本發(fā)明涉及可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，特別是一種dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器憑借體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)以及波長(zhǎng)切換靈活的優(yōu)勢(shì)，在光纖通信、光譜分析和光纖傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中分布式布拉格反射dbr激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊和機(jī)械穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，包括有源區(qū)、相位區(qū)和光柵區(qū)三個(gè)區(qū)域，需要對(duì)三個(gè)區(qū)域同時(shí)注入電流來(lái)控制波長(zhǎng)和功率，但是波長(zhǎng)調(diào)諧范圍一般只有10nm；為了擴(kuò)大波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，研究者對(duì)分布式布拉格反射dbr激光器的三段式結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，得到了不同結(jié)構(gòu)的dbr激光器，例如采樣光柵sg-dbr激光器、調(diào)制光柵y分支型mg-y激光器和數(shù)字采樣ds-dbr激光器，改良后的dbr激光器具有更大的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，波長(zhǎng)切換速度可以達(dá)到納秒級(jí)別，且成本相對(duì)較低，具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景；然而，這些改良后的dbr激光器雖然在波長(zhǎng)調(diào)諧范圍和切換速度方面取得了顯著進(jìn)展，但同時(shí)也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，例如多段結(jié)構(gòu)的控制復(fù)雜度增加，各段之間的相互影響更加顯著，使得精確控制波長(zhǎng)和功率變得更加困難；半導(dǎo)體激光器的高敏感性導(dǎo)致輸出穩(wěn)定性容易受到溫度和電流波動(dòng)之類的外部因素影響，導(dǎo)致波長(zhǎng)漂移和功率波動(dòng)，因此需要通過(guò)調(diào)整dbr激光器的波長(zhǎng)控制信號(hào)和功率控制信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。

2、但目前常見(jiàn)的解決方案存在諸多缺點(diǎn)，包括：由于半導(dǎo)體激光器敏感性較高，對(duì)應(yīng)的輸出穩(wěn)定性容易發(fā)生波動(dòng)，現(xiàn)有的補(bǔ)償方法主要分為內(nèi)環(huán)反饋和外環(huán)反饋，其中內(nèi)環(huán)反饋方法雖然具有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成度高且簡(jiǎn)單有效的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也引入了波長(zhǎng)和功率的交叉影響問(wèn)題，使得精確控制變得更加復(fù)雜；其次，現(xiàn)有的補(bǔ)償技術(shù)大多依賴于預(yù)設(shè)的查找表或固定的補(bǔ)償算法，缺乏對(duì)激光器實(shí)時(shí)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力，難以應(yīng)對(duì)激光器在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的性能變化和老化問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于對(duì)dbr激光器的波長(zhǎng)和功率進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)中使用的內(nèi)環(huán)反饋方法雖然具有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成度高且簡(jiǎn)單有效的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也引入了波長(zhǎng)和功率的交叉影響問(wèn)題，使得精確控制變得更加復(fù)雜，并且補(bǔ)償技術(shù)大多依賴于預(yù)設(shè)的查找表或固定的補(bǔ)償算法，缺乏對(duì)激光器實(shí)時(shí)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力等問(wèn)題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明所要解決的問(wèn)題在于如何提供一種dbr可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，通過(guò)構(gòu)建波長(zhǎng)內(nèi)環(huán)反饋回路和功率內(nèi)環(huán)反饋回路，利用光電探測(cè)器和鑒頻器對(duì)波長(zhǎng)和功率進(jìn)行同步監(jiān)控，提出基于模糊比例積分微分pid的激光器功率控制算法和基于電流自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)牟ㄩL(zhǎng)校準(zhǔn)算法對(duì)波長(zhǎng)和功率進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)的多路恒流源由主控器獨(dú)立而綜合地控制，監(jiān)控器與激光器共同集成于蝶形封裝管中，解決dbr激光器波長(zhǎng)和功率交叉影響的問(wèn)題，克服現(xiàn)有技術(shù)控制效果差且電路復(fù)雜的方法。

3、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

4、第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法，其包括利用恒流源控制激光器的運(yùn)行，采集激光器的波長(zhǎng)和輸出功率；對(duì)所述波長(zhǎng)和所述輸出功率進(jìn)行信號(hào)處理；對(duì)所述激光器的波長(zhǎng)準(zhǔn)確性和功率參考點(diǎn)進(jìn)行限定處理；基于所述限定處理對(duì)所述激光器的輸出功率和波長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償。

5、作為本發(fā)明所述dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述利用恒流源控制激光器的運(yùn)行為利用主控制器查詢初始波長(zhǎng)電流查找表，向恒流源芯片發(fā)送地址位和數(shù)據(jù)位，使多路恒流源輸出指定電流，進(jìn)而使激光器產(chǎn)生激光；所述采集激光器的波長(zhǎng)和輸出功率為通過(guò)光束分束器將激光同時(shí)送到波長(zhǎng)監(jiān)控器和功率監(jiān)控器，對(duì)激光的波長(zhǎng)和功率進(jìn)行檢測(cè)，得到與激光的波長(zhǎng)漂移和輸出功率波動(dòng)相關(guān)的兩個(gè)輸出信號(hào)。

6、作為本發(fā)明所述dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述信號(hào)處理包括：利用跨阻放大器對(duì)光電探測(cè)器輸出的電流信號(hào)進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)不能超過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的供電電壓；對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理，穩(wěn)定幅度；所述限定處理包括設(shè)定激光器調(diào)諧的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度和設(shè)定全波長(zhǎng)范圍的功率參考點(diǎn)。

7、作為本發(fā)明所述dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述自適應(yīng)補(bǔ)償包括基于模糊pid控制算法對(duì)激光器的輸出功率進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償和基于波長(zhǎng)校準(zhǔn)算法對(duì)激光器的波長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償；所述基于模糊pid控制算法對(duì)激光器的輸出功率進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償包括以下步驟：利用功率內(nèi)環(huán)反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)激光器的功率穩(wěn)定，考慮到信號(hào)處理器處理數(shù)據(jù)的方式為離散形式，利用模糊pid控制算法進(jìn)行功率穩(wěn)定，功率控制電流的pid調(diào)節(jié)手段的計(jì)算公式如下：

8、

9、其中，u(k)為信號(hào)處理器發(fā)出的控制信號(hào)；kp為比例系數(shù)，其中模糊pid系數(shù)包括比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd；e(k)為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)功率電壓閾值與第k次采集到的功率反饋電壓之差；ki為積分系數(shù)；k為反饋迭代次數(shù)；e(j)為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)功率電壓閾值與第j次采集到的功率反饋電壓之差；kd為微分系數(shù)。

10、作為本發(fā)明所述dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述模糊pid系數(shù)的計(jì)算公式如下：

11、kp＝kp0+δkp

12、ki＝ki0+δki

13、kd＝kd0+δkd

14、其中，kp為比例系數(shù)；kp0為比例系數(shù)的初始值；δkp為模糊系數(shù)；ki為積分系數(shù)；ki0為積分系數(shù)的初始值；δki為模糊系數(shù)；kd為微分系數(shù)；kd0為微分系數(shù)的初始值；δkd為模糊系數(shù)；所述基于波長(zhǎng)校準(zhǔn)算法對(duì)激光器的波長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償包括以下步驟：將部分激光輸入鑒頻器和光電探測(cè)器，得到波長(zhǎng)偏差信號(hào)；利用激光器的精細(xì)調(diào)諧區(qū)域進(jìn)行電流補(bǔ)償，其中電流補(bǔ)償系數(shù)隨電流減小而增大。

15、作為本發(fā)明所述dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法的一種優(yōu)選方案，其中：dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償系統(tǒng)包括激光器芯片、準(zhǔn)直透鏡、光學(xué)隔離器、光束分束器、聚焦透鏡、波長(zhǎng)監(jiān)控器、功率監(jiān)控器、跨阻低噪放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器以及恒流源模塊；波長(zhǎng)監(jiān)控回路包括鑒頻器、光電探測(cè)器pd、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器以及恒流源；功率監(jiān)控回路包括光電探測(cè)器pd、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器以及恒流源；激光器芯片的輸出端通過(guò)光束分束器分別與波長(zhǎng)監(jiān)控器輸入端和功率監(jiān)控器輸入端連接；波長(zhǎng)監(jiān)控器的輸出端和功率監(jiān)控器的輸出端與低噪放大模塊的輸入端連接，得到波長(zhǎng)和功率反饋信號(hào)，利用信號(hào)處理器對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)模糊pid控制算法和波長(zhǎng)校準(zhǔn)算法計(jì)算波長(zhǎng)和功率的補(bǔ)償信號(hào)，進(jìn)而控制恒流源并調(diào)整電流。

16、作為本發(fā)明所述dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法的一種優(yōu)選方案，其中：波長(zhǎng)監(jiān)控器、功率監(jiān)控器、激光器芯片、準(zhǔn)直透鏡、光學(xué)隔離器、光束分束器以及聚焦透鏡集成于蝶形封裝管中；所述激光器芯片為dbr類型半導(dǎo)體，包括光柵區(qū)、相位區(qū)、增益區(qū)以及光放大區(qū)；所述鑒頻器為f-p標(biāo)準(zhǔn)具、氣體吸收池或光柵；所述蝶形封裝管中帶有tec制冷器，用于穩(wěn)定激光器芯片和光學(xué)器件的溫度。

17、第二方面，本發(fā)明為進(jìn)一步解決激光器補(bǔ)償中存在的安全問(wèn)題，實(shí)施例提供了一種dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償系統(tǒng)，其包括：數(shù)據(jù)采集模塊，用于利用恒流源控制激光器產(chǎn)生激光，并利用光束分束器將激光同時(shí)送到波長(zhǎng)監(jiān)控器和功率監(jiān)控器，對(duì)激光的波長(zhǎng)和輸出功率進(jìn)行檢測(cè)，得到與激光的波長(zhǎng)漂移和輸出功率波動(dòng)相關(guān)的兩個(gè)輸出信號(hào)；數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)波長(zhǎng)和輸出功率進(jìn)行限定幅度、減噪和穩(wěn)定幅度處理，對(duì)激光器調(diào)諧的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度設(shè)定要求，并設(shè)定全波長(zhǎng)范圍的功率參考點(diǎn)；自適應(yīng)補(bǔ)償模塊，用于基于模糊pid控制算法對(duì)激光器的輸出功率進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償，基于波長(zhǎng)校準(zhǔn)算法對(duì)激光器的波長(zhǎng)進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)和輸出功率的同步穩(wěn)定。

18、第三方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器和處理器，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其中：所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明第一方面所述的一種dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法的任一步驟。

19、第四方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其中：所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明第一方面所述的一種dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法的任一步驟。

20、本發(fā)明有益效果為：本發(fā)明提出一種dbr可調(diào)諧激光器的波長(zhǎng)和功率自適應(yīng)補(bǔ)償方法，可以解決內(nèi)環(huán)反饋帶來(lái)的波長(zhǎng)和功率交叉影響的問(wèn)題，保證波長(zhǎng)和功率的同時(shí)穩(wěn)定；自適應(yīng)補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠同時(shí)對(duì)兩個(gè)監(jiān)控單元的輸出信號(hào)進(jìn)行限定幅度、穩(wěn)定幅度和降噪濾波處理，易于實(shí)現(xiàn)；自適應(yīng)補(bǔ)償系統(tǒng)克服現(xiàn)有技術(shù)中激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定性的控制精度低的缺陷，基于功率監(jiān)控回路采用模糊pid控制算法監(jiān)控并穩(wěn)定功率，基于波長(zhǎng)監(jiān)控回路設(shè)計(jì)波長(zhǎng)校準(zhǔn)算法監(jiān)控并穩(wěn)定波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)激光器波長(zhǎng)和功率的高精度同步穩(wěn)定。