可調諧雷射器的製造方法

2023-10-08 19:00:24 2

可調諧雷射器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種可調諧雷射器，包括半導體致冷器、過渡熱沉、雷射器陣列晶片、微電機、光纖、第一分路器、模式轉換器、單模光纖、第二分路器、波長鎖定器、光探測器、雷射器陣列晶片驅動電路、溫控電路、微電機驅動電路和微處理器；微電機上設有可以沿微電機行程方向運動的滑塊，光纖固定在微電機的滑塊上，光纖與滑塊固定的一端為雷射入射端，另一端連接模式轉換器；第一分路器通過單模光纖分別與模式轉換器和第二分路器連接，第二分路器的另一端再與波長鎖定器和光探測器連接；過渡熱沉固定在半導體致冷器頂部，雷射器陣列晶片固定在過渡熱沉頂部。本發明具有功耗低、高精準、低成本等優點。
【專利說明】
可調諧雷射器

【技術領域】
[0001]本發明屬於雷射光源領域，尤其涉及到一種可調諧雷射器，適用於通信與傳感的波長可調諧雷射器。

【背景技術】
[0002]可調諧雷射器是在一定波長範圍內可以連續改變雷射輸出波長的雷射器，其用途廣泛，可用於光譜學、光化學、醫學、生物學、集成光學、汙染監測、半導體材料加工、信息處理和通信等。隨著WDM (波分復用)技術在光纖通信領域越來越多的應用，可調諧雷射器將是現在和未來各高校與科研機構的一項研究重點，加之國內光通信企業正面臨著產業技術升級的壓力，這將極大的催生市場對可調諧雷射器儀器需求。然而，目前實際情況是該類型產品基本依靠進口，不但價格昂貴且被為數不多的境外企業壟斷。
[0003]實現雷射波長調諧的原理大致有三種。大多數可調諧雷射器都使用具有寬的螢光譜線的工作物質。構成雷射器的諧振腔只在很窄的波長範圍內才有很低的損耗。因此，第一種是通過某些元件(如光柵)改變諧振腔低損耗區所對應的波長來改變雷射的波長。第二種是通過改變某些外界參數(如磁場、溫度等)使雷射躍遷的能級移動。第三種是利用非線性效應實現波長的變換和調諧(見非線性光學、受激喇曼散射、光二倍頻，光參量振蕩)。
[0004]目前國外可調諧半導體雷射器的調諧實現原理主要可分為三種:電流調諧、溫度調諧與機械調諧，而所選半導體雷射器光源也由調諧方式所決定。
[0005]電流調諧是通過改變注入電流來實現波長的調諧，其調諧速度為ns級別，主要應用於SG-DBR (米樣光柵DBR)與GCSR (輔助光柵定向I禹合背向取樣反射)雷射器。其一般原理是通過改變可調諧雷射器內不同位置的光纖光柵和相位控制部分的電流，使光纖光柵的相對摺射率會發生變化，產生不同的光譜。通過不同區域光纖光柵產生的不同光譜的疊加進行特定波長的選擇，從而產生需要的特定波長的雷射。通過改變前後布拉格光柵區的注入電流來改變反射區材料有效折射率，布拉格波長隨之變化，完成波長的粗調。接著調節相位區的電流使腔模同反射區的反射峰一致實現細調。但是此類型可調諧雷射器存在跳模問題，會嚴重影響雷射器工作時的穩定性。
[0006]溫度調諧是調整雷射腔內溫度從而實現波長變化，主要應用於DFB雷射器中。模塊內一般內置FP標準具與光功率檢測，另有兩個獨立的TEC —個用來控制雷射器的波長，一個用來確保FP標準具與光功率檢測器恆溫工作。工作溫度範圍在-10度到50度時，可調諧6nm左右,但所需調諧時間是秒級別。
[0007]機械調諧一般採用MEMS來實現，適用於DFB結構與VCSEL結構。可調諧雷射器主要包括DFB雷射器陣列或VCSEL雷射器陣列與MEMs部分和其他控制與輔助部分。通過控制MEMs部分的來對需要的特定波長進行選擇，從而輸出需要的特定波長的光。基於這種原理的可調諧雷射器調諧時間一般為毫秒級別。


【發明內容】

[0008]本發明的目的在於提供一種可調諧雷射器，本發明功耗低、高精準、低成本。
[0009]實現本發明目的的技術解決方案為:一種可調諧雷射器，包括半導體致冷器、過渡熱沉、雷射器陣列晶片、微電機、光纖、第一分路器、模式轉換器、單模光纖、第二分路器、波長鎖定器、光探測器、雷射器陣列晶片驅動電路、溫控電路、微電機驅動電路和微處理器；微電機上設有可以沿微電機行程方向運動的滑塊，光纖固定在微電機的滑塊上，光纖與滑塊固定的一端為雷射入射端，另一端連接模式轉換器；第一分路器通過單模光纖分別與模式轉換器和第二分路器連接，第二分路器的另一端再與波長鎖定器和光探測器連接；過渡熱沉固定在半導體致冷器頂部，雷射器陣列晶片固定在過渡熱沉頂部，雷射器陣列晶片驅動電路連接雷射器陣列晶片為其提供驅動電流，半導體製冷器與雷射器陣列晶片連接，溫控電路連接半導體製冷器來控制雷射器陣列晶片溫度；雷射器陣列晶片驅動電路與溫控電路分別與微處理器連接，雷射器陣列晶片驅動電路與溫控電路的電信號由微處理器提供輸出，雷射器陣列晶片驅動電路提供偏置電流給雷射器陣列晶片工作；微電機驅動電路的電信號由微處理器提供輸出，微電機驅動電路驅動微電機工作；雷射器陣列晶片輸出的光信號從第一分路器通過第一埠對外進行數據輸出，再通過第二埠連接第二分路器進行數據檢測；其中，第二分路器第一埠連接波長鎖定器檢測光信號中的波長參數，第二埠連接光探測器檢測光信號中的功率參數，完成對光信號的數據檢測；這些檢測數據又反饋給微處理器，從而維持整個系統的正常工作。
[0010]陣列雷射器為IXN的巴條型DFB雷射器陣列，N為自然數。
[0011]微電機綜合運動精度為Ium,微電機為直徑小於160mm或額定功率小於750W的電機。
[0012]光纖為通信類特種光纖。
[0013]模式轉換器實現光纖到單模光纖的轉換，典型損耗為3dB。
[0014]波長鎖定器用來反饋波長偏移信號給微處理器。
[0015]光探測器為光電二極體，將耦合進光纖中的雷射轉換為電流，其電流反饋給微處理器來控制微電機驅動電路以控制行程使光纖達到最佳耦合位置。
[0016]雷射器陣列晶片驅動電路、溫控電路、微電機驅動電路以及微處理器集成在一個PCB電路板上。
[0017]第一分路器的反饋埠的分光比為1% -10% ;第二分路器第一埠的分光比為50%。
[0018]本發明與現有技術相比，其顯著優點:1、較高的耦合效率:光纖採用磨錐燒球後，與雷射器晶片的耦合效率可達95%以上。光纖相比單模光纖容差較大，現有的一般微型電機精度即可滿足在電機調節過程中較高耦合效率的要求。加上分路器與模式轉換器的損耗，本可調諧雷射器的耦合效率可達到45%以上。
[0019]2、調諧帶寬大:本方案採用雷射器陣列晶片+半導體致冷器溫度調諧實現可調諧雷射器。一般單顆晶片改變溫度10度，波長改變lnm，改變40度可以穩定調節4nm的帶寬，本方案中只需提高晶片數量即可實現超大範圍的帶寬調諧，8顆晶片的陣列即可實現32nm全C波段波長調諧。
[0020]3、低成本:本方案中使用的核心雷射器陣列晶片為自主設計製作，保證晶片波長間隔的一致性，成本遠遠低於市場上一般可調諧雷射器的DBR雷射器晶片，其餘部件都是市場已有的成熟技術，只需稍加調整即可。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發明可調諧雷射器的總體結構示意圖。
[0022]圖2是本發明可調諧雷射器的原理圖。
[0023]

【具體實施方式】
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0024]結合圖1和圖2，一種可調諧雷射器，由半導體致冷器1、過渡熱沉2、雷射器陣列晶片3、微電機4、光纖5、第一分路器6、模式轉換器7、單模光纖11、第二分路器8、波長鎖定器9、光探測器10、雷射器陣列晶片驅動電路、溫控電路、微電機驅動電路以及微處理器組成。本發明可調諧的實現方法是通過機械進行初步調諧，再通過電流與溫度進行精確調諧。因此，雷射器陣列晶片驅動電路提供合適的輸出電流驅動雷射陣列晶片，而溫控電路通過半導體製冷器I給陣列雷射晶片3提供合適的工作溫度，上述兩個驅動電路保證了陣列雷射晶片3的正常工作條件並能夠實現電流與溫度的精確調諧。而機械的初步調諧是微電機驅動電路驅動微電機4工作帶動光纖5進行耦合，其耦合過程的實現是通過微處理器通過控制微電機驅動電路來驅動微電機4，使其進行一維的直線掃描(不通順，能否斷句)，掃描方向與沿陣列雷射晶片3的排列方向一致。掃描過程中雷射器陣列晶片3輸出的光信號會進入光纖5中，再經過模式轉換器7將光信號轉入單模光纖11中，單模光纖11經第一分路器6通過第一埠對外進行數據輸出，再通過第二埠連接第二分路器8進行數據檢測，其中第一分路器6的出光埠與反饋埠的最優分光比例為9:1。再者，第二分路器8第一埠連接波長鎖定器9檢測光信號中的波長參數，第二埠連接光探測器10檢測光信號中的功率參數，完成對光信號的數據檢測，其中第二分路器8的第一埠與第二埠的最優分光比例為1:1。上述光探測器10檢測到光功率參數又反饋給微處理器，微處理器根據光功率的大小來控制微電機調整光纖位置，直到光功率值達到預定光功率值從而完成微電機4的耦合工作。而波長鎖定器9得到的波長參數也反饋給微處理器，微處理器4根據所得波長與預設波長的差值控制陣列雷射晶片驅動電路與溫控電路，直到所得波長值達到預設定光波長值，從而完成整個波長調諧工作。
[0025]雷射器陣列晶片驅動電路是電流驅動電路，將微處理器提供的電壓信號轉換成電流信號以驅動雷射器陣列晶片發出對應的光信號；溫控電路是驅動半導體製冷器控制溫度，將微處理器的電信號轉化為溫度信號，以保證雷射器陣列晶片工作在合適的溫度環境內；微電機驅動電路是驅動微電機工作並帶動光纖移動，其功能低將微處理器的電信號轉化為光纖的空間移動量；微處理器是對這個系統進行控制的信息處理中心。
[0026]一種可調諧雷射器，雷射器陣列晶片3為四顆DFB雷射器陣列晶片，在半導體致冷器 I (TEC)控溫 25 度下，波長分別為 1529.55nm、1532.68nm、1535.82nm、1538.98nm (符合ITU-T光通訊標準)。雷射器驅動電路給雷射器陣列晶片提供偏置電流，溫控電路用來調節半導體致冷器I的溫度，而微處理器控制微電機4的直線行程使光纖與所需通道的雷射器陣列晶片3耦合。耦合輸出連接到模式轉換器7，轉為單模光纖11。單模光纖11接第一分路器6，其中95%端輸出，5%端接入第二分路器8。第二分路器8將光1:1分路，再分別接入光探測器10與波長鎖定器9。微電機控制電路通過檢測光探測器10的電流進而控制微電機實現光纖與雷射器陣列晶片3的耦合。同時，波長鎖定器9檢測波長是否達到預設波長，並將差分信號反饋給微處理器，微處理器通過溫控電路來調節溫度，控制波長。
[0027]光纖5採用100/125多模光纖，電機:三協SM06
實施例一，第I步，只給雷射器陣列晶片中第一通道晶片供電30mA左右，TEC溫度25度，光纖與第一顆雷射器對準，實現輸出波長1532.68nm ;第2步,通過波長鎖定器9的反饋，提高TEC溫度為33度左右，輸出波長1533.48nm ;第3步，通過波長鎖定器9的反饋，提高TEC溫度為41度左右，輸出波長1534.28nm ;第4步，通過波長鎖定器9的反饋，提高TEC溫度為49度左右，輸出波長1535.08nm ;第5步，只給雷射器陣列晶片中第二通道晶片供電30mA左右，通過光探測器10的反饋，驅動電機調節光纖與第二通道晶片對準，通過波長鎖定器9的反饋，調節TEC溫度為25度，輸出波長1535.82nm ;第5步，通過波長鎖定器9的反饋，調節TEC溫度為33度，輸出波長1536.62nm ;以此類推，實現12nm帶寬，0.8nm間隔的可調諧雷射輸出。
[0028]以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種可調諧雷射器，其特徵在於:包括半導體致冷器(I)、過渡熱沉(2)、雷射器陣列晶片(3)、微電機(4)、光纖(5)、第一分路器(6)、模式轉換器(7)、單模光纖(11)、第二分路器(8)、波長鎖定器(9)、光探測器(10)、雷射器陣列晶片驅動電路、溫控電路、微電機驅動電路和微處理器；微電機(4)上設有可以沿微電機(4)行程方向運動的滑塊,光纖(5)固定在微電機(4)的滑塊上，光纖(5)與滑塊固定的一端為雷射入射端，另一端連接模式轉換器(7);第一分路器(6)通過單模光纖(11)分別與模式轉換器(7)和第二分路器(8)連接，第二分路器(8)的另一端再與波長鎖定器(9)和光探測器(10)連接；過渡熱沉(2)固定在半導體致冷器(I)頂部，雷射器陣列晶片(3)固定在過渡熱沉(2)頂部，雷射器陣列晶片驅動電路連接雷射器陣列晶片為其提供驅動電流，半導體製冷器與雷射器陣列晶片(3)連接，溫控電路連接半導體製冷器來控制雷射器陣列晶片(3)溫度；雷射器陣列晶片驅動電路與溫控電路分別與微處理器連接，雷射器陣列晶片驅動電路與溫控電路的電信號由微處理器提供輸出，雷射器陣列晶片驅動電路提供偏置電流給雷射器陣列晶片(3)工作；微電機驅動電路的電信號由微處理器提供輸出，微電機驅動電路驅動微電機(4)工作；雷射器陣列晶片(3)輸出的光信號從第一分路器(6)通過出光埠對外進行數據輸出，再通過反饋埠連接第二分路器(8 )進行數據檢測；其中，第二分路器(8 )第一埠連接波長鎖定器(9 )檢測光信號中的波長參數，第二埠連接光探測器(10)檢測光信號中的功率參數，完成對光信號的數據檢測；這些檢測數據又反饋給微處理器，從而維持整個系統的正常工作。
2.根據權利要求1所述的可調諧雷射器，其特徵在於:陣列雷射器為IXN的巴條型DFB雷射器陣列，N為自然數。
3.根據權利要求1所述的可調諧雷射器，其特徵在於:微電機(4)綜合運動精度為Ium,微電機(4)為直徑小於160mm或額定功率小於750W的電機。
4.根據權利要求1所述的可調諧雷射器，其特徵在於:光纖(5)為通信類特種光纖。
5.根據權利要求1所述的可調諧雷射器，其特徵在於:模式轉換器(7)實現光纖(5)到單模光纖(11)的轉換，典型損耗為3dB。
6.根據權利要求1所述的可調諧雷射器，其特徵在於:波長鎖定器(9)用來反饋波長偏移信號給微處理器。
7.根據權利要求1所述的可調諧雷射器，其特徵在於:光探測器(10)為光電二極體，將耦合進光纖中的雷射轉換為電流，其電流反饋給微處理器來控制微電機驅動電路以控制行程使光纖達到最佳耦合位置。
8.根據權利要求1所述的可調諧雷射器，其特徵在於:雷射器陣列晶片驅動電路、溫控電路、微電機驅動電路以及微處理器集成在一個PCB電路板(12)上。
9.根據權利要求1所述的可調諧雷射器，其特徵在於:第一分路器(6)的反饋埠的分光比為1% -10% ;第二分路器(8)第一埠的分光比為50%。
【文檔編號】H01S5/0687GK104466669SQ201310434383
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】齊加勝, 欒佳, 陳向飛, 鄭光輝, 孔軒, 章宜云, 陳婷 申請人:南京威寧銳克信息技術有限公司