CN202150633U

CN202150633U - 波长可调谐激光器系统

Info

Publication number: CN202150633U
Application number: CN201120289301U
Authority: CN
Inventors: 李炎; 王官俊; 赵克
Original assignee: GUILIN UC INSTRUMENTS CO Ltd
Current assignee: GUILIN UC INSTRUMENTS CO Ltd
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2021-08-10

Abstract

本实用新型为高精度的波长可调谐激光器系统，本系统多个DFB激光模块平行并排或按扇形排列形成阵列，激光会聚于光波导。DFB激光器为单个阵列或多个阵列并排或层叠位于一个或多个TEC。激光束一路进入方向监测PD，另一路经Etalon后进入波长锁定PD，再一路为输出。微处理器接收TEC上的温度传感器、方向监测PD、波长锁定PD的输入信号，控制各DFB激光模块、各个TEC及方向控制镜。微处理器根据发射波长，选择某个DFB激光模块工作，控制TEC温度。控制方法为：先根据理论控制TEC粗调DFB输出波长，调整Etalon的TEC为设定温度，按Etalon传输效率得到输出激光波长、据此再精确控制DFB输出波长。本实用新型可以取得整个C+L波段的通讯波长范围的激光，精度高，稳定度高，结构简单。

Description

波长可调谐激光器系统

(一)技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，具体为一种高精度的波长可调谐激光器系统。

(二)背景技术

可调谐激光器广泛应用于光纤通讯和光纤传感器等系统，波长可调谐激光器能够大大减轻密集波分复用系统在光源配置、备份和维护上的巨大压力，提高光纤网络的性价比，是当前研究的热点。目前已开发出多种波长可调谐激光器，如分布式反馈(DFB)激光器、外谐振腔激光器(ECL)、微电子机械系统(MEMS)开关激光器等。其中分布式反馈(DFB)激光器具有较高的稳定性、良好的光谱和噪声特性，较好的功率输出，并且成本低、技术成熟。基于温控技术的DFB激光发射的波长变化取决于激光模块的温度。为了控制DFB激光器的波长稳定，必须采用自动温度控制装置，维持激光器的一定的工作温度。一般采用半导体热电制冷器(TEC)进行温度控制。改变温度可以对DFB激光器进行细微调谐。对于一个中心波长为1550nm的标准DFB激光，温度对波长的调谐精度大概是100pm/℃。也就是一个DFB激光器通过将激光模块的温度从10℃调整到60℃就可实现5nm的波长调谐。但是无法得到在较宽的波长范围内高精确调谐的激光器。

另一方面要对输出的激光波长高精度地进行调谐，就需要高精度地实时测定输出激光的波长，现有的一般光波长测定装置，难以达到实时反馈控制的要求。基于Etalon的波长计精度高、分辨率高，且扫描速度更有显著提高，但目前尚未有具体应用于激光器控制的报道。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种高精度的波长可调谐激光器系统。

本实用新型设计的波长可调谐激光器系统包括DFB激光模块、热电冷却器(TEC)和控制电路，所述DFB激光模块即为分布式反馈激光模块。DFB激光模块置于热电冷却器(TEC)上。DFB激光模块的电路、热电冷却器的电路与控制电路相连接，各个DFB激光模块的波长调谐范围不相同，各个DFB激光模块产生的激光会聚于光波导，系统输出不同波长的激光束。

8～20个DFB激光模块集合形成DFB激光模块阵列，DFB激光模块阵列的结构主要有以下两种：

8～20个DFB激光模块于同一平面平行并排，激光束经聚光透镜会聚于光波导。

或者8～20个DFB激光模块于同一平面按扇形分布排列，各DFB激光模块中心线的延长线交于一点，即它们产生的激光直接会聚于光波导。

DFB激光模块阵列构成DFB激光器，包括一维DFB激光器、分组二维DFB激光器和三维DFB激光器。

单个DFB激光模块阵列置于一个热电冷却器上构成一维DFB激光器。

2～4个DFB激光模块阵列、位于同一个热电冷却器上或者2～4个DFB激光模块阵列分别位于2～4个热电冷却器上，各激光模块阵列产生的激光会聚于同一光波导，构成分组二维DFB激光器。

2～4个DFB激光模块阵列位于同一个热电冷却器上、层叠放置或者2～4个DFB激光模块阵列分别位于2～4个热电冷却器上、层叠放置，各激光模块阵列产生的激光会聚于同一光波导，构成三维DFB激光器。

根据所需要的波长范围和DFB激光器体积大小，选择合适的DFB激光器组成形式。

放置DFB激光模块的热电冷却器本文称作A热电冷却器。

为了使各DFB激光模块输出的激光的波长保持高精度和稳定度，本可调谐激光器系统的控制电路包括微处理器、安装于A热电冷却器上的A温度传感器、Etalon、方向监测光电二极管阵列和波长锁光电二极管。

微处理器具有外置或内置的D/A和A/D转换电路。微处理器的各个输出信号均经D/A转换电路成为模拟信号；微处理器的各个输入信号均通过A/D转换电路成为数字信号。

A温度传感器可为热敏电阻，A温度传感器的信号接入微处理器的一个输入端(为叙述方便称为第一输入端，与输入顺序无关，以下与此相同)。DFB激光器产生的激光束经方向控制镜输出后由M分光器分成两路，其中第一路激光直接进入方向监测光电二极管阵列，监测阵列输出的电信号I₁接入微处理器另一输入端(称为第二输入端)；而第二路激光进入N分光计再分成两路，其中一路光束作为本系统的输出，另一路经过Etalon后再进入波长锁定光电二极管，波长锁定光电二极管得到的电信号I₂送入微处理器的再一个输入端(第四输入端)。各个DFB激光模块处于同一A热电冷却器，微处理器配有内置或外置的P多路切换控制模块，各DFB激光模块电路分别连接P多路切换控制模块的输出端，P多路切换控制模块的输入端连接微处理器的一个输出端(称为第一输出端)，微处理器根据本系统发射波长的需要，通过P多路切换控制模块控制各个DFB激光模块的输入电流，只有当前所需波长的DFB激光模块的输入电流非零、处于工作状态，且微处理器按当前系统所需发射功率控制该电流强度；在同一时刻其他DFB激光模块的输入电流均为零，即不工作、无发射光；微处理器的另一个输出端(称为第二输出端)接入A热电冷却器的温控电路控制其温度，从而进行激光波长调谐；微处理器的又一个输出端(称为第三输出端)连接方向控制镜的调节机构，调节方向控制镜、控制各个DFB激光模块输出光束耦合进入传输光路，调节输出光功率。

当多个DFB激光模块阵列分别处于多个A热电冷却器上时，各A热电冷却器分别安装有A温度传感器，微处理器的第二输出端经内置或外置的Q多路切换控制模块连接各A热电冷却器的温控电路，微处理器的第一输入端经内置或外置的R多路切换控制模块连接各A温度传感器。P、Q、R多路切换控制模块连动，微处理器选择控制某个DFB激光模块发光的同时，接收该DFB激光模块所处的A热电冷却器的A温度传感器当前温度信号、控制该A热电冷却器的温度。

Etalon的传输效率T的波长/频率响应特性随温度改变，为了保证Etalon的工作稳定，就要保证Etalon恒温工作，从而使其传输效率T不受环境温度影响。Etalon置于B热电冷却器上，并在B热电冷却器上安装有B温度传感器，B温度传感器的输出端接入微处理器的又一输入端(称为第三输入端)，提供B热电冷却器的温度反馈，微处理器的再一个输出端(称为第四输出端)连接B热电冷却器的温控电路控制其温度恒定。

所述方向监测光电二极管阵列为n×n个光电二极管阵列，n为2、或3、或4，阵列为对称结构，根据DFB激光器的DFB激光模块数量决定n的数量，DFB激光模块数量多，输出光斑大，那么所需阵列的监测光电二极管就多，且监测光电二极管个数越多，对激光方向控制越精密，但是影响整体尺寸和成本。调节方向控制镜即改变输出激光光束的方向时，或者改变DFB激光器输出光束的功率时，到达方向监测光电二极管阵列上各光电二极管的光强分布将变化，即反应出输出方向的X/Y位置光强的变化。微处理器依据光电二极管阵列上各光电二极管的输出信号，确定光强分布情况，计算输出激光功率，以调节方向控制镜和/或DFB激光器的输出功率。

微处理器与外部控制单元连接，接收波长设定的指令。外部控制单元是人机界面，和/或是通过有线无线连接的远程控制装置。

本实用新型波长可调谐激光器系统的控制方法如下：

Ⅰ、外部控制单元设定本系统输出波长范围，微处理器根据A热电冷却器上的A温度传感器的反馈信号和A热电冷却器设定波长的理论计算温度，产生控制A热电冷却器温控电路的误差指令信号，初步调整A热电冷却器的温度，对DFB激光器输出波长进行粗略调整，使其接近要求；

Ⅱ、微处理器根据B热电冷却器上的B温度传感器的温度反馈信号和Etalon的设定工作温度，产生控制B热电冷却器温度的误差指令信号，经第四输出端接入B热电冷却器温控电路，调整B热电冷却器的温度为Etalon设定的工作温度，形成Etalon的实时温度闭环控制，控制B热电冷却器温度保持恒定，从而保证Etalon恒温稳定工作；

Ⅲ、微处理器根据传输效率的反馈信息再对A热电冷却器进行进一步调整，从而对DFB激光器输出波长进行细微调整。微处理器读取方向监测光电二极管阵列输出电信号I₁反映输出激光功率，波长锁光电二极管的输出电信号I₂为经Etalon透射后的输出激光功率，故可计算Etalon的传输效率T＝I₂/I₁，由Etalon传输效率T的波长/频率响应特性得到当前输出的激光波长的信息，根据此波长信息和A热电冷却器上A温度传感器的温度反馈信号，微处理器产生控制A热电冷却器温度的误差指令信号，经第二输出端驱动控制A热电冷却器电路，形成波长锁定的实时闭环控制，精确控制DFB激光器输出波长，实现高精度和高稳定度的波长调谐。

Ⅳ、微处理器根据输出方向监测光电二极管阵列反馈的功率信号、M分光计、N分光计的分光的比例以及设定的激光器功率值，产生控制DFB激光器的指令信号电流，经第一输出端接入控制DFB激光器电路，和/或产生控制方向控制镜的指令信号电流，经第三输出端接入方向控制镜的驱动机构，调节方向控制镜、控制各个DFB激光模块输出光束进入传输光路，从而实现控制输出激光功率保持恒定，形成DFB激光器功率的实时闭环控制。

当多个DFB激光模块阵列分别处于多个A热电冷却器上时，各DFB激光模块阵列的A热电冷却器分别安装有A温度传感器，微处理器的第一输出端经P多路切换控制模块选择当前所需发射光波长相应的DFB激光模块，微处理器的第二输出端经Q多路切换控制模块连接控制该DFB激光模块所处的A热电冷却器温控电路，微处理器的第一输入端经R多路切换控制模块接收该热电冷却器的A温度传感器的温度信息。

本实用新型波长可调谐激光器系统的优点为：1、使用多个激光模块的组合阵列，并通过控制激光模块阵列的温度可以取得1525～1610nm的整个C+L波段的通讯波长范围的激光；2、控制精度高，激光模块阵列的热电冷却器温度控制精度达0.01℃，根据Etalon波长锁定系统的精确反馈，输出波长控制精度达1pm；3、稳定度高，激光器的输出波长和功率都有实时闭环控制。4、结构简单，体型小。

(四)附图说明

图1为本波长可调谐激光器系统实施例1的DFB激光器结构示意图；

图2为本波长可调谐激光器系统实施例1的系统结构示意图；

图3为本波长可调谐激光器系统实施例2的DFB激光器结构示意图；

图4为本波长可调谐激光器系统实施例3的DFB激光器结构示意图；

图5为本波长可调谐激光器系统实施例3的系统结构示意图；

图6为本波长可调谐激光器系统实施例4的DFB激光器结构示意图。

图内标号为：1、DFB激光模块；2、A热电冷却器TEC，3、聚光透镜，4、光波导，5、A温度传感器，6、B温度传感器。

(五)具体实施方式

波长可调谐激光器系统实施例1

如图1所示，本例20个DFB激光模块1平行排列于同一平面、处于同一热电冷却器(TEC)，即图中的A热电冷却器2，各DFB激光模块1产生的激光束经聚光透镜3会聚于光波导4。本例为一维DFB激光器。A热电冷却器2的温度变化范围为10～60℃，本例DFB激光器的波长调节范围为1525～1610nm，共20个通道，各通道波长间隔为4.5nm。

图2所示为本例波长可调谐激光器系统结构，包括微处理器、DFB激光器、A热电冷却器及安装于其上的A温度传感器、M分光计、N分光计、方向监测光电二极管阵列(方向监测PD阵列)、B热电冷却器及安装于其上的Etalon和B温度传感器，波长锁定光电二极管(波长锁定PD)。

微处理器内置A/D转换电路和D/A转换电路，图2中未显示。

所述A温度传感器和B温度传感器均为热敏电阻。

图2中虚线箭头为光路，DFB激光器产生的激光束从光波导首先引入M分光计分为两路光束，其中一束光直接进入方向监测光电二极管阵列，另一束光进入N分光计再次分成两束，其中一束经过Etalon后再进入波长锁定光电二极管，另一光束作为本系统的激光输出。

图2中实线箭头为电路，A温度传感器信号接入微处理器的第一输入端③，方向监测光电二极管阵列得到的电信号I₁送入微处理器的第二输入端⑤，B温度传感器的输出端接入微处理器第三输入端⑥，波长锁定光电二极管得到的电信号I₂送入微处理器的第四输入端⑧。微处理器的第一输出端①经外置P多路切换控制模块连接各个DFB激光模块，选择相应DFB激光模块并控制激光输出功率；微处理器的第二输出端②接入A热电冷却器的温控电路控制其温度；微处理器的第三输出端④接入方向控制镜，方向控制镜控制各个DFB激光模块输出光束耦合进入到传输光路，调节输出光功率；微处理器的第四输出端⑦接入Etalon热电冷却器控制其温度。

本例方向监测光电二极管阵列为2×2的光电二极管阵列，阵列为对称结构。

微处理器与外部控制单元连接。外部控制单元是人机界面和无线连接的远程控制装置。

若是输出激光的波长需要向长波调整，则控制电路通过控制A热电冷却器升温、使DFB激光器中各DFB激光模块的波长同时向长波方向调整；反之，若输出激光的波长需要向短波调整，则控制A热电冷却器降温。如此即可以通过控制DFB激光器的温度来实现输出激光的调谐。

本例的波长可调谐激光器系统及其控制方法产生的输出激光光束波长范围为1525～1610nm，覆盖整个C+L波段的通讯波长，调谐精度达1pm，稳定度高。

波长可调谐激光器系统实施例2

本例所用DFB激光器也是一维DFB激光器，如图3所示，10个DFB激光模块1在同一A热电冷却器2上按扇形分布排列于同一平面，各DFB激光模块1中心线的延长线交于一点，即它们产生的激光直接会聚于光波导4。

其它结构与实施例1相同。

本例的波长可调谐激光器系统产生的输出激光光束波长范围为1525～1568nm，覆盖整个C波段的通讯波长，调谐精度达1pm。

波长可调谐激光器系统实施例3

本例所用DFB激光器如图4所示，10个DFB激光模块1于同一平面上平行并排，各DFB激光模块1产生的激光束经聚光透镜3会聚于光波导4，构成1个DFB激光模块阵列。2个相同的DFB激光模块阵列各处于一个A热电冷却器2，2个A热电冷却器2平行并排，2个光波导并成一个，构成分组二维DFB激光器。

本例波长可调谐激光器系统结构如图5所示，其光路和电路与实施例1类似。2个DFB激光模块阵列分别位于2个A热电冷却器上，2个A热电冷却器各安装有A温度传感器。微处理器的第一输出端经外置P多路切换控制模块分别连接控制2个DFB激光模块阵列中的各个DFB激光模块，微处理器的第二输出端经外置Q双路切换控制模块分别连接2个热电冷却器的温控电路，微处理器的第一输入端经外置R双路切换控制模块连接2个A温度传感器。P多路切换控制模块和Q、R双路切换控制模块连动。

本例的波长可调谐激光器系统产生的输出激光光束波长范围为1525～1610nm，覆盖整个C+L波段的通讯波长，调谐精度达1pm，稳定度高。

波长可调谐激光器系统实施例4

本例所用DFB激光器如图6所示，10个DFB激光模块1于同一平面上平行并排，各DFB激光模块1产生的激光束经聚光透镜3会聚于光波导4，构成1个DFB激光模块阵列。两个相同的DFB激光模块阵列各处于一个A热电冷却器2，2个A热电冷却器2上下重叠，2个光波导并成一个，构成三维DFB激光器。

本例波长可调谐激光器系统如图5所示，与实施例3相同。

本例的波长可调谐激光器系统产生的输出激光光束波长范围和调谐精度与前例相同。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.波长可调谐激光器系统，包括DFB激光模块、热电冷却器和控制电路，所述DFB激光模块为分布式反馈激光模块，DFB激光模块置于热电冷却器上，热电冷却器电路与控制电路相连接，其特征在于：

各个DFB激光模块是波长调谐范围不相同的DFB激光模块，各个DFB激光模块产生的激光会聚于光波导，系统输出不同波长的激光束。

2.根据权利要求1所述的波长可调谐激光器系统，其特征在于：

8～20个DFB激光模块集合形成DFB激光模块阵列，8～20个DFB激光模块于同一平面平行并排，激光束经聚光透镜会聚于光波导；或者8～20个DFB激光模块于同一平面按扇形分布排列，各DFB激光模块中心线的延长线交于一点，即它们产生的激光直接会聚于光波导；

单个DFB激光模块阵列置于一个热电冷却器上构成一维DFB激光器；

或者，2～4个DFB激光模块阵列、位于同一个热电冷却器上或者2～4个DFB激光模块阵列分别位于2～4个热电冷却器上，各激光模块阵列产生的激光会聚于同一光波导，构成分组二维DFB激光器；

或者，2～4个DFB激光模块阵列位于同一个热电冷却器上、层叠放置或者2～4个DFB激光模块阵列分别位于2～4个热电冷却器上、层叠放置，各激光模块阵列产生的激光会聚于同一光波导，构成三维DFB激光器。

3.根据权利要求1或2所述的波长可调谐激光器系统，其特征在于：

上述放置DFB激光模块的热电冷却器称为A热电冷却器；

所述控制电路包括微处理器、安装于A热电冷却器上的A温度传感器、Etalon、方向监测光电二极管阵列和波长锁光电二极管；

微处理器具有外置或内置的D/A和A/D转换电路；微处理器的各个输出信号均经D/A转换电路成为模拟信号；微处理器的各个输入信号均通过A/D转换电路成为数字信号；

A温度传感器的信号接入微处理器的第一输入端，DFB激光器产生的激光束经方向控制镜输出后由M分光器分成两路，其中第一路激光直接进入方向监测光电二极管阵列，方向监测光电二极管阵列输出的电信号I₁接入微处理器第二输入端；而第二路激光进入N分光计再分成两路，其中一路光束作为本系统的输出，另一路经过Etalon后再进入波长锁定光电二极管，波长锁定光电二极管得到的电信号I₂送入微处理器的第四输入端；各个DFB激光模块处于同一A热电冷却器，各DFB激光模块电路分别连接微处理器的内置或外置的P多路切换控制模块输出端，P多路切换控制模块的输入端连接微处理器的第一输出端；微处理器根据本系统发射波长的需要，通过P多路切换控制模块控制各个DFB激光模块的输入电流，只有当前所需波长的DFB激光模块的输入电流非零、处于工作状态，且微处理器按当前系统所需发射功率控制该电流强度，在同一时刻其他DFB激光模块的输入电流均为零，无发射光；微处理器的第二输出端接入A热电冷却器的温控电路控制其温度，从而进行激光波长调谐；微处理器的第三输出端连接方向控制镜的调节机构。

4.根据权利要求3所述的波长可调谐激光器系统，其特征在于：

当多个DFB激光模块阵列分别处于多个A热电冷却器上时，各A热电冷却器分别安装有A温度传感器，微处理器的第二输出端经内置或外置的Q多路切换控制模块连接各A热电冷却器电路的温控电路，微处理器的第一输入端经内置或外置的R多路切换控制模块连接各A温度传感器；P、Q、R多路切换控制模块连动，微处理器选择控制某个DFB激光发光的同时，接收该DFB激光模块所处A热电冷却器A温度传感器的温度信号、控制该A热电冷却器的温控电路。

5.根据权利要求3所述的波长可调谐激光器系统，其特征在于：

所述Etalon置于B热电冷却器上，并在B热电冷却器安装有B温度传感器，B温度传感器的输出端接入微处理器的第三输入端，微处理器的第四输出端连接B热电冷却器温控电路。

6.根据权利要求3所述的波长可调谐激光器系统，其特征在于：

所述方向监测光电二极管阵列为n×n个光电二极管阵列，n为2、或3、或4，阵列为对称结构。

7.根据权利要求3所述的波长可调谐激光器系统，其特征在于：

所述微处理器与外部控制单元连接，外部控制单元是人机界面，和/或是通过有线无线连接的远程控制装置。