CN101282179A - 光发射机输出波长锁定方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够对光发射机的输出波长进行精确和有效锁定的方法及***，该***包括：输出波长变化信息采集电路、管芯温度变化信息采集电路、反馈信号生成单元和管芯温度反馈控制单元；所述输出波长变化信息采集电路用于采集激光器输出波长的变化信息；所述温度变化采集电路用于采集激光器的管芯温度变化信息；所述反馈信号生成单元用于对所述激光器的输出波长变化信息和所述管芯温度变化信息进行处理，产生一个反馈信号；所述管芯温度反馈控制单元用于根据所述反馈信号对激光器管芯温度进行调整，从而实现对光发射机的输出波长进行锁定。由于本发明采用数字电路来实现产生所述反馈信号，因而本发明具有通用性，能灵活运用于不同的光发射机。

Description

光发射机输出波长锁定方法及***

技术领域

本发明属于数字光纤传输***技术领域，涉及光发射机输出波长的锁定方法及锁定***。

背景技术

光通讯领域中密集波分复用技术(DWDM)使得光纤的巨大的带宽资源得到一定的开发利用，为了充分利用光纤的带宽资源，需要增加单个光纤的传输容量，最大限度地提升其所能承载的通道数。从密集波分复用***的原理来看，相邻波长之间的间隔越小，在一定波长范围内能够传送的波长数就越多，总的传输容量就越大。由此密集波分复用***的波分密度逐渐增加，原来少数波长通道下的符合ITU-T标准的200GHz到100GHz的间隔，将变成多数波长通道下的符合ITU-T标准的50GHz甚至25GHz的间隔的***，对光发射机输出波长的控制要求也相应的提高，例如在25GHz间隔的***中，光发射机的输出波长在生命周期内的偏离要求控制在正负2.5GHz之内。

为了提高输出波长的稳定性，现有的解决方案是采用一个激光器管芯温度控制装置对光发射机中激光器的管芯温度进行控制，该装置主要包括：一个温度传感器，用于采集激光器管芯温度信息；一个运算放大电路，用于对温度传感器采集的温度信息进行调节；一个半导体制冷器驱动(TEC DRIVER)，用于根据运算放大电路的输出信号对激光器的管芯温度进行反馈控制，使其能够保持稳定。

激光器的管芯温度稳定下来后，其输出波长也就能够大致稳定下来，但是，管芯稳定的情况下，激光器的输出波长仍然会发生小的波动，因此该解决方案不能实现对光发射机输出波长的有效锁定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光发射机输出波长锁定方法，采用该方法能够对光发射机的输出波长进行比较精确和有效的控制，为此本发明还要提供一种光发射机波长锁定***。

为解决上述技术问题，本发明光发射机输出波长锁定方法包括：

持续采集激光器输出波长的变化信息，同时持续采集激光器管芯温度变化信息，对两者进行综合运算处理，并根据该处理后的信息对激光器的管芯温度进行持续反馈控制，从而实现对光发射机输出波长的锁定。所述综合运算处理后的信息表明为了使输出波长恢复到偏移前的状态，激光器的管芯温度应作的调节量。

所述对激光器输出波长的变化信息和激光器管芯温度变化信息的综合运算处理具体可以为：对所述激光器输出波长的变化信息进行运算放大处理，并将该处理结果与所述激光器管芯温度变化信息相叠加，然后对叠加后得到的综合变化信息进行运算放大处理。

所述前后两套运算放大处理函数中的参数应根据激光器组件的具体参数来确定。

对于自带有用于管芯温度控制及输出波长检测的激光器组件的激光器来说，所述采集激光器输出波长的变化信息的方法具体可以为：将所述用于波长检测的激光器组件输出的表征光功率信息的电流和表征含有波长信息的光功率信息的电流通过跨阻放大器转化为电压，然后进行差分比较，得到输出波长的变化信息。

为解决上述技术问题，本发明光发射机输出波长锁定***包括：输出波长变化信息采集电路、管芯温度变化信息采集电路、反馈信号生成单元和管芯温度反馈控制单元；其中所述输出波长变化信息采集电路用于采集激光器输出波长的变化信息；所述温度变化采集电路用于采集激光器的管芯温度变化信息；所述反馈信号生成单元用于对所述激光器的输出波长变化信息和所述管芯温度变化信息进行处理，产生一个反馈信号；所述管芯温度反馈控制单元用于根据所述反馈信号对激光器管芯温度进行调整，从而实现对光发射机的输出波长进行锁定。

所述输出波长变化信息采集电路包括：透镜、光分离器、光滤波器、波长检测感光二极管、功率检测感光二极管、跨阻放大器和差分比较器；其中激光器发出的激光通过光分离器分成两路，一路经过光滤波器滤波后输入到波长检测感光二极管，该波长检测感光二极管的输出电流即表征了含有波长变化信息的光功率相对大小，另一路直接输入功率检测感光二极管，该功率检测感光二极管的输出电流表征了光功率的相对大小，该电流与波长检测感光二极管的输出电流通过跨阻放大器转换为电压后输入到差分比较器中，该差分比较器对所述两路电压进行差分比较，从而得出所述输出波长变化信息。

所述管芯温度变化信息采集电路包括：温度传感器和差分比较器；所述温度传感器用于对激光器的管芯温度进行采集，所述差分比较器用于对所述温度传感器的输出电压和一个基准电压进行差分比较，从而输出所述管芯温度变化信息。基准电压与ITU-T定义的某个波长栅格相对应。在背景技术中介绍的激光器管芯温度控制电路中，管芯温度控制电路将消除温度传感器与该基准电压的差异，使激光器的管芯设定在这个基准电压对应的基准温度上。

所述反馈信号生成单元包括第一运算放大电路、加法器和第二运算放大电路；所述第二运算放大电路用于对所述输出波长变化信息采集电路的输出信号进行运算放大处理；所述加法器用于对所述管芯温度变化信息采集电路的输出信号与所述第二运算放大电路的输出信号进行叠加；所述第一运算放大电路用于对所述加法器的输出信号进行运算放大处理，该运算放大电路的输出信号作为所述反馈信号声成单元的输出信号。

所述第一运算放大电路与所述第二运算放大电路的电路参数的确定标准为：使电路稳定性达到最佳。

所述第一运算放大电路的电路参数的确定方法可以为：断开所述加法器与所述第二运算放大电路之间的电连接，在所述第一运算放大电路的输出端加上一个激励电压，通过示波器察看所述第一运算放大电路输入端的信号波形的变化，其中上升时间和超调均为最小的信号波形对应的运算放大电路即确定为最佳电路，能有效保证电路的稳定。

所述第二运算放大电路的电路参数的确定方法可以为：在确定了所述第一运算放大电路以后，接通整个***的电连接，在所述第一运算放大电路的输出端加一个激励电压，通过示波器察看所述第二运算放大电路输入端的信号波形变化，其中上升时间最小的信号波形对应的第二运算放大电路即确定为最佳电路。

所述反馈信号生成单元可以采用模拟电路设计也可以采用数字电路设计，采用数字电路更加灵活，便于针对不同的激光器，对所述两个运算放大处理的函数的参数进行调节，因而更具有通用性。

采用数字电路设计的反馈信号生成单元包括：模数转换器、处理器和数模转换器；所述模数转换器用于将输入该单元的模拟信号转换为数字信号；所述处理器用于对所述模数转换器输出的数字信号进行处理，产生所述反馈信号；所述数模转换器用于将所述处理器输出的数字信号转换为模拟信号。

所述处理器具体包括第一运算放大模块、加法器和第二运算放大模块；所述第二运算放大模块用于对所述波长变化信息进行运算放大处理；所述加法器用于对所述管芯温度变化信息与所述第二运算放大模块的输出信号进行叠加；所述第一运算放大模块用于对所述加法器的输出信号进行运算放大处理，该运算放大模块的输出信号作为该处理器的输出信号。

所述管芯温度反馈控制单元包括半导体制冷器和半导体制冷器驱动，所述半导体制冷器用于对管芯温度进行调控，所述半导体制冷器驱动用于对所述半导体制冷器进行驱动控制。

对于自带有用于管芯温度控制及输出波长检测的激光器组件的激光器来说，所述输出波长变化信息采集电路中的透镜、光分离器、光滤波器、波长检测感光二极管、功率检测感光二极管均可为该激光器自带的器件；所述管芯温度变化信息采集电路中的温度传感器可为该激光器自带的的温度传感器；所述管芯温度反馈控制单元中的半导体制冷器可为该激光器自带的半导体制冷器。

本发明方法的有益效果为：

本发明由于在传统的光发射机波长控制技术方案的基础上增加了对波长变化信息进行采集，并以之对半导体制冷器驱动信号进行修正，从而本发明波长锁定技术方案能够对光发射机的波长进行精确和实时控制。对于半导体制冷器驱动信号的生成，本发明还提供了以数字电路替代传统的模拟电路的选择方案，从而使得本发明波长锁定***具有通用性，能够灵活运用于不同的光发射机。

附图说明

图1是本发明光发射机波长锁定***的结构示意图；

图2是输出波长变化信息采集单元的部分电路示意图；

图3是确定运算放大电路的方法示意图；

图4是第一运算放大模块的等效电路图；

图5是第二运算放大模块的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明光发射机波长锁定***的结构示意图；如图所示，本发明光发射机波长锁定***包括：输出波长变化信息采集电路、管芯温度变化信息采集电路、反馈信号生成单元和管芯温度反馈控制单元。

其中所述输出波长变化信息采集电路用于采集激光器输出波长的变化信息；所述温度变化采集电路用于采集激光器的管芯温度变化信息；所述反馈信号生成单元用于对所述激光器的输出波长变化信息和所述管芯温度变化信息进行处理，产生一个反馈信号；所述管芯温度反馈控制单元用于根据所述反馈信号对激光器管芯温度进行调整，从而实现对光发射机的输出波长进行锁定。

其中所述输出波长变化信息采集电路用于采集激光器输出波长的变化信息，其包括直透镜、偏振光分离器、光滤波器、波长检测感光二极管、功率检测感光二极管、跨阻放大器和差分比较器，激光器发出的激光通过偏振光分离器分成两路，一路经过光滤波器滤波后输入到波长检测感光二极管，该波长检测感光二极管的输出电流即表征了携带波长信息的光功率的相对大小，另一路直接输入功率检测感光二极管，该功率检测感光二极管的输出电流表征了光功率的相对大小，该电流与波长检测感光二极管的输出电流经过跨阻放大器处理转变为电压后输入到差分比较器中，该差分比较器对输入其中的两路电压进行差分比较，从而得出所述输出波长变化信息。输出波长变化信息采集电路的部分电路结构如图2所示。

所述管芯温度变化采集电路用于采集激光器的管芯温度变化信息，其包括温度传感器和差分比较器，所述温度传感器用于对激光器的管芯温度进行采集，所述差分比较器用于对温度传感器的输出电压和一个基准电压进行差分比较，从而输出所述温度变化信息。

所述反馈信号生成单元用于对所述激光器输出波长变化信息和所述管芯温度变化信息进行处理，从而产生一个反馈信号，所述管芯温度反馈控制单元能够根据该反馈信号对管芯温度进行调控，从而实现对光发射机输出波长的锁定。该单元可以采用模拟电路实现，也可以采用数字电路实现，对于模拟电路而言，其具体电路结构为包括：第一运算放大电路、加法器和第二运算放大电路；所述第二运算放大电路用于对所述输出波长变化信息采集电路的输出信号进行运算放大处理；所述加法器用于对所述管芯温度变化信息采集电路的输出信号与所述第二运算放大电路的输出信号进行叠加；所述第一运算放大电路用于对所述加法器的输出信号进行运算放大处理，该运算放大电路的输出信号作为所述反馈信号声成单元的输出信号。对于采用数字电路的方案而言，所述反馈信号生成单元包括模数转换器、处理器和数模转换器；所述模数转换器用于将输入该单元的模拟信号转换为数字信号；所述处理器用于对所述模数转换器输出的数字信号进行处理，产生所述反馈信号；所述数模转换器用于将所述处理器输出的数字信号转换为模拟信号。

所述处理器具体包括第一运算放大模块、加法器和第二运算放大模块；所述第二运算放大模块用于对所述波长变化信息进行运算放大处理；所述加法器用于对所述管芯温度变化信息与所述第二运算放大模块的输出信号进行叠加；所述第一运算放大模块用于对所述加法器的输出信号进行运算放大处理，该运算放大模块的输出信号作为该处理器的输出信号。

无论是采用模拟电路实现还是采用数字电路实现，所述两套运算放大处理函数中的参数的确定方法均如图3所示，下面以数字电路为例，对该两个参数的确定加以具体说明：

第一运算放大模块C1(Z)中常数的确定：首先将第二积分放大模块的软件控制部分关断，通过电路调整可以使激光器稳定工作在某个正常工作状态下。通过软件控制在第一运算放大模块的输出端Vwc上加入50mV激励，通过示波器或软件采样可以获得图3所示第一运算放大模块输入端Vtc信号的信号，该种情况下激光器的温度控制电路即当前接通的电路可以认为是一个惯性环节，其时间常数为1～5S。通过调整C1(Z)的参数τ1、τ2和ts可以使得闭环之后的电路稳定性最佳，C1(Z)的计算公式为：

$C_1\left(Z\right)=\frac{V_{\mathrm{WC}}}{V_{\mathrm{TE}}}=\frac{t_s/{\mathrm{\τ}}_1}{1-Z^{-1}}-\frac{{\mathrm{\τ}}_2}{{\mathrm{\τ}}_1}$

其中τ1为积分常数，τ2为比例常数，Z为Z变换中的复变量，ts是采样时间间隔。在一个具体的实施例中，第一运算放大模块C1(Z)的等效电路如图4所示，则在该实施例中，τ1＝1/R₁C₁，τ2＝1/R₂C₁。

调整的方法为首先将C1(Z)中的积分部分关闭，即

设定为0，调整τ2与τ1的比值使得Vtc信号从稳定状态转变为震荡，之后加上积分部分，维持τ2与τ1的比值不变，改变τ1的大小和采样时间间隔ts，直到图3中第一运算放大模块的输入端的信号Vtc的上升时间Tr1最小，超调Vt最小。

第二运算放大模块C2(Z)中常数的确定：在取得第一运算放大模块C1(Z)的参数之后，再在第一运算放大模块的输出端Vwc上加50mV激励，通过调整τ3的大小使得图3所示确定第一运算放大模块输入端的信号Verr的上升时间Tr2最小即可。C2(Z)的计算公式为：

$C_2\left(Z\right)=\frac{V_{i2}}{V_{\mathrm{err}}}=\frac{t_s/{\mathrm{\τ}}_3}{1-Z^{-1}},$

其中τ3为积分常数，在该实施例中，第二运算放大模块C2(Z)的等效电路如图5所示，则在该实施例中，τ3＝1/R₃C₃。

所述管芯温度变化信息采集电路包括：温度传感器和差分比较器；所述温度传感器用于对激光器的管芯温度进行采集，所述差分比较器用于对所述温度传感器的输出电压和一个基准电压进行差分比较，从而输出所述管芯温度变化信息。

对于自带有光功率控制电路、波长检测电路及管芯温度控制电路的激光器来说，在本发明光发射机波长锁定***中，所述输出波长变化信息采集电路的直透镜、偏振光分离器、光滤波器、波长检测感光二极管、功率检测感光二极管可直接采用该激光器的光功率控制电路和波长检测电路的现成元件；所述温度变化采集电路的温度传感器也可直接采用管芯温度控制电路现成的温度传感器。这样做可将本发明技术方案直接应用于该类激光器，并节省了资源。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应注意的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求记载的技术方案及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1、一种光发射机输出波长锁定方法，其特征在于包括：

持续采集激光器输出波长的变化信息，同时持续采集激光器管芯温度变化信息，对两者进行综合运算处理，并根据该处理后的信息对激光器的管芯温度进行持续反馈控制，从而实现对光发射机输出波长的锁定。

2、根据权利要求1所述的光发射机输出波长锁定方法，其特征在于：

所述对激光器输出波长的变化信息和激光器管芯温度变化信息的综合运算处理具体为：对所述激光器输出波长的变化信息进行运算放大处理，并将该处理结果与所述激光器管芯温度变化信息相叠加，然后对叠加后得到的综合变化信息进行运算放大处理。

3、根据权利要求1或2所述的光发射机输出波长锁定方法，其特征在于：

对于自带有用于管芯温度控制及输出波长检测的激光器组件的激光器，所述采集输出波长变化信息的方法为：将所述用于波长检测的激光器组件输出的表征光功率信息的电流和表征含有波长信息的光功率信息的电流通过跨阻放大器转化为电压，然后进行差分比较，得到输出波长的变化信息。

4、一种光发射机输出波长锁定***，其特征在于：

该***包括输出波长变化信息采集电路、管芯温度变化信息采集电路、反馈信号生成单元和管芯温度反馈控制单元；

所述输出波长变化信息采集电路用于采集激光器输出波长的变化信息；所述温度变化采集电路用于采集激光器的管芯温度变化信息；所述反馈信号生成单元用于对所述激光器的输出波长变化信息和所述管芯温度变化信息进行处理，产生一个反馈信号；所述管芯温度反馈控制单元用于根据所述反馈信号对激光器管芯温度进行调整，从而实现对光发射机的输出波长进行锁定。

5、根据权利要求4所述的光发射机输出波长锁定***，其特征在于：

所述输出波长变化信息采集电路包括：透镜、光分离器、光滤波器、波长检测感光二极管、功率检测感光二极管、跨阻放大器和差分比较器；其中激光器发出的激光通过光分离器分成两路，一路经过光滤波器滤波后输入到波长检测感光二极管，该波长检测感光二极管的输出电流即表征了含有波长变化信息的光功率的相对大小，另一路直接输入功率检测感光二极管，该功率检测感光二极管的输出电流表征了光功率的相对大小，该电流与波长检测感光二极管的输出电流通过跨阻放大器转换为电压后输入到差分比较器中，该差分比较器对所述两路电压进行差分比较，从而得出所述输出波长变化信息；

对于自带有用于波长检测的激光器组件的激光器，所述透镜、光分离器、光滤波器、波长检测感光二极管、功率检测感光二极管均采用该激光器自带的器件。

6、根据权利要求4所述的光发射机输出波长锁定***，其特征在于：

所述管芯温度变化信息采集电路包括：温度传感器和差分比较器；所述温度传感器用于对激光器的管芯温度进行采集，所述差分比较器用于对所述温度传感器的输出电压和一个基准电压进行差分比较，从而输出所述管芯温度变化信息；所述基准电压与ITU-T定义的某个波长栅格相对应。

对于自带有用于管芯温度控制的激光器组件的激光器，所述温度传感器采用激光器自带的温度传感器。

7、根据权利要求4所述的光发射机输出波长锁定***，其特征在于：

所述管芯温度反馈控制单元包括半导体制冷器和半导体制冷器驱动，所述半导体制冷器用于对管芯温度进行调控，所述半导体制冷器驱动用于对所述半导体制冷器进行驱动控制。

8、根据权利要求4至7中任一项所述的光发射机输出波长锁定***，其特征在于：

所述反馈信号生成单元包括第一运算放大电路、加法器和第二运算放大电路；所述第二运算放大电路用于对所述输出波长变化信息采集电路的输出信号进行运算放大处理；所述加法器用于对所述管芯温度变化信息采集电路的输出信号与所述第二运算放大电路的输出信号进行叠加；所述第一运算放大电路用于对所述加法器的输出信号进行运算放大处理，该运算放大电路的输出信号作为所述反馈信号声成单元的输出信号。

9、根据权利要求8所述的光发射机输出波长锁定***，其特征在于：

所述第一运算放大电路的电路参数的确定方法为：断开所述加法器与所述第二运算放大电路之间的电连接，在所述第一运算放大电路的输出端加上一个激励电压，通过示波器察看所述第一运算放大电路输入端的信号波形的变化，其中上升时间和超调均为最小的信号波形对应的运算放大电路即确定为最终电路；

所述第二运算放大电路的电路参数的确定方法为：在确定了所述第一运算放大电路以后，接通整个***的电连接，在所述第一运算放大电路的输出端加一个激励电压，通过示波器察看所述第二运算放大电路输入端的信号波形变化，其中上升时间最小的信号波形对应的第二运算放大电路即确定为最终电路。

10、根据权利要求4至7中任一项所述的光发射机输出波长锁定***，其特征在于：

所述反馈信号生成单元包括：模数转换器、处理器和数模转换器；所述模数转换器用于将输入该单元的模拟信号转换为数字信号；所述处理器用于对所述模数转换器输出的数字信号进行处理，产生所述反馈信号；所述数模转换器用于将所述处理器输出的数字信号转换为模拟信号。

所述处理器包括第一运算放大模块、加法器和第二运算放大模块；所述第二运算放大模块用于对所述波长变化信息进行运算放大处理；所述加法器用于对所述管芯温度变化信息与所述第二运算放大模块的输出信号进行叠加；所述第一运算放大模块用于对所述加法器的输出信号进行运算放大处理，该运算放大模块的输出信号为该处理器的输出信号。

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