CN105470808A - 一种多光路输出的可调谐激光器系统 - Google Patents

一种多光路输出的可调谐激光器系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光器领域，具体涉及一种多光路输出的可调谐激光器系统，包括：可调谐激光器列阵，该可调谐激光器列阵包括若干激光器条；热电制冷器，该可调谐激光器列阵设置在热电制冷器上；光学镜组，该光学镜组至少包括设置在可调谐激光器列阵前的准直透镜，以及设置在准直透镜和光纤列阵之间的会聚透镜；光纤列阵；处理器单元，该处理器单元与可调谐激光器列阵连接，用于控制激光器条同时发射激光。本发明通过设计一种多光路输出的可调谐激光器系统，在可调谐激光器列阵中设置若干激光器条，通过准直透镜和会聚透镜的设计实现不同激光器条发射光束的同时输出，并进而对各个激光器条的发射光束进行功率分束，成倍扩展输出光束。

Description

一种多光路输出的可调谐激光器系统
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体涉及一种多光路输出的可调谐激光器系统。
背景技术
可调谐激光器是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器，这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等，特别是光通信系统，其应用越来越广泛。
相干光传输系统采用频谱效率更高的调制格式，从而提供了更高的单信道速率和通信容量。相干检测光接收机具有灵敏度高、中继距离长等优势，而接收机后端的数字信号处理可以对系统的信道损伤，如色散、偏振模色散等进行电域补偿。这些优势使得相干光传输系统在长距离得到了广泛应用。
相干光传输系统对于城域光通信市场的应用显示出更具规模的市场空间。目前市面上的相干光收发模块在性能、尺寸、功耗、成本等要素的设计考虑主要基于长距离传输，而城域光通信市场对于成本更敏感，并且对于线卡的端口密度要求更高。这就需要开发端口密度更高且成本更低的相干光收发模块。作为相干光收发模块的关键部件，低成本且具备多路输出的窄线宽可调谐激光光源便显得尤为重要。
目前的可调谐激光器通常采用单波长单路输出，，不仅系统架构成本较高，其占用空间及功耗也非常大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种多光路输出的可调谐激光器系统，便于光收发模块的集成化小型化设计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种多光路输出的可调谐激光器系统，包括：
可调谐激光器列阵，该可调谐激光器列阵包括若干激光器条，该激光器条同时发射前向激光，依次经过准直透镜和会聚透镜，并耦合到光纤列阵中；
热电制冷器，该可调谐激光器列阵设置在热电制冷器上；
光学镜组，该光学镜组至少包括设置在可调谐激光器列阵前的准直透镜，以及设置在准直透镜和光纤列阵之间的会聚透镜；
光纤列阵，包括若干与激光器条对应的光纤，各激光器条分别发射激光入射到对应的光纤中；
处理器单元，该处理器单元与可调谐激光器列阵连接，用于控制激光器条同时发射激光，且分别控制激光器条发射激光的功率和频率。
其中，较佳方案是：该任意相邻的激光器条之间设置有隔热槽。
其中，较佳方案是：还包括与处理器单元连接的波长锁定组件，该波长锁定组件设置在可调谐激光器列阵的背面，该可调谐激光器列阵发射背向激光并入射到波长锁定组件中。
其中，较佳方案是：该波长锁定组件包括第一光探测器和第二光探测器，该第一光探测器和第二光探测器之间设置第一光分束器，该第一光探测器和第一光分束器之间设置一波长标准具，该可调谐激光器列阵发射背向激光并经过第一光分束器、波长标准具入射到第一光探测器中，并检测其光功率为Pa，以及经过第一光分束器直接入射到第二光探测器中,并检测其光功率为Pb，该处理器单元根据Pa/Pb的比值锁定可调谐激光器列阵发射激光的波长。
其中，较佳方案是：该波长标准具的入射端面和出射端面分别镀有光学薄膜，该光学薄膜的反射率为10％-90％。
其中，较佳方案是：该可调谐激光器列阵包括第一激光器条和第二激光器条，其中：
该第一激光器条发射背向激光并经过第一光分束器、波长标准具入射到第一光探测器中，并检测其光功率为P11，以及经过第一光分束器直接入射到第二光探测器中,并检测其光功率为P21；
该第二激光器条发射背向激光并经过第一光分束器、波长标准具入射到第一光探测器中，并检测其光功率为P12，以及经过第一光分束器直接入射到第二光探测器中,并检测其光功率为P22；
该处理器单元根据P11/P21和P12/P22的比值分别锁定第一激光器条和第二激光器条发射激光的波长。
其中，较佳方案是：该可调谐激光器列阵包括若干与激光器条对应设置的加热条，该加热条与处理器单元连接，该处理器单元通过加热条控制激光器条的温度，实现对激光器条发射激光的频率调谐。
其中，较佳方案是：还包括设置在激光前向光路上的隔离器，该激光器条同时发射激光，依次经过准直透镜、隔离器和会聚透镜，并耦合到光纤列阵中。
其中，较佳方案是：还包括设置在激光前向光路上的第二光分束器、第一光纤列阵和与第一光纤列阵垂直设置的第二光纤列阵，该激光器条同时发射两束激光，均经过第二光分束器后分别入射到第一光纤阵列和第二光纤阵列中。
其中，较佳方案是：还包括设置在激光前向光路上的第二光分束器、第一光纤列阵、与第一光纤阵列平行设置的第二光纤阵列和与第二光分束器匹配设置的反射镜，该激光器条同时发射两束激光，均经过第二光分束器后分别入射到第一光纤阵列和反射镜中，其中入射到反射镜的光束经反射后入射到第二光纤阵列中。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计一种多光路输出的可调谐激光器系统，在可调谐激光器列阵中设置若干激光器条，通过准直透镜和会聚透镜的设计实现不同激光器条发射光束的同时输出，并进而对各个激光器条的发射光束进行功率分束，成倍扩展输出光束；本发明实现单个可调谐激光器组件的多路光同时输出，支持相干光传输用光收发模块实现更高集成度以及更小封装，降低功耗；同时，在每一激光器条上均设置有独立的温度控制装置，从而可以独立进行频率调谐，单独控制锁定，提高产品性能指标，并简化控制算法，降低产品复杂度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一种多光路输出的可调谐激光器系统的结构框图；
图2是本发明一种多光路输出的可调谐激光器系统的具体结构框图；
图3是本发明可调谐激光器系统的结构示意图；
图4是本发明基于波长锁定组件的可调谐激光器系统的结构框图；
图5是本发明波长锁定组件的结构框图；
图6是本发明基于波长锁定组件的结构示意图；
图7是本发明基于发热条和热电制冷器的可调谐激光器系统的结构框图；
图8是本发明基于发热条和热电制冷器的可调谐激光器列阵的结构示意图；
图9是本发明基于第二光分束器的可调谐激光器列阵的结构示意图；
图10是本发明基于第二光分束器和反射镜的可调谐激光器列阵的实施例一的结构示意图；
图11是本发明基于第二光分束器和反射镜的可调谐激光器列阵的实施例二的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1、图2和图3所示，本发明提供一种多光路输出的可调谐激光器系统的优选实施例。
一种多光路输出的可调谐激光器系统，包括可调谐激光器列阵10、光学镜组20和光纤列阵30，可调谐激光器列阵10包括若干激光器条11，可调谐激光器列阵10中的激光器条11同时发射激光，经过光学镜组20并入射到光纤列阵30中。
其中，可调谐激光器系统还包括一热电制冷器70，可调谐激光器列阵10设置在热电制冷器70上，使可调谐激光器列阵10实时处理规定工作温度下，保证可调谐激光器列阵10的工作稳定。
其中，光纤列阵30，包括若干与激光器条11对应的光纤301，各激光器条11分别发射激光入射到对应的光纤301中。
在本实施例中，光学镜组20至少包括设置在可调谐激光器列阵10前的准直透镜21，以及设置在准直透镜21和光纤列阵30之间的会聚透镜22，可调谐激光器列阵10中的激光器条11同时发射前向激光，依次经过准直透镜21和会聚透镜22，均入射耦合到光纤列阵30中，具体参考图3。
可调谐激光器系统还包括一处理器单元40，处理器单元40与可调谐激光器列阵10连接，处理器单元40用于控制激光器条11同时发射前向激光；以及，处理器单元40分别控制激光器条11发射激光的频率、功率等激光参数。
在本实施例中，任意相邻的激光器条11之间设置有隔热槽。其中，隔热槽的间隔为1至100微米之间，优选地，隔热槽的间隔为30微米。在可调谐激光器列阵10工作时，激光器条11同时发射激光，实现一激光器替代多个激光器使用，由于隔热槽间隔非常小，减少整个系统占用空间，特别是在光收发模块中，降低能耗，简化控制复杂度。
其中，将多束激光分开一定距离，该距离取决于激光器条的间距和透镜的焦距。
进一步地，激光器条11并排设置。
在本实施例中，可调谐激光器系统还包括设置在激光光路上的隔离器，激光器条11同时发射激光，依次经过准直透镜21、隔离器和会聚透镜22，并耦合到光纤列阵30中；隔离器用于激光单向通光，防止光的反射及散射。
在本实施例中，光纤列阵30优选为保偏光纤列阵。
其中，在本实施例中，可调谐激光器列阵10向前发射的激光为前向激光，该前向激光的激光光路为前向激光光路，或简称前向光路；可调谐激光器列阵10向后发射的激光为背向激光，该背向激光的激光光路为背向激光光路，或简称背向光路。
如图4、图5和图6所示，本发明提供波长锁定组件的较佳实施例。
可调谐激光器系统还包括与处理器单元40连接的波长锁定组件50，波长锁定组件50设置在可调谐激光器列阵10的背面，可调谐激光器列阵10发射背向激光并入射到波长锁定组件50中。其中，波长锁定组件50用于检测激光的参数信息，如激光功率，处理器单元40根据波长锁定组件50检测的激光功率，监控或控制可调谐激光器10工作。
在本实施例中，波长锁定组件50包括第一光探测器52和第二光探测器53，该第一光探测器52和第二光探测器53之间设置第一光分束器51，可调谐激光器列阵10发射背向激光并经过第一光分束器51分别入射到第一光探测器52和第二光探测器53中；同时，第一光探测器52和第一光分束器51之间设置一波长标准具54，可调谐激光器列阵10发射背向激光并经过第一光分束器51、波长标准具54入射到第一光探测器52。
处理器单元40根据第一光探测器52和第二光探测器53各自检测的功率的数值比进行锁波。具体是：该可调谐激光器列阵10发射背向激光并经过第一光分束器51、波长标准具54入射到第一光探测器中52，并检测其光功率为Pa，以及经过第一光分束器51直接入射到第二光探测器53中,并检测其光功率为Pb，该处理器单元40根据Pa/Pb的比值锁定可调谐激光器列阵10发射激光的波长，实现实时监测。
优选地，波长标准具的入射端面和出射端面分别镀有光学薄膜，该光学薄膜的反射率为10％-90％。
进一步地，并参考图6，可调谐激光器列阵10还包括第二准直透镜23、第二会聚透镜24和第三会聚透镜25，可调谐激光器列阵10发射背向激光通过第二准直透镜23、第一光分束器51、波长标准具54、第二会聚透镜24，并入射到第一光分束器51中；同时，可调谐激光器列阵10发射背向激光通过第二准直透镜23、第一光分束器51、第三会聚透镜25，并入射到第二光探测器53中。
进一步地，可调谐激光器列阵10包括第一激光器条和第二激光器条，其中：该第一激光器条发射背向激光并经过第一光分束器51、波长标准具54入射到第一光探测器52中，并检测其光功率为P11，以及经过第一光分束器51直接入射到第二光探测器53中,并检测其光功率为P21；该第二激光器条发射背向激光并经过第一光分束器51、波长标准具54入射到第一光探测器52中，并检测其光功率为P12，以及经过第一光分束器51直接入射到第二光探测器53中,并检测其光功率为P22；该处理器单元40根据P11/P21和P12/P22的比值分别锁定第一激光器条和第二激光器条发射激光的波长。
如图7和图8所示，本发明提供加热条和热电制冷器的较佳实施例。
在本实施例中，可调谐激光器列阵10包括若干与激光器条11对应设置的加热条60，加热条60与处理器单元40连接，处理器单元40通过加热条60控制激光器条11的温度，实现单独控制激光器条11发射激光的频率调谐。
处理器单元40根据用户控制信号，如切换激光通道(不同通道的激光频率不同)，通过激光器条11控制激光器条11发射的激光功率；从而将激光功率和频率分成独立变量，单独控制锁定，提高产品性能指标，并简化控制算法，降低产品复杂度。
进一步地，处理器单元40包括与热电制冷器70连接的温控电路41。
如图9、图10和图11所示，本发明提供基于第二光分束器和反射镜的可调谐激光器列阵的较佳实施例。
可调谐激光器系统包括一壳体90，可调谐激光器10、准直透镜21、会聚透镜22均设置在壳体90内，光纤列阵30设置在壳体90上。
在本实施例中，可调谐激光器系统还包括设置在激光前向光路上的第二光分束器81，光纤列阵30包括第一光纤列阵31和第二光纤列阵32，激光器条11同时发射前向激光，经过第二光分束器81分别入射到第一光纤列阵31和第二光纤列阵32中。其中，第二光分束器81设置在壳体90内。
其中，并参考图9，第一光纤列阵31和第二光纤列阵32分别设置在壳体90的两邻边上。
在本实施例中，可调谐激光器系统还包括与第二光分束器81匹配设置的反射镜82，激光器条11同时发射前向激光，依次经过第二光分束器81和反射镜82入射到第二光纤列阵32中。其中，反射镜82设置在壳体90内。
其中，并参考图10，第一光纤列阵31和第二光纤列阵32分别设置在壳体90的同边上。其中，并参考图11，第一光纤列阵31和第二光纤列阵32分别设置在壳体90的对边上。
进一步地，反射镜82和第二光纤列阵32之间设置一汇聚透镜。
在本发明中，图1、图2、图4、图5和图7中，实线箭头是指光的传播方向；虚线箭头是控制信号、数据的传输方向或结构连接。
以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (10)

1.一种多光路输出的可调谐激光器系统，其特征在于，包括：
可调谐激光器列阵，该可调谐激光器列阵包括若干激光器条，该激光器条同时发射前向激光，依次经过准直透镜和会聚透镜，并耦合到光纤列阵中；
热电制冷器，该可调谐激光器列阵设置在热电制冷器上；
光学镜组，该光学镜组至少包括设置在可调谐激光器列阵前的准直透镜，以及设置在准直透镜和光纤列阵之间的会聚透镜；
光纤列阵，包括若干与激光器条对应的光纤，各激光器条分别发射激光入射到对应的光纤中；
处理器单元，该处理器单元与可调谐激光器列阵连接，用于控制激光器条同时发射激光，且分别控制激光器条发射激光的功率和频率。
2.根据权利要求1所述的可调谐激光器系统，其特征在于：该任意相邻的激光器条之间设置有隔热槽。
3.根据权利要求1所述的可调谐激光器系统，其特征在于：还包括与处理器单元连接的波长锁定组件，该波长锁定组件设置在可调谐激光器列阵的背面，该可调谐激光器列阵发射背向激光并入射到波长锁定组件中。
4.根据权利要求3所述的可调谐激光器系统，其特征在于：该波长锁定组件包括第一光探测器和第二光探测器，该第一光探测器和第二光探测器之间设置第一光分束器，该第一光探测器和第一光分束器之间设置一波长标准具，该可调谐激光器列阵发射背向激光并经过第一光分束器、波长标准具入射到第一光探测器中，并检测其光功率为Pa，以及经过第一光分束器直接入射到第二光探测器中,并检测其光功率为Pb，该处理器单元根据Pa/Pb的比值锁定可调谐激光器列阵发射激光的波长。
5.根据权利要求4所述的可调谐激光器系统，其特征在于：该波长标准具的入射端面和出射端面分别镀有光学薄膜，该光学薄膜的反射率为10％-90％。
6.根据权利要求4或5所述的可调谐激光器系统，其特征在于，该可调谐激光器列阵包括第一激光器条和第二激光器条，其中：
该第一激光器条发射背向激光并经过第一光分束器、波长标准具入射到第一光探测器中，并检测其光功率为P11，以及经过第一光分束器直接入射到第二光探测器中,并检测其光功率为P21；
该第二激光器条发射背向激光并经过第一光分束器、波长标准具入射到第一光探测器中，并检测其光功率为P12，以及经过第一光分束器直接入射到第二光探测器中,并检测其光功率为P22；
该处理器单元根据P11/P21和P12/P22的比值分别锁定第一激光器条和第二激光器条发射激光的波长。
7.根据权利要求1所述的可调谐激光器系统，其特征在于：该可调谐激光器列阵包括若干与激光器条对应设置的加热条，该加热条与处理器单元连接，该处理器单元通过加热条控制激光器条的温度，实现对激光器条发射激光的频率调谐。
8.根据权利要求1所述的可调谐激光器系统，其特征在于：还包括设置在激光前向光路上的隔离器，该激光器条同时发射激光，依次经过准直透镜、隔离器和会聚透镜，并耦合到光纤列阵中。
9.根据权利要求1所述的可调谐激光器系统，其特征在于：还包括设置在激光前向光路上的第二光分束器、第一光纤列阵和与第一光纤列阵垂直设置的第二光纤列阵，该激光器条同时发射两束激光，均经过第二光分束器后分别入射到第一光纤阵列和第二光纤阵列中。
10.根据权利要求1所述的可调谐激光器系统，其特征在于：还包括设置在激光前向光路上的第二光分束器、第一光纤列阵、与第一光纤阵列平行设置的第二光纤阵列和与第二光分束器匹配设置的反射镜，该激光器条同时发射两束激光，均经过第二光分束器后分别入射到第一光纤阵列和反射镜中，其中入射到反射镜的光束经反射后入射到第二光纤阵列中。
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