CN102396174A - 用于同步控制多个密集波分复用光发射机的波长锁定器 - Google Patents

Abstract

一种设备，包含多台与光纤耦合的光发射机、一台与上述光发射机耦合及经配置后可向光发射机提供单一导频的信号发生器、一台安装于光纤与光发射机之间的反馈回路中的处理器，而且该处理器经配置后可调节每一台光发射机的波长以锁定波长。一种设备，至少包含一台处理器，经配置后处理器可实施一种方法，其中包含接收具有导频的光信号、检测振幅和导频相位、利用检测到的振幅与相位计算正交项，以及利用正交项波长锁定光信号。

Description

用于同步控制多个密集波分复用光发射机的波长锁定器

本申请声明申请要求申请号为12/579196的美国专利申请的优先权，该专利由雷红兵等人于2009年10月14日提交申请，专利申请名称为“用于同步控制多台密集波分复用光发射机的波长锁定器发射机”，该专利一经引用即全文纳入。

技术领域

本发明涉及网络技术领域，更具体地，涉及用于同步控制多台密集波分复用光发射机的波长锁定器。

发明背景

传统的波分复用(WDM)光发射机机组可能将半导体激光器用作为光发射机。WDM系统发挥性能需要保证激光源上的信号完整性。WDM激光器机组的输出信号的波长可能因制造工艺变化、装置使用寿命、温度或其他因素而有所不同。个别WDM激光器可能具有不同的电学、光学和/或热学特性，这些也会影响激光器的波长。波长锁定功能可促成信号完整性，但不容易在激光器波长变化时发挥成效。

实现波长锁定功能采用的方法之一是利用反馈系统比较激光器输出实际波长和激光器输出目标波长。因而能调节激光器输出以调节偏差。在某些应用中，波长锁定器用于阵列内的每一台激光器。独立的光传输器数量增加时，实现波长锁定功能的复杂性和成本也会增加。这就需要一种方法实现能保证效率高及成本低的波长锁定功能。

发明内容

在一个实施例中，披露内容包括一种包含多台与光纤耦合的光发射机的设备、一台与上述光发射机耦合及经配置后可向光发射机提供单一导频的信号发生器、一台安装于光纤与光发射机之间的反馈回路中的处理器，而且该处理器经配置后可调节每一台光发射机的波长以锁定波长。

在一个实施例中，披露内容包括一种设备，其中至少包含有一台处理器，经配置后处理器可实施一种方法，其中包含接收具有导频的光信号、检测振幅和导频相位、利用检测到的振幅与相位计算正交项，以及利用正交项波长锁定光信号。

在一个实施例中，披露内容包括一种方法，其中包含接收由光发射机生成的光信号和具有光谱形状的光信号、确定光信号的峰值、锁定峰值以及确定是否需要根据锁定的峰值调节光发射机的输出。

下面详细的描述和附图及权利要求以供您更加清晰地理解这些特点及其他特点。

附图简述

为更加完整地理解本专利披露内容，现请结合附图及详述内容参阅下面的简述，其中相应的编号代表相应的部分。

图1是标准具的多重传输光谱之实施例的图示。

图2是不同调制信号的多重光强频谱之实施例的图示。

图3是不同调制信号的多重标准具传输光谱之实施例的图示。

图4是不同热啁啾条件下具有10GNRZ信号的多重标准具传输光谱之实施例的图示。

图5是WDM激光发射机之实施例的俯视平面图。

图6是WDM激光波长锁定设备之实施例的原理图。

图7是WDM激光波长锁定方法之实施例的流程图。

图8是不同的啁啾条件下正交组件多种频率响应之实施例的图示。

图9是使用不同调制信号的情况下正交组件多种频率响应之实施例的图不。

图10是通用计算机系统之实施例的原理图。

具体实施方式

首先应该理解，即使下面提供了一个或多个实施例的执行说明，但是披露的系统和/或方法可通过使用任何数量当前已知或实际存在的技术予以执行。本次披露绝不仅限于下面描述的执行说明、附图和技术，包括本文中说明和描述的示范设计及具体执行操作，而可在附加的权利要求的范围内及同等物的完整范围内修改披露内容。

WCD应用中使用的常规波长锁定方案可利用每一种波长适用的波长锁定器。例如，对于波长间距约为100千兆赫(GHz)或更小时，可对每一种激光适用波长锁定器。对于波长锁定，会测量参考信号及标准具传输的信号。再比较这两种信号强度以确定与目标波长的偏差。一般而言，波长锁定器设计目的在于锁定标准具传输峰值的短波频率。该锁定值可确定为在自由光谱程中从其峰值到其20％处的一段距离。此锁定点由标准具光谱上斜面上两光谱之间的交界处定义。

图1显示了依据50GHz自由光谱程标准具波长锁定器和参考信号绘制的光谱线。图中的直线表示参考信号，周期线表示标准具传输的信号。通过使用相当窄的谱线宽度(相比标准具谱线宽度窄)绘制激光以及将接收到的信号当做激光波长函数进行绘制，可得出这些光谱线。如果在强度方面参考信号等于传输的信号，波长会视为被锁定。否则，它会被视为偏离其目标。从两台检测器检测到的具有不同信号强度的信号可获知偏离的方向，因此能采取相应的行动以调节波长使其接近目标。在图1说明的例子中，锁定点可确定为周期线上斜面与直线之间的交点。即锁定点可能在-50GHz、0GHz及50GHz左右，基于信号的重复性，每一个锁定点基本上是一致的。

在另一种方案中，多台WDM发射机可共用一台波长锁定器。在这样的方案中，需要一种适用于每一次检测时即可选择一波长的机制。有多种方法供用于实现该任务。在时分复用(TDM)中，可调谐的光过滤器能与波长锁定器一并使用。在预定义的时间窗中，可使用光过滤器将波长锁定器调谐至一种选定的波长。此时可将选定的波长按与上述专用波长锁定器的波长相同的修正方式来修正。通过在多种波长间扫描过滤器，可确定每一台发射机的波长，与目标相关，且一次确定一条波长信道。如果偏离目标，再可调节每一台发射机的波长。因为发射机的波长可能有微幅漂移(例如：以小时或天数为单位漂移)，基于过滤器的TDM方法会具有相当高的可靠性，并能广泛用于满足传输行业中集中式波长锁定的需求。

一个替代性的TDM方法是将抖动信号导入至选定的要使其稳定的波长。抖动信号具有预选定的频率，可新增至正由WDM发射机传输的正常数据。所选定的频率通常在1万赫兹(kHz)至约近几十万赫兹之间。同一标准具设备可用于锁定所选定的波长，该波长可运用抖动，而这仅需考虑与抖动频率对应的信号成分。如果使用了以上描述的同一边界锁定机制，便可通过比较参考信号与标准具信号在抖动频率上的两种成分，从而确定波长偏差。如果标准具信号大于参考信号，输出的波长可能短于所需的波长，而且激光发射机需调节以使波长变长。否则，输出波长可能长于所需波长，并需反向调节。如果两种信号相等，发射机发射机可能在所期望的波长上运行。控制回路，诸如数字或模拟控制回路，可基于这两种信号的比率(也可称为一个参数)上进行构建以使得波长稳定。

频分复用(FDM)还可与抖动信号一并使用。在FDM的情况下，具有不同频率的抖动信号引入至每一台WDM发射机。例如，每一台发射机n(n＝1，2...N)可使用抖动频率f_n，其中N是一个整数。N发射机台发射机传输的光信号在波分复用到一条光纤后被检测到。之后所检测到的信号被广播至N个信道，每一个信道通过合理选择电子过滤器测量对应与其相应抖动频率的成分。因此，可能同步获取N个参数，每一个参数都可表明波长与其目标的偏差。在TDM的情况下，对于N台发射机统一运用同一抖动频率，发射机而每一时刻仅运用一台发射机，这与采用DC方法的情况下保持一致。例如，在时隙t_n中，抖动信号适用于发射机n，而且波长锁定器仅检测波长_n。在时间空档t_n+1中，对发射机n+1重复该过程，以此类推。

对于在WDM应用中实现集中式波长稳定，基于TDM和FDM二者的方法均经证明有利于节省成本。然而，将过滤器应用于通过TDM进行波长锁定，本身存在着劣势。例如，基于TDM的方法可能在执行上不具有成本优势。一种适用于50GHz间距的典型可调谐光过滤器可能比波长锁定器更贵。另外，此方法适用于波长锁定时具有多种局限。而且基于TDM的方法仅可与边界锁定方法一并使用，而后者可能要求所有发射机的光谱几乎保持完全一致，下面会对其进行更多的描述。如果不同发射机之间的光谱各不相同，例如在直接调制激光器和/或不同调制格式/速率的情况下，该边界锁定方法可能在锁定点处引入较大的变化。

图2显示了使用四种不同调制方式而获取的四种光谱：连续光(CW)源、使用直接调制激光器(DML)而获取的10GHz不归零(NRZ)调制、使用电吸收调制激光器(EML)而获取的10GHzNRZ以及40GHz差分移相键控(DQPSK)。如果在10GHz情况下运用同一调制，使用同一调制的不同激光器可能拥有不同的光谱形状。例如，在使用DML的情况下，因为啁啾的影响，获取的10GHzNRZ调制的光谱具有比EML更宽泛的光谱。如果如图2中显示使用同一边界锁定方法，锁定点会发生巨大的变动，具体取决于调制的频谱线宽度。

图3显示了与图2中所示不同调制相应的参考信号(显示为一条直线)的不同交点。在图3中，标准具光谱是使用调制的光谱线宽度的情况下标准具光谱的卷积。所以，在与参考信号强度相当的锁定点上，相应波长会发生巨大变化。对于图2中的使用40GHz DQPSK调制的发射机，所检测到的波长向短波频率大约偏离5GHz，而在使用EML进行NRZ调制的情况下，该偏差值大约为0.5GHz。

如果使用了边界锁定方法，通过TDM或FDM利用单一波长锁定器的抖动方法还存在其他问题。光谱变化会导致锁定点的浮动，而抖动自身可能干扰锁定机制。抖动常应用于半导体激光器(例如，分布反馈激光器)的偏流，它会使得发射机具有绝热及热啁啾的性能。

图4显示了受到不同抖动信号导致的啁啾影响后标准具信号的传输光谱。传输峰值的左侧明显出现幅度较大的光谱失真，边界锁定方法会选择传统的锁定点。如图所示，某些情况下的光谱失真会非常明显，其中上升边界不再呈单调上升，这使得边界锁定方法不可用。此明显的光谱失真由热啁啾导致的，热啁啾在抖动导致的啁啾整体中占主导性。热啁啾在很大程度上取决于诸如发射机信号打包功能、其几何结构、热接触以及它的冷却效率等因素。这些参数可能因不同制造商而有所不同。如果每一台发射机都有专用锁定器，通过选择已减少热啁啾的抖动频率，可最大程度上降低不理想的光谱失真幅度。然而，在集中式锁定方案中，可能无法做到这一点，因为待稳定的激光器可能由采用不同技术的不同供应商制造。结果是，抖动频率可能适用于其中一台激光器，而会导致其他台激光器中光谱失真，理论上，反之亦然。

本文中披露的内容包括一种设备和一种方法，它们在激光传输系统中可提供激光发射机(例如WDM激光发射机)的波长锁定功能。在一种实施例中，基于激光器光谱的峰值，上述设备和方法可促进激光发射机的锁定点的确定。诸如激光器光谱线形状、调制格式、热啁啾、绝热啁啾、数据速率、设备制造工艺变动、设备寿命、温度或其他因素对锁定点的确定可能不会有很大的影响。另外，会布设单一的导频信号生成器，由此最大程度上降低成本和复杂性。通过检测与激光发射机的信号结合的导频信号之振幅与相位，而非仅检测导频信号的能量，可能提升确定锁定点时的效率。另外，上述设备和方法中所使用的标准具过滤器的传输方程的第一个派生值的正交部分可实现有效的波长锁定。

激光发射机系统可能包含多种光发射机，例如，激光器、光电二极管、其他配置为可传输光波波长各异的电磁波的设备，或上述设备的组合。光波波长至少可包含可见波长范围、红外波波长范围、紫外线(UV)波长范围或其他光波波长范围中的一部分。在一种实施例中，光发射机可能是独立的发射机单元，相互间可以构成耦合关系。例如，可将多个独立的光发射机以阵列方式安装在单片、卡或光学平台上。光发射机还可与诸如复用器之类的光学耦合器耦合，经配置后，这类光学耦合器可将不同光发射机的输出整合成一种单一输出。不同光学发射机的输出可能具有不同的波长，而且光学耦合器的输出可能包含与光学发射机不同的波长。光学耦合器可安装在同一或不同的单片、卡或光学平台上。光学耦合器可通过多条光纤或波导波导与光发射机耦合，波导还可通过另外的光纤或波导与输出耦合。另外，激光发射机系统可包含一台信号生成器和一台波长锁定设备，它们可与光发射机和光学耦合器耦合。信号生成器可为任一光发射机或光学耦合器的输出提供导频，波长锁定设备可使用该导频锁定光发射机的波长，具体可见下方的描述。在一种替代性的实施例中，激光发射机系统中至少有一些组件可与诸如平面光波光路(PLC)之类的单片集成。

图5显示了WDM激光发射机100的实施例。此WDM激光发射机100可包含平台110、激光器芯片120、台阶130、多个第一信道140、波导一个波导阵列(AWG)150以及可选的第二光学信道155。WDM激光发射机100还可包含光纤160或可能与其耦合。这些组件可依据所知配置情况进行配置，例如，混合集成配置或单一配置。WDM激光发射机100可发射多个独立的密集波分信道(DWDM)，具体可见国际电信联盟-电信标准部(ITU-T)G.694.1，和/粗波分复用(CWDM)信道，具体可见ITU-T G.694.2。因此，WDM激光发射机100可适用于中枢和/或光纤介入网。

在一种实施例中，光学平台110可经配置后包含WDM激光发射机100的组件并与它们集成。具体而言，该平台110可至少包含一种集成、结合和/或支持WDM激光发射机100组件的材料，而且可通过在诸如单片或衬底上使用一种沉积过程生成平台100。另外，平台110在不同的位置上可包含多重表层，其可通过沉积和/或刻蚀过程生成。表层可与诸如第一信道140、AWG150和第二信道155之类的WDM发射机100之其他组件结合在一起。另外，表层可安装或支持诸如激光器芯片120之类的WDM发射机100之组件。在一种实施例中，平台110可包含一层电介质材料薄膜，例如二氧化硅(SiO₂)，其可通过使用诸如化学溶液沉积法(CSD)、化学气相沉积法(CVD)和等离子增强化学气相淀积法(PECVD)之类的化学沉积过程沉积在衬底上。另外，薄膜层可通过使用物理沉积过程沉积，例如热蒸发、溅射、脉冲激光沉积或阴极电弧沉积(arc-PVD)。还可使用其他沉积过程，其中包括反应溅射、分子束外延(MBE)、金属有机化学气相外延法(MOVPE)、拓扑衍生或其他任何适用的过程。还可通过使用湿法化学蚀刻或干式等离子蚀刻在平台110的一些区域上对薄膜层进行蚀刻。薄膜层厚度可小于1毫米，例如10微米左右。

激光器芯片120可为WDM激光发射机100的光发射组件。激光器芯片120可与平台110耦合，它可包含多台集成的半导体激光器，这些激光器可配置为一个阵列。例如，可通过在单片的多个对齐位置上沉积诸如磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)之类的激光材料生成一列半导体激光器。还可通过使用化学或电化学掺杂过程将激光材料添加至单片。激光器芯片120可为激光二极管、异质结激光器、量子阱激光器、量子级联激光器、分布反馈(DFB)激光器和上述激光器组合或其他。激光器芯片120经配置后可传输多个光波，其中大多数在同一方向上，例如，来自阵列的同一侧。激光器芯片120经配置后还能以一个带宽范围内的多种波长传输光波。在一种实施例中，波长间距可控制在同一范围值内，其中任两种波长值之间的差值可能接近于一致。在一种实施例中，激光器芯片120可通过结合过程与平台110耦合。

在一种实施例中，激光器芯片120可容纳于光学台阶130和光学平台110。例如，台阶130可能安装于平台110的边缘并与激光器芯片120耦合。台阶130可包含平台110的一个表层，该表层可通过蚀刻或沉积过程生成，因此还可包含与平台110一样的材料，例如，二氧化硅。台阶130还可与外部电组件耦合，这些组件可用于运行和/或调制WDM激光发射机100，具体可见下方的描述。

激光器芯片120发射的光可由第一信道140传输至WDM激光发射机的其他组件。因此，第一信道140可与激光器芯片120和AWG150耦合并可与激光器芯片120对齐。第一信道140波导可能包含多个波导，经配置后，这些波导可将光从激光器芯片120传输至AWG150。波导可以为电介质波导，其可包含的电介质材料相比外围平台110具有较大的介电或电介常数。例如，可通过在平台110上沉积一层折射性更高的材料、蚀刻外围区域以及再沉积与平台110一样的材料，直至沉积材料形成上包层，从而生成第一信道140。Sucha process may produce the same cladding material all around the channels 140.光波再从激光器芯片120全内反射式导出经第一信道140直至AWG 150。

由第一信道140传输的光波可与AWG150上的单一光波结合，因而能从WDM激光发射机100发射出。因此AWG150可与第一信道140和第二信道155耦合。AWG150可以是一个光复用器(MUX)，其经配置后可将第一信道140的多种光波整合成一种能在第二信道中传播的光波组合。例如，AWG150可包含多种光栅光波导器件，它们可具有不同的长度，其中每两个相邻的光栅光波导器件之间的长度差值可能保持一致。激光器芯片光波可与激光器芯片120中的独立半导体激光器对应，其中每一个光波可具有不同的波长。光波可在光栅光波导器件中传播，因相邻光栅光波导器件之间的长度差异而出现相位的变化，以及积极地干扰AWG150输出上的光波组合。因此光波组合可包含各单个光波的所有波长。光栅光波导器件可以是电介质光栅光波导器，其可包含与第一信道140一致的材料，而且生成该器件的方法可与用于生成第一信道140的方法相似。

通过使用第二信道55和光纤160，可由WDM激光发射机发射光波组合。第二信道155可包含一种电介质波导，与第一信道140类似。第二信道155可与AWG150和光纤160耦合，因而可将AWG150发射的光波组合导至光纤160。生成第二信道155的方法可与用于生成第一信道140的方法相似。在一种实施例中，第一信道140、AEG150和第二信道155可安装在平台110的同一层上，并可与激光器芯片120对齐。

在一种实施例中，光纤160可以是一种光纤，其可用于将WDM激光发射机发射的光波组合传输至光学系统，例如一个光学通信系统或一个光学网络。具体而言，光纤160可用于传输WDM信号，例如以上描述的DWDM和/或CWDM信号。光纤160可以是一种标准的单模光纤(SMF)，其定义可见ITU-T标准G.652，色散位移SMF，其定义可见ITU-T标准G.653，截止波长位移单模光纤光缆SMP，其定义可见ITU-T标准G.654，非零色散位移SMF，其定义可见ITU-T标准G.655，宽带非零色散位移SMF，其定义可见ITU-T标准G.656，多模光纤或其他任何类型的光纤。本专利中描述的所有标准都是通过引用而并入的。

图6显示了波长锁定系统200的实施例；此波长锁定系统200包含WDM激光发射机100、一个信号生成器202、光纤160、一个耦合器210、第二光纤211、分路器212、第三光纤213、第四光纤216、一个滤波器214、一个光-电(OE)转换器218、一个模拟-数字(A/D)转换器222、一个信号处理器224、一个处理器230、一个数字-模拟(D/A)转换器234，具体配置可见图6。WDM激光发射机100可包含激光器芯片120、第一信道140、AWG 150、第二信道155，如上所述二者可能在很大程度上保持一致。WDM激光发射机100的其他组件会在下面作进一步描述。

在一种实施例中，信号生成器202可以是一个波形电发生器，并可经布设后将导频叠加在激光器芯片的单一激光输出之上。激光生成器202可生成适用于激光器芯片120所有或部分激光的单一导频信号。导频叠加在激光器芯片120激光的输出之上，可有利于之后区分上述激光的输出与多种激光波形。在其他实施例中，导频信号可称为导频或抖动。在一种实施例中，导频信号可以是低频交流(AC)正弦波。导频波形频率可能低于激光发射机输出的频率，例如，约等于激光发射机输出频率的千分之一，激光发射机输出频率的一百万分之一或激光发射机输出频率的其他小的比率。在一种实施例中，导频振幅与激光发射机总体输出之平均能量的关系可称为调制深度(MD)。选定的调制深度可小于激光发射机输出，例如，约等于激光发射机输出之平均能量的百分之一，激光发射机输出之平均能量的千分之一或激光发射机输出之平均能量的其他小的比率。可通过选择调制深度和导频频率二者的值，使得它们对WDM激光发射机100的输出产生最小的干扰。

在一种实施例中，WDM激光发射机100的输出可以导向至光纤160。耦合器210可经布设后从光纤160吸收部分信号，并将信号导向至第二光纤211。在一种实施例中，耦合器210可以是有源耦合器或无源耦合器，还可以是光分路器、y型耦合器、星形耦合器、树形耦合器或其他任何适用的耦合器。分路器212经布设后可将光纤211的信号分成两种信号：一种信号导向至第三光纤213，另一种信号导向至第四光纤216。在一种实施例中，分路器212可以是双棱镜类型、半涂银的镜类型、双色镜类型、交叉光纤类型或其他适用的分路器。

第三光纤213可将第一信号传输至滤波器214.滤波器214可根据第二信号修改、更换或延迟第一信号。在一种实施例中，滤波器214可以是法布里-珀罗干涉仪、G-T干涉仪或其他适用的滤波器，其中可设置有空气介质、间隔环、固态或其他配置。在一些实例中，滤波器214可称为一种标准具。在一种实施例中，滤波器214可以是50GHz标准具、100GHz标准具或一种具有其他适用频率范围或间距的标准具。

光电转换器218可接收第二信号(还可称为参考信号，其来自第四光纤215)，和来自滤波器214的第一信号。光电转换器218可利用光-电转换过程将光信号的第一和第二信号转换为电信号。在一种实施例中，光电转换器218可以是光电二极管(PD)、光敏电阻(LDR)、反向偏置的发光二极管(LED)、光伏电池或其他适用的光-电转换器。

模拟-数字转换器222可接收光电转换器218的第一信号和参考信号。模拟-数字转换器222可将第一信号和参考信号从模拟信号转换为数字信号。模拟-数字转换器222为本领域内人士熟知，也可在这种情况下使用任何适用的模拟-数字转换器。

信号处理器224可接收模拟-数字转换器222的第一信号和参考信号。这两种信号的任一种可再经信号处理器224处理，该处理器会将信号从时间域转换至频率域。例如，数字处理器224可执行傅里叶变换、快速傅里叶变换(FFT)或时间域-频率域处理过程的其他任何适用的形式。

处理器230激光器芯片之后可处理信号数据以促使对激光器芯片120单个激光的波长锁定。在一种实施例中，可采用下面数学表达式来表示信号数据：

$F_s\left({\mathrm{\ω}}_p\right)=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{V}_s\left(t\right)\·e^{-i{\mathrm{\ω}}_{p}t}$

$F_r\left({\mathrm{\ω}}_p\right)=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{V}_r\left(t\right)\·e^{-i{\mathrm{\ω}}_{p}t}$

其中F_s是第一信号的函数，F_r是参考信号的函数。F_s和F_r可代表由光电转换器218检测到的频率域波形，其中ω_p是导频的频率，ω_c是其波长待锁定的激光的频率，V_s(t)是第一信号的时间域波形，V_r(t)是参考信号的时间域波形。

可利用其他项代表波长锁定系统200的多个特性。例如，P可用于表示待锁定激光的光输出信号的能量，ΔP可表示导频的MD，I_et可表示滤波器214的透射函数。另外，Δω_a可表示绝热啁啾，Δω_th可表示热啁啾，二者可由导频引起。项φ_th可用于表示热啁啾相对于绝热啁啾的相位延迟，I′_et可表示频率相关的I_et的一阶导数。在采用这些定义的情况下，可推导出第一信号和参考信号的比例α，例如，在一种实施例中，下面的表达式可表示α的实部和虚部因子：

$I=\mathrm{Re}\left[\frac{F_s\left({\mathrm{\ω}}_p\right)}{F_r\left({\mathrm{\ω}}_p\right)}\right]=I_{\mathrm{et}}\left({\mathrm{\ω}}_c\right)+\frac{P}{\mathrm{\ΔP}}\·{I^{\′}}_{\mathrm{et}}\left({\mathrm{\ω}}_c\right)\·({\mathrm{\Δ\ω}}_a+{\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{th}}\·\cos \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{th}}\right))$

$Q=\mathrm{Im}\left[\frac{F_s\left({\mathrm{\ω}}_p\right)}{F_r\left({\mathrm{\ω}}_p\right)}\right]=\frac{P}{\mathrm{\ΔP}}\·{I^{\′}}_{\mathrm{et}}\left({\mathrm{\ω}}_c\right)\·{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{th}}\·\sin \left({\mathrm{\φ}}_{\mathrm{th}}\right)$

其中I表示的同相因子，Q表示a的正交因子。I和Q的两个表达式可通过忽略滤波器214的透射函数之二阶及更高阶导数而趋于相似。另外，α的正交因子Q可与滤波器214的透射函数I′_et之一阶导数成正比关系。而且导频引发的啁啾可能不会影响正交频率响应的生成。另外，热啁啾和相关相位延迟仅可作用于正交频率响应的振幅。可通过颠倒调制深度放大正交因子，从而可提供改善的信号检测性能。上述信号特性可表示正交因子能加速对激光发射机有效进行波长锁定。

本专利中所述的正交因子的特性可确定一个锁定点，即使发射机属性出现变化，该锁定点距激光发射机光谱线的峰值也不会有巨大的偏差。单个发射机之间的变化仅可能影响错误信号强度，而不会影响锁定点。另外，因这种变化对错误信号强度的影响，可通过选择合适的导频频率和MD在最大程度上得以削弱。在一种实施例中，合适的导频频率可大于或等于1万赫兹，小于或等于50万赫兹，或其他适用的频率。在一种实施例中，合适的MD可约等于WDM输出平均功率之输出功率的2％，WDM输出平均功率之输出功率的5％或DM输出平均功率之输出功率的其他小的比例。因此，处理器230可确定光发射机120是否锁定于合适的波长。如果光发射机120未锁定于合适的波长，处理器260可生成合适的调节信号。

数字-模拟转换器234可接收处理器230的调节信号。数字-模拟转换器234可将数字信号的调节信号转换为模拟信号。数字-模拟转换器234为本领域内人士熟知，也可在这种情况下使用任何适用的数字-模拟转换器。

在一种实施例中，光电转换器218、模拟-数字转换器222和信号处理器224经布设后可拥有单独端口或信道以用于管理两种独立的信号。在另一实施例中，可通过布设每一种信号适用的单独组件之光电转换器218、模拟-数字转换器222和/或信号处理器224，从而控制这两种独立的信号。另外，光电转换器218、模拟-数字转换器222、信号处理器224、处理器230和/或数字-模拟转换器234可以是所示的独立组件，或可整合成单一组件。

在一种实施例中，a的正交因子可作为时域复用项作用于对WDM激光发射机100的多个单独激光执行波长锁定。在一种实施例中，TDM可作用于信号生成器202将导频适用于时隙t_n上第一激光发射机n的情况下。波长锁定器可检测激光发射机n的波长λ_n，并且基于识别适用于激光发射机n的导频，指示激光发射机n将其波长λ_n调谐为目标波长。对发射机n+1适用的下一时隙t_n+1，可重复此过程，直至所有激光发射机均被相应地波长锁定。

图7显示了TDM波长锁定方法300的一种实施例。在通信块302上，启用方法300。在通信块304上，可生成导频，例如，使用信号生成器，导频并能与其波长待锁定的WDM激光发射机所发射激光的输出信号结合。在通信块306上，WDM激光发射机的输出信号和导频二者的组合可由诸如耦合器的光纤中提取。在多种实施例中，上述提取过程可发生于第二信道或上述光纤。在通信块308上，提取的信号可由诸如分路器分为第一信号和参考信号。

在通信块310上，可为第一信号导向，例如，从第三光纤导向至诸如标准具的滤波器。在通信块312上，第一信号可再导向至检测器，例如一个光电转换器。在通信块314上，第一信号和参考信号可由模拟-数字转换器等处理。在一种实施例中，模拟-数字转换器可包含一个存储器(未显示出)以临时收集并储存一定数量的信号。在一种实施例中，所储存信号的数量可以是一段用于提供导频频率解析度的充分时间，例如约近为导频时间段的十分之一，导频时间段的十分之二，导频时间段的十分之七或导频信号频率的其他适用比例。

在通信块316上，第一信号的模拟-数字转换器信号输出和参考信号的模拟-数字转换器信号输出可经过其他处理过程，例如由信号处理器进行的处理。在一种实施例中，信号处理器可处理第一信号和参考信号，其中处理过程可包括对信号进行FFT处理。波长锁定系统从而可获取α的正交项。α的正交项的振幅和符号可提供WDM激光发射机输出波长距目标波长的偏差之相关信息。例如，如果α的符号为正，而且α的振幅对应3GHz的偏移，那么WDM激光发射机可经指示朝负方向调谐其波长3GHz。

在通信块318，信号处理器的输出可导向至处理器。在一种实施例中，处理器可包含微处理器、计算机或其他任何计算设备。在通信块320上，会确定激光波长调节的振幅和方向。在通信块322上，可能有信号传输至WDM激光发射机，指示该WDM激光发射机将其波长调谐为合适的波长。在一种实施例中，调谐过程可利用对激光温度的调节或其他调节方式以将WDM激光发射机的波长调谐至目标波长。在通信块324上，WDM激光发射机的波长可视为锁定于目标波长之上。在通信块326上，如果需锁定更多的激光，波长锁定系统可利用此处所述的TDM方案移转至激光器芯片上的下一个激光。在通信块328上，对激光器芯片内N个激光的每一个都可重复方法300。如果在通信块326上没有需要锁定的激光，会在通信块330上停止方法300。

图8显示了不同条件下正交因子的频率响应。正交因子的频谱在0.05GHz、0.1GHz、0.15GHz、0.2GHz和0.25GHz处计算。标准具峰值的位置与零振幅时的交叉点相符。与零的偏差表示自目标波长的偏移，而且可利用常规控制和/或反馈回路予以更改。

图9更加详细地显示了图2所示的同一组激光的正交频谱，其中增加了参考信号，该信号由一条水平直线表示。图9所示数据的计算方法是根据披露的系统和方法测量发射机光谱和50GHz标准具。参考线交叉点上所示的与零的偏差为±1GHz，这表示可有效地对WDM激光发射机进行高准确性的波长锁定。

在一种实施例中，本专利讲解的系统和方法可与商业化的现有组件一并得以实施。在一种实施例中，当前披露的波长锁定系统200可作为一种频率锁定系统予以实施，因此会描述一些实施例，而且/或者它们会在频域情境下得以实施。

图10显示了一种典型的通用计算机，其适合用于执行本专利中所披露的任何组件的一个或多个实施例。计算机400包括处理器402(其可称为中央处理器或CPU)，处理器与其中包括辅助存储器404、只读存储器(ROM)406、随机储存存储器(RAM)408、输入/输出(I/O)设备410和网络连接设备412的储存设备通信。处理器可作为一个或多个CPU芯片或一个或多个应用程序特定的集成电路(ASIC)的一部分而得以实施。

辅助存储器404一般包含一个或多个磁盘驱动器，可用于数据的非易失存储，并可在RAM408容量不够大的情况下作为一种溢出数据存储设备以存储所有加工数据。辅助存储器404可用于在加载至RAM408内的程序选定为执行对象时存储这类程序。ROM406用于存储程序执行过程中读取的指令和可能性数据。ROM406为非易失性存储设备，一般而言，其具有较小的内存容量，而辅助存储器404具有较大的内存容量。RAM408用于存储非易失数据，而且可能用于存储指令。访问ROM 406和RAM 408通常要比访问辅助存储器404更快。

至少披露了一种实施例，而且由掌握本领域基本技能的人士对实施例作出的变动、整合和/或修改都符合披露内容范围。因整合、集成和/或省略实施例功能而引出的替代性实施例都符合披露内容的范围。数值值域或约束已明确说明时，这类明示的值域或约束可理解为包括重复值域或约束，相似量值处于明确说明的值域或约束内(例如，从1左右至10左右，包括2、3、4等等；大于0.10时包括0.11、0.12、0.13等等)。例如，无论何时使用较低限制R₁和较高限制R_u披露数值值域，值域内任何数量的降幅都会特别披露。特别会披露值域内的下列数字：R＝R₁+k*(R_u-R₁)，其中k是自1％至100％范围内的一个变量，其增幅为1％，例如，k是1％、2％、3％、4％、5％...50％、51％、52％...95％、96％、97％、98％、99％或100％。另外，任何按照上述定义方法，由两个R数字定义的任何数值值域也会特别披露。就权利要求的任何元素而使用词语“选择性”，意味着元素具有必要性、可替换性，或不需要该元素，以及替换性元素符合权利要求范围。使用诸如“包含”、“包括”以及“具有”之类较宽泛的用词可理解为它们能支持诸如“仅包含”、“主要包含”和“大量包含”之类范围较狭窄的用词。因此，保护范围不限于以上作出的描述，而由下面的权利要求予以界定，该范围包括权利要求的所有等效发明标的。每一项权利要求都纳入本专利以进一步披露规范，而且权利要求是当前披露的实施例。披露中所讨论的引用，特别是其发布日期晚于此应用优先日期的任何引用，不意味着承认它是早前的技术。所有专利、专利应用的披露以及披露中引用的出版物均经引用而纳入本专利，引用范围可保证它们能为本披露提供典型、过程或其他补充性详情。

虽然本披露中已提供几种实施例，但应理解为可在不偏离本披露精神或范围的前提下以许多其他特定形式表现披露的系统和方法。当前实例需视为具有解释性，而非限制性，而且举例用意并不限于本专利中给出的详情。例如，不同元素或成分可在另一个系统中结合或集成，或者特定功能可以省略，或不予以执行。

另外，只要不偏离本披露的范围，不同实施例中描述及图示的技术、系统、子系统和方法虽是独立或分离的，但它们可与其他系统、模块、技术或方法结合或集成。所示或讨论的其他项目都存在耦合关系、或直接耦合关系或彼此间相互通信，它们可通过接口、设备或中间组件形成间接的电耦合、机械耦合或其他任何耦合关系。变化、替换和变更相关的其他实例由掌握本领域技能的人士确定，并可在不偏离本专利披露范围的前提下举例。

Claims (22)

1.一种设备，包含：

多个与光纤耦合的光发射机；

与上述光发射机耦合及经配置后可向光发射机提供单一导频的信号发生器；以及

安装于光纤与光发射机之间的反馈回路中的处理器，该处理器经配置后可调节每一个光发射机的波长以锁定波长。

2.权利要求1所述的设备，其中处理器经配置可利用基于导频振幅和相位的正交项锁定波长。

3.权利要求1所述的设备，其中光发射机生成不同的光谱形状。

4.权利要求1所述的设备，其中光发射机生成基本上相似的多种光谱形状。

5.权利要求1所述的设备，其中通过运用时分复用将导频提供给光发射机。

6.权利要求1所述的设备，另可包含一个光分路器，其可安装于反馈回路中，与光纤耦合且具有个输出端。

7.权利要求6所述的设备，另可包含一种滤波器，其可安装于反馈回路中，并仅与所属两个输出端中的一个输出端耦合。

8.权利要求7所述的设备，其中滤波器包含一个标准具。

9.权利要求7所述的设备，还包含一个光-电(OE)转换器，其安装在反馈回路中并与滤波器及所述分路器耦合。

10.权利要求9所述的设备，还包含一个模拟-数字(A/D)转换器，其安装在反馈回路中并与OE转换器耦合。

11.权利要求10所述的设备，还包含一个快速傅里叶变换(FFT)处理器，其安装在反馈回路中，并与A/D转换器及处理器耦合。

12.权利要求11所述的设备，还包含一个数字-模拟(D/A)转换器，改数字-模拟转换器安装在所述反馈回路中并与所述处理器及所述光发射机耦合。

13.一种设备，包含：

至少一个处理器，该处理器经配置可实施一种方法，该方法包含：

接收具有导频的光信号；

检测所述导频的振幅和相位；

利用检测到的所述振幅与所述相位计算正交项；以及

利用正交项波长锁定所述光信号。

14.权利要求13所述的设备，其中检测导频的振幅和相位，上述检测包含比较光发射机发射的两个光信号，其中一种信号传输经过标准具。

15.权利要求13所述的设备，其中波长锁定光信号时包含更改光发射机的至少一个参数，所述光信号由该发射机生成。

16.权利要求15所述的设备，其中通过运用时分复用将所述导频提供给光发射机。

17.权利要求15所述的设备，其中通过运用频分复用技术将所述导频提供给所述光发射机。

18.权利要求13所述的设备，其中所述导频的频率范围为1万赫兹(kHz)至约近五百万赫兹。

19.一种方法，其包含：

接收由光发射机生成的光信号，所述光信号具有光谱形状的；

确定光信号的峰值；

锁定所述峰值；以及

确定是否需要根据所述峰值的锁定调节光发射机的输出。

20.权利要求19所述的方法，其中确定峰值时包含确定抖动信号的振幅和相位。

21.权利要求20所述的方法，其中确定峰值还包含确定所述光信号的正交项(Q)。

22.权利要求21所述的方法，其中

公式中P是所述光信号的能量，ΔP是导频的调制深度，I′_et是与频率相关的滤波器透射函数的一阶导数，ω_c是所述光信号的频率，Δω_th是所述导频导致的热啁啾，以及φ_th是热啁啾相对导频导致的绝热啁啾的相位延迟。

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