专利名称：Dbr可调谐激光光源系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及可调谐激光光源，具体为一种DBR可调谐激光光源系统及其控制方法。
背景技术：
可调谐激光光源(Tunable Laser Source)是指输出波长在一定范围内可连续变化的激光源。能够实现毫秒级调谐速度的快速扫描可调谐光源(High Speed Tunable Laser Source)拥有很大的需求量，但目前商业化的快速可调谐光源价格非常昂贵，产量也少，很难在实际应用中推广。DBR(distributed Bragg reflective)激光器即为分布式布拉格反射激光器，是由有源区和布拉格(Bragg)反射镜构成的组件，DBR激光器的Bragg反射镜可进行波长选择，为了实现波长的精调，DBR激光器还配有相位控制器。分别对Bragg反射镜和相位区独立地注入电流，注入Bragg反射镜的电流可改变Bragg反射镜的折射率，此变化速率极快， 仅50ns/次。注入Bragg反射镜的电流对激光器输出的波长迅速进行粗略调整，注入相位区的电流、控制相位区实现波长的细微调整。标准的DBR激光器具有良好的单波长发射特性，其发射激光的波长主要由制造时的Bragg光栅结构决定，因此标准DBR的波长调谐范围受到了限制。为了实现更宽的调谐范围，又在标准DBR激光器的基础上改进得到取样光栅DBR(SG-DBIi)激光器或者超结构光栅DBR(SSG-DBR)激光器等多周期DBR激光器。多周期DBR激光器，发射包含多个波长的激光束。为了得到单一波长的输出，已研发出了双分支型多周期DBR激光器。双分支型多周期DBR激光器两分支反射的波长可以单独调整，当其中一组的反射波峰与另一组的反射波峰在某个波长处相互重叠时，反射谱重叠得到加强的波长即作为双分支型DBR激光器的激光输出，而其他所有非重叠的波峰均被抑制。如此，分别对其分支反射波长调谐，即可实现双分支型DBR激光器输出激光波长的调谐。双分支型DBR激光器可以拥有较宽的波长调谐范围、较高的边模抑制比、超快的调谐速度以及高量产、低成本的特点，很适合用来制造新型廉价快速可调谐光源。但是要双分支型DBR激光器输出某个特定频率的激光，需要分别控制2个分支的 DBR激光器的Bragg反射镜和相位区的注入电流，且要调整其输出功率，目前尚未见以双分支型DBR激光器为主的可调谐激光器光源系统面世，也未见对双分支型DBR激光器可实用的调谐控制方法的报道。
发明内容
本发明的目的是设计一种DBR可调谐激光光源系统，包括双分支型DBR激光器、微处理器和可控电流源，微处理器按外部调谐要求，根据实验所得的激光器输出波长与电流组合的校准数据，调整可控电流源，对激光器两个分支的布拉格反射镜和相位区注入相应电流，使激光光源系统精确调谐输出所需波长的激光。本发明的另一目的是设计上述本发明的DBR可调谐激光光源系统的控制方法，本方法轮流改变系统中双分支型DBR激光器的两个分支布拉格反射镜注入电流和相位校正电流中的某一个，记录每种电流组合对应的激光器输出波长值和功率值并存储，按外部设定的调谐波长，选择对应的电流组合向激光器两个分支的布拉格反射镜和相位区注入电流，即迅速调谐得到所需的输出激光。本发明设计的DBR可调谐激光光源系统，包括双分支型DBR激光器、微处理器和可控电流源，所述双分支型DBR激光器包括增益区、相位区和上、下布拉格反射镜分支，还有半导体光放大器，半导体光放大器接增益区，二者控制输出功率，所得激光经相位区后分送 2个布拉格反射镜分支。微处理器连接多个可控电流源，各可控电流源分别连接增益区、相位区和上、下布拉格反射镜分支，还有半导体光放大器。为了确保双分支型DBR激光器输出波长的重复性和精度，双分支型DBR激光器放置于一个半导体热电制冷器(TEC)之上，使之保持恒温工作。微处理器所接的另一个可控电流源连接半导体热电制冷器的TEC控制器，使其保持恒温。连接激光二极管的可控电流源在其PN结上施加正向电压(正向电流)形成增益区，从而获得粒子数反转分布状态，使激光器发光。当增益区的电流为非正数时，激光器无出射光。因此增益电流的正数和非正数状态用于控制激光器是否发光。微处理器通过控制各可控电流源的输出，改变激光器两个分支布拉格反射镜、相位区及半导体光放大器4个电流的组合来实现输出激光波长的调谐和功率调整，同时通过 TEC控制器锁定双分支DBR激光器的工作温度以实现激光输出的波长和功率的稳定。本DBR可调谐激光光源系统实际应用时，微处理器首先利用闭环控制的TEC控制器实现双分支DBR激光器工作温度锁定，增益电流保持恒定，然后根据所需要设定的波长对两个分支布拉格反射镜、相位区及半导体光放大器的4个电流进行查表和选择，控制各可控电流源输出相应数值，每个可控电流源均采用双重闭环控制，即实时性很强的硬件闭环调节加上高调整精度的软件闭环调节，从而实现毫秒级的快速精确波长调谐输出，输出波长精度为士 lpm。所述微处理器经通讯模块与上位机连接，接受指令。为了覆盖更宽的可调谐波长范围，本可调谐激光光源系统包括η个双分支型DBR 激光器，η为1 6的整数，每个双分支型DBR激光器包括增益区、相位区和上、下布拉格反射镜分支，η个双分支型DBR激光器共用一个半导体光放大器。微处理器配有连接半导体光放大器的一个可控电流源，还有η组可控电流源，每组有4个可控电流源分别连接1个双分支型DBR激光器的增益区、相位区和上、下布拉格反射镜分支。η个双分支型DBR激光器置于一个半导体热电制冷器上，微处理器所接的另一个可控电流源连接半导体热电制冷器的TEC控制器。一个双分支型DBR激光器的调谐范围为45 50nm，η个双分支型DBR激光器的调谐范围为η X (45 50) nm。本发明设计的DBR可调谐激光光源系统的控制方法，固定DBR激光器的注入增益区电流，即增益电流为不变的正数，此正数值为激光器接通电源后的默认初始化值；半导体光放大器的电流值也为默认初始值，在以下步骤I、II使用此值。本控制方法的具体步骤如下I、记录电流组合与输出波长关系微处理器通过各可控电流源轮流改变双分支型DBR激光器的上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的三个注入电流中的一个，电流值大小用16位的AD值表示，各电流调节范围为1000 64000，上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜的注入电流(简称为上分支电流和下分支电流)的步进为600 4000，相位区注入电流(简称为相位电流)步进为2000 8000 ；记录每种电流组合对应的激光器的输出波长和功率值；按四舍五入输出激光波长有效值取至10_3nm，或者输出激光频率有效值取至KT1GHz,输出激光功率有效值取至10_3daii。本步骤轮流固定其中任意两个电流、另一个电流值由大到小改变和/或由小到大改变循环。当任意两个电流固定、另一个电流值渐进变化时，对应的激光器输出波长有重复性和转折跳跃性，相同的波长对应的三个电流组合有多组。II、选取并存储电流组合数据在步骤I所得的数据结果中，选取最大有效波长和最小有效波长对应的上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的三个注入电流的组合值；在输出激光波长转折点前后0.015 0. 035nm范围内，每个相同输出波长取对应的两组三个电流组合值，其余相同输出波长只取一组对应的电流组合数据；存储电流组合值与输出波长对应数据表；III、调整激光输出功率根据需要设定校准功率值，取值范围为0 13daii。微处理器根据步骤II所得数据表中上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的各电流组合取值范围，以小于或等于步骤I的步进对每个组合的电流值再次进行循环，本步骤上分支电流和下分支电流的步进为200 2000，相位电流步进为1000 4000，同时调整相应的可控电流源控制半导体光放大器(SOA)输入电流值，进行功率补偿的循环控制，记录当前实际输出功率，与设定功率对比，当实际输出功率与设定功率绝对差值小于等于0. 002dB时，停止循环，从而使各个不同电流组合的激光输出功率相同，即进行功率平整。同时存储各电流值与输出波长对应数据表。IV、生成数据校准表根据步骤III得到的各个电流组合数据表进而生成波长范围连续、功率平稳、波长精度高的数据校准表并存储，本数据校准表内输出波长相邻数据的间距为0. OOlnm 0. 0005nm，此间距决定本方法输出调谐波长的精度。本步骤采用插值法当步骤III的数据表中两个输出波长之间距大于所需间距时，使用线性内插法计算输出该两个输出波长之间的波长所需的正确电流组合，并且按照四舍五入的方式取整数值，最终得到所需的数据校准表。V、调谐输出微处理器根据外部对激光器输出波长的设定要求，按步骤IV的数据校准表，选择该波长对应的上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的三个注入电流值以及半导体光放大器(SOA)功率补偿电流值进行注入，实现波长快速调谐，并且输出功率为常量。执行上述控制校准步骤之前，先将双分支型DBR激光器置于半导体热电冷却器上，控制TEC控制器实现温度锁定，使双分支型DBR激光器的工作温度保持恒定。当DBR可调谐激光光源系统连接η个双分支型DBR激光器，使用时，先将其中一个双分支型DBR激光器的增益电流设为正值，使之工作发出激光；其余的(η-1)个双分支型 DBR激光器的增益电流均设为零，不工作，按上述步骤I至IV对处于工作状态的双分支型 DBR激光器进行校准并存储其数据校准表；之后轮流切换其它的双分支型DBR激光器单独工作、分别进行校准，至η个双分支型DBR激光器的数据校准表均存入微处理器。第V步微处理器根据外部对激光器输出波长的设定要求，选择激光输出范围相应的双分支型DBR激光器、将其增益电流设为正值，使之工作发出激光，并按该双分支型DBR激光器数据校准表选择其上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的注入电流值以及半导体光放大器功率补偿电流值。本发明DBR可调谐激光光源系统的优点为1、采用价格实惠的双分支型DBR激光器，达到昂贵的可调谐激光器性能指标；2、以高性能微处理器为核心，经过校准和查表计算，实时控制各路电流值，激光器实现毫秒级的快速波长调谐，且精度达到士 Ipm ;3、接入多个双分支型DBR激光器可调谐波长范围最大可达300nm ；4、整套系统不含机械调节部件， 无需做定期校准，使用寿命长。本发明DBR可调谐激光光源系统的控制方法的优点为1、实现双分支型DBR激光器波长快速准确调谐，且输出功率为常量；2、用微处理器等计算机实现系统控制，调谐速度快且准确。
图1为本DBR可调谐激光光源系统实施例1的双分支型DBR激光器的结构示意图；图2为图1双分支型多周期DBR激光器的上分支波长模式示意图；图3为图1双分支型多周期DBR激光器的下分支波长模式示意图；图4为图1双分支型多周期DBR激光器的上、下分支波峰重叠情况示意图；图5为图1双分支型多周期DBR激光器的输出波长模式示意图；图6为本可调谐激光光源系统实施例1控制电路示意图； 图7为本DBR可调谐激光光源系统实施例2的2个双分支型DBR激光器集成结构示意图；图8为本可调谐激光光源系统实施例2的控制电路示意图。
具体实施例方式DBR可调谐激光光源系统实施例1本DBR可调谐激光光源系统实施例1包括一个双分支型DBR激光器、微处理器、6 个可控电流源和半导体热电制冷器。所述双分支型DBR激光器如图1所示，包括增益区、相位区和上布拉格反射镜分支(上分支)、下布拉格反射镜分支(下分支)以及半导体光放大器(SOA)，半导体光放大器接增益区，二者控制输出功率，所得激光经相位区后分送2个布拉格反射镜分支。双分支型DBR激光器放置于一个半导体热电制冷器(TEC)之上，使之保持恒温工作。
上、下布拉格反射镜分支的波长模式如图2、3所示，2个分支的发射波的波长可通过改变注入电流值单独调整。2个分支的发射波的波峰重叠情况如图4所示，重叠的波峰处功率双倍增加，即作为双分支DBR激光器的激光输出，而其他所有非重叠的波峰均被抑制， 如图5所示。当二者波长改变时，波峰重叠处不同，双分支型DBR激光器输出激光波长不同， 即可实现调谐目的。本DBR可调谐激光光源系统实施例1的控制电路如图6所示，微处理器连接6个可控电流源，可控电流源A F分别连接集成式半导体光放大器(SOA)、增益区、相位区和上布拉格反射镜分支(上分支)、下布拉格反射镜分支(下分支)以及半导体热电制冷器的 TEC控制器(TEC)。微处理器控制可控电流源B，当其为增益区提供正数电流时，其工作，激光器发光。 微处理器控制可控电流源A、C E改变激光器半导体光放大器、两个分支布拉格反射镜及相位区4个电流的组合来实现输出激光波长的调谐和功率调整，同时通过可控电流源F控制TEC锁定双分支DBR激光器的工作温度。所述微处理器经通讯模块连接的上位机是个人计算机和控制主机，接受指令。DBR可调谐激光光源系统实施例2本例DBR可调谐激光光源系统连接2个双分支型DBR激光器，如图7所示，每个双分支型DBR激光器包括增益区、相位区和上布拉格反射镜分支(上分支)、下布拉格反射镜分支(下分支)，2个双分支型DBR激光器共用一个半导体光放大器(SOA)。本例DBR可调谐激光光源系统的控制电路如图8所示，微处理器配有可控电流源 A连接控制半导体光放大器、还有2组可控电流源，1组为可控电流源Bl E1，控制其中一个双分支型DBR激光器的增益区1、相位区1和上布拉格反射镜分支1 (上分支1)、下布拉格反射镜分支1 (下分支1)；另1组为可控电流源B2 E2，控制另一个双分支型DBR激光器的增益区2、相位区2和上布拉格反射镜分支2 (上分支2、、下布拉格反射镜分支2 (下分支2)。2个双分支型DBR激光器置于一个半导体热电制冷器上，微处理器连接的可控电流源F连接半导体热电制冷器的TEC控制器。双分支型DBR激光器的控制方法实施例1本例的双分支型DBR激光器的控制方法是针对上述DBR可调谐激光光源系统实施例1，即只有1个双分支型DBR激光器的DBR可调谐激光光源系统控制方法。首先将双分支型DBR激光器置于一个半导体热电制冷器上，微处理器闭环控制的 TEC控制器实现温度锁定，将双分支型DBR激光器的工作温度锁定到观士0. 02°C;激光器接通电源后，增益电流默认初始值为38000，固定不变；半导体光放大器(SOA)默认初始化电流值为2200，在步骤I、II使用此值；之后执行如下具体步骤I、记录电流组合与输出波长关系轮流改变双分支型DBR激光器的上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的三个注入电流中的一个，各电流调节范围为1000 64000，上下分支电流的步进为 600，相位电流步进为8000，记录每种电流组合对应的激光器的输出波长和功率值。本步骤轮流固定其中任意两个电流、另一个电流值由大到小改变和由小到大改变进行2次循环。 按四舍五入输出激光频率有效值取至KT1GHz,输出激光功率有效值取至10_3dBm。当任意两个电流固定、另一个电流值渐进变化时，对应的激光器输出波长有重复性和转折跳跃性，相同的波长对应的三个电流组合有多组。固定上分支布拉格反射镜和相位区电流，改变下分支布拉格反射镜电流，各电流组合对应的输出波长频率和功率的部分数据如表1所示。表1部分实验数据表
权利要求
1.DBR可调谐激光光源系统，包括双分支型DBR激光器、微处理器和可控电流源，所述双分支型DBR激光器包括增益区、相位区和上、下布拉格反射镜分支；其特征在于双分支型DBR激光器还接有半导体光放大器，半导体光放大器接增益区，所得激光经相位区后分送2个布拉格反射镜分支；微处理器连接多个可控电流源，各可控电流源分别连接增益区、相位区和上、下布拉格反射镜分支，还有半导体光放大器、。
2.根据权利要求1所述的DBR可调谐激光光源系统，其特征在于所述双分支型DBR激光器放置于一个半导体热电制冷器上，微处理器连接半导体热电制冷器的TEC控制器。
3.根据权利要求1所述的DBR可调谐激光光源系统，其特征在于所述微处理器经通讯模块与上位机连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的DBR可调谐激光光源系统，其特征在于所述可调谐激光光源系统包括η个双分支型DBR激光器，η为1 6的整数，每个双分支型DBR激光器包括增益区、相位区和上、下布拉格反射镜分支，η个双分支型DBR激光器共用一个半导体光放大器；微处理器配有连接半导体光放大器的一个可控电流源，还有η组可控电流源，每组有4个可控电流源分别连接1个双分支型DBR激光器的增益区、相位区和上、下布拉格反射镜分支。
5.根据权利要求4所述的DBR可调谐激光光源系统，其特征在于η个双分支型DBR激光器置于一个半导体热电制冷器上，微处理器所接的另一个可控电流源连接半导体热电制冷器的TEC控制器。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的DBR可调谐激光光源系统的控制方法，其特征在于具体步骤如下双分支型DBR激光器接通电源后，增益电流为不变的正数默认初始化值；此时，半导体光放大器的电流值也为默认初始值，此值在以下步骤I、II使用；I、记录电流组合与输出波长关系微处理器通过各可控电流源轮流改变双分支型DBR激光器的上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的三个注入电流中的一个，电流值大小用16位的AD值表示，各电流调节范围为1000 64000，上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜的注入电流的步进为600 4000，相位区注入电流步进为2000 8000，记录每种电流组合对应的激光器的输出波长和功率值；按四舍五入输出激光波长有效值取至10_3nm，或者输出激光频率有效值取至KT1GHz,输出激光功率有效值取至10_3dBm ；本步骤轮流固定其中任意两个电流、 另一个电流值由大到小改变和/或由小到大改变循环；当任意两个电流固定、另一个电流值渐进变化时，对应的激光器输出波长有重复性和转折跳跃性，相同的波长对应的三个电流组合有多组；II、选取并存储电流组合数据在步骤I所得的数据结果中，选取最大有效波长和最小有效波长对应的上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的三个注入电流的组合值；在输出激光波长转折点前后0.015 0. 035nm范围内，每个相同输出波长取对应的两组三个电流组合值，其余相同输出波长只取一组对应的电流组合数据；存储各电流组合值与输出波长对应数据表；III、调整输出的激光功率设定校准功率值，取值范围为O 13dBm，进行功率平整；微处理器根据步骤II所得数据表中上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的三个注入电流各个组合值，以小于或等于步骤I的步进对每个组合的电流值再次进行循环，本步骤上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜的注入电流的步进为200 2000， 相位区注入电流步进为0 4000 ；经调整相应的可控电流源控制半导体光放大器输入电流值，进行功率补偿的循环控制，记录当前实际输出功率，与设定功率对比，当实际输出功率与设定功率绝对差值小于0. 002dB时，停止循环，从而使各个电流组合所得激光输出功率相同，同时存储各电流值与输出波长对应数据表。；IV、生成数据校准表根据步骤III得到的各个电流组合数据表进而生成波长范围连续、功率平稳、波长精度高的数据校准表并存储，本数据校准表内输出波长相邻数据的间距为0. OOlnm 0. 0005nm，当步骤III的数据表中两个输出波长之间距大于所需间距时，使用线性内插法计算输出该两个输出波长之间的波长所需正确电流组合，并且按照四舍五入的方式取各电流的整数值；V、调谐输出微处理器根据外部对激光器输出波长的设定要求，按步骤IV的数据校准表，选择该波长对应的上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的三个注入电流值以及半导体光放大器功率补偿电流值进行注入，实现波长快速调谐，并且输出功率为常量。
7.根据权利要求6所述的DBR可调谐激光光源系统的控制方法，其特征在于执行所述各控制步骤之前，所述双分支型DBR激光器放置于一个半导体热电制冷器上，先控制的TEC控制器实现温度锁定，使双分支型DBR激光器的工作温度锁定。
8.根据权利要求7所述的DBR可调谐激光光源系统的控制方法，其特征在于当DBR可调谐激光光源系统连接η个双分支型DBR激光器，使用时先将其中一个双分支型DBR激光器的增益电流设为正值，使之工作发出激光；其余的(η-1)个双分支型DBR激光器的增益电流均设为零，不工作，按所述步骤I至IV对处于工作状态的双分支型DBR激光器进行校准并存储其数据校准表；之后轮流切换其它的双分支型DBR激光器单独工作、 分别进行校准，至η个双分支型DBR激光器的数据校准表均存入微处理器；第V步微处理器根据外部对激光器输出波长的设定要求，选择激光输出范围相应的双分支型DBR激光器、 将其增益电流设为正值，使之工作发出激光，并按该双分支型DBR激光器数据校准表选择其上分支布拉格反射镜、下分支布拉格反射镜和相位区的注入电流值以及半导体光放大器功率补偿电流值。
全文摘要
本发明为DBR可调谐激光光源系统及其控制方法，本系统包括双分支型DBR激光器、微处理器和可控电流源，微处理器连接的各可控电流源分别连接双分支型DBR激光器的增益区、相位区、上下布拉格反射镜分支和SOA。激光器置于微处理器控制的TEC上保持恒温。本系统可包括n个共用一个SOA的双分支型DBR激光器。本控制方法先轮流改变激光器的上下分支和相位区的三个注入电流，记录各电流组合输出波长和功率，选取并存储各波长对应的电流组合数据；调整SOA电流使各波长输出功率相同，据此用插值生成数据校准表，查表得到所需波长对应的各注入电流。当系统接n个双分支激光器，轮流校准。本发明实现毫秒级的快速准确波长调谐，精度达±1pm，输出功率为常量。
文档编号H01S5/125GK102522697SQ20121000448
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者李严, 梁谦, 王官俊, 蒋红艳, 赵克, 邓凌云 申请人:桂林优西科学仪器有限责任公司