CN104934852B - 激光器降噪设备及采用该设备降噪的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光器降噪设备及采用该设备降噪的方法。该设备包括：一个激光器，两个耦合器，一个波分复用器(WDM)，多根光纤，一个光纤延迟线，一个光电探测器(PD)，一个高通滤波器，一个低通滤波器，一个检波器，一块模数转换芯片(ADC)，一块主控芯片(MCU)，一块数模转换芯片(DAC)。该方法有效的抑制了激光器因电流不稳定而产生的噪声问题，提高了激光器的稳定性，高通滤波器、低通滤波器、检波器以及ADC、DAC、MCU芯片都可以集成在一块电路板上，小巧方便，有利于激光器内部集成此方法所需的各器件，方便稳定且无特殊工作环境要求。本激光器降噪声方法适用于所有因电流不稳定而产生的噪声问题。

Description

激光器降噪设备及采用该设备降噪的方法

技术领域

本发明属于高速激光器领域，尤其是涉及一种激光器降噪设备及采用该设备降噪的方法。

背景技术

随着半导体激光器应用领域的扩大，半导体激光器的研究和开发以突飞猛进的速度发展。目前，半导体激光器已广泛的应用于光纤通信、光盘、激光打印、信息存储、医疗、测量、泵浦固体激光器、集成光学等领域，在高新技术领域中起到越来越重要的作用。因此低噪声对于激光器，尤其是在高新技术方面尤为重要。半导体激光器噪声包括光噪声和电噪声，其中光噪声包括相位噪声和强度噪声，电噪声包括热噪声、散弹噪声、1/f噪声和g-r噪声等。由于驱动芯片的供电电流不稳定而引起的噪声是激光器主要噪声源之一，而目前国际上对于这部分噪声暂无成熟的处理方案。

本发明设计了一种激光器降噪声方法，其主要原理是通过对噪声的采样识别和处理，来补偿激光器驱动芯片的电流波动，以达到稳定恒流源电流输出，降低激光器噪声的作用。

本发明提出了用耦合器、光纤延迟线和WDM波分复用器构成的激光器探测模块，用PD光电探测器将探测到的光信号转换成电信号，经过高通滤波器、低通滤波器、检波器组成的电检测模块，最后由ADC、MCU和DAC组成的识别处理模块将噪声信号转换成对激光器驱动电流波动的补偿电流，进而构成反馈控制电路。本发明提出的方法有效的降低了激光器驱动电流源的波动，进而有效的降低了因电流波动而引起的噪声。

发明内容

本发明旨在提供一种激光器降噪声方法，以解决半导体激光器因驱动电流源的波动而引起的噪声问题，促使激光器的激光输出更加稳定。

为了达到上述目的，本发明提供了一种激光器降噪声方法，该方法所需设备及器件包括：一个激光器，两个耦合器，一个波分复用器(WDM)，多根光纤，一个光纤延迟线，一个光电探测器(PD)，一个高通滤波器，一个低通滤波器，一个检波器，一块模数转换芯片(ADC)，一块主控芯片MCU，一块数模转换芯片(DAC)。

其中，在激光器输出端将取样激光于解复用器相连接，形成光纤通路。

其中，激光经过解复用器分成两束相位、光强完全相同的光束，并将其中一束光接入光纤延迟线中，使其相位迟滞。

其中，两束激光经光纤和光纤延迟线后接入WDM后合并成一束激光输出。

其中，合成后的激光经过PD后，被转换成电信号输出。

其中，被转化成的电信号中，带有噪声信号，经过高通滤波器后，将激光器的主要工作信号滤掉，剩下的噪声信号经高通滤波器输出端输出。

其中，信号进入低通滤波器，放大后被检波器检测到。

其中，检测到的信号，经过ADC转换成数字信号，将数字信号输入到MCU中，进行识别处理和控制。

其中，处理后的数字信号经过DAC转换成模拟信号输入到激光器两端，对激光器控制电流进行补偿，由此形成整个控制反馈环路。

本发明提供了一种激光器降噪声方法，其连接步骤包括：

①激光器输出端耦合取样，再连接至耦合器；

②耦合器输出端输出两束激光，一束激光直接接入波分复用器输入的一端，另一束激光经过光纤延迟线，接入波分复用器输入的另一端；

③经波分复用器输出端输出光束，将输出光束连接入PD探测器中；

④经PD探测器输出的电信号连接入高通滤波器；

⑤经高通滤波器后的信号连接入低通滤波器；

⑥经低通滤波器输出的信号，连接入检波器；

⑦检波器检测到的波形信号连接入ADC；

⑧ADC输出的数字信号进入MCU中；

⑨MCU将数字信号传入DAC中；

⑩DAC输出的模拟信号进入激光器两端，对激光器内部驱动电流进行补偿。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提供了一种激光器降噪声方法，从技术上解决了因激光器内部驱动电流不稳定而造成的噪声，该方法原理简单易懂，电学芯片方面可根据不同的激光器以及不同的激光波长等指标来设计以达到最佳的降噪声效果。因此，此激光器降噪声方法适用于几乎所有带有驱动电路的激光器。

2)本发明提供了一种激光器降噪声方法，设计简单，电学部分可集成到一块电路板上，搭配耦合器等光学设备，可制作集成为一块体积较小的仪器，小巧方便，易于携带使用，且成本低廉。

3)本发明提供了一种激光器降噪声方法，能有效的降低激光器噪声。例如，当激光器驱动电流震荡，在某一时刻驱动电流高出前一时段电流，则激光经过延迟线后，在WDM波分复用器输入端有两种非同步信号，这两种非同步信号在PD光电探测器中被转换成电信号，经过低通滤波器衰减后，两信号幅度差更大，再进入MCU处理，此时MCU中央处理器会对DAC芯片的寄存器进行修改，微调寄存器的值，从而削弱一部分驱动电流，以达到补偿稳定电流的作用。反之，当激光器驱动电流低于前段电流时，其工作原理是一样的。因为补偿电路仅仅是对驱动电流震荡进行补偿，而非控制驱动芯片的电流输出，不受限于驱动电路的频率，因此ADC、MCU、DAC可以工作在频率是GHz以上，大大提高了补偿电路的精确性和及时性。能达到非常稳定的电流输出，由此大大降低了由电流不稳定而造成的噪声。

4)本发明提供了一种激光器降噪声方法，其通过加载到激光器两端，对激光器电流进行补偿，因此不受激光器的限制，应用广泛。其方法的实现方便简单，工作线路稳定且无特殊工作环境要求，对于大功率或中小功率激光器的噪声抑制均有良好的效果。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，其中：

图1是本发明中激光器降噪声方法实现原理图；

图2是本发明中激光信号分别经光纤延迟线和普通光纤后两非同步信号在时域上的效果图；

图3是本发明中高通滤波器和低通滤波器截止频率示意图。

其中：选择合适的低通滤波器，使噪声信号处于图3中的bc段。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供了一种激光器降噪声方法，它实现的原理图中，包含：一个激光器，两个耦合器，一个波分复用器，多根光纤，一个光纤延迟线，一个探测器(PD)，一个高通滤波器，一个低通滤波器，一个检波器，一块模数转换芯片(ADC)，一块主控芯片(MCU)，一块数模转换芯片(DAC)。其中：应将激光器输出端的激光信号耦合取样，再将取样信号连接至耦合器；在耦合器输出端输出两束激光，一束激光直接接入波分复用器输入的一端，另一束激光经过光纤延迟线，接入波分复用器输入的另一端，这样便形成了两路非同步信号，一路是正常信号，一路是延迟后的信号，以达到拍频的效果(请参阅图2所示)；经波分复用器输出端输出光束，将输出光束连接入PD探测器中；光信号经PD转换成电信号并输出，再将电信号连接入高通滤波器；经高通滤波器后的信号连接入低通滤波器；经低通滤波器，两噪声信号的幅值差进一步拉大，再将输出的信号连接入检波器；检波器检测到的波形信号连接入ADC；ADC输出的数字信号进入MCU中；MCU根据输入的两噪声数字信号，进行对比，以确定是输出增强补偿电流信号还是减弱补偿电流信号，将这样的数字控制信号传入DAC中；DAC输出MCU控制信号的模拟信号进入激光器两端，以实际控制激光器两端的补偿电流，达到对激光器内部驱动电流进行补偿的目的。

上述方案，所述的一种激光器降噪声方法，其中高通滤波器的截止频率和低通滤波器的截止频率选择请参阅图3所示，使低通滤波器的截止频率b点逼近高通滤波器截止频率的a点，并选择合适的低通滤波器，使其衰减曲线平缓，以保证噪声电信号处于低通滤波器的衰减曲线bc段。这样，两噪声信号的幅值差经过低通滤波器后得到进一步的放大，以方便检波器的检测，提高对电流补偿的精确度。

上述方案，所述的一种激光器降噪声方法，其中光纤延迟线的选择应确保在激光器波长范围内，延迟时间Δt远小于四分之一个周期，如20MHz频率的激光器，其光纤延迟线延迟的时间Δt时间应在1ns左右。在这样的情况下才能保证对噪声的精确监测。

上述方案，ADC、DAC和MCU主频率的选择应达到GHz以上，以保证对激光器电流的瞬时补偿。其他设备或器件的选择都应根据激光器波长、光强等做出适当的取舍。

上述方案，使用光学仪器对噪声信号进行精确监控和放大，再经过滤波器进一步分离放大，最后将噪声信号输入到主频率很高的控制器中，实现对激光器电流的瞬时补偿，直到激光器电流趋于恒定，电流引起的噪声信号小到可以忽略，达到大大降低激光器因电流不稳定而引起的噪声信号的目的。

以上所述的具体实施方法对于本发明的目的、技术方案和技术效果进行了进一步详细的说明，所应理解的是，以上所叙述的仅对于本发明的具体实施方法而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光器降噪设备，包括一个激光器，两个耦合器，一个波分复用器，多根光纤，一个光纤延迟线，一个探测器，一个高通滤波器，一个低通滤波器，一个检波器，一块模数转换芯片，一块主控芯片，一块数模转换芯片，其连接关系为：

①激光器输出端耦合取样，再连接至耦合器；

②耦合器输出端输出两束激光，一束激光直接接入波分复用器输入的一端，另一束激光经过光纤延迟线，接入波分复用器输入的另一端；

③经波分复用器输出端输出光束，将输出光束连接入探测器中；

④经探测器输出的电信号连接入高通滤波器；

⑤经高通滤波器后的信号连接入低通滤波器；

⑥经低通滤波器输出的信号，连接入检波器；

⑦检波器检测到的波形信号连接入模数转换芯片；

⑧模数转换芯片输出的数字信号进入主控处理器中；

⑨主控处理器将数字信号传入数模转换芯片中；

⑩数模转换芯片输出的模拟信号进入激光器两端，对激光器内部驱动电流进行补偿。

2.采用权利要求1所述的激光器降噪设备降低噪声的方法，包括如下步骤：

激光经过耦合器分成两束相位、光强完全相同的光束，并将其中一束光接入光纤延迟线中，使其相位迟滞；

两束激光经光纤和光纤延迟线后接入波分复用器后合并成一束激光输出；

合成后的激光经过光电探测器后，被转换成电信号输出；

被转化成的电信号中，带有噪声信号，经过高通滤波器后，将激光器的主要工作信号滤掉，剩下的噪声信号经高通滤波器输出端输出；

信号进入低通滤波器，放大后被检波器检测到；

检测到的信号，经过模数转换芯片转换成数字信号，将数字信号输入到主控芯片中，进行识别处理和控制；

处理后的数字信号经过数模转换芯片转换成模拟信号输入到激光器两端，对激光器内部驱动电流波动进行补偿，以达到稳定电流驱动的目的，由此形成整个控制反馈环路。

3.如权利要求2所述的降低噪声的方法，其中连接各光学器件的光纤为石英光纤或掺氟光纤。

4.如权利要求2所述的降低噪声的方法，其中模数转换芯片、数模转换芯片和主控芯片主频率的选择应达到GHz以上。

5.如权利要求2所述的降低噪声的方法，其中主控处理芯片为arm系列芯片或FPGA系列芯片。