CN104300360A - 一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的装置和方法。超辐射发光二极管的光源尾纤与半导体光放大器输入端相连，半导体光放大器输出端连接光纤耦合器，通过光纤耦合器光路被分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号经过光谱仪输入到信号处理模块，信号处理模块产生调整信号并将其反馈到半导体光放大器的工作参数控制端，从而对半导体光放大器的驱动电流进行控制，对超辐射发光二极管平均波长波动进行补偿，改善其波长稳定性。本发明能满足应用中对超辐射发光二极管光源波长稳定性的要求，不需要温度控制等设备，结构简单。

Description

一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的装置和方法

技术领域

本发明涉及光源信号的处理方法，尤其是涉及一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的装置和方法。

背景技术

超辐射发光二极管(SLD)是一种宽光谱、弱时间相干性、大功率、高效率的半导体光发射器件，其光学性质介于半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)之间，具有比LD更宽的发光光谱和更短的相干长度，具有比LED更高的输出功率，集宽光谱和大功率的优点于一身。

SLD宽光谱和大功率的独特优势使其在低相干测量系统中被广泛应用，主要包括干涉式光纤陀螺(IFOG)、光学相干层析技术(OCT)、光时域反射仪(OTDR)、光频域反射仪(OFDR)、白光干涉仪、分布式光纤传感等方面。SLD光源的稳定性对这些系统的精度和稳定度有较大影响。所以，控制SLD高稳定输出具有极其重要的意义。以光纤陀螺为例，光纤陀螺的精度受SLD光源的稳定性影响很大。SLD光源的平均波长与光纤陀螺的标度因数成比例关系，而标度因数直接决定了光纤陀螺的精度。

平均波长的定义如下：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left({\mathrm{\λ}}_i\right){\mathrm{\λ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}P\left({\mathrm{\λ}}_i\right)}$

其中，P(λ_i)表示波长为λ_i的光的功率密度，上式表示平均波长是波长对功率密度的加权平均。

目前使用的SLD，存在光谱稳定性较差的问题，其中心波长与温度及工作电流都有关系，平均波长随温度有约400×10^-6/K的漂移，随电流有约40×10^-6/mA的变化。因此，目前对SLD光源的驱动和控制普遍采用恒流源驱动加光反馈控制和温控的方法，即“恒流+温控”驱动方式。一方面用精密恒流源给SLD提供注入电流；另一方面控制SLD光源发光管的温度，使温度稳定在一个精确的范围内。该方式可在一定程度上改善波长的稳定性，但系统结构比较复杂。

发明内容

针对目前超辐射发光二极管光源的输出光的平均波长随温度等物理量的波动而波动的问题，本发明的目的在于提供一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的装置和方法，满足相关应用中对超辐射发光二极管的输出光波长稳定性的要求。

本发明所采用的技术方案的步骤如下：

一、一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的装置：

包括超辐射发光二极管、半导体光放大器、光纤耦合器、光谱仪和信号处理模块；超辐射发光二极管的光源尾纤与半导体光放大器输入端相连，半导体光放大器输出端连接光纤耦合器，通过光纤耦合器光路被分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号经过光谱仪输入到信号处理模块，信号处理模块产生调整信号并将其反馈到半导体光放大器的工作参数控制端，从而对半导体光放大器的驱动电流进行控制。

所述的光纤耦合器为1×2耦合器。

所述的半导体光放大器工作在线性增益区。

二、一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的方法：

A)超辐射发光二极管发出的光信号，经尾纤耦合输入到半导体光放大器中，再经光纤耦合器分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号；

B)探测光信号由光谱仪接收后经信号处理模块处理后产生调整信号，调整信号对半导体光放大器的增益谱进行反馈控制，实现对超辐射发光二极管平均波长波动的补偿。

所述的步骤B)的反馈控制中，所述输出光信号和探测光信号分光比为(100-A)：A；其中，0<A<100，信号处理模块中设置波长平衡点λ_m，具体反馈过程为：

当光谱仪接收到的探测光信号的平均波长λ_m0>λ_m时，信号处理模块产生调整信号提高半导体光放大器的驱动电流，使半导体光放大器的增益谱峰值向短波长方向移动，从而使探测光信号的平均波长λ_m0降至λ_m；

当光谱仪接收到的探测光信号的平均波长λ_m0<λ_m时，信号处理模块产生调整信号降低半导体光放大器的驱动电流，使半导体光放大器的增益谱峰值向长波长方向移动，从而使探测光信号的平均波长λ_m0提高至λ_m；

当光谱仪接收到的探测光信号的平均波长λ_m0＝λ_m时，信号处理模块对半导体光放大器的驱动电流不进行处理。

所述的输出光信号和探测光信号分光比最优为95：5。

所述的半导体光放大器工作在线性增益区。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用半导体光放大器较宽的增益带宽，通过控制系统调节半导体光放大器驱动电流使半导体光放大器增益谱峰值波长移动，实现对超辐射发光二极管光源平均波长波动的补偿，改善光源波长稳定性，以满足相关应用中对超辐射发光二极管的输出光的波长稳定性的要求。本发明装置不需要温度控制等设备，结构简单。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是半导体光放大器的增益谱示意图。

图3是半导体光放大器的增益谱与驱动电流关系示意图。

图4是实施例改善前后的超辐射发光二极管光源平均波长和对应的半导体光放大器驱动电流随时间变化的示意图。

图5是实施例改善后的超辐射发光二极管光源平均波长随时间变化的示意图。

图中：1、超辐射发光二极管，2、半导体光放大器，3、光纤耦合器，4、光谱仪，5、信号处理模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明装置采用反馈控制的方式，包括超辐射发光二极管1、半导体光放大器2、光纤耦合器3、光谱仪4和信号处理模块5；超辐射发光二极管1的光源尾纤与半导体光放大器2输入端相连，半导体光放大器2输出端连接光纤耦合器3，通过光纤耦合器3光路被分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号经过光谱仪4输入到信号处理模块5，信号处理模块5产生调整信号并将其反馈到半导体光放大器2的工作参数控制端，从而对半导体光放大器2的驱动电流进行控制，进而实现对超辐射发光二极管1的平均波长波动的补偿，改善其波长稳定性。

上述光纤耦合器为1×2耦合器。

半导体光放大器工作在线性增益区。

本发明装置的监测方法是：

A)超辐射发光二极管发出的光信号，经尾纤耦合输入到半导体光放大器中，再经光纤耦合器分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号；

B)探测光信号由光谱仪接收后经信号处理模块处理后产生调整信号，调整信号对半导体光放大器的增益谱进行反馈控制，实现对超辐射发光二极管平均波长波动的补偿。

步骤B)的反馈控制中，输出光信号和探测光信号分光比为(100-A)：A，其中，0<A<100，信号处理模块中设置波长平衡点λ_m，具体反馈过程为：

当光谱仪接收到的探测光信号的平均波长λ_m0>λ_m时，信号处理模块产生调整信号提高半导体光放大器的驱动电流，使半导体光放大器的增益谱峰值向短波长方向移动，从而使探测光信号的平均波长λ_m0降至λ_m；当光谱仪接收到的探测光信号的平均波长λ_m0<λ_m时，信号处理模块产生调整信号降低半导体光放大器的驱动电流，使半导体光放大器的增益谱峰值向长波长方向移动，从而使探测光信号的平均波长λ_m0提高至λ_m；当光谱仪接收到的探测光信号的平均波长λ_m0＝λ_m时，信号处理模块对半导体光放大器的驱动电流不进行调整。

优选的输出光信号和探测光信号分光比为95：5。

半导体光放大器工作在线性增益区。

半导体光放大器(SOA)是出现最早的光放大器，它的基本结构类似于无反馈或反馈量不足以引起振荡的半导体激光器。半导体光放大器利用半导体PN结的光电子学特性，在正偏压、强注入电流作用下，有源区半导体内的导带与价带间由于非平衡载流子的注入而形成粒子数分布反转，在入射光作用下通过受激辐射产生光增益，使输入光信号得到放大。

半导体光放大器的增益特性是它的一个重要特性。半导体光放大器通常有比较宽的增益带宽，可以用于对宽谱光的放大。如图2所示为半导体光放大器的增益谱示意图。横坐标为波长，纵坐标为增益值。半导体光放大器具有比较宽的增益谱，并且对不同波长分量的增益不同，所以可以对光源光信号的平均波长加以调整，改善光源波长稳定性。除用于超辐射发光二极管外，本发明也适用于其它半导体光源。

半导体光放大器的增益是输出光功率P_out与输入光功率P_in之比，通常也用分贝(dB)为单位来表示增益，即：

G(dB)＝10lg(P_out/P_in)

半导体光放大器的增益通常与它的结构、材料以及注入电流等工作参数有关。随着半导体光放大器注入电流的增加，其增益峰值将会向短波长方向移动。本发明利用半导体光放大器这一性质，可对宽谱光源的平均波长波动进行补偿。

如图3所示为半导体光放大器不同驱动电流对应的增益谱示意图，从下到上对应的驱动电流依次提高。横坐标为波长，纵坐标为增益值。随着半导体光放大器驱动电流的增加，其增益峰值将会向短波长方向移动。本发明利用这一性质，根据探测到的光源平均波长的波动情况调整半导体光放大器驱动电流大小，进而补偿光源平均波长的波动，改善光源波长稳定性。

本发明的实施例如下：

以典型的1310nm波段的超辐射发光二极管光源为例，应用要求光源输出光平均波长为1310nm，则波长平衡点设置为1310nm。具体实施中，输出光信号和探测光信号分光比为95:5。超辐射发光二极管光源的平均波长随时间有一定的正弦波动，则通过反馈控制所用半导体光放大器的驱动电流在130mA附近以相反趋势波动，使得半导体光放大器的增益谱峰值随之波动，补偿光源平均波长波动，最终保证输出光平均波长稳定在1310nm。

如图4所示为本实施例改善前的超辐射发光二极管光源平均波长和调整后的半导体光放大器驱动电流随时间变化的示意图。横坐标为时间，纵坐标分别为平均波长和电流值。在如图所示的时间内，超辐射发光二极管光源的平均波长随时间以正弦形式波动，通过控制半导体光放大器的驱动电流按如图所示规律变化，补偿光源平均波长波动。通过本发明控制后，如图5所示，超辐射发光二极管的平均波长基本稳定在1310nm附近。由此可见，本发明实现了对光源平均波长波动的补偿，光源的波长稳定性得到改善。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的装置，其特征在于：包括超辐射发光二极管（1）、半导体光放大器（2）、光纤耦合器（3）、光谱仪（4）和信号处理模块（5）；超辐射发光二极管（1）的光源尾纤与半导体光放大器（2）输入端相连，半导体光放大器（2）输出端连接光纤耦合器（3），通过光纤耦合器（3）光路被分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号经过光谱仪（4）输入到信号处理模块（5），信号处理模块（5）产生调整信号并将其反馈到半导体光放大器（2）的工作参数控制端，从而对半导体光放大器（2）的驱动电流进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的装置，其特征在于：所述的光纤耦合器为1×2耦合器。

3.根据权利要求1所述的一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的装置，其特征在于：所述的半导体光放大器工作在线性增益区。

4.应用于权利要求1～3任一所述装置的一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的方法，其特征在于：

A）超辐射发光二极管发出的光信号，经尾纤耦合输入到半导体光放大器中，再经光纤耦合器分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号；

B）探测光信号由光谱仪接收后经信号处理模块处理后产生调整信号，调整信号对半导体光放大器的增益谱进行反馈控制，实现对超辐射发光二极管平均波长波动的补偿。

5.根据权利要求4所述的一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的方法，其特征在于：所述的步骤B）的反馈控制中，所述输出光信号和探测光信号分光比为(100-A)：A；其中，0<A<100，信号处理模块中设置波长平衡点λ_m，具体反馈过程为：

当光谱仪接收到的探测光信号的平均波长λ_m0>λ_m时，信号处理模块产生调整信号提高半导体光放大器的驱动电流，使半导体光放大器的增益谱峰值向短波长方向移动，从而使探测光信号的平均波长λ_m0降至λ_m；

当光谱仪接收到的探测光信号的平均波长λ_m0<λ_m时，信号处理模块产生调整信号降低半导体光放大器的驱动电流，使半导体光放大器的增益谱峰值向长波长方向移动，从而使探测光信号的平均波长λ_m0提高至λ_m；

当光谱仪接收到的探测光信号的平均波长λ_m0=λ_m时，信号处理模块对半导体光放大器的驱动电流不进行处理。

6.根据权利要求4所述的一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的方法，其特征在于：所述的输出光信号和探测光信号分光比最优为95：5。

7.根据权利要求4所述的一种改善超辐射发光二极管光源波长稳定性的方法，其特征在于：所述的半导体光放大器工作在线性增益区。