创建并利用用于持续的同步多维控制的“多元路径”实现电磁辐射源中的单模扫描操作的系统和方法技术方案

一种扫描电磁辐射源（12）的方法，用以在指定时域内产生具有连续波长范围内的最佳边模抑制比的单模操作，该电磁辐射源用于基于参数输出处于给定波长的电磁辐射。该方法包括：确定满足波长的期望集的条件和波长范围内的最大边模抑制比的参数组合的集合。该参数组合的集合限定用于从一个波长到另一个波长的转变的子路径。所选的子路径的组合提供用于在该波长范围内的转变的多元路径。该方法还包括控制半导体激光器通过以预期的方式遍历多元路径而发射在该波长范围内的电磁辐射。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】创建并利用用于持续的同步多维控制的“多元路径”实现电磁辐射源中的单模扫描操作的系统和方法
本专利技术一般涉及一种创建并利用用于持续的同步多维控制的“多元路径”实现电磁辐射源中的单模扫描操作的系统和方法，该系统和方法用在光学相干断层成像（OpticalCoherenceTomography，OCT）、光频域反射（OpticalFrequencyDomainReflectometry，OFDR）、光谱学、光学组件的遥感和测试等中。
技术介绍
在遥感应用和光学相干断层成像应用中，激光器有时作为波长扫描设备来操作，在其它应用中，激光器有时用于测试电信组件。波长扫描中的不连续性或非单模的波长操作可对使用激光器的应用产生显著影响。例如，激光器的波长扫描中的间断点（即波长中向前或向后的跳跃）或非单模的波长操作可使分子气体的吸收特性的波形失真。在另一示例中，波长的不连续性或非单模的波长操作可降低组织的OCT测量的信噪比。因此，需要消除扫描波长的激光器中的波长不连续性、波长非线性和非单模的激光器操作。现有技术中维持单模操作和控制波长相对于时间的扫描曲线的尝试虽多，但是并不理想。尽管可以在一个时间点上准确地维持单模操作和控制扫描曲线，但是时间的流逝或者例如温度或湿度的变化将造成不连续性、非线性，并引发非单模的操作。例如，机械调谐的外腔式激光器利用与增益介质耦合的外腔机构工作在近乎连续的单模下。在典型的单模可调谐激光器中，具有两个关键要素：用于改变波长的方法，以及用于改变腔的长度以优化边模抑制和维持单模操作的另一方法。在模拟的可调谐激光器（被称为利特曼-梅特卡夫（Littman-Metcalf）结构）中，具有特定的机械结构，该机械结构驱使波长随着腔长度的变化而发生相应的变化，从而维持单模操作。在这些机械系统中，具有驱使机械“路径”穿过一路径的机械结构，在该路径中，波长增长是线性的，且路径长度差随着波长的增大而同步改变，以维持具有好的单模抑制比（SingleModeSuppressionRatio，SMSR）的单模操作。例如，本专利技术的一个方面可以被认为是与在使用Littman-Metcalf结构的外腔式激光器中的机械“路径”相当的电气“路径”。通过精确的、严格公差的组件和腔的精确校准，或者使用实时调整腔长度的元件（例如压电式转换器），来维持机械激光器的操作。其它激光器结构使用腔内元件。然而，随着时间的推移，激光器的校准退化或组件磨损，这可引发相对于时间的扫描曲线的变化和非单模的操作。当环境温度、湿度或压力改变时，校准可能会退化，这也可引发相对于时间的扫描曲线的变化和非单模的操作。激光器外部或内部的振动也可使腔错位，这也可引发相对于时间的扫描曲线的变化和非单模的操作。即使在具有稳定腔的激光器中，也难以产生没有波长间断点的波长扫描。单片构造的半导体激光器是一类用于产生扫描波长的单模激光器。单片半导体激光器包括半导体中的多个部分或段（作为可调节的腔镜）、激光增益、腔相位和（可选地）外部放大。示例为垂直腔面发射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，VCSEL）、具有微机电系统（Micro-ElectroMechanicalSystem，MEMS）调谐结构的VCSEL、游标调谐的分布式布拉格反射镜（Vernier-TunedDistributedBraggReflector，VT-DBR）激光器、超结构光栅分布式布拉格反射（Super-StructureGratingDistributedBraggReflector，SSGDBR）激光器和类似设备。由于这些激光器是单片的，没有可动部件（除了MEM设备），因此，这些激光器的腔是极其稳定的，且可以在具有窄线宽和长相干长度的单纵向模式下操作。这类可调谐半导体激光器需要多个激光电流信号来调谐波长，从而对产生没有波长间断点的波长扫描提出了挑战。需要一种用于确定和控制电磁辐射源的系统和方法，以产生维持最佳单模操作的连续的波长扫描。
技术实现思路
希望从激光系统产生激光扫描，该激光系统波长连续且维持最佳单模操作。在本文中，波长扫描的主光谱模式的振幅和最突出的边模式的振幅的比（即边模抑制比）用于表征激光器是否工作在单一模式（单模）下。如本文中所使用的波长扫描指的是随着时间的推移，以指定的（通常优选地，以线性的、单调的）方式从一个波长到另一个波长的连续的（或步进式连续的）移动。激光器的输出波长是由多个输入参数的相互作用确定的。因此，为了防止激光器输出中的波长的不连续性，需要了解如何在整个波长扫描中调整多个参数。对于生成和维持波长扫描的另一难题是，对时间和温度的影响进行有意义的量的调谐。这意味着，随着时间和温度的变化，为了维持指定的波长相对于时间的扫描，多个激光器参数上所需的控制也随着时间和温度的变化而变化。如上所述，多个参数相互作用，以控制激光器的输出波长、功率和单模操作。归因于参数的数量、参数之间的相互作用、参数对于环境因素的依赖性以及组件的使用年限对激光器输出的影响，描述参数之间的关系是困难的。由上述参数和外部因素，通过如下公式确定激光器的输出波长：其中，λ是在特定时间tj时的波长，ci是m个参数，这m个参数相互作用以影响预期的输出波长。例如，参数ci可以包括半导体单片可调谐激光源（SemiconductorMonolithicTunableLaserSource，SMTLS）、可控因素（例如，正面镜像电流、背面镜像电流、相电流、增益、半导体光放大器电流）和外部因素（例如，温度和湿度）。归因于激光器控制参数之间的复杂关系以及与环境的相互作用，采用参数ci和时间tj的函数F(ci,tj)是非线性的。另外，F(ci,tj)对于每个激光器而言是唯一的，且取决于激光器的使用年限。通常，在特定时间处且在各种情况下，使用理论函数F不能够精确地描述特定激光器的波长。如上所述，通常利用激光器的边模抑制比（SideModeSuppressionRatio，SMSR）来测量激光器在激光器腔的单纵向模式下操作的程度。SMSR也由上述激光器的多个控制参数以及外部因素，通过下述公式来确定：通过开发使控制参数与激光器输出相关的总体模型且保持外部因素不变来控制激光器的尝试因为三个因素而还未取得成功。第一，在激光器腔处，不能充分地使外部因素保持不变或者不能充分地知道外部因素。第二，因为激光器是非线性的系统，所以在确定激光器的波长、SMSR、功率或其它性能指标时，控制参数ci可具有非常复杂的相互作用。第三，控制激光器达到特定效果所需的时间依赖性是很复杂的，且随着时间的推移，会随着外部因素（温度、湿度、振动）的变化以及激光器或其控制系统的使用年限而发生变化。试图确定函数F(ci,tj)或G(ci,tj)是很困难的或者潜在难以处理的，与此方式不同，本专利技术的重要方面如下：为了控制激光器，仅需要确定出产生波长的期望集和波长范围内的最大SMSR的潜在控制参数的有限集和环境条件。如果将参数集看作多元的、多维空间，该空间中的每个点对应于一参数组合，该参数组合招致具有对应波长和SMSR的激光器输出，则只有穿过该多元空间的特定“多元路径”将维持具有最佳的（例如，最大的）SMSR的单模操作。可以通过识别子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种扫描电磁辐射源（14）的方法，用以在指定时域内产生具有连续波长范围内的最佳边模抑制比的单模操作，所述电磁辐射源用于基于参数输出处于给定波长的电磁辐射，该方法包括：确定满足波长的期望集的条件和所述波长范围内的最大边模抑制比的参数组合的集合，其中，所述参数限定多元空间，每个参数组合包括所述多元空间中的一个点，所述参数组合的集合限定用于从一个波长到另一个波长的转变的子路径，且所选的子路径的组合提供用于在所述波长范围内的转变的多元路径；以及控制所述电磁辐射源通过以预期的方式遍历所述多元路径而发射在所述波长范围内的电磁辐射，其中，所述预期的方式是，作为扫描的时间函数或扫描的其它索引参数的函数而线性地增大或减小波长或光频率，并且所述电磁辐射源在具有所述波长范围内的最佳边模抑制比的单一模式下输出所述电磁辐射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.14 US 61/534,5271.一种扫描电磁辐射源(14)的方法，用以在指定时域内产生具有连续波长范围内的最佳边模抑制比的单模操作，所述电磁辐射源用于基于参数输出处于给定波长的电磁辐射，该方法包括：确定满足波长的期望集的条件和所述波长范围内的最大边模抑制比的参数组合的集合，其中，所述参数限定多元空间，每个参数组合包括所述多元空间中的一个点，所述参数组合的集合限定用于从一个波长到另一个波长的转变的子路径，且所选的子路径的组合提供用于在所述波长范围内的转变的多元路径；以及控制所述电磁辐射源通过以预期的方式遍历所述多元路径而发射在所述波长范围内的电磁辐射，其中，所述预期的方式是，作为扫描的时间函数而线性地增大或减小波长或光频率，并且所述电磁辐射源在具有所述波长范围内的最佳边模抑制比的单一模式下输出所述电磁辐射，其中，所述给定波长是由所述电磁辐射源的多个输入参数的相互作用确定的，并且所述多个输入参数上所需的控制随着时间和温度的变化而变化。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述多元路径包括穿过所述多元空间的不连续路径。3.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，通过针对参数组合测量所述电磁辐射源的输出，来针对该参数组合确定波长和边模抑制比。4.如权利要求3所述的方法，其中，对于被标识成所述多元路径的子路径的参数组合，测量针对先前未测量的参数组合的波长和边模抑制比。5.如权利要求4所述的方法，其中，测量所述先前未测量的参数组合，以找出用于连接未连接的所选的子路径的子路径。6.如权利要求1至2中任一项所述的方法，还包括：针对参数组合的列表生成所述多元空间，其中，通过测量对应于所述列表中的每个参数组合的所述电磁辐射源的输出，来确定该参数组合的波长和边模抑制比，并进而生成所述多元空间。7.如权利要求6所述的方法，其中，所述参数组合的列表是默认列表或由用户提供。8.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，基于子路径的边模抑制比的平均值、子路径的边模抑制比的最大值或其组合来选择所述多元路径的子路径。9.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述参数包括正面镜像电流、背面镜像电流、相电流、增益、半导体光放大器电流、温度、湿度或其组合。10.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，将要选择的用于组合成所述多元路径的每个子路径必须满足波长范围大于范围阈值的条件。11.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述电磁辐射源是半导体激光器。12.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，扫描波长或光频率的所述预期的方式消除或补偿暴露于所述辐射源的介质的光色散。13.一种扫描电磁辐射源(14)的系统(10)，用以在指定时域内产生具有连续波长范围内的最佳边模抑制比的单模操作，该系统包括：所述电磁辐射源，用于输出波长范围内的电磁辐射，其中，所述辐射源基于参数输出处于给定波长的电磁辐射；控制器(12)，所述控制器被连接到所述电磁辐射源，其中，所述控制器用于：提供参数给所述电磁辐...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·明尼曼，詹森·恩舍尔，丹尼斯·德里克森，迈克尔·克劳福德，
申请(专利权)人：因赛特光电子解决方案有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US