CN109921275A - 快速调频的外腔激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可调激光器技术领域，具体公开了一种快速调频的外腔激光器，其包括依次设置的激光增益器件、准直透镜、锁频光路、分光片、外腔反射镜器件、光隔离器、聚焦透镜、保偏光纤，设于分光片一侧的光电探测器，以及一热电制冷器及控制电路；所述锁频光路由数个光锁频器构成，该光锁频器采用压电调制器进行调节；所述控制电路内包括有与光锁频器电性连接的锁频控制电路、与光电探测器电性连接的电流反馈电路，以及分别与电流反馈电路及外腔反射镜器件电性连接的调频控制电路。本发明采用压电调制器来实现快速光调频和锁频，大大提高了调频和锁频的响应速度，减小了频率切换时间。
Description
技术领域
本发明涉及可调激光器技术领域，尤其涉及一种快速调谐的外腔型激光器。
背景技术
随着移动互联、云计算、大数据存储的快速发展，人类社会对通信带宽的需求以每年约40％的增长率急速增长。作为一种扩大通信带宽的方法，波分复用技术(WDM)经过多年发展，波长累积越来越多，系统越来越复杂。单纯的波长复用技术已经不能满足日益增长的带宽需求，此时，相干光通信应运而生。
在相干光通信系统中，使用可调激光器作为发射光源，它可以在不同光频段之间进行自由切换，从而使光频段得到充分利用，大大提高了频谱效率。从结构上分，可调谐激光器可分为单片集成型可调谐激光器和外腔型可调谐激光器。由于外腔可调谐激光器可以提供很窄的激光线宽，从而实现更高调制速率和更复杂编码调制，因此在现有的商用光网络传输系统应用中占用很大的份额。
传统的外腔调制激光器普遍采用温度控制回路来进行光频率调节和锁定。由于温度调节具有延时性和缓变性，导致系统频率切换速度慢，稳定时间长，一般切波时间为20～60秒。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种快速调频的外腔激光器，其采用压电调制器来实现快速光调频和锁频，大大提高了调频和锁频的响应速度，减小了频率切换时间。
为实现上述目的，本发明提供了一种快速调频的外腔激光器，其包括：依次设置的激光增益器件、准直透镜、锁频光路、分光片、外腔反射镜器件、光隔离器、聚焦透镜、保偏光纤，设于分光片一侧的光电探测器，以及一热电制冷器及控制电路；所述锁频光路由数个光锁频器构成，该光锁频器采用压电调制器进行调节；所述控制电路内包括有与光锁频器电性连接的锁频控制电路、与光电探测器电性连接的电流反馈电路，以及分别与电流反馈电路及外腔反射镜器件电性连接的调频控制电路。
其中，所述激光增益器件包括底座及设于底座上的激光增益芯片，该激光增益芯片的光谱范围覆盖C波段、L波段和/或者其他指定光通信波段。
具体的，所述锁频光路内可以包括两个光锁频器，该光锁频器包括基座、设于基座上的第一滤光片、压电陶瓷，及设于压电陶瓷上且与第一滤光片相对设置的第二滤光片。
进一步地，所述第一滤光片与第二滤光片相对向设置的内侧面上均部分镀设有反射膜，第一滤光片与第二滤光片相背向设置的外侧面上均镀设有抗反射膜；所述部分镀设反射膜的两内侧面共同构成一标准具的两个反射面，通过改变压电陶瓷的驱动电压，以改变标准具的自由光谱范围。
所述两个光锁频器包括第一光锁频器和第二光锁频器，该第一光锁频器的自由光谱范围为FSR1，第二光锁频器的自由光谱范围为FSR2，控制FSR1和FSR2存在一个微小差异，则锁频光路的联合自由光谱范围JFSR＝(FSR1*FSR2)/(FSR1-FSR2)。
本发明中，所述外腔反射镜器件可以包括压电陶瓷基座及反射镜，通过调整压电陶瓷基座的输入电压来调节外腔反射镜的位置，以改变激光器谐振腔腔长。
进一步地，所述反射镜前表面部分镀设有反射膜，反射镜后表面镀设有抗反射膜，该反射镜的前表面和激光增益芯片的后端面共同构成外腔激光器谐振腔的两个面。
再者，所述控制电路还包括分别与激光增益器件及电流反馈电路电性连接的电流控制电路，以及与热电制冷器电性连接的温度控制电路。
其中，所述电流控制电路用于控制激光器增益器件的工作电流，以对外腔激光器出射功率和频率进行控制；
锁频控制电路用于通过调节压电调制器的工作电压，以改变光锁频器的工作频率；
电流反馈电路用于通过光电探测器的光电流反馈输出光功率和光频率；
调频控制电路用于控制外腔反射镜器件的工作电压，改变外腔激光器谐振腔的光学长度，从而改变出射激光频率，并同时提供一个固定频率的交流信号，进行动态频率调整；
温度控制电路用于控制半导体致冷器的温度，保证外腔激光器谐振腔和前述全部光学元件处于稳定的工作温度，使其输出频率稳定。
本发明的快速调频的外腔激光器在正常工作时，电流控制电路为激光增益器件提供工作电流，激光器增益器件发出的光经过准直透镜转变成准直光，该准直光通过光锁频器后经分光片分成两束，其中透射光通过外腔反射镜器件、光隔离器和聚焦透镜耦合进保偏光纤；反射光入射到光电探测器转换成光电流输出给电流反馈电路，温度控制电路控制热电制冷器工作在指定温度点；
当需要频率切换时，锁频控制电路调整光锁频器的锁频频率，电流反馈电路提供功率和频率反馈信息到电流控制电路和调频控制电路，实现功率和频率的实时闭环控制。
本发明的快速调频的外腔激光器，其采用压电陶瓷制作光锁频器，实现快速锁频，同时采用压电陶瓷进行外腔激光器腔长快速调节，克服了传统外腔激光器温度调节腔长带来迟滞和响应速度慢的问题，大大提高了调频和锁频的响应速度，减小了频率切换时间，可以将切波时间控制小于1秒。
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为本发明快速调频的外腔激光器一种具体实施例的模块框图；
图2为本发明快速调频的外腔激光器一种具体实施例的结构示意图；
图3为本发明中激光增益器件一种具体实施例的结构示意图；
图4为本发明中光锁频器一种具体实施例的结构示意图；
图5为本发明中锁频光路一种具体实施例的结构示意图；
图6为本发明中外腔反射镜器件一种具体实施例的结构示意图；
图7为本发明中电流反馈电路一种具体实施例的原理框图；
图8为本发明中调频控制电路一种具体实施例的原理框图；
图9为图8中调频控制电路一种具体实施例的信号示意图。
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所示，本发明提供一种本发明提供了一种快速调频的外腔激光器，其包括依次设置的激光增益器件10、准直透镜20、锁频光路、分光片40、外腔反射镜器件60、光隔离器70、聚焦透镜80、保偏光纤90，设于分光片40一侧的光电探测器50，以及一热电制冷器100及控制电路；所述锁频光路由数个光锁频器30构成，该光锁频器30采用压电调制器进行调节；所述控制电路内包括有与光锁频器30电性连接的锁频控制电路120、与光电探测器50电性连接的电流反馈电路130，以及分别与电流反馈电路130及外腔反射镜器件60电性连接的调频控制电路140。本发明通过激光增益器件10提供激光输出，通过压电光锁频器30选择工作光频率，同时用压电调制器调节外腔反射镜器件60实现最大输出光功率，同时通过光电探测器50进行光功率及频率动态反馈控制，通过热电制器100稳定整个光路，大大提高了调频和锁频的响应速度，减小了频率切换时间，可以将切波时间控制小于1秒。
如图2所示，在本发明具体实施例中，除了保偏光纤90外，其他元器件都固定在热电制冷器100上，上述元件都通过热电制冷器100来控制工作温度，从而获得稳定的工作状态。其中，所述激光增益器件10包括底座101及设于底座101上的激光增益芯片102，该激光增益芯片102的后端面1021采用高反射镀膜实现高反射率，作为外腔激光器谐振腔的一个面，激光增益芯片102的前端面1022采用抗反射镀膜(图3所示)，以实现高功率输出。作为本发明的一种优选实施例，所述的激光增益芯片102的光谱范围可以覆盖C波段、L波段和/或者其他指定光通信波段。
本发明中，所述准直透镜20用于实现激光光束的准直。作为本发明的一种优选实施例，为了获得更高的锁频精度和提高频率稳定性，我们使用两个类似结构的光锁频器30(图4所示)构成锁波光路(图5所示)。该两个光锁频器30具体分为第一光锁频器和第二光锁频器，设该第一光锁频器的自由光谱范围为FSR1，设第二光锁频器的自由光谱范围为FSR2，利用游标卡尺效应，控制FSR1和FSR2存在一个微小差异，则由它们组合构成的锁频光路的联合自由光谱范围JFSR可以由公式得到：JFSR＝(FSR1*FSR2)/(FSR1-FSR2)。这样整个锁频光路的联合自由光谱范围JFSR可以很大，确保在整个可调频率范围内只有唯一的解，提高了锁频精度和频率稳定性，并排除了光跳模的可能。具体的，所述该光锁频器30采用压电调制器进行快速调节，实现指定工作频率快速锁定，其包括基座301、设于基座301上的第一滤光片302、压电陶瓷304，及设于压电陶瓷304上且与第一滤光片302相对设置的第二滤光片303。进一步地，所述第一滤光片302与第二滤光片303相对向设置的内侧面3022、3031上均部分镀设有反射膜，第一滤光片302与第二滤光片303相背向设置的外侧面3021、3032上均镀设有抗反射膜；所述部分镀设反射膜的两内侧面3022、3031共同构成一标准具的两个反射面，通过设计不同的反射率可以得到不同精细度的标准具。压电陶瓷304采用压电剪切片。当上下电极通电时，压电陶瓷304产生切向位移，通过改变压电陶瓷304的驱动电压，可以使表面3031沿光轴方向前后移动，改变了标准具的自由光谱范围，从而实现快速锁波。
本发明中的分光片40用于实现光路分光。其中反射光输入到光电探测器50，实现功率及频率反馈；透射光输入到外腔反射镜器件60，实现激光激射。
如图6所示，所述外腔反射镜器件60可以包括压电陶瓷基座601及反射镜602。其中反射镜602前表面6021部分镀设有反射膜，反射镜602后表面6022镀设有抗反射膜，该反射镜602的前表面6021和激光器增益芯片102的后端面1021共同构成了外腔激光器谐振腔的两个面。压电陶瓷基座601采用压电剪切片。当上下电极通电时，压电陶瓷基座601产生切向位移，通过调整压电陶瓷基座601的输入电压来调节外腔反射镜602的位置，可以使表面6021沿光轴方向快速移动，从而改变激光器谐振腔腔长，达到快速调频的目的。
光隔离器70用于实现对系统反射光的隔离，确保激光器谐振腔的稳定。聚焦透镜80用于将激光器谐振腔输出的激光聚焦到保偏光纤90中。
更进一步地，所述控制电路还包括分别与激光增益器件10及电流反馈电路130电性连接的电流控制电路110，以及与热电制冷器100电性连接的温度控制电路150。
其中，所述电流控制电路110用于控制激光器增益芯片102的工作电流，实现对外腔激光器出射功率和频率进行控制。
锁频控制电路120用于通过调节压电陶瓷304的工作电压，以改变光锁频器30的工作频率。
电流反馈电路130用于通过光电探测器50的光电流反馈输出光功率和光频率。光电流中直流分量反馈光功率大小，该反馈信息提供给电流控制电路110用于自动调整激光增益芯片102电流；其交流分量反馈频率偏差，该反馈信息提供给调频控制电路140用于调整激光谐振腔腔长。作为本发明的一种具体实施例，该电流反馈电路130(图7所示)内还包括有相互电性连接的解调电路1301及分析电路1302，该解调电路1301一端还与光电探测器50电性连接，分析电路1302一端还分别与电流控制电路110及调频控制电路140电性连接。
调频控制电路140用于控制外腔反射镜器件60内压电陶瓷底座601的工作电压，改变外腔激光器谐振腔的光学长度，从而改变出射激光频率，并同时提供一个固定频率的交流信号，进行动态频率调整。如图8所示，作为本发明的一种可选择性实施例，所述调频控制电路140内包括有一与外腔反射镜器件60电性连接的信号合成电路1403，分别与该信号合成电路1403电性连接的交流信号发生电路1402及直流信号驱动电路1401，该直流信号驱动电路1401一端还与电流反馈电路130电性连接。本实施例中的调频控制电路140可以提供一个幅度可变直流偏置电压Vbias和恒定幅度交流电压Vmod。其中直流偏置电压Vbias用于实现光学谐振腔腔长的快速调节；交流电压Vmod用于实现调频实时动态反馈，其信号示意图见图9所示。工作时，电流反馈电路130将光电探测器50反馈的电流信号进行解调分析，可以获得功率和频率误差的信息反馈，该反馈信号输入到电流控制电路110，改变驱动电流实现自动功率控制(APC)；该反馈信号输入到调频控制电路140，改变直流偏置电压Vbias实现自动频率控制(AFC)。
温度控制150电路用于控制半导体致冷器的温度，保证外腔激光器谐振腔和其他光学元件处于稳定的工作温度，使其输出频率稳定。
本发明的快速调频的外腔激光器在正常工作时，电流控制电路110为激光增益器件10提供工作电流，激光器增益器件10发出的光经过准直透镜20转变成准直光，该准直光通过光锁频器30后经分光片40分成两束，其中透射光通过外腔反射镜器件60、光隔离器70和聚焦透镜80耦合进保偏光纤90；反射光入射到光电探测器50转换成光电流输出给电流反馈电路130，温度控制电路150控制热电制冷器100工作在指定温度点，从而确保器件稳定工作；
当需要频率切换时，锁频控制电路120按照预设校准的工作条件来调整光锁频器30的锁频频率，电流反馈电路130提供功率和频率反馈信息给到电流控制电路110和调频控制电路140，实现功率和频率的实时闭环控制。
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)
1.一种快速调频的外腔激光器，其特征在于，包括依次设置的激光增益器件、准直透镜、锁频光路、分光片、外腔反射镜器件、光隔离器、聚焦透镜、保偏光纤，设于分光片一侧的光电探测器，以及一热电制冷器及控制电路；所述锁频光路由数个光锁频器构成，该光锁频器采用压电调制器进行调节；所述控制电路内包括有与光锁频器电性连接的锁频控制电路、与光电探测器电性连接的电流反馈电路，以及分别与电流反馈电路及外腔反射镜器件电性连接的调频控制电路。
2.如权利要求1所述的快速调频的外腔激光器，其特征在于，所述激光增益器件包括底座及设于底座上的激光增益芯片，该激光增益芯片的光谱范围覆盖C波段、L波段和/或者其他指定光通信波段。
3.如权利要求1所述的快速调频的外腔激光器，其特征在于，所述锁频光路内包括两个光锁频器，该光锁频器包括基座、设于基座上的第一滤光片、压电陶瓷，及设于压电陶瓷上且与第一滤光片相对设置的第二滤光片。
4.如权利要求3所述的快速调频的外腔激光器，其特征在于，所述第一滤光片与第二滤光片相对向设置的内侧面上均部分镀设有反射膜，第一滤光片与第二滤光片相背向设置的外侧面上均镀设有抗反射膜；所述部分镀设反射膜的两内侧面共同构成一标准具的两个反射面，通过改变压电陶瓷的驱动电压，以改变标准具的自由光谱范围。
5.如权利要求3所述的快速调频的外腔激光器，其特征在于，所述两个光锁频器包括第一光锁频器和第二光锁频器，该第一光锁频器的自由光谱范围为FSR1，第二光锁频器的自由光谱范围为FSR2，控制FSR1和FSR2存在一个微小差异，则锁频光路的联合自由光谱范围JFSR＝(FSR1*FSR2)/(FSR1-FSR2)。
6.如权利要求2所述的快速调频的外腔激光器，其特征在于，所述外腔反射镜器件包括压电陶瓷基座及反射镜，通过调整压电陶瓷基座的输入电压来调节外腔反射镜的位置，以改变激光器谐振腔腔长。
7.如权利要求6所述的快速调频的外腔激光器，其特征在于，所述反射镜前表面部分镀设有反射膜，反射镜后表面镀设有抗反射膜，该反射镜的前表面和激光增益芯片的后端面共同构成外腔激光器谐振腔的两个面。
8.如权利要求1-7任一项所述的快速调频的外腔激光器，其特征在于，所述控制电路还包括分别与激光增益器件及电流反馈电路电性连接的电流控制电路，以及与热电制冷器电性连接的温度控制电路。
9.如权利要求8所述的快速调频的外腔激光器，其特征在于，所述电流控制电路用于控制激光器增益器件的工作电流，以对外腔激光器出射功率和频率进行控制；
锁频控制电路用于通过调节压电调制器的工作电压，以改变光锁频器的工作频率；
电流反馈电路用于通过光电探测器的光电流反馈输出光功率和光频率；
调频控制电路用于控制外腔反射镜器件的工作电压，改变外腔激光器谐振腔的光学长度，从而改变出射激光频率，并同时提供一个固定频率的交流信号，进行动态频率调整；
温度控制电路用于控制半导体致冷器的温度，保证外腔激光器谐振腔和前述全部光学元件处于稳定的工作温度，使其输出频率稳定。
10.如权利要求8所述的快速调频的外腔激光器，其特征在于，
正常工作时，电流控制电路为激光增益器件提供工作电流，激光器增益器件发出的光经过准直透镜转变成准直光，该准直光通过光锁频器后经分光片分成两束，其中透射光通过外腔反射镜器件、光隔离器和聚焦透镜耦合进保偏光纤；反射光入射到光电探测器转换成光电流输出给电流反馈电路，温度控制电路控制热电制冷器工作在指定温度点；
需要频率切换时，锁频控制电路调整光锁频器的锁频频率，电流反馈电路提供功率和频率反馈信息到电流控制电路和调频控制电路，实现功率和频率的实时闭环控制。
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