CN100391139C - 并行多通道波长锁定器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种并行多通道波长锁定器，它涉及密集波分复用光纤通信系统中的激光器波长锁定技术。各DFB激光器的波长锁定光束与光纤耦合器相连，光纤耦合器的输出端一端通过平行排布的光纤准直器列阵及FP标准具与二线阵CCD光电检测器相连、另一端则直接与二线阵CCD光电检测器相连；光电检测器的输出端则通向相应的差分器，差分器再连接到与各DFB激光器相对应的温控器上，对该激光器进行波长锁定。本发明可直接区别差分信号，克服了现有FP标准具多波长锁定技术的注入调制电流、分时依次检测和控制、多级光纤耦合器的损耗等缺陷，并且便于产业化，为密集波分复用光纤通信系统的广泛应用提供了良好的途径。

Description

并行多通道波长锁定器

技术领域：

本发明涉及应用密集波分复用技术所构成的光纤通信系统，尤其是涉及系统中的激光器所使用的波长锁定器(或称波长稳定器)。

背景技术：

目前的光纤通信系统中，已经能够在一根光纤中同时用数个或数十个不同波长的光波传输信息，称为密集波分复用(简称DWDM)技术。它能满足现代社会对大容量信息的传输的要求。国际通信联盟(ITU)规定了DWDM的光纤通信中的波长间距分别为0.8nm和0.4nm，相应的信道间距分别为100GHz和50GHz。这就要求各信道上的光波波长必须有较高的稳定度，即必须对各波长采用高精度的锁定或稳定技术。光纤通信系统中的光源都为分布反馈半导体激光器(简称DFB激光器)，它具有小型、工作稳定可靠、谱线窄、寿命长等优点，但其发射的激光波长会因工作温度变化而漂移，这种温度波长漂移量一般约为0.2nm/℃。

目前对DFB半导体激光器进行波长锁定的技术主要是：法布里-泊罗(简称FP)标准具多波长锁定技术(见参考文献：Ed Miskovic，″Wavelength lockers keep lasers inline”，Photonics Spectra，1999年2月，P104)。现有的FP多波长锁定技术是将各DFB激光器的输出光束用光纤耦合器耦合出少量(如2％)的光波用于波长锁定，其余的绝大部分激光用于光纤干道通信。每个DFB激光器用于波长锁定的这束光再用若干级串并式光纤耦合器合在一起后，通往终端的光纤耦合器。该终端光纤耦合器的输出有两个光纤端：一个光纤端输出到FP，每个波长利用FP标准具的多峰结构的透射率曲线中的一个透射峰来锁定，透过FP的光由一个光电检测器转变成电信号V₁，作为差分运算中的一个参考信号；另一个光纤端输出到另一个光电检测器，其输出的电信号作为差分运算中的另一个参考信号V₂。为了能够从差分信号(ΔV＝V₁-V₂)中识别出是哪一个DFB激光器的波长，必须对各个DFB激光器的注入电流作小幅度、低频的调制(例如被调制的注入电流的波峰-波谷差值为平均注入电流的2～3％，频率为200Hz)：由电子开关分时段依次(即采用常规的时分复用技术)对各DFB激光器进行注入电流调制，然后再对差分信号作滤波处理(滤波频率为调制频率，如200Hz)。由于在某一时段上只有一个DFB激光器被调制，因此滤波后只有该只DFB激光器波长上的差分信号存在，而该时段上其他未被调制的DFB激光器波长的差分信号都因只有直流分量而全部被滤去。由此差分信号经放大器放大后由电子开关选通、通过温控器对该波长所对应的DFB激光器进行温度调节而使波长锁定在确定的波长值上。当激光器输出波长恰好在所需值时，差分信号为零，温控器维持激光器现有温度不变，则其波长便维持不变。若激光器波长变长(或变短)，这时通过FP后的光强度将变小(或变大)，而不通过FP的光强度不变，则差分信号将成负值(或正值)，波长偏离值越大，差分信号的负值(或正值)幅度越大。这时差分信号将指示相应温控器降温(或升温)，降温(或升温)的幅度由差分信号的负(或正)幅值所决定，使偏离开的激光器波长又返回到所需要的波长值上。

现有的这种注入电流调制和时分复用的多波长锁定技术有三个缺点：一是对DFB激光器注入电流调制，这种调制信号也必然进入了光纤干道通信中，占用了各信道中一定的带宽资源，这是光纤通信中所不希望的；二是在分时依次进行电流调制的过程中，每个激光器的调制时间会随波长锁定的通道数目的增加而减少(例如8个波长锁定时，这个调制时间约为1/16秒，而16个波长锁定时，这个调制时间约为1/32秒)。调制时间过短会使这种波长锁定的有效性和可靠性下降，因此该技术较难用于数十个波长的锁定；三是每个DFB激光器的输出都要经过若干级串并式光纤耦合器(且耦合器级数会随激光器数目的增加而增加，例如8个波长锁定时，耦合器级数为4级，而16个波长锁定时，耦合器级数为5级)才能到达FP和光电检测器。其中第一级光纤耦合器的分束比为2∶98，其后每级光纤耦合器的分束比为1∶1，这样，在8个波长锁定时每只DFB激光器的输出光强中只有约0.25％用于波长锁定，在16个波长锁定时则为约0.125％；若再计及每个光纤耦合器自身的损耗(一般为1db)和FP的损耗，则光强度将更弱。DFB激光器功率一般约10mW，所以能进入FP的光强度只有10μW量级。这给光电检测带来了较大的困难。因此，使密集波分复用光纤通信系统的实际应用受到限制。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可直接区别差分信号、而无须注入电流调制和时分复用的并行多通道波长锁定器。

本发明的技术解决方案如下：

波长锁定器中含有1∶1光纤耦合器、FP标准具、光电检测器以及差分器、温控器等，1∶1光纤耦合器的输入端与来自各DFB激光器的波长锁定光束输出端相连，光电检测器的输出端则通向差分器的相应输入端，差分器再连接到各DFB激光器相对应的温控器上，其特征在于光纤耦合器与差分器之间由前、后光纤准直器、FP标准具和二线阵CCD光电检测器组成，光纤耦合器的输出端一端与前光纤准直器的输入端相连、另一端直接对准二线阵CCD光电检测器的一列感光单元，后光纤准直器的输出端则对准二线阵CCD光电检测器的另一列感光单元，前、后各光纤准直器相互平行排布成列阵，前、后光纤准直器之间垂直放置FP标准具，前、后光纤准直器的各对应轴线相重合。

也就是说，本发明提出了一种利用平行排列布阵的技术所设计的独特的波长锁定器：从波长待锁定的每只DFB激光器中耦合出用于波长锁定和干道通信的光束，其中用于波长锁定的光束后接用于产生差分信号的1∶1光纤耦合器。耦合器输出端的一端光纤连接前光纤准直器列阵、另一端光纤则直接连接二线阵CCD光电检测器(其中CCD为电荷积累器件的简称)。光纤准直器的数量与DFB激光器的数量相对应、它们相互平行排布成列阵(可以是等间距排列或不等间距排列，即可以是任意列阵形式、只要排布方便)，并且要同时设置前、后两个相同的光纤准直器列阵，FP标准具就放置在前、后光纤准直器列阵之间并与之垂直。这样，前光纤准直器列阵输出的各平行激光束就垂直入射到FP标准具上，每个光束有自己特定的波长，各自占用FP的一个透射峰，这些波长按相邻间距0.8nm(或0.4nm)依次排列，后光纤准直器列阵则接受透过FP的各自对应波长的透射光信号。然后将后光纤准直器的输出光纤排成一列、连接到二线阵CCD光电检测器上并对准其中的一列感光单元，1∶1光纤偶合器的直接输出光纤亦排成一列、连接到二线阵CCD光电检测器上并对准其中的另一列感光单元，使来自同一只DFB激光器的两个光纤端点(即光纤准直器和1∶1光纤偶合器的各一个端点)分别对准CCD不同线阵上的同序号的两个感光单元。这对感光单元输出的电信号进入差分器，得到了差分信号(与每只DFB激光器相对应的该对电信号进入各自的差分器)，根据差分信号的正负和幅值即能通过半导体温控器对该只DFB激光器进行温度调节，使其波长锁定(即稳定)在所需要的波长上。每只DFB激光器的波长漂移检测和温控都自成闭环回路。因此本技术无须对DFB激光器的注入电流进行调制，无须对差分信号进行滤波，也无须对多只DFB激光器进行分时依次检测和控制。

本发明提出的采用多路光纤准直器列阵和二线阵CCD光电检测器列阵共用一个FP标准具以实现多通道波长锁定的结构是一种全新的技术。①它完全改变了现有技术中采用时分复用进行多波长锁定的依时串行的技术路线，是对多路DFB激光器的波长漂移进行全时段检测和全时段的波长锁定，比现有技术的分时段检测和锁定要有效和可靠。②它不需要对各路DFB激光器的注入电流进行调制，因此通信干道中不会出现所不希望的调制信号，不占用信道的带宽资源，完全避免了现有技术中这一重要缺点。③它也不需要多级串并式光纤耦合器(对于本发明的锁定器本身而言只有一级耦合器，从DFB激光器到光电检测器之间总共只有两级耦合器)，因而，使得进入FP的光强度是现有技术的数倍到10倍，这给光电检测带来了较大的方便。④结构中所使用的光纤耦合器、光纤准直器、光电检测器的感光单元、差分器、温控器等均为现有技术的成熟产品，而且各种器件均使用同一型号的多个单件，因此便于产业化。

附图说明：

附图1、本发明的锁定器结构及信号传输示意图。

附图2、FP标准具的结构示意图。

附图3、光纤准直器的列阵结构示意图。

附图4、二线阵CCD光电检测器的列阵结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明作详细描述。

本发明可用图1所示结构来实施。图中，1为若干个相同型号的DFB激光器(其数量根据光纤通信系统的实际需要而定，例如40个，即同时形成40个通道。在图中分别以1.1、1.2、…、1.40来表示，即1.i就表示第i个激光器。其它重复器件也采用同样的表示方式，以下不再解释)，它们的波长依次相距到0.8nm左右(或0.4nm左右)，这由生产厂商提供(例如CQU915/1840，JDS Uniphase公司的产品)；2是用于区分波长锁定和干道通信光束的光纤耦合器，由现有技术制成，分束比都为2∶98，它们的每个光纤空端是通往光纤通信干道的(光强度为98％)，而另一个光纤输出端(光强度为2％)就连接到用于产生差分信号的1∶1光纤耦合器3的输入端；该光纤耦合器中的每一个(即3.i)的输出光纤一端通往前光纤准直器列阵4中、与各光纤准直器(即4.i)的输入端相连，由各自的光纤准直器变成平行光束，穿过FP标准具5后达到对侧的后光纤准直器列阵6中各自对应的光纤准直器(即6.i)；后光纤准直器列阵6的各输出端和光纤耦合器3的另一个光纤输出端分别排成一列、对准二线阵CCD光电检测器列阵7中各自对应的感光单元列；这些感光单元将光信号变成电信号，其两列中同一序号的两感光单元(即7.i和7.i′)是检测来自于同一只DFB激光器的光波，一个是检测直接来自于光纤耦合器输出端点的光信号、另一个是检测来自于后光纤准直器列阵输出端点的光信号(即通过FP后所形成的光信号)；从二线阵CCD光电检测器列阵7中输出的若干对电信号就形成了差分运算中的两个电信号、进入各自的差分器8(为常规电子技术)；每个DFB激光器对应于一个差分器(即8.i)，其输出的差分信号通向各自的温控器9(即每只DFB激光器产品内部所设的半导体温控器)，对该只DFB激光器进行温度调节(是半导体激光器现有的温控技术)。

FP标准具由两块光学晶片(例如K9光学玻璃)10平行放置而构成(平行度≤5″)，中间有ULE熔石英(ULE7971，膨胀系数α＝3.5×10^-8/k)制作的隔离块11(见图2)。各侧面的平面度≤λ/10。由常规光学技术加工磨制即可满足这些要求。用固化胶(例如：WD-1001高性能结构AB胶，上海康达化工实验厂产品，下同)将两晶片和两隔离块粘结成整体(使各侧面之间的平行度≤5″)，便成为具有高度热稳定(0℃～70℃)、高精度的FP标准具。两晶片相互平行的内侧面镀有反射率为60％～70％的介质膜，外侧面则镀有残余反射率R≤0.2％的增透膜(均为现有常规光学镀膜技术)，两膜的透光中心波长为1550nm、带宽≥40nm。隔离块的厚度d(即两晶片平行内侧面的间距)是特定的设计值，其选取必须使它的透射峰处波长间距符合ITU规定的Δλ＝0.8nm或者Δλ＝0.4nm，其计算公式为：

$d=\frac{{\mathrm{\λ}}_0^2}{2\mathrm{\Δ\λ}},$

以40路通道、Δλ＝0.8nm，通信中心波长λ₀＝1550nm为例，计算可得隔离块的厚度为d＝1.502mm。由此可得FP标准具各透射峰处的波长值分别为λ_i＝1550.052nm±0.8nm×i，(i＝0，±1，...，±20)。

光纤准直器列阵中，各光纤准直器采用现有产品(例如中国福州Casix公司的产品，尺寸为φ1.8mm×9mm)，将它们安装在图3所示的U型金属座(例如铟钢座)12两侧的列阵孔13内(为4×10的等距列阵)、形成前后两列阵4和6。FP标准具就放置在前、后两列阵之间(即铟钢座的U型凹槽中)，用固化胶把FP的底面粘结在铟钢座的U型凹槽底板上表面处，FP的平行面与列阵孔的轴线相垂直。各光纤准直器在孔两侧有1mm的露端，用固化胶将其与孔壁粘合。各孔轴线相平行(平行度≤5″)，铟钢座两侧对应孔的轴线重合(错开量≤20μm)，用常规数控机床加工可满足这些要求。

二线阵CCD光电检测器列阵见图4：将1∶1光纤耦合器3的输出光纤端14依次序排成一列，后光纤准直器列阵的输出光纤端15依序排成一列，这两列光纤端排成两线列，由常规的塑料模压成型、构成光纤端二线列阵16，其光纤端之间的行距和两线列之间的列距由所选用的二线阵CCD元件17上的感光单元的排列尺寸决定。将该光纤端二线列阵与所选用的尺寸相符的二线阵CCD元件(例如滨松公司产品，型号PDAS1024)用固化胶粘连成一体(常规技术)，即可成为二线阵CCD光电检测器列阵。从各感光单元上引出适当的导线18作为二线阵CCD光电检测器的输出端，将它与各差分器的相应输入端相连，对应于各DFB激光器的电信号即进入各自的差分器。

综上所述，本发明可实现并行多通道激光波长锁定。被锁定的激光波长是等间距的梳状分布，每个波长是一个信道上的载波。若希望每个信道的100GHz带宽资源的90％被利用，则要求每个信道上波长漂移≤5GHz，即激光波长锁定精度应为≤0.04nm，这时相邻信道之间不会产生信息干扰；若希望100GHz带宽的95％被利用，则波长锁定精度应为≤0.02nm。这些技术要求利用本发明的技术是能够达到的。

Claims (1)

1.一种并行多通道波长锁定器，其中含有1∶1光纤耦合器、珐布里-珀罗标准具、光电检测器以及差分器、温控器，1∶1光纤耦合器(3)的输入端与光纤耦合器(2)的波长锁定光束输出端相连，光纤耦合器(2)的输入端与各半导体分布反馈激光器(1)的输出端相连，光电检测器(7)的输出端则通向差分器(8)的相应输入端，差分器再连接到各半导体分布反馈激光器相对应的温控器(9)上，其特征在于光纤耦合器(3)与差分器(8)之间由前光纤准直器(4)、后光纤准直器(6)、珐布里-珀罗标准具(5)和二线阵电荷耦合器件光电检测器(7)组成，光纤耦合器(3)的输出端一端与前光纤准直器(4)的输入端相连、另一端直接对准二线阵电荷耦合器件光电检测器(7)的一列感光单元，后光纤准直器(6)的输出端则对准二线阵电荷耦合器件光电检测器(7)的另一列感光单元，前、后各光纤准直器相互平行排布成列阵，前、后光纤准直器之间垂直放置珐布里-珀罗标准具，使珐布里-珀罗标准具的平行面与光纤准直器的列阵孔的轴线相垂直，前、后光纤准直器的各对应轴线相重合；所述的光纤耦合器(2)将来自各半导体分布反馈激光器(1)的光束区分为波长锁定和干道通信光束，其中波长锁定光束经过1∶1光纤耦合器(3)分束后，一束直接送入二线阵电荷耦合器件光电检测器(7)，另一束经过前光纤准直器(4)、珐布里-珀罗标准具(5)和后光纤准直器(6)送入二线阵电荷耦合器件光电检测器(7)，使各半导体分布反馈激光器(1)的波长锁定光束分别形成一对电信号，然后送入各自的差分器(8)用于形成差分信号，再送入各自的温控器(9)对半导体分布反馈激光器进行温度调节。

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