CN107431332A - 快速校准和对光学组件编程 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于校准和控制可调谐激光器的方法和装置。本文中公开的多种方法可以单独使用或组合使用，这显著地加快了校准时间，并且因此提供了优于校准可调谐激光器的现有技术的显著优点。特定方法受益于将两个或更多个光学面耦合到输出的可调谐激光器的独特设计。可调谐激光器可以配备有两个或更多个采样光栅分布式布拉格反射器(SGDBR)镜，并且可以在SGDBR镜之后包括半导体光放大器(SOA)。

Description

快速校准和对光学组件编程
技术领域
本专利申请要求在2014年10月31日提交的题为“用于快速校准和对可调谐激光器及相关联的发射器和光学子部件编程的方法和装置”的序列号为62/073,713的美国临时专利申请的权益，其全部公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
当今的基于光纤的网络使用收发器作为电子器件与在光纤上和在网络中的其他点处传播的光信号之间的接口，其中信息在电子形式和光学形式之间转换。
包括用来对用于在光纤上传输的光数据进行发送、编码、接收、解码的光子和/或光电子设备和组件的光学通信设备被接口连接到用来控制这些元件以及在发送侧和接收侧以电子形式接口连接数据、对电子数据编码和解码、进行像时钟恢复和纠错一样的其他功能并实现控制包括温度在内的这些电路的环境所需的功能的各种电子电路。
当今存在的对可调谐激光器、模块和/或基于可调谐激光器的子部件的挑战部分地在于响应于施加的控制信号(例如电压、电流、温度或其任何组合)而校准输出的输出特性(特别是光频率(或波长))所涉及的复杂度和时间。根据激光器设计和调谐物理，控制方法和控制信号可以有很大变化。存在几类可调谐激光器，包括可以(在某一特定精度内)调谐到宽调谐范围(例如，通信系统的C波段或O波段)内的任何期望波长的那些设计。
制造可调谐激光器并使其波长校准快速且鲁棒的成本在用可调谐激光器替换固定波长激光器以及打开新的应用和市场中是至关重要的。在在单个光纤上传送许多波长或信道的系统中移动到可调谐激光器的需要已成为经济且实用的必要条件，因为承载所有固定波长激光器的库存、支持指定并承载此库存所需的基础设施以及由于不可用和在将错误波长激光器运送到现场时犯的错误而导致有信道停机时间的成本变成当今高容量网络(其中每个光纤可承载40、80、96、128或更多的波长)的重要因素。
另外，配置为以每秒100吉比特(Gbps)、200Gbps、400Gbs和更快的速度传送数据的新模块的成本使得有必要使用可调谐激光器，使得一个模块类型可以用来访问光纤信道上的任何信道。对于这些新的高容量系统，用固定波长激光器来部署这些接口变得过于昂贵，而且行业正在用于单波长高比特率模块和接口的可调谐激光器的方向上移动。
可以被单片集成到光子集成电路(PIC)上的一种广泛使用的种类的可调谐激光器(诸如在通过引用整体并入本文的序列号为61/748,415的美国专利临时申请中描述的)属于准连续调谐种类的激光器，其被定义为能够利用控制系统达到任何期望波长的激光器，该控制系统需要利用映射在控制信号和波长之间的一组控制信号来控制该激光器的多个部分。经常，用来调谐准连续激光器的控制方法可以是复杂的，具有控制信号与输出波长之间的复杂关系，并且因此利用像查找表一样的技术，其中所有控制信号和期望波长的全调谐图在校准时间期间被存储。准连续激光器类型与连续激光器类型的不同之处在于，后者可以利用调节可以扫过所有输出频率或波长的单个旋钮或单个控制信号来连续地调谐，并且简化准连续激光器上的控制以及经常的时间校准。
然而，可调谐激光器(特别是像在序列号为61/748,415的美国专利临时申请中描述的那样的准连续激光器)的主要问题是在控制信号和输出波长方面充分校准可调谐激光器所花费的时间。该校准必须快速、必须不能成为制造处理中的瓶颈，或者将显着提高激光器成本和制造吞吐量，但是也将影响校准的鲁棒性、处理自动化程度以及设计容差的鲁棒性、周围的控制电路和光学器件、工艺变化和激光器操作和老化变化。
由于可调谐激光器和其他组件更紧密地集成(例如像光学数据调制器和波长锁定器)，快速的校准时间和相关联的方法和装置在成本、将激光器集成到其他子部件和系统方面对于可调谐激光器的大规模部署将变得至关重要。另外，激光器波长校准的速度可以影响可以发生校准的地方，并且快速技术保留不仅在激光器的制造商处进行校准而且在将基于激光器的组件构建到系统中的装备制造商处进行校准，乃至在现场重新校准系统中的激光器的可能性。
当今技术的一个方面是，对于可调谐激光器的校准，在微处理器和/或状态机上运行的线性单片代码用于校准例程，并且校准的结果随后可被存储在用来将控制信号映射到期望的输出波长的查找表中。然而，该途径有几个缺点，一个是利用个人计算机(PC)或微处理器途径来执行校准例程并控制和接口连接到所有的工具和装备以及要校准的设备或可调谐激光器的效率(速度的缺乏)。另一个缺点是制造的一致性(其中最终校准数据可被存储在FPGA中)以及在制造期间运行校准例程的能力，并且一旦在通信系统中利用基于可调谐激光器的产品，就需要单独的微处理器用于波长校准。代码的一致性、代码的调节、制造和校准线中的以及部署线中的硬件的一致性，导致了超过现有技术的经济和其他效率。
现有波长校准方法和装置的主要缺点部分地涉及激光器设计和使能校准处理以及校准的自动化和软件控制的技术。这些校准缺点通过增加制造的成本、时间和复杂度以及在安装在产品中或部署在现场时重新校准的限制来限制可调谐激光器以及采用这种激光器的光学子部件和通信模块的市场。
因此，需要新的高速可调谐激光器校准技术、算法和实现方式来降低制造和提供将这种可调谐激光器集成到系统、通信系统和网络中的增强的自动化的成本和时间。
发明内容
根据本公开，本文中公开了用于光学通信的可调谐激光器的波长校准的装置和方法。可调谐激光器被配置为在光学输出处提供对多个镜子的多个面的访问，并且每个镜子具有不同的采样光栅周期。可以经由电子电路基于以下各项中的至少一项来确定将多个镜子调谐到可调谐激光器的期望波长所需的镜电流：可调谐激光器的增益部分的增益电压图、半导体光放大器(SOA)光电流图、所述多个镜子的镜反射光谱和可调谐激光器的跳模。
在本公开的一个方面，可调谐激光器的增益部分的电压值可以经由电子电路在镜电流的跨度上被监视；并且经由电子电路可以确定电压降或最小值的点。电压降或最小值的点表示可调谐激光器正在一组镜电流处输出最大功率。
在本公开的另一方面，经由电子电路，利用作为光电检测器操作的多个SOA来确定来自多个镜子的每个面的输出功率。此外，SOA的SOA光电流图基于来自可调谐激光器的光学输出和变化的镜电流来确定，并且SOA是与可调谐激光器相关联的多个SOA中的一个SOA。此外，经由通过电子电路的图像处理来确定所确定的SOA光电流图上的轮廓的中心位置。
在本公开的一个方面，多个SOA中的一个SOA可以经由电子电路而被正向偏置，并且多个SOA中的剩余其他SOA被反向偏置。
在本公开的一个方面，在镜电流的跨度上获得多个镜子的反射光谱。此外，基于多个镜子的反射光谱的分析，确定将多个镜子调谐到可调谐激光器的特定波长所需的镜电流。
在本公开的另一方面，可以创建多个镜子的镜电流处的镜峰的曲线图，并且可以获得在最大范围内的所有波长的镜电流。
在本公开的一个方面，特定波长的镜电流的值可以作为查找表存储在存储器中。
在本公开的另一方面，可以生成增益部分(例如，激光二极管(LD)部分)的增益电压调谐图，并且可以经由图像处理确定增益电压调谐图中的最小值。此外，经由图像处理，可以确定与对应于最小值的控制点相关联的波长输出。
在本公开的一个方面，多个半导体光放大器(SOA)中的一个SOA可被正向偏置，并且多个SOA中的剩余其他SOA可被反向偏置。
在本公开的另一方面，可以收集关于多个SOA的光学输出的数据，并且可以基于收集的数据来确定在镜电流限制的跨度上的光谱。
在本公开的另一方面，可以获得光放大器(例如，SOA)的SOA光电流图，并且经由图像处理可以在所获得的SOA光电流图上检测边缘。
此外，经由图像处理，可以在SOA光电流图上确定轮廓，并且可以在SOA光电流图上确定检测到的轮廓的中心的位置。检测到的轮廓的中心的确定位置可以被映射到用于调谐可调谐激光器的波长的操作点的镜电流。
在本公开的一个方面，可以测量来自多个镜子的镜反射光谱，并且可以基于所测量的镜反射光谱来确定峰值波长。
在本公开的一个方面，可以确定潜在的放大自发发射(ASE)，可以对测量到的镜反射光谱应用平均操作，并且可以从平均镜反射光谱中减去潜在的放大自发发射。
在本公开的一个方面，多项式拟合可以应用于包括多个镜电流上的确定的峰值波长的多个轨迹的数据；并且多项式拟合数据可以作为查找表存储在存储器中。
在本公开的一个方面，可以寻找波长跳跃的一个或多个起点，可以沿着多个镜子上的镜电流的一维线来跟踪波长跳跃，并且可以确定期望波长的镜电流的操作设置。此外，可以优化起期望波长的微调的作用的可调谐激光器的腔模位置。
在本公开的另一方面，提供了一种用于光学通信设备的波长校准的装置。该装置包括可调谐激光器以及耦合到可调谐激光器和主机控制器的电子电路，可调谐激光器被配置为在光学输出处提供对多个镜子的多个面的访问，每个镜子具有不同的采样光栅周期。此外，电子电路被配置为：基于以下各项中的至少一项来确定将多个镜子调谐到可调谐激光器的期望波长所需的镜电流：可调谐激光器的增益部分的增益电压图、半导体光放大器(SOA)光电流图、多个镜子的反射光谱和可调谐激光器的跳模。
在本公开的一个方面，该装置的电子电路还被配置为：在镜电流的跨度上监视可调谐激光器的增益部分的电压值；并且确定电压降或最小值的点，电压降或最小值的点表示可调谐激光器正在一组镜电流处输出最大功率。
在本公开的另一方面，该装置的电子电路还被配置为：经由被配置为作为光电检测器操作的多个SOA来监视来自多个镜子的每个面的输出功率；基于来自可调谐激光器的光学输出和变化的镜电流来确定SOA光电流图，该SOA光电流图与多个SOA中的一个SOA相关联；以及经由对SOA光电流图的图像处理来确定所确定的SOA光电流图上的轮廓的中心位置。
在本公开的一个方面，该装置的电子电路还被配置为：使多个SOA中的一个SOA正向偏置；以及使多个SOA中的剩余其他SOA反向偏置。
在本公开的一个方面，该装置的电子电路还被配置为：在镜电流的跨度上获得多个镜子的反射光谱；以及基于所述多个镜子的反射光谱的分析来确定将多个镜子调谐到可调谐激光器的期望波长所需的镜电流。
在本公开的一方面，该装置的电子电路还被配置为：寻找波长跳跃的一个或多个起点；沿着多个镜子上的镜电流的一维线来跟踪波长跳跃；确定期望波长的镜电流的操作设置；以及优化可调谐激光器的腔模位置，其起可调谐激光器的微调的作用。
在本公开的一个方面，多个镜子可以各自包括采样光栅分布式布拉格反射镜。
在本公开的一个方面，电子电路可以包括以下各项中的至少一项：处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)。
在本公开的一个方面，该装置可以包括对应于多个镜子的多个半导体光放大器(SOA)。
在本公开的一个方面，电子电路还被配置为：获得SOA光电流图；经由图像处理在获得的SOA光电流图上检测边缘；经由图像处理在SOA光电流图上检测轮廓；经由图像处理来确定SOA光电流图上的检测到的轮廓的中心的位置；以及将检测到的轮廓的中心的确定位置映射到用于将可调谐激光器的波长调谐到期望波长的操作点的镜电流。
在本公开的一个方面，该装置可以包括耦合到电子电路并被配置为存储用于可调谐激光器的期望波长的镜电流的存储器。
在后续的详细描述的回顾之后，将更全面地理解本公开的这些和其他方面。
附图说明
从以下结合附图的描述可以获得更详细的理解。
图1是例示出根据本公开的一个方面的可调谐激光器的前镜和后镜中具有变化的电流的波长调谐图的一个示例的示图。
图2是例示出根据本公开的一个方面的增益电压调谐图的一个示例的示图。
图3是例示出根据本公开的一个方面的半导体光放大器(SOA)光电流图的一个示例的示图。
图4A是例示出根据本公开的一个方面的提取波长的一个示例的流程图。
图4B至图4D是例示出根据本公开的一个方面的SOA图的示例的示图。
图5A和图5B是例示出根据本公开的另一方面的可调谐激光器的示例配置的框图。
图6A和图6B是例示出根据本公开的一个方面的镜反射光谱的示例的曲线图。
图7是例示出根据本公开的一个方面的镜反射光谱的一个示例的曲线图。
图8是例示出根据本公开的一个方面的镜反射光谱的一个示例的曲线图。
图9是例示出根据本公开的一个方面的镜反射光谱的一个示例的曲线图。
图10A和图10B是例示出根据本公开的一个方面的在调谐电流上的波长的一个示例的曲线图。
图11是例示出根据本公开的一个方面的在调谐电流上的波长的一个示例的曲线图。
图12是例示出根据本公开的一个方面的镜反射光谱的一个示例的曲线图。
图13是例示出根据本公开的一个方面的跳模跟踪的处理的一个示例的流程图。
图14是例示出根据本公开的一个方面的波长校准的一个示例的曲线图。
图14是例示出根据本公开的一个方面的波长校准处理的一部分的曲线图。
图15是例示出根据本公开的一个方面的波长校准处理的一部分的曲线图。
图16是例示出根据本公开的一个方面的波长校准处理的一部分的曲线图。
图17是例示出根据本公开的一个方面的波长校准处理的一部分的曲线图。
图18是例示出根据本公开的一个方面的波长校准处理的一部分的曲线图。
图18是例示出根据本公开的一个方面的波长校准处理的一部分的曲线图。
图19是例示出根据本公开的一个方面的波长校准处理的一部分的曲线图。
图20是例示出根据本公开的一个方面的波长校准处理的一部分的曲线图。
图21是例示出根据本公开的一个方面的系统的一个示例的示图。
图22是例示出根据本公开的一个方面的系统的一个示例的示图。
具体实施方式
现在将在下面结合各种附图阐述例示性示例的详细描述。下面的描述旨在是示例性的，而不是限制所要求保护的发明的范围。它提供了可能的实现方式的详细示例，并且不旨在表示可以在其中实践本文中所描述的概念的仅有配置。因此，详细描述包括为了提供对各种概念的透彻理解的目的的特定细节，并且注意到可以在没有这些特定细节的情况下实践这些概念。在一些情况下，以框图形式示出了众所周知的结构和组件，以避免遮蔽这些概念。
根据本发明，提供了用于光学组件的快速校准和编程的方法和装置，包括用于可调谐激光器以及相关联的发射器和光学子部件的快速校准和编程的方法和装置。在一个实施例中，提供了包括光学收发器、模块和子部件以及激光发射器和接收器的光学设备。光学设备采用集成电子器件和光子集成电路的组合，其包含与光学调制器和半导体光放大器以及非集成光学和光电子元件以及其他测量和控制设备和元件集成在同一衬底上的多个元件，如可宽调谐的半导体激光器。根据本发明的方法和装置通过多级处理增加了光学组件的整个校准处理的速度，从而显著地减少校准时间。
可调谐激光器的校准中的现有技术涉及直接搜索，其中激光器或激光器部分被递增地调节到所有可能的值，并且激光器输出与调节值一起被记录。针对诸如波长、光功率和光学边模抑制比(SMSR)之类的参数来监视可调谐激光器的光学输出。这种蛮力途径的问题之一是每个控制参数的值必须以足够高的分辨率提供以便不漏掉调谐信道输出，而在当今的单片集成半导体激光器中，有多个部分必须被控制和调谐。因此，用于调谐可调谐激光器的数据点的数目可以非常大，以数万的量级。响应于所施加的控制信号而记录激光器输出所需的测试装备可以具有从几毫秒到几秒的响应时间，使校准处理在历史上增加到数十小时。
对于利用两个可控镜子的可调谐激光器，可以使用标准校准并将其称为波长调谐图，其中随着递增地调谐镜子而记录激光器输出功率。在一种实现方式中，可以生成类似于[0070]中所示的二维轮廓图作为波长调谐图。图1例示出在可调谐激光器的前镜和后镜中具有变化的电流的典型波长调谐图。
可调谐激光器的波长和参数校准中出现的问题包括校准技术对温度和其他条件的鲁棒性以及访问可调谐激光器的所有可能调谐信道的能力的问题。此外，在公开文献中已经报道了可调谐激光器的许多现有技术，其中可以使用例如增益部分的激光器腔内侧的二极管部分的电压。例如，可以针对表示可调谐激光器在该点输出最大功率的点的电压降或最小值来监视增益部分的电压。根据该处理，在一种实现方式中，可生成类似于图2中所示的增益电压调谐图的增益电压调谐图，并且可能需要进行后续步骤来识别增益电压调谐图中的所有最小值。此外，关于增益电压调谐图中的最小值，利用仪器来测量光学输出功率值和相关联的波长，并且如果可调谐激光器使用像相位部分一样的微调机构，则输出波长被进一步调谐并且控制值可以被记录。
这种类型的校准(例如，基于增益电压调谐图的技术)可比利用仅波长的映射(例如，波长调谐图)更鲁棒和更快，因为首先利用快速电子仪器生成增益电压调谐图，并且然后在识别增益电压调谐图中的最小值后，只有那些控制点被用来用外部仪器观察波长输出，从而减少仪器的时间限制。然而，注意到增益电压图可能是有噪声的，并且可能需要增加单点解释时间，以及增益电压图的最小值探测器可以使点随机分布。
现有技术中的快速波长和激光校准中的另一个限制因素产生于可调谐激光器的基本设计。可调谐激光器已经被设计为从激光器面(或镜子)之一中提取最大能量，因此，必须基于从一个面提取的光信号来进行校准例程。可以使用具有两个或更多个镜子和可能的相电流部分的激光调谐的完整信息进行调谐，但是当只有一个镜子是可访问的时，校准算法和技术可能受到限制。
本文中所描述的本技术部分地由于使用可调谐激光器的全部设计特征而克服了这些限制。也就是说，本技术使用从激光器腔的多个面(例如，两个或更多个面或镜子)提取的光能。在该示例中，在校准处理中访问多个面(例如，两个或更多个面或镜子)的能力可以提供优于可以访问仅一个面(镜子)的现有技术的基本优点。本公开的克服限制的其他方面可以包括以下能力：基于从使用片上光放大器作为源的多个镜子收集调谐数据，结合多个输出面(具有或不具有集成的光学数据调制器)来利用增益电压图、最小值搜索算法、快速曲线拟合算法、测试和测量装备的接口连接，以迅速收集仅必要的数据和算法。结果，本文中所描述的本技术显著地加快了整个校准处理，并且实现了多级处理，从而将能够以各种信道间隔(例如，6.25GHz、37.5GHz、50GHz、100GHz)调谐到大信道计数(例如，超过80个信道)的可调谐激光器的校准时间显着地减少到几分钟的量级。
在本公开中，描述了四种示例方法或算法，所有这些方法或算法都可以在本技术的各个方面中单独使用或者结合其他来使用。所例示的四种方法在本文中仅作为示例性情况而提供。因此，本公开不仅限于这些公开的按这种形式的方法，而且可以包括以其他组合利用本公开的激光器设计和本质方面的其他变体和方法。
本文中所描述的本技术进一步提供了优于现有技术几个数量级的改进，并且通过以下可调谐激光器设计来实现：其中，在可调谐激光器的校准处理期间，在芯片输出处可访问两个或更多个面。此外，使用诸如半导体光放大器(SOA)之类的片上光源，本文所描述的本技术可以实现校准的第一阶段之一的晶片级规模测试，从而显著减少对完全校准进行测试的成本，完整校准是在载体级别上的单独的管芯或芯片处完成的。
具有快速波长校准算法的另一个原因是可调谐激光器用于相干通信。可调谐激光器的线宽和光学输出噪声对于相干(和其他)通信系统可能是至关重要的，其可能部分地由于调谐可调谐激光器的各个部分的电流源的噪声而被限制。存在对可调谐激光器的调谐的替代途径，其可以替换或增强当前的调谐，例如加热可调谐激光器的激光器调谐部分。然而，任何类型的调谐的温度控制(例如，热调谐技术)比电流受控途径慢几个数量级，结果，基于温度控制的波长校准例程可被减慢到不可接受的水平，从而大大增加了制造的成本和时间。通过本文所描述的本技术实现的快速波长校准方法、算法和装置因此对于降低制造成本和改进用于相干通信的可调谐激光器的可制造性而言是极其重要的。
如上所述，本技术部分地通过可调谐激光器(例如，可调谐U型激光器)的独特方面或者其中可在输出处访问多于一个光学输出面(例如，多个面)的一般类别的可调谐激光器来实现。在可调谐激光器的校准期间，多个面与诸如现场可编程门阵列(FPGA)之类的硬件和算法结合使用，以显著减少波长校准的复杂度和时间量，并且还减少耗时的测试装备和过程的费用和使用。
根据本公开的一个方面是利用以下激光器结构，其中两个或更多个激光器镜子(或面)对校准仪器和算法的光学输出是可访问的。在与光学数据调制器集成的可调谐激光器的情况下，可调谐激光器的两个镜子对光学输出和校准仪器都可以是可访问的。
根据本公开的另一方面是增益电压调谐图可以与可调谐激光器的激光器腔内的各级镜子调谐和其他调谐机构结合使用，和/或进一步与调谐拟合算法和设计为减少总体校准时间的各级校准结合使用。
根据本公开的另一方面是，诸如光放大器之类的片上光源可以用在经由主光学芯片输出提供关于激光器镜的调谐特性和任何内部激光调谐部分的信息中，使得波长校准处理利用线性镜扫描和/或与进行所有控制对波长映射点的完整映射相比大大降低了复杂度的调谐曲线来进行。
根据本公开的另一方面是，一个或多个图像处理技术可以用在识别增益电压调谐图中的最小值或最大值中，以使用迅速映射技术和装备加速对激光调谐点的识别，从而把校准的较慢部分归入校准处理中的后期阶段，其中使用较慢的测试和校准装备测试和测量较少的点。
根据本公开的另一方面是利用在诸如FPGA之类的硬件级门中的嵌入校准路由，并且甚至利用在存储数据的同一FPGA中的嵌入校准路由，这例如在可调谐激光器的制造、系统集成乃至后期部署期间可以导致制造效率的提高、成本的降低以及进行波长校准的灵活性的增加。
根据本公开的另一方面是可以独立地或组合地使用一组方法或算法，其通过访问可调谐激光器的多个面输出并且在硬件门(例如，FPGA)中嵌入波长校准来实现。
根据本公开的另一方面是可以使用独立或部分超级模式跳动来跟踪甜蜜操作点的边界。该方法或算法例如可以使用快速测波仪在大约十分钟内映射100个ITU信道。
根据本公开的另一方面是利用由具有可用于算法的多于一个面(镜子)的可调谐激光器实现的镜子反射校准。该示例技术可以将映射复杂度从N∧2点问题降低到2N问题，并且因此可以在几分钟内完全映射功率集成电路(PIC)。
根据本公开的另一方面是当本技术用于校准可调谐激光器的波长时可获得一个或多个益处，其中可调谐激光器的低线宽和光学输出噪声对于相干(和其他)通信系统(特别是其中使用像加热激光调谐部分的慢调谐机构)是至关重要的。
根据本公开的另一方面是与本文中所公开的并且通过具有多个面输出的可调谐激光器的优点来实现的一种或多种技术或方法结合。例如，增益电压图的使用可以与作为检测器而被反向偏置并连接到每个主激光器输出的片上集成半导体光放大器(SOA)结合，并且输出在光子集成电路主要输出处同时可用。替代地或除此之外，本文中所公开的本技术还可以与片外检测器一起使用；然而，在每个激光镜子的输出处嵌入用作检测器的放大器(例如，SOA)使得能够基于增益部分电压和光学输出功率使平衡激光器输出的现场监视能够与增益电压调谐图和图激光调谐性质相关联。当使用电流注入调谐时，本文中所公开的本技术当与快速电流源计量器和快速测波仪结合时显著快速。
根据本公开的另一方面是以流水线方式合并多种技术，其中最快的技术被应用于必须收集大量数据的阶段，并且然后较慢的技术或测量被应用于当数据集可以大大减少时的校准阶段。在一种实现方式中，所有可访问的调谐点的快速校准可以使用上述技术中的任意一种或组合来进行，其中实际波长不是已知的或者诸如边模抑制比(SMSR)以及再一次有限的一组期望信道和控制集点之类的其他参数是已知的，并且利用较慢的仪器来进行最终扫描，诸如光谱分析仪(或快速并行信道光谱分析仪)被用来确定每个信道的最终特性。
根据本公开的另一方面是使用图像处理来跟踪波长，以根据利用上述任何一种或者上述技术或其他技术的组合生成的图来细化期望信道的控制调谐点的位置。例如，在增益部分被设置为最佳光学输出所需的恒定电流水平时，SOA可以被反向偏置，以起输出光功率的检测器的作用。镜电流的变化可以调谐可调谐激光器，从而产生具有不同输出功率的各种波长的峰值。具有变化的镜电流的SOA中的任何一个SOA上的SOA光电流图(例如，图3中所示的一个)示出了对应于镜子部分和增益部分的跳模。在SOA光电流到镜电流的图(本文中将被称为“SOA图”)上，这些跳重叠以形成“块”。这些块的中心形成用于调谐可调谐激光器的理想操作点。
在根据本公开的一个方面中，各种方法或算法可以独立地或组合地用于校准可调谐激光器。在下面的描述中，根据本公开的各方面呈现了各种方法，包括增益电压图算法、增益电压和SOA光电流图算法、镜反射算法和跳模算法，其中的每一个可以单独实现或与其他算法组合实现。
[增益电压和SOA光电流图算法]
如上所述，通过示例的方式，在本公开的一个方面，SOA光电流图或增益电压图和SOA光电流图的组合可用于波长校准处理。在该示例中，可以使用图像处理和计算机视觉功能从光放大器的图像图(例如，SOA图)中提取波长。光放大器可以与可调谐激光器位于同一芯片上或者位于芯片外，但是在可访问的两个或更多个激光镜子外侧，以利用作为独立测量结果或与增益电压图结合的变化的镜电流来监视光电流变化。
在该示例中，可调谐激光器的增益部分可以被设置为最佳光学输出所需的恒定电流水平。光子集成电路(PIC)可以被配置为包含连接到每个激光镜子输出的多个SOA，使得可以通过施加电学反向偏置使用SOA作为光电检测器来监视来自每个激光器面的光学输出功率。镜电流的变化可以调谐激光光学输出波长，导致具有不同输出功率的各种波长的峰值。可以获得任何一个SOA上的SOA光电流的图，对应于相关联的激光镜子的变化的镜电流和光学输出。
准连续可调谐激光器的特征可以包括跳模，其中光学输出通过一系列多波长峰值输出有时从一个波长跳跃到另一个波长。在该示例中，SOA调谐图可以显示与镜子部分和增益部分对应的跳模。如图3中所示，在SOA光电流到镜电流的图(例如，SOA图)上，这些跳模重叠以形成“块”或区域，其具有周围峰轮廓和在区域是对称的时位于中心附近某处的具有最小值的谷。因此，这些块的中心(例如，在具有最小值的谷附近)继而形成用于调谐可调谐激光器的理想操作点。然而，区域常常不是对称的，特别是跨图，并且确定最小值的一个或多个位置是在本地理想操作最小操作点方面被加速的本公开的一个方面。
在根据本公开的另一方面，可以使用示例方法或算法以通过SOA光电流图的图像处理来确定块的中心。在该示例中，算法可以包括以下四个步骤：(i)获得SOA光电流图，(ii)对获得的SOA光电流图进行边缘检测，(iii)对在步骤(ii)中获得的图像进行轮廓检测，和(iv)进行轮廓的中心检测，并且将检测到的轮廓的中心映射到用于调谐可调谐激光器的操作点的镜电流。图4A中例示出该算法的处理流程的一个示例。图4B至图4D还示出了经受边缘检测和轮廓检测的SOA光电流图的示例。
返回参考如图4A中所示的处理流程，在401处，首先获得或提取SOA光电流图。作为示例，使用诸如处理器、微处理器或FPGA之类的电子电路来构建SOA光电流图。例如，如图4B中所示，对于第二光放大器(例如，SOA2)，获得具有变化的镜电流(例如，镜1电流M1和镜2电流M2)的SOA2光电流图。
在403处，通过经由诸如一个或多个处理器、FPGA之类的电子电路来进行图像处理，可以在SOA2光电流图的图像上检测边缘。通常，波长跳跃可能转化为SOA2光电流图的图像上的轮廓或块的边界(或边缘)。利用适当的图像阈值，使用各种特征检测技术(例如在计算机视觉领域中使用的技术和/或算法)，可以快速且容易地检测边界。可以使用的边缘检测技术的一个示例包括canny边缘检测方法。
此外，边缘检测的效率通常由块的检测到的边缘的有效性决定，这继而可取决于图像阈值。然后可以基于输出光功率来校准用于边缘检测的图像阈值。注意到，跨SOA2光电流图的镜电流的整个扫描范围，图像阈值可能不是恒定的。
在405处，在检测到块的边缘之后，可以经由图像处理在SOA2光电流图的检测到的边缘上检测轮廓。此外，检测到的轮廓被绘制在SOA2光电流图的图像上。在该示例中，仅闭合轮廓是感兴趣的，因为闭合轮廓表示由跳模形成的块，如图4D中所示。作为示例，诸如一个或多个处理器、微处理器或FPGA之类的电子电路可以用来检测SOA2光电流图的图像上的轮廓。
在407处，可以经由图像处理基于图像时刻来确定每个有效轮廓的中心。进一步处理每个有效轮廓以确定有效轮廓的中心。然后，可以以高达子像素的精度将确定的有效轮廓的中心映射回到镜电流，如图4E中所示。作为示例，诸如一个或多个处理器、微处理器或FPGA之类的电子电路可以用来确定SOA2光电流图的图像上的检测到的轮廓的中心。与确定的中心相关联的镜电流对应于激光发射波长峰值。
[镜反射算法]
替代地或者除此之外，镜反射算法可以单独使用或与用于波长校准处理的(一个或多个)其他算法结合使用。在本公开的一方面，作为示例，可以经由本文中所公开的一种或多种技术来映射具有两个采样光栅分布式布拉格反射器(SGDBR)镜的双光学可调谐激光器的发射波长。注意到，所述一种或多种技术取决于访问可调谐激光器的两个发射面的能力。此外，可调谐激光器在镜子之后可以具有或不具有半导体光放大器(SOA)。此外，SOA可以是PIC的一部分或者被布置在PIC外并耦合到可调谐激光器。
图5A和图5B示出了具有(对应于多个镜子的)两个或更多个SOA的可调谐激光器的两个示例配置。一般原理是测量可调谐激光器的镜1和镜2在各种调谐状态下的反射光谱，以及计算将可调谐激光器设置为激光发射的期望波长所需的设置。可以通过包括电流注入或可调谐激光器的光学波导的热加热在内的各种技术来进行镜子(例如，镜1和镜2)和激光相位部分的折射率调谐。
在该示例中，虽然不是必需的，但是获取可调谐激光器的镜反射光谱的过程对于两个镜子是完全相同的。在下面的讨论中，描述了测量镜1的镜反射光谱的方法。作为示例，在一种实现方式中，SOA1被正向偏置以产生放大的自发发射(ASE)。增益部分(或图5A中的两个)可能是反向偏置的，或者如果反向偏置不可用，则偏置为0mA以提供吸收。SOA2是反向偏置的，或者如果反向偏置不可用，则偏置为0mA以提供吸收。可以经由与SOA1相关联的输出点(例如，输出1)来记录镜1的反射光谱。图6A例示出没有波长调谐处理的镜1的反射光谱。在该示例中，在镜1的多个镜电流处(例如，在0mA、5mA、15mA和25mA处)在不同调谐步骤处记录反射光谱，如图6B中所示。最大调谐步骤应该使得反射峰值已经移动如此远以至于它们与来自没有调谐的光谱的邻近峰值重叠。因此，这些图7例示出在35mA调谐电流处的峰值与未施加调谐电流(例如，在0mA处)的峰值重叠的示例。因此，35mA可以是最大调谐步骤。
类似地，可以通过使用来自SOA2的ASE并在与SOA2相关联的输出点(例如，输出2)上测量镜反射光谱来为镜2获得类似于镜1的数据的数据。在这种情况下，SOA1可能是反向偏置的，或者如果反向偏置不可用，则偏置为0mA以提供吸收。
此外，基于包括镜反射光谱在内的获得或收集的数据来提取或确定每个单个反射峰。然而，在该示例中，数据收集方法需要保证存在单个反射峰，或者数据需要被进一步处理以产生反射峰，例如被平滑以避免一个反射峰中的多个最大值。作为示例，原始数据可以包括如图8中所示的一个峰801中的两个最大值。在这种情况下，对原始数据进行平滑或平均化操作以产生平滑曲线，例如十五点(15点)平均曲线807或二百点(200点)平均曲线805。
在该示例中，如上所述，从每个测量的镜反射光谱中，可以使用各种信号处理操作来提取单独峰值波长。为此，可以使用包括各种平均化方法在内的任何峰值检测算法。为了促进峰值检测和/或提取，可以从每个测量的镜反射光谱中减去潜在的ASE。此外，对于潜在的ASE光谱，每个测量的镜反射光谱可以被平滑化，使得数据中没有峰值可见，例如由200点平均化方法产生的平滑曲线805。
图9示出了其中确定潜在ASE光谱并将其从镜反射光谱中减去的镜反射光谱。在该示例中，通过从如图8中所示的15点平均曲线的光谱中减去200点平均曲线的光谱来获得镜反射光谱901。可以看出，当利用测量到的峰值波长绘制具有减去ASE的镜反射光谱时，可以使用峰值检测算法来检测每个峰的波长值。
取得完整波长校准图的下一步骤是针对多个调谐电流或调谐加热器功率值或者针对用来调谐可调谐激光器的镜子的单元来绘制峰值波长。图10A示出了针对可调谐激光器的镜1的多个调谐电流绘制的多个提取的峰值波长。具体地，作为示例，在针对镜1的调谐电流绘制提取的峰值波长之后，对图10A中所示的每个轨迹应用二阶多项式拟合。多项式拟合线在图10B中示出。类似地，对可调谐激光器的镜2的收集的数据进行完全相同的分析。
现在，具有可用于镜1和镜2的多项式拟合数据，可以基于多项式拟合数据来确定或提取期望将可调谐激光器设置为的任何波长。图11示出了用于镜1和镜2的这种多项式拟合数据的一个示例。对于电流调谐，峰值波长可以随着增加的电流而减小。为了提取期望的波长，需要选择两个镜的在较高波长处开始的多项式拟合数据集，以及计算将镜子恰好设置为该期望波长所需的电流。作为示例，使用图11中所示的针对1550nm的期望波长的多项式拟合数据，第一镜电流(例如，镜1)被设置为12.7mA(例如，M1＝12.7mA)并且第二镜电流(例如，镜2)被设置为4.0mA(例如，M2＝4.0mA)。
此外，在可调谐激光器的镜1和镜2已经对准期望的激光发射波长(例如，1550nm)之后，需要调节法布里-珀罗(FP)模式以完美匹配期望的发射波长。为此，可调谐激光器的相位部分(例如，LasPhase部分)需要被调谐。在没有对LasPhase部分的调谐的情况下，FP模式可能无法被完美对准。图12示出了假设期望的发射波长为1542.05nm和模拟FP模式下的完美对准的镜反射峰值的一个示例的模拟结果。可以看出，对于LasPhase部分上的3mA的调谐电流，在1201处，一个FP模式与1542.05nm处的镜完美对准。
跳模算法
在本公开的一个方面，替代地或者除此之外，跳模(或模式跳跃或模式跟踪)算法可以单独使用或与用于调谐波长校准处理的(一个或多个)其他算法结合使用。作为示例，跳模或跟踪算法是用于表征具有两个SGDBR镜的可宽调谐激光器的算法。一种这样的激光器是在这里作为示例性情况描述的U型激光器，但是跳模算法可应用于其他可调谐激光器，特别是具有用于与输出通信的多于一个输出面的可调谐激光器。为了描述该校准方法，理解U型激光器如何工作是有益的。下一节是允许可调谐U型激光器的宽调谐能力的概念的简要描述。此外，之后提供对建议的校准装备的描述。
可调谐U型激光器的可宽调谐的能力基于其两个SGDBR镜上的电流设置。可调谐U型激光器的腔模的调谐允许微调激光波长。SGDBR镜各自产生反射峰的外表，并且一个镜子的峰间距与另一个略有不同，使得在任何时间在镜子之间只有一个共同的峰值。当一个镜子的反射峰的波长与另一个镜子的反射峰的波长相匹配时，可调谐激光器将以该波长发出激光。当一个镜子的电流和因此的外表峰相对于另一个移动时，激光发射波长将从一个外表峰跳到现在在两个镜子上匹配的下一个外表峰。当两个镜子被一起调谐时，可以平滑地调谐外表峰之间的距离。因此，在该示例中，利用跳跃和平滑调谐的组合，可以在宽的波长范围内实现完全可调谐性。在下面的描述中，本公开将一起参考该跳跃和平滑调谐。
校准可以用几种不同类型的仪器来进行，并且这里给出了用于例示目的的示例。在本公开的一个方面，可以由FPGA、处理器、计算机等控制的电流/电压源以及受控的其他仪器(包括但不限于光谱分析仪、测波仪、或者可以测量可调谐激光器的波长并将该信息返回到控制电流/电压源的同一计算机的其他类似工具)被使用。
图13A例示出在跳模处理中使用的流程图的一个示例。在本公开的一个方面，具有两个镜子的可调谐激光器的跳模处理可包括以下步骤或部分：
步骤1：寻找跳线起始点1301，
步骤2：跟踪跳线1303，
步骤3：分析收集的跳线数据并获得信道镜电流1305，
步骤4：优化激光腔相位部分(LasPhase)，以及
步骤5：修复LasPhase导致波长偏移处的信道的镜电流1309。
也就是说，在第一步骤1301首先寻找波长跳跃的起点。然后，在第二步骤1303，沿着两个镜子上的递增更大的镜电流的一维线来跟踪这些波长跳跃。作为第三步骤1305，进行对从第二步骤1303收集的数据的分析，以便确定期望的特定激光发射波长的操作设置。然后在第四步骤1307，进行对可调谐激光器的腔模位置的优化，其起对激光发射波长的微调的作用。作为第五步骤1309，还进行对一些信道的镜电流的重新优化。注意到，在执行这些步骤时，可使用包括一个或多个处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或可被配置为进行逻辑功能(包括软件和硬件组件两者的任何组合)的其他电子器件的电子电路。
图13B例示出用于进行跳模处理的前四个步骤的流程图和伪代码的示例。作为示例，如上所述，第一步是找出在哪些镜电流处产生波长跳跃。这可以通过反复对镜子的电流进行轻微的修改、测量并记录所得到的波长和镜电流来实现。这里，注意到镜电流的起始值是要选择的基本参数，并且镜电流的一个起始值可以包括两个镜子的零电流。在本公开中，镜电流可以可互换地称为M1(镜1的镜电流)和M2(镜2的镜电流)。此外，如上所述，M1和M2可以初始设置为0mA。
在本公开的一个方面，一种途径是在所有步骤处测量所得到的波长的同时，使M1重复增加特定电流量，例如增量dI。在每个步骤之后，波长通常将仅改变相对较小的量。如果波长改变了类似于镜外表峰间隔的间隔的量，则确定已经识别出跳模的位置。该处理可以在图14中详细例示出。这样产生的M1和M2电流设置将被用作跳模处理的第二步骤中的起点。
替代地，跳模处理可以进行到该起点的第二步。还可以继续寻找其余跳模的起点。为了继续对跳模的这种寻找，可以沿着方向1401增加M1的值，直到观察到下一个跳模并且然后将其记录。增加M1的值并记录注意到的跳跃的处理被继续，直到确定了预定数量的跳跃，并且对于任何镜子已达到对最大电流的限制。然后，跳模处理可以循环回到M1＝0mA和M2＝0mA并且开始相同的处理，但是现在留下M1＝0mA但是使M2递增增加dI并且沿着新方向1403记录注意到的跳跃。结果，该处理一般将发现所有镜跳跃的起点。
替代地，还有其他方法来进行相同操作，诸如沿着M1＝α-M2的线进行，并且α是与镜电流限制有关的常数。图14概念性地例示出M1和M2的扫描方向以及发现的多个跳线起点。如图14中所示，箭头表示扫描方向1401或1403，并且圆圈表示发现的跳线起点。
在本公开的一个方面，跳模处理中的第二步骤的一个示例是沿着两个镜子上递增更大(或更小)镜电流的一维线来跟踪跳跃起始位置，其在图15中概念性地例示出。在跟踪该线1501时，可以记录镜电流和激光发射峰的波长。根据跟踪跳模线的方法，也可以记录主峰的功率和次峰的功率和波长。在该示例中，该跳线是一维的，因为M1、M2和波长对于特定跳线是相互依赖的。如果由镜子的电流中的变化引起的波长变化是线性的，则M1和M2可被增加相同的量并且仍然在跳线上。然而，通常情况并非如此，因此仔细调节M1和M2以保持在线上是重要的。在一种实现方式中，一种这样做的方式是仅增加M1，直到观察到跳跃为止，然后仅增加M2，直到另一方向上的跳回被识别出为止。该处理可以在在一跳之前增加M1然后在另一跳之前增加M2之间继续，直到我们达到预定波长或电流限制为止。
替代地，可以通过检查在跳跃期间可能发生的两个激光发射峰的功率的比率来进行跟踪跳线的任务。两个功率水平的比率可以指导相对于增加M2的量来增加M1以保持在跳线上的量。对于用来跟踪跳线的任何方法，可以对在跳模处理的第一步骤中确定的每个起始位置进行跳线的跟踪。
在根据本公开的另一方面，跳模处理的第三步骤的一个示例是对由第二部分产生的数据进行分析，以便利用表示沿着校准中的可调谐激光器的跳模线的M1和M2值的数据来确定期望的特定激光发射波长的操作设置。图16例示出每个信道1605所需的镜电流的概念图。在该示例中，重要的是远离跳模线1603，因为这些不是理想的操作条件。更好的操作条件可以直接在跳模线1603之间找到。例如，跳模线1603在彼此相似的方向上延伸，使得激光操作的理想条件1601也形成在跳模线1603之间直接延伸的线。在本公开中，这些理想操作的线将被称为理想线。理想线(就像跳模线)各自包括M1、M2和波长的一维相互依赖函数。在该示例中，描述理想线的一维相互依赖函数可以通过对理想线1601的任一侧上的跳模线1603的函数参数进行平均化来确定。跳模线1603的函数参数是从跳模处理的第二步骤得到的数据的拟合得出的。一旦找到了所有理想线的函数参数，就可以使用所述函数来确定将可调谐激光器设置为在可调谐激光器的调谐范围内期望的任何波长所需的镜电流。
此外，函数参数可被存储在查找表中以供以后使用。替代地，每个期望波长的最终电流可被存储在嵌入在硬件门中(诸如在FPGA中)的查找表中。在其中在FPGA的硬件上运行校准例程的一种实现方式中，方法或算法、数据收集和存储都可以利用相同的基于硬件的逻辑来进行。此外，可以通过与现有技术相比具有显著优点的极高速、基于门级的并发处理来进行处理和存储。
在本公开的一个方面，也可以从如图17中所示的每个跳模线1701的两侧获取数据。在该示例中，M1和M2的值在每一侧将是有些类似的，但是每侧的波长将被超模间距分隔开。在本公开中，线1701的侧面被称为“左侧”和“右侧”，其中基于沿着从低镜电流到高镜电流的线1701行进来设置术语“左”和“右”，如图17中所示。在最左边的线上的零处开始并递增至最右边的线的跳模线被标记(参见图17中的线上的数字)。
在本公开的一个方面，为了描述理想线(例如，图16中的1601)的计算，用于计算在跳模线3和跳模线4之间的理想线的处理应当得到理解。跳模线3的右侧将具有与跳模线4的左侧类似的波长。在这种情况下，作为为了波长vs M1以及波长vs M2而对跳模线3的右侧使用二次方程的示例来进行曲线拟合。然后对跳模线4的左侧重复该曲线拟合，导致总共四个方程。每个方程可被表示为如下所示的二次方程：
Y＝AX2+BX+C
可以将四个字符的术语用于上述A、B和C参数来编写四个方程。第一个字符是A、B或C。第二个字符是跳模线的编号。第三个字符是R或L，其表示跳模线右侧或跳模线左侧。对于M1或M2的曲线拟合，第四个字符是1或2。
因此，四个方程可被编写如下：
(跳模线3的右侧)＝(A3R1)(M1)2+(B3R1)(M1)+(C3R1)；
(跳模线3的右侧)＝(A3R2)(M2)2+(B3R2)(M2)+(C3R2)；
(跳模线4的左侧)＝(A4L1)(M1)2+(B4L1)(M1)+(C4L1)；以及
(跳模线4的左侧)＝(A4L2)(M2)2+(B4L2)(M2)+(C4L2)。
然后，使用上述参数的平均值的理想线的两个二次方程可被确定如下：
(3-4理想线)＝(A1)(M1)2+(B1)(M1)+(C1)；
(3-4理想线)＝(A2)(M2)2+(B2)(M2)+(C2)，其中
A1＝(A3R1+A4L1)/2，B1＝(B3R1+B4L1)/2，C1＝(C3R1+C4L1)/2，A2＝(A3R2+A4L2)/2，B2＝(B3R2+B4L2)/2，并且C2＝(C3R2+C4L2)/2。
最后，可以利用二次公式作为两个理想线方程的波长的函数来获得M1和M2，并使用该信息来确定在该线上是否存在具有合理的M1和M2电流(例如，大于0且小于最大镜电流的电流)的任何国际电信联盟(ITU)波长。
在本公开的一个方面，跳模处理的第四部分是优化可调谐激光器的腔模位置，其起对波长的微调的作用。包括U型激光器和类似类型的激光器的可调谐激光器被设计成使得一次只有一个腔模可以发出激光。因此，该单个激光发射腔模的位置需要与可调谐激光器的期望激光输出波长对准。
在一种实现方式中，通过在监视波长的同时扫描激光相位(例如，LasPha)部分电流来进行腔模的对准。图19例示出从扫描激光相位部分电流的该步骤得到的典型数据。如图19中所示，当一个腔模离开单独镜面反射率峰值并且下一个进入其时，注意到诸如3.2mA处的不连续性。根据图19中所示的示例，如果可调谐激光器期望在1578.9nm处发出激光，则LasPha部分电流可被设置为约1.3mA。这种调节可以利用反馈回路中的波长锁定器自动完成，其中波长锁定器调节LasPha部分电流以保持光学校准的期望激光波长。此外，可以对所有波长进行腔模的对准，并且参数可被存储在用于操作性使用的查找表中，如这里在本公开中所述。
还注意到，图19所示的最大波长和最小波长之间的范围可能不包括要映射的信道。如果在跳线数据分析中发现的镜电流不正确，则可能会发生这种情况。因此，在本公开的一方面，可以对镜电流进行校正。也就是说，可以对镜电流进行小偏移的校正。作为示例，假设期望的输出波长为1579.1nm。在这种情况下，可以使用上面计算的拟合参数(例如，步骤3)来移动镜电流。首先，估计镜电流有多远。然后，如下确定图19中的最大和最小波长的平均值以获得镜峰的位置的估计：
max＝1579.024nm；
min＝1578.789nm；
max和min的平均值＝(1579.024nm+1578.789nm)/2＝1578.907nm；
λ偏移＝1579.1nm-1578.907nm＝0.193nm。
接下来，使用拟合的导数并且如下求解镜电流的变化，对于波长的变化，可以找到镜电流的变化：
Y＝AX2+BX+C，
dY＝(2AX+B)dX，
dX＝dY/(2AX+B)
镜偏移＝(λ偏移)/(2*A*(镜电流))+B)
(*注意这仅对小偏移有效)
结果，更新的镜电流可以如下确定：
新镜电流＝旧镜电流+镜偏移
对于镜1和镜2两者可以使用相同的方程，但是现在让我们对镜1使用镜1拟合参数并对镜2使用镜2拟合参数。使用镜电流的这些更新，对需要重新优化的信道重复步骤4，以达到调谐图最小值并达到期望的输出波长信道。随着步骤5的完成，经由一个或多个处理器、微控制器、FPGA、ASIC等，可调谐激光器可被调谐到任何信道并且可以将镜电流和LasPha电流存储在查找表中。图20示出了使用本文中所描述的本技术按分钟的量级获得的可调谐U型激光器的校准的100个信道调谐的一个示例。
通常，可调谐激光器的波长校准中的主要挑战在于将校准时间减少到对以生产数量生产可调谐激光器而言可行的水平。例如，假设要生产每月10000个单元并且生产线每天运行24小时，以完美的效率连续校准单元，每单元可用的校准时间将是30*24(＝720小时/月)除以10000单元(＝0.072小时/单元＝4.32分钟/单元)。生产单元的并行处理减少了校准时间的这个问题，但是由于生产单元的并行处理所需的附加测试装备和人员也增加了成本。因此，在工厂级别对可调谐激光器的校准时间的任何减少可能是最重要的。此外，通过SDN手段对已经部署在现场的老化单元的现场甚至服务中的校准或重新校准意味着它可以大大降低与任何停机时间和替换相关联的成本。
实现这些目标(例如，校准时间的减少)可能需要将进行对可调谐激光器的校准的智能装置放置得更接近可调谐激光器以及减少进行校准所需的电子器件的成本/尺寸/功率。作为示例，如本公开所述，可以使用以FPGA为中心的设计来实现本技术的各个方面，导致可调谐激光器的校准时间的大量减少。也就是说，使用根据本公开的FPGA和相关联的电子器件将大大降低工厂处的初始校准的成本并且/或者也可以被实现为交付产品的一部分，从而使得能够通过SDN进行现场校准。
如本文中所述的方法和硬件架构可以将校准时间减少到不到10分钟。然而，为了进一步降低所涉及的装备的成本，可能期望短几个数量级的时间。通常，减少这种校准时间的限制因素是与在通过标准接口向商业测试装备传送的标准主机(例如，包括一个或多个处理器的计算机)上进行一个或多个校准算法相关联地处理开销和数据传递瓶颈。因此，成本约束通常可以是测试装备，其每个通道的激光电极控制可以花费数千美元。本文中所描述的本技术可以规避这两个限制，同时使得能够在交付的产品(例如，可调谐激光器)中使用新的、高效的校准方法。
本文中所描述的包括进行波长校准的方法的本技术可以以硬件、软件或其任何组合来实现。然而，在本公开的一个方面，本技术可以被实现为硬件加速。在该示例中，校准方法的智能装置可以放置在FPGA中，其然后可以被设计为以优化的专用方式进行本技术，从而给标准主机处理器卸载并且仅留给其对结果数据集进行存档和报告的任务。图21例示出概念性地示出用于FPGA中心波长校准的组件的框图。图21中所示的系统2100包括主机控制器2101、FPGA 2103、激光控制电子器件2105、激光器2109和存储装置2111。主机控制器2101可以被配置为出于包括控制和管理在内的各种目的而与FPGA2103进行通信，并且还被配置为接收与可调谐激光器2109的校准有关的数据。在该示例中，FPGA 2103还通过与FPGA2103接口连接并连接到可调谐激光器2109的数模转换器(DAC)2107来驱动激光控制电极2105。FPGA 2103还可以包括各种组件，包括用于实现本文中所述的本方法的各个方面的校准组件2113和/或温度组件2115。此外，FPGA 2103可以包括内部存储装置(未示出)和/或外部存储装置，诸如耦合到FPGA 2103的用于存储包括用于实现本技术的参数在内的各种参数的存储器2111。在本公开的一个方面，存储器2111可以包括与实现本文中所述的本技术的各个方面相联系的数据的一个或多个查找表。
在本公开的一个方面，虽然它可能招致初始开发成本，但是系统2100在产品的生命期内比现有的商业装备(例如，商业现货(COTS)装备)便宜得多，以及实现高得多的速度。
此外，在本公开的一种实现方式中，例如，可以如下进行以FPGA为中心的波长校准方法。主机控制器2101可以将用于一个或多个校准算法的代码作为嵌入式软处理器中的高级编程语言(例如，C代码等)传递到FPGA 2103，或者为了甚至更高的效率和高速度将其作为硬件描述语言(例如，HDL代码等)传递到FPGA 2103。主计算机2101可以通过标准接口(即，通用串行总线(USB)连接)来连接，并且可以仅负责控制校准的进展以及传递和存储结果校准参数。FPGA 2103在进行包括校准算法在内的各种方法时可以直接与DAC2117进行通信并与ADC 2107通信，DAC 2117被配置为驱动到包括可调谐激光器2109的激光镜在内的各种组件的电流，ADC 2107被配置为监视电极电压和/或功率检测器以从本技术所需的可调谐激光器2109收集数据。替代地或者除此之外，FPGA 2103可以通过监测可调谐激光器2109上的热敏电阻并且驱动到可调谐激光器2109的TEC控制器的电流控制输入来控制激光器温度的瞬变。由于FPGA 2103在其处理中可能是大规模并行的，由利用本文中所述的校准方法同时操作该功能可能不引起开销。
此外，FPGA 2103可以将从激光器2109收集的数据缓冲或存储在诸如存储器2111(例如，SDRAM)之类的一个或多个存储设备中，执行本技术的各个方面，以及产生在尺寸上比原始数据集小得多的一组校准参数。在本公开的一个方面，主机控制器2101可能仅需要传递和存储这个简化的参数(和/或数据)集，从而大大提高校准激光器2109的效率。在该示例中，主机控制器2101可能仅需要管理简化的数据集，启动和停止校准处理，向人类测试操作者通知校准状态/结果，以及允许操作者设置校准参数。
由于可以针对硬件架构和方法或算法本身来优化本技术的基于FPGA的实现方式，所以可能在FPGA 2103中的方法的处理中产生可忽略的开销，并且去往和来自耦合的ADC2107、DAC 2117和存储器2111的数据传递可能是非常高效的。结果，校准系统(例如，系统2100)在其性能上现在不再受其自身的开销和传递速率的限制，而是受激光器本身(例如，激光器2109)的性能的限制，包括因关于电极电流变化的热瞬变产生的波长稳定时间。
作为示例，如本文中所述的示例架构可以以100KHz的速率设置单个电极的电流或读取单个电极的电压。假设为了收集增益电压图的单个数据点，需要改变两个激光电极电流，并且需要测量一个电极电压，可以以大约30KHz或每个数据点大约33μs来收集数据点。假设激光器的稳定时间足够快，可以在1/3秒内收集整个增益电压图，比现有COTS装备快几个数量级。此外，如果本文中所描述的示例架构被用作用于交付的产品(例如，可调谐激光器)中的激光器/调制器的控制器，则可以以最小的停机时间在服务中收集和处理增益电压图，并经由SDN将其传递到人或自主运营商以在现场监视和/或重新校准交付的产品。
虽然本发明的前述书面描述使得普通技术人员能够做出和使用目前被认为是其最佳模式之物，但是普通技术人员将理解并认识到本文中的具体实施例、方法和示例的变体、组合和等同物的存在。本发明因此不应受上述实施例、方法和示例的限制，而是受本发明的范围和精神内的所有实施例和方法的限制。
本公开的各个方面也可以由一个或多个处理系统来实现。例如，主机控制器2101、FPGA 2103或激光器2109可以用总线架构实现，总线架构可以包括总线以及任何数量的互连的总线和桥接器，如图22中所示。总线将包括一个或多个处理系统(或处理器)、一个或多个存储器、一个或多个通信接口和输入/输出设备的各种电路链接在一起。一个或多个处理系统负责管理总线和一般处理，包括执行存储在非暂态计算机可读介质上的软件。如上所述，一个或多个处理系统可以包括一个或多个处理器、解释并执行指令的微处理器。在其他实现方式中，一个或多个处理系统可以被实现为一个或多个专用集成电路、现场可编程逻辑阵列等或者包括一个或多个专用集成电路、现场可编程逻辑阵列等。所述软件当被一个或多个处理系统执行时使得一个或多个处理系统进行本文中针对任何特定装置描述的各种功能。非暂态计算机可读介质也可用于存储在执行软件时被一个或多个处理系统操纵的数据。一个或多个存储器可以包括各种类型的存储器，包括随机存取存储器或只读存储器，和/或其他类型的磁或光记录介质及其对应的用于存储信息和/或指令的驱动器。一个或多个通信接口还可以包括使得能够与其他设备和/或系统进行通信的任何收发器似的机构，包括光收发器(例如，TOSA和/或ROSA)。一个或多个输入/输出设备可以包括允许向外部设备或装备输入信息和/或输出信息的设备。
尽管在说明书中公开了和/或在权利要求书中记载了特征的特定组合，但是这些组合并不旨在限制本技术的公开。此外，本文中所公开的本技术的方法或方法论可以以软件、硬件、软件和硬件的任何组合、包含在计算机可读介质中的供控制器、处理器、计算机或者包括一个或多个处理器的处理系统执行的计算机程序或固件来实现。处理器的示例包括微控制器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、分立硬件电路、门控逻辑、状态机、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)以及被配置为进行本文中所描述的各种功能的其他合适硬件。
本文中所使用的术语“软件”将被广义地解释为意味着任何指令、指令集、程序、子程序、代码、程序代码、软件模块、应用程序、软件包、例程、对象、可执行文件、执行线程、过程、函数等，包括固件、微代码、中间件、软件、硬件描述语言等。此外，软件可以包括各种类型的机器指令，包括指令、代码、程序、子程序、软件模块、应用程序、软件包、例程、子例程、可执行文件、过程、函数等。此外，软件还可以指的是通用软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言等。如上所述，软件可以存储在计算机可读介质上。
计算机可读介质的示例可以包括非暂态计算机可读介质，诸如例如光盘、磁存储设备、数字通用盘、闪速存储器、随机存取存储器(RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、同步动态随机存取存储器(SDRAM)、只读存储器(ROM)、寄存器、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、可移动盘、闪存设备以及用于存储可由处理器或处理系统访问和读取的软件的任何其他合适的介质。还认识到，本领域技术人员将认识到，根据设计约束内的特定应用，如何最好地实现与向现有网络元件添加新系统功能有关的所描述的功能。
本文中使用的术语“单元”或“组件”意味着软件、硬件或其任何组合。组件可以被实现为软件组件、硬件组件或其任何组合，包括现场可编程门阵列(FPGA)、数字逻辑、数字逻辑阵列、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、微控制器、微处理器等或其任何组合。组件因此可以包括软件组件、任务组件、进程、处理、函数、程序代码、固件、微代码、电路、数据结构、表格、阵列和变量。
虽然为了简单起见，这些方法在这里被描述为一系列步骤或动作，但是将会理解，所要求保护的主题不受步骤或动作的次序限制，因为一些步骤或动作可能以与本文中所示和所描述的次序不同的次序发生和/或与其他动作同时发生。此外，实现根据本文中所公开的本技术的各种方法可能不需要所有例示出的步骤或动作。此外，本文中和贯穿该说明书公开的方法能够存储在制品上，以便利将这些方法运送和传递到一个或多个处理系统。本文中所使用的术语“制品”旨在涵盖可从任何计算机可读设备、载体或介质访问的计算机程序。
本文中所使用的术语“第一”、“第二”等可以用来描述各种组件，但是组件不受上述术语的限制。上述术语仅用于区分一个组件与其他组件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第二组件可以被称为第一组件，并且第一组件可以以类似的方式被称为第二组件。此外，本文中所使用的术语“和/或”包括多个相关联项的组合或者多个相关联项中的任何项。
此外，将注意到，当描述元件被“耦合”或“连接”到另一元件时，该元件可以直接耦合或直接连接到其他元件，或者该元件可以通过第三元件耦合或连接到其他元件。如果在上下文中没有明确相反的意思，单数形式可以包括复数形式。在本公开中，本文中所使用的术语“包括”或“具有”指示存在本文中所描述的特征、操作、组件、步骤、数量、部分或其任何组合。然而，术语“包括”或“具有”不排除存在或添加一个或多个其他特征、操作、组件、步骤、数量、部分或组合的可能性。此外，如本文中所使用的，冠词“a”旨在包括一个或多个项。此外，除非在本公开中明确这样描述，否则本公开中使用的元件、动作、步骤或指令不应被解释为对本公开是关键或必须的。
虽然为了描述示例实施例的目的已经用本文中所描述的具体示例例示出本技术，但是相关领域的技术人员认识到，在不脱离本公开的范围的情况下可以用各种各样的备选和/或等价实现方式代替所示出和描述的具体示例。因此，本公开旨在在不脱离本公开的精神和技术范围的情况下覆盖本文中示出和描述的示例和/或实施例的任何修改或变化。

Claims (26)

1.一种用于校准用于光学通信的可调谐激光器的方法，所述可调谐激光器被配置为在光学输出处提供对多个镜子的多个面的访问，每个镜子具有不同的采样光栅周期，所述方法包括：
经由电子电路，基于以下各项中的至少一项来确定将所述多个镜子调谐到可调谐激光器的期望波长所需的镜电流：可调谐激光器的增益部分的增益电压图、半导体光放大器SOA光电流图、所述多个镜子的镜反射光谱以及可调谐激光器的跳模。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
经由电子电路在镜电流跨度上监视可调谐激光器的增益部分的电压值；以及
经由电子电路确定电压降或最小值的点，电压降或最小值的点表示可调谐激光器正在一组镜电流处输出最大功率。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
经由电子电路，经由被配置为作为光电检测器操作的多个SOA监视来自所述多个镜子的每个面的输出功率；
经由电子电路，基于来自可调谐激光器的光学输出和变化的镜电流确定SOA的SOA光电流图，所述SOA是所述多个SOA中的一个SOA；以及
经由通过电子电路对SOA光电流图的图像处理，在所确定的SOA光电流图上确定轮廓的中心位置。
4.如权利要求3所述的方法，还包括：
经由电子电路使所述多个SOA中的一个SOA正向偏置；以及
经由电子电路使所述多个SOA中的剩余其他SOA反向偏置。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：
经由电子电路在镜电流跨度上获得所述多个镜子的反射光谱；以及
经由电子电路，基于对所述多个镜子的反射光谱的分析确定将所述多个镜子调谐到可调谐激光器的期望波长所需的镜电流。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
经由电子电路确定波长跳跃的一个或多个起点；
经由电子电路沿着所述多个镜子上的镜电流的一维线跟踪所述波长跳跃；
经由电子电路确定用于期望波长的镜电流的操作设置；以及
经由电子电路优化可调谐激光器的腔模位置，其起对可调谐激光器的微调的作用。
7.如权利要求3所述的方法，其中，所述多个SOA被布置在可调谐激光器的光子集成电路PIC中。
8.如权利要求3所述的方法，其中，所述多个SOA被布置在可调谐激光器的光子集成电路PIC外。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个镜子各自包括采样光栅分布式布拉格反射镜。
10.如权利要求1所述的方法，还包括将用于期望波长的镜电流的值作为查找表存储在存储器中。
11.如权利要求2所述的方法，还包括：
经由电子电路在镜电流跨度上生成增益电压图；以及
经由电子电路的图像处理来识别增益电压图中的最小值。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
经由电子电路使所述多个SOA中的一个SOA正向偏置；
经由电子电路使所述多个SOA中的剩余SOA反向偏置；
经由电子电路收集关于所述多个SOA的光学输出的数据；以及
经由电子电路，基于所收集的数据确定在镜电流跨度上的光谱。
13.如权利要求5所述的方法，还包括：
经由电子电路测量来自所述多个镜子的镜反射光谱；以及
经由电子电路，基于所测量的镜反射光谱确定峰值波长。
14.如权利要求13所述的方法，其中基于所测量的镜反射光谱确定峰值波长包括：
经由电子电路确定潜在的放大自发发射ASE；
经由电子电路向所测量的镜反射光谱应用平均化操作；以及
经由电子电路从平均化的镜反射光谱中减去潜在的放大自发发射。
15.如权利要求14所述的方法，还包括：
经由电子电路向包括所述多个镜电流上的确定的峰值波长的多个轨迹的数据应用多项式拟合；以及
经由电子电路将多项式拟合后的数据作为查找表存储在存储器中。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述电子电路包括以下各项中的至少一项：处理器、微控制器、现场可编程门阵列FPGA或专用集成电路ASIC。
17.一种用于光学通信设备的波长校准的装置，所述装置包括：
可调谐激光器，所述可调谐激光器被配置为在光学输出处提供对多个镜子的多个面的访问，每个镜子具有不同的采样光栅周期；以及
电子电路，所述电子电路被耦合到可调谐激光器和主机控制器，其中所述电子电路被配置为：
基于以下各项中的至少一项来确定将所述多个镜子调谐到可调谐激光器的期望波长所需的镜电流：可调谐激光器的增益部分的增益电压图、半导体光放大器SOA光电流图、所述多个镜子的反射光谱以及可调谐激光器的跳模。
18.如权利要求17所述的装置，其中，所述多个镜子各自包括采样光栅分布式布拉格反射镜。
19.如权利要求17所述的装置，其中，所述电子电路包括以下各项中的至少一项：处理器、微控制器、现场可编程门阵列FPGA或专用集成电路ASIC。
20.如权利要求17所述的装置，还包括对应于所述多个镜子的多个半导体光放大器SOA。
21.如权利要求17所述的装置，还包括耦合到电子电路并被配置为存储用于可调谐激光器的期望波长的镜电流的存储器。
22.如权利要求17所述的装置，其中，所述电子电路还被配置为：
在镜电流跨度上监视可调谐激光器的增益部分的电压值；以及
确定电压降或最小值的点，电压降或最小值的点表示可调谐激光器正在一组镜电流处输出最大功率。
23.如权利要求17所述的装置，其中，所述电子电路还被配置为：
经由被配置为作为光电检测器操作的多个SOA来监视来自所述多个镜子的每个面的输出功率；
基于来自可调谐激光器的光学输出和变化的镜电流来确定SOA光电流图，所述SOA光电流图与所述多个SOA中的一个SOA相关联；以及
经由对所述SOA光电流图的图像处理，在所确定的SOA光电流图上确定轮廓的中心位置。
24.如权利要求23所述的装置，其中，所述电子电路还被配置为：
使所述多个SOA中的一个SOA正向偏置；以及
使所述多个SOA中的剩余其他SOA反向偏置。
25.如权利要求17所述的装置，其中，所述电子电路还被配置为：
在镜电流跨度上获得所述多个镜子的反射光谱；以及
基于对所述多个镜子的反射光谱的分析，确定将所述多个镜子调谐到可调谐激光器的期望波长所需的镜电流。
26.如权利要求17所述的装置，其中，所述电子电路还被配置为：
确定波长跳跃的一个或多个起点；
沿着所述多个镜子上的镜电流的一维线跟踪所述波长跳跃；
确定用于期望波长的镜电流的操作设置；以及
优化可调谐激光器的腔模位置，其起对可调谐激光器的微调的作用。
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