专利名称：光纤传感用波长可调谐光源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光纤传感用光源，特别是涉及光纤传感用波长可调谐的激光光 源。
背景技术：
波长可调谐激光器在波分复用光通信，光纤传感，光电元器件测量领域具有广泛 的用途，实现波长可调谐的方式有很多种。其基本类别分为外腔调制型和InP基的DBR (分 布布拉格，distributed bragg reflector)反射镜激光二极管。另外的方式有温度调谐的 DFB(分布反馈)激光二极管阵列或者波长可调谐的VCSEL(面发射)激光二极管等。光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感 技术。与传统的电信号传感相比，它具有不受电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘，防爆性好，重量轻， 灵敏度高，容易实现对被测信号的远距离监控等特点，典型的光纤光栅传感系统由宽带光 源，光分束器，光纤光栅，光探测器，波长解调装置构成。其中宽带光源为半导体超辐射发光 管，或者掺饵光纤放大器自发辐射光源，光纤光栅的波长解调装置最典型的为可调谐FP腔 构成的可调谐滤波器或者微型光谱仪，宽带光源和波长解调装置均价格昂贵，因此如何降 低光源和解调器的成本成为推广光纤光栅传感器应用的关键。对于光纤传感的应用，传统的波长可调谐光源均存在不足，外腔调制型波长可调 谐光源制造工艺复杂，体积比较大，价格昂贵；DBR激光二极管波长调谐不连续，控制复杂， 很难应到光纤传感系统；而温度调谐的DFB激光二极管调谐速度比较慢，导致响应时间太长。传统的DFB激光二极管波长随电流的变化只有0. 007nm/mA左右，典型的DFB激 光二极管最高驱动电流在100-200mA左右，因此传统的DFB激光二极管在允许的工作电流 变化范围内波长总的变化一般只有0. 7-1. 4nm。而典型的单模长波长面发射激光二极管波 长随电流的变化可以到0. 3nm/mA左右，典型的单模长波长面发射激光二极管最高驱动电 流在10-20mA左右，因此面发射激光二极管在允许的工作电流变化范围内波长总的变化为 3-6nm,由于传感用的光纤光栅波长变化范围一般在1. 5-2纳米左右，因此对于单只DFB激 光二极管，仅仅通过电流扫描的方式难以覆盖光纤光栅波长的变化，面发射激光二极管可 以覆盖单只光纤光栅波长的变化，但是如果系统使用不同波长的光纤光栅，单只DFB激光 二极管或者面发射激光二极管的波长的变化会显得不足。虽然可以通过改变DFB激光二极 管或者面发射激光二极管的温度将波长的变化范围扩大，但温度调谐的速度太慢，一般在 秒级，不能满足实时传感的要求。中国专利申请200610109382. 7公开了利用DFB激光器作光源，可以降低系统的成 本，但DFB激光器波长的变化范围比较小，而且需要采用温度调谐的方法，调谐速度慢。中 国专利200820214245. 4公开了一种面发射激光器构成的光纤光栅传感装置，但是由单个 面发射激光器构成的光源波长扫描范围仍然比较有限。发明内容本实用新型要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，而提出一种成本 低，波长可以连续调谐，波长扫描范围宽的光纤传感用波长可调谐光源。本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案是，设计制造一种光纤传感用波长 可调谐光源，包括至少两只中心波长不同的单模激光二极管、用以将所述各个单模激光二 极管的发射的波长可调谐激光组合成一个光源的激光组合机构以及用以对所述激光组合 机构输出的激光进行波长定标的定标机构。所述各个单模激光二极管为DFB激光二极管或者面发射激光二极管。所述各个单模激光二极管发射的激光是能够扫描一个小的波长区段的，所述激光 组合机构输出的光源是能够扫描一个大的波长区段的。所述各个单模激光二极管的中心波长是能够通过温度调节而改变的，所述各个单 模激光二极管的波长调谐是能够通过电流调谐而实现的并且在电流调谐时所述各个单模 激光二极管的温度保持恒定。所述激光组合机构包括激光组合器件和与该激光组合器件的输出相连的一单模 光纤，所述激光组合器件是光纤分束器、光开关、光纤分束器与光开关的组合或者光纤分束 器与波分复用器的组合。所述定标机构包括激光分束器件和与该激光分束器件的输出相连的定标器件。所述激光分束器件是光纤分束器。所述定标器件是与所述激光分离器件的至少一个输出支路对应相连的至少一个 光纤光栅、FP滤波器或者光纤光栅与FP滤波器的组合。与现有技术相比，本实用新型的光纤传感用波长可调谐光源的有益效果包括调 谐速度快，调谐范围可以通过增加DFB激光二极管或者面发射激光二极管的数量而增加， 成本低。
图1为本实用新型的光纤传感用波长可调谐光源的原理结构示意图。图2为本实用新型的光纤传感用波长可调谐光源中激光组合机构采用NXl光纤分 束器构成的结构示意图。图3为本实用新型的光纤传感用波长可调谐光源中激光组合机构采用NXl路光开 关构成的结构示意图。图4为本实用新型的光纤传感用波长可调谐光源中激光组合机构采用光纤分束 器和光开关组合构成的结构示意图。图5为本实用新型的光纤传感用波长可调谐光源中激光组合机构采用光纤分束 器和粗波分复用器组合构成的结构示意图。
具体实施方式
以下结合各附图所示之最佳实施例作进一步详述。图1为本实用新型的光纤传感用波长可调谐光源的原理结构示意图，N(N ^ 2)只 DFB激光二极管或者面发射激光二极管输出的光通过一个NXl光耦合单元(也就是激光组合器件)耦合进一根单模光纤，单模光纤连接一定标机构，该定标机构包括IXM光纤分束 器，每个分光支路中都可以连接波长参考单元(也就是定标器件)或直接作为可调谐光源 的光输出通道，波长参考单元可以放置到M个分光支路中的任意一路或者多路，该波长参 考单元可以由一只或者多只光纤光栅构成，也可以由1只或者多只FP滤波器构成，或者由 光纤光栅和FP滤波器的组合构成。该波长参考单元的输出信号可接探测器(图未示出)， 探测光纤光栅反射或者FP滤波器透射信号，在某一个扫描电流下，光纤光栅的反射信号或 FP滤波器的透射信号将出现一个峰值，表明此时扫描光源的波长和定标器件的波长匹配， 该扫描电流对应的DFB激光二极管波长等于光纤光栅波长或者FP滤波器波长，由于光纤光 栅反射，FP滤波器透射的波长保持恒定，因而该扫描电流下DFB激光二极管或者面发射激 光二极管的波长被精确测量，作为定标器件的光纤光栅或者FP滤波器数量越多，DFB激光 器波长被精确测试的点越多，波长输出越精确。为了保持波长参考单元波长的恒定，光纤光 栅和/或FP滤波器的温度、应变以及应力等外界环境变量应保持恒定。图1中的NXl光耦合单元可以有以下多种构成方式最简单的方式是采用IxN光纤分束器的方式，如图2所示，N只DFB激光二极管或 者面发射激光二极管的输出从IxN功率均分的光纤分束器的N个端口输入，然后从一根单 模光纤输出。在图2中，N只激光二极管轮流导通，流过激光二极管的电流线性变化，引起 激光二极管的波长连续变化，N只激光二极管的中心波长分别调节到合适的位置，使得N只 激光二极管扫描电流变化时的波长变化叠加形成一个波长变化范围更大的扫描光源，当其 中一只激光二极管导通进行电流扫描时，其余激光二极管关闭，所有激光二极管完成一次 电流扫描后就完成一次波长扫描周期，然后重复扫描。每只激光二极管只完成一小段波长 的扫描，N只激光二极管的组合完成一个更大范围的波长扫描。IxN功率等分的光纤分束器 的缺点是最多只有1/N的光耦合进单模光纤，光损耗比较大。为了降低光损耗，可以考虑使用如图3所示的光开关的工作方式，NXl光开关的N 个输入口与N只DFB激光二极管或者面发射激光二极管的输出相连，光开关的输出为单模 光纤，光开关轮流与N只激光二极管接通，接通后激光二极管电流开始扫描，扫描结束后， 光开关切换到下一只激光二极管，进行下一个电流扫描。当所有激光二极管都完成一个电 流扫描周期时，完成一个波长扫描周期。使用光开关的好处是光损耗仅仅是光开关的插入 损耗，没有IXN光纤分束器N倍的固有损耗。但是光开关的成本比较高。上述光纤分束器和光开关也可以组合起来使用，以降低光开关的数量，节省成本， 同时又使得光损耗不至太大。组合方式如图4所示N只激光二极管分成M组，每组都包含 1只或者多只激光二极管，每组都通过等分的光纤分束器耦合进一根单模光纤，然后M组再 通过MXl光开关耦合进一根单模光纤。为了进一步降低成本，如图5所示，还可以使用粗波分复用器来代替光开关。波分 复用器可以将波长不同的光耦合进入同一根光纤而不会引起额外的损耗。粗波分复用器件 的中心波长从1270nm 1610nm，波长间隔为20nm，共有18个通道，具体实施方式
如下首 先将N只激光二极管按照CWDM定义的中心波长和波分复用器的通带宽度分成M组，通带宽 度一般为中心波长+-7nm，激光二极管的波长都必须在此通带波长范围内，分组后，每组中 的激光二极管都通过等分的光纤分束器耦合进单模光纤，然后M组再通过粗波分复用器耦 合进一根单模光纤。这种方式不需要使用光开关，同时除了波分复用器本身的插入损耗外，不会有额外的损耗。本实用新型实施的关键在于必须选择合适波长的DFB激光二极管或者面发射激 光二极管，如果是用于光纤光栅传感系统，DFB激光二极管或者面发射激光二极管的波长需 要与光纤光栅的中心波长匹配。在具体实施方式
中，DFB激光二极管可以选用DWDM专用 DFB激光二极管，面发射激光二极管的波长也需要精确选定，同时DFB激光二极管或者面发 射激光二极管的中心波长可以通过温度加以微调，调节到所需要的中心波长上。本实用新型在DFB激光二极管或者面发射激光二极管进行电流扫描时，DFB激光 二极管或者面发射激光二极管温度保持恒定，以便获得精确，重复的波长扫描。这可以通过 半导体制冷片控温来实现，但仅仅采取温度稳定措施仍然不能获得高的波长精度。比如 DFB激光二极管的波长随温度的变化大概为0. 08nm/°C，如果温度的稳定范围为士 1°C，那 么波长的漂移为士0. 08nm，因此在本实用新型的光源中增加了参考光纤光栅或者参考FP 滤波器，参考光纤光栅或者FP滤波器保持恒定的温度，应变，应力等，以保证参考光纤光 栅或者FP滤波器的中心波长在外界环境变化时保持稳定，从而提供稳定的参考波长。比 如参考光纤光栅的中心波长为Xci，假定温度稳定范围为士 1°C，由于光纤光栅波长随温 度的变化为0. 01nm/°C，所以参考波长的稳定度为λ 0±0. Olnm，假定此时由DFB激光二极 管测试得到的参考光纤光栅的波长为但实际上波长应该为Xci，所以波长的测试误差 为(Κ-Κ)，这说明DFB激光二极管的真实波长需要在原来的基础上减去这个波长误差 (λ r λ J。通过这样的校准，DFB激光二极管波长的精度原理上和参考光纤光栅波长稳定 度相同。参考光纤光栅或者FP滤波器的数量越多，波长测试越精确。本实用新型采用电流扫描的方式改变DFB激光二极管或者面发射激光二极管的 波长，通过组合多只不同波长的DFB激光二极管或者面发射激光二极管的方式克服单只器 件波长变化范围不足的缺点，构成低成本，快速响应的可调谐光源。比如单只DFB激光二极 管波长扫描范围为lnm，由2只中心波长相差Inm的DFB激光二极管构成的光源波长扫描范 围就可以达到2nm，覆盖光纤光栅波长的变化范围，DFB激光二极管中心波长可以通过改变 温度进行调节，将DFB中心波长错开一定的距离，同时使得两只DFB激光二极管扫描波长范 围有一定重度的重叠，构成波长连续扫描的光源。N只这样的DFB激光二极管构成的光源， 原则上波长扫描范围可以到N nm，因此30只DFB激光二极管组合成的本实用新型光源可以 构成30nm波长连续变化的波长可调谐光源。与现有技术相比，本实用新型中DFB激光二极管或者面发射激光二极管由于采用 电流扫描的方式因而响应速度可以很快，由于电流的扫描步长可以做得很小，因而波长调 谐精度高。调谐范围可以通过增加DFB激光二极管或者面发射激光二极管的数量而增加， 因而调谐范围可变。DFB激光二极管或者面发射激光二极管可以采用同轴封装方式，成本低 廉同时体积很小，这种由多只DFB激光二极管或者面发射激光二极管构成的波长可调谐光 源可以用到光纤传感领域，光电元器件测试或者光纤通信领域。以上，仅为本实用新型之较佳实施例，意在进一步说明本实用新型，而非对其进行 限定。凡根据上述之文字和附图所公开的内容进行的简单的替换，都在本专利的权利保护 范围之列。
权利要求一种光纤传感用波长可调谐光源，其特征在于，包括至少两只中心波长不同的单模激光二极管、用以将所述各个单模激光二极管的发射的波长可调谐激光组合成一个光源的激光组合机构以及用以对所述激光组合机构输出的激光进行波长定标的定标机构。
2.如权利要求1所述的光纤传感用波长可调谐光源，其特征在于，所述各个单模激光 二极管为DFB激光二极管或者面发射激光二极管。
3.如权利要求2所述的光纤传感用波长可调谐光源，其特征在于，所述各个单模激光 二极管发射的激光是能够扫描一个小的波长区段的，所述激光组合机构输出的光源是能够 扫描一个大的波长区段的。
4.如权利要求3所述的光纤传感用波长可调谐光源，其特征在于，所述各个单模激光 二极管的中心波长是能够通过温度调节而改变的，所述各个单模激光二极管的波长调谐是 能够通过电流调谐而实现的并且在电流调谐时所述各个单模激光二极管的温度保持恒定。
5.如权利要求1所述的光纤传感用波长可调谐光源，其特征在于，所述激光组合机构 包括激光组合器件和与该激光组合器件的输出相连的一单模光纤，所述激光组合器件是光 纤分束器、光开关、光纤分束器与光开关的组合或者光纤分束器与波分复用器的组合。
6.如权利要求1所述的光纤传感用波长可调谐光源，其特征在于，所述定标机构包括 激光分束器件和与该激光分束器件的输出相连的定标器件。
7.如权利要求6所述的光纤传感用波长可调谐光源，其特征在于，所述激光分束器件 是光纤分束器。
8.如权利要求7所述的光纤传感用波长可调谐光源，其特征在于，所述定标器件是与 所述激光分束器件的至少一个输出支路对应相连的至少一个光纤光栅、FP滤波器或者光纤 光栅与FP滤波器的组合。
专利摘要一种光纤传感用波长可调谐光源，由N只波长不同的单模DFB激光二极管或者单模VCSEL激光二极管，光纤分束器或者光开关，或者光纤分束器和光开关的组合，或者光纤分束器和波分复用器组合，和波长定标光纤光栅或者FP滤波器或者光纤光栅和FP滤波器的组合构成。通过电流调谐方式使每只DFB激光二极管或者面发射激光二极管扫描一个波长区段，N只DFB激光二极管或者面发射光器扫描波长区段组合成一个扫描范围更大的波长区段，构成波长调谐范围更大的波长可调谐光源。同时通过标准光纤光栅或者标准FP滤波器对波长进行定标，提高波长输出精度。
文档编号H01S5/40GK201656245SQ201020106740
公开日2010年11月24日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者陈志标 申请人:深圳市安捷工业光电有限公司