CN112362614B - 电流注入式dfb激光器阵列连续扫频驱动方法及测量光路 - Google Patents
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Abstract
一种电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法及测量光路,属于扫频光源技术领域。本发明针对现有阵列式DFB激光器采用大电流注入方式实现大范围扫频,影响激光器使用寿命的问题。方法包括:采用两只DFB激光器作为扫频光源,使其内部温度分别稳定于相应的温度预设值,并且两个温度预设值相差设定温差;所述设定温差使两只DFB激光器中对应的一对激光二极管的扫频波长差值为每只DFB激光器中相邻两激光二极管初始波长的一半;依次对两只DFB激光器内对应波长的一对激光二极管按时间先后顺序注入相同大小的电流,使其输出光频相差1.5nm;并使所有激光二极管的扫频范围达到1.5nm,实现对36nm范围内的连续无缝扫频。本发明使激光二级管注入的电流有效值显著降低。
Description
技术领域
本发明涉及电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法及测量光路,属于扫频光源技术领域。
背景技术
在FMCW(调频连续波)激光雷达以及光学相干断层扫描(OCT)***中,扫频激光光源的性能指标在整个***中起着举足轻重的作用。为适应高精密、高效率、低成本测量技术的需求,多种多样的扫频光源应运而生,主要包括DFB激光器(Distributed FeedbackLaser激光器,即分布式反馈激光器)、环形光纤激光器、外腔激光器、垂直腔面反射激光器等。其中环形光纤激光器与垂直腔面反射激光器由于技术原因而无法具有足够高的相干长度;而外腔激光器扫频速度低,价格昂贵,无法满足高效率、低成本应用的需求;单个DFB激光器由于具有良好的相干性并且成本低而更加令人容易接受,但其扫频范围相对较小,导致测量结果的分辨力相对较小,无法实现高精度测量。
DFB激光器的输出光频主要有两种调谐方式,即电流注入式与温度调谐式。其中,电流注入式实现难度低,速度快,但是对于同一激光器而言调谐范围相对调谐温度方法小;通过对激光二极管注入更高的电流可以获得更大的扫频范围。温度调谐式与电流注入式相反,其调谐范围大;但是由于热惯性的影响其调谐速度较慢,因而无法满足测量***的扫频速度需求。
基于此现状,某些研究机构采用阵列式DFB激光器作为新型扫频光源,该阵列式DFB激光器包含12个不同波段的激光二极管。根据所需波段波长,可以对某个特定激光二极管注入电流,并通过内部集成的TEC闭环控制其温度,从而实现输出特定波段内的任意光频值,因此可作为激光通信中不同信道的光源。有研究机构在将阵列式DFB激光器用作扫频时,采用了如下方式:首先,使用内部集成的TEC闭环温度控制器,将激光器的内部温度稳定在某一固定值,再对激光器中的每个二极管依次注入数倍于额定电流的脉冲大电流,从而单纯利用电流注入方式实现大范围扫频:其单个激光管扫频范围可超过3nm,整个激光器的扫频范围可达36nm。
然而,在实际应用中,这种扫频光源的实现方式还存在如下问题:由于每个激光二极管在使用过程中承受了数倍于自身额定电流的过热冲击,激光器的寿命将会大幅降低。为了降低对寿命的负面影响,可以减少电流注入的持续时间;但是这同时意味着在测量过程中产生的拍频信号频率的大幅提升,对后期的采集与处理带来压力。因此,所述扫频光源的实现方式中激光器寿命与测量信号采集、处理难度形成难以调和的矛盾。
因此,迫切需要设计一种在不影响激光器寿命的情况下可以产生理想测量信号的扫频光源。
发明内容
针对现有阵列式DFB激光器作为扫频光源时,采用大电流注入方式实现大范围扫频,对激光器的使用寿命会造成负面影响的问题,本发明提供一种电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法及测量光路。
本发明的一种电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法,包括,
采用两只DFB激光器作为扫频光源,使两只DFB激光器的内部温度分别稳定于相应的温度预设值,并且两只DFB激光器的温度预设值相差设定温差;所述设定温差使两只DFB激光器中对应的一对激光二极管的扫频波长差值为每只DFB激光器中相邻两激光二极管初始波长的一半;
依次对两只DFB激光器内对应波长的一对激光二极管按时间先后顺序注入相同大小的电流,使其输出光频相差1.5nm;并使所有激光二极管的扫频范围达到1.5nm,实现对36nm范围内的连续无缝扫频。
根据本发明的电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法,所述设定温差包括20℃。
根据本发明的电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法,其中一只DFB激光器的温度预设值为15℃;另一只DFB激光器的温度预设值为35℃。
本发明还提供了一种测量光路,扫频光源采用所述的电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法,所述测量光路包括1号耦合器、2号耦合器、3号耦合器、PBS、聚焦***、辅助干涉仪、1号探测器、2号探测器、采集模块和处理模块;
扫频光源内两只DFB激光器依次输出的光经1号耦合器分束后,一束光入射至2号耦合器,另一束光入射至辅助干涉仪;
2号耦合器对入射光进行分束,获得两束光;其中,一束光作为探测光经PBS处理后入射至聚焦***,聚焦***对输入光束聚焦后打在目标上,经目标反射后的光再经过聚焦***聚焦和PBS处理后,入射至3号耦合器;另一束光作为本振光入射至3号耦合器;
3号耦合器对接收的两束光进行合束并传输至1号探测器进行光电探测,获得1号电信号发送至采集模块;
辅助干涉仪对入射光束进行处理后,产生拍频信号发送至2号探测器进行光电探测,2号探测器获得的2号电信号发送至采集模块;
采集模块将接收的两个电信号发送至处理模块,处理模块用于对两个电信号进行谱分析处理,获得目标距离。
根据本发明的测量光路,获得目标距离的方法包括:
处理模块将接收的2号电信号作为已知的正交基,与1号电信号进行卷积运算实现频谱分析,基于1号电信号与2号电信号中含有相同的跳模,在卷积运算的过程中2号电信号与1号电信号中的跳模相互抵消,从而获得携带有目标信息的距离谱,根据距离谱获得目标距离。
本发明的有益效果:本发明采用对两只稳定于不同温度的DFB阵列激光器轮流依次注入电流的方式。基于此方式,每只激光二级管注入的电流有效值可以显著降低,从而减少对激光器使用寿命的负面影响;扫频速度也可以随之降低,使FMCW激光雷达在采集带宽不变的情况下测量更远的距离;同时价格远低于外腔式激光器。相比于现有的其他扫频光源方案,本发明在各项重要指标中均可表现出更为明显的优势,可以满足FMCW激光雷达以及光学相干断层扫描***更精密、更稳定的测量要求。
附图说明
图1是FM/CW激光雷达的调频示意图;图中纵坐标f为拍频频率;
图2是FM/CW激光雷达的拍频信号时域波形图;
图3是本发明所述测量光路的原理示意图;
图4是现有采用阵列式DFB激光器作为扫频光源的测量光路原理示意图;
图5是采用本发明所述扫频驱动方法时,每只二极管承受的电流示意图;
图6是采用现有扫频驱动方法时,每只二极管承受的电流示意图。
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的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1至图4所示,本发明的第一方面提供了一种电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法,包括,
采用两只DFB激光器作为扫频光源,使两只DFB激光器的内部温度分别稳定于相应的温度预设值,并且两只DFB激光器的温度预设值相差设定温差;所述设定温差使两只DFB激光器中对应的一对激光二极管的扫频波长差值为每只DFB激光器中相邻两激光二极管初始波长的一半;
依次对两只DFB激光器内对应波长的一对激光二极管按时间先后顺序注入相同大小的电流,使其输出光频相差1.5nm;并使所有激光二极管的扫频范围达到1.5nm,实现对36nm范围内的连续无缝扫频。
本实施方式中,可以根据需要设置两只激光器的内部温度,作为示例,设定温差可以为20℃,此时,两只激光器中对应激光管的扫频波长差值为,每只激光器中相邻两激光管初始波长的一半。由于激光管发光时的波长受温度及电流同时控制,本发明方法利用稳定温度产生特定波长差,然后利用电流扫频方式使得两只激光器无缝扫描过整个波段。
作为示例,对两只DFB激光器注入电流的形式可以为:对两只DFB激光器中对应的二级管对一、二级管对二依次进行控制,先对二级管对一中的一只二极管注入目标电流,待此扫频周期结束后,再对另一只二极管注入相同电流;然后再对二级管对二中的一只二极管注入相同的驱动电流,依此类推。
本实施方式为FMCW激光雷达以及光学相干断层扫描(OCT)***提供高精度、大范围、低成本的扫频光源解决方案。FM/CW激光雷达采用锯齿波调频方式对可调谐激光器进行调频,调频及拍频信号示意图如图1和图2所示,被测距离RT的计算公式为:
其中,fIF为拍频频率,Tm为调频周期,c为光速,Ω为调频范围;
扫频干涉绝对距离测量的距离极限分辨率ΔR为:
式中B为激光器的扫频带宽。
由公式(2)可知,提高扫频光源的扫频带宽,可以提高测距精度。
为设计出拍频信号易被探测的、带宽满足高精度测量要求的、寿命长且稳定可靠的扫频光源,本实施方式采用对两只稳定于不同温度的DFB阵列激光器轮流依次注入电流的方式。基于此方式,每只激光二级管注入的电流有效值可以显著降低;扫频速度也可以随之降低,使FMCW激光雷达在采集带宽不变的情况下测量更远的距离;同时价格远低于外腔式激光器。相比于现有的其他扫频光源方案,本发明在各项重要指标中均可表现出更为明显的优势,可以满足FMCW激光雷达以及光学相干断层扫描(OCT)***更精密、更稳定的测量要求。
进一步,其中一只DFB激光器的温度预设值为15℃;另一只DFB激光器的温度预设值为35℃。
本实施方式中,两只激光器可以分别使用各自的TEC与热敏元件配合***电路构成温控***,使其内部温度稳定于15℃与35℃。由于两只激光器的一致性相对较好,此时对两只激光器内对应波长的激光二极管注入相同大小的电流,则两者对应的输出光频会相差1.5nm。此时,只要保证两只激光器内的24只二极管依次扫过达到1.5nm的范围就可以实现在36nm总扫频范围内连续无缝覆盖。在实际操作中,可以使每只激光二极管的扫描范围略大于1.5nm,确保在扫频范围内可以连续无缝覆盖。
相比于现有技术,本发明中每只激光二极管的扫频长度可由3nm降低至一半,由图5及图6可知,本发明方法注入电流的幅度与时间均可得到有效降低。
经验表明,激光二极管的使用寿命与其PN结上产生的热积累紧密相关,即产生的热积累越低,使用寿命越长。将激光二极管视为纯电阻结构,由电热的计算公式Q=I2Rt可知,随着电流I与注入时间t的减少,激光器工作过程中产生的热量Q将明显降低,从而大幅度提升其使用寿命。其中R为激光二极管的电阻。
在本发明所述驱动方法的基础上,可以通过适当加长电流的注入时间t来降低激光器的扫频速度,由公式(1)可知,扫频速度的降低意味着FMCW激光雷达测距***对一定距离被测目标拍频信号的降低,这使得***在不改变探测与采集带宽的情况下扩大了测量范围。
具体实施方式二、结合图3至图6所示,本发明的另一方面还提供了一种测量光路,扫频光源采用具体实施方式一所述的电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法,所述测量光路包括1号耦合器、2号耦合器、3号耦合器、PBS、聚焦***、辅助干涉仪、1号探测器、2号探测器、采集模块和处理模块;
扫频光源内两只DFB激光器依次输出的光经1号耦合器分束后,一束光入射至2号耦合器,另一束光入射至辅助干涉仪;
2号耦合器对入射光进行分束,获得两束光;其中,一束光作为探测光经PBS处理后入射至聚焦***,聚焦***对输入光束聚焦后打在目标上,经目标反射后的光再经过聚焦***聚焦和PBS处理后,入射至3号耦合器;另一束光作为本振光入射至3号耦合器;
3号耦合器对接收的两束光进行合束并传输至1号探测器进行光电探测,获得1号电信号发送至采集模块;
辅助干涉仪对入射光束进行处理后,产生拍频信号发送至2号探测器进行光电探测,2号探测器获得的2号电信号发送至采集模块;
采集模块将接收的两个电信号发送至处理模块,处理模块用于对两个电信号进行谱分析处理,获得目标距离。
进一步,获得目标距离的方法包括:
处理模块将接收的2号电信号作为已知的正交基,与1号电信号进行卷积运算实现频谱分析,基于1号电信号与2号电信号中含有相同的跳模,在卷积运算的过程中2号电信号与1号电信号中的跳模相互抵消,从而获得携带有目标信息的距离谱,根据距离谱获得目标距离。
本发明方法使得阵列式DFB激光器可以以相对较低的热积累长时间稳定工作。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明,但是应该理解的是,这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是,可以对示例性的实施例进行许多修改,并且可以设计出其他的布置,只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是,可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是,结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (5)
1.一种电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法,其特征在于包括,
采用两只DFB激光器作为扫频光源,使两只DFB激光器的内部温度分别稳定于相应的温度预设值,并且两只DFB激光器的温度预设值相差设定温差;所述设定温差使两只DFB激光器中对应的一对激光二极管的扫频波长差值为每只DFB激光器中相邻两激光二极管初始波长的一半;
依次对两只DFB激光器内对应波长的一对激光二极管按时间先后顺序注入相同大小的电流,使其输出光频相差1.5nm;并使所有激光二极管的扫频范围达到1.5nm,实现对36nm范围内的连续无缝扫频。
2.根据权利要求1所述的电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法,其特征在于,所述设定温差包括20℃。
3.根据权利要求2所述的电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法,其特征在于,其中一只DFB激光器的温度预设值为15℃;另一只DFB激光器的温度预设值为35℃。
4.一种测量光路,其特征在于,扫频光源采用权利要求3所述的电流注入式DFB激光器阵列连续扫频驱动方法,所述测量光路包括1号耦合器、2号耦合器、3号耦合器、PBS、聚焦***、辅助干涉仪、1号探测器、2号探测器、采集模块和处理模块;
扫频光源内两只DFB激光器依次输出的光经1号耦合器分束后,一束光入射至2号耦合器,另一束光入射至辅助干涉仪;
2号耦合器对入射光进行分束,获得两束光;其中,一束光作为探测光经PBS处理后入射至聚焦***,聚焦***对输入光束聚焦后打在目标上,经目标反射后的光再经过聚焦***聚焦和PBS处理后,入射至3号耦合器;另一束光作为本振光入射至3号耦合器;
3号耦合器对接收的两束光进行合束并传输至1号探测器进行光电探测,获得1号电信号发送至采集模块;
辅助干涉仪对入射光束进行处理后,产生拍频信号发送至2号探测器进行光电探测,2号探测器获得的2号电信号发送至采集模块;
采集模块将接收的两个电信号发送至处理模块,处理模块用于对两个电信号进行谱分析处理,获得目标距离。
5.根据权利要求4所述的测量光路,其特征在于,获得目标距离的方法包括:处理模块将接收的2号电信号作为已知的正交基,与1号电信号进行卷积运算实现频谱分析,基于1号电信号与2号电信号中含有相同的跳模,在卷积运算的过程中2号电信号与1号电信号中的跳模相互抵消,从而获得携带有目标信息的距离谱,根据距离谱获得目标距离。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yu Zehao Inventor after: Liu Guodong Inventor after: Gan Yu Inventor before: Gan Yu Inventor before: Liu Guodong Inventor before: Yu Zehao |
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CB03 | Change of inventor or designer information | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |