一种电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统

本发明属于激光调频，具体涉及一种电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统。

背景技术：

1、线性可调谐激光技术是通过发射线性的锯齿波或三角波的调频光信号与被测目标反射的调频光信号发生干涉，通过测量由于时延和被测目标的移动带来的多普勒效应而产生的频率差，进而得到被测目标的位置信息与速度信息，因此，理想的线性扫频激光在实际应用中有非常重要的地位。

2、dfb激光器作为可调谐激光技术的优质光源，其输出波长主要受温度与驱动电流的影响。受工作温度以及工作状态的波动的影响，dfb激光器的特性阻抗在实际工作时有一定程度的波动，因此对于一个确定的驱动电压，其对应的驱动电流存在一定的波动，影响激光器输出的线性度。另一方面，由于激光器本身存在一定的非线性，输入线性的驱动电流难以得到线性调谐激光。

3、可调谐激光技术作为短距离ofdr，光ct，激光雷达等领域的关键技术之一，直接关系到系统的精度与分辨率等重要性能。目前，对于可调谐激光器的线性调谐问题，广泛应用的方法一种是通过数模混合的光电锁相环实现线性调频与相干增强，但是存在系统复杂度高等缺点，另一种方法是通过重采样、数字预失真等数字电路结构实现可调谐激光器的线性调谐。

技术实现思路

1、解决的技术问题：本发明公开了一种电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，能够实现电流调谐半导体激光器阵列的驱动与快速线性调谐，协助提升系统整体性能，降低系统成本。

2、技术方案：

3、一种电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，所述线性调谐系统包括依次连接的dfb激光器阵列、拍频信号处理单元、线性调谐单元和激光器驱动单元；

4、所述拍频信号处理单元将dfb激光器阵列发出的激光信号转换成拍频信号，采用椭圆滤波器滤除拍频信号中的高频分量，对滤除高频后的拍频信号进行希尔伯特变换，再对变换后的拍频信号做中值滤波处理，得到拍频信号频率随时间变化的关系数据；

5、所述线性调谐单元同时读取拍频信号频率随时间变化的关系数据和当前扫描轮次的控制数据，根据拍频信号频率随时间变化的关系数据确定扫频起止点和对应的理想扫频曲线，在理想扫频曲线上相隔预设间距设置标定点，根据扫频频率与控制数据在时间轴上的对应关系，提取各标定点对应的理想频率在时间轴上出现的位置，查找时间轴上同一位置对应的控制数据，写入线性调谐后的控制数据数列，再对各标定点之间的控制数据进行线性拟合，得到下一轮次的线性调谐控制数据；

6、所述激光器驱动单元根据线性调谐单元输出的线性调谐控制数据对dfb激光器阵列进行轮扫。

7、进一步地，所述拍频信号处理单元包括依次连接的自外差马赫曾德尔干涉仪、光电平衡探测器、模数转换模块和信号处理模块；

8、所述dfb激光器阵列发出的激光信号经自外差马赫曾德尔干涉仪将转换成拍频信号，再经光电平衡探测器转换成相应的模拟电信号，模数转换模块将模拟电信号转换成相应的数据信号输入信号处理模块；所述信号处理模块采用椭圆滤波器滤除拍频信号中的高频分量，对滤除高频后的拍频信号进行希尔伯特变换，再对变换后的拍频信号做中值滤波处理，得到拍频信号频率随时间变化的关系数据。

9、进一步地，所述线性调谐单元包括查找-拟合模块和数据通路模块；

10、所述查找-拟合模块根据拍频信号频率随时间变化的关系数据和当前扫描轮次的控制数据计算得到下一轮次的线性调谐控制数据；

11、所述数据通路模块包括axi总线和相应接口，用于将下一轮次的线性调谐控制数据存入激光器驱动单元的存储器中，供激光器驱动单元读取。

12、进一步地，所述线性调谐单元包括调谐模式设定模块，调谐模式包括单次调谐、周期调谐和线性度阈值控制调谐。

13、进一步地，所述所述线性调谐单元包括标定点设置模块，所述标定点设置模块将频率-时间关系数据与理想扫频曲线进行对比，当标定点所对应的频率与理想频率相差大于预设的频率阈值时，使用第一间距进行标定，否则使用第二间距进行标定，第一间距小于第二间距。

14、进一步地，所述线性调谐单元根据相邻标定点的控制数据，通过线性拟合，填充标定点之间的空缺控制数据，得到与原控制数据相同长度的线性调谐控制数据。

15、进一步地，所述激光器驱动单元包括fpga控制模块、数模转换模块和多路选择器；fpga控制模块的第一输出端与多路选择器的第一输入端直接连接，将选通数据直接发送至多路选择器，fpga控制模块的第二输出端通过数模转换模块与多路选择器的第二输入端连接，将线性调谐控制数据转换格式后发送至多路选择器；

16、所述多路选择器的输出端与dfb激光器阵列的控制端连接，根据接收的选通数据和线性调谐控制数据对dfb激光器阵列进行控制。

17、进一步地，所述数模转换模块包括dac芯片和运算放大器；

18、所述dac芯片将12位二进制数据data转换为相应的模拟电流，具有两路差分电流输出iouta和ioutb，转换公式为：

19、

20、

21、其中ioutfs是满刻度电流，为20ma；data为data的十进制形式；

22、所述运算放大器将两路差分电流输出作差并偏置，得到两倍幅度的单端输出，以单端电压形式输出vout：

23、

24、式中有：

25、

26、r4，rf，r6，r3，r5为电阻阻值；

27、所述运算放大器再将单端输出电压转换为驱动激光器的电流输出iout：

28、

29、进一步地，所述多路选择器采用max4782芯片，依据选通数据将上级电路的输出电流选择输出到4个通道，实现对dfb激光器阵列的行选择

30、有益效果：

31、第一，本发明的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，首先控制激光器进行初次扫频，根据扫频曲线通过查找拟合方法得到经过线性调谐的控制数据，用于下一次扫频，使得激光器输出频率曲线具有更高的线性度；在使用查找拟合方法对激光器进行线性调谐时，充分考虑激光器扫频频率、算法复杂度、资源利用率以及对调谐精度的要求，有利于提高现有激光器的扫频线性度，在多种实际应用场景中提供更高性能，实现了电流调谐半导体激光器阵列的动态、实时和高性能线性调谐。

32、第二，本发明的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，区别于光电数模混合锁相环技术，本发明使用纯数字电路结构，稳定性与可靠性更高，控制链路与数据通路清晰，参数更易配置，易于移植各种类型的电流调谐半导体激光器阵列。

33、第三，本发明的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，区别于传统的重采样、数字预失真技术，利用当前采样的反馈信息，以查找代替计算，对激光器输出频率进行线性调谐，降低调谐系统的复杂度。

技术特征：

1.一种电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，其特征在于，所述线性调谐系统包括依次连接的dfb激光器阵列、拍频信号处理单元、线性调谐单元和激光器驱动单元；

2.根据权利要求1所述的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，其特征在于，所述拍频信号处理单元包括依次连接的自外差马赫曾德尔干涉仪、光电平衡探测器、模数转换模块和信号处理模块；

3.根据权利要求1所述的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，其特征在于，所述线性调谐单元包括查找-拟合模块和数据通路模块；

4.根据权利要求1所述的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，其特征在于，所述线性调谐单元包括调谐模式设定模块，调谐模式包括单次调谐、周期调谐和线性度阈值控制调谐。

5.根据权利要求1所述的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，其特征在于，所述所述线性调谐单元包括标定点设置模块，所述标定点设置模块将频率-时间关系数据与理想扫频曲线进行对比，当标定点所对应的频率与理想频率相差大于预设的频率阈值时，使用第一间距进行标定，否则使用第二间距进行标定，第一间距小于第二间距。

6.根据权利要求1所述的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，其特征在于，所述线性调谐单元根据相邻标定点的控制数据，通过线性拟合，填充标定点之间的空缺控制数据，得到与原控制数据相同长度的线性调谐控制数据。

7.根据权利要求1所述的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，其特征在于，所述激光器驱动单元包括fpga控制模块、数模转换模块和多路选择器；fpga控制模块的第一输出端与多路选择器的第一输入端直接连接，将选通数据直接发送至多路选择器，fpga控制模块的第二输出端通过数模转换模块与多路选择器的第二输入端连接，将线性调谐控制数据转换格式后发送至多路选择器；

8.根据权利要求7所述的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，其特征在于，所述数模转换模块包括dac芯片和运算放大器；

9.根据权利要求7所述的电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，其特征在于，所述多路选择器采用max4782芯片，依据选通数据将上级电路的输出电流选择输出到4个通道，实现对dfb激光器阵列的行选择。

技术总结
本发明公开了一种电流调谐半导体激光器阵列线性调谐系统，包括依次连接的DFB激光器阵列、拍频信号处理单元、线性调谐单元和激光器驱动单元；所述拍频信号处理单元将DFB激光器阵列发出的激光信号转换成拍频信号，得到拍频信号频率随时间变化的关系数据；所述线性调谐单元得到下一轮次的线性调谐控制数据；所述激光器驱动单元根据线性调谐单元输出的线性调谐控制数据对DFB激光器阵列进行轮扫。本发明能够实现电流调谐半导体激光器阵列的驱动与快速线性调谐，协助提升系统整体性能，降低系统成本。

技术研发人员：窦蓉蓉,谭瑞林,申宜林,谢泓力,张光耀
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13