CN100558012C

CN100558012C - 光源自适应模式对准装置及对准方法

Info

Publication number: CN100558012C
Application number: CNB2006100620917A
Authority: CN
Inventors: 张徐亮; 赵峻; 江涛; 黄伟; 林华枫; 王运涛; 卫国; 陈郡; 王峰
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: US7929584B2; CN1909419A; US20090175303A1; WO2008022579A1

Abstract

本发明提供一种光源自适应模式对准装置，包括相连的激光器和温度控制单元，还包括信号处理单元，所述激光器将注入光转换成电流信号，所述电流信号经跨阻放大成电压信号，与所述信号处理单元生成的调制信号在该单元中调节所述温度控制单元的偏置电压，所述偏置电压与所述调制信号在所述信号处理单元中生成控制电压，并施加到所述温度控制单元。本发明还提供一种光源自适应模式对准方法。本发明以低成本实现波长与激光器纵模的自动对准，补偿温度变化带来的影响。

Description

光源自适应模式对准装置及对准方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其是涉及一种光源自适应模式对准装置及对准方法。

背景技术

目前视频业务的迅猛发展使得用户对带宽的需求越来越高。DSL的2M带宽能应付目前的数据传输业务，但很难满足视频业务。EPON、GPON等新的宽带接入网进一步提升了接入网的带宽，但由于采用了时分复用和突发模式技术，使得系统的成本居高不下，而且所有用户共享带宽，单用户的带宽并没有增加很多。视频业务的发展，特别是高清视频业务的需求，促使人们开发更大带宽的接入网。基于波分复用的WDM-PON网络，继承了WDM网络的带宽特性，又具备无源光网络(PON)的低成本特性，引起了很多公司、标准组织和研究机构的注意，不少公司已经研制出了样机，标准的制定也在日程之中。总体来说，WDM-PON还不是很成熟，还有很多需要完善的方面，比如无色(Colorless)光源、温度补偿、网络升级等等。采用无色光源主要是为了降低网络的维护成本并简化网络的管理。目前，无色光源主要有注入锁定法布里-珀罗激光二极管F-P LD(Fabry-Perot Laser Diode)、反射式半导体光放大器RSOA、超辐射发光二极管SLED(Superluminescent LED)，这三种光源中注入锁定的F-P LD的成本是最低的，最具有推广的可能性。但F-P LD具有多个纵模，如果注入波长不能和其中的一个纵模对准，那么注入光的阈值将提高，F-P LD的输出光功率将显著低于对准时候的功率。而且随着外界温度的变化，模式也会随着变化，从而使输出光功率发生幅度较大的变化。

图1为一现有的注入锁定F-P LD技术方案。宽谱光源发出的宽谱光经过环形器之后进入波分解复用器(DMUX)，宽谱光的频谱被DMUX分割成很多窄谱光，从DMUX的每个通道输出不同波长的窄谱光，并注入相应的F-P LD激光器。F-P LD将会输出与注入光相同波长的光，而抑制其他波长的光。通过对F-P LD的驱动电流进行调制可以将信号加载到F-P LD的输出光里。所有F-P LD的光经过波分复用器(MUX，与DMUX为同一个器件)，合并在一起成为多通道WDM信号，经过环形器输出。

现有的普通激光器的结构包括一个F-P LD芯片、一个PD(photodetector，光电探测器)、一个放大器(有的没有)、热电控制器(TEC)、热敏电阻。根据热敏电阻测得的LD的温度调整温控电流，使得LD保持在一个恒定的温度上。功率监控用来监控LD输出光功率值。

F-P LD是一种多纵模激光器，通常边模抑制比(主要模式的功率和邻近的模式的功率的比)都比较低，当注入光的波长对应于主模的中心和对应于模式之间的低谷时，输出光功率将有显著的差别。因为阵列波导光栅AWG通道和F-PLD温度的漂移以及F-P LD纵模的不一致性，使得F-P LD的输出功率具有随机性，而且注入光对准纵模低谷时，注入锁定的阈值也将提高。为了减小模式对不准引起的这些问题，通常的方法是在F-P LD的前端面镀抗反射模，弱化F-P LD的模式。在另一现有技术方案中，将前端面的反射率降低为1％，-0.2nm和+0.07nm的模式失配将引起3dB的功率罚(power penalty)。在实际工作中，如果不对每个F-P LD做特定的波长校准，那么模式失配的范围更大，引起的ONU之间的差异将影响系统的可靠运行。而对每个F-P LD做波长校准，会大大增加器件成本以及维护成本。如果AWG不是采用高成本的无热AWG，那么AWG通道的漂移将使得通常的F-P LD波长控制方法不再可行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种自动调整激光器纵模波长的光源自适应模式对准装置及对准方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光源自适应模式对准装置，包括相连的激光器和温度控制单元，还包括信号处理单元，所述信号处理单元包括滤波器、放大器、鉴相器、调制信号发生器、延时器及加法器；

所述激光器将注入光转换成电流信号，所述电流信号经跨阻放大成电压信号，所述电压信号由所述滤波器进行带通滤波后传送至所述放大器进行动态放大；经动态放大后的信号与由所述调制信号发生器生成并经所述延时器延时的调制信号一起进入到所述鉴相器，通过二者相乘积分值IPM调节所述温度控制单元的偏置电压，所述偏置电压与所述调制信号经所述加法器进行加权运算生成控制电压，并施加到所述温度控制单元；

所述调制信号为小幅低频周期性变化的信号，其幅度的选择与激光器纵模的线宽有关，当注入光处于纵模中心位置时，所述调制信号对所述温度控制单元的温度的调节幅度小到基本上不会引起光功率的变化。

进一步地，所述激光器是法布里-珀罗激光二极管F-P LD激光器。

进一步地，所述激光器内设置有将注入光转换成电流信号的光电探测器。

进一步地，所述温度控制单元包括热电控制器、热敏电阻以及温控驱动器，所述控制电压通过所述温控驱动器施加到所述热电控制器。

进一步地，当采用数字信号处理方法实现时，所述经跨阻放大成的电压信号由模拟/数字转换器A/D转换成数字信号输出至所述滤波器，且滤波后的信号不经过放大直接输入至鉴相器；经所述加法器运算后的数字信号由数字/模拟转换器D/A转换成模拟信号，并传输到所述温度控制单元。

本发明还提供一种光源自适应模式对准装置，包括相连的激光器和温度控制单元，还包括光电探测器及信号处理单元，所述信号处理单元包括滤波器、放大器、鉴相器、调制信号发生器、延时器及加法器；

所述光电探测器将输出光中的一路光信号转换成电流信号，所述电流信号经跨阻放大成电压信号，所述电压信号由所述滤波器进行带通滤波后传送至所述放大器进行动态放大；经动态放大后的信号与由所述调制信号发生器生成并经所述延时器延时的调制信号一起进入到所述鉴相器，通过二者相乘积分值IPM调节所述温度控制单元的偏置电压，所述偏置电压与所述调制信号经所述加法器进行加权运算生成控制电压，并施加到所述温度控制单元；

本发明又提供一种光源自适应模式对准方法，包括以下步骤：

a.分别生成注入光功率波动信号和温度调制信号，其中注入光功率波动信号的具体生成方式为：光电探测器将注入光变换成电压信号、将所述电压信号进行带通滤波、将滤波后的信号进行动态放大；

b.获取上述二信号的相位关系；以及

c.根据上述相位关系生成偏置电压；

d.由所述偏置电压与所述调制信号生成控制电压，并施加到所述激光器的温度控制单元。

进一步地，所述放大后的信号幅度与调制信号的幅度一致。

进一步地，所述步骤a中调制信号的生成包括以下步骤：

a’1.调制信号发生器生成调制信号；以及

a’2.所述调制信号经延时器延时。

进一步地，所述步骤b进一步包括：由鉴相器对所述二信号进行相乘和积分，获得相乘的积分值，所述值反映二信号的相位关系。

进一步地，所述步骤c进一步包括以下步骤：

c1.如果所述值大于零，则增大所述偏置电压；以及

c2.如果所述值小于零，则减小所述偏置电压。

进一步地，所述步骤c进一步包括：根据公式

ΔV = \frac{IPM}{c \cdot t}

调节所述偏置电压，其中，ΔV表示偏置电压的调整量，IPM表示第二次放大后的功率信号与调制信号的乘积的积分值，c表示一个常数，t表示时间。

进一步地，所述步骤c进一步包括：根据公式

ΔV = A \cdot IPM + B \cdot \frac{d}{dt} (IPM) + C \cdot {&Integral;}_{t 0}^{t} IPMdt

调节所述偏置电压，其中，ΔV表示偏置电压的调整量，IPM表示第二次放大后的功率信号与调制信号的乘积的积分值，t表示时间，A、B、C为常数。

进一步地，所述步骤a之前还包括防死锁步骤：

扫描激光器温度，选取最大输出功率对应的温度作为起始温度。

进一步地，所述步骤a之前还包括防死锁步骤：

调节激光器温度，使其输出功率高于设定的阈值。

进一步地，所述步骤a之前还包括防死锁步骤：

若IPM值为0，给激光器随机施加一个温度偏差。

本发明具有以下有益的效果：本发明以低成本(可以使用普通的AWG，而不限定于无热AWG)实现波长与激光器纵模的自动对准(不需要人工校准)，补偿温度变化带来的影响。而且，在各种因素引起的光功率漂移和波长漂移的干扰下，本发明仍然可以实现模式对准，因为采用的是信号的相位信息，具有很强的抗干扰能力。

本发明采用了现有半导体激光器模块的标准组件：LD、TEC、PD，没有增加成本，信号处理采用了常用的功能模块，所以整个模块的成本将与现有的光发射模块差不多。

由于本发明的装置可以自动寻找对应注入波长的主纵模的位置，所以使用普通的温度敏感的AWG就可以了，而且AWG不需要温控，AWG的成本将比现在的所用的产品更加便宜。

由于本发明的装置能自动对准模式，降低了注入光功率阈值，也就是降低了作为注入光源的宽谱光源的功率要求，从而降低了宽谱光源的成本。

附图说明

图1是现有注入锁定F-P LD方案的示意图。

图2是输出光功率随LD温度变化的示意图。

图3(a)是在波长对准纵模上升沿时输出功率随调制电流变化的示意图。

图3(b)是在波长对准纵模下降沿时输出功率随调制电流变化的示意图。

图3(c)是在波长对准纵模中心时输出功率随调制电流变化的示意图。

图4是现有F-P LD激光器的结构图。

图5是本发明光源自适应模式对准装置的结构图。

图6是本发明光源自适应模式对准装置第二实施例的结构图。

图7是本发明光源自适应模式对准装置第三实施例的结构图。

图8是本发明中温度扫描法防死锁的流程图。

图9是本发明中功率阈值判断法防死锁的流程图。

图10是本发明中扰动干扰法防死锁的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细描述。

模式锁定方法：

注入光波长不变的情况下，输出光功率随温度的变化如图2，当温度逐渐升高的时候，纵模向长波长方向移动，输出光功率也就随着纵模的轮廓变化。我们给激光器的温度引入一个小幅的周期性变化，如果注入光没有对准纵模中心，由于纵模的边沿很陡，使得小幅的温度调制引起很大的功率波动。我们可以根据功率波动和温度调制信号的相位关系来判断温度调节方向。如果注入光对准了图2的上升沿，那么光功率的变化与温度的调制信号是同相位的，如图3(a)所示，功率波动经过滤波之后，负电压对应着调制信号的负电压，正电压对应着调制信号的正电压，他们的乘积的积分IPM大于零，这时候应该将温度向大的方向调整，也就是增大偏置电压。如果注入光对准了图2的下降沿，那么光功率的变化和温度的调制信号的相位是相反的，如图3(b)所示，那么经过信号处理之后，乘积积分IPM小于零，这时候应该将温度向小的方向调，也就是减小偏置电压。注入光就对准了纵模的中心时，由于纵模的对称性，乘积积分值IPM必然等于零，如图3(c)所示。

光源结构说明：

我们在现有的F-P LD激光器模块中加入信号处理和反馈控制功能，光源结构示意如图5所示：

注入光经过环形器进入F-P LD，使用一个PD探测F-P LD的背向光的光功率(或者可以在输出光中分一路出来进入PD)，经PD转换得到的电流经跨阻放大变成电压信号，然后以温控电流的调制信号的频率为中心频率进行带通滤波(去掉了直流分量)，过滤掉各种因素引起的光功率变化的干扰，然后再一次放大，采用动态放大的方式，使得放大之后的输出信号幅度和调制信号的幅度一样。调制信号经过延时(为了弥补温控电流与波长响应之间的时间差)后，与第二次放大后的信号一起进入鉴相器。鉴相器由乘法器和积分器构成，根据两个信号相乘的积分值IPM(反映了两个信号之间的相位关系)，调节温控的偏置电压，偏置电压与调制信号经过加权的加法运算得到一个电压，经过温控驱动电路加到TEC上，控制F-P LD的温度，使得F-P LD的纵模向对准注入光波长的方向移动。

该自适应模式对准光源可以用模拟电路实现，也可以将PD测得的功率值采样，用数字信号处理方法实现。模块的结构如图6所示。

PD的电流信号经过跨阻放大之后，用A/D转换器进行采用，后续的信号采用数字信号处理方法进行处理，处理过程与图5一致，数字处理结果经D/A转换后变成模拟信号，进入温控驱动电路。

图5、图6所示方案中，注入光通过环行器进入F-P LD，由PD进行光功率的探测。与之不同，请参照图7所示，注入光经过耦合器输出的一路光信号可用于光功率的探测，其进入不与LD封装在一起的PD，由该PD来进行探测。对于信号处理和温控的结构则与上述图5、图6所示的方案一样，流程也一样。

调制信号特性：

加在温控电压上的调制信号为小幅低频信号。其幅度的选择与F-P LD纵模的线宽有关，当注入光处于纵模中心位置时，温度调节幅度小到基本上不会引起光功率的变化。采用低频是为了避免对高频数字信号的干扰，通常，响应频率越低，PD的成本越便宜，而且灵敏度也较高。目前与F-P LD封装在一起探测背向光的PD都为低频响应的PD。

偏置电压调节方法：

在偏置电压的调节过程中，可以采用线性调节方法和PID(比例-积分-微分)控制方法，使得偏置电压能尽快的调整到确切的值。

线性调节方法可以用如下如下公式表示：

ΔV = \frac{IPM}{c \cdot t} - - - (1)

其中，ΔV表示偏置电压的调整量，IPM表示第二次放大后的功率信号与调制信号的乘积的积分值，c表示一个常数，t表示时间。除以t是为了避免引起算法振荡，调整时间越长，电压的增减量越小，当调节到ΔV近似为零的时候，t重置为1，以应付下一次较大的波长失配。

PID控制方法如下：

ΔV = A \cdot IPM + B \cdot \frac{d}{dt} (IPM) + C \cdot {&Integral;}_{t 0}^{t} IPMdt - - - (2)

A、B、C为常数。

防死锁方法：

如果一开始注入波长就对准了纵模之间的谷底，IPM等于0，上述算法将锁定在谷底，形成死锁。本发明可以选用三种方法来避免死锁。

第一种是温度扫描。请参照图8所示，在进行该自适应调节之前先大范围的扫描一下温度，选取最大输出功率对应的温度作为起始温度。调整好起始温度之后，使用温度调制方法就可以在LD的整个工作期间保证纵模与注入波长的对准。

第二种方法是功率阈值判断法。请参照图9所示，当注入波长对应谷底的时候，输出功率明显的比对准纵模时候的低。如果输出功率低于某个阈值的时候，我们就判定注入波长对应与谷底附近，调节温度，使得输出功率高于阈值，这样注入波长就对应于纵模中心附近，启动自适应模式对准过程，就可避免死锁在谷底。

第三种方法是扰动法。请参照图10所示，如果自适应模式对准过程一开始，IPM值就为0，那么随机加一个较小的温度偏差，使得IPM值不为0，这样，反馈过程就可以向模式中心调节。

Claims

1、一种光源自适应模式对准装置，包括相连的激光器和温度控制单元，其特征在于：还包括信号处理单元，所述信号处理单元包括滤波器、放大器、鉴相器、调制信号发生器、延时器及加法器；

2、根据权利要求1所述的光源自适应模式对准装置，其特征在于：所述激光器是法布里-珀罗激光二极管F-PLD激光器。

3、根据权利要求1所述的光源自适应模式对准装置，其特征在于：所述激光器内设置有将注入光转换成电流信号的光电探测器。

4、根据权利要求1所述的光源自适应模式对准装置，其特征在于：所述温度控制单元包括热电控制器、热敏电阻以及温控驱动器，所述控制电压通过所述温控驱动器施加到所述热电控制器。

5、根据权利要求1所述的光源自适应模式对准装置，其特征在于：当采用数字信号处理方法实现时，所述经跨阻放大成的电压信号由模拟/数字转换器A/D转换成数字信号输出至所述滤波器，且滤波后的信号不经过放大直接输入至鉴相器；经所述加法器运算后的数字信号由数字/模拟转换器D/A转换成模拟信号，并传输到所述温度控制单元。

6、一种光源自适应模式对准装置，包括相连的激光器和温度控制单元，其特征在于：还包括光电探测器及信号处理单元，所述信号处理单元包括滤波器、放大器、鉴相器、调制信号发生器、延时器及加法器；

7、根据权利要求6所述的光源自适应模式对准装置，其特征在于：所述激光器是法布里-珀罗激光二极管F-PLD激光器。

8、根据权利要求6所述的光源自适应模式对准装置，其特征在于：所述温度控制单元包括热电控制器、热敏电阻以及温控驱动器，所述控制电压通过所述温控驱动器施加到所述热电控制器。

9、根据权利要求6所述的光源自适应模式对准装置，其特征在于：当采用数字信号处理方法实现时，所述经跨阻放大成的电压信号由模拟/数字转换器A/D转换成数字信号输出至所述滤波器，且滤波后的信号不经过放大直接输入至鉴相器；经所述加法器运算后的数字信号由数字/模拟转换器D/A转换成模拟信号，并传输到所述温度控制单元。

10、一种光源自适应模式对准方法，包括以下步骤：

b.获取上述二信号的相位关系；

c.根据上述相位关系生成偏置电压；

11、根据权利要求10所述的自适应模式对准方法，其特征在于：所述放大后的信号幅度与调制信号的幅度一致。

12、根据权利要求10所述的自适应模式对准方法，其特征在于：所述步骤a中调制信号的生成包括以下步骤：

a’1.调制信号发生器生成调制信号；以及

a’2.所述调制信号经延时器延时。

13、根据权利要求10所述的自适应模式对准方法，其特征在于：所述步骤b进一步包括：由鉴相器对所述二信号进行相乘和积分，获得相乘的积分值，所述值反映二信号的相位关系。

14、根据权利要求13所述的自适应模式对准方法，其特征在于：所述步骤c进一步包括以下步骤：

c1.如果所述值大于零，则增大所述偏置电压；以及

c2.如果所述值小于零，则减小所述偏置电压。

15、根据权利要求10所述的自适应模式对准方法，其特征在于：所述步骤c进一步包括：根据公式

ΔV = \frac{IPM}{c \cdot t}

16、根据权利要求10所述的自适应模式对准方法，其特征在于：所述步骤c进一步包括：根据公式

ΔV = A \cdot IPM + B \cdot \frac{d}{dt} (IPM) + C \cdot {&Integral;}_{t 0}^{t} IPMdt

17、根据权利要求10所述的自适应模式对准方法，其特征在于：所述步骤a之前还包括防死锁步骤：

18、根据权利要求10所述的自适应模式对准方法，其特征在于：所述步骤a之前还包括防死锁步骤：

调节激光器温度，使其输出功率高于设定的阈值。

19、根据权利要求10所述的自适应模式对准方法，其特征在于：所述步骤a之前还包括防死锁步骤：

若IPM值为0，给激光器随机施加一个温度偏差。