CN203491504U - 可调谐激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可调谐激光器，包括半导体致冷器、过渡热沉、激光器阵列芯片、微电机、光纤、第一分路器、模式转换器、单模光纤、第二分路器、波长锁定器、光探测器、激光器阵列芯片驱动电路、温控电路、微电机驱动电路和微处理器；微电机上设有可以沿微电机行程方向运动的滑块，光纤固定在微电机的滑块上，光纤与滑块固定的一端为激光入射端，另一端连接模式转换器；第一分路器通过单模光纤分别与模式转换器和第二分路器连接，第二分路器的另一端再与波长锁定器和光探测器连接；过渡热沉固定在半导体致冷器顶部，激光器阵列芯片固定在过渡热沉顶部。本实用新型具有功耗低、高精准、低成本等优点。

Description

可调谐激光器

技术领域

本实用新型属于激光光源领域，尤其涉及到一种可调谐激光器，适用于通信与传感的波长可调谐激光器。

背景技术

可调谐激光器是在一定波长范围内可以连续改变激光输出波长的激光器，其用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。随着WDM（波分复用）技术在光纤通信领域越来越多的应用，可调谐激光器将是现在和未来各高校与科研机构的一项研究重点，加之国内光通信企业正面临着产业技术升级的压力，这将极大的催生市场对可调谐激光器仪器需求。然而，目前实际情况是该类型产品基本依靠进口，不但价格昂贵且被为数不多的境外企业垄断。

实现激光波长调谐的原理大致有三种。大多数可调谐激光器都使用具有宽的荧光谱线的工作物质。构成激光器的谐振腔只在很窄的波长范围内才有很低的损耗。因此，第一种是通过某些元件（如光栅）改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长。第二种是通过改变某些外界参数（如磁场、温度等）使激光跃迁的能级移动。第三种是利用非线性效应实现波长的变换和调谐（见非线性光学、受激喇曼散射、光二倍频，光参量振荡）。 

目前国外可调谐半导体激光器的调谐实现原理主要可分为三种：电流调谐、温度调谐与机械调谐，而所选半导体激光器光源也由调谐方式所决定。

电流调谐是通过改变注入电流来实现波长的调谐，其调谐速度为ns级别，主要应用于SG-DBR（采样光栅DBR）与GCSR（辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。其一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的电流，使光纤光栅的相对折射率会发生变化，产生不同的光谱。通过不同区域光纤光栅产生的不同光谱的叠加进行特定波长的选择，从而产生需要的特定波长的激光。通过改变前后布拉格光栅区的注入电流来改变反射区材料有效折射率，布拉格波长随之变化，完成波长的粗调。接着调节相位区的电流使腔模同反射区的反射峰一致实现细调。但是此类型可调谐激光器存在跳模问题，会严重影响激光器工作时的稳定性。

温度调谐是调整激光腔内温度从而实现波长变化，主要应用于DFB激光器中。模块内一般内置FP标准具与光功率检测，另有两个独立的TEC一个用来控制激光器的波长，一个用来确保FP标准具与光功率检测器恒温工作。工作温度范围在-10度到50度时，可调谐6nm左右，但所需调谐时间是秒级别。

机械调谐一般采用MEMS来实现，适用于DFB结构与VCSEL结构。可调谐激光器主要包括DFB激光器阵列或VCSEL激光器阵列与MEMs部分和其他控制与辅助部分。通过控制MEMs部分的来对需要的特定波长进行选择，从而输出需要的特定波长的光。基于这种原理的可调谐激光器调谐时间一般为毫秒级别。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可调谐激光器，本实用新型功耗低、高精准、低成本。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种可调谐激光器，包括半导体致冷器、过渡热沉、激光器阵列芯片、微电机、光纤、第一分路器、模式转换器、单模光纤、第二分路器、波长锁定器、光探测器、激光器阵列芯片驱动电路、温控电路、微电机驱动电路和微处理器；微电机上设有可以沿微电机行程方向运动的滑块，光纤固定在微电机的滑块上，光纤与滑块固定的一端为激光入射端，另一端连接模式转换器；第一分路器通过单模光纤分别与模式转换器和第二分路器连接，第二分路器的另一端再与波长锁定器和光探测器连接；过渡热沉固定在半导体致冷器顶部，激光器阵列芯片固定在过渡热沉顶部，激光器阵列芯片驱动电路连接激光器阵列芯片为其提供驱动电流，半导体制冷器与激光器阵列芯片连接，温控电路连接半导体制冷器来控制激光器阵列芯片温度；激光器阵列芯片驱动电路与温控电路分别与微处理器连接，激光器阵列芯片驱动电路与温控电路的电信号由微处理器提供输出，激光器阵列芯片驱动电路提供偏置电流给激光器阵列芯片工作；微电机驱动电路的电信号由微处理器提供输出，微电机驱动电路驱动微电机工作；激光器阵列芯片输出的光信号从第一分路器通过第一端口对外进行数据输出，再通过第二端口连接第二分路器进行数据检测；其中，第二分路器第一端口连接波长锁定器检测光信号中的波长参数，第二端口连接光探测器检测光信号中的功率参数，完成对光信号的数据检测；这些检测数据又反馈给微处理器，从而维持整个***的正常工作。

阵列激光器为1×N的巴条型DFB激光器阵列，N为自然数。

微电机综合运动精度为1um，微电机为直径小于160mm或额定功率小于750W的电机。

光纤为通信类特种光纤。

模式转换器实现光纤到单模光纤的转换，典型损耗为3dB。

波长锁定器用来反馈波长偏移信号给微处理器。

光探测器为光电二极管，将耦合进光纤中的激光转换为电流，其电流反馈给微处理器来控制微电机驱动电路以控制行程使光纤达到最佳耦合位置。

激光器阵列芯片驱动电路、温控电路、微电机驱动电路以及微处理器集成在一个PCB电路板上。

第一分路器的反馈端口的分光比为1％-10％；第二分路器第一端口的分光比为50％。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点： 1、较高的耦合效率：光纤采用磨锥烧球后，与激光器芯片的耦合效率可达95%以上。光纤相比单模光纤容差较大，现有的一般微型电机精度即可满足在电机调节过程中较高耦合效率的要求。加上分路器与模式转换器的损耗，本可调谐激光器的耦合效率可达到45%以上。

2、调谐带宽大：本方案采用激光器阵列芯片+半导体致冷器温度调谐实现可调谐激光器。一般单颗芯片改变温度10度，波长改变1nm，改变40度可以稳定调节4nm的带宽，本方案中只需提高芯片数量即可实现超大范围的带宽调谐，8颗芯片的阵列即可实现32nm全C波段波长调谐。

3、低成本：本方案中使用的核心激光器阵列芯片为自主设计制作，保证芯片波长间隔的一致性，成本远远低于市场上一般可调谐激光器的DBR激光器芯片，其余部件都是市场已有的成熟技术，只需稍加调整即可。

附图说明

图1是本实用新型可调谐激光器的总体结构示意图。

图2是本实用新型可调谐激光器的原理图。 

具体实施方式  

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

结合图1和图2，一种可调谐激光器，由半导体致冷器1、过渡热沉2、激光器阵列芯片3、微电机4、光纤5、第一分路器6、模式转换器7、单模光纤11、第二分路器8、波长锁定器9、光探测器10、激光器阵列芯片驱动电路、温控电路、微电机驱动电路以及微处理器组成。本实用新型可调谐的实现方法是通过机械进行初步调谐，再通过电流与温度进行精确调谐。因此，激光器阵列芯片驱动电路提供合适的输出电流驱动激光阵列芯片，而温控电路通过半导体制冷器1给阵列激光芯片3提供合适的工作温度，上述两个驱动电路保证了阵列激光芯片3的正常工作条件并能够实现电流与温度的精确调谐。而机械的初步调谐是微电机驱动电路驱动微电机4工作带动光纤5进行耦合，其耦合过程的实现是通过微处理器通过控制微电机驱动电路来驱动微电机4，使其进行一维的直线扫描（不通顺，能否断句），扫描方向与沿阵列激光芯片3的排列方向一致。扫描过程中激光器阵列芯片3输出的光信号会进入光纤5中，再经过模式转换器7将光信号转入单模光纤11中，单模光纤11经第一分路器6通过第一端口对外进行数据输出，再通过第二端口连接第二分路器8进行数据检测，其中第一分路器6的出光端口与反馈端口的最优分光比例为9：1。再者，第二分路器8第一端口连接波长锁定器9检测光信号中的波长参数，第二端口连接光探测器10检测光信号中的功率参数，完成对光信号的数据检测，其中第二分路器8的第一端口与第二端口的最优分光比例为1：1。上述光探测器10检测到光功率参数又反馈给微处理器，微处理器根据光功率的大小来控制微电机调整光纤位置，直到光功率值达到预定光功率值从而完成微电机4的耦合工作。而波长锁定器9得到的波长参数也反馈给微处理器，微处理器4根据所得波长与预设波长的差值控制阵列激光芯片驱动电路与温控电路，直到所得波长值达到预设定光波长值，从而完成整个波长调谐工作。

激光器阵列芯片驱动电路是电流驱动电路，将微处理器提供的电压信号转换成电流信号以驱动激光器阵列芯片发出对应的光信号；温控电路是驱动半导体制冷器控制温度，将微处理器的电信号转化为温度信号，以保证激光器阵列芯片工作在合适的温度环境内；微电机驱动电路是驱动微电机工作并带动光纤移动，其功能低将微处理器的电信号转化为光纤的空间移动量；微处理器是对这个***进行控制的信息处理中心。

一种可调谐激光器，激光器阵列芯片3为四颗DFB激光器阵列芯片，在半导体致冷器1（TEC）控温25度下，波长分别为1529.55nm、1532.68nm、1535.82nm、1538.98nm（符合ITU-T光通讯标准）。激光器驱动电路给激光器阵列芯片提供偏置电流，温控电路用来调节半导体致冷器1的温度，而微处理器控制微电机4的直线行程使光纤与所需通道的激光器阵列芯片3耦合。耦合输出连接到模式转换器7，转为单模光纤11。单模光纤11接第一分路器6，其中95％端输出，5％端接入第二分路器8。第二分路器8将光1:1分路，再分别接入光探测器10与波长锁定器9。微电机控制电路通过检测光探测器10的电流进而控制微电机实现光纤与激光器阵列芯片3的耦合。同时，波长锁定器9检测波长是否达到预设波长，并将差分信号反馈给微处理器，微处理器通过温控电路来调节温度，控制波长。

光纤5采用100/125多模光纤，电机：三协SM06

实施例一，第1步，只给激光器阵列芯片中第一通道芯片供电30mA左右，TEC温度25度，光纤与第一颗激光器对准，实现输出波长1532.68nm；第2步，通过波长锁定器9的反馈，提高TEC温度为33度左右，输出波长1533.48nm；第3步，通过波长锁定器9的反馈，提高TEC温度为41度左右，输出波长1534.28nm；第4步，通过波长锁定器9的反馈，提高TEC温度为49度左右，输出波长1535.08nm；第5步，只给激光器阵列芯片中第二通道芯片供电30mA左右，通过光探测器10的反馈，驱动电机调节光纤与第二通道芯片对准，通过波长锁定器9的反馈，调节TEC温度为25度，输出波长1535.82nm；第5步，通过波长锁定器9的反馈，调节TEC温度为33度，输出波长1536.62nm；以此类推，实现12nm带宽，0.8nm间隔的可调谐激光输出。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可调谐激光器，其特征在于：包括半导体致冷器（1）、过渡热沉（2）、激光器阵列芯片（3）、微电机（4）、光纤（5）、第一分路器（6）、模式转换器（7）、单模光纤（11）、第二分路器（8）、波长锁定器（9）、光探测器（10）、激光器阵列芯片驱动电路、温控电路、微电机驱动电路和微处理器；微电机（4）上设有可以沿微电机（4）行程方向运动的滑块，光纤（5）固定在微电机（4）的滑块上，光纤（5）与滑块固定的一端为激光入射端，另一端连接模式转换器（7）；第一分路器（6）通过单模光纤（11）分别与模式转换器（7）和第二分路器（8）连接，第二分路器（8）的另一端再与波长锁定器（9）和光探测器（10）连接；过渡热沉（2）固定在半导体致冷器（1）顶部，激光器阵列芯片（3）固定在过渡热沉（2）顶部，激光器阵列芯片驱动电路连接激光器阵列芯片为其提供驱动电流，半导体制冷器与激光器阵列芯片（3）连接，温控电路连接半导体制冷器来控制激光器阵列芯片（3）温度；激光器阵列芯片驱动电路与温控电路分别与微处理器连接，激光器阵列芯片驱动电路与温控电路的电信号由微处理器提供输出，激光器阵列芯片驱动电路提供偏置电流给激光器阵列芯片（3）工作；微电机驱动电路的电信号由微处理器提供输出，微电机驱动电路驱动微电机（4）工作；激光器阵列芯片（3）输出的光信号从第一分路器（6）通过出光端口对外进行数据输出，再通过反馈端口连接第二分路器（8）进行数据检测；其中，第二分路器（8）第一端口连接波长锁定器（9）检测光信号中的波长参数，第二端口连接光探测器（10）检测光信号中的功率参数，完成对光信号的数据检测；这些检测数据又反馈给微处理器，从而维持整个***的正常工作。

2.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：阵列激光器为1×N的巴条型DFB激光器阵列，N为自然数。

3.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：微电机（4）综合运动精度为1um，微电机（4）为直径小于160mm或额定功率小于750W的电机。

4.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：光纤（5）为通信类特种光纤。

5.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：模式转换器（7）实现光纤（5）到单模光纤（11）的转换，典型损耗为3dB。

6.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：波长锁定器（9）用来反馈波长偏移信号给微处理器。

7.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：光探测器（10）为光电二极管，将耦合进光纤中的激光转换为电流，其电流反馈给微处理器来控制微电机驱动电路以控制行程使光纤达到最佳耦合位置。

8.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：激光器阵列芯片驱动电路、温控电路、微电机驱动电路以及微处理器集成在一个PCB电路板（12）上。

9.根据权利要求1所述的可调谐激光器，其特征在于：第一分路器（6）的反馈端口的分光比为1％-10％；第二分路器（8）第一端口的分光比为50％。

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