CN101042513A - 一种可调谐激光器波长的控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐激光器波长的控制系统及其方法，适用于DFB+MEMS型可调谐激光器系统，该方法包括：步骤一，通过波长选择模块选择指定DFB激光器；步骤二，通过温度/波长控制回路进行温度控制，调整所述指定DFB激光器输出指定波长的激光；步骤三，通过MEMS准直控制回路对所述指定波长的激光进行所述指定波长的激光的光路准直。采用本发明方法，由于采取CPU系统，应用软件控制方法，无需专用控制器；此外可以灵活根据受控对象的波长特性进行参数调整，达到最优控制；简化硬件系统设计，节省了硬件成本，提高了灵活性、通用性。

Description

一种可调谐激光器波长的控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及数字光纤传输系统技术领域，特别是涉及一种可调谐激光器波长的控制系统及其方法。

背景技术

在DWDM(Dense Wave Division Multiplexing，密集波分复用)系统中，DFB(Distributed Feed Back，分布式反馈)阵列可调谐激光器在ROADM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，可重构光分插复用器)、波长保护、工程备件等领域具有广阔的应用前景，可以减少系统中光源备用数量和规格，易于形成标准化的通信系统，使系统的运营成本和维护费用可以大幅度降低。但是可调谐DFB阵列激光器商用化才刚刚启动，尚未形成统一的技术方案，各厂家采用的方案不尽相同。大体可以分为3种：DFB阵列+MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统)转镜、SG-DBR(Sampled Grating Distributed Bragg Reflector，采样光栅分布式喇格反射激光器)以及外腔(External Cavity Laser，ECL)式。其中基于DFB阵列+MEMS转镜型可调谐DFB阵列激光器采用较为成熟的DFB阵列激光器和MEMS技术，其可靠性已经受了市场的考验，是一种成熟的技术方案。例如Santur公司的DFB阵列可调谐激光器与现在大量使用的单一波长DFB型D激光器相比，其大小尺寸与集成的复杂度都比较相似，只是包含了许多DFB激光器阵列，如图1所示，通过转动MEMS转镜102，选择不同的DFB激光器，其输出波长范围就会不同，同时通过温度控制使得输出波长稳定输出在指定ITU(International Telecommunication Union，国际电信联盟)标准波长，达到可调谐的目的。由于采用调节温度控制波长，因此与另外两类可调谐激光器相比，其波长切换时间相对较长，一般在秒级，不适应于在快速保护倒换中使用，但是在ROADM、工程备件的领域仍不失为一种可靠性高、性能高、成本较低的解决方案。

相比较传统的单波长DFB激光器，DFB阵列可调谐激光器的控制要复杂得多；并且目前尚未有标准的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可调谐激光器波长的控制系统及其方法，用于实现对DFB阵列+MEMS型可调谐激光器的简单优化控制。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可调谐激光器波长的控制系统，适用于DFB+MEMS型可调谐激光器，包括设置有TEC控制器、四象限探测器、MEMS转镜的DFB阵列式激光器、设置有波长选择模块、温度/波长控制模块、MEMS控制模块的CPU/MCU、TEC控制电路及MEMS驱动电路，所述波长控制模块连接所述DFB阵列式激光器，用于选择一指定DFB激光器，还包括一温度/波长控制回路、一MEMS准直控制回路；

所述温度/波长控制回路通过所述温度/波长控制模块、所述TEC控制电路对所述TEC控制器进行温度控制，调整所述指定DFB激光器输出指定波长的激光；

所述MEMS准直控制回路通过所述MEMS控制模块控制所述MEMS驱动电路工作，所述MEMS驱动电路驱动所述MEMS转镜转动，实现所述指定波长的激光的光路准直。

所述的可调谐激光器波长的控制系统，其中，所述波长选择模块通过一通讯接口选择所述指定DFB激光器。

所述的可调谐激光器波长的控制系统，其中，还包括一集成于所述DFB阵列式激光器内的一TEC致冷器和一温度传感器，所述TEC致冷器用于接受所述TEC控制器的控制指令对所述DFB阵列式激光器进行加热或致冷控制，所述温度传感器用于感应所述DFB阵列式激光器的温度变化。

所述的可调谐激光器波长的控制系统，其中，还包括一设置于所述MCU上的波长锁定控制回路，用于通过检测设置于所述DFB阵列式激光器上Etalon的温度，控制对应于所述Etalon的温度组件完成波长锁定。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种如所述控制系统的可调谐激光器波长的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一，选择指定DFB激光器；

步骤二，通过温度/波长控制回路对所述指定DFB激光器进行温度控制，调整所述指定DFB激光器输出指定波长的激光；

步骤三，通过MEMS准直控制回路对所述指定波长的激光进行光路准直。

所述的可调谐激光器波长的控制方法，其中，所述步骤一中，还包括一通过一通讯接口选择所述指定DFB激光器的步骤。

所述的可调谐激光器波长的控制方法，其中，所述步骤一中，还包括一当收到上电复位信号或波长切换命令时，所述系统关闭DFB阵列式激光器和MEMS转镜的步骤。

所述的可调谐激光器波长的控制方法，其中，所述步骤一、步骤二之间还包括一通过判断所述系统当前是否有温度告警信息来决定是否进入温度/波长控制回路的步骤。

所述的可调谐激光器波长的控制方法，其中，所述步骤二、步骤三之间还包括一通过判断所述系统当前是否有准直告警信息来决定是否进入MEMS准直控制回路的步骤。

所述的可调谐激光器波长的控制方法，其中，所述步骤三中，还包括一当光路准直完成后，所述系统收到温度告警信息返回所述步骤二执行的步骤。

采用本发明方法，由于采取CPU系统，应用软件控制方法，无需专用控制器；此外可以灵活根据受控对象的波长特性进行参数调整，达到最优控制；简化硬件系统设计，节省了硬件成本，提高了灵活性、通用性。

附图说明

图1为现有技术中DFB阵列式DFB阵列激光器与接口示意图；

图2为本发明基本结构示意图；

图3为本发明的可调谐激光器波长的控制方法流程图；

图4为本发明总体控制流程图；

图5为本发明温度/波长控制流程图；

图6为本发明MEMS准直控制流程图；

图7为本发明实施例一的电路结构图；

图8为本发明实施例二的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案的实施进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1所示为现有技术中DFB阵列式DFB阵列激光器与接口示意图。一般来说，DFB阵列可调谐激光器10包括以下几个部分：DFB阵列激光器101、MEMS转镜102、四象限探测器103、温度控制器(TEC)104以及DFB阵列激光器选择电路105等。DFB阵列激光器101是在同一个基底上制成的多条DFB激光器阵列。每一个DFB激光器工作在一定波长范围(一般为400GHz)，与普通单波长DFB激光器类似，在此工作范围内，输出光波长通过控制DFB激光器温度，调节输出波长，使之工作在希望的特定波长上。每只DFB激光器覆盖不同的波长范围，因此，切换任意输出波长，需要首先选择相应波长范围的DFB激光器，然后通过调节温度，得到所需的波长输出。与普通单波长DFB激光器相比，DFB阵列可调谐激光器10在控制上的主要差异在于多只DFB激光器的选择以及不同DFB激光器的准直光路的控制。对于不同的DFB激光器，需要通过调整MEMS转镜102，将DFB激光器的输出光准直，并耦合到输出光纤108内。DFB阵列激光器101发出的激光通过准直透镜准直后入射到MEMS转镜102上。MEMS转镜102是一种两维可以转动的反射镜。通过改变MEMS电极(MEMS X+，MEMS X-，MEMS Y+，MEMS Y-)的电压，可以控制MEMS转镜102的旋转角度。经过MEMS转镜102的反射，并通过光分路器106使得激光分成两束：其中一部分通过汇聚透镜107，耦合至输出光纤108；另一部分输出至四象限探测器103，通过四象限探测器103，可以探测出激光光斑的空间位置，通过调节MEMS转镜102两个方向的旋转角度，使得光斑落在四象限探测器103的中心位置。此时也就对应着另一部分光束的光斑对准输出光纤108的中心。

图2所示为本发明基本结构示意图。该基本结构包括：DFB阵列式激光器21、TEC(温度)控制电路201、波长选择模块202、温度/波长控制模块203、MEMS控制模块204及MEMS驱动电路205。其中，DFB阵列式激光器21上还设置有TEC(温度)控制器211、四象限探测器212及MEMS转镜213；波长选择模块202、温度/波长控制模块203、MEMS控制模块204设置于CPU(Central Processing Unit，中央处理器)或MCU(Micro-Controller Unit，微控制器)控制系统22上。

该结构中存在一个选择电路：DFB激光器选择电路11，该电路11由波长选择模块202通过(LS_CLK、LS_DATE)通讯接口33选择对应的DFB激光器。

该结构中存在两个控制回路：温度/波长控制回路12和MEMS准直控制回路13，共同完成对该DFB阵列+MEMS型可调谐激光器的控制。温度/波长控制回路12中，温度/波长控制模块203通过TEC控制电路201对TEC控制器211进行温度控制，从而使得选择的指定DFB激光器工作在指定的温度点，进而输出指定波长的激光；MEMS准直控制回路13中，MEMS驱动电路205在MEMS控制模块204控制下工作，并驱动MEMS转镜213转动，从而调整指定波长激光的光路准直。

温度/波长控制回路12通过控制温度来调整波长；MEMS准直控制回路13通过调整MEMS转镜213转动实现光路准直。在实际工作中，这两个回路相互配合，共同实现可调谐激光器的波长控制。

图3所示为本发明的可调谐激光器波长的控制方法流程图。并结合图1、2所示，该控制方法流程具体包括如下步骤：

步骤301，选择指定的DFB激光器；

在系统收到上电复位或波长切换命令时，为确保安全，系统会先将DFB阵列式激光器21关闭；此外，系统调整MEMS转镜213，使光路无输出。然后系统从重要数据区取出设定的波长通道，波长选择模块202通过(LS_CLK、LS_DATE)通讯接口33选择对应的DFB激光器。

步骤302，进行温度/波长控制；

在选择指定DFB激光器后，进行温度控制使指定DFB激光器工作在指定的温度点，从而能够产生正确的指定波长，此时开始进入温度/波长控制回路12。

温度/波长控制回路12通过TEC控制电路201实现对指定温度的设定；在DFB阵列式激光器21内部集成有TEC致冷器和温度传感器214，系统通过检测实际温度和设定温度的误差来决定是否达到预定温度。其中温度传感器用于感应DFB阵列式激光器21的温度变化，TEC致冷器用于接受TEC控制器211的控制指令对DFB阵列式激光器21进行加热或致冷控制。

步骤303，进行MEMS准直控制。

在温度锁定完成后，指定的DFB激光器输出指定波长的激光，此时进入MEMS准直控制回路13；通过四象限探测器212，可以探测出激光光斑的空间位置，模/数转换AD采集之后，通过调节MEMS转镜213两个方向的旋转角度，使得光斑落在四象限探测器212的中心位置；此时，也就对应着另一部分光束的光斑对准输出光纤108的中心。

图4所示为本发明总体控制流程图。并结合图2所示，该流程为完成本发明完整控制功能而进行的系统总体控制流程，基本处理过程包括如下步骤：

步骤401，选择DFB激光器；在任何时候，如果系统收到上电复位或波长切换命令时，系统首先关闭DFB阵列式激光器21和MEMS转镜213，并输出系统当前状态、温度/准直告警信息；

步骤402，系统判断当前所处状态，查看是否有温度告警信息，以决定是否要进入温度/波长控制回路12，若没有温度告警信息，则系统继续判断当前所处状态；若有温度告警信息，则继续执行步骤403；若系统收到通道切换指令或上电复位信号，则系统放弃当前操作，返回步骤401；

步骤403，系统进入温度/波长控制回路12进行温度/波长控制，完成温度/波长控制后，温度告警信息消失；此时若有准直告警信息，则系统进入MEMS准直控制回路13；若系统收到通道切换指令或上电复位信号，则系统放弃当前操作，返回步骤401；及

步骤404，MEMS准直控制回路13进行MEMS准直控制，完成MEMS准直控制，系统进入正常维持状态。

在步骤404中，当MEMS准直控制回路13完成MEMS准直控制后，若系统收到通道切换指令或上电复位信号，则系统返回步骤401；若系统没有检测到任何告警信息，则返回步骤402进行当前状态判断；若系统检测到温度告警信息，则返回步骤403进行温度/波长控制。

图5所示为本发明温度/波长控制流程图。并结合图2所示，该控制流程具体包括如下步骤：

步骤501，开始；

步骤502，系统初始化，并输出温度误差；

步骤503，通过模/数转换AD读取温度误差，输出温度状态；

步骤504，判断温度是否锁定，若锁定，则返回步骤503；若未锁定，则步骤继续执行；

步骤505，进行积分运算；

步骤506，再进行比例运算；及

步骤507，通过数/模转换DA输出驱动TEC控制器211，并返回步骤503。

请参阅图6所示，为本发明MEMS准直控制流程图。并结合图2所示，该控制流程具体包括如下步骤：

步骤601，开始；

步骤602，初始化处理，设置初值；

步骤603，通过模/数转换AD采集MEMS转镜213的方向；

步骤604，计算X方向和Y方向的差值；

步骤605，判断是否锁定，若锁定，则返回步骤603；若未锁定，则步骤继续执行；及

步骤606，通过数/模转换DA输出DA，驱动MEMS转镜213高压，即，为了保证MEMS转镜213工作，对其进行控制，使其达到接近200V的电压。

图7、8所示，分别为本发明实施例一、二的电路结构图。并结合图2所示，图8所示的实施例二与图7所示的实施例一的区别在于，在实施例二中增加了波长锁定功能。该功能要求在DFB阵列式激光器21中增加Etalon及相应的TEC组件231，与之对应，在MCU(Micro-Controller Unit，微控制器)控制系统22中要增加波长锁定控制回路232，即，系统完成温度/波长控制后，通过检测Etalon的温度，进而控制对应的TEC组件完成波长锁定任务；该功能在需要50G间隔的波分系统中是必须的。另外，图7、8中的标记241为模/数转换器ADC，242为数/模转换器DAC，分别用于实现图5、6中模/数转换AD，数/模转换DA。

采用本发明所述方法，由于采取CPU/MCU系统，应用软件控制方法，无需专用控制器；此外可以灵活的根据受控对象的波长特性，进行参数调整，达到最优控制；简化硬件系统设计，节省了硬件成本，提高了灵活性、通用性。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种可调谐激光器波长的控制系统，适用于DFB+MEMS型可调谐激光器，包括设置有TEC控制器、四象限探测器、MEMS转镜的DFB阵列式激光器、设置有波长选择模块、温度/波长控制模块、MEMS控制模块的CPU/MCU、TEC控制电路及MEMS驱动电路，所述波长控制模块连接所述DFB阵列式激光器，用于选择一指定DFB激光器，其特征在于，还包括一温度/波长控制回路、一MEMS准直控制回路；

所述温度/波长控制回路通过所述温度/波长控制模块、所述TEC控制电路对所述TEC控制器进行温度控制，调整所述指定DFB激光器输出指定波长的激光；

所述MEMS准直控制回路通过所述MEMS控制模块控制所述MEMS驱动电路工作，所述MEMS驱动电路驱动所述MEMS转镜转动，实现所述指定波长的激光的光路准直。

2、根据权利要求1所述的可调谐激光器波长的控制系统，其特征在于，所述波长选择模块通过一通讯接口选择所述指定DFB激光器。

3、根据权利要求1或2所述的可调谐激光器波长的控制系统，其特征在于，还包括一集成于所述DFB阵列式激光器内的一TEC致冷器和一温度传感器，所述TEC致冷器用于接受所述TEC控制器的控制指令对所述DFB阵列式激光器进行加热或致冷控制，所述温度传感器用于感应所述DFB阵列式激光器的温度变化。

4、根据权利要求1或2所述的可调谐激光器波长的控制系统，其特征在于，还包括一设置于所述MCU上的波长锁定控制回路，用于通过检测设置于所述DFB阵列式激光器上Etalon的温度，控制对应于所述Etalon的温度组件完成波长锁定。

5、一种如权利要求1所述控制系统的可调谐激光器波长的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一，选择指定DFB激光器；

步骤二，通过温度/波长控制回路对所述指定DFB激光器进行温度控制，调整所述指定DFB激光器输出指定波长的激光；

步骤三，通过MEMS准直控制回路对所述指定波长的激光进行光路准直。

6、根据权利要求5所述的可调谐激光器波长的控制方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括一通过一通讯接口选择所述指定DFB激光器的步骤。

7、根据权利要求5或6所述的可调谐激光器波长的控制方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括一当收到上电复位信号或波长切换命令时，所述系统关闭DFB阵列式激光器和MEMS转镜的步骤。

8、根据权利要求5或6所述的可调谐激光器波长的控制方法，其特征在于，所述步骤一、步骤二之间还包括一通过判断所述系统当前是否有温度告警信息来决定是否进入温度/波长控制回路的步骤。

9、根据权利要求5或6所述的可调谐激光器波长的控制方法，其特征在于，所述步骤二、步骤三之间还包括一通过判断所述系统当前是否有准直告警信息来决定是否进入MEMS准直控制回路的步骤。

10、根据权利要求5或6所述的可调谐激光器波长的控制方法，其特征在于，所述步骤三中，还包括一当光路准直完成后，所述系统收到温度告警信息返回所述步骤二执行的步骤。

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