CN102829952A - 一种半导体激光器的校准测试方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种半导体激光器的校准测试方法，分别通过常温、高温下对各项参数包括输入、输出光功率、消光比、交叉点、波长、最佳灵敏度电压、信号丢失使能、信号恢复使能进行调试、然后对模块进行校准及数据处理和最后高温测试的对模块进行检测，其中在模块校准步骤先通过在常温时，分别对开、关半导体激光器模块状态下的参数值进行拟合，然后再结合高温状态下相关参数值进行拟合从而得出监控值与实际值之间的关系。同时，该方法也可适用于光模块的校准测试。本发明充分考虑了温度梯度带来的影响，解决了激光器跟踪误差,有效的提高了半导体激光器的校准精度。

Description

一种半导体激光器的校准测试方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器的校准测试方法，尤其涉及一种基于电吸收调制半导体激光器或直接调制半导体激光器模块数字监控部分的校准测试方法；同时，该方法也可应用于光模块的校准测试，属于光通信领域。

背景技术

目前，半导体激光器作为关键器件已广泛应用于光纤通信网络的建设中，用于将通信信息加载到光信号上进入光纤进行传输。为了获得稳定的输出功率、波长等激光特性，大多数半导体激光器需要内置制冷器用于稳定激光器的管芯温度。

理论上激光器管芯内部的温度是控制恒定的，不会随外部的温度的变化而变化。但由于内部感温器件（例如热敏电阻）的位置和激光器管芯的位置有位置和距离差异，当环境温度变化时，温度监控点和激光器管芯间必然存在着温度梯度，从而造成监控参考温度与实际激光器管芯温度不一致，并且这个温度差会随着外部温度的改变而改变，导致用于上报系统的监控量值与实际测试值出现偏差，造成激光器跟踪误差，从而给激光器模块或者使用激光器的模块光功率监控DDM校准的准确性和精度带来不确定性以及误差。

目前工业界采用的外部校准方法，通过对激光器内部背向光探测器的监控，采取两点校准，未考虑到温度梯度和环境温度变化的影响，虽然可减小跟踪误差，但校准精度不准，不能从根本上解决问题。

发明内容

本发明的目的解决上述技术问题，提出一种半导体激光器的校准测试方法，所述校准测试方法还可应用于光模块的校准测试。

本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：

一种半导体激光器的校准测试方法，所述半导体激光器包括分布式反射激光管芯，与分布式反射激光管芯输出端连接的背向光探测器，用于温度监控的热敏电阻及温度控制器；

所述背向光探测器的输出端与电流取样电阻的输入端连接，所述电流取样电阻的输出端连接有一用于采集、监测信号的微处理器，所述热敏电阻与温度控制器均与微处理器连接， 

所述半导体激光器校准测试方法包括如下步骤：

S1、半导体激光器温度校准；

S2、常温状态下，微处理器判断S1中的校准后温度是否达到设定温度，否则等待，直至达到设定温度，所述常温指15℃-30℃；

S3、常温状态下，微处理器对半导体激光器模块开、关状态下模块光功率进行监控校准；

S4、高温状态下，微处理器判断S1中的校准后温度是否达到设定温度，否则等待，直至达到设定温度，该设定温度与常温状态下设定温度一致，从而保证在不同环境温度下S1中的校准后温度保持一致，所述高温是指65℃-85℃；

S5、高温状态下，微处理器对半导体激光器进行监控校准，结合S3中的校准值进行校准。

优选地，所述S1温度校正包括如下步骤：

S11、常温采样：在常温状态下，微处理器读取并储存半导体激光器模块的实际温度及半导体激光器模块内部热敏电阻的监测温度值，作为常温状态下的实际测试值和微处理器的监控值；所述常温根据应用可以为20℃-30℃。

S12：高温采样：在高温状态下，微处理器读取并储存半导体激光器模块的实际温度及半导体激光器模块内部热敏电阻的监测温度值，作为高温状态下的实际测试值和微处理器的监控值；所述常温根据应用可以为70℃-85℃。

S13：对比处理：微处理器对S11与S12中常温值与高温值进行拟合得出半导体激光器模块实际温度与热敏电阻的监测温度值对应关系曲线。

优选地，所述S3的常温状态下监控校准包括如下步骤：

S31、采样，微处理器采集存储温度上报值t0，打开半导体激光器模块，采集并存储半导体激光器模块的光功率监控值及实际发光光功率值；

关闭半导体激光器模块，采集并存储半导体激光器模块的光功率监控值及实际发光光功率值；

S32、拟合判断，微处理器对采集到的开关半导体激光器状态下的数据进行拟合，根据y=ax+b确定光功率监控值与实际发光光功率值的关系，其中y为实际发光光功率值，x为光功率监控值。

优选地，所述S5的高温状态下监控校准包括如下步骤：

S51、采样，打开半导体激光器模块，微处理器采集存储半导体激光器模块的光功率监控值及实际发光光功率值及高温状态下温度上报值t1；

S52、拟合判断，微处理器对S51、S31中采集的数据进行拟合，根据y=ax+b+c（t1-t0）确定存在温度梯度情况下，光功率监控值与实际发光光功率值的关系，其中y为实际发光光功率值，x为光功率监控值，a、b为经过常温校准后确定的系数；

S53、微处理器将拟合校准后得到的数据作值存储。

优选地，所述半导体激光器模块测试方法还包括常温调试、及高温调试，所述常温调试与高温调试均在模块校准方法之前进行，通过常温与高温调试将得到的参数值进行拟合，所述的常温和高温调试分别对各项参数包括输入、输出光功率、消光比、交叉点、波长、最佳灵敏度电压、信号丢失使能、信号恢复使能。

优选地，所述半导体激光器模块测试方法还包括模块校准方法之后的信息处理及最后高温检验测试，所述高温检验测试仅仅是对模块的参数做相应的合格检验。

优选地，所述校准测试方法适用于具有该半导体激光器的光模块。

本发明的有益效果主要体现在：充分考虑了温度梯度对半导体激光器校准精度的影响，解决了激光器跟踪误差,有效的提高了半导体激光器的校准精度。

附图说明

图1是本发明半导体激光器内部结构和外围控制框图。

图2是本发明半导体激光器模块测试流程框图。

图3是本发明模块校准的具体流程框图。

具体实施方式

半导体激光器的校准误差主要来自于激光器件内部管芯和温度参考点的温度梯度，它直接影响了发射端光功率、波分复用（WDM）通道的光波长、收端光功率等的校准。考虑到这些校准方法的共通性，本文只针对发光光功率校准和监控展开说明。

以下就广泛应用在光纤通信的具有温控的EML激光器为例，具体介绍下本发明的测试方法，当然，该方法也适用于其它的半导体激光器。

如图1所示，与现有技术一致，具有温控的半导体EML激光器100，由电吸收（EA）101、分布式反射激光管芯（DFB）108、背向光探测器（PD）103、温度监控热敏电阻102、温度控制111等构成。

外围控制电路主要是用于实现激光器的输出光功率控制和温度控制：电流源电路109发出的背向光进入到背向光探测器103中形成光电流，通过电流取样电阻104转换为电压信号送入到微处理器（MCU）106的模数转化器（ADC1）105。根据模数转化器（ADC1）105采集的监控值，微处理器（MCU）106进行处理后设置数模转换器（DAC1）112的输出，去控制电流源电路109调整分布式反射激光管芯108的输出光功率，从而形成闭环光功率控制（APC环路）。对于半导体EML激光器100的温度控制，利用热敏电阻102对温度的监控量输入到微处理器106的模数转化器（ADC2）107，通过在微处理器106的计算，控制数模转换器（DAC2）113的设置，从而通过控制TEC控制电路110达到稳定半导体EML激光器100温度的目的。

结合图2所示，所述半导体EML激光器模块测试方法包括如下步骤，

步骤1、初始化：下载固件，并通过串口例如I2C或其它接口对模块的各项参数进行初始配置并下载到模块的内存中。

步骤2、常温调试：在常温状态下调试模块的各项参数设置使其达到设定的范围内，如输入端光功率、输出端光功率、输出调制光眼图的消光比和交叉点、输出光波长、最佳灵敏度电压（APD电压）、信号丢失使能（LOSA）、信号恢复使能（LOSD）等相关参数。针对本发明，在常温调试中，也会对温度进行校准，因为现有的模块内部温度监控探测器（热敏电阻）上报的温度并不能真实的反映模块真实的温度。在常温温度监控校准时，我们会记录下此时的真实模块温度与模块内部温度探测器上报的ADC值作为常温点（T1）

步骤3、高温调试：由于模块的有些参数会随着外界环境温度的变化而变化，常温下的所校准和调测参数值已经不能满足高温状态下的需要，所以要在高温时重新调试，如APD电压，输出光波长，模块状态监控等。在高温状态下，设置模块的各项参数，使其达到设定的要求范围，并通过高温状态下的预先设置值以及相应的温度值与常温下得到的设置值和温度值，拟合得到模块参数设置的查找表对由于温度变化带来的参数变化进行补偿。以上高温的定义取决于应用，可以是70℃-85℃或其它温度范围。

针对本发明，在高温调试中，我们会记录下此时的真实模块温度与模块内部温度探测器上报的ADC值作为高温点T2，与常温点T1并结合MSA协议规定拟合得到温度监控ADC值与温度上报值（℃）之间的对应关系，即通过模块监控的ADC值就可以得到模块此时的温度。

步骤4、模块校准：由于外界环境温度变化所带来模块的各项监控值变化，激光器内部温度参考点和实际激光器管芯温度存在温度梯度，从而要求针对温度变化校准模块的各项监控值，如模块发端的输出光功率，模块收端的输入光功率，偏置电流（Ibias）等。根据不同应用，可以采用在两个温度点（即2点校准）分别测试，然后将该两点针对MCU的监控值（通过ADC读取）和实际测量值之间进行拟合获得对应曲线，即通过MCU的各项参数的监控值ADC值就可以得到模块各项参数的监控值。为了获得更高的精度，可以增加多个温度点重复上述步骤，实现多点拟合曲线。

步骤5、最后处理：基于不同应用，写入保护密码，删除调试跳线，写入客户信息。

步骤6、高温最后测试，这与之前的高温调试不同，目的是进行出厂前的最终检验和测试，包括各项关键指标，不对模块做任何调试或设置。

结合图3所示的本发明步骤4中的模块校准方法，具体包括如下步骤：

步骤1、温度校准：因为在做温度补偿光功率校准的方程中需要较为准确的温度监控的变量，所以在做校准之前就把温度校准完成，具体步骤是：在常温调试的时候微处理器106采集储存模块的实际温度与模块内部温度探测器上报的ADC采样值，这两个值作为温度校准的一点；在高温调试的时候，微处理器106采集储存在高温状态下模块的实际温度与模块内部温度探测器上报的ADC采样值，这两个值作为温度校准的另外一个点；通过对这两点做数学拟合，用结合MSA协议规定的换算方法就可以得到模块内部温度探测器上报ADC采样值与上报温度（℃）之间的对应关系，即通过模块内部温度探测器上报的ADC采样值就可以得到上报给用户的温度监控值（℃）。

步骤2：判断校准后温度是否达到常温的范围，如果没有达到，等待一分钟后再判断温度是否达到常温的范围（常温温度在15℃到30℃之间），如果达到，执行步骤3。

步骤3：常温发光功率监控校准:在常温条件下（常温温度在15℃到30℃之间），记录此时的温度上报值t0。关断激光器，此时记下模块光功率监控的ADC值与实际发光光功率值（此时认为光功率值为-40dbm），这两个值作为一点；打开激光器，记下模块光功率监控的ADC值与实际发光光功率值，这两个值作为光功率监控的另外一个点。

步骤4：通过步骤2确定的两个点，并配合MSA协议关于光功率上报的规定，计算出公式y=ax+b中的两个未知系数，其中y为上报光功率值（dbm），x为光功率监控ADC采样值，a和b为两个未知系数。

步骤5：判断校准后温度是否达到高温的范围，如果没有达到，等待一分钟后再判断温度是否达到高温的范围，如果达到，执行步骤6。

步骤6：高温发光功率监控校准:在高温条件下（高温温度在65℃到85℃之间），打开激光器，记下模块光功率监控的ADC值、实际发光光功率值和此时的温度上报值t1，这三个值作为光功率监控的最后一个点。

步骤7：通过步骤6确定的第三个点及上报值t1，配合MSA协议关于光功率上报的规定以及常温光功率校准后确定的公式y=ax+b，计算出公式y=ax+b+c（t- t0）中的未知系数c，其中y为上报光功率值（dbm），x为光功率监控ADC采样值，a和b为常温光功率校准后确定的两个未知系数，t为实时的温度上报值，结合步骤6，t即为温度上报值t1。

步骤8：最后微处理器将上报光功率值进行储存，完成校准。

以上的校准测试同时还可应用于具有该半导体激光器的光模块校准测试。本发明中光模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成，是光电转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号的装置。根据模块的分类一般包括光接收模块，光发送模块，光收发一体模块，光转发模块等。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种半导体激光器的校准测试方法，所述半导体激光器包括分布式反射激光管芯，与分布式反射激光管芯输出端连接的背向光探测器，用于温度监控的热敏电阻及温度控制器；

所述背向光探测器的输出端与电流取样电阻的输入端连接，所述电流取样电阻的输出端连接有一用于采集、监测信号的微处理器，所述热敏电阻与温度控制器均与微处理器连接，其特征在于：

所述半导体激光器校准测试方法包括如下步骤：

S1、半导体激光器温度校准；

S2、常温状态下，微处理器判断S1中的校准后温度是否达到设定温度，否则等待，直至达到设定温度，所述常温指15℃-30℃；

S3、常温状态下，微处理器对半导体激光器模块开、关状态下模块光功率进行监控校准；

S4、高温状态下，微处理器判断S1中的校准后温度是否达到设定温度，否则等待，直至达到设定温度，该设定温度与常温状态下设定温度一致，从而保证在不同环境温度下S1中的校准后温度保持一致，所述高温是指65℃-85℃；

S5、高温状态下，微处理器对半导体激光器进行监控校准，结合S3中的校准值进行校准。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的校准测试方法，其特征在于：所述S1温度校正包括如下步骤：

S11、常温采样：在常温状态下，微处理器读取并储存半导体激光器模块的实际温度及半导体激光器模块内部热敏电阻的监测温度值，作为常温状态下的实际测试值和微处理器的监控值；

S12：高温采样：在高温状态下，微处理器读取并储存半导体激光器模块的实际温度及半导体激光器模块内部热敏电阻的监测温度值，作为高温状态下的实际测试值和微处理器的监控值；

S13：对比处理：微处理器对S11与S12中常温值与高温值进行拟合得出半导体激光器模块实际温度与热敏电阻的监测温度值对应关系曲线。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的校准测试方法，其特征在于：所述S3的常温状态下监控校准包括如下步骤：

S31、采样，微处理器采集存储温度上报值t0，打开半导体激光器模块，采集并存储半导体激光器模块的光功率监控值及实际发光光功率值；

关闭半导体激光器模块，采集并存储半导体激光器模块的光功率监控值及实际发光光功率值；

S32、拟合判断，微处理器对采集到的开关半导体激光器状态下的数据进行拟合，根据y=ax+b确定光功率监控值与实际发光光功率值的关系，其中y为实际发光光功率值，x为光功率监控值。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的校准测试方法，其特征在于：所述S5的高温状态下监控校准包括如下步骤：

S51、采样，打开半导体激光器模块，微处理器采集存储半导体激光器模块的光功率监控值及实际发光光功率值及高温状态下温度上报值t1；

S52、拟合判断，微处理器对S51、S31中采集的数据进行拟合，根据y=ax+b+c（t1-t0）确定存在温度梯度情况下，光功率监控值与实际发光光功率值的关系，其中y为实际发光光功率值，x为光功率监控值，a、b为经过常温校准后确定的系数；

S53、微处理器将拟合校准后得到的数据作值存储。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的校准测试方法，其特征在于：所述半导体激光器模块测试方法还包括常温调试、及高温调试，所述常温调试与高温调试均在模块校准方法之前进行，通过常温与高温调试将得到的参数值进行拟合，所述的常温和高温调试分别对各项参数包括输入、输出光功率、消光比、交叉点、波长、最佳灵敏度电压、信号丢失使能、信号恢复使能。

6.根据权利要求5所述的一种半导体激光器的校准测试方法，其特征在于：所述半导体激光器模块测试方法还包括模块校准方法之后的信息处理及最后高温检验测试，所述高温检验测试仅仅是对模块的参数做相应的合格检验。

7.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的校准测试方法的应用，其特征在于：所述校准测试方法适用于具有所述半导体激光器的光模块。

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