宽可调谐半导体激光器输出波长控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种宽可调谐半导体激光器输出波长控制方法及系统，其中方法包括以下步骤：控制可调谐半导体激光器的注入电流，并控制可调谐半导体激光器在全波段范围内进行波长粗扫描，并记录各个光纤光栅反射峰位置；控制可调谐半导体激光器的注入电流，围绕所记录的光纤光栅反射峰位置进行波长精扫描；识别并动态记录光纤光栅反射峰中心位置；控制可调谐半导体激光器的注入电流，围绕动态记录的光纤光栅反射峰中心位置进行波长精扫描。本发明可以实现光纤光栅波长的高精度解调，同时可以实现高速的扫描速率。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域,尤其涉及一种宽可调谐半导体激光器输出波长控制方法及系统。

背景技术

光纤光栅传感技术以无源、抗电磁干扰、耐腐蚀、寿命长等优点，在桥梁、储罐、交通隧道、国防、航空航天等多个领域得到广泛的应用。有关光纤光栅传感器的波长解调一直是研究机构和企业开发的重点，也是光纤光栅传感技术的核心。比较具有代表性、同时得到广泛应用的主要有“宽光谱光源+光谱分析法”以及“波长可调谐光源”两类。前者是利用CCD或CMOS等阵列探测器采集光谱信号进行分析；后者是利用光源对一定范围的波长进行扫描，获取光纤光栅的反射光功率并进行分析。

由于光可调谐滤波器以及波长可调谐光源技术的不断发展，其波长调谐范围已经与宽光谱光源相同，同时在多通道同步波长解调方面，比“宽光谱光源+光谱分析法”具有优势，因此逐渐成为主流。

但“波长可调谐光源”也有缺陷，如专利CN201210222826、CN200810017245、CN200610124955.3等均采用大量分立光学元件，如光可调谐滤波器、波长标定器件等，造成产品可靠性、尺寸等不尽如人意；而且该方案在波长解调速度上无法与“宽光谱光源+光谱分析法”相媲美。

专利CN200610109382中，采用温度调谐方法，改变分布布拉格反馈半导体激光器（DFB）的输出波长，实现光纤光栅波长解调。但一方面温度调谐方法速度更慢，另一方面，DFB的输出波长调谐范围很窄，通常为5nm，致使其负载数量大为减少。

近年来，在光通讯行业中，采用光波导集成工艺的宽可调谐半导体激光器不断发展，例如US4896325A和CN201210244941的单片集成、宽可调谐半导体激光器。该激光器采用光波导集成工艺，将众多光学元件集成在单一半导体波导材料上，其波长调谐是通过控制不同的无源波导区域的电流实现的，即预先在控制器中录入“电流——波长”查询列表，控制器根据输出波长的需要，注入相应的电流。该器件不仅极大减小器件尺寸，同时也提高了产品的可靠性。这些器件已经在光通讯波分复用系统中开始大量应用，同时不少厂商也将该器件引入到光纤光栅传感领域。但这种可调谐激光器在通信领域，其输出波长仅需要对准ITU-T波长，其没有波长扫描速率要求。但在传感领域，则要求激光器在全波段范围内密集地波长扫描，提高光纤光栅波长解调精度；同时还需要快速的波长扫描速率，以用于振动传感器等高速测量的需要，因此这两者要求互相制约。

发明内容

本发明针对现有技术中波长扫描速率不高，不能满足高速测量需求的缺陷，提供一种波长的高精度解调，同时可以实现高速的扫描速率的宽可调谐半导体激光器输出波长控制方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种宽可调谐半导体激光器输出波长控制方法，包括以下步骤：

S1、控制可调谐半导体激光器的注入电流，并控制可调谐半导体激光器在全波段范围内进行波长粗扫描，并记录各个光纤光栅反射峰位置；

S2、控制可调谐半导体激光器的注入电流，围绕步骤S1中所记录的光纤光栅反射峰位置进行波长精扫描；

S3、识别并动态记录光纤光栅反射峰中心位置；

S4、控制可调谐半导体激光器的注入电流，围绕步骤S3中动态记录的光纤光栅反射峰中心位置进行波长精扫描。

本发明所述的方法中，还包括步骤：

S5、在一定的时间周期内，控制半导体激光器在全波段内进行波长粗扫描，判断光纤光栅反射峰数量及其位置，以防止新的光纤光栅传感器增加。

本发明所述的方法中，步骤S1中，控制可调谐半导体激光器在40nm范围内进行波长粗扫描。

本发明所述的方法中，步骤S2和步骤S4均围绕光纤光栅反射峰中心位置左、右各100pm，按照步进1pm进行波长精扫描。

本发明所述的方法中，所述可调谐半导体激光器从前到后依次为前光栅区、有源区、相位区和后光栅区，其输出波长通过控制前光栅区、相位区和后光栅区的注入电流实现，不同的电流组合实现不同的输出波长，因此在步骤S1之前还包括步骤：

预先测量可调谐半导体激光器不同电流组合及输出波长，形成查询列表，工作时，根据所需波长选择相应的注入电流。

本发明还提供一种宽可调谐半导体激光器输出波长控制系统，该系统与可调谐半导体激光器连接，该系统包括：

粗扫描单元，用于控制可调谐半导体激光器的注入电流，并控制可调谐半导体激光器在全波段范围内进行波长粗扫描，并记录各个光纤光栅反射峰位置；

精扫描单元，用于控制可调谐半导体激光器的注入电流，围绕粗扫描单元中所记录的光纤光栅反射峰位置进行波长精扫描；

识别单元，用于识别并动态记录光纤光栅反射峰中心位置；

该精扫描单元还用于控制可调谐半导体激光器的注入电流，围绕识别单元中动态记录的光纤光栅反射峰中心位置进行波长精扫描。

本发明所述的系统中，所述粗扫描系统还用于在一定的时间周期内，控制半导体激光器在全波段内进行波长粗扫描，判断光纤光栅反射峰数量及其位置，以防止新的光纤光栅传感器增加。

本发明所述的系统中，所述粗扫描单元具体用于控制可调谐半导体激光器在40nm范围内进行波长粗扫描。

本发明所述的系统中，所述精扫描均围绕光纤光栅反射峰中心位置左、右各100pm，按照步进1pm进行波长精扫描。

本发明所述的系统中，与该系统连接的可调谐半导体激光器从前到后依次为前光栅区、有源区、相位区和后光栅区，其输出波长通过控制前光栅区、相位区和后光栅区的注入电流实现，不同的电流组合实现不同的输出波长，因此该系统还包括：

查询列表单元，用于预先测量可调谐半导体激光器不同电流组合及输出波长，形成查询列表，工作时，根据所需波长选择相应的注入电流。

本发明产生的有益效果是：本发明针对光纤光栅传感技术的实际特点，即各个传感器之间存在一定的波长间隔，通过对宽可调谐半导体激光器输出波长控制方法的改进，仅围绕光纤光栅反射峰中心位置附近进行扫描，在保证波长解调精度的同时，减少各个反射峰之间无效的波长扫描，提高扫描速度，解决了扫描精度和扫描速度之间的制约关系难题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为光纤光栅传感器阵列波长分布示意图；

图2为本发明实施例宽可调谐半导体激光器输出波长控制方法流程图；

图3为本发明实施例中可调谐半导体激光器的结构示意图；

图4为实施例中激光器“电流-波长”查询表示例；

图5为本发明实施例宽可调谐半导体激光器输出波长控制系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的出发点在于实际的光纤光栅传感器阵列中，每个光纤光栅传感器都存在一定的波长间隔，如图1所示。这是由于光纤光栅受温度或应力的影响，其反射峰波长会发生改变，为避免两个光纤光栅反射峰重叠，实际应用中，两个传感器的波长间隔很远。即波长解调范围仅需围绕光纤光栅反射峰附近的位置即可，而两个光纤光栅反射峰之间的大部分范围是无效范围，对波长解调没有任何影响。

本发明实施例采用新的可调激光器波长控制方法，仅在光纤光栅反射峰附近区域进行波长扫描。

如图2所示，本发明实施例的宽可调谐半导体激光器输出波长控制方法包括以下步骤：

S1、控制可调谐半导体激光器的注入电流，并控制宽可调谐半导体激光器在全波段范围内进行波长粗扫描，该步骤不参与波长解调，主要目的在于识别光纤光栅数量及其所处的大致波长位置，此时激光器输出波长间隔可以很大。

S2、控制激光器的注入电流，仅围绕光纤光栅反射峰中心位置附近一定范围内进行精扫秒，提高波长解调精度。

S3、识别并动态记录光纤光栅反射峰中心位置。因为光纤光栅反射峰中心位置会随其测量参量（如温度、应变等）发生改变，所以需要动态记录光纤光栅反射峰中心位置。

S4、围绕新的光纤光栅反射峰中心位置附近，按照步骤S2的方法进行波长精扫描。

本发明的一个实施例中，如果出现光纤光栅传感器动态增减的情况，则需要进行步骤S5、在一定的时间周期内，控制宽可调谐半导体激光器在全波段内进行波长粗扫描，判断光纤光栅反射峰数量及其位置，即重回到步骤S1。

本发明的一个实施例中，以取样光栅分布布拉格反射激光器（SGDBR）为例。该激光器如图3所示，从前到后依次为前光栅区、有源区、相位区和后光栅区，其输出波长是通过控制前光栅区、相位区和后光栅区的注入电流实现的，即不同的电流组合可以实现不同的输出波长。该激光器预先测量不同电流组合及输出波长，然后形成查询列表，如图4所示。工作时根据所需波长选择相应的注入电流。

传统方法将SGDBR激光器应用于光纤光栅波长解调时，假设波长扫描范围为40nm，为实现1pm的解调精度，需要激光器逐点输出波长40000次。计每次波长输出时间为t，则总计耗时40,000*t。

本发明的方法则为：

第一步，控制SGDBR在40nm范围内进行波长粗扫，由于此时不需要波长解调，主要目的在于识别光纤光栅数量及其所处的大致波长位置，此时激光器输出波长间隔可以很大。考虑光纤光栅3dB带宽通常为200pm，步进100pm即可以完全识别光纤光栅，因此此时耗时400*t。同时记录各个光纤光栅反射峰位置。

第二步，控制激光器的注入电流，仅围绕第一步中记录的光纤光栅反射峰位置进行精扫。例如有10个光纤光栅，围绕中心位置左、右各100pm按照步进1pm进行波长扫描，此时耗时2000t，较传统方法提升20倍。

第三步，因为光纤光栅反射峰中心位置会随其测量参量（如温度、应变等）发生改变，所以需要根据第二步的结果动态记录光纤光栅反射峰中心位置。

第四步，围绕第三步中新的光纤光栅反射峰中心位置附近，按照第二步所述方法进行波长扫描。

第五步，在一定的时间周期内，控制宽可调谐半导体激光器在全波段内进行波长粗扫描，判断光纤光栅反射峰数量及其位置。

第五步为可选项，旨在防止出现光纤光栅传感器动态增减的情况。如果在测试过程中，光纤光栅的数量保持不变，则该步骤可以省略。

本发明实施例宽可调谐半导体激光器输出波长控制系统用于实现上述实施例的波长控制方法，如图5所示，该系统与可调谐半导体激光器连接，该系统包括：

粗扫描单元，用于控制可调谐半导体激光器的注入电流，并控制可调谐半导体激光器在全波段范围内进行波长粗扫描，并记录各个光纤光栅反射峰位置；

精扫描单元，控制可调谐半导体激光器的注入电流，围绕粗扫描单元中所记录的光纤光栅反射峰位置进行波长精扫描，并动态记录光纤光栅反射峰中心位置；

该精扫描单元还用于控制可调谐半导体激光器的注入电流，围绕动态记录的光纤光栅反射峰中心位置进行波长精扫描。

其中，所述粗扫描系统还用于在一定的时间周期内，控制半导体激光器在全波段内进行波长粗扫描，判断光纤光栅反射峰数量及其位置，以防止新的光纤光栅传感器增加。

本发明的一个实施例中，所述粗扫描单元具体用于控制可调谐半导体激光器在40nm范围内进行波长粗扫描。

所述精扫描均围绕光纤光栅反射峰中心位置左、右各100pm，按照步进1pm进行波长精扫描。

该实施例中，与该系统连接的可调谐半导体激光器从前到后依次为前光栅区、有源区、相位区和后光栅区，其输出波长通过控制前光栅区、相位区和后光栅区的注入电流实现，不同的电流组合实现不同的输出波长，因此该系统还包括：

查询列表单元，用于预先测量可调谐半导体激光器不同电流组合及输出波长，形成查询列表，工作时，根据所需波长选择相应的注入电流。

综上，本发明通过将波长粗扫描和波长精扫描有效地结合在一起，可以实现光纤光栅波长的高精度解调，同时可以实现高速的扫描速率。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。