CN106410603A - 在线调整半导体光放大器性能参数的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在线调整半导体光放大器性能参数的方法，步骤S1，通过实验获取半导体光放大器的至少一个性能参数变化量与管芯温度变化量之间的关系；步骤S2，调整性能参数时，先确定需要调整的性能参数目标值，然后计算性能参数变化量；根据步骤S1中性能参数变化量与管芯温度变化量之间的关系，得到管芯温度变化量；计算出管芯温度目标值；MCU查询预设的管芯温度目标值与DAC输出电压关系表，得到性能参数目标值对应的DAC输出电压值，然后MCU相应设定DAC的输出为性能参数目标值对应的DAC输出电压值，作为温度给定模块的输入信号；本发明可对半导体光放大器的一些固有的性能参数，诸如小信号增益、峰值波长、光谱带宽等在线做出有利调整。

Description

在线调整半导体光放大器性能参数的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种在线调整半导体光放大器性能参数的方法。
背景技术
早在20世纪60年代就展开了对SOA(半导体光放大器)的研究，尽管起步的很早，但却因为其自身的一些缺点，如较大的噪声和偏振相关性、较小的饱和输出功率、瞬态效应和非线性严重等，在掺铒光纤放大器(EDFA)和拉曼放大器(FRA)的双重夹击下，一直得不到重用。
短距离高速数据传输使得一度冷落的半导体光放大器重新回到人们的视野中来。短距离的高速数据传输通常使用1310nm波段，显然，EDFA放大器无法放大这一波段，拉曼放大器虽然可以放大这一波段，但是因为需要相应的拉曼激光器，而且成本高，所以也不适合。可以放大850～1600nm波段的半导体光放大器又重新被应用到数据传输业务中来。
虽然高速数据传输和监控中启用了半导体光放大器，但是半导体光放大器的自身缺点仍然无法克服。例如，一个商用的半导体光放大器，增益范围是非常有限的，它的小信号增益值，峰值波长和光谱带宽，在半导体芯片制造的时候就已经确定了，到了用户手中，各个性能参数基本无法改变。
虽然使用者在订购半导体光放大器之前，一般会针对应用环境，对小信号增益，峰值波长和增益带宽等指标做出评估，但是实际使用中，又发现拿到手中的放大器的小信号增益，峰值波长，和光谱带宽可能并不完全符合要求，这有可能是之前的评估有偏差导致的，也有可能是环境与预计有偏差，还有可能是半导体芯片制造的时候，不同部位的不一致性导致的。无论哪种情况，用户都希望在实际使用的时候，半导体光放大器能像掺铒光纤放大器一样，小信号增益，峰值波长，和光谱带宽等性能可以根据用户实际需求做调整，这样使用的时候可以更加灵活，系统性能更加优化，成本更低。
半导体光放大器的工作原理跟半导体激光器是类似的，半导体激光器和半导体光放大器都是增益介质在外部电注入下，由外来光子在增益介质内部引起的受激发射而使外来光子获得增益或放大。所不同的是半导体激光器是由自发发射所产生的光子，而半导体光放大器是由真实意义的外来光子所引发的受激发射过程。
无论是半导体光放大器还是半导体激光器，工作的时候都需要管芯温度稳定在某一温度下，这样才能使得激光器的输出功率稳定。目前半导体激光器/放大器一般工作在25度的管芯温度下，因为这一温度跟室温最接近，需要的致冷电路功耗比较低。实际上，半导体激光器一旦工作起来，因为实际输出的光功率和电功率的转化比例不可能达到百分百，所以势必要有一部分功率要转化为热能消耗掉，其管芯温度就不再是25度，而是高于25度，为了使管芯温度仍然保持在25度，此时致冷电路就需要开始工作，电路控制的时候需要加反向电流，为管芯致冷，使其仍然工作25度下。
发明内容
目前有些半导体激光器为了减少总功耗，方法是让管芯工作在40度或者45度，也就是说只有环境温度高于40度(或45度)，制冷电路才启动，这样可以大大降低激光器的致冷功耗。管芯温度和激光器的激射波长直接相关，所以微调管芯温度可以改变半导体激光器的激射波长。正是在这个思路的启发下，尝试改变管芯温度，发现除了减少功耗，还可以带来光学性能参数的改变，这个发现让参数固定的商用半导体放大器变得灵活起来，甚至可以像成熟的光纤放大器EDFA一样，使用方便且灵活。改变半导体光放大器的管芯控制温度，从而改变半导体光放大器的一些性能参数，改变了商用半导体光放大器出厂后，所有性能参数都固定的遗憾；在管芯温度调节的实验过程中，本发明发现通过改变管芯温度，可以达到微调半导体光放大器性能参数的目的。
基于上述实验发现，本发明的目的在于提供一种在线调整半导体光放大器性能参数的方法，通过改变半导体光放大器的管芯温度，最终实现调整半导体放大器性能参数的目的，从而可以在线调整商用半导体光放大器的小信号增益，峰值波长，和光谱宽度；在系统和设计出现偏差的时候，不必更换半导体光放大器，就可满足系统性能要求；这种方法既灵活方便又不需要增加成本，最终实现优化传输系统性能的目的。本发明采用的技术方案是：
一种在线调整半导体光放大器性能参数的方法，包括下述步骤：
步骤S1，通过实验获取半导体光放大器的至少一个性能参数变化量与管芯温度变化量之间的关系，并保存在存储器中；
此步骤中，先确定一个温度基准值；当半导体放大器管芯温度为温度基准值时测得的性能参数值为性能参数基准值；性能参数变化量为性能参数采样值与性能参数基准值的差，管芯温度变化量为管芯温度采样值与管芯温度基准值的差；
步骤S2，调整性能参数时，先确定需要调整的性能参数目标值，将性能参数目标值减去性能参数基准值，得到性能参数变化量；根据步骤S1中性能参数变化量与管芯温度变化量之间的关系，得到管芯温度变化量；
管芯温度基准值+管芯温度变化量＝管芯温度目标值；
MCU查询预设的管芯温度目标值与DAC输出电压关系表，得到性能参数目标值对应的DAC输出电压值，然后MCU相应设定DAC的输出为性能参数目标值对应的DAC输出电压值；
该DAC输出电压值作为温度给定模块的输入信号，利用温度给定模块的输出信号控制加热制冷驱动模块，对半导体加热制冷器TEC进行相应的加热或制冷驱动；
通过温度检测模块实时反馈半导体光传感器管芯温度，作为反馈信号给温度给定模块，通过反馈调节作用，改变温度给定模块的输出，将半导体光传感器管芯温度控制在管芯温度目标值即需要的温度点上。
进一步地，所述的性能参数，包括小信号增益、峰值波长、光谱带宽；
峰值波长变化量与管芯温度变化量的关系如公式(1)所示：
Δλ＝Kλ*ΔT+Aλ (1)
其中，Δλ为峰值波长变化量，ΔT为管芯温度变化量；Kλ、Aλ为公式(1)中的系数；
光谱宽度变化量与管芯温度变化量之间的关系如公式(2)所示：
ΔW＝aw*(ΔT)^2+bw*ΔT+cw (2)
其中，ΔW为光谱宽度变化量，ΔT为管芯温度变化量；aw、bw、cw为公式(2)中的系数；
小信号增益变化量与管芯温度变化量之间的关系如公式(3)所示：
ΔG＝Ag*(ΔT)^2+Bg*ΔT+Cg (3)
其中，ΔG为小信号增益变化量，ΔT为管芯温度变化量；Ag、Bg、Cg为公式(3)中的系数。
本发明还提出了实现上述方法的装置，即一种在线调整半导体光放大器性能参数的装置，包括：
MCU、DAC、存储器、温度给定模块、加热制冷驱动模块、半导体加热制冷器TEC、温度检测模块；其中温度检测模块包括设置在半导体光放大器管芯上的温度传感器；
存储器连接MCU；MCU的电压设定端连接DAC的输入端，DAC的输出端连接加热制冷驱动模块，加热制冷驱动模块连接半导体加热制冷器TEC，温度检测模块连接MCU和温度给定模块；
MCU接收到性能参数调整信息后，先确定需要调整的性能参数目标值，将性能参数目标值减去性能参数基准值，得到性能参数变化量；根据性能参数变化量与管芯温度变化量之间的关系，得到管芯温度变化量；
管芯温度基准值+管芯温度变化量＝管芯温度目标值；
MCU查询预设的管芯温度目标值与DAC输出电压关系表，得到性能参数目标值对应的DAC输出电压值，然后MCU相应设定DAC的输出为性能参数目标值对应的DAC输出电压值；
该DAC输出电压值作为温度给定模块的输入信号，利用温度给定模块的输出信号控制加热制冷驱动模块，对半导体加热制冷器TEC进行相应的加热或制冷驱动；
通过温度检测模块实时反馈半导体光传感器管芯温度，作为反馈信号给温度给定模块，通过反馈调节作用，改变温度给定模块的输出，将半导体光传感器管芯温度控制在管芯温度目标值即需要的温度点上。
具体地，
温度给定模块包括预放大器U1，运算放大器U2和U3；
加热制冷驱动模块包括三极管VT1、VT2、VT3、VT4；VT1、VT2为NPN型，VT3、VT4为PNP型；
预放大器U1的反相输入端接DAC的一个输出端，接收DAC输出的与性能参数目标值对应的DAC输出电压值，预放大器U1的同相输入端接半导体光放大器管芯上的温度传感器的反馈电压T_sensor；预放大器U1的两个电阻外接端之间接电阻R8，预放大器U1的输出端通过电阻R9接运算放大器U2的反相输入端；预放大器U1的参考电压端接参考电压Vref，并通过电阻R10接运算放大器U2的同相输入端；运算放大器U2的反相输入端通过串联的电阻R11和电容C3接U2的输出端；运算放大器U2的输出端通过电阻R12接三极管VT1和VT3的基极；
运算放大器U2的输出端通过电阻R5接运算放大器U3的反向输入端；运算放大器U3的同相输入端通过电阻R6接参考电压Vref；运算放大器U3的反向输入端通过电阻R7接U3的输出端；运算放大器U3的输出端通过电阻R13接三极管VT2和VT4的基极；
三极管VT1的集电极接正电源VCC，发射极接三极管VT3的发射极和半导体加热制冷器TEC的一端，三极管VT3的集电极接地；三极管VT2的集电极接正电源VCC，发射极接三极管VT4的发射极和半导体加热制冷器TEC的另一端，三极管VT4的集电极接地。
进一步地，预放大器U1采用仪表放大器INA128。
本发明的优点在于：通过实验发现了一种方在线调整半导体光放大器性能参数的，这种方法可以在线调整半导体光放大器的性能参数，改变了现有半导体放大器性能参数出厂即固化的限制(现状)，增加了半导体光放大器使用的灵活性，增加了其应变环境的能力。
通过上位机可以设置半导体光放大器的管芯控制温度。而且通过网络管理可以实现不更换半导体光纤放大器而调整其性能参数的目的。
附图说明
图1为本发明的峰值波长变化量与管芯温度变化量趋势拟合示意图。
图2为本发明的光谱宽度变化量与管芯温度变化量趋势拟合示意图。
图3为本发明的小信号增益变化量与管芯温度变化量趋势拟合示意图。
图4为本发明的装置原理框图。
图5为本发明的装置详细电原理图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
实验测试半导体光放大器管芯温度从20度变化到45度时候，相对应的各个性能参数，包括小信号增益、峰值波长、光谱带宽等，与管芯温度呈现一定的关系；
数据采集和处理的时候，将半导体光放大器管芯温度25度作为温度基准值，各个性能参数也取25度时的采样值作为性能参数基准值；各个性能参数的采样值分别与其基准值做差值处理，在20度～45度范围内多次采样，图1～图3中，管芯温度从20度到45度变化，每隔5度做一次采样；对性能参数变化量与管芯温度变化量之间的关系进行趋势拟合，获得：
峰值波长变化量Δλ与管芯温度变化量ΔT的关系如公式(1)所示：
Δλ＝Kλ*ΔT+Aλ (1)
其中，公式(1)中的系数Kλ、Aλ可通过计算机拟合获得；图1显示了峰值波长变化量Δλ与管芯温度变化量ΔT之间近似呈现一阶线性关系；图1～图3中的R2表示拟合程度；图1中，系数Kλ、Aλ分别是0.67和-0.27；
光谱宽度变化量ΔW与管芯温度变化量ΔT之间的关系如公式(2)所示：
ΔW＝aw*(ΔT)^2+bw*ΔT+cw (2)
其中，公式(2)中的系数aw、bw、cw可通过计算机拟合获得；图2显示了光谱宽度变化量ΔW随管芯温度变化量ΔT之间的关系可以用二阶多项式表示；图2中，系数aw、bw、cw分别为-0.011、0.466、-0.119；
小信号增益变化量ΔG与管芯温度变化量ΔT之间的关系如公式(3)所示：
ΔG＝Ag*(ΔT)^2+Bg*ΔT+Cg (3)
其中，公式(3)中的系数Ag、Bg、Cg可通过计算机拟合获得；图3显示了小信号增益变化量ΔG与管芯温度变化量ΔT之间的关系可以用二阶多项式表示；图3中，系数Ag、Bg、Cg分别为-0.002、-0.102、0.041；
将上述确定系数的公式(1)～公式(3)存入存贮器中；
上述公式(1)～公式(3)中的系数，还可以是对多个半导体光放大器样本进行采样后，各自拟合获得的系数取平均值；
在线调整半导体光放大器性能参数时，先制定网管单元与温控单元(即本发明的在线调整半导体光放大器性能参数的装置)的通讯协议，通过网管单元发送性能参数调整信息给温控单元的MCU；MCU中或MCU连接的存储器中预设了管芯温度目标值与DAC输出电压关系表；DAC(数模转换器)的位数决定了温度调节的分辨率；DAC的输出电压再通过硬件的PID控制环路，实现对半导体光放大器管芯温度的精确控制，进而调整了相应的光学参数到性能参数目标值；
在线调整半导体光放大器性能参数的装置，如图4所示，包括MCU、DAC、存储器、温度给定模块、加热制冷驱动模块、半导体加热制冷器TEC、温度检测模块；其中温度检测模块包括设置在半导体光放大器管芯上的温度传感器；
存储器连接MCU；MCU的电压设定端连接DAC的输入端，DAC的输出端连接加热制冷驱动模块，加热制冷驱动模块连接半导体加热制冷器TEC，温度检测模块连接MCU和温度给定模块；
调整性能参数时，MCU收到性能参数调整信息，先确定需要调整的性能参数目标值，将性能参数目标值减去性能参数基准值，得到性能参数变化量；根据性能参数变化量与管芯温度变化量之间的如公式(1)～公式(3)所示的关系，得到管芯温度变化量；
管芯温度基准值+管芯温度变化量＝管芯温度目标值；
MCU查询预设的管芯温度目标值与DAC输出电压关系表，得到性能参数目标值对应的DAC输出电压值，然后MCU相应设定DAC的输出为性能参数目标值对应的DAC输出电压值；
该DAC输出电压值作为温度给定模块的输入信号，利用温度给定模块的输出信号控制加热制冷驱动模块，对半导体加热制冷器TEC进行相应的加热或制冷驱动；半导体加热制冷器TEC使得管芯温度改变；
通过温度检测模块实时反馈半导体光传感器管芯温度，作为反馈信号给温度给定模块，通过反馈调节作用，改变温度给定模块的输出，将半导体光传感器管芯温度控制在管芯温度目标值即需要的温度点上。
在线调整半导体光放大器性能参数的装置，具体电路如图5所示，是一个PID控制电路；
温度给定模块包括预放大器U1，运算放大器U2和U3；
加热制冷驱动模块包括三极管VT1、VT2、VT3、VT4；VT1、VT2为NPN型，VT3、VT4为PNP型；
预放大器U1的反相输入端接DAC的一个输出端(图5中的DAC_CH0)，接收DAC输出的与性能参数目标值对应的DAC输出电压值，预放大器U1的同相输入端接半导体光放大器管芯上的温度传感器的反馈电压T_sensor；预放大器U1的两个电阻外接端之间接电阻R8，预放大器U1的输出端通过电阻R9接运算放大器U2的反相输入端；预放大器U1的参考电压端接参考电压Vref，并通过电阻R10接运算放大器U2的同相输入端；运算放大器U2的反相输入端通过串联的电阻R11和电容C3接U2的输出端；运算放大器U2的输出端通过电阻R12接三极管VT1和VT3的基极；
运算放大器U2的输出端通过电阻R5接运算放大器U3的反向输入端；运算放大器U3的同相输入端通过电阻R6接参考电压Vref；运算放大器U3的反向输入端通过电阻R7接U3的输出端；运算放大器U3的输出端通过电阻R13接三极管VT2和VT4的基极；
三极管VT1的集电极接正电源VCC，发射极接三极管VT3的发射极和半导体加热制冷器TEC的一端，三极管VT3的集电极接地；三极管VT2的集电极接正电源VCC，发射极接三极管VT4的发射极和半导体加热制冷器TEC的另一端，三极管VT4的集电极接地；
上述电路中，预放大器U1采用仪表放大器INA128。
工作原理为，当性能参数目标值对应的DAC输出电压值高于预放大器U1同相输入端的温度传感器采样电压时，运算放大器U2输出高电平，运算放大器U3输出低电平，三极管VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，半导体加热制冷器TEC中正向流过电流，TEC进行制热；
反之，当性能参数目标值对应的DAC输出电压值低于预放大器U1同相输入端的温度传感器采样电压时，运算放大器U2输出低电平，运算放大器U3输出高电平，三极管VT1、VT4截止，VT2、VT3导通，半导体加热制冷器TEC中反向流过电流，TEC进行制冷；
上述电路稳定可靠，温度控制精度可保持在0.1度。
温度传感器的反馈电压T_sensor也发送给MCU，使得MCU可以实时监控半导体光放大器管芯温度是否达到需要的管芯温度目标值。

Claims (6)

1.一种在线调整半导体光放大器性能参数的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤S1，通过实验获取半导体光放大器的至少一个性能参数变化量与管芯温度变化量之间的关系，并保存在存储器中；
此步骤中，先确定一个温度基准值；当半导体放大器管芯温度为温度基准值时测得的性能参数值为性能参数基准值；性能参数变化量为性能参数采样值与性能参数基准值的差，管芯温度变化量为管芯温度采样值与管芯温度基准值的差；
步骤S2，调整性能参数时，先确定需要调整的性能参数目标值，将性能参数目标值减去性能参数基准值，得到性能参数变化量；根据步骤S1中性能参数变化量与管芯温度变化量之间的关系，得到管芯温度变化量；
管芯温度基准值+管芯温度变化量＝管芯温度目标值；
MCU查询预设的管芯温度目标值与DAC输出电压关系表，得到性能参数目标值对应的DAC输出电压值，然后MCU相应设定DAC的输出为性能参数目标值对应的DAC输出电压值；
该DAC输出电压值作为温度给定模块的输入信号，利用温度给定模块的输出信号控制加热制冷驱动模块，对半导体加热制冷器TEC进行相应的加热或制冷驱动；
通过温度检测模块实时反馈半导体光传感器管芯温度，作为反馈信号给温度给定模块，通过反馈调节作用，改变温度给定模块的输出，将半导体光传感器管芯温度控制在管芯温度目标值即需要的温度点上。
2.如权利要求1所述的在线调整半导体光放大器性能参数的方法，其特征在于，
所述的性能参数，包括小信号增益、峰值波长、光谱带宽；
峰值波长变化量与管芯温度变化量的关系如公式(1)所示：
Δλ＝Kλ*ΔT+Aλ (1)
其中，Δλ为峰值波长变化量，ΔT为管芯温度变化量；Kλ、Aλ为公式(1)中的系数；
光谱宽度变化量与管芯温度变化量之间的关系如公式(2)所示：
ΔW＝aw*(ΔT)^2+bw*ΔT+cw (2)
其中，ΔW为光谱宽度变化量，ΔT为管芯温度变化量；aw、bw、cw为公式(2)中的系数；
小信号增益变化量与管芯温度变化量之间的关系如公式(3)所示：
ΔG＝Ag*(ΔT)^2+Bg*ΔT+Cg (3)
其中，ΔG为小信号增益变化量，ΔT为管芯温度变化量；Ag、Bg、Cg为公式(3)中的系数。
3.如权利要求1所述的在线调整半导体光放大器性能参数的方法，其特征在于，
管芯温度基准值为25度，变化范围为20度～45度。
4.一种在线调整半导体光放大器性能参数的装置，包括：MCU、DAC、存储器、温度给定模块、加热制冷驱动模块、半导体加热制冷器TEC、温度检测模块；其中温度检测模块包括设置在半导体光放大器管芯上的温度传感器；
存储器连接MCU；MCU的电压设定端连接DAC的输入端，DAC的输出端连接加热制冷驱动模块，加热制冷驱动模块连接半导体加热制冷器TEC，温度检测模块连接MCU和温度给定模块；
MCU接收到性能参数调整信息后，先确定需要调整的性能参数目标值，将性能参数目标值减去性能参数基准值，得到性能参数变化量；根据性能参数变化量与管芯温度变化量之间的关系，得到管芯温度变化量；
管芯温度基准值+管芯温度变化量＝管芯温度目标值；
MCU查询预设的管芯温度目标值与DAC输出电压关系表，得到性能参数目标值对应的DAC输出电压值，然后MCU相应设定DAC的输出为性能参数目标值对应的DAC输出电压值；
该DAC输出电压值作为温度给定模块的输入信号，利用温度给定模块的输出信号控制加热制冷驱动模块，对半导体加热制冷器TEC进行相应的加热或制冷驱动；
通过温度检测模块实时反馈半导体光传感器管芯温度，作为反馈信号给温度给定模块，通过反馈调节作用，改变温度给定模块的输出，将半导体光传感器管芯温度控制在管芯温度目标值即需要的温度点上。
5.如权利要求4所述的在线调整半导体光放大器性能参数的装置，其特征在于，
温度给定模块包括预放大器U1，运算放大器U2和U3；
加热制冷驱动模块包括三极管VT1、VT2、VT3、VT4；VT1、VT2为NPN型，VT3、VT4为PNP型；
预放大器U1的反相输入端接DAC的一个输出端，接收DAC输出的与性能参数目标值对应的DAC输出电压值，预放大器U1的同相输入端接半导体光放大器管芯上的温度传感器的反馈电压T_sensor；预放大器U1的两个电阻外接端之间接电阻R8，预放大器U1的输出端通过电阻R9接运算放大器U2的反相输入端；预放大器U1的参考电压端接参考电压Vref，并通过电阻R10接运算放大器U2的同相输入端；运算放大器U2的反相输入端通过串联的电阻R11和电容C3接U2的输出端；运算放大器U2的输出端通过电阻R12接三极管VT1和VT3的基极；
运算放大器U2的输出端通过电阻R5接运算放大器U3的反向输入端；运算放大器U3的同相输入端通过电阻R6接参考电压Vref；运算放大器U3的反向输入端通过电阻R7接U3的输出端；运算放大器U3的输出端通过电阻R13接三极管VT2和VT4的基极；
三极管VT1的集电极接正电源VCC，发射极接三极管VT3的发射极和半导体加热制冷器TEC的一端，三极管VT3的集电极接地；三极管VT2的集电极接正电源VCC，发射极接三极管VT4的发射极和半导体加热制冷器TEC的另一端，三极管VT4的集电极接地。
6.如权利要求5所述的在线调整半导体光放大器性能参数的装置，其特征在于，
预放大器U1采用仪表放大器INA128。
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