光被该器件反射和透射，其中反射回来的光依次经过光纤耦合器、第一光纤隔离器、第一光电探测器实现光电转换，透射光经过第三光纤隔离器输入到第三光电探测器实现光电转换；
第一除法电路，接收来自第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号并输出至示波器，用于观测分布反馈式光纤激光器反射光谱图；
第二除法电路，接收来自第三光电探测器和第二光电探测器输出的电信号并输出至示波器，用于观测分布反馈式光纤激光器透射光谱图；
示波器，接收来自第一除法电路和第二除法电路的电信号，由第一除法电路获得的信号波形为分布反馈式光纤激光器反射光谱信号，经过示波器输出；由第二除法电路获得的信号波形为分布反馈式光纤激光器透射光谱信号，经过示波器输出；分布反馈式半导体激光器内置了布拉格光栅，属于侧面发射的半导体激光器。
2.根据权利要求1所述的分布反馈式光纤激光器无源光谱测量系统，其特征是第一除法电路和第二除法电路均由集成电路MPY100构成。
3.根据权利要求1所述的分布反馈式光纤激光器无源光谱测量系统，其特征是系统中采用的探测器为通讯用InGaAs PIN光电探测器，光纤尾纤封装，探测波长范围为0.8-1.7um。
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