CN111541150B - 实现半导体激光器波长动态锁定的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了实现半导体激光器波长动态锁定的装置及方法，属于测量、测试的技术领域，扩大了波长漂移的动态补偿范围。该装置包括：激光器阵列模块、波长漂移检测模块、波长漂移补偿模块。激光器阵列模块包含一个“主”激光器，多个波长待锁定的“从”激光器，多个耦合器以及开关器件；波长漂移检测模块包含波分复用合/分波器、调制器、光纤、光开关以及平衡光电探测器；波长漂移补偿模块包含放大器、功分器、混频器、检波器。“主、从”激光器的相对波长漂移经光电检测，转变为反馈信号调节“从”激光器的注入电流，其波长漂移跟随“主”激光器的波长变化，由此稳定了“主、从”激光器间的波长差，达成了动态补偿的波长锁定。

Description

实现半导体激光器波长动态锁定的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光器波长锁定技术，尤其涉及实现半导体激光器波长动态锁定的装置及方法，属于测量、测试的技术领域。

背景技术

半导体激光器峰值波长会受工作电流和工作温度的影响而发生漂移，所以需要对发生漂移的激光器进行波长锁定，具体方法可分为激光器内部解决方案和外部解决方案。内部解决方案将波长稳定结构集成到半导体激光器Bar条内部，而外部解决方案则是将体全息光栅与布拉格光栅分开以稳定波长。分布式反馈半导体激光器(DFB，DistributedFeedback Semi-conductor Laser)是采用内部解决方案的一个典型例子，用于选择性反馈光谱的光栅被集成在激光器Bar条的激活区结构中。外部解决方案包括基于光热折变(PTR，Photothermal refraction)无机玻璃的厚体光栅、体布拉格光栅(VBG，Volume BraggGrating)、体全息光栅(VHG，Volume Holographic Grating)、体布拉格光栅激光器(VOBLA，Volume Bragg Grating Laser)以及法布里-泊罗(FP，Fabry-Perot)等诸多通过标准具技术对波长锁定的方案。外部解决方案不需要对激光器芯片的结构做任何修改，但是额外需要敏感和高度对准的标准具，这限制了激光器的应用。

激光器还广泛应用于光纤通信之外的领域，如微波光子学、光纤传感器等。目前，尚没有一种针对如上应用领域的外部激光器波长稳定方案。据检索已有的激光器波长锁定的方案，大多数针对通信领域中波分复用(WDM，Wavelength-Division Multiplexing)系统的需求而设计，以避免相邻信道的光网络业务的干扰而中断。国际通信联盟(ITU)规定的WDM的波长间距分别为0.8nm和0.4nm，如果需要锁定的激光器波长间距不满足0.4nm的整倍数，若不重新定制相应特殊标准具则无法应用如上的方案进行波长锁定。值得注意的是，在微波光子学、光纤传感器等诸多应用领域，对于激光器更多的需求不是各个波长的“绝对”不漂移，而是一组波长的“相对”稳定且可调谐，即相互波长差锁定，如基于双波长激光器产生毫米波技术、微波光子信号滤波、双波长光纤温度传感器等应用，这些都是已有的外部激光器波长稳定方案所无法满足的。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，为应对现有的基于光纤通信领域WDM系统需求而设计的外部波长稳定方案的局限性，提出了一种具有高动态范围的半导体激光器波长锁定技术，实现了半导体激光器波长的动态锁定，该技术同时适用于WDM系统之外的更多场景，包括微波光子、光纤传感等应用领域。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种具有高动态范围的半导体激光器波长锁定系统，包括激光器阵列模块、波长漂移检测模块、波长漂移补偿模块，其中，激光器阵列模块包含一个“主”激光器、多个波长待锁定的“从”激光器、多个耦合器以及开关器件；波长漂移检测模块包含波分复用合/分波器、调制器、光纤、光开关以及平衡光电探测器；波长漂移补偿模块包含放大器、功分器、混频器，检波器。

激光器阵列模块包含一个主激光器和k-1个从激光器，每个激光器输出的连续光波经一路耦合器功率分配后按照m∶n的比例输出，k个激光器产生的连续光波经功率分配后分至2k路输出，k路分支信号输出至外部的实际应用系统中，另外k路分支信号耦合输入至波长漂移检测模块。耦合至波长偏移检测模块输入端的k路信号经波分复用合波器形成的光复用信号输入至调制器，在此由振荡产生的微波信号调制后经长度L、色散系数D的光纤传输，光纤传输的光信号耦合进入波分复用分波器后分解为k路光信号输出，光开关采集波分复用分波器输出的光信号后依据主激光器的频率和待锁定从激光器的频率选择两路光波输出，耦合进入平衡光电探测器的两路光波经解调后振荡产生频率为f_RF的微波信号。波长漂移补偿模块中的放大器对平衡光电探测器输出的微波信号进行放大后传输至功分器，功分器输出两路功率大小一致的信号，一路输出至波长漂移检测模块中的调制器，另一路输出至混频器的射频输入端口。混频器的本振端口连接频率为f_Lo的本征信号源。混频器拍频产生的信号输入至检波器，进而输出至激光器阵列模块中的开关器件，对选定的从激光器注入电流进行控制，调节其输出波长，使得主从激光器间的波长差满足Δλ_i<C，达成波长锁定。

激光器阵列模块中，包含k半导体激光器，正整数k≥2，其中，包含1个波长为λ₀的“主”激光器，和k-1个波长为λ₁～λ_k-1的波长待锁定的“从”激光器。经波长锁定后，k-1个“从”激光器的波长漂移跟随“主”激光器的波长动态变化，从而稳定了“主、从”激光器间的波长差。

激光器阵列模块中，t时刻波长待锁定的“从”激光器i与“主”激光器的波长差为Δλ_i,t，其中，整数i表示第i个“从”激光器，1≤i≤k-1，且当t＝0时，Δλ_i,0表示初始状态的“从”激光器i与“主”激光器的波长差；Δλ_i<C，其中所选C满足0<C≤0.05nm，则系统达成动态补偿的波长锁定。

激光器阵列模块中，耦合器的光功率分配比m∶n，其中，90≤m<100，0<n≤10，且m+n＝100。比例为m％的k路分支输出至外部的实际应用系统中；比例为n％的k路分支输入至波分复用合波器用于波长锁定。

波长漂移检测模块中，光纤的参数决定了波长锁定的性能，所选光纤长度L满足10≤L≤1000m，以保证1ms级别的波长锁定响应时间；光纤色散系数D满足16≤D≤200ps/(nm·km)，以保证0.01nm级别的波长锁定分辨率。

波长漂移检测模块中，光开关在k路输入光波中选择输出2路光波，其中，固定输出“主”激光器光波，波长为λ₀；另一路从k-1个波长待锁定的“从”激光器中，选择一路即刻要锁定的光波，波长记为λ′。

波长漂移补偿模块中，振荡产生的微波信号频率f_RF满足f_RF＝1/(Δλ_i,t·L·D)，在光纤长度L和光纤色散系数D保持不变的前提下，f_RF∝1/Δλ_i,t，即可表征“从”激光器与“主”激光器的波长差。

波长漂移补偿模块中，本征信号源频率f_LO＝1/(Δλ_i,0·L·D)+Δf₀，其中所选0<Δf₀≤1kHz，以保证在混频器中与f_RF产生的拍频信号避免尤其是50Hz或60Hz的低频噪声以及高次谐波的工频干扰。

波长漂移补偿模块中，本征信号源频率f_LO的可调谐范围决定了波长锁定的动态范围，其中所选0≤f_LO≤10GHz，以保证“从”激光器与“主”激光器的波长差介于0.5～50.5nm时波长可被锁定，相应动态范围达到50nm。

波长漂移补偿模块中，本征信号源f_LO频率的可调谐精度决定了波长锁定的分辨率，其中所选本征信号源频率的调谐精度不大于1MHz，即本征信号源的最小调谐步进不高于1MHz，以保证波长锁定的分辨率达到0.01nm。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)相比于已有的针对WDM系统需求采用标准具进行激光器锁定的系统，本发明避免了系统设计的复杂性，不需要根据不同的待锁定波长激光器进行标准具定制，本发明所需器件均为现有技术的成熟产品，便于产业化。

(2)相比于已有的针对WDM系统需求采用标准具进行激光器锁定的系统，本发明可根据所需要的锁定波长差，对本征信号源的可调谐频率、精度进行相应的选取，达到动态波长锁定的目的，同时具有良好的波长锁定分辨率。

(3)相比于已有的针对WDM系统需求采用标准具进行激光器锁定的系统，本发明中波长漂移补偿信号的产生采用了光电振荡环路，漂移补偿信号由以往仅在光域中产生转变为在光-电混合域中产生，兼有光域反馈信号的高响应性能以及电域反馈信号的高精准度与可调谐性。

附图说明

图1是本发明波长锁定装置的框图。

图2是本发明实施例中双激光器波长待锁定系统波长漂移的检测数据图，虚线表示“主”、“从”激光器波长未锁定时振荡产生的微波信号，实线表示“主”、“从”激光器波长锁定后振荡产生的微波信号。

图3是本发明实施例中双激光器波长待锁定系统随时间变化的波长漂移补偿数据图，空心方形连接线表示“主”激光器的波长漂移，空心圆形连接线表示“从”激光器的未锁定时波长漂移，空心三角形连接线表示“从”激光器的已锁定时波长漂移，填色圆形连接线表示“从”激光器的未锁定时与“主”激光器的波长差，填色三角形连接线表示“从”激光器的已锁定时与“主”激光器的波长差。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明公开的一种具有高动态范围的半导体激光波长锁定系统，包括：激光器阵列模块、波长漂移检测模块、波长漂移补偿模块，可以同时对k-1路波长待锁定的激光器进行波长差的锁定。

激光器阵列模块包含一个主激光器、k-1个从激光器和k个耦合器，每个激光器输出的连续光波经一路耦合器功率分配后按照m∶n的比例输出，k个激光器产生的连续光波经功率分配后分为功率占比为m％的k路分支输出信号、功率占比为n％的k路分支输出信号，功率占比为m％的k路分支输出信号传输至外部的实际应用系统中，功率占比为n％的k路分支输出信号耦合输入至波长漂移检测模块。

波长漂移检测模块包含波分复用合波器、调制器、光纤、波分复用分波器、光开关、平衡光电探测器，耦合至波长偏移检测模块输入端的功率占比为n％的k路分支输出信号经波分复用合波器形成光复用信号，光复用信号因振荡产生的微波信号经调制器调制后传输至长度为L、色散系数为D的光纤，光纤传输的光信号耦合进入波分复用分波器后分解为k路光信号输出，光开关采集波分复用分波器输出的光信号后选择主激光器的频率光波和待锁定从激光器频率光波输出，耦合进入平衡光电探测器的两路光波经解调后振荡产生频率为f_RF的微波信号。

波长漂移补偿模块包含放大器、功分器、混频器、检波器，放大器对平衡光电探测器输出的微波信号进行放大后传输至功分器，功分器输出两路功率大小一致的信号，一路输出至波长漂移检测模块中的调制器，另一路输出至混频器的射频输入端口。混频器的本振端口连接频率为f_LO的本征信号源，混频器拍频产生的信号输入至检波器，检波器从拍频信号中提取待锁定从激光器与主激光器的波长差信息后输出控制信号至激光器阵列模块中的开关器件，对选定的从激光器注入电流进行控制，调节其输出波长装置补偿差满足设定的要求。

以主从激光器的波长差满足Δλ_i<C为波长锁定目标，从主从激光器发出的连续光波中实时采集主从激光器的波长差，步进调谐本征信号源的频率动态补偿波长差。由于平衡光电探测器输出的微波信号的频率f_RF满足f_RF＝1/(Δλ_i,t·L·D)，本征信号源频率f_LO为f_LO＝1/(Δλ_i,0·L·D)+Δf₀，在光纤长度L和光纤色散系数D保持不变的前提下，f_RF∝1/Δλ_i,t，即可利用频率f_RF表征t时刻从激光器i与主激光器的波长差，而本征信号源频率f_LO受到初始状态下从激光器i与主激光器的波长差的Δλ_i,0约束，因此，通过步进调谐本征信号源的频率，使平衡光电探测器输出的微波信号的频率f_RF向其初始输出微波信号振荡频率漂移直至Δλ_i<C，达到波长锁定目标。

在本实施例中设计验证了1路激光器波长锁定的性能，即K＝2。“主”激光器波长λ₀＝1552nm，“从”激光器波长λ₁＝1540nm。由于激光器阵列数量的限定，图1所示系统框图中的部分器件可以省略，如波长漂移检测模块中的光开关器件，以及激光器阵列模块中的开关器件。若实际应用场景中激光器阵列数量K>2，则可以选用Thorlabs公司的OSW8104，1×4MEMS光开关或Analog Devices公司的ADGM1304，1×4MEMS开关。激光器阵列模块中，耦合器的光功率分配比90∶10。功率占比为90％的2路分支输出至外部的实际应用系统中；功率占比为10％的2路分支输入至波分复用合波器用于波长锁定。调制器选用铌酸锂(LiNbO3)光学强度调制器，例如Thorlabs公司的LN81S-FC。光纤选用G.652C波段色散补偿光纤，例如长飞公司DM1010-D光纤，其色散系数D≈150ps/(nm·km)，光纤长度设计为125m。

如图2所示，两激光器系统随时间变化的波长漂移补偿数据图。波长锁定后振荡产生的稳定微波信号，其频率f_RF＝2.254GHz，功率10dBm；而“主”、“从”激光器波长未锁定时，该信号频率由不确定的波长差影响而随机变化，其范围约571MHz。本实施例波长漂移补偿模块中，放大器选用基于宽带PHEMT的高有源定向性MMIC放大器，例如Mini Circuits公司MNA-6W+，其带宽0.5～5.5GHz，小信号增益13～22dB。功分器选用SMA同轴功率分频器，例如Pasternack公司PE2069，其带宽DC～6GHz。混频器选用双平衡混合器，例如Pasternack公司PE86X1024，其最大RF频率为4.2GHz，LO频率范围为最小800MHz，IF最小频率为直流。本振信号源选用集成VCO的微波宽带频率合成器，例如Analog Devices公司的ADF4355，RF输出频率范围：54～4400MHz，可实现小数N分频或整数N分频锁相环(PLL)的频率合成器，高分辨率38位模数，低相位噪声电压控制振荡器(VCO)，可编程1/2/4/8/16/32/64分频输出。本实施例本振信号源频率设定为f_LO＝2.25GHz。混频器拍频产生的信号输入至检波器，检波器选用RMS功率检波器和包络跟踪器，例如Analog Devices公司的HMC1120，其输入动态范围：-60～+8dBm，包络检波精度：±1dB，输入范围超过30dB，包络检波带宽>150MHz。进而检波信号输出至激光器阵列模块中，调节“从”激光器的注入电流，使其波长漂移跟随“主”激光器的波长变化。

如图3所示，在一天中上午09:00至晚上19：00，间隔30分钟测量“主”、“从”激光器波长漂移数据。“主”激光器的波长λ₀＝1552nm，由空心方形连接线表示，测试中波长漂移范围约3.0nm；“从”激光器波长λ₁＝1540nm，由空心圆形连接线表示，测试中波长漂移范围约3.1nm；填色圆形连接线表示“从”激光器的未锁定时与“主”激光器的波长差，在11.32～12.13nm约0.81nm的范围内随机变化。经本实施例动态补偿波长锁定后，空心三角形连接线表示“从”激光器已锁定时的波长漂移，波长漂移范围约3.1nm，与未锁定时3.0nm的范围相似，但对比“主、从”激光器间的波长差，显示明显减少；填色三角形连接线表示“从”激光器已锁定时与“主”激光器的波长差，在11.54～11.74nm约0.20nm的范围内随机变化，与未锁定时约0.81nm的范围对比，明显减小，由此本发明的技术方案稳定了“主、从”激光器间的波长差，达成了动态补偿的波长锁定。

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

Claims (9)

1.实现半导体激光器波长动态锁定的装置，其特征在于，包括：

激光器阵列模块，从主激光器及一组从激光器输出的连续光波信号中提取用于波长锁定的微波信号；

波长漂移检测模块，对激光器阵列模块输出的用于波长锁定的微波信号进行调制，输出频率受控于待锁定从激光器与主激光器波长差的微波信号；及，

波长漂移补偿模块，接收频率受控于初始状态下待锁定从激光器与主激光器波长差的本振信号源，从频率受控于待锁定从激光器与主激光器波长差的部分微波信号中提取波长漂移检测模块的调制控制信号，对剩余的频率受控于待锁定从激光器与主激光器波长差的微波信号进行变频处理后提取待锁定从激光器注入电流的控制信号。

2.根据权利要求1所述实现半导体激光器波长动态锁定的装置，其特征在于，所述激光器阵列模块包括：

一个主激光器，输出连续光波信号；

k-1个从激光器，每个从激光器的电流注入端与受控于波长漂移补偿模块的开关相连接，输出满足设定波长差要求的连续光波信号；及，

k个耦合器，每个耦合器耦合主激光器或一个从激光器输出的连续光波信号，输出用于波长锁定的微波信号以及输入至外部应用系统的微波信号。

3.根据权利要求1所述实现半导体激光器波长动态锁定的装置，其特征在于，所述波长漂移检测模块包括：

波分复用合波器，耦合用于波长锁定的微波信号，输出光复用信号；

调制器，耦合光复用信号，接收调制控制信号作用，输出调制后的微波信号；

光纤，传输其输入端耦合的调制后的微波信号；

波分复用分波器，将其输入端耦合的调制后的微波信号分解为光信号后输出；

光开关，耦合波分复用分波器输出的光信号，选择主激光器频率的光波信号和待锁定从激光器频率的光波信号后输出；及，

平衡光电探测器，对其输入端耦合的主激光器频率的光波信号和待锁定从激光器频率的光波信号解调，输出频率受控于待锁定从激光器与主激光器波长差的微波信号。

4.根据权利要求1所述实现半导体激光器波长动态锁定的装置，其特征在于，所述波长漂移补偿模块包括：

放大器，对其输入端接收的频率受控于待锁定从激光器与主激光器波长差的微波信号进行放大处理后输出；

功分器，对放大器输出的微波信号进行功率分配，输出一路微波信号至波长漂移检测模块的调制控制端口，输出另一路微波信号至混频器的射频输入端口；

混频器，其本振端口接本征信号源，输出拍频后的微波信号；及，

检波器，其输入端接收拍频后的微波信号，输出待锁定从激光器注入电流的控制信号。

5.根据权利要求1所述实现半导体激光器波长动态锁定的装置，其特征在于，波长漂移检测模块输出的频率受控于待锁定从激光器与主激光器波长差的微波信号，其频率f_RF满足f_RF＝1/(Δλ_i，t·L·D)，Δλ_i，t为t时刻波长待锁定的待锁定从激光器i与主激光器的波长差，L、D为光纤的长度和色散系数。

6.根据权利要求3所述实现半导体激光器波长动态锁定的装置，其特征在于，所述光纤长度L满足10≤L≤1000m，色散系数D满足16≤D≤200ps/(nm·km)。

7.根据权利要求5所述实现半导体激光器波长动态锁定的装置，其特征在于，所述本振信号源频率f_LO为f_LO＝1/(Δλ_i，0·L·D)+Δf₀，0≤f_LO≤10GHz，Δλ_i，0为初始状态下待锁定从激光器i与主激光器的波长差，Δf₀为保证在混频器中与f_RF产生的拍频信号避免低频噪声以及高次谐波工频干扰的频率，0＜Δf₀≤1kHz。

8.实现半导体激光器波长动态锁定的方法，通过权利要求1至7中任意一项所述装置实现，其特征在于，采集主激光器及一组从激光器输出的连续光波信号后提取用于波长锁定的微波信号，对用于波长锁定的微波信号进行调制获得包含待锁定从激光器与主激光器实时波长差信息的射频振荡信号，调谐本振信号源频率对待锁定从激光器与主激光器波长差进行补偿直至从激光器波长跟随主激光器波长。

9.根据权利要求8所述实现半导体激光器波长动态锁定的方法，其特征在于，本征信号源最小调谐步进不高于1MHz。

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