CN105826811A - 一种可调谐激光器的表征方法及装置 - Google Patents

一种可调谐激光器的表征方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可调谐激光器的表征方法及装置，用以实现快速、准确的可调谐激光器的表征，并且具有普适性，适用于具有任意多个控制信号的可调谐激光器。该方法为：将可调谐激光器的输出光耦合进光纤，然后通过分束器分为两路，一路通过光学带通滤光器，一路通过光学带阻滤波器，光学带通滤波器和光学带阻滤波器的中心波长设置在目标波长λ0处，然后分别连接到探测器上；通过电脑或者微处理器来改变调谐激光器的控制信号以及采集探测器探测到的光功率；随机产生初始的控制信号组合，以通过光学带通滤波器的光功率P1和通过光学带阻滤波器的光功率P2之比R作为优化的判据，通过优化算法寻找稳定输出目标波长λ0所需要的控制信号组合。

Description

一种可调谐激光器的表征方法及装置
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种可调谐激光器的表征方法及装置。
背景技术
随着光通信技术的快速发展，可调谐激光器受到了广泛的关注和研究。在密集波分复用系统和下一代可重构光网络中，可调谐激光器被视为不可或缺的关键器件之一。在近几十年，研究者提出了许多种不同的可调谐激光器调谐方案。其中商业可用的单片集成可调谐激光器主要有分布式反馈(DistributedFeedback，DFB)激光器阵列和分布式反射(DistributedBraggReflector，DBR)类及其类似结构的可调谐激光器。DFB激光器是通过温控改变光栅的布拉格波长实现波长调谐，如InP基的DFB激光器的温度调谐系数约为0.1nm/℃。因此DFB激光器阵列的控制需要非常精确的温度控制；DBR类及其类似结构的可调谐激光器是通过注入电流改变材料折射率实现波长调谐的。普通DBR可调谐激光器一般由三部分组成，有源区，相位区，光栅区。通过向DBR光栅区注入电流可以改变其反射峰的峰值波长，通过向相位区注入电流可以改变激光器纵模的波长，协同二者可以实现激光器波长的调谐。但是通过注入电流只能改变有限的折射率，所以DBR可调谐激光器的调谐范围一般在5-10nm。为了提高调谐范围，许多改进的DBR型可调谐激光器被提出，如取样光栅分布布拉格反射式(SG-DBR)可调谐激光器、超结构光栅分布布拉格反射式(SSG-DBR)、数字超模分布布拉格反射式(DS-DBR)可调谐激光器等。除了DS-DBR可调谐激光器，它们一般需要三个控制电流来实现目标波长的输出。另外还有很多新型的大范围可调谐激光器，其调谐原理各不相同，相应的表征和控制也有所差别。
在现代光通信的应用中，对可调谐激光器最基本的要求就是能够准确稳定地输出目标波长同时具有高的边摸抑制比(Side-ModeSuppression-Ratio，SMSR)。要控制可调谐激光器，首先需要建立一个查找表。通过查找表，使用者能够找到可调谐激光器不同区域需要注入多大的电流才能实现目标波长以及相应功率的输出。大部分的可调谐激光器最多只有3个控制电流，查找表的建立方式一般是通过光谱仪扫谱的方式实现的，即逐点扫描控制电流(不包括相位区)然后通过光谱仪记录相应的输出波长、输出功率、SMSR等信息，如图1展示了通过光谱仪扫谱表征SG-DBR可调谐激光器的SMSR二维图。由于光谱仪扫谱是一个相对较慢的过程，为了得到精确的扫谱结果，往往需要扫描上万个电流组合，因此一次完整的可调谐激光器表征需要耗费非常长的时间，同时扫谱完成之后还需要对数据进行处理才能得到最终的查找表。对于量产的可调谐激光器而言，由于每个激光器制作存在差异，通过光谱仪来进行扫谱的表征方式大大降低了激光器的生产效率，不利于降低激光器的生产成本。因此如何降低可调谐激光器的表征时间是一个非常实际且至关重要的问题。
为了解决通过光谱仪扫谱来表征可调谐激光器耗时的问题，研究者提出了在逐点扫描控制电流时只通过光功率计记录可调谐激光器的输出功率来表征激光器。因为从功率计读取功率非常快速，这样做大大地降低可调谐激光器的表征时间。但是可调谐激光器的输出功率会受电流注入引起的自由载流子吸收的影响，这种简化的表征方法所产生的结果会偏离理想的控制电流组合，尤其是对输出光需要经过一个控制电流注入区的可调谐激光器，如SG-DBR可调谐激光器，SSG-DBR可调谐激光器，DS-DBR可调谐激光器等。为了克服监测输出功率来表征可调谐激光器的缺陷，G.Sarlet等人提出了通过监测激光器有源区结电压的方法来表征调谐激光器(SarletG,MorthierG,BaetsR.WavelengthandmodestabilizationofwidelytunableSG-DBRandSSG-DBRlasers[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,1999,11(11):1351-1353.)。当目标输出波长具有最高反射并与激光器纵模重合时，该波长的阈值增益和载流子浓度最低。如果该波长的反射减小或者与纵模偏离时，该波长的阈值增益和载流子浓度会相应增加。由于有源区结电压和载流子浓度相关，有源区结电压也会增大，并且有源区结电压受电流注入引起的自由载流子吸收的影响非常小。因此，在逐点扫描控制电流时可以通过监测有源区的结电压来表征可调谐激光器。虽然通过监测有源区结电压来表征可调谐激光器可以快速、准确的表征可调谐激光器，但是如果可调谐激光器的控制电流增多(大于3个)，该方法同样变得耗时，并且同样需要对扫谱的数据进行处理才能得到最终的查找表。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种新的可调谐激光器的表征方法及装置，克服现有的可调谐激光器的表征方法需要逐点扫描控制信号并且不适用于具有大于3个控制信号的可调谐激光器的缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于优化算法的可调谐激光器的表征方法及装置。
本发明实施例提供的具体技术方案如下：
一方面，提供了一种基于优化算法的可调谐激光器的表征方法，包括：
固定激光器有源区的电流不变。将激光器的输出光耦合进光纤，然后通过分束器分为两路，分别通过光学带通滤波器和光学带阻滤波器，并且将光学带通滤波器和光学带阻滤波器的中心波长设置在目标波长λ0处；
设置控制信号的范围，根据所述控制信号的范围，产生控制信号的组合，并将该控制信号组合施加在可调谐激光器的相应控制区域；
分别对光学带通滤波器和光学带阻滤波器的输出光功率P1和P2进行采样获取采样值，并计算出判据——所述采样值的比值，即R＝P1/P2。所述的判据不局限于光学带通滤波器输出光功率与光学带阻滤波器输出光功率之比，还可以根据不同的可调谐激光器选择不同的判据，如光学带通的输出光功率P1、光学带阻的输出光功率P2等。
根据一定的优化算法来调整上述控制信号组合以最大化上述判据。其中优化算法包括粒子群算法、遗传算法、爬山算法等优化算法。
当确认上述判据已经合适地最大化以后，记录相应的控制信号组合作为可调谐激光器输出目标波长λ0所需要的实际控制组合。
变化目标波长到，并重复上述表征过程，直到获得整个调谐范围内所有需要波长的全部控制信号组合。
另一方面，提供了一种可调谐激光器的表征装置，包括：
控制模块，用于调整控制信号模块的输出以及对探测器所探测到的光功率进行采样并获取采样值；
控制信号模块，用于提供可调谐激光器不同区域的控制信号；
温控模块，用于可调谐激光器的温度控制；
光学滤波模块，用于可调谐激光器输出光的滤波；
光功率探测模块，用于探测光学滤波模块的输出光功率。
所述光学滤波模块，包含分束器、光学带通滤波器以及光学带阻滤波器。
所述分束器，用于将可调谐激光器的输出光分为两路。一路作为光学带通滤波器的输入，另一路作为光学带阻滤波器的输入；
所述光学带通滤波器，用于滤除目标波长λ0以外的光功率；
所述光学带阻滤波器，用于滤除目标波长λ0处的光功率。
所述光功率探测模块，包含两个光功率探测器，分别用于探测光学带通滤波器以及光学带阻滤波器的输出光功率。
所述温控模块，包含热敏电阻、制冷片以及制冷片驱动电路等。
相较于其它可调谐激光器表征方法，本发明提出的可调谐激光器的表征方法及装置具有以下优点：
1、灵活性高且优化结果波长准确性高。本发明所述的可调谐激光器的表征方法通过设置光学带通滤波器和光学带阻滤波器的中心波长可以优化得到输出任意波长所需的控制信息；通过限制光学带通滤波器的带宽，如15GHz，可以使得优化结果对应的激射波长与目标波长的差值小于1GHz。
2、优化结果单模特性好。本发明所述的可调谐激光器的表征方法是通过光学带通滤波器与光学带阻滤波器的输出光功率之比来近似模拟边摸抑制比，所以优化结果能过获得高的边摸抑制比，使得优化结果具有好的单模特性。
3、表征速度快。本发明所述的可调谐激光器的表征方法是基于探测光功率实现的。因为读取光功率非常快，所以该方法可以非常快速的完成目标波长的表征。如果只需表征少量波长，如光通信C波段50GHz间隔的80个通道，本发明所述的可调谐激光器的表征方法具有非常大的优势。
4、数据处理简单。现有技术通过扫谱来表征可调谐激光器的方法在获得了扫谱的所有数据之后，需要筛选出有用的数据点，然而这些有用的数据点只包含部分波长的控制信息，如果目标波长不在数据点处，则需要通过曲线拟合、插值等方法获取目标波长处的控制电流信息；而本发明所述的可调谐激光器的表征方法可以直接通过优化算法一次性获取输出目标波长所需的所有控制信息。因此，本发明所述的可调谐激光器的表征方法的数据处理更简单。
5、可全自动完成可调谐激光器的表征。本发明所述的可调谐激光器的表征装置可以通过计算机或者微处理器编程实现可调谐激光器的全自动化表征，有利于可调谐激光器的量产，降低可调谐激光器生产成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为SG-DBR可调谐激光器SMSR扫谱示意图。
图2为本发明实施例中可调谐激光器的表征流程示意图。
图3为本发明第一具体实施例中可调谐激光器的表征流程图。
图4(a)为应用本发明表征SG-DBR可调谐激光器80个通道的SMSR的结果。
图4(b)为应用本发明表征SG-DBR可调谐激光器的80个通道的控制电流的结果。
图5(a)为应用本发明表征MGY可调谐激光器的80个通道的SMSR的结果。
图5(b)为应用本发明表征MGY可调谐激光器的80个通道的控制电流的结果。
图6为本发明实施例中可调谐激光器的表征装置示意图。
具体实施方式
本发明第一实施例中，如附图2所示，提供了一种可调谐激光器的表征方法。该方法的具体执行过程如下：
步骤201：设定可调谐激光器参数、滤波器中心波长以及控制信号范围。
具体地，固定激光器有源区的电流不变；将激光器的输出光耦合进光纤，然后通过分束器分为两路，分别通过光学带通滤波器和光学带阻滤波器，并且将光学带通滤波器和光学带阻滤波器的中心波长设置在目标波长λ0处；设置控制信号的范围。
步骤202：产生控制信号组合，计算判据值，通过优化算法使判据最大化。
具体地，根据设定的控制信号的范围，产生控制信号的组合，并将该控制信号组合施加在可调谐激光器的相应控制区域。分别对光学带通滤波器和光学带阻滤波器的输出光功率P1和P2进行采样获取采样值，并计算出判据——所述采样值的比值，即R＝P1/P2。根据优化算法来调整上述控制信号组合以最大化上述判据。当确认上述判据已经合适地最大化以后，记录相应的控制信号组合作为可调谐激光器输出目标波长λ0所需要的实际控制信号组合。
步骤203：重复以上过程，直至得到整个调谐范围所需波长的控制信息。
以下通过一个具体实施例，结合附图3所示，对本发明实施例提供的可调谐激光器的表征方法进行完整、详细的说明，其中优化算法为粒子群算法。
步骤301：初始化
具体地，固定激光器有源区的电流不变；将激光器的输出光耦合进光纤，然后通过分束器分为两路，分别通过光学带通滤波器和光学带阻滤波器，并且将光学带通滤波器和光学带阻滤波器的中心波长设置在目标波长λ0处。
步骤302：产生控制信号组合；
设置控制信号的范围，根据所述控制信号的范围，随机产生N(N>1)组初始控制信号组合。
步骤303：计算判据；
将所述的第一个控制信号组合施加在可调谐激光器相应的区域，分别对光学带通滤波器和光学带阻滤波器的输出光功率P1和P2进行采样获取采样值，并计算出判据——所述采样值的比值，即R＝P1/P2；重复第一个控制信号组合采样、计算的过程，直至计算出N组控制信号组合对应的N个判据。
步骤304：判据是否收敛。
找出全局最优，并判断全局最优对应的判据值是否最大化并且收敛。
粒子群算法中，每一组控制信号作为一个独立的粒子寻找输出目标波长λ0所需的最佳控制信号组合。在寻找的过程中，每一个粒子对应一个局部最优来记录该粒子找到的判据最大的控制信号组合。所有的粒子对应一个全局最优来记录所有粒子找到的判据最大的控制信号组合。在每一次寻找完成之后，都要更新局部最优和全局最优。具体地，当寻找次数为1时，当前每个控制信号组合以及对应的判据作为局部最优，找出当前N个判据的最大值以及对应的控制信号组合作为全局最优；当寻找次数大于1时，将当前的N个判据与相应的局部最优的判据进行比较，如果当前判据大于相应的局部最优的判据，则将相应的局部最优替换为当前的控制信号组合以及对应的判据，反之保持局部最优不变。找出当前N个判据的最大值与全局最优进行比较，如果当前判据的最大值大于全局最优的判据，则将全局最优替换为当前判据最大值以及对应的控制信号组合，反之保持全局最优不变。
其他的优化算法，如遗传算法、爬山算法，本领域技术人员能够根据上述粒子群算法寻找判据最大值以及对应的控制信号组合的原理，进行运用实现。故不再赘述。
步骤305：计算新的控制信号组合。
如果全局最优对应的判据没有收敛，则将当前控制信号组合，局部最优以及全局最优进行加权产生下一次寻找的N组控制信号组合。
步骤306：优化结果是否符合要求。
结束寻找之后，将全局最优的控制信号组合施加到可调谐激光器相应的区域，判断激光器的输出是否符合优化要求。
具体地，将可调谐激光器的输出光的一部分耦合进光谱分析仪，读取出输出光的峰值波长以及SMSR等信息，如果峰值波长与优化的目标波长的偏差小于1GHz且边摸抑制比高，则优化结果符合要求，否则重复步骤302、303、304、305，直至优化结果符合要求。
步骤307：存储优化结果。
将全局最优的控制信号组合，可调谐激光器实际输出峰值波长以及边摸抑制比等信息存储在存储器中。
步骤308：结束。
在实际的优化过程中，判据是否能够最大化并收敛和产生的初始控制信号组合有很大的关系。在少数情况下，会出现全局最优对应的判据无法达到预期的值。因此，可以设置一定的寻找次数，如果寻找次数超过设定值判据还未到达预期的值，则强制终止寻找，然后重新从步骤302开始。
以上流程为单个波长的优化过程。优化下一个波长λ1时，只需要将光学带通滤波器和光学带阻滤波器的中心波长重新设定在λ1即可。这样重复优化不同波长，就可以得到整个调谐范围内所需要波长的所有控制信息。
为了验证本发明的可行性，将第一具体实施例的优化过程应用到已经商业量产的SG-DBR可调谐激光器和MGY可调谐激光器上，其中控制信号为电流。如附图4和5所示，在这里只展示了C通道50GHz间隔的80个波长的表征结果。附图4为将本发明应用到SG-DBR可调谐激光器上的表征结果：附图4(a)为C波段80个通道的前光栅区与后光栅区控制电流的表征结果；附图4(b)为该80个通道SMSR的表征结果。根据优化结果可知，80个波长的波长误差都在1GHz以内，同时边模抑制比达到了48dB以上。附图5为将本发明应用到MGY可调谐激光器上的表征结果：附图5(a)为C波段80个通道的左光栅区与右光栅区控制电流的表征结果；附图5(b)为该80个通道SMSR的表征结果。根据优化结果可知，80个波长的波长误差都在1GHz内，同时边摸抑制比达到了43dB以上。以上两种可调谐激光器的波长表征结果都达到了商业需求，并且可以和通过扫谱的方式的表征结果相比拟。除此之外，本发明最大的优势在于表征时间短和后续数据处理简单。利用本发明提出的基于优化算法的可调谐激光器表征方法，80个波长的优化最快可以在一个小时内完成，同时优化结果即为最终表征结果，无需后续处理。而通过光谱仪扫谱的方式至少需要数小时，还需要对扫谱获得的数据进行处理才能得到80个波长的波长表征结果。
本发明实施例中，实际应用时，可以根据不同的可调谐激光器和需求对以上优化过程进行调整，以减少优化时间。例如，一般情况下，激光器的激射模式在小范围控制信号内保持不变。控制信号一般取在该模式所在的控制信号范围的中心附近，这样可以保证可调谐激光器长时间稳定地工作。因此，进一步地，可以将优化过程分为两步：先寻找目标波长所在模式的控制信息范围；然后在该模式所在的控制信息范围内通过优化算法寻找输出目标波长所需的控制信息。
本发明第二实施例中，如附图6所示，一种可调谐激光器的表征装置，该装置的具体实施可参见上述方法部分的描述，重复之处不在赘述，该装置主要包括控制模块601，电流源模块602，温控模块603，光学滤波模块604，光功率探测模块605，其中：
控制模块601，用于电流源电流输出的控制以及对光功率探测模块605探测功率进行采样获得采样值；
电流源模块602，用于提供可调谐激光器不同区域的电流注入；
温控模块603，用于可调谐激光器的工作温度控制，使激光器能够稳定的工作；所述温控模块，包含热敏电阻、制冷片以及制冷片驱动电路等。
光学滤波模块604，用于可调谐激光器输出光的滤波。光学滤波模块604包含分束器、光学带通滤波器以及光学带阻滤波器。具体地，分束器用于将可调谐激光器的输出光分为两路。一路作为光学带通滤波器的输入，另一路作为光学带阻滤波器的输入；光学带通滤波器用于滤除目标波长λ0以外的光功率；光学带阻滤波器用于滤除目标波长λ0处的光功率。
光功率探测模块605，用于探测光学滤波模块604的输出光功率。光功率探测模块605包含两个光功率探测器，分别用于探测光学带通滤波器以及光学带阻滤波器的输出光功率。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种可调谐激光器的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激光器有源区的电流维持不变，将激光器的输出光耦合进光纤，然后通过分束器分为两路，分别通过光学带通滤波器和光学带阻滤波器，并且将光学带通滤波器和光学带阻滤波器的中心波长设置在某个目标波长λ0处；
设置所述可调谐激光器的控制信号的范围，根据所述控制信号的范围，产生初始控制信号组合，并将该控制信号组合施加在可调谐激光器的相应控制区域；
分别对所述光学带通滤波器和光学带阻滤波器的输出光功率P1、P2进行采样获取采样值，并计算出判据R，R＝P1/P2；
优化调整上述控制信号组合使所述述判据最大化；
当确认上述判据已经最大化并收敛以后，记录相应的控制信号组合作为可调谐激光器输出目标波长λ0所需要的实际控制组合。
2.如权利要求1所述的可调谐激光器的表征方法，其特征在于，还包括，
逐个改变目标波长，重复上述目标波长为λ0的表征过程，直到获得整个调谐范围内所有波长对应的控制信号组合。
3.如权利要求1所述的可调谐激光器的表征方法，其特征在于，所述优化调整上述控制信号组合使所述述判据最大化，即对所述控制信号组合采用优化算法进行调整，使所述述判据最大化，所述优化算法包括粒子群算法，遗传算法、爬山算法。
4.一种可调谐激光器的表征装置，其特征在于，包括：控制模块，控制信号模块，光学滤波模块和光功率探测模块，
所述控制模块，用于调整所述控制信号模块的输出以及对所述光功率探测模块所探测到的光功率进行采样并获取采样值；
控制信号模块，用于提供可调谐激光器不同区域的控制信号；
光学滤波模块，用于可调谐激光器输出光的滤波；
光功率探测模块，用于探测光学滤波模块的输出光功率。
5.如权利要求4所述的表征装置，其特征在于，还包括温控模块，用于可调谐激光器的温度控制。
6.如权利要求5所述的表征装置，其特征在于，所述的温控模块具体包括：热敏电阻、制冷片以及制冷片驱动电路。
7.如权利要求4所述的表征装置，其特征在于，所述的光学滤波模块具体包括分束器、光学带通滤波器以及光学带阻滤波器；
所述分束器，用于将可调谐激光器的输出光分为两路：一路作为光学带通滤波器的输入，另一路作为光学带阻滤波器的输入；
所述光学带通滤波器，用于滤除目标波长以外的光功率；
所述光学带阻滤波器，用于滤除目标波长处的光功率。
8.如权利要求4所述的表征装置，其特征在于，所述的功率探测模块包括两个光功率探测器，分别用于探测光学带通滤波器以及光学带阻滤波器的输出光功率。
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