專利名稱：光纖傳感用波長可調(diào)諧光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光纖傳感用光源，特別是涉及光纖傳感用波長可調(diào)諧的激光光 源。
背景技術(shù)：
波長可調(diào)諧激光器在波分復(fù)用光通信，光纖傳感，光電元器件測量領(lǐng)域具有廣泛 的用途，實現(xiàn)波長可調(diào)諧的方式有很多種。其基本類別分為外腔調(diào)制型和InP基的DBR (分 布布拉格，distributed bragg reflector)反射鏡激光二極管。另外的方式有溫度調(diào)諧的 DFB(分布反饋)激光二極管陣列或者波長可調(diào)諧的VCSEL(面發(fā)射)激光二極管等。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感 技術(shù)。與傳統(tǒng)的電信號傳感相比，它具有不受電磁干擾，耐腐蝕，電絕緣，防爆性好，重量輕， 靈敏度高，容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控等特點，典型的光纖光柵傳感系統(tǒng)由寬帶光 源，光分束器，光纖光柵，光探測器，波長解調(diào)裝置構(gòu)成。其中寬帶光源為半導(dǎo)體超輻射發(fā)光 管，或者摻餌光纖放大器自發(fā)輻射光源，光纖光柵的波長解調(diào)裝置最典型的為可調(diào)諧FP腔 構(gòu)成的可調(diào)諧濾波器或者微型光譜儀，寬帶光源和波長解調(diào)裝置均價格昂貴，因此如何降 低光源和解調(diào)器的成本成為推廣光纖光柵傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵。對于光纖傳感的應(yīng)用，傳統(tǒng)的波長可調(diào)諧光源均存在不足，外腔調(diào)制型波長可調(diào) 諧光源制造工藝復(fù)雜，體積比較大，價格昂貴；DBR激光二極管波長調(diào)諧不連續(xù)，控制復(fù)雜， 很難應(yīng)到光纖傳感系統(tǒng)；而溫度調(diào)諧的DFB激光二極管調(diào)諧速度比較慢，導(dǎo)致響應(yīng)時間太長。傳統(tǒng)的DFB激光二極管波長隨電流的變化只有0. 007nm/mA左右，典型的DFB激 光二極管最高驅(qū)動電流在100-200mA左右，因此傳統(tǒng)的DFB激光二極管在允許的工作電流 變化范圍內(nèi)波長總的變化一般只有0. 7-1. 4nm。而典型的單模長波長面發(fā)射激光二極管波 長隨電流的變化可以到0. 3nm/mA左右，典型的單模長波長面發(fā)射激光二極管最高驅(qū)動電 流在10-20mA左右，因此面發(fā)射激光二極管在允許的工作電流變化范圍內(nèi)波長總的變化為 3-6nm,由于傳感用的光纖光柵波長變化范圍一般在1. 5-2納米左右，因此對于單只DFB激 光二極管，僅僅通過電流掃描的方式難以覆蓋光纖光柵波長的變化，面發(fā)射激光二極管可 以覆蓋單只光纖光柵波長的變化，但是如果系統(tǒng)使用不同波長的光纖光柵，單只DFB激光 二極管或者面發(fā)射激光二極管的波長的變化會顯得不足。雖然可以通過改變DFB激光二極 管或者面發(fā)射激光二極管的溫度將波長的變化范圍擴大，但溫度調(diào)諧的速度太慢，一般在 秒級，不能滿足實時傳感的要求。中國專利申請200610109382. 7公開了利用DFB激光器作光源，可以降低系統(tǒng)的成 本，但DFB激光器波長的變化范圍比較小，而且需要采用溫度調(diào)諧的方法，調(diào)諧速度慢。中 國專利200820214245. 4公開了一種面發(fā)射激光器構(gòu)成的光纖光柵傳感裝置，但是由單個 面發(fā)射激光器構(gòu)成的光源波長掃描范圍仍然比較有限。發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提出一種成本 低，波長可以連續(xù)調(diào)諧，波長掃描范圍寬的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源。本實用新型解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，設(shè)計制造一種光纖傳感用波長 可調(diào)諧光源，包括至少兩只中心波長不同的單模激光二極管、用以將所述各個單模激光二 極管的發(fā)射的波長可調(diào)諧激光組合成一個光源的激光組合機構(gòu)以及用以對所述激光組合 機構(gòu)輸出的激光進行波長定標(biāo)的定標(biāo)機構(gòu)。所述各個單模激光二極管為DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管。所述各個單模激光二極管發(fā)射的激光是能夠掃描一個小的波長區(qū)段的，所述激光 組合機構(gòu)輸出的光源是能夠掃描一個大的波長區(qū)段的。所述各個單模激光二極管的中心波長是能夠通過溫度調(diào)節(jié)而改變的，所述各個單 模激光二極管的波長調(diào)諧是能夠通過電流調(diào)諧而實現(xiàn)的并且在電流調(diào)諧時所述各個單模 激光二極管的溫度保持恒定。所述激光組合機構(gòu)包括激光組合器件和與該激光組合器件的輸出相連的一單模 光纖，所述激光組合器件是光纖分束器、光開關(guān)、光纖分束器與光開關(guān)的組合或者光纖分束 器與波分復(fù)用器的組合。所述定標(biāo)機構(gòu)包括激光分束器件和與該激光分束器件的輸出相連的定標(biāo)器件。所述激光分束器件是光纖分束器。所述定標(biāo)器件是與所述激光分離器件的至少一個輸出支路對應(yīng)相連的至少一個 光纖光柵、FP濾波器或者光纖光柵與FP濾波器的組合。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源的有益效果包括調(diào) 諧速度快，調(diào)諧范圍可以通過增加DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管的數(shù)量而增加， 成本低。

圖1為本實用新型的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源的原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源中激光組合機構(gòu)采用NXl光纖分 束器構(gòu)成的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源中激光組合機構(gòu)采用NXl路光開 關(guān)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實用新型的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源中激光組合機構(gòu)采用光纖分束 器和光開關(guān)組合構(gòu)成的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實用新型的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源中激光組合機構(gòu)采用光纖分束 器和粗波分復(fù)用器組合構(gòu)成的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合各附圖所示之最佳實施例作進一步詳述。圖1為本實用新型的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源的原理結(jié)構(gòu)示意圖，N(N ^ 2)只 DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管輸出的光通過一個NXl光耦合單元(也就是激光組合器件)耦合進一根單模光纖，單模光纖連接一定標(biāo)機構(gòu)，該定標(biāo)機構(gòu)包括IXM光纖分束 器，每個分光支路中都可以連接波長參考單元(也就是定標(biāo)器件)或直接作為可調(diào)諧光源 的光輸出通道，波長參考單元可以放置到M個分光支路中的任意一路或者多路，該波長參 考單元可以由一只或者多只光纖光柵構(gòu)成，也可以由1只或者多只FP濾波器構(gòu)成，或者由 光纖光柵和FP濾波器的組合構(gòu)成。該波長參考單元的輸出信號可接探測器(圖未示出)， 探測光纖光柵反射或者FP濾波器透射信號，在某一個掃描電流下，光纖光柵的反射信號或 FP濾波器的透射信號將出現(xiàn)一個峰值，表明此時掃描光源的波長和定標(biāo)器件的波長匹配， 該掃描電流對應(yīng)的DFB激光二極管波長等于光纖光柵波長或者FP濾波器波長，由于光纖光 柵反射，F(xiàn)P濾波器透射的波長保持恒定，因而該掃描電流下DFB激光二極管或者面發(fā)射激 光二極管的波長被精確測量，作為定標(biāo)器件的光纖光柵或者FP濾波器數(shù)量越多，DFB激光 器波長被精確測試的點越多，波長輸出越精確。為了保持波長參考單元波長的恒定，光纖光 柵和/或FP濾波器的溫度、應(yīng)變以及應(yīng)力等外界環(huán)境變量應(yīng)保持恒定。圖1中的NXl光耦合單元可以有以下多種構(gòu)成方式最簡單的方式是采用IxN光纖分束器的方式，如圖2所示，N只DFB激光二極管或 者面發(fā)射激光二極管的輸出從IxN功率均分的光纖分束器的N個端口輸入，然后從一根單 模光纖輸出。在圖2中，N只激光二極管輪流導(dǎo)通，流過激光二極管的電流線性變化，引起 激光二極管的波長連續(xù)變化，N只激光二極管的中心波長分別調(diào)節(jié)到合適的位置，使得N只 激光二極管掃描電流變化時的波長變化疊加形成一個波長變化范圍更大的掃描光源，當(dāng)其 中一只激光二極管導(dǎo)通進行電流掃描時，其余激光二極管關(guān)閉，所有激光二極管完成一次 電流掃描后就完成一次波長掃描周期，然后重復(fù)掃描。每只激光二極管只完成一小段波長 的掃描，N只激光二極管的組合完成一個更大范圍的波長掃描。IxN功率等分的光纖分束器 的缺點是最多只有1/N的光耦合進單模光纖，光損耗比較大。為了降低光損耗，可以考慮使用如圖3所示的光開關(guān)的工作方式，NXl光開關(guān)的N 個輸入口與N只DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管的輸出相連，光開關(guān)的輸出為單模 光纖，光開關(guān)輪流與N只激光二極管接通，接通后激光二極管電流開始掃描，掃描結(jié)束后， 光開關(guān)切換到下一只激光二極管，進行下一個電流掃描。當(dāng)所有激光二極管都完成一個電 流掃描周期時，完成一個波長掃描周期。使用光開關(guān)的好處是光損耗僅僅是光開關(guān)的插入 損耗，沒有IXN光纖分束器N倍的固有損耗。但是光開關(guān)的成本比較高。上述光纖分束器和光開關(guān)也可以組合起來使用，以降低光開關(guān)的數(shù)量，節(jié)省成本， 同時又使得光損耗不至太大。組合方式如圖4所示N只激光二極管分成M組，每組都包含 1只或者多只激光二極管，每組都通過等分的光纖分束器耦合進一根單模光纖，然后M組再 通過MXl光開關(guān)耦合進一根單模光纖。為了進一步降低成本，如圖5所示，還可以使用粗波分復(fù)用器來代替光開關(guān)。波分 復(fù)用器可以將波長不同的光耦合進入同一根光纖而不會引起額外的損耗。粗波分復(fù)用器件 的中心波長從1270nm 1610nm，波長間隔為20nm，共有18個通道，具體實施方式
如下首 先將N只激光二極管按照CWDM定義的中心波長和波分復(fù)用器的通帶寬度分成M組，通帶寬 度一般為中心波長+-7nm，激光二極管的波長都必須在此通帶波長范圍內(nèi)，分組后，每組中 的激光二極管都通過等分的光纖分束器耦合進單模光纖，然后M組再通過粗波分復(fù)用器耦 合進一根單模光纖。這種方式不需要使用光開關(guān)，同時除了波分復(fù)用器本身的插入損耗外，不會有額外的損耗。本實用新型實施的關(guān)鍵在于必須選擇合適波長的DFB激光二極管或者面發(fā)射激 光二極管，如果是用于光纖光柵傳感系統(tǒng)，DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管的波長需 要與光纖光柵的中心波長匹配。在具體實施方式
中，DFB激光二極管可以選用DWDM專用 DFB激光二極管，面發(fā)射激光二極管的波長也需要精確選定，同時DFB激光二極管或者面發(fā) 射激光二極管的中心波長可以通過溫度加以微調(diào)，調(diào)節(jié)到所需要的中心波長上。本實用新型在DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管進行電流掃描時，DFB激光 二極管或者面發(fā)射激光二極管溫度保持恒定，以便獲得精確，重復(fù)的波長掃描。這可以通過 半導(dǎo)體制冷片控溫來實現(xiàn)，但僅僅采取溫度穩(wěn)定措施仍然不能獲得高的波長精度。比如 DFB激光二極管的波長隨溫度的變化大概為0. 08nm/°C，如果溫度的穩(wěn)定范圍為士 1°C，那 么波長的漂移為士0. 08nm，因此在本實用新型的光源中增加了參考光纖光柵或者參考FP 濾波器，參考光纖光柵或者FP濾波器保持恒定的溫度，應(yīng)變，應(yīng)力等，以保證參考光纖光 柵或者FP濾波器的中心波長在外界環(huán)境變化時保持穩(wěn)定，從而提供穩(wěn)定的參考波長。比 如參考光纖光柵的中心波長為Xci，假定溫度穩(wěn)定范圍為士 1°C，由于光纖光柵波長隨溫 度的變化為0. 01nm/°C，所以參考波長的穩(wěn)定度為λ 0±0. Olnm，假定此時由DFB激光二極 管測試得到的參考光纖光柵的波長為但實際上波長應(yīng)該為Xci，所以波長的測試誤差 為(Κ-Κ)，這說明DFB激光二極管的真實波長需要在原來的基礎(chǔ)上減去這個波長誤差 (λ r λ J。通過這樣的校準(zhǔn)，DFB激光二極管波長的精度原理上和參考光纖光柵波長穩(wěn)定 度相同。參考光纖光柵或者FP濾波器的數(shù)量越多，波長測試越精確。本實用新型采用電流掃描的方式改變DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管的 波長，通過組合多只不同波長的DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管的方式克服單只器 件波長變化范圍不足的缺點，構(gòu)成低成本，快速響應(yīng)的可調(diào)諧光源。比如單只DFB激光二極 管波長掃描范圍為lnm，由2只中心波長相差I(lǐng)nm的DFB激光二極管構(gòu)成的光源波長掃描范 圍就可以達到2nm，覆蓋光纖光柵波長的變化范圍，DFB激光二極管中心波長可以通過改變 溫度進行調(diào)節(jié)，將DFB中心波長錯開一定的距離，同時使得兩只DFB激光二極管掃描波長范 圍有一定重度的重疊，構(gòu)成波長連續(xù)掃描的光源。N只這樣的DFB激光二極管構(gòu)成的光源， 原則上波長掃描范圍可以到N nm，因此30只DFB激光二極管組合成的本實用新型光源可以 構(gòu)成30nm波長連續(xù)變化的波長可調(diào)諧光源。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型中DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管由于采用 電流掃描的方式因而響應(yīng)速度可以很快，由于電流的掃描步長可以做得很小，因而波長調(diào) 諧精度高。調(diào)諧范圍可以通過增加DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管的數(shù)量而增加， 因而調(diào)諧范圍可變。DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管可以采用同軸封裝方式，成本低 廉同時體積很小，這種由多只DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管構(gòu)成的波長可調(diào)諧光 源可以用到光纖傳感領(lǐng)域，光電元器件測試或者光纖通信領(lǐng)域。以上，僅為本實用新型之較佳實施例，意在進一步說明本實用新型，而非對其進行 限定。凡根據(jù)上述之文字和附圖所公開的內(nèi)容進行的簡單的替換，都在本專利的權(quán)利保護 范圍之列。
權(quán)利要求一種光纖傳感用波長可調(diào)諧光源，其特征在于，包括至少兩只中心波長不同的單模激光二極管、用以將所述各個單模激光二極管的發(fā)射的波長可調(diào)諧激光組合成一個光源的激光組合機構(gòu)以及用以對所述激光組合機構(gòu)輸出的激光進行波長定標(biāo)的定標(biāo)機構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源，其特征在于，所述各個單模激光 二極管為DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管。
3.如權(quán)利要求2所述的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源，其特征在于，所述各個單模激光 二極管發(fā)射的激光是能夠掃描一個小的波長區(qū)段的，所述激光組合機構(gòu)輸出的光源是能夠 掃描一個大的波長區(qū)段的。
4.如權(quán)利要求3所述的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源，其特征在于，所述各個單模激光 二極管的中心波長是能夠通過溫度調(diào)節(jié)而改變的，所述各個單模激光二極管的波長調(diào)諧是 能夠通過電流調(diào)諧而實現(xiàn)的并且在電流調(diào)諧時所述各個單模激光二極管的溫度保持恒定。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源，其特征在于，所述激光組合機構(gòu) 包括激光組合器件和與該激光組合器件的輸出相連的一單模光纖，所述激光組合器件是光 纖分束器、光開關(guān)、光纖分束器與光開關(guān)的組合或者光纖分束器與波分復(fù)用器的組合。
6.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源，其特征在于，所述定標(biāo)機構(gòu)包括 激光分束器件和與該激光分束器件的輸出相連的定標(biāo)器件。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源，其特征在于，所述激光分束器件 是光纖分束器。
8.如權(quán)利要求7所述的光纖傳感用波長可調(diào)諧光源，其特征在于，所述定標(biāo)器件是與 所述激光分束器件的至少一個輸出支路對應(yīng)相連的至少一個光纖光柵、FP濾波器或者光纖 光柵與FP濾波器的組合。
專利摘要一種光纖傳感用波長可調(diào)諧光源，由N只波長不同的單模DFB激光二極管或者單模VCSEL激光二極管，光纖分束器或者光開關(guān)，或者光纖分束器和光開關(guān)的組合，或者光纖分束器和波分復(fù)用器組合，和波長定標(biāo)光纖光柵或者FP濾波器或者光纖光柵和FP濾波器的組合構(gòu)成。通過電流調(diào)諧方式使每只DFB激光二極管或者面發(fā)射激光二極管掃描一個波長區(qū)段，N只DFB激光二極管或者面發(fā)射光器掃描波長區(qū)段組合成一個掃描范圍更大的波長區(qū)段，構(gòu)成波長調(diào)諧范圍更大的波長可調(diào)諧光源。同時通過標(biāo)準(zhǔn)光纖光柵或者標(biāo)準(zhǔn)FP濾波器對波長進行定標(biāo)，提高波長輸出精度。
文檔編號H01S5/40GK201656245SQ201020106740
公開日2010年11月24日 申請日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者陳志標(biāo) 申請人:深圳市安捷工業(yè)光電有限公司