CN111029898A - 一种o波段波长可调光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种O波段波长可调光源，包括：激光发生单元、波长控制单元、单向隔离单元、分光单元、激光功率稳定单元及输出单元。激光发生单元用于产生激光，同时根据反馈信号间接调整电流值使输出的激光在一个稳定的光谱范围内；波长控制单元用于对接收到的激光进行波长调节；单向隔离单元用于回光隔离；分光单元用于分光处理并与激光发生单元形成环形腔结构；激光功率稳定单元监控分光单元输出的激光功率形成反馈信息至激光发生单元。本发明波长精度高，可测O波段全谱实现波长任意可调以及连续扫描功能，提高了设备的可操作性和实验效率；可及时反应，同步触发；占用空间小，操作简单，性价比较高，可应用于大规模试验与应用。

Description

一种O波段波长可调光源

技术领域

本发明涉及光通讯领域，尤其涉及一种O波段波长可调光源。

背景技术

随着高速通讯及通讯数据量的不断提升，各类高速通讯及传感领域对可调光源的技术要求越来越高，而目前可调光源基本集中在C波段，但是C 波段可调光源已经无法完全满足市场的需求，这时性能更优越的O波段可调光源便备受青睐，因此行业内对O波段波长可调光源的需求持续增长，而此领域的研究尚浅，产品成本较高。

随着数据中心与5G技术普及和高速发展，对于O波段范围内的各类器件和模块的使用量骤增，因此，对高精度、高分辨率、高覆盖范围的光电检测仪器需求量变大。而国内现有的光电检测仪器仅能实现某些固定波长输出，少有类似O波段波长可调光源检测仪器类功能性产品。经市场调研，现全球范围内O波段波长可调光源光电检测仪器仅有少量国外企业垄断生产且价格奇高。而该产品需求持续增长，导致大量厂家无法大规模购买与使用，因此，研制及生产出具有相同功能且能够普及应用的产品刻不容缓。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有光源不能实现波长调节、波长精度及分辨率不够，提供一种O波段波长可调光源，波长精度在20pm以内，波长调节分辨率最小可达到10pm。

本发明的技术方案如下：本发明提供一种O波段波长可调光源，包括：激光发生单元、波长控制单元、单向隔离单元、分光单元、激光功率稳定单元及输出单元。

所述激光发生单元，用于产生恒流源进而产生激光，同时根据所述激光功率稳定单元的反馈信息，间接调整电流值使其在一个稳定的范围，进而使输出的激光在一个稳定的光谱范围内。

所述波长控制单元，一端与所述激光发生单元连接，另一端与所述单向隔离单元连接，用于对接收到的激光进行波长调节，同时能够调节自身的工作温度。

所述单向隔离单元，用于回光隔离，保证激光单向输出。

所述分光单元包括第一分光模块及第二分光模块；所述第一分光模块，用于接收所述单向隔离单元转递来的激光，将激光进行分光处理，一部分分光到所述激光发生单元形成环形腔结构，另一部分作为输出激光进入所述第二分光模块；所述第二分光模块，用于接收所述第一分光模块传递来的激光，将激光进行分光处理，一部分分光到所述激光功率稳定单元形成所述反馈信息，另一部分分光作为最终输出激光通过所述输出单元进行输出。

所述激光功率稳定单元，用于监测所述第二分光模块输出激光的功率变化，将功率变化形成所述反馈信息，并根据所述反馈信息控制所述激光发生单元间接调整电流值。

进一步地，所述激光发生单元包括激光增益模块及第一温度控制模块，所述激光增益模块为一激光增益器，所述激光增益器覆盖1260nm-1360nm 范围的光谱。

进一步地，所述激光增益器为半导体光放大器，所述激光增益器包括底座以及设于所述底座上的激光增益芯片。

所述第一温度控制模块采用IC芯片和NTC 10K热敏电阻组成的激光器温度控制电路来实时监测采集激光增益器的温度，控制制冷电压，从而控制制冷片制冷或制热，所述第一温度控制模块的芯片型号为AD8609A。

进一步地，所述波长控制单元包括波长锁定模块、波长选择控制模块、主控模块、第二温度控制模块及人机交互模块，所述波长选择锁定模块分别与所述激光发生单元、单向隔离单元及主控模块连接，所述第二温度控制模块及所述人机交互模块分别与所述主控模块连接。

所述波长锁定模块，用于对激光进行波长锁定。

所述波长选择控制模块，用于对激光进行波长选择控制。

所述第二温度控制模块，用于采集所述波长选择锁定模块的工作温度，并控制所述工作温度在规定的范围内。

所述人机交互模块，用于人机交互操作，操作人员设置波长命令后，所述人机交互模块将波长命令发送给所述主控模块。

所述主控模块，用于接收所述人机交互模块发送的波长命令并与所述波长选择锁定模块通信，控制所述波长锁定模块对相应的波长进行滤波；同时接收所述第二温度控制模块发来的温度信号，并判断温度信号是否超出预设的温度范围，并控制所述第二温度控制模块对温度进行相应调节。

进一步地，所述波长锁定模块为MEMS可调型光滤波器。

所述第二温度控制模块采用由IC芯片和NTC 10K热敏电阻组成的 MEMS温度控制电路来实时监测采集所述MEMS可调型光滤波器的温度，同时控制制冷电压，从而控制制冷片制冷或制热，所述第二温度控制模块的芯片型号为AD8609A。

所述人机互换模块使用串口通信和同步触发脉冲在计算机和所述波长可调光源之间传递信息。

所述主控模块的芯片型号为STM32。

进一步地，所述激光功率稳定单元包括依次连接的功率探测模块、功率反馈模块及驱动模块，所述功率探测模块与所述第二分光模块连接，探测到激光功率大小的改变信息后，把改变信息反馈给所述功率反馈模块，所述功率反馈模块做出相应的命令，指示所述驱动模块做出相应的操作，最终作用于所述激光发生单元。

进一步地，所述功率探测模块基于光电探测器的光电特性来检测激光功率值的变化。

所述功率反馈模块的芯片型号为AD8609A。

进一步地，所述光隔离单元为光隔离器，所述第一分光模块及所述第二分光模块均为光耦合器，所述输出单元采用光纤接头对接。

进一步地，所述第一分光模块为光路分光功能模块。

所述第二分光模块的分光比为不均分分光模块，小分光比的一端分光到所述激光功率稳定单元形成所述反馈信息，大分光比的一端分光作为最终输出激光通过所述输出单元进行输出。

进一步地，所述波长可调光源采用全光纤结构实现不同单元之间的激光传输。

采用上述方案，本发明O波段波长可调光源波长精度高，可达到20pm 以内，分辨率最小可达到10pm，可测O波段全谱实现波长任意可调以及连续扫描功能，提高了设备的可操作性和实验效率；可及时反应，同步触发；占用空间小，操作简单，性价比较高，可应用于大规模试验与应用。

附图说明

图1为本发明O波段波长可调光源的模块框图；

图2为本发明O波段波长可调光源一实施例的模块框图；

图3为本发明O波段波长可调光源中激光器温度控制电路；

图4至图7为本发明O波段波长可调光源中激光器恒流驱动电路；

图8为本发明O波段波长可调光源中光功率探测电流路及功率反馈电路；

图9为本发明O波段波长可调光源中MEMS主控电路；

图9A为图9中A部分的放大图；

图9B为图9中B部分的放大图；

图10为本发明O波段波长可调光源中MEMS温度控制电路、电流反馈电路；

图11为本发明O波段波长可调光源中MEMS所有控制电路供电电路；

图12为本发明O波段波长可调光源中MEMS人机互换通信电路；

图13与图14为本发明O波段波长可调光源中外部下载升级版本电路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

请参阅图1，本发明提供一种O波段波长可调光源，包括：激光发生单元1、波长控制单元2、单向隔离单元3、分光单元4、激光功率稳定单元5及输出单元6。各单元之间利用全光纤结构进行激光传输，省去空间对光的难度，方便优化对腔长，以压缩激光输出线宽。

请参阅图1至图7，所述激光发生单元1，用于产生恒流源从而产生激光，同时根据所述激光功率稳定单元5的反馈信息，间接调整电流值使其在一个稳定的范围，进而使输出的激光在一个稳定的光谱范围内。所述激光发生单元1包括激光增益模块11和第一温度控制模块12，所述激光增益模块11为一激光增益器，所述激光增益器包括底座以及设于所述底座上的激光增益芯片，所述激光增益芯片覆盖1260nm-1360nm范围的光谱(O波段波长范围)。具体地，本实施例中，所述激光增益器为半导体光放大器，半导体光放大器芯片提供宽带增益，对外腔优选反馈的纵模提供放大，可以根据不同的应用选择性地在芯片另一侧提供稳定的单模光信号输出，如图4至图7所示，如果使用ACC模式，将J10断开，J2的2-3短路，1-2断开；如果使用APC模式，将J10短路，J2的1-2短路，2-3断开；如使用激光器自带PD，则短路J8，否则不需要，在J6焊上PD即可。所述激光增益器采用高精度，低电压输入的激光器恒流驱动电路控制，该激光器恒流驱动电路具有体积小，输入电压低，控制性能可靠等优点，工作原理是产生恒流源来控制所述激光增益器11产生激光，根据所述激光功率稳定单元5传递过来的反馈信号(增大电压或者减小电压)，从而间接调节电流，使电流值保持在特定的范围内，这样就能够保证所述激光增益器11输出的激光在一个稳定的光谱范围内，提高光源输出光谱的稳定性。通过激光器恒流驱动电路加载在所述激光增益器11的两端，保证输出激光功率稳定，同时加入激光器温度控制电路(第一温度控制模块12)，使得激光输出功率不会因为激光器本身工作或者是外部的环境温度变化较大时有明显的变化。具体地，本实施例如图3所示，所述第一温度控制模块12采用高性能IC芯片和NTC 10K热敏电阻组成的激光器温度控制电路来实时监测采集激光器温度，控制制冷电压，从而控制制冷片制冷或制热，具体地，本实施例中，所述第一温度控制模块12的芯片型号为AD8609A。

请参阅图1与图2，所述波长控制单元2，一端与所述激光发生单元1 连接，另一端与所述单向隔离单元3连接，用于对接收到的激光进行波长调节，同时能够调节自身的工作温度。具体地，所述波长控制单元2包括波长锁定模块21、波长选择控制模块25、主控模块22、第二温度控制模块 23及人机交互模块24，所述波长锁定模块21分别与所述激光发生单元1、单向隔离单元3、波长选择控制模块25及主控模块22连接，所述第二温度控制模块23及所述人机交互模块24分别与所述主控模块22连接。通过上述几个模块共同组成完整的波长调节功能单元，具有波长精度高，可调节波长范围宽，波长重复性能好，波长稳定性可靠等优点。

请参阅图2、图9至图12所述波长锁定模块21，用于对激光进行波长锁定，具体地，本实施例中，所述波长锁定模块21为MEMS可调型光滤波器，通过调节MEMS器件上的驱动电压实现快速调节波长的目的，其中 MEMS可调型光滤波器，具有高精度，波长精度在20pm以内，易控制、可调节的光谱带宽宽的优点。所述波长选择控制模块25是基于单片机程序控制技术实现光源波长选择的。所述第二温度控制模块23，用于采集所述波长选择锁定模块21的工作温度，并控制所述工作温度在规定的范围内。具体地，本实施例中如图10所示，所述第二温度控制模块23采用由IC芯片和NTC 10K热敏电阻组成的MEMS温度控制电路来实时监测采集所述MEMS 可调型光滤波器的温度，同时控制制冷电压，从而控制制冷片制冷或制热，具体地，本实施例中所述第二温度控制模块23的芯片型号为AD8609A。如图12所示，所述人机交互模块24，用于人机交互操作，操作人员设置波长命令后，所述人机交互模块24将波长命令发送给所述主控模块22。具体地，本实施例中，所述人机互换模块24使用串口通信和同步触发脉冲在计算机和所述波长可调光源之间传递信息，实现计算机与所述主控模块22的通信连接。如图9至图9B所示，所述主控模块22，用于接收所述人机交互模块 24发送的波长命令并与所述波长选择锁定模块21通信，控制所述波长选择锁定模块21对相应的波长进行滤波；同时接收所述第二温度控制模块23 发来的温度信号，并判断温度信号是否超出预设的温度范围，并控制所述第二温度控制模块23对温度进行相应调节。具体地，本实施例中，所述主控模块22采用STM32集成主芯片控制的主控驱动板，具有与计算机通信识别功能，采集温控反馈信号，光滤波器的供电与通信。

所述波长控制单元2工作的具体原理是：操作人员通过手动设置或者使用计算机设置波长命令后，所述人机交互模块24处理信息发送给所述主控模块22，所述主控模块22接收波长命令并直接与所述MEMS可调型光滤波器通信，控制所述MEMS可调型光滤波器对相应的波长进行滤波；另外由于温度对光滤波器功能影响较大，故此在本实施例中采用高精度的所述第二温度控制模块24来控制温度，保证光MEMS可调型光滤波器处于正常工作状态，从而可以保证滤波之后的波长精度以及波长重复性和稳定性。

请参阅图1与图2，所述单向隔离单元3，用于回光隔离，保证激光单向输出，防止功率过高导致回光大损坏激光增益器，同时消除回光对激光稳定性的影响，具体地，本实施例中，所述光隔离单元3为光隔离器。

请再次参阅图1与图2，所述分光单元4包括第一分光模块41及第二分光模块42，具体地，本实施例中，所述第一分光模块41及所述第二分光模块42均为光耦合器。所述第一分光模块41为光路分光功能模块，用于接收所述单向隔离单元3转递来的激光，将激光进行分光处理，其中一部分分光到所述激光发生单元1中的所述激光增益模块11形成环形腔结构，提高边模抑制比；另一部分作为输出激光进入所述第二分光模块42。在这里有需要说明的是：国内其他类似的滤波光路，采用的是单向滤波光路，这样的结果会导致最终输出的激光的边模抑制比低、光功率达不到所需的要求；而本发明中，使用所述第一分光模块41进行分光，其中一部分光通过闭环回路回到所述激光器增益模块11，再次进入所述波长控制单元2中滤波，最后再次进入所述第一分光模块41，最终和另一部分光结合输出到所述第二分光模块42；闭环回路的优点在于能够充分利用激光光能，避免不必要的损耗，多次滤波可以避免出现可能存在的滤波漏点问题，另外对激光器的要求条件降低，从而间接节约成本，在技术层面上更是前进一大步。所述第二分光模块42为不均分分光模块，用于接收所述第一分光模块 41传递来的激光，将激光进行分光反馈处理，其中小分光比的部分分光到所述激光功率稳定单元5形成所述反馈信息，大分光比的部分分光作为最终输出激光通过所述输出单元6进行输出，通过不均分的光耦合器进行分光保证输出功率的损耗较小。具体地，本实施例中，所述输出单元6采用光纤接头对接，能够有效降低光损耗。

请参阅图1至图3，所述激光功率稳定单元5包括依次连接的功率探测模块51、功率反馈模块52及驱动模块53。所述功率探测模块51与所述第二分光模块42连接，探测到激光功率大小的改变信息后，把改变信息反馈给所述功率反馈模块52，所述功率反馈模块52做出相应的命令，指示所述驱动模块53做出相应的操作，最终作用于所述激光发生单元1中的所述激光增益模块11。具体地，本实施例中，所述功率探测模块51是基于光电探测器的光电特性来检测激光功率值的变化，具体为光电探测器。所述功率探测模块51包含功率探测电路，其中探测电路原理是光电探测器PD监测处理通过所述第二分光模块42分出的小部分激光的功率变化量，然后电路把功率的变化量转换成电压变化量。具体地，本实施例中，如图3所示，所述功率反馈模块52是采用IC芯片AD8609A为核心的功率反馈电路，其原理是接收由所述功率探测电路传递过来的电压信号变化并做出相应的反馈，例如：功率值变大，相应的电压信号变大，则所述功率反馈电路作出减少电压方向的反馈。所述驱动模块53接收所述功率反馈电路传递过来的反馈信号后，作出相应的调节动作(例如增大电压或者减小电压)，从而起到控制所述激光发生单元1中所述激光增益模块11调整相应的电流值，进而使所述激光增益模块11产生的激光在一个稳定的光谱范围内。利用所述激光功率稳定单元5对输出激光功率进行实时功率监测，并且对功率变化进行实时反馈，并动态调节所述激光器恒流驱动电路的电流，进而协助形成闭环回路实现激光高稳定输出。

请参阅图2至图14，具体地，结合实施例对本发明进行进一步说明，本实施例中，有源模块包括激光增益模块11、第二温度控制模块12、波长选择锁定模块21、第一温度控制模块24、驱动模块53、功率反馈模块52、功率探测模块51，无源模块包含单向隔离单元3、第一分光模块41和第二分光单元42。本实施例中，具体包括依次设置的激光增益器、MEMS可调型光滤波器、光隔离器、第一光耦合器、第二光耦合器、光电探测器，其中各器件之间通过全光纤结构进行激光传输。具体电路包括：激光器恒流驱动电路、激光器温度控制电路、光功率探测电路及功率反馈电路、MEMS 温度控制电路、MEMS主控制电路MEMS温度控制电路及电流反馈电路、 MEMS所有控制电路供电电路、MEMS人机互换通信电路等。

综上所述，本发明O波段波长可调光源波长精度高，可达到20pm以内，分辨率最小可达到10pm，可测O波段全谱实现波长任意可调以及连续扫描功能，提高了设备的可操作性和实验效率；可及时反应，同步触发；占用空间小，操作简单，性价比较高，可应用于大规模试验与应用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种O波段波长可调光源，其特征在于，包括：激光发生单元、波长控制单元、单向隔离单元、分光单元、激光功率稳定单元及输出单元，

所述激光发生单元，用于产生恒流源进而产生激光，同时根据所述激光功率稳定单元的反馈信息，间接调整电流值使其在一个稳定的范围，进而使输出的激光在一个稳定的光谱范围内；

所述波长控制单元，一端与所述激光发生单元连接，另一端与所述单向隔离单元连接，用于对接收到的激光进行波长调节，同时能够调节自身的工作温度；

所述单向隔离单元，用于回光隔离，保证激光单向输出；

所述分光单元包括第一分光模块及第二分光模块；所述第一分光模块，用于接收所述单向隔离单元转递来的激光，将激光进行分光处理，一部分分光到所述激光发生单元形成环形腔结构，另一部分作为输出激光进入所述第二分光模块；所述第二分光模块，用于接收所述第一分光模块传递来的激光，将激光进行分光处理，一部分分光到所述激光功率稳定单元形成所述反馈信息，另一部分分光作为最终输出激光通过所述输出单元进行输出；

所述激光功率稳定单元，用于监测所述第二分光模块输出激光的功率变化，将功率变化形成所述反馈信息，并根据所述反馈信息控制所述激光发生单元间接调整电流值。

2.根据权利要求1所述的O波段波长可调光源，其特征在于，所述激光发生单元包括激光增益模块及第一温度控制模块，所述激光增益模块为一激光增益器，所述激光增益器覆盖1260nm-1360nm范围的光谱。

3.根据权利要求2所述的O波段波长可调光源，其特征在于，所述激光增益器为半导体光放大器，所述激光增益器包括底座以及设于所述底座上的激光增益芯片；

所述第一温度控制模块采用IC芯片和NTC 10K热敏电阻组成的激光器温度控制电路来实时监测采集激光增益器的温度，控制制冷电压，从而控制制冷片制冷或制热，所述第一温度控制模块的芯片型号为AD8609A。

4.根据权利要求1所述的O波段波长可调光源，其特征在于，所述波长控制单元包括波长锁定模块、波长选择控制模块、主控模块、第二温度控制模块及人机交互模块，所述波长选择锁定模块分别与所述激光发生单元、单向隔离单元及主控模块连接，所述第二温度控制模块及所述人机交互模块分别与所述主控模块连接；

所述波长锁定模块，用于对激光进行波长锁定；

所述波长选择控制模块，用于对激光进行波长选择控制；

所述第二温度控制模块，用于采集所述波长选择锁定模块的工作温度，并控制所述工作温度在规定的范围内；

所述人机交互模块，用于人机交互操作，操作人员设置波长命令后，所述人机交互模块将波长命令发送给所述主控模块；

所述主控模块，用于接收所述人机交互模块发送的波长命令并与所述波长选择锁定模块通信，控制所述波长锁定模块对相应的波长进行滤波；同时接收所述第二温度控制模块发来的温度信号，并判断温度信号是否超出预设的温度范围，并控制所述第二温度控制模块对温度进行相应调节。

5.根据权利要求4所述的O波段波长可调光源，其特征在于，所述波长锁定模块为MEMS可调型光滤波器；

所述第二温度控制模块采用由IC芯片和NTC 10K热敏电阻组成的MEMS温度控制电路来实时监测采集所述MEMS可调型光滤波器的温度，同时控制制冷电压，从而控制制冷片制冷或制热，所述第二温度控制模块的芯片型号为AD8609A；

所述人机互换模块使用串口通信和同步触发脉冲在计算机和所述波长可调光源之间传递信息；

所述主控模块的芯片型号为STM32。

6.根据权利要求1所述的O波段波长可调光源，其特征在于，所述激光功率稳定单元包括依次连接的功率探测模块、功率反馈模块及驱动模块，所述功率探测模块与所述第二分光模块连接，探测到激光功率大小的改变信息后，把改变信息反馈给所述功率反馈模块，所述功率反馈模块做出相应的命令，指示所述驱动模块做出相应的操作，最终作用于所述激光发生单元。

7.根据权利要求6所述的O波段波长可调光源，其特征在于，所述功率探测模块基于光电探测器的光电特性来检测激光功率值的变化；

所述功率反馈模块的芯片型号为AD8609A。

8.根据权利要求1所述的O波段波长可调光源，其特征在于，所述光隔离单元为光隔离器，所述第一分光模块及所述第二分光模块均为光耦合器，所述输出单元采用光纤接头对接。

9.根据权利要求1或8所述的O波段波长可调光源，其特征在于，所述第一分光模块为光路分光功能模块；

所述第二分光模块的分光比为不均分分光模块，小分光比的一端分光到所述激光功率稳定单元形成所述反馈信息，大分光比的一端分光作为最终输出激光通过所述输出单元进行输出。

10.根据权利要求1所述的O波段波长可调光源，其特征在于，所述波长可调光源采用全光纤结构实现不同单元之间的激光传输。

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