CN106953232B - 一种双波长可调谐激光器、系统及其实现快速调频的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器技术领域，具体公开了一种双波长可调谐激光器、系统及其实现快速调频的方法，该双波长可调谐激光器包括激光器阵列、对激光器阵列进行温度控制的半导体制冷器、设于激光器阵列之后的光学系统、频率监控系统，及一双输出尾纤；所述激光器阵列包括有两个DFB可调谐激光器条，双输出尾纤包括两根与激光器条对应的光纤；工作时，两个激光器条同时注入电流发出前向激光，激光经过光学系统分别耦合到频率监控系统和双输出尾纤，通过双输出尾纤同时输出两个波长激光。本发明便于相干光通信系统的小型化设计和降低系统成本，且可以实现双波长激光器两路输出的快速频率切换，减少通信系统响应时间。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种可调谐激光器、系统及利用其实现快速调频的方法。
背景技术
可调谐激光器是一种可以在一定范围内连续改变激光输出波长的激光器，其被广泛应用于光通信和信息处理、光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工等领域。与其他传统的固定波长激光器相比，可调谐激光器具有宽波段调谐范围，并且其本身尺寸小、线宽窄和光学效率高，因此具有重要的应用前景。
随着光通信技术的不断发展，密集波分复用(DWDM)系统的研制以及实用化已经获得了迅速的提升。相干光通信是目前提升DWDM系统通信容量的一种重要手段。相干光通信，在发射端对光载波同时进行振幅和相位调制，在接收端采用外差或零差检测。相干光通信系3统可以大幅提高接收端灵敏度，延长中继距离，其可以充分利用光纤的传输带宽，实现超高容量的信息传输，并且在接收端可以使用电子学的均衡技术来补偿光纤中光脉冲的色散效应，具有极大的发展优势。
目前，云计算、云存储和大数据中心的快速发展，推动了城域网带宽需求的急速增长。相干光通信系统在城域网光通信市场带宽扩展方面展现了自己极大的应用前景，催生了更大的市场需求。相干光通信系统对激光器性能要求较高，而分布反馈式(DFB)激光器由于其独特的结构具有波长可调谐、窄线宽、高边模抑制比、高频率稳定性等特性，其在相干光通信系统中具有很大的优势。
相干光通信系统多为多路信号传输，信号光和本振光需要多个激光器。现阶段激光器多为单路输出，由于激光器造价昂贵，并且单个激光器需要占用一定空间，对城域网组建的成本和占用空间都产生一定不良影响，影响了相干光传输系统在城域网中的应用前景。并且，现阶段可调谐激光器调频多为机械式和TEC调温式，造成了调频时间过长，增加了相干通信系统的响应时间。因此，设计一种双波长同时输出，且具有快速调频功能的可调谐激光器是非常有意义的。
发明内容
本发明的一目的在于，提出一种双波长可调谐激光器及其系统，以便于相干光通信系统的小型化设计和降低系统成本；
本发明的另一目的在于，提供一种双波长可调谐激光器，以便于双波长激光器两路输出的快速频率切换，减少通信系统响应时间。
为实现上述目的，本发明提供了一种双波长可调谐激光器，其包括：激光器阵列、对激光器阵列进行温度控制的半导体制冷器、设于激光器阵列之后的光学系统、频率监控系统，及一双输出尾纤；所述激光器阵列包括有两个DFB可调谐激光器条，双输出尾纤包括两根与激光器条对应的光纤；工作时，两个激光器条同时注入电流发出前向激光，激光经过光学系统分别耦合到频率监控系统和双输出尾纤，通过双输出尾纤同时输出两个波长激光。
其中，所述激光器阵列固设于半导体制冷器上表面，两个激光器条置于一基座上。
具体的，所述两个激光器条平行放置，且两者中心间距约为50um-100um。
再者，所述光学系统内至少包括两个透镜、两个分束镜、一光学隔离器及一滤光片；所述两个透镜包括设置在激光器阵列后的准直透镜，以及设置在双输出尾纤前的会聚透镜；两个分束镜包括用于分离频率监控光和输出光的第一分束镜，以及分离频率监控光进入两个PD的第二分束镜。
此外，所述频率监控系统内包括两个PD及一光学标准具，用于监控光波频率漂移程度。
进一步地，本发明还提供一种双波长可调谐激光器系统，其包括一控制器单元及双波长可调谐激光器，所述控制器单元同时与激光器阵列、半导体致冷器及频率监控系统相连接；该控制器单元通过激光器阵列分别控制两个激光器条的电流，从而控制双波长可调谐激光器的频率和功率输出，通过半导体致冷器，保证双波长可调谐激光器处于稳定的工作温度，通过频率监控系统，实现双波长可调谐激光器的输出频率稳定性监控。
更进一步地，本发明还提供一种利用双波长可调谐激光器系统实现快速调频的方法，其包括如下步骤：
步骤S101、通过控制器单元设置半导体致冷器的温度，使双波长可调谐激光器处于稳定的工作温度；
步骤S201、将两个激光器条的电流I1、I2在一区间范围内等间隔递增，在增加电流的同时读取两个激光器条的频率F1、F2，该F1、F2均为关于I1、I2的二元二次曲面；
步骤S301、分别用曲面最小二乘拟合方法拟合F1关于I1、I2的关系式，F2关于I1、I2的关系式；
步骤S401、列出目标频率F1o、F2o的数值，由上一步骤拟合出的F1、F2关于I1、I2的二元二次方程组，计算出目标频率F1o、F2o同时对应的两个激光器条目标电流I1o、I2o；
步骤S501、将目标频率对应的目标电流数据表写入控制器单元和控制逻辑，从外部控制面板输入目标频率值，控制逻辑即可通过快速设置两个激光器条目标电流值的方式快速调频。
具体的，在所述步骤S101中，通过控制器单元设置半导体致冷器的温度为40℃-60℃。
在所述步骤S201中，可以将两个激光器条的电流I1、I2分别从300mA等间隔递增至400mA，递增间隔为5mA；在增加两个激光器条电流的同时读取两个激光器条的频率F1、F2，采集两组21*21个频率点数据。
本发明双波长可调谐激光器、系统及其实现快速调频的方法，其通过集成DFB可调谐激光器阵列和双输出尾纤的共同作用，使一个可调谐激光器同时输出两个波长激光，便于通信系统的小型化设计和系统成本的降低；再者，其通过内设频率监控系统保证了输出光波频率的稳定性；此外，其通过曲面最小二乘拟合方法对两个激光器条的频率和电流关系进行拟合，得到目标频率对应的目标电流值，通过内部控制器单元和控制逻辑的控制，达到快速调频的目的，相比于现阶段可调谐激光器机械式和TEC调温式调频方法，大大降低了可调谐激光器的调频时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中双波长可调谐激光器一种具体实施例的模块结构示意图；
图2为本发明中双波长可调谐激光器内部的结构示意图；
图3为本发明中激光器阵列的结构示意图；
图4为本发明中双波长可调谐激光器系统一种具体实施例的模块结构示意图；
图5为本发明利用双波长可调谐激光器系统实现快速调频的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，本发明提供一种双波长可调谐激光器，其包括：激光器阵列10、对激光器阵列10进行温度控制的半导体制冷器20、设于激光器阵列10之后的光学系统30、频率监控系统40，及一双输出尾纤50；所述激光器阵列10包括有两个DFB可调谐激光器条101、102，双输出尾纤50包括两根与激光器条对应的光纤；工作时，两个激光器条101、102同时注入电流发出前向激光，激光经过光学系统30分别耦合到频率监控系统40和双输出尾纤50，通过双输出尾纤50同时输出两个波长激光，相对于单波长输出可调谐激光器而言，便于通信系统的小型化设计和系统成本的降低。
在本发明具体实施例中，所述激光器阵列10可以固设于半导体制冷器20上表面，两个激光器条101、102置于一基座103上(图3所示)，由半导体致冷器20控制激光器阵列10的温度，实现激光器阵列10处于稳定工作温度状态。作为本发明的一种可选择性实施例，所述两个激光器条101、102可以平行放置，且两者中心间距约为50um-100um，优选地，两个激光器条101、102之间的中心间距为50um。
本发明中，所述光学系统30内至少包括两个透镜、两个分束镜、一光学隔离器302及一滤光片305。具体的，所述两个透镜包括设置在激光器阵列10后的准直透镜301，以及设置在双输出尾纤50前的会聚透镜304；两个分束镜包括用于分离频率监控光和输出光的第一分束镜303，以及分离频率监控光进入两个PD的第二分束镜306。在z轴方向(第一方向)上，所述准直透镜301位于激光器阵列10之后，所述光学隔离器302位于准直透镜301和第一分束镜303之间，所述会聚透镜304位于第一分束镜303之后。在y轴方向(第二方向，y轴垂直于z轴)上，所述滤波片305位于第一分束镜303和第二分束镜306之间。所述光学隔离器302具体作用为阻隔光路中反射光反向进入可调激光器阵列10，保证输出光的稳定性；所述滤光片305用于为频率监控系统40滤除两路光中的其中一路，对一路进行频率监控。
本发明的频率监控系统40内包括两个PD(photo diode)及一光学标准具402，用于监控光波频率漂移程度，保证激光器输出光频率稳定性。该两PD具体包括第一PD 401，第二PD403；光学标准具402为一个法布里-玻罗标准具。
所述双输出尾纤50位于z轴方向上，会聚透镜304之后，两个激光器条101、102出射的激光同时耦合到对应的光纤中输出。
工作时，所述激光器阵列10的两个激光器条101、102同时发光，准直透镜301将两个激光器条101、102发出的扩散光准直为平行光。光学隔离器302阻隔来自外部系统中的杂散光进入激光器光腔。经过光学隔离器302的两束平行光束被分束器303分为输出光和监控光。其中，输出光经过会聚透镜304分别耦合入双输出尾纤50的两根输出光纤；监控光经过滤波片305被滤除一束光，另外一路进入频率监控系统40，实现输出光频率的实时监控。
进一步地，如图4所示，本发明还提供一种双波长可调谐激光器系统，其包括一控制器单元60及图1中所示的双波长可调谐激光器，所述控制器单元60同时与激光器阵列10、半导体致冷器20及频率监控系统40相连接。工作时，该控制器单元60通过连接所述激光器阵列10，分别控制两个激光器条101、102的电流，从而控制双波长可调谐激光器的频率和功率输出，该部分由预设的控制逻辑和调频数据进行控制；控制器单元60通过连接所述半导体致冷器20，保证双波长可调谐激光器处于稳定的工作温度；控制器单元60通过连接所述频率监控系统40，实现双波长可调谐激光器的输出频率稳定性监控。本发明的双波长可调谐激光器系统，其通过内设频率监控系统40，并且通过控制器单元60和控制逻辑对频率监控系统40进行控制，保证了输出光波频率的稳定性。
更进一步地，如图5所示，本发明还提供一种利用双波长可调谐激光器系统实现快速调频的方法，其包括如下步骤：
步骤S101、通过控制器单元设置半导体致冷器的温度，使双波长可调谐激光器处于稳定的工作温度。具体应用中，可通过外部软件与控制器单元建立通信，通过外部软件向控制器单元发送温度指令。作为本发明的一种可选择性实施例，可以通过控制器单元设置半导体致冷器的温度为40℃-60℃，优选的，可以设置半导体致冷器的温度为50℃。本发明中的激光器阵列放置在半导体致冷器上表面，激光器电流改变，激光器腔体内部温度发生变化，在半导体致冷器作用下达到平衡状态，输出稳定频率。与传统的机械式和TEC调温式频率调节方法相比，通过电流调节的方法反应速度更快，可以大大降低可调谐激光器的调频时间，从而大大降低通信系统的响应时间。
步骤S201、将两个激光器条的电流I1、I2在一区间范围内等间隔递增，在增加电流的同时读取两个激光器条的频率F1、F2，该F1、F2均为关于I1、I2的二元二次曲面。作为本发明的一种优选实施例，在所述步骤S201中，可以将两个激光器条的电流I1、I2分别从300mA等间隔递增至400mA，递增间隔为5mA；在增加两个激光器条电流的同时读取两个激光器条的频率F1、F2，采集两组21*21个频率点数据。
具体原理为：DFB可调谐激光器内置布拉格光栅，激光器输出波长λ与布拉格光栅常数Λ有如下关系：
λ＝2ngΛ (1)
其中，ng为激光器增益介质的折射率。那么，DFB可调谐激光器输出频率ν与布拉格光栅常数Λ的关系为：
因为布拉格光栅常数Λ为一个固定的常数，则激光器输出频率与激光器增益介质折射率ng成反比。且激光器增益介质的折射率ng与其温度T有如下关系：
由上述分析可知，激光器输出频率ν与其温度T有如下关系：
ν∝T (4)
激光器阵列放置在半导体致冷器上表面，当激光器条增加时，激光器腔体内部温度升高，热量通过半导体致冷器传递，最终激光器腔体内部温度高于半导体致冷器设置温度，并达到一个动态平衡过程，输出稳定频率。
若将DFB可调谐激光器等效为一个电阻，电阻值记为R，则激光器的功耗P可以表示为：
P＝I2R (5)
其中I为激光器的工作电流，且激光器的温度与功耗有如下关系：
T∝P (6)
由(4)式与(6)式可知，DFB可调谐激光器的输出频率与其电流有如下关系：
ν∝I2 (7)
在本发明具体施例中，所述激光器阵列为两个DFB可调谐激光器共同组成，两者之间存在热量交换，因此，两个激光器条输出的频率F1、F2由两个激光器的电流I1、I2共同作用。由上述分析可知，采集到的两个激光器频率F1、F2均为关于I1、I2的二元二次曲面。
那么为了得到目标频率，只需知道两个曲面的关系式即可，通过少量的频率点即可分析整个目标频率区间的频率与电流的分布情况。此激光器阵列在两个激光器条电流I1、I2均处于300mA-400mA区间时，两个激光器频率F1、F2均可以达到目标频率区间分布。因而只需将两个激光器条的电流I1、I2分别从300mA增加到400mA，间隔5mA；在增加两个激光器条电流的同时读取两个激光器条的频率F1、F2，采集两组21*21个频率点数据。
步骤S301、分别用曲面最小二乘拟合方法拟合F1关于I1、I2的关系式，F2关于I1、I2的关系式。本发明通过采集少量的频率点即可快速高精度的拟合F1、F2关于I1、I2的两个二元二次曲面，这样可以大大减少数据采集和处理时间。
步骤S401、列出目标频率F1o、F2o的数值，由上一步骤拟合出的F1、F2关于I1、I2的二元二次方程组，计算出目标频率F1o、F2o同时对应的两个激光器条目标电流I1o、I2o。两个激光器条有固定的工作频率范围，需要在工作频率范围内可调，并且可以实现0.1GHz的分辨率。那么，可以将目标频率F10、F20的所有可调数值列出，通过上一步骤拟合出的F1、F2关于I1、I2的二元二次方程组，计算出目标频率对应的两个激光器条目标电流I10、I20。通过设定两个激光器的电流值即可达到两个激光器的目标频率输出。
步骤S501、将目标频率对应的目标电流数据表写入控制器单元和控制逻辑，从外部控制面板输入目标频率值，控制逻辑即可通过快速设置两个激光器条目标电流值的方式快速调频。在具体应用中，可以通过外部软件与控制器单元建立通信，经外部软件向控制器单元写入目标频率对应的目标电流表，控制器单元中的控制逻辑可以根据用户软件输入的目标频率值进行识别，自动调整两个激光器的电流达到目标电流值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双波长可调谐激光器，其特征在于，包括：激光器阵列、对激光器阵列进行温度控制的半导体制冷器、设于激光器阵列之后的光学系统、频率监控系统，及一双输出尾纤；所述激光器阵列包括有两个DFB可调谐激光器条，双输出尾纤包括两根与激光器条对应的光纤；工作时，两个激光器条同时注入电流发出前向激光，激光经过光学系统分别耦合到频率监控系统和双输出尾纤，通过双输出尾纤同时输出两个波长激光，其中，两个激光器条输出的频率F1、F2由两个激光器条的电流I1、I2共同作用且两个激光器条的频率F1、F2均为关于I1、I2的二元二次曲面。
2.如权利要求1所述的双波长可调谐激光器，其特征在于，所述激光器阵列固设于半导体制冷器上表面，两个激光器条置于一基座上。
3.如权利要求2所述的双波长可调谐激光器，其特征在于，所述两个激光器条平行放置，且两者中心间距为50um-100um。
4.如权利要求1所述的双波长可调谐激光器，其特征在于，所述光学系统内至少包括两个透镜、两个分束镜、一光学隔离器及一滤光片；所述两个透镜包括设置在激光器阵列后的准直透镜，以及设置在双输出尾纤前的会聚透镜；两个分束镜包括用于分离频率监控光和输出光的第一分束镜，以及分离频率监控光进入两个PD的第二分束镜。
5.如权利要求1所述的双波长可调谐激光器，其特征在于，所述频率监控系统内包括两个PD及一光学标准具，用于监控光波频率漂移程度。
6.一种双波长可调谐激光器系统，其特征在于，包括一控制器单元，及如权利要求1-5任一项所述的双波长可调谐激光器，所述控制器单元同时与激光器阵列、半导体致冷器及频率监控系统相连接；该控制器单元通过激光器阵列分别控制两个激光器条的电流，从而控制双波长可调谐激光器的频率和功率输出，通过半导体致冷器，保证双波长可调谐激光器处于稳定的工作温度，通过频率监控系统，实现双波长可调谐激光器的输出频率稳定性监控。
7.一种利用如权利要求6所述的双波长可调谐激光器系统实现快速调频的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S101、通过控制器单元设置半导体致冷器的温度，使双波长可调谐激光器处于稳定的工作温度；
步骤S201、将两个激光器条的电流I1、I2在一区间范围内等间隔递增，在增加电流的同时读取两个激光器条的频率F1、F2，该F1、F2均为关于I1、I2的二元二次曲面；
步骤S301、分别用曲面最小二乘拟合方法拟合F1关于I1、I2的关系式，F2关于I1、I2的关系式；
步骤S401、列出目标频率F1o、F2o的数值，由上一步骤拟合出的F1、F2关于I1、I2的二元二次方程组，计算出目标频率F1o、F2o同时对应的两个激光器条目标电流I1o、I2o；
步骤S501、将目标频率对应的目标电流数据表写入控制器单元和控制逻辑，从外部控制面板输入目标频率值，控制逻辑即可通过快速设置两个激光器条目标电流值的方式快速调频。
8.如权利要求7所述的双波长可调谐激光器系统实现快速调频的方法，其特征在于，所述步骤S101中，通过控制器单元设置半导体致冷器的温度为40℃-60℃。
9.如权利要求7所述的双波长可调谐激光器系统实现快速调频的方法，其特征在于，所述步骤S201中，将两个激光器条的电流I1、I2分别从300mA等间隔递增至400mA，递增间隔为5mA。
10.如权利要求9所述的双波长可调谐激光器系统实现快速调频的方法，其特征在于，在增加两个激光器条电流的同时读取两个激光器条的频率F1、F2，采集两组21*21个频率点数据。
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