CN110346874A - 基于自零差检测的自动波长锁定装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于自零差检测的自动波长锁定装置，包括：设置于光子集成芯片上的微环谐振器、用于补偿温度漂移的微加热器、用于数据信号调制的p‑i‑n二极管、用于实现两路光波耦合的带有移相器的定向耦合器和与之相连的光电探测器以及功率监测电路和控制单元，光信号从微环谐振器的直通输入端入射，从微环直通端出射，功率监测模块采集光电探测器的输出并将当前监控光功率输出至控制单元，内置波长锁定算法的控制单元根据当前监控光功率实时计算微加热器及移相器的期望电压，并分别输出控制指令至微加热器和移相器，形成反馈控制微环谐振波长。本发明能够大幅提升微环调制器、滤波器的工作波长范围、工作温度范围及工艺误差容忍度。

Description

基于自零差检测的自动波长锁定装置
技术领域
本发明涉及的是一种光通信领域的技术，具体涉及一种用于对微环器件进行谐振波长控制的装置，能够解决传统微环调制器、滤波器的波长敏感性问题，实现超过一个自由谱宽度的大范围自动波长对准锁定，从而大幅提升微环调制器、滤波器的工作波长范围、工作温度范围及工艺误差容忍度。
背景技术
现有锁定单环器件基于热光调节的原理，采用的技术手段包括基于输出功率监测、基于温度监测、基于误码率监测、基于散射光功率监测以及基于平衡零差监测的波长锁定，其中基于平衡零差相对而言具有控制电路结构简单、适用于调制器和滤波器、对光信号强度波动不敏感、不会干扰光信号等优点，但当微环器件用作调制器时，调制信号中的低频分量会对误差控制信号造成干扰，并进一步干扰波长锁定的过程；由于工艺误差、平衡光电探测器的响应度差异、器件上温度分布不均等因素，该方案需要对平衡探测的两个定向耦合器的输出信号做精确的相位控制以补偿相位漂移，却没有给出自动的精确相位控制方案，目前是手动控制；由于平衡探测的两个定向耦合器的输出信号光强度相差较大，需要平衡光电探测器来生成误差信号。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种基于自零差检测的自动波长锁定装置，通过光学干涉原理将微环的半程圆周相移锁定到π的整数倍，从而锁定微环谐振波长；本发明不需要参考光信号，因此属于自零差检测(Self-homodyne)。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于自零差检测的自动波长锁定装置，包括：设置于光子集成芯片上的微环谐振器、用于补偿温度漂移的微加热器、用于数据信号调制的p-i-n二极管、用于实现两路光波耦合的带有移相器的定向耦合器和与之相连的光电探测器以及功率监测电路和控制单元，其中：光信号从微环谐振器的直通输入端入射，从微环直通端出射，功率监测模块采集光电探测器的输出并将当前监控光功率输出至控制单元，内置波长锁定算法的控制单元根据当前监控光功率实时计算微加热器及移相器的期望电压，并分别输出控制指令至微加热器和移相器，形成反馈控制微环谐振波长。
所述的微环谐振器采用全通型微环谐振器，包括：底部直波导和环形反馈波导回路，也可由两根直波导和一根环形波导组成，其中：微加热器和p-i-n二极管分别设置于微环谐振器的环形反馈波导回路上并各自依据热光效应和电光效应调节微环谐振器的谐振波长。
所述的微加热器无特定形状结构要求，可用多种结构实现，但其承受的功率调节范围要能使谐振器的谐振峰热调超过一个自由频谱宽度(FSR)。
所述的p-i-n二极管用于高速信号电光调制，可用多种结构/工艺实现，但要能使谐振器的电光调制消光比达到实际应用场景的需求，如30dB、40dB等。
所述的定向耦合器为2×1的Y型耦合器或多模干涉仪(MMI)型耦合器，其交叉耦合系数优选设计得较小，当输入两路光信号的相位差为π时，Y型耦合器输出为零；优选如每个耦合器可耦合出<2％功率的光进行控制，以降低功率损失及保持微环的高Q值光谱特性。
所述的移相器，其目的在于通过适当地调整两臂光信号的相位差，从而补偿工艺误差导致的上下两臂传输波导的长度差影响，及环境温度的影响。
所述的微环谐振器的圆周相移在谐振状态下为2kπ，k为整数。从微环上找两点，两点构成的圆心角为π；通过定向耦合器的输入端从这两点分别耦合出两路小功率光信号，则这两路光的相位差为kπ，k为整数；耦合出的两路光信号经过两条光波导后耦合入一个耦合器进行干涉。由于实际应用中，这两条光波导由于工艺误差难以完全等长，以及器件上各处的温度不一致性，需要一个精确的相位控制补偿这些因素导致的额外相位差；定向耦合器的输出端通过光电探测器转换为电信号，以便于后续的控制子系统进行电域处理。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过基于自零差检测的自动大范围波长锁定技术实现了对微环器件的波长控制，其技术效果包括：
1.自零差检测的两路干涉光加载的信号相同，调制信号不会对监测光功率信号造成干扰，即由微环分出的两臂，其光功率基本相等，不需要平衡探测器；
2.设计高性能的算法可在调谐微环波长的同时，自动地精确控制两臂的相位差，从而不需要手动控制相位的基准信号；
3.由于自零差检测的两路干涉光功率基本相同，不需要以平衡探测方式生成误差信号；
4.基于相位控制的锁定方法固有的对输入光强度波动不敏感特性。
附图说明
图1为发明装置示意图；
图中：光子集成芯片1、反馈控制子系统2、底部直波导3、环形反馈波导回路4、定向耦合器5、移相器6、微加热器7、p-i-n二极管8、光电探测器9、控制单元10、功率监测电路11、微加热器控制模块12、移相器控制模块13、低通滤波器14、输入端IN、微环直通端OUT；
图2为本实施例中的集成光芯片版图；
图中：数字地20、模拟地21、第一控制移相器22、控制微加热器23、模拟地24、控制光电探测器25、模拟地26、第二控制移相器27、模拟地28、控制p-in二极管29；
图3为本实施例中的反馈控制子系统装置示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于自身零差检测的波长锁定装置，包括：设置于光子集成芯片1的微环谐振器、用于补偿温度漂移的微加热器7、用于数据信号调制的p-i-n二极管8、用于实现两路光波耦合的带有移相器6的定向耦合器5和与之相连的光电探测器9以及功率监测电路11和控制单元10，其中：光信号从微环谐振器输入端IN入射，从微环直通OUT端出射，功率监测模块11采集光电探测器9的输出并将当前监控光功率输出至控制单元10，内置波长锁定算法的控制单元10根据当前监控光功率实时计算微加热器7及移相器6的期望电压，并分别输出控制指令至微加热器7和移相器6，形成反馈控制微环谐振波长。
所述的功率监测电路和控制单元形成反馈控制子系统2。
如图2所示，本实施例中的光源产生任意指定波长的连续波激光，经过微环谐振器后，耦合到环形波导上，此时光分成两路相同功率的光波耦合输出，耦合出的光信号经过移相器后进入2×1Y型耦合器，再经过光电转换器后信号进入反馈控制子系统，使用算法控制微加热器和移相器，最终达到波长锁定的目的。
如图3所示，所述的功率监测模块11包括：用于将片上光电探测器输出的电流信号转化为电压信号以及放大的跨阻放大器(TIA)和用于滤除噪声提高控制系统灵敏度的低通滤波器(LPF)。
所述的反馈控制子系统中进一步设有微加热器控制模块12和移相器控制模块13，其优选通过功率放大器和数模转换器实现。
所述的控制单元10优选采用低速的商用单片机实现，由于控制子系统的带宽主要受限于微环的热光调制响应时间，为微秒量级，因此用带宽百兆赫兹量级的低速控制单元即可处理，并节约成本及功耗。
所述的波长锁定算法为如下两种方案中的任一：
A)设置热光调节范围为大于2个自由频谱范围(FSR)，从而在检测范围内一定存在干涉相长或干涉相消的谐振峰，则可相应使用最大值搜索算法或最小值搜索算法锁定两个谐振波长中的一个；
B)设置热光调节范围为大于1个FSR，在检测范围内，根据初步的粗扫描结果，判断器件光谱为凸型或凹型，从而知道当前FSR范围内的谐振波长处于何种干涉状态，使用相应的极值搜索算法可锁定谐振波长。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种基于自零差检测的自动波长锁定装置，其特征在于，包括：设置于光子集成芯片上的微环谐振器、用于补偿温度漂移的微加热器、用于数据信号调制的p-i-n二极管、用于实现两路光波耦合的带有移相器的定向耦合器和与之相连的光电探测器以及功率监测电路和控制单元，其中：光信号从微环谐振器的直通输入端入射，从微环直通端出射，功率监测模块采集光电探测器的输出并将当前监控光功率输出至控制单元，内置波长锁定算法的控制单元根据当前监控光功率实时计算微加热器及移相器的期望电压，并分别输出控制指令至微加热器和移相器，形成反馈控制微环谐振波长。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的微环谐振器采用全通型微环谐振器，包括：底部直波导和环形反馈波导回路，其中：微加热器和p-i-n二极管分别设置于微环谐振器的环形反馈波导回路上并各自依据热光效应和电光效应调节微环谐振器的谐振波长。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的微加热器的功率调节范围能够实现微环谐振器的谐振峰热调超过一个自由频谱宽度。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的p-i-n二极管能够实现微环谐振器的电光调制消光比达到30dB以上。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的定向耦合器为2×1的Y型耦合器或多模干涉仪型耦合器，当输入两路光信号的相位差为π时，Y型耦合器输出为零。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征是，每个耦合器耦合出<2％功率的光进行控制，以降低功率损失及保持微环的高Q值光谱特性。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的波长锁定算法为如下两种方案中的任一：
A)设置热光调节范围为大于2个FSR，从而在检测范围内一定存在干涉相长或干涉相消的谐振峰，则相应使用最大值搜索算法或最小值搜索算法锁定两个谐振波长中的一个；
B)设置热光调节范围为大于1个FSR，在检测范围内，根据初步的粗扫描结果，判断器件光谱为凸型或凹型，从而得到当前FSR范围内的谐振波长处于何种干涉状态，使用相应的极值搜索算法以锁定谐振波长。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的控制单元的输出端设有微加热器控制模块和移相器控制模块。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的功率监测模块包括：用于将片上光电探测器输出的电流信号转化为电压信号以及放大的跨阻放大器和用于滤除噪声提高控制系统灵敏度的低通滤波器。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征是，所述的微加热器控制模块和移相器控制模块通过功率放大器和数模转换器实现。
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