1 引言

随着光纤传感技术的快速发展,基于不同原理和结构的光纤传感器已经相继成熟并进入工程应用^[1-3]。其中光纤光栅传感器(FBG)^[4]和外腔式法珀干涉型传感器(EFPI)^[5]最具代表意义,并获得了最广泛的工程应用。光纤传感系统的发展趋势是低成本、小型化和高分辨率。采用光谱仪构建的光纤传感系统,其结构简单,易于操作,但是成本较高,且难以获得高精细光谱信息。此外,受限于光谱采集速度,该方案一般仅适用于低频参量的检测。随着半导体激光器技术的进步,基于可调谐半导体激光器构建的小型化光纤传感系统成为一种良好的选择。目前已广泛应用的可调谐半导体激光器包括分布式反馈激光器(DFB)、分布式布拉格反射(DBR)激光器和可调谐垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等类型^[6]。调制光栅Y分支(MG-Y)激光器是一种基于游标调谐原理的单片集成DBR激光器^[7],它具有波长调谐范围广(>40 nm)、高边模抑制比(SMSR,>40 dB)、快速波长切换(<20 ns)和高输出功率(>10 dBm)的特性。除了不适用于电信领域的密集波分复用^[8],MG-Y的宽范围、快速可调谐特性使其在光纤传感领域有巨大的应用前景。近年来,Rohollahnejad等^[9-10]提出应用该激光器的离散波长调谐进行超短FBG解调和大规模复用。本研究团队也基于该激光器提出了用于干涉型光纤声传感器解调和复用的相移干涉技术^[11-12]。构建覆盖40 nm 范围的波长-电流查找表是应用该激光器进行光纤传感的前提。郑胜亨和杨远洪^[13]研究了MG-Y激光器的调谐特性,实现了pm级的波长-电流查找表构建。利用该方案采集大量数据集并进行波长排序后,以SMSR大小及附近有无跳变点为依据进行筛选,未考虑调谐路径是否平滑。在实际应用中,调谐电流的突变会不可避免地引起输出波长和功率的不稳定^[14],平滑的调谐路径将大幅提高准连续波长扫描的稳定性。刘佳等^[15]构建了覆盖40 nm、间隔为20 pm 的波长-电流查找表,并在此基础上搭建了FBG解调系统。该查找表未考虑功率校准,扫描光谱区间内的功率波动达4.5 dBm。

本文旨在研究MG-Y型激光器的准连续调谐特性,并在此基础上提出适用于光纤传感应用的MG-Y型激光器快速自动化测试技术。使用样条插值的方法快速获取目标波长对应的电流调谐数据,进而通过调用光波长计进行验证和反馈。本文通过减小大范围的电流扫描和目标波长筛选导致的时间消耗,简化波长-电流查找表构建流程。所构建的查找表电流调谐路径平滑,通过半导体光放大器(SOA)电流和相位区电流的双重校准实现平坦功率,该方法适用于高速准连续波长扫描应用。

2 MG-Y激光器的调谐原理和自动化测试系统

多电极结构的DBR型可调谐半导体激光器主要利用载流子注入引起的等离子体效应来改变光栅的有效折射率,进而改变激光器的输出波长。这种调谐方式的波长切换时间短,但是只能实现几个nm 波长范围的调谐。MG-Y 激光器作为一种新型结构的DBR激光器,通过采用特殊的光栅设计并基于游标效应,能够获得宽波长调谐范围。本文采用AOC Technologies 公司生产的ATLS7500型MG-Y激光器,其结构如图1(a)所示,由左、右光栅反射区,多模干涉耦合器(MMI),相位区,增益区,集成前向反射器和SOA组成。左、右光栅反射区的反射谱是一种梳状反射谱,且间距不同。如图1(b)所示,两个梳状反射谱对准的重合峰位置决定了某一时刻的输出波长。左、右光栅反射区的反射谱由左、右注入电流(I_RR和I_LR)进行调谐,I_RR和I_LR的联合控制可实现宽范围的波长粗调。相位区电流I_phase调谐可以控制输出光的相位谐振条件,从而实现精细的波长调谐。增益区电流I_gain和SOA电流I_SOA控制激光器的输出光功率。因此,每一个输出波长对应着5个注入电流的组合。对于电信领域的应用,波长间的信道间隔通常为50 GHz(0.4 nm),这显然难以满足光纤传感领域精密光谱检测的需求。快速获取高质量的波长-电流查找表是利用MG-Y激光器进行光纤传感应用的前提。

图 1. MG-Y型可调谐激光器的结构和调谐原理。(a) 结构示意图; (b)游标调谐原理

Fig. 1. Structure and tuning principle of MG-Y tunable laser. (a) Diagram of structure; (b) vernier tuning principle

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MG-Y激光器的调谐原理复杂,人工进行查找表检索的工作量非常大。因此,本文搭建了MG-Y激光器自动化测试系统。由于需要对5路注入电流进行复杂的组合调控,也需要对调控输出的波长进行实时判断(判断输出波长是否符合需求,进而指导后续的调控逻辑),采用单片机或者FPGA构建激光器驱动模块和测试系统将会增加系统复杂性。本文采用计算机作为主控单元进行MG-Y可调谐激光器自动化测试系统的构建。系统结构图见图2,主要包括计算机、USB-SPI模块、MG-Y激光器驱动电路板和光波长计。

图 2. MG-Y型可调谐激光器的自动化测试系统

Fig. 2. Automated test system of MG-Y tunable laser

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选用亚德诺半导体公司(Analog Devices Inc.)的ADN8810芯片开发激光器驱动电路。ADN8810芯片是一种12 bit的电流源芯片,可提供高达300 mA的可调输出电流。该电流源输出的电流范围宽,芯片噪声小,长期稳定性好,非常适合作为可调谐半导体激光器的驱动电流源。通过地址位进行区分时,一组SPI总线最多可以同时控制8块ADN8810芯片。在该系统中,通过一组SPI总线以串行方式控制5块ADN8810芯片分别作为左/右光栅反射区、相位区、增益区和SOA的电流源。单个ADN8810芯片输出的最大驱动电流为

IFS≈UREF10×RS,(1)

式中:U_REF为输入ADN8810芯片的参考电压,在本文中为4.096 V;R_S为外接参考电阻值。输出驱动电流I_OUT可以表示为

IOUT=C4096×UREFRS×RS15000+0.1,(2)

式中:C为输入的控制数值,其范围为0~4095。通过实际测试得到所构建的激光器驱动电路板中对应左/右光栅反射区、相位区、增益区和SOA的电流源的最大输出电流值分别为34.600,34.556,8.500,113.670,171.400 mA。因此,该驱动电流板中5路电流源可实现的实际最小调谐电流分别为0.008,0.008,0.002,0.028,0.042 mA。

基于ViewTool公司的Ginkgo USB-SPI 适配器,上位机直接发送符合SPI协议的电流控制命令至激光器驱动电路板,这大幅度减小了电流控制的复杂性。USB-SPI适配器输出三个信号至驱动电路板,分别是数据串行接口(SDI),时钟(SCLK)和片选(CS)。在SCLK的上升沿,SDI的数据被送到移位寄存器中,当所有的16位数据(4位地址、12位数据)都送到寄存器后,CS的高电平信号会使寄存器内的数据下载到对应的ADN8810芯片。通过温控模块控制激光器的工作温度保持在25 ℃。当目标控制电流发送成功后,上位机调用光波长计进行激光器输出波长、功率和光信噪比的检测。检测数据通过TCP/IP 协议传输至计算机中形成检测闭环。所使用的AQ6151光波长计(YOKOGAWA)的波长检测范围为1270~1650 nm,波长精度为±0.3 pm,波长显示分辨率为0.0001 nm,功率显示分辨率为0.01 dB,单次测量时间为0.3 s,可满足MG-Y激光器快速自动化测试的应用需求。

3 基于样条插值的准连续调谐查找表构建

本文提出一种基于样条插值的快速自动化测试方案,该方案可实现覆盖1527~1567 nm的pm级间隔的波长-电流查找表构建。以8 pm (1 GHz)间隔为例,详细说明该方案的具体实现方法。40 nm 波长调谐范围内共包含5000个波长点,该目标波长数组已提前确定。该自动化测试方案流程图见图3,整个测试过程主要分为4个部分:确定I_RR 和I_LR 的调谐路径;单个路径内目标波长的插值检索;输出功率校准;误差点优化。

图 3. MG-Y激光器的快速自动化测试流程图

Fig. 3. Flow chart of fast automated test scheme of MG-Y laser

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3.1 确定左、右光栅反射区电流调谐路径

MG-Y 激光器的输出波长主要受左、右光栅反射区注入电流和相位区注入电流的控制,增益电流和SOA电流主要控制输出光功率。首先,增益电流和SOA电流分别为98 mA 和100.76 mA,相位区电流为0 mA。为了获取覆盖40 nm范围的左、右光栅反射区电流调谐路径,以0.2 mA的电流步长、20 mA范围进行I_RR和I_LR扫描,获得如图4(a)所示的电流-波长关系图。可以发现,MG-Y激光器存在多个准连续波长调谐路径(不同颜色区分)。每一个准连续调谐路径可覆盖约5 nm的波长范围,通过多个路径的去重拼接便能够实现40 nm 宽范围波长调谐。处于色块边缘的输出波长容易出现跳模现象,为了提高输出稳定性、保持较高的光信噪比,调谐路径应该沿着每个色块的中心区域。结合电流-波长关系图和实际测试,筛选出覆盖1527~1567 nm、间隔为0.4 nm的100个波长数据,共包含11段调谐路径。由图4(a)可知,在同一路径内,左、右光栅反射区电流且呈现近似线性关系。由图4(b)可发现,在单个路径内,输出波长和左、右光栅反射区电流呈现多项式关系。利用这些调谐特性进行样条插值,可快速获取高质量的波长-电流查找表。

图 4. 覆盖40 nm 波长调谐范围的I_RR和I_LR的调谐路径。(a)输出波长与I_RR和I_LR的关系图;(b) 0.4 nm 波长间隔的左、右光栅反射区电流调谐路径

Fig. 4. Tuning paths of I_RR and I_LR covering wavelength range of 40 nm. (a) Relationship among output wavelength, I_RR, and I_LR; (b) current tuning paths of I_RR and I_LR with 0.4 nm wavelength interval

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3.2 样条插值的路径内目标波长检索

为了快速高效地获得精细的波长-电流查找表,首先采用样条插值的方法对获得的0.4 nm波长间隔的波长调谐路径进行插值细化,生成0.05 nm波长间隔的虚拟查找表。以路径1为例,对基于样条插值的精细波长检索方法进行详细说明。该路径共包含11种I_RR和I_LR组合,波长范围为1563~1567 nm。图5(a)显示了按照0.05 nm 波长间隔进行波长插值产生的I_RR数组。基于该I_RR数组,可以进一步进行样条插值,产生相对应的I_LR数组,如图5(b)所示。至此,经过样条插值获得了0.05 nm间隔的路径1的左、右光栅反射区电流调谐路径,该路径内一共包含88种I_RR和I_LR组合。为了便于说明,将一对I_RR和I_LR称为一个特征点,需要在每个特征点位置上进行I_phase微调,实现波长的精细调谐。

图 5. 路径1的样条插值。(a)波长插值生成I_RR数组;(b) I_RR 插值产生I_LR 数组

Fig. 5. Spline interpolation of path 1. (a) Generating I_RR array through wavelength interpolation; (b) generating I_LR array through I_RR interpolation

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图6(a)显示了相位区电流调谐特性。对于路径1中的2个特征点,I_RR和I_LR组合分别为(0.854, 1.560)和(3.008,4.552)(单位为mA),相位区电流按照0.1 mA的步长进行0~5 mA范围的扫描。可以看出,通过5 mA相位区电流调谐,可实现约0.3 nm范围的波长精细调谐,并且出现多个线性调谐段。这是由于相位区电流是通过控制输出光的相位谐振条件实现波长调谐,当相位谐振条件超过一定范围时会发生波长跳变。图6(a)中曲线的第2段线性调谐区域涵盖的可调谐波长范围宽,且对应的相位区电流区间也较大,这意味着可以有更多精细调谐的空间。此外,线性调谐段的中间区域(矩形框内区域)稳定性更高,即使发生相位区电流波动或者其他干扰,也不容易发生波长跳变,这是进行下一步精细波长调控的良好选择。

为了获得所获取的每一个特征点经I_phase调谐后的波长线性调谐区间,需要对每一个特征点位置进行相位区电流扫描。为了提高效率,以0.2 mA的步长进行扫描,且实时判断是否已获取该特征点的线性调谐段信息。假如探测到的第一段线性调谐段的相位区电流范围过窄(I_phase <1.7 mA),该线性调谐段会被舍弃,继续检索第二段线性调谐段。这样可以避免在每一个特征点都进行5 mA范围的扫描,当获取目标线性调谐段后,停止检索并进行下一个特征点的I_phase扫描。与特征点对应的线性调谐段的I_phase值和对应的输出波长将会被单独记录在以该特征点序号命名的文件中,用于后续目标波长的插值检索。

对于相邻的多个特征点,如果把它们的线性调谐段进行去除重合的拼接,便能够实现一段波长范围内的精细波长间隔的准连续调谐。图6(b)显示了相邻的7个特征点对应的线性调谐段。本文所采用的相位区电流调谐区间去重合的逻辑是:将每一个线性调谐段的波长最小值和下一段的波长最大值进行取平均,将该平均值作为该段末尾值和下一段的起始值,如此可实现连续特征点相位区电流调谐区间的去重,且保留的部分基本都位于每一个线性调谐段的中间区域。对于8 pm波长间隔的目标波长数组中的任意一个波长值,都有唯一的特征点与其对应,在该特征点的线性调谐区间内进行相位区电流调谐便能够快速确定该波长的调谐电流组合。

以目标波长1565.234 nm 为例,该目标波长位于图6(b)中的第③号线性调谐段的中间区域,即图6(a)中的矩形框选中区域内。为实现该目标波长的快速检索,将调用之前存储的该特征点线性调谐段数据,并通过样条插值产生该目标波长对应的相位区电流,如图6(c)所示。上位机发送该目标波长插值产生的相位区电流至激光器驱动电路板,继而调用AQ6151光波长计读取该相位区电流调节下的实际输出波长。若实际输出波长和目标波长的偏差小于1 pm,则认为检索成功,将该查找表数据进行存储并继续下一个目标波长的检索;若实际输出波长和目标波长的偏差不符合要求,则将该相位区电流和它对应的实际输出波长存储到原始相位区电流线性调谐段文件中,更新数据集,根据更新后的数据集重新进行插值检索,继续上述验证过程。数据集的实时更新会让样条插值更加精确,同线性调谐段的其他目标波长也会在实时更新的数据集基础上进行插值检索。实际实验过程中,绝大部分的目标波长仅需要1次样条插值就能够找到符合条件的电流调谐数据。

图6(d)显示了路径1的精细电流调谐曲线,波长调谐范围为1562.387~1567.001 nm,波长间隔为8 pm。由图可知,基于该方案获取的查找表具有平滑的电流调谐路径,即使是相位区电流调谐路径,也较为平滑。将同样的方案应用于其他几个路径,便能够实现全C波段40 nm 范围的8 pm波长间隔的准连续调谐。基于该方案产生的波长-电流查找表中的相位区电流大多位于其所在线性调谐段的中间区域,该方案不仅稳定性较高,也给通过微调I_phase进行波长校准提供了可能。

图 6. 基于样条插值的目标波长检索。(a)相位区电流调谐特性;(b)线性调谐段的去重和拼接;(c)基于样条插值进行目标波长检索;(d) 8 pm波长间隔的路径1的电流调谐曲线

Fig. 6. Target wavelength retrieval based on spline interpolation. (a) Tuning characteristics of current in phase region; (b) deduplication and stitching of linear tuning sections; (c) target wavelength retrieval by spline interpolation; (d) current tuning curves of path 1 with 8 pm wavelength interval

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3.3 输出功率校准和误差点优化

经过11条路径的目标波长检索,获得了覆盖全C波段、波长间隔为8 pm且调谐路径平滑的电流查找表。此时增益电流为98 mA,SOA电流为100.76 mA,其输出功率曲线见图7(a)。随着左、右光栅反射区电流的增大,注入载流子的吸收变大,使得激光器输出光功率减小,因而输出功率随左、右光栅反射区的电流变化呈现出锯齿状变化。在未进行功率校准时,激光器输出功率的波动幅度为1.0 dBm。如果不进行功率校准,将会影响到光谱解调的准确性,例如引起FBG波长的解调误差或者EFPI腔长的解调误差。在不添加额外参考光路的情况下,通过SOA电流的调谐,可以使得激光器不同波长的输出光功率保持一致,而这将会给光纤传感应用带来极大便利。图7(b)显示了SOA电流的调谐特性,输出光功率与SOA电流呈现出较好的线性关系。然而,在通过SOA电流调整输出功率的同时,光波长也会发生漂移,这增加了实现平坦功率的复杂性。由图7(b)可知,I_SOA在98~128 mA范围内变化时,引起的波长偏移较小。根据多组I_SOA和光功率的线性拟合可以获得SOA电流调控功率的斜率值。本文将目标光功率设置为10.5 dBm,基于当前实际输出功率、I_SOA和先验的斜率值,能够换算出产生目标功率对应的I_SOA。上位机控制发送该SOA电流指令,通过光波长计测量该情况下的输出波长和光功率。若功率误差大于0.2 dBm,将继续进行插值筛选。当功率符合要求时,产生的微小的波长偏移将由相位区电流调谐进行校准。现有查找表中所采用的相位区电流大多数位于其所在波长线性调谐段的中间区域,具有一定范围的波长校准空间,且不易出现波长跳变。经过I_SOA调谐校准光功率后,通过I_phase调谐校准光波长偏移,至此可以构建具有平坦功率输出的波长-电流查找表。经I_SOA校准后的光功率曲线如图7(c)所示,此时光功率波动小于0.2 dBm。校准后的SOA电流曲线和校准前的光功率曲线呈现出相反的变化趋势。

图 7. 激光器输出功率校准。(a) I_SOA 固定为100.76 mA时的激光器输出功率曲线;(b) I_SOA 调谐特性;(c)校准后的功率曲线;(d)全C波段电流调谐曲线

Fig. 7. Calibration of output power of laser. (a) Output power curve of laser when I_SOA is fixed at 100.76 mA; (b) tuning characteristic of I_SOA; (c) calibrated output power; (d) full C-band current tuning curves

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至此,实现了8 pm 波长间隔、1527~1567 nm 波长范围的波长-电流查找表构建。控制激光器按照此查找表进行多次输出验证,若出现波长误差大于2 pm的波长数据,则针对该波长进行进一步的筛选和优化。最终的电流调谐曲线如图7(d)所示,在原有的11条平滑调谐路径内,通过样条插值的目标波长检索,可构建覆盖40 nm 范围的波长-电流查找表。根据实际应用需要,基于该方法可实现更高波长精度的准连续调谐查找表构建。输出波长的精度主要受所使用的驱动电流源精度和激光器温控稳定性的影响。在本文中,激光器的工作温度稳定为25 ℃。使用ADN8810芯片作为电流源,能够满足8 pm 间隔的波长准连续扫描的要求,波长误差可控制在2 pm 之内。通过提高驱动电流源的精度,可以进一步细化波长-电流查找表的波长间隔,达到1 pm甚至0.1 pm(~12.5 MHz)的波长调谐间隔。

4 EFPI腔长解调实验

为了验证采用本文中的快速自动化测试方法构建的波长-电流查找表进行光纤传感的有效性,搭建了基于MG-Y激光器的光纤EFPI解调系统。解调系统的示意图见图8,其采用FPGA作为主控芯片,并行控制5路ADN8810 输出指定电流,实现1527~1567 nm的准连续波长扫描。波长切换时钟为500 kHz,全谱扫描频率为100 Hz。同步采集光电探测器在对应输出波长下的光信号强度,获取传感器干涉光谱。采用单模光纤-毛细管-单模光纤构建了一个静态Fabry-Perot腔,用于实验测试。传感器的干涉光谱如图9(a)所示。采用交叉相关腔长解调算法^[16],可以解调出当前EFPI的腔长为115.315 nm。由此可知,基于MG-Y激光器的准连续波长扫描,可以正常采集到EFPI干涉光谱。由于不同波长的输出功率已通过SOA电流校准到同一水平,无需对所采集的干涉光谱进行光源原始光谱波形的校准,这简化了EFPI解调过程并且提高了解调准确性。在100 Hz 的全光谱采集频率下,连续采集300 组光谱数据,解调的腔长波动曲线如图9(b)所示。解调结果的腔长波动大小为1.4 nm,标准差(SD)为0.2 nm,这证明了该系统可实现稳定的全光谱扫描和数据采集。另外,基于相同的波长-电流查找表,通过将ADN8810芯片替换为支持更高频率的电流源芯片,可以进一步提高波长切换速度,实现MHz波长切换。

图 8. 基于MG-Y激光器的光纤EFPI解调系统示意图

Fig. 8. Diagram of fiber-optic EFPI demodulation system based on MG-Y laser

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图 9. 光纤EFPI解调结果。(a)干涉光谱;(b)解调腔长值

Fig. 9. Demodulation results of optical fiber EFPI. (a) Interference spectrum; (b) demodulated cavity length

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5 结论

基于MG-Y可调谐半导体激光器的准连续调谐特性,提出了一种MG-Y激光器的快速自动化测试技术。采用计算机、USB-SPI模块、激光器驱动电路板和AQ6151光波长计搭建了自动化测试系统。该测试方案包含4个步骤:确定I_RR 和I_LR 调谐路径;单个路径内目标波长的插值检索;输出功率校准;误差点优化。样条插值的主动波长检索大幅减少了常规方案中采用精细电流扫描后进行波长筛选导致的时间消耗。基于该方案构建了覆盖1527~1567 nm、波长间隔为8 pm 的波长-电流查找表,该查找表中的电流调谐路径平滑,输出功率波动小于0.2 dBm,可用于EFPI干涉光谱采集和绝对腔长解调。该工作为基于MG-Y激光器的高速波长扫描式光纤传感应用提供了良好的基础。