CN100472900C - 一种用于可调谐激光器的波长控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于可调谐激光器的波长控制电路，由误差检测电路、精密运算放大电路、PID补偿电路、TEC控制器和激光器内部TEC组件组成；所述误差检测电路电桥电臂的一路输出由两个固定电阻分压得到；所述误差检测电路电桥桥臂的另一路输出由固定电阻与激光器热敏电阻分压和外接的可调节电压电路的输入得到。本发明所述的控制电路设计简单高效，避免了在大的波长调整范围内出现波长调节不均匀的问题，也避免了环境温度变化造成波长偏移超出指标要求的问题。

Description

一种用于可调谐激光器的波长控制电路

技术领域

本发明涉及波长可调谐激光器，具体涉及一种用于可调谐激光器的波长控制电路。

背景技术

可调谐激光器的出现，可以减少***中光源备用数量和规格，易于形成标准化的通信***，使***的运营成本和维护费用可以大幅度降低。可调谐激光器的结构和工作机理变化多样，半导体可调谐激光器的调谐有电调谐、热调谐和机械调谐等方式，分为外腔型和腔内多电极等结构，可调谐光纤激光器的调谐通常使用可调谐滤波器来实现。可调谐激光器不仅可以用作密集波分复用(DWDM)***的光源，还可以用作分组交换器件、接入波长路由器等，在光通信中具有非常大的应用潜力，最终将会代替目前通信市场上占主流地位的固定波长激光光源。

可调谐DFB激光器一般是通过温度调谐来实现波长调谐，但随着调谐温度的上升，会使激光器的有效输出功率下降，所以单个DFB激光器的调谐范围受到限制。因此在对调谐范围要求不高的应用中，通过调节激光器管芯温度改变其工作波长成为一种成熟的波长调谐方式(例如厂家BOOKHAM的激光器LC25T)，这一类可调激光器产品的管芯温度通常会设置在8℃～50℃的范围内，不同的管芯对应不同的输出波长，因此其在一定波长范围内的具有连续调谐的能力。另一方面由于激光器的管芯设置温度范围较大，为了保证激光器具有良好的温度稳定性能，这种激光器通常采用先进的技术来提高激光器的TEC制冷效率，这样当激光器管芯温度设置在8℃～50℃的任意工作点，激光器的CASE温度在-20℃～70℃范围变化时激光器制冷器仍然能够有效工作，管芯温度不随激光器的工作环境温度变化而变化。这种可调谐激光器在DWDM***中主要是满足静态应用，发射机的输出波长在使用过程中设定，不随时间而变化。最常见的静态应用是用作源激光器的代替品，即用在DWDM传输***中，让一个可调谐激光器充当多个固定波长激光器和柔性源激光器的后备。

对于DWDM***，要求激光器的工作波长稳定在ITU—T G.692规定适用于G.652/G.655光纤的通道间隔为100GHz的特定波长上，***要求激光器的工作波长寿命终了偏移要小于±20GHZ，温度漂移小于±4GHz。光发送模块的工作波长在一定环境温度范围内和模块寿命终了时是否满足***应用的要求取决于选用的直接调制激光器的性能，例如激光器管芯温度的设定值范围的大小，以及激光器制冷器TEC的工作效率和激光器内部散热设计等。使用这种可调谐激光器的光发射机，需要使用自动温度控制(ATC)电路来保证其在DWDM***中稳定工作，ATC电路与激光器内部集成的负温度系数热敏电阻RT和TEC半导体制冷器形成一个反馈控制环路，用来实现高精度控制激光器管芯温度的功能，激光器管芯温度与激光器输出波长之间具有确定关系，从而达到稳定光波长的目的。

可调谐DFB激光器内部组件包括LD、背向功率监测PIN管、热敏电阻TH和TEC制冷器。这种DFB激光器的输出波长主要受管芯温度和流过激光器管芯的工作电流影响，其中管芯温度对波长有决定性影响，激光器工作电流对波长影响相对较小，因此主要通过控制激光器管芯温度来实现控制激光器输出波长的目的。

传统ATC电路的结构框图如图1所示，通常情况下该电路由温度误差检测电路、误差放大电路、PID补偿电路、TEC控制器和激光器内部TEC组件组成。激光器热敏电阻RT用来测量激光器的管芯温度，它是温度误差检测电路的组成部分，误差检测电路将激光器热敏电阻检测到的管芯温度与设定值作比，将误差提供给下一级精密运算放大电路。这个电压通过一个高增益的放大器放大，同时再经过PID电路对ATC环路的频率特性进行补偿，该电路具有Z1和Z2两套补偿参数，通过对Z1和Z2的调整来增加控制电路的稳定性，并提高该控制环路的各项指标达到***的要求。PID电路的输出再驱动TEC控制器输出，TEC控制器则控制激光器的TEC组件的电流大小和方向，从而改变激光器管芯的温度，使该值接近设定值。当激光器的管芯温度低于设定点温度时，TEC控制器增加TEC制热电流来加热激光器的管芯；当管芯温度高于设定点温度时，TEC控制器会增加TEC制冷电流来冷却激光器的管芯。激光器管芯温度的高低通过激光器热敏电阻RT反馈给温度误差检测电路，通过上述反馈控制过程，激光器的管芯温度将最终稳定在设定值，从而实现激光器管芯温度的自动控制。

当需要调整激光器的管芯温度时，可以改变图1中的电位器RX来实现，RX在图中的位置只是电桥电路的多种实现方法之一，例如RX还可以与激光器热敏电阻在电桥的同一桥臂，RX的改变将引起电桥两输出端电压的改变，从而引起后续控制电路动作，直到激光器热敏电阻达到新的设定值。

为了较为精确分析ATC电路，以一只R0＝10024，beta＝3891的典型NTC激光器热敏电阻RT为分析对象，图2给出其阻值随环境温度Ts(8℃～50℃)变化的曲线。可以分析出这种传统ATC电路与可调谐激光器配合使用时所遇到的问题。由于这种可调谐激光器的管芯设置温度范围大，因此激光器的热敏电阻设置范围相应也大。通常RT的范围为4KΩ～20KΩ，因此要求电位器的电阻调节范围大于20KΩ。另一方面，所选用的电位器的调节精度要满足DWDM***对波长精细调节的要求，通常情况下***要求的波长微调精度<1GHz，对于图2所示激光器热敏电阻RT为4KΩ时，计算得到电位器RX的分辨率需要达到14Ω；而对于RT阻值为20KΩ，计算得到电位器RX的分辨率需要达到87Ω。为了保证激光器热敏电阻RT在各设置点调节精度，因此电位器的分辨率必须达到14Ω，对于使用数字方法来实现的场合，这就意味着数字电位器分辨率将超过10位。显然在RT＝20KΩ时，△RT＝14Ω的分辨率又将导致调节步长偏小，调节步数增加的问题。

最后考虑到电位器自身300ppm/℃的温度特性对ATC电路的影响，可以看到激光器热敏电阻RT阻值为4KΩ时，环境温度在-15℃～65℃变化时，△RX将达到96Ω，这将引起波长偏移达到7G；当RT阻值为20KΩ时，环境温度在-15℃～65℃变化时，△RX将达到480Ω，这将引起波长偏移达到5G。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于可调谐激光器的波长控制电路，具体给出的是可调谐光发射机自动温度控制(ATC)电路的实现方案，解决***对光发射机大的波长调控范围和小调整精度的要求，同时克服电路参数，特别是电位器的温度漂移对波长稳定性的影响。

本发明具体是这样实现的：

一种用于可调谐激光器的波长控制电路，由误差检测电路、精密运算放大电路、PID补偿电路、TEC控制器和激光器内部TEC组件组成；

所述误差检测电路电桥电臂的一路输出由两个固定电阻分压得到；

所述误差检测电路电桥桥臂的另一路输出由固定电阻与激光器热敏电阻分压和外接的可调节电压电路的输入得到；

其中，所述外接的可调节电压电路有以下三种实现方式：

第一种：由电位器、与电位器相连的运算放大器、与运算放大器相连的固定电阻组成；

第二种：由数模转换器、与数模转换器相连的运算放大器、与运算放大器相连的固定电阻组成；第三种：由带增益可调缓冲区的数模转换器和与其相连的固定电阻组成。

进一步地，所述第一种和第二种实现方式中，所述与运算放大器相连的固定电阻的阻值根据运算放大器输出电压的范围确定。

第二种实现方式中的所述数模转换器分辨率不低于10位。

所述第三种实现方式中的带增益可调缓冲区的数模转换器分辨率不低于10位，所述与带增益可调缓冲区的数模转换器相连的固定电阻的阻值根据数模转换器输出电压的范围确定。

本发明所述的用于可调谐激光器的波长控制电路提高光发射机中温度控制电路的控制精度，实现了大的波长调整范围，并兼顾了小的波长调节精度，减小了环境温度变化对ATC电路的影响。与现有技术相比，光发射机波长控制电路设计简单高效，避免了在大的波长调整范围内出现波长调节不均匀的问题，也避免了环境温度变化造成波长偏移超出指标要求的问题。

另外，本发明电路可以通过调整电阻RA的大小和运算放大器的增益来实现对激光器热敏电阻调整范围和调整精度的调整，因此具有很强的灵活性，改变电路参数可以实现不同的应用。

附图说明

图1是传统的ATC电路的结构框图；

图2是NTC激光器热敏电阻RT阻值随环境温度变化的曲线；

图3是本发明所述的ATC电路原理框图；

图4是本发明所述的ATC电路中的误差检测电路使用10位数字电位器加运放输出的电桥电路结构框图；

图5是使用图4所述的数字电位器的电桥电路RT调整范围的示意图；

图6是使用10位数字电位器的电桥电路RT调整精度的示意图；

图7是本发明所述的ATC电路中的误差检测电路使用带BUFFER的10位DAC的电桥电路结构框图；

图8是使用带BUFFER的10位DAC的电桥电路RT调整范围示意图；

图9是使用带BUFFER的10位DAC的电桥电路RT调整精度示意图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明所述的ATC电路与传统ATC电路相比，同样由误差检测电路、精密运算放大电路、PID补偿电路、TEC控制器和激光器内部TEC组件组成。除了误差检测电路与传统ATC不同外，其他电路可以完全相同，其原理框图如图3所示。改进后的温度误差检测电路将电桥桥臂上的电位器更换为固定电阻，这样电桥A点的电压VA由两个固定电阻分压得到，该电压作为参考电压提供给精密运算放大器，而在电桥的B点，除了电桥桥臂上的固定电阻和激光器热敏电阻RT，电位器RX或DAC输出电压经过轨到轨运算放大器放大后(带增益可调BUFFER的DAC则不需要外加运算放大器)输出，通过电阻RA接连到B点，因此B点的电压VB则由多个电路参数决定。当ATC电路平衡时，VB电压与VA电压之差稳定。

实施例1：

以一个现有的2.5Gbs可调谐光发射机中的ATC电路为例，该电路中利用10位50K数字电位器搭建如下图4所示电桥电路，其中RP1即为50K数字电位器，数字电位器两端加2.5V参考电压，电位器的中间抽头端经过射随运算放大器后(放大器增益为1)通过电阻RA与电桥的B端相连，RA的阻值根据运算放大器的输出电压的范围予以确定，根据图中给出的电阻参数，通过计算可以得到该电路RT的调整范围和调整精度如下图5、6所示。

RP1为50k数字电位器，RP1可以在0～50k的阻值内线性变化，RP1的阻值调节精度为50K/2¹⁰＝49Ω。将RP1的PIN2和PIN3之间的阻值定义为RS(KΩ)，则PIN1与PIN2之间的阻值为50-RS(KΩ)。

计算数据说明如下：图5和6中坐标横轴为RS的不同阻值(单位KΩ)，图5纵坐标代表激光器热敏电阻的阻值变化，图6的纵坐标代表RT调整精度的变化曲线。对于激光器管芯设置温度为47.4℃的情况，热敏电阻设定为4k，如前所述在这个温度点激光器的输出频率变化1GHz，对应热敏电阻变化14Ω，通过计算可以得到RP1调整一格对应dRT(＠RT＝4K)＝7Ω，可见RP1一格的调整会引起激光器频率变化近似0.5GHz；同理对于激光器管芯设置温度为10℃的情况，热敏电阻设定为20k，在这个温度点激光器的输出频率变化1GHz，对应热敏电阻变化87Ω，通过计算可以得到RP1调整一格对应dRT(＠RT＝20K)＝44Ω，可见RP1一格的调整会引起激光器频率变化同样近似0.5GHz；最后对于激光器管芯设置温度为25℃的情况，热敏电阻设定为10k，在这个温度点激光器的输出频率变化1GHz，对应热敏电阻变化41.5Ω，通过计算可以得到RP1调整一格对应dRT(＠RT＝10K)＝17Ω，可见RP1一格的调整会引起激光器频率变化近似0.5GHz。

通过计算可以得到数字电位器的温度特性对电桥的影响，数字电位器的阻值随温度变化系数典型值为300ppm/℃，但是上述电桥电路中数字电位器的温度特性对电桥的影响非常有限。电桥VA的电压固定为1.25V，当数字电位器调整到两端时，数字电位器阻值随温度变化对电桥没有影响，当数字电位器调整到中间点时，则此时温度变化会引起数字电位器两部分阻值近似等比变化，因此电桥VB的电压不会因为数字电位器的温度变化而发生改变。

实施例2：

以一个现有的10Gbs可调谐光发射机中的ATC电路为例，该电路中利用带增益可调BUFFER的10位DAC，可以选取数模分辨率不低于10位的DAC，搭建如下图7所示电桥电路，其中D1即为DAC。DAC的参考电压设置为2.5V，其BUFFER的增益为1，其输出直接与RA电阻相连，RA的阻值根据运算放大器的输出电压的范围予以确定，通常情况下DAC内的输出BUFFER放大器的驱动能力大于0.2mA，而在下面的应用中DAC最大输出电流为0.04mA，因此大多数的10位DAC都满足需求。根据图中给出的电阻参数，通过计算可以得到该电路RT的调整范围和调整精度如下图8、9所示。

图7描述了使用带BUFFER的10位DAC的电桥电路结构，其中D1为10bit的DAC，D1输出电压在0～2.5V的范围内线性变化，D1的电压调节精度为2.44mV。

计算数据说明如下：图8和9中坐标横轴为DAC输出的不同电压(单位V)，图8纵坐标代表激光器热敏电阻的阻值变化，图9的纵坐标代表RT调整精度的变化曲线。显然使用10位DAC的方案与使用10位数字电位器的方案得到的结果完全一致，即Vdac调整一格对应dRT(＠RT＝4K)＝7Ω，引起激光器频率变化近似0.5GHz；RP1调整一格对应dRT(＠RT＝20K)＝44Ω，引起激光器频率变化同样近似0.5GHz；RP1调整一格对应dRT(＠RT＝10K)＝17Ω，引起激光器频率变化近似0.5GHz。

DAC的温度特性对电桥的影响与数字电位器的影响机理相似，因此DAC温度变化不会引起DAC输出电压发生改变，即几乎对电桥工作状态没有影响。

Claims (4)

1、一种用于可调谐激光器的波长控制电路，由误差检测电路、精密运算放大电路、PID补偿电路、TEC控制器和激光器内部TEC组件组成；

所述误差检测电路电桥桥臂的一路输出由两个固定电阻分压得到；

其特征在于：

所述误差检测电路电桥桥臂的另一路输出由固定电阻与激光器热敏电阻分压和外接的可调节电压电路的输入得到；

其中，所述外接的可调节电压电路有以下三种实现方式：

第一种：由电位器、与电位器相连的运算放大器、与运算放大器相连的固定电阻组成；

第二种：由数模转换器、与数模转换器相连的运算放大器、与运算放大器相连的固定电阻组成；

第三种：由带增益可调缓冲区的数模转换器和与其相连的固定电阻组成。

2、如权利要求1所述的用于可调谐激光器的波长控制电路，其特征在于：

所述第一种和第二种实现方式中，与运算放大器相连的固定电阻的阻值根据运算放大器输出电压的范围确定。

3、如权利要求1所述的用于可调谐激光器的波长控制电路，其特征在于：

所述第二种实现方式中的数模转换器分辨率不低于10位。

4、如权利要求1所述的用于可调谐激光器的波长控制电路，其特征在于：

所述第三种实现方式中的带增益可调缓冲区的数模转换器分辨率不低于10位，所述与带增益可调缓冲区的数模转换器相连的固定电阻的阻值根据数模转换器输出电压的范围确定。

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