发明内容
一实施例提供一种激光器系统光源调整方法,其可以保证激光器输出光信号的波长处于预设范围内,在该实施例中,所述激光器系统包括产生光信号的光源和用于透射光源发出的光信号的光滤波器,并包括以下步骤:
步骤S1、波长控制信号驱动所述激光器系统的光源发出光信号;
步骤S2、对工作中的激光器系统施加抖动信号使通过所述光滤波器的光信号的光功率发生变化,所述抖动信号为一周期性信号;
步骤S3、采集经过所述光滤波器的光信号并将其转换为电信号;
步骤S4、根据所采集到的所述电信号调整所述光源的波长控制信号,使采集到的一个周期内的电信号前半周期和后半周期对应的电信号波形面积趋向相等,使所述激光器系统发出的光信号的波长在所需的范围。
在一个实施例中,在步骤S1中,所述抖动信号为叠加在所述激光器系统的波长控制信号上的周期性电信号。
在一个实施例中,在步骤S1中,所述抖动信号为施加在所述激光器系统的光滤波器上使所述光滤波器的通光波段变化的周期性信号。
在一个实施例中,在步骤S1中,所述抖动信号为施加在所述激光器系统的光滤波器上使所述光滤波器的通光波段周期性变化的周期性电信号。
在一个实施例中,所述调整所述光源的波长控制信号使采集到的一个周期内的电信号前半周期和后半周期对应的波形面积趋向相等的步骤是根据施加在所述激光器系统上的周期性信号与采集到的光信号转换后的电信号进行对比来决定光源的波长控制信号的调整正负方向的。
在一个实施例中,所述调整所述光源的波长控制信号使采集到的一个周期内的电信号前半周期和后半周期对应的面积趋向相等的步骤包括:
朝正方向或负方向调整所述波长控制信号;
比较调整前后采集到的一个周期内的电信号前半周期和后半周期对应的波形面积的面积差;
若所述面积差增加,则朝与调整方向相反的方向调整所述波长控制信号;反之,则继续按所述调整方向调整所述波长控制信号。
在一个实施例中,所述步骤S3之后还包括重复步骤S1、步骤S2、步骤S3使所述激光器系统发出的光信号的波长保持在所需的范围内的步骤。
一实施例提供一种激光器系统,包括:
光源,可被波长控制信号驱动以产生光信号;
控制电路,其包括控制模块和驱动模块,所述控制模块用于控制所述光源发出光信号的波长及给定抖动信号以改变所述光源发出的光信号的波长,所述驱动模块用于驱动所述光源发出光信号,所述抖动信号为一周期性信号;
光滤波器,其用于透射选定波长的光信号;
反馈电路,所述反馈电路用于采集经过所述光滤波器的光信号并将其转换为电信号;其中,
所述控制模块还用于根据采集到的所述电信号调整所述光源的波长控制信号,使采集到的一个周期内的电信号前半周期和后半周期对应的电信号波形面积趋向相等,使所述激光器系统发出的光信号的波长在所需的范围。
一实施例提供一种激光器系统,包括:
光源,可被波长控制信号驱动以产生光信号;
光滤波器,其用于透射选定波长的光信号;
控制电路,其包括控制模块和驱动模块,所述驱动模块用于以波长控制信号来驱动所述光源发射光信号,所述控制模块用于控制所述光源发出光信号的波长,并以抖动信号来驱动所述光滤波器的通光波段产生变化,所述抖动信号为一周期性信号;
反馈电路,所述反馈电路用于采集经过所述光滤波器的光信号并将其转换为电信号;其中,
所述控制模块还用于根据采集到的所述电信号调整所述光源的波长控制信号,使采集到的一个周期内的电信号前半周期和后半周期对应的电信号波形面积趋向相等,使所述激光器系统发出的光信号的波长在所需的范围。
在一个实施例中,所述激光器系统还包括分光器,其用于将经所述光滤波器透射的光信号分为两条光路,一条光路用于直接输出,另一条光路用于进入所述反馈电路。
在一个实施例中,所述光滤波器为压电陶瓷型可调谐光滤波器。
本实施例提供一种光收发模块,包括如上所述的激光器系统。
与现有技术相比,上述实施例提供的激光器系统光源调整方法利用抖动信号令经过激光器系统中光滤波器的光信号波长发生变化,再采集该光信号并将其转换为电信号,通过对该电信号的波形分析可以适应调整光源的波长控制信号使得激光器系统发出的光信号的波长处于所需范围内,稳定激光器系统输出的光信号,保证通信质量。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或信号或其它,但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如,第一预设目标值可以被称为第二预设目标值,并且类似地第二预设目标值也可以被称为第一预设目标值,这并不背离本发明的保护范围。
参照图1,介绍激光器系统光源驱动电压校准方法的一实施例。在本实施例中,该方法包括以下步骤:
步骤S1、波长控制信号驱动激光器系统的光源发出光信号。
本实施例中的光源指可以发射单一波长光信号(例如激光)的光源,可以理解的是,这里所说的“单一波长”并非对光信号波长的严格限制,而是指光信号是处于一定的波长宽度范围内,其中,定义该光源发出的光信号的中心波长为λ1。
在一些替换的实施例中,光源发射的光信号也可以是具有相对较大的波长宽度,并例如通过一光学格栅生成器将此时光源发出的光信号透射成具有多个波峰的序列光(图2所示),而在该若干序列光中存在一中心波长为λ1的光信号。
步骤S2、对工作中的激光器系统施加抖动信号使经过所述光滤波器的光信号的光功率发生变化。
具体地,该抖动信号为一周期性电信号,通过将该周期性电信号叠加在光源的波长控制信号上以驱动光源,使得光源发出的光信号发生扰动。这里所说的“扰动”可以理解为光信号的中心波长在一定的波长范围内往复波动,由此,扰动的光信号经过具有固定的通光波段(该通光波段的中心波长为λ2)的光滤波器会产生光功率的改变。
在一替换的实施例中,也可以是将抖动信号施加在激光器系统的光滤波器上,以使光滤波器的通光波段发生变化。这里类似地,光滤波器的通光波段会产生往复波动,由此,固定中心波长的光信号在经过该光滤波器时,会产生光功率的改变。此处所说的抖动信号可以是周期性信号,例如外界施加的周期性改变的机械力,又或者,可以是一周期性电信号。本实施例中的光滤波器为压电陶瓷型可调谐光滤波器,通过对压电陶瓷施加抖动信号(即通过改变施加在压电陶瓷上的电压)使压电陶瓷的伸缩量发生改变,进而改变光滤波器光学谐振腔的腔长,从而达到改变其通光波段的目的。
步骤S3、采集经过所述光滤波器的光信号并将其转换为电信号。
具体地,先将采集的光信号转换为模拟电信号,再将该模拟电信号进行去噪和波形转换以滤去杂波,最后转换为数字信号。
光信号在通过光滤波器后,由于光信号自身波长或光滤波器可通光波段的变化,会导致通过光滤波器的光功率发生改变,这种改变与抖动信号具有相应的对应关系,此时采集的光信号的光功率可以与抖动信号关联的方式被表征。以抖动信号为方波电信号为例,参图6,如果λ1小于λ2,则获得对应光功率变化波形与方波电信号的关系如图;参图7,如果λ1大于λ2,则获得对应光功率变化波形与方波电信号的关系如图。当然,在其它替换的实施例中,抖动信号也例如选自正弦波信号、锯齿波信号、三角波信号中的任意一种。
步骤S4、根据所采集到的所述电信号调整所述激光器系统的光源的波长控制信号使所述激光器系统发出的光信号的波长在所需的范围。
参照图3和图4,示意的是未对激光器系统的光源进行调整时,光源发射的光信号中心波长与光滤波器可透射光的中心波长的对比关系。此时,光源发出的光信号的中心波长λ1与滤波器可透射的光信号的中心波长λ2不一致,光信号在通过光滤波器时光功率减小。配合参照图6和图7,此时需要通过调整光源的波长控制信号直至采集到的一个周期内的电信号前半周期和后半周期对应的波形面积趋向相等(图5所示情况)。这里所说的一个周期与抖动信号(这里为方波信号)的周期相对应,电信号的波形根据该抖动信号的周期划分为前、后两个半周期,前、后两个半周期的面积分别指前、后两个半周期的波形被一直线封闭后,对应限定的封闭图形的面积。
调整过程中,还需要根据施加在激光器系统上的周期性信号与采集到的光信号转换后的电信号进行对比来决定光源的波长控制信号的调整正负方向。一般地,可以对比前、后两个半周期的波形面积大小,并将波长控制信号朝可以使前、后两个半周期的波形面积趋向相等的方向调节。具体地,先朝正方向或负方向调整光源的波长控制信号,然后比较调整前后采集到的一个周期内的电信号前半周期和后半周期对应的波形面积的面积差,若该面积差增加,则朝与调整方向相反的方向调整光源的波长控制信号,反之,则继续按该调整方向调整光源的波长控制信号。
调整的过程中,随外界环境因素的变化或本身调整精确性限制,可能需要多次地重复上述的步骤S1、步骤S2、步骤S3以使激光器系统光源发出的光信号的波长始终保持在所需的范围内。
在对光源的波长控制信号调整的过程中,可以利用PID算法确定该波长控制信号的具体调整值。具体地,首先对一个周期抖动信号对应的数字信号中,前半周期和后半周期的数字信号的有效值进行差值计算。前半周期和后半周期的数字信号的有效值差值BN =b1–b2,其中b1和b2分别代表前半周期和后半周期的数字信号的有效值,N代表抖动信号周期,N≥1;每个周期抖动信号对应一次信号数据的采样过程,如此循环。
然后,根据得到的有效值差值计算当前的误差值,并判断该误差值是否等于第一预设目标值(即前半周期波形面积是否等于后半周期波形面积),若是,则无需调整光源的驱动电压;若否,则需要进一步的调整光源的驱动电压。其中,当前的误差值计算公式为:
ΔEN =T- BN;其中,T为第二预设目标值。
当当前的误差值ΔEN等于第一预设目标值时,即可以判定光滤波器的中心波长λ2与λ1相等,此时不需要对滤波器进行调谐,而直接进行下次的数据采样过程。
以上过程提供一示范的实施例如下:
第一周期(N=1):
存储该第一周期中前半周期数字信号有效值b1和后半周期的数字信号有效值b2,并计算有效值差值B1 =b1 –b2;
计算当前的误差值ΔE1= T- B1;
若该误差值ΔE1等于第一预设目标值,则进入第二周期(N=2);
若该误差值ΔE1不等于第一预设目标值,则对光源的波长控制信号进行调整。其中,波长控制信号的调整过程如下:首先根据此时的误差值得到一直流驱动修正信号,将该直流驱动修正信号与预设直流输出信号叠加得到光源的波长控制信号。
上述的过程中,直流驱动修正信号的计算公式为:
Ve=Kp* ΔP+Ki* ΔI+Kd* ΔD;式中,
当N=1时,ΔP=ΔEN;ΔI=0;ΔD=0;
当N=2时,ΔP=ΔEN;ΔI=ΔEN –ΔEN -1;ΔD=0;
当N≥3时,ΔP=ΔEN;ΔI=ΔEN –ΔEN -1;ΔD=ΔEN -1 –ΔEN -2;
其中,Kp为比例系数,Ki为积分时间常数,Kd为微分时间常数。
直流驱动修正信号的初始值设置为0,第一采样周期未结束前,波长控制信号等于预设直流输出信号,并对光源进行波长控制;第一采样周期结束后,得到直流驱动修正信号Ve=Kp* ΔP,此时对光源的波长控制信号进行比例控制,可以较快地对波长控制信号进行修正;第二采样周期结束后,得到直流驱动修正信号Ve=Kp* ΔP+Ki* ΔI,此时对光源的波长控制信号进行比例控制和积分控制相结合的控制方式,其能在比例控制的基础上消除余差,提高系统的调整精度;第三采样周期结束后,得到直流驱动修正信号Ve=Kp* ΔP+Ki* ΔI+Kd* ΔD,此时对光源的波长控制信号进行比例控制、积分控制、和微分控制相结合的控制方式,以进一步提高系统的稳定性。
值得一提的是,上述的调整方法中,在每次调整后,根据直流驱动修正信号校准后的直流波长控制信号都作为下一个采样周期的预设直流输出信号。
参图8和图9,介绍激光器系统100的一具体实施例。在本实施例中,该激光器系统100包括光源10、光滤波器20、反馈电路30、以及控制电路40。
光滤波器20用于从光源10透射选定波长的光信号,与上述调整方法相应地,该光源为激光光源,又或者,可以将宽谱光源通过一光学格栅生成器透射出序列光,以获取具有期望波长的光信号。光滤波器20在光路上设置于光学格栅生成器之后,光学格栅生成器为透射型光学器件,其可用于透射与其透射峰波长重合的光信号,示范性地,例如可选用光学标准具作为光学格栅生成器,标准具具有波长等间隔,稳定性好等优点。
控制电路40包括控制模块41和驱动模块42。控制模块41用于控制光源发出光信号的波长及给定抖动信号Vac以改变光源发出的光信号的波长,驱动模块42用于以波长控制信号Vdc驱动光源发射光信号,此时光信号以波长主动变化的形式通过光滤波器20,并进而使得通过光滤波器20的光功率发生周期性变化。
反馈电路30包括光电转换模块31、电信号处理模块32、以及数据处理模块33。反馈电路30用于将经过光滤波器20的光信号转换为电信号,具体地:光电转换模块31将此时采集到的通过滤波器20的光信号转换为模拟电信号,而后再由电信号处理模块32将该模拟电信号转换为数字信号(即上述的电信号)。电信号处理模块32还能同时对模拟电信号去噪和波形转换,以保证传输信号的稳定性,数据处理模块33同时对此时的数字信号进行存储,并对这些存储数据进行整理和运算。这里的光电转换模块31可例如采用光电检测二极管31a,其能够接收光信号并将其转换为电流信号Imon;电信号处理模块32则包括跨阻放大器32a和带通滤波器32b,其中跨阻放大器32a用于将接收到的电流信号Imon转换为电压信号Vtia,而带通滤波器32b则允许特定频段的波形信号Vbpf通过而滤去其它,也可同时进行信号的放大。
控制模块41还用于根据采集到的电信号调整激光器系统的光源的波长控制信号使激光器系统100发出的光信号的波长在所需的范围。
参图8和图10,在激光器系统100的又一具体实施例中,激光器系统100包括光源10、光滤波器20、反馈电路30、以及控制电路40。
与上一实施例不同的是,本实施例中,光滤波器20采用可调谐光滤波器,驱动模块42用于以直流波长控制信号Vdc驱动光源10,控制模块41用于控制光源发出光信号的波长并以抖动信号Vac驱动光滤波器20的通光波段产生变化,此时,光信号通过光滤波器20时,会受光滤波器20通光波段扰动的影响,造成光功率的周期性改变。
在上述的两个激光器系统的实施例中,控制电路40都采用PID算法对光源的波长控制信号进行调整。具体地:
首先对一个周期电信号中,前半周期和后半周期的数字信号的有效值进行差值计算。前半周期和后半周期的数字信号的有效值差值BN =b1 –b2,其中b1和b2分别代表前半周期和后半周期的数字信号的有效值,N代表电信号周期,N≥1;每个周期电信号对应一次信号数据的采样过程,如此循环。
然后,根据得到的有效值差值计算当前的误差值,并判断该误差值是否等于第一预设目标值(即前半周期波形面积是否等于后半周期波形面积),若是,则无需调整光源的驱动电压;若否,则需要进一步的调整光源的驱动电压。其中,当前的误差值计算公式为:
ΔEN =T- BN;其中,T为第二预设目标值。
当当前的误差值ΔEN等于第一预设目标值时,即可以判定光滤波器的中心波长λ2与λ1相等,此时不需要对光滤波器进行调谐,而直接进行下次的数据采样过程。若该误差值ΔE1不等于第一预设目标值,则对光源的波长控制信号进行调整。其中,波长控制信号的调整过程如下:首先根据此时的误差值得到一直流驱动修正信号,将该直流驱动修正信号与预设直流输出信号叠加得到光源的波长控制信号。
上述的过程中,直流驱动修正信号的计算公式为:
Ve=Kp* ΔP+Ki* ΔI+Kd* ΔD;式中,
当N=1时,ΔP=ΔEN;ΔI=0;ΔD=0;
当N=2时,ΔP=ΔEN;ΔI=ΔEN –ΔEN -1;ΔD=0;
当N≥3时,ΔP=ΔEN;ΔI=ΔEN –ΔEN -1;ΔD=ΔEN -1 –ΔEN -2;
其中,Kp为比例系数,Ki为积分时间常数,Kd为微分时间常数。
在实际的应用中,该激光器系统100还包括一分光器50,其用于将经滤波器20透射的光信号分为两条光路,一条光路用于直接输出,另一条光路用于进入反馈电路30进行反馈控制。其中,这两条光路中光信号的比例可以根据实际的应用环境进行调节,通常地,较多的光信号被用于直接输出,而相对较少的光信号被输入反馈电路30进行反馈控制。
在一个实施例中还提供一种采用上述激光器系统100的光收发模块(图未示),其可以保证通信信号的传输质量,保证信号传输的稳定性。由于本实施例不涉及对该光收发模块其它部分结构的改进,故在此不做赘述。
上述实施例提供的激光器系统光源调整方法利用抖动信号令经过激光器系统中光滤波器的光信号波长发生变化,再采集该光信号并将其转换为电信号,通过对该电信号的波形分析可以适应调整光源的波长控制信号使得激光器系统发出的光信号的波长处于所需范围内,稳定激光器系统输出的光信号,保证通信质量。
应当理解,虽然本说明书按照实施例加以描述,但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施例。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。