可調(diào)諧激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可調(diào)諧激光器，包括半導(dǎo)體致冷器、過渡熱沉、激光器陣列芯片、微電機(jī)、光纖、第一分路器、模式轉(zhuǎn)換器、單模光纖、第二分路器、波長鎖定器、光探測器、激光器陣列芯片驅(qū)動電路、溫控電路、微電機(jī)驅(qū)動電路和微處理器；微電機(jī)上設(shè)有可以沿微電機(jī)行程方向運動的滑塊，光纖固定在微電機(jī)的滑塊上，光纖與滑塊固定的一端為激光入射端，另一端連接模式轉(zhuǎn)換器；第一分路器通過單模光纖分別與模式轉(zhuǎn)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(dǎo)體致冷器頂部，激光器陣列芯片固定在過渡熱沉頂部。本發(fā)明具有功耗低、高精準(zhǔn)、低成本等優(yōu)點。
【專利說明】
可調(diào)諧激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光光源領(lǐng)域，尤其涉及到一種可調(diào)諧激光器，適用于通信與傳感的波長可調(diào)諧激光器。

【背景技術(shù)】
[0002]可調(diào)諧激光器是在一定波長范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長的激光器，其用途廣泛，可用于光譜學(xué)、光化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、集成光學(xué)、污染監(jiān)測、半導(dǎo)體材料加工、信息處理和通信等。隨著WDM (波分復(fù)用)技術(shù)在光纖通信領(lǐng)域越來越多的應(yīng)用，可調(diào)諧激光器將是現(xiàn)在和未來各高校與科研機(jī)構(gòu)的一項研究重點，加之國內(nèi)光通信企業(yè)正面臨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級的壓力，這將極大的催生市場對可調(diào)諧激光器儀器需求。然而，目前實際情況是該類型產(chǎn)品基本依靠進(jìn)口，不但價格昂貴且被為數(shù)不多的境外企業(yè)壟斷。
[0003]實現(xiàn)激光波長調(diào)諧的原理大致有三種。大多數(shù)可調(diào)諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質(zhì)。構(gòu)成激光器的諧振腔只在很窄的波長范圍內(nèi)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(qū)所對應(yīng)的波長來改變激光的波長。第二種是通過改變某些外界參數(shù)(如磁場、溫度等)使激光躍遷的能級移動。第三種是利用非線性效應(yīng)實現(xiàn)波長的變換和調(diào)諧(見非線性光學(xué)、受激喇曼散射、光二倍頻，光參量振蕩)。
[0004]目前國外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的調(diào)諧實現(xiàn)原理主要可分為三種:電流調(diào)諧、溫度調(diào)諧與機(jī)械調(diào)諧，而所選半導(dǎo)體激光器光源也由調(diào)諧方式所決定。
[0005]電流調(diào)諧是通過改變注入電流來實現(xiàn)波長的調(diào)諧，其調(diào)諧速度為ns級別，主要應(yīng)用于SG-DBR (米樣光柵DBR)與GCSR (輔助光柵定向I禹合背向取樣反射)激光器。其一般原理是通過改變可調(diào)諧激光器內(nèi)不同位置的光纖光柵和相位控制部分的電流，使光纖光柵的相對折射率會發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的光譜。通過不同區(qū)域光纖光柵產(chǎn)生的不同光譜的疊加進(jìn)行特定波長的選擇，從而產(chǎn)生需要的特定波長的激光。通過改變前后布拉格光柵區(qū)的注入電流來改變反射區(qū)材料有效折射率，布拉格波長隨之變化，完成波長的粗調(diào)。接著調(diào)節(jié)相位區(qū)的電流使腔模同反射區(qū)的反射峰一致實現(xiàn)細(xì)調(diào)。但是此類型可調(diào)諧激光器存在跳模問題，會嚴(yán)重影響激光器工作時的穩(wěn)定性。
[0006]溫度調(diào)諧是調(diào)整激光腔內(nèi)溫度從而實現(xiàn)波長變化，主要應(yīng)用于DFB激光器中。模塊內(nèi)一般內(nèi)置FP標(biāo)準(zhǔn)具與光功率檢測，另有兩個獨立的TEC —個用來控制激光器的波長，一個用來確保FP標(biāo)準(zhǔn)具與光功率檢測器恒溫工作。工作溫度范圍在-10度到50度時，可調(diào)諧6nm左右,但所需調(diào)諧時間是秒級別。
[0007]機(jī)械調(diào)諧一般采用MEMS來實現(xiàn)，適用于DFB結(jié)構(gòu)與VCSEL結(jié)構(gòu)?？烧{(diào)諧激光器主要包括DFB激光器陣列或VCSEL激光器陣列與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(jìn)行選擇，從而輸出需要的特定波長的光?；谶@種原理的可調(diào)諧激光器調(diào)諧時間一般為毫秒級別。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種可調(diào)諧激光器，本發(fā)明功耗低、高精準(zhǔn)、低成本。
[0009]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種可調(diào)諧激光器，包括半導(dǎo)體致冷器、過渡熱沉、激光器陣列芯片、微電機(jī)、光纖、第一分路器、模式轉(zhuǎn)換器、單模光纖、第二分路器、波長鎖定器、光探測器、激光器陣列芯片驅(qū)動電路、溫控電路、微電機(jī)驅(qū)動電路和微處理器；微電機(jī)上設(shè)有可以沿微電機(jī)行程方向運動的滑塊，光纖固定在微電機(jī)的滑塊上，光纖與滑塊固定的一端為激光入射端，另一端連接模式轉(zhuǎn)換器；第一分路器通過單模光纖分別與模式轉(zhuǎn)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(dǎo)體致冷器頂部，激光器陣列芯片固定在過渡熱沉頂部，激光器陣列芯片驅(qū)動電路連接激光器陣列芯片為其提供驅(qū)動電流，半導(dǎo)體制冷器與激光器陣列芯片連接，溫控電路連接半導(dǎo)體制冷器來控制激光器陣列芯片溫度；激光器陣列芯片驅(qū)動電路與溫控電路分別與微處理器連接，激光器陣列芯片驅(qū)動電路與溫控電路的電信號由微處理器提供輸出，激光器陣列芯片驅(qū)動電路提供偏置電流給激光器陣列芯片工作；微電機(jī)驅(qū)動電路的電信號由微處理器提供輸出，微電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動微電機(jī)工作；激光器陣列芯片輸出的光信號從第一分路器通過第一端口對外進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，再通過第二端口連接第二分路器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測；其中，第二分路器第一端口連接波長鎖定器檢測光信號中的波長參數(shù)，第二端口連接光探測器檢測光信號中的功率參數(shù)，完成對光信號的數(shù)據(jù)檢測；這些檢測數(shù)據(jù)又反饋給微處理器，從而維持整個系統(tǒng)的正常工作。
[0010]陣列激光器為IXN的巴條型DFB激光器陣列，N為自然數(shù)。
[0011]微電機(jī)綜合運動精度為Ium,微電機(jī)為直徑小于160mm或額定功率小于750W的電機(jī)。
[0012]光纖為通信類特種光纖。
[0013]模式轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)光纖到單模光纖的轉(zhuǎn)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管，將耦合進(jìn)光纖中的激光轉(zhuǎn)換為電流，其電流反饋給微處理器來控制微電機(jī)驅(qū)動電路以控制行程使光纖達(dá)到最佳耦合位置。
[0016]激光器陣列芯片驅(qū)動電路、溫控電路、微電機(jī)驅(qū)動電路以及微處理器集成在一個PCB電路板上。
[0017]第一分路器的反饋端口的分光比為1% -10% ;第二分路器第一端口的分光比為50%。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點:1、較高的耦合效率:光纖采用磨錐燒球后，與激光器芯片的耦合效率可達(dá)95%以上。光纖相比單模光纖容差較大，現(xiàn)有的一般微型電機(jī)精度即可滿足在電機(jī)調(diào)節(jié)過程中較高耦合效率的要求。加上分路器與模式轉(zhuǎn)換器的損耗，本可調(diào)諧激光器的耦合效率可達(dá)到45%以上。
[0019]2、調(diào)諧帶寬大:本方案采用激光器陣列芯片+半導(dǎo)體致冷器溫度調(diào)諧實現(xiàn)可調(diào)諧激光器。一般單顆芯片改變溫度10度，波長改變lnm，改變40度可以穩(wěn)定調(diào)節(jié)4nm的帶寬，本方案中只需提高芯片數(shù)量即可實現(xiàn)超大范圍的帶寬調(diào)諧，8顆芯片的陣列即可實現(xiàn)32nm全C波段波長調(diào)諧。
[0020]3、低成本:本方案中使用的核心激光器陣列芯片為自主設(shè)計制作，保證芯片波長間隔的一致性，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于市場上一般可調(diào)諧激光器的DBR激光器芯片，其余部件都是市場已有的成熟技術(shù)，只需稍加調(diào)整即可。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明可調(diào)諧激光器的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明可調(diào)諧激光器的原理圖。
[0023]

【具體實施方式】
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0024]結(jié)合圖1和圖2，一種可調(diào)諧激光器，由半導(dǎo)體致冷器1、過渡熱沉2、激光器陣列芯片3、微電機(jī)4、光纖5、第一分路器6、模式轉(zhuǎn)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、激光器陣列芯片驅(qū)動電路、溫控電路、微電機(jī)驅(qū)動電路以及微處理器組成。本發(fā)明可調(diào)諧的實現(xiàn)方法是通過機(jī)械進(jìn)行初步調(diào)諧，再通過電流與溫度進(jìn)行精確調(diào)諧。因此，激光器陣列芯片驅(qū)動電路提供合適的輸出電流驅(qū)動激光陣列芯片，而溫控電路通過半導(dǎo)體制冷器I給陣列激光芯片3提供合適的工作溫度，上述兩個驅(qū)動電路保證了陣列激光芯片3的正常工作條件并能夠?qū)崿F(xiàn)電流與溫度的精確調(diào)諧。而機(jī)械的初步調(diào)諧是微電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動微電機(jī)4工作帶動光纖5進(jìn)行耦合，其耦合過程的實現(xiàn)是通過微處理器通過控制微電機(jī)驅(qū)動電路來驅(qū)動微電機(jī)4，使其進(jìn)行一維的直線掃描(不通順，能否斷句)，掃描方向與沿陣列激光芯片3的排列方向一致。掃描過程中激光器陣列芯片3輸出的光信號會進(jìn)入光纖5中，再經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換器7將光信號轉(zhuǎn)入單模光纖11中，單模光纖11經(jīng)第一分路器6通過第一端口對外進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，再通過第二端口連接第二分路器8進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，其中第一分路器6的出光端口與反饋端口的最優(yōu)分光比例為9:1。再者，第二分路器8第一端口連接波長鎖定器9檢測光信號中的波長參數(shù)，第二端口連接光探測器10檢測光信號中的功率參數(shù)，完成對光信號的數(shù)據(jù)檢測，其中第二分路器8的第一端口與第二端口的最優(yōu)分光比例為1:1。上述光探測器10檢測到光功率參數(shù)又反饋給微處理器，微處理器根據(jù)光功率的大小來控制微電機(jī)調(diào)整光纖位置，直到光功率值達(dá)到預(yù)定光功率值從而完成微電機(jī)4的耦合工作。而波長鎖定器9得到的波長參數(shù)也反饋給微處理器，微處理器4根據(jù)所得波長與預(yù)設(shè)波長的差值控制陣列激光芯片驅(qū)動電路與溫控電路，直到所得波長值達(dá)到預(yù)設(shè)定光波長值，從而完成整個波長調(diào)諧工作。
[0025]激光器陣列芯片驅(qū)動電路是電流驅(qū)動電路，將微處理器提供的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號以驅(qū)動激光器陣列芯片發(fā)出對應(yīng)的光信號；溫控電路是驅(qū)動半導(dǎo)體制冷器控制溫度，將微處理器的電信號轉(zhuǎn)化為溫度信號，以保證激光器陣列芯片工作在合適的溫度環(huán)境內(nèi)；微電機(jī)驅(qū)動電路是驅(qū)動微電機(jī)工作并帶動光纖移動，其功能低將微處理器的電信號轉(zhuǎn)化為光纖的空間移動量；微處理器是對這個系統(tǒng)進(jìn)行控制的信息處理中心。
[0026]一種可調(diào)諧激光器，激光器陣列芯片3為四顆DFB激光器陣列芯片，在半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn))。激光器驅(qū)動電路給激光器陣列芯片提供偏置電流，溫控電路用來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體致冷器I的溫度，而微處理器控制微電機(jī)4的直線行程使光纖與所需通道的激光器陣列芯片3耦合。耦合輸出連接到模式轉(zhuǎn)換器7，轉(zhuǎn)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(jī)控制電路通過檢測光探測器10的電流進(jìn)而控制微電機(jī)實現(xiàn)光纖與激光器陣列芯片3的耦合。同時，波長鎖定器9檢測波長是否達(dá)到預(yù)設(shè)波長，并將差分信號反饋給微處理器，微處理器通過溫控電路來調(diào)節(jié)溫度，控制波長。
[0027]光纖5采用100/125多模光纖，電機(jī):三協(xié)SM06
實施例一，第I步，只給激光器陣列芯片中第一通道芯片供電30mA左右，TEC溫度25度，光纖與第一顆激光器對準(zhǔn)，實現(xiàn)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，只給激光器陣列芯片中第二通道芯片供電30mA左右，通過光探測器10的反饋，驅(qū)動電機(jī)調(diào)節(jié)光纖與第二通道芯片對準(zhǔn)，通過波長鎖定器9的反饋，調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)TEC溫度為33度，輸出波長1536.62nm ;以此類推，實現(xiàn)12nm帶寬，0.8nm間隔的可調(diào)諧激光輸出。
[0028]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種可調(diào)諧激光器，其特征在于:包括半導(dǎo)體致冷器(I)、過渡熱沉(2)、激光器陣列芯片(3)、微電機(jī)(4)、光纖(5)、第一分路器(6)、模式轉(zhuǎn)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)、激光器陣列芯片驅(qū)動電路、溫控電路、微電機(jī)驅(qū)動電路和微處理器；微電機(jī)(4)上設(shè)有可以沿微電機(jī)(4)行程方向運動的滑塊,光纖(5)固定在微電機(jī)(4)的滑塊上，光纖(5)與滑塊固定的一端為激光入射端，另一端連接模式轉(zhuǎn)換器(7);第一分路器(6)通過單模光纖(11)分別與模式轉(zhuǎn)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(dǎo)體致冷器(I)頂部，激光器陣列芯片(3)固定在過渡熱沉(2)頂部，激光器陣列芯片驅(qū)動電路連接激光器陣列芯片為其提供驅(qū)動電流，半導(dǎo)體制冷器與激光器陣列芯片(3)連接，溫控電路連接半導(dǎo)體制冷器來控制激光器陣列芯片(3)溫度；激光器陣列芯片驅(qū)動電路與溫控電路分別與微處理器連接，激光器陣列芯片驅(qū)動電路與溫控電路的電信號由微處理器提供輸出，激光器陣列芯片驅(qū)動電路提供偏置電流給激光器陣列芯片(3)工作；微電機(jī)驅(qū)動電路的電信號由微處理器提供輸出，微電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動微電機(jī)(4)工作；激光器陣列芯片(3)輸出的光信號從第一分路器(6)通過出光端口對外進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，再通過反饋端口連接第二分路器(8 )進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測；其中，第二分路器(8 )第一端口連接波長鎖定器(9 )檢測光信號中的波長參數(shù)，第二端口連接光探測器(10)檢測光信號中的功率參數(shù)，完成對光信號的數(shù)據(jù)檢測；這些檢測數(shù)據(jù)又反饋給微處理器，從而維持整個系統(tǒng)的正常工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于:陣列激光器為IXN的巴條型DFB激光器陣列，N為自然數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于:微電機(jī)(4)綜合運動精度為Ium,微電機(jī)(4)為直徑小于160mm或額定功率小于750W的電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于:光纖(5)為通信類特種光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于:模式轉(zhuǎn)換器(7)實現(xiàn)光纖(5)到單模光纖(11)的轉(zhuǎn)換，典型損耗為3dB。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于:波長鎖定器(9)用來反饋波長偏移信號給微處理器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于:光探測器(10)為光電二極管，將耦合進(jìn)光纖中的激光轉(zhuǎn)換為電流，其電流反饋給微處理器來控制微電機(jī)驅(qū)動電路以控制行程使光纖達(dá)到最佳耦合位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于:激光器陣列芯片驅(qū)動電路、溫控電路、微電機(jī)驅(qū)動電路以及微處理器集成在一個PCB電路板(12)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧激光器，其特征在于:第一分路器(6)的反饋端口的分光比為1% -10% ;第二分路器(8)第一端口的分光比為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(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)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(shù)有限公司