CN110596846A - 一种标准具封装结构及波长锁定装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种标准具封装结构及波长锁定装置。所述标准具封装结构包括：标准具和温感结构件，所述温感结构件与所述标准具之间通过连接件连接；所述温感结构件的尺寸伴随环境温度的变化而变化；在所述温感结构件的尺寸发生变化的情况下，通过所述连接件带动所述标准具旋转，所述标准具的旋转用于改变所述标准具内的光束的反射角度；其中，所述温度的变化和所述标准具内的光束的反射角度的变化使光束在所述标准具的峰值透射波长保持不变。

Description

一种标准具封装结构及波长锁定装置

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种标准具封装结构及波长锁定装置。

背景技术

在光通信网络中，通过可调节激光器替代多个固定波长激光器，能够有效减低系统复杂性，简化系统模式。然而，可调节激光器在其生命周期内，由于激光器老化，波长可能会出现漂移，这种波长漂移会引起相邻信道间串扰，导致系统误码。

目前可采用波长锁定装置对激光器重新波长定标的方式消除波长漂移，将激光器波长调谐至指定波长。波长锁定装置一般采用标准具或者薄膜滤波器进行波长的标定，而标准具或者薄膜滤波器的波长对温度较敏感，所以一般还需要采用半导体致冷器(TEC，Thermo Electric Cooler)对标准具或者薄膜进行温度控制以实现波长标定的稳定性。如何不使用半导体致冷器使得标准具或者薄膜滤波器的波长保持稳定，目前尚无有效解决方案。

发明内容

为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种标准具封装结构及波长锁定装置。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种标准具封装结构，所述标准具封装结构包括：标准具和温感结构件，所述温感结构件与所述标准具之间通过连接件连接；

所述温感结构件的尺寸伴随环境温度的变化而变化；

在所述温感结构件的尺寸发生变化的情况下，通过所述连接件带动所述标准具旋转，所述标准具的旋转用于改变所述标准具内的光束的反射角度；

其中，所述温度的变化和所述标准具内的光束的反射角度的变化使光束在所述标准具的峰值透射波长保持不变。

上述方案中，所述温感结构件为螺纹杆；所述螺纹杆采用膨胀系数高于第一预设阈值的材料。

上述方案中，所述连接件包括第一基板和第二基板；所述标准具粘接在所述第一基板上；所述温感结构件设置在所述第二基板上。

上述方案中，所述第二基板一侧设置有通孔，所述螺纹杆贯穿所述通孔，通过螺母将所述螺纹杆固定。

上述方案中，所述第一基板和所述第二基板采用膨胀系数低于第二预设阈值的材料。

上述方案中，所述螺纹杆的长度与所述标准具的峰值透射波长的补偿周期相关；所述补偿周期基于所述标准具所处环境的温度变化程度确定。

上述方案中，所述连接件还包括弹簧结构；所述温感结构件与所述标准具所在的所述第一基板之间通过所述弹簧结构连接。

上述方案中，所述标准具封装结构还包括：设置在所述标准具的出射光光路上的第一光电转换器，所述第一光电转换器用于接收所述标准具出射的第一光信号，将所述第一光信号转换为第一电信号。

本发明实施例还提供了一种波长锁定装置，所述装置包括：可调激光器、第一分光器、第二光电转换器、第二分光器和本发明实施例所述的标准具封装结构；其中，

所述第一分光器设置在所述可调激光器的出射光的光路上，用于将所述出射光分为第二光信号和第三光信号；所述第二光信号与所述出射光的光路垂直，所述第三光信号与所述出射光的光路水平；

所述第二光电转换器设置于所述第二光信号的光路上，用于接收所述第二光信号，将所述第二光信号转换为第二电信号；

所述第二分光器设置在所述第三光信号的光路上，用于将所述第三光信号分为第四光信号和第五光信号；所述第四光信号与所述出射光的光路垂直，所述第五光信号与所述出射光的光路水平；

所述标准具封装结构中的标准具设置于所述第四光信号的光路上。

上述方案中，所述装置还包括隔离器，所述隔离器设置在所述可调激光器和所述第一分光器之间的光路上，用于阻隔与所述可调激光器的出射光反向的光束。

上述方案中，所述装置还包括准直透镜，所述准直透镜设置在所述可调激光器和所述隔离器之间的光路上，用于对所述可调激光器的出射光进行准直处理。

上述方案中，所述装置还包括汇聚透镜和波导/光纤器件；汇聚透镜和波导/光纤器件设置在所述第五光信号的光路上；其中，

所述汇聚透镜，用于对所述第五光信号进行汇聚处理，汇聚处理后的光信号进入所述波导/光纤器件。

本发明实施例提供的标准具封装结构及波长锁定装置，所述标准具封装结构包括：标准具和温感结构件，所述温感结构件与所述标准具之间通过连接件连接；所述温感结构件的尺寸伴随环境温度的变化而变化；在所述温感结构件的尺寸发生变化的情况下，通过所述连接件带动所述标准具旋转，所述标准具的旋转用于改变所述标准具内的光束的反射角度；其中，所述温度的变化和所述标准具内的光束的反射角度的变化使光束在所述标准具的峰值透射波长保持不变。采用本发明实施例的技术方案，通过温感结构件的尺寸变化感知环境温度的变化，再通过温感结构件的尺寸变化通过结构件带动所述标准具旋转，从而在环境温度变化的情况下通过调整标准具内的光束的反射角度实现了标准具的峰值透射波长的补偿，减小标准具的峰值透射波长随温度变化的漂移，无需增加温度控制装置使得标准具的波长保持稳定，也降低了模块功耗，节约了能源。

附图说明

图1为本发明实施例的标准具封装结构的结构示意图；

图2为标准具FSR光谱示意图；

图3a为标准具的峰值透射波长与反射角度的关系示意图；

图3b为标准具的峰值透射波长与温度的关系示意图；

图4为本发明实施例的标准具封装结构的应用示意图；

图5a和图5b分别为本发明实施例中未补偿、补偿一个周期以及过补偿的标准具的峰值透射波长与温度的关系示意图；

图6为本发明实施例的波长锁定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提供了一种标准具封装结构。图1为本发明实施例的标准具封装结构的结构示意图；如图1所示，所述标准具封装结构包括：标准具11和温感结构件12，所述温感结构件12与所述标准具11之间通过连接件13连接；

所述温感结构件12的尺寸伴随环境温度的变化而变化；

在所述温感结构件12的尺寸发生变化的情况下，通过所述连接件13带动所述标准具11旋转，所述标准具11的旋转用于改变所述标准具11内的光束的反射角度；

其中，所述温度的变化和所述标准具11内的光束的反射角度的变化使光束在所述标准具11的峰值透射波长保持不变。

本实施例中，标准具可以是由两块平板玻璃或石英板构成的一种干涉仪。以石英标准具为例，标准具端面镀有特定反射率的反射膜，两端面相互平行；两端面之间形成平行平面的介质层，光束在这两个镀膜端面之间介质层之间来回反射，形成与光束的波长有关的干涉光谱图，作为一种示例，标准具FSR光谱可参照图2所示。其中，标准具透射光谱曲线满足以下表达式(1)：

其中，

其中，P(λ)为标准具透射光谱曲线；F表示精细度系数；thita表示光束在标准具内单次反射的相位变化；phi表示标准具内的光束的反射角度；nt表示标准具内的材料折射率；R表示端面反射率；pi表示常数π；d表示标准具的厚度(即标准具内两个端面之间的距离)；λ表示波长；例如P(λ)表示与波长有关的透射光谱曲线。

根据sellmeier色散公式，波长λ与折射率n的关系满足以下表达式(4)：

其中，sqrt表示平方根运算。

根据康宁提供折射率变化与温度关系满足以下表达式(5)：

dn＝(C1+C2×λ^-2+C3×λ^-4+C4×λ^-6)×dt (5)

上述表达式(4)和表达式(5)中，A1-A3、B1-B3、C1-C4均为已知系数；dn表示温度变化dt时折射率变化率(相对于20度的情况下，即n＝20度)。

nt＝n+dn (6)

由表达式(4)、(5)和(6)得到特定波长在特定温度下的折射率。

thita＝2×pi×m (7)

其中，m为整数时，通过表达式(3)得到标准具峰值透射波长λ^*(以下可简称峰值波长)，标准具峰值透射波长λ^*满足表达式(8)。由表达式(7)和表达式(8)可得到标准具峰值透射波长λ^*与标准具内的光束的反射角度phi的关系可表示为：

根据干涉原理，多光束之间相位差为2×m×pi时，前向传输为峰值波长λ^*，当温度发生变化时，根据上公式(6)和(9)，nt发生变化，峰值波长λ^*也发生变化。本发明实施例中以d＝2mm，R＝30％，m＝3732为例，峰值波长λ^*与温度关系为1.25Ghz/deg；其中，deg为温度单位，表示度数(C)。当温度不变时，改变标准具内光束的反射角度phi，也能改变峰值波长λ^*，λ^*与cos(phi)成线性关系。

由此可见，当温度升高时，峰值波长λ^*往长波方向漂移(即峰值波长λ^*变大)，如图3b所示；当标准具内光束的反射角度phi变大时，峰值波长λ^*往短波漂移(即峰值波长λ^*变小)，如图3a所示。利用上述关系，如果实现温度升高，且标准具内光束的反射角度phi变大，即能实现对峰值波长λ^*补偿，减小峰值波长λ^*随温度变化的漂移。

基于此，本实施例中通过温感结构件感知环境温度的变化，并在温感结构件感知到环境温度变化的情况下，通过结构件带动标准具的旋转，从而改变标准具内的光束的反射角度。实际应用中，若环境温度升高，则通过结构件带动标准具的旋转从而增大标准具内的光束的反射角度；若环境温度降低，则可通过结构件带动标准具的旋转从而减小标准具内的光束的反射角度；使得标准具的峰值透射波长保持不变。

采用本发明实施例的技术方案，通过温感结构件的尺寸变化感知环境温度的变化，再通过温感结构件的尺寸变化通过结构件带动所述标准具旋转，从而在环境温度变化的情况下通过调整标准具内的光束的反射角度实现了标准具的峰值透射波长的补偿，减小标准具的峰值透射波长随温度变化的漂移，无需增加温度控制装置使得标准具的波长保持稳定，也降低了模块功耗，节约了能源。

在本发明的一种可选实施例中，所述温感结构件12为螺纹杆；所述螺纹杆采用膨胀系数高于第一预设阈值的材料。可以理解，螺纹杆采用高膨胀系数的材料。作为一种示例，螺纹杆可采用黄铜材料制成，也可采用不锈钢或者其他具有高膨胀系数的合金材料制成。

在本发明的一种可选实施例中，所述连接件13包括第一基板和第二基板；所述标准具11粘接在所述第一基板上；所述温感结构件12设置在所述第二基板上。其中，所述第一基板和所述第二基板采用膨胀系数低于第二预设阈值的材料。本实施例中，所述第一基板和所述第二基板可采用低膨胀系数的金属基板。作为一种示例，所述第一基板和所述第二基板可采用因瓦合金(invar)或可伐合金(kovar)。

在本发明的一种可选实施例中，所述连接件13还包括弹簧结构；所述温感结构件12与所述标准具11所在的所述第一基板之间通过所述弹簧结构连接。

在本发明的一种可选实施例中，所述第二基板一侧设置有通孔，所述螺纹杆贯穿所述通孔，通过螺母将所述螺纹杆固定。

实际应用中，第一基板和第二基板可由一块金属基板切割形成。例如，金属基板通过切割分割为两部分，一部分金属基板(第一基板)上通过粘接的方式固定连接标准具11；另一部分金属基板(第二基板)的一侧设置有至少两个通孔；螺纹杆穿过至少两个通孔，并由螺母进行固定。弹簧结构连接第一基板和第二基板，或者弹簧结构连接第一基板和螺纹杆。在环境温度升高时，螺纹杆在长度方向上发生膨胀；由于螺纹杆被螺母固定，则螺纹杆膨胀将通过弹簧结构带动第一基板旋转。

在本发明的一种可选实施例中，所述标准具11封装结构还包括：设置在所述标准具11的出射光光路上的第一光电转换器，所述第一光电转换器用于接收所述标准具11出射的第一光信号，将所述第一光信号转换为第一电信号。

图4中的(a)-(c)分别为本发明实施例的标准具11封装结构的应用示意图；如图4中的(a)-(c)所示，准具封装结构中均包括标准具11、例如通过螺纹杆实现的温感结构件12、金属基板131(金属基板可包括第一基板和第二基板)、弹簧结构132和第一光电转换器14；其中，金属基板131的底部设置有两个通孔；螺纹杆穿过两个通孔并通过螺母固定。弹簧结构132连接第一基板和第二基板。图4中的(a)-(c)中的区别在于弹簧结构132的位置和布局不同。

在本发明的一种可选实施例中，所述螺纹杆的长度与所述标准具11的峰值透射波长的补偿周期相关；所述补偿周期基于所述标准具所处环境的温度变化程度确定。

本实施例中，可参照图1所示，标准具的FSR光谱中波长是呈周期性变化的。基于此，在对峰值波长λ^*进行补偿过程中，可在一个周期内对峰值波长λ^*进行补偿，这种补偿方式对标准具内光束的反射角度较小；也可在一个以上周期对峰值波长λ^*进行补偿，这种补偿方式也可称为过补偿，这种补偿方式对标准具内光束的反射角度较大。

例如，d＝2mm，标准具周期为0.4nm，温度变化40度时，峰值波长λ^*变化一个周期。利用标准具内光束的反射角度phi的变化对峰值波长λ^*进行一个周期的补偿，即调整标准具内光束的反射角度phi大小使λ^*减小一个周期(0.4nm)，带入表达式(9)，得到phi(变化量)≈1.33度。即当温度由20度变化到60度时，标准具内光束的反射角度phi变化1.33度，而峰值波长λ^*不发生变化。由图5a和图5b可知，当进行一个周期补偿时，在温度中点，峰值波长具有最大欠补偿，因为在公式9中，λ^*∝nt，λ^*∝cos(phi)。当标准具内光束的反射角度phi线性变化时，nt×cos(phi)在温度中点(40度)取得最大值，即最大欠补偿位置。

对标准具进行一个周期的波长补偿后，当温度变化40度时，峰值波长λ^*漂移由未补偿0.4nm减小至0.1nm。由图3a可知，在温度20度及60度附近，波长补偿效果较好。

基于此，作为一种实施方式，可依据标准具封装结构所处的环境类型大致确定温度变化范围，基于所述温度变化范围确定补偿方式，再基于确定的补偿方式确定螺纹杆的长度。

例如，当标准具封装结构使用在机房等室内环境时，环境温度变化较小，针对这种室内环境温度变化小于20度的补偿方案中，可采用过补偿方案，使标准具内光束的反射角度phi有更大变化值，可进一步减小波长漂移，提高指定温度范围内波长精度。

如图5b所示的过补偿方案中，标准具在20度至40度的峰值波长λ^*漂移为50pm，对比未补偿峰值波长λ^*漂移180pm，补偿一个周期峰值波长λ^*漂移90pm，有更高的波长控制精度。即过补偿能够在一定温度范围内提高标准具波长λ稳定性。

本发明实施例还提供了一种波长锁定装置。图6为本发明实施例的波长锁定装置的结构示意图；如图6所示，所述装置包括：可调激光器101、第一分光器1141、第二光电转换器106、第二分光器1142和本发明前述实施例所述的标准具封装结构；其中，

所述第一分光器1141设置在所述可调激光器101的出射光的光路上，用于将所述出射光分为第二光信号和第三光信号；所述第二光信号与所述出射光的光路垂直，所述第三光信号与所述出射光的光路水平；

所述第二光电转换器106设置于所述第二光信号的光路上，用于接收所述第二光信号，将所述第二光信号转换为第二电信号；

所述第二分光器1142设置在所述第三光信号的光路上，用于将所述第三光信号分为第四光信号和第五光信号；所述第四光信号与所述出射光的光路垂直，所述第五光信号与所述出射光的光路水平；

所述标准具封装结构中的标准具108设置于所述第四光信号的光路上。

基于前述实施例的描述，所述标准具封装结构中还包括螺纹杆110和金属基板107；金属基板107的底部设置有两个通孔；螺纹杆110穿过两个通孔并通过螺母109固定。所述标准具封装结构中还包括弹簧结构116。本实施例中的标准具封装结构的详细阐述可参照前述实施例所述，这里不再赘述。

本实施例中，所述可调激光器101位于热沉102上，热沉102上设置有镀金电路，可调激光器101电极通过金线与镀金电路连接；所述镀金电路的作用在于给可调激光器101通电。

本实施例中，第一分光器1141和第二分光器1142可由分光棱镜实现。第一分光器1141和第二分光据分别具有45度的斜面，斜面镀有分光膜，用于反射部分光束；其中，第一分光器1141反射出的部分光束(第二光信号)传输至第二光电转换器中；第二分光器1142反射出的部分光束(第四光信号传输至)所述标准具封装结构中的标准具中，通过标准器的处理后传输至第一光电转换器中。

在本发明的一种可选实施例中，所述装置还包括隔离器105，所述隔离器105设置在所述可调激光器101和所述第一分光器1141之间的光路上，用于阻隔与所述可调激光器101的出射光反向的光束。

本实施例中，作为一种实施方式，隔离器105可由两个起偏器及法拉第晶体胶合组成，外部设有磁环。也可根据光路偏振态设计需要，在隔离器105第二个起偏器后面胶合一块半波片。隔离器105起到对光路单向传输作用，防止后面光路回反光反射进入可调激光器101，影响激光器工作。隔离器105镀有增透膜，以减小光线反射。

在本发明的一种可选实施例中，所述装置还包括准直透镜，所述准直透镜设置在所述可调激光器101和所述隔离器105之间的光路上，用于对所述可调激光器101的出射光进行准直处理。

本实施例中，准直透镜可位于第一V型槽中；设置在可调激光器101的输出断面后，用于对可调激光器101出射的光线进行准直处理。

在本发明的一种可选实施例中，所述装置还包括汇聚透镜和波导/光纤器件；汇聚透镜和波导/光纤器件设置在所述第五光信号的光路上；其中，

所述汇聚透镜，用于对所述第五光信号进行汇聚处理，汇聚处理后的光信号进入所述波导/光纤器件。

本实施例中，设第二光电转换器通过光电转换获得的电流为P1，P1为一定值，不随可调激光器波长的变化而变化；第一光电转换器通过光电转换获得的电流为P2，由于光线经过标准具的处理，因此P2随可调激光器波长的变化而变化。当激光器波长稳定时，P2/P1＝D，为一定值，当激光器波长发生变化时，导致P2/P1≠D。这时通过调节激光器的相位(phase)电流，使P2/P1＝D重新成立，即实现对激光器波长锁定。

本实施例中，所述可调激光器可以为数字超模分布布拉格反射(DS-DBR，TheDigital Super-mode Distributed Bragg Reflector)或者采样光栅分布布拉格反射(SG-DBR，The sample grating Distributed Bragg Reflector)原理的激光器，可通过实时改变相位(phase)电流的方法来实现对周期内的波长进行锁定调节。可调激光器结合标准具能够实现对波长的锁定或者调谐。标准具有对应的FSR光谱图，通过对光谱图波峰、波谷或者波腰的波长点进行锁定，即可实现激光器的锁波功能。

采用本发明实施例的技术方案，通过无需设置温度控制装置的标准具封装结构可实现对可调激光器的波长的锁定，本实施例中的标准具封装结构体积小，结构紧凑，能够有效的和现有的波长可调器件进行组合封装。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述，仅为本发明的可选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种标准具封装结构，其特征在于，所述标准具封装结构包括：标准具和温感结构件，所述温感结构件与所述标准具之间通过连接件连接；

所述温感结构件的尺寸伴随环境温度的变化而变化；

在所述温感结构件的尺寸发生变化的情况下，通过所述连接件带动所述标准具旋转，所述标准具的旋转用于改变所述标准具内的光束的反射角度；

其中，所述温度的变化和所述标准具内的光束的反射角度的变化使光束在所述标准具的峰值透射波长保持不变。

2.根据权利要求1所述的标准具封装结构，其特征在于，所述温感结构件为螺纹杆；所述螺纹杆采用膨胀系数高于第一预设阈值的材料。

3.根据权利要求2所述的标准具封装结构，其特征在于，所述连接件包括第一基板和第二基板；所述标准具粘接在所述第一基板上；所述温感结构件设置在所述第二基板上。

4.根据权利要求3所述的标准具封装结构，其特征在于，所述第二基板一侧设置有通孔，所述螺纹杆贯穿所述通孔，通过螺母将所述螺纹杆固定。

5.根据权利要求3所述的标准具封装结构，其特征在于，所述第一基板和所述第二基板采用膨胀系数低于第二预设阈值的材料。

6.根据权利要求2所述的标准具封装结构，其特征在于，所述螺纹杆的长度与所述标准具的峰值透射波长的补偿周期相关；所述补偿周期基于所述标准具所处环境的温度变化程度确定。

7.根据权利要求3所述的标准具封装结构，其特征在于，所述连接件还包括弹簧结构；所述温感结构件与所述标准具所在的所述第一基板之间通过所述弹簧结构连接。

8.根据权利要求1至7任一项所述的标准具封装结构，其特征在于，所述标准具封装结构还包括：设置在所述标准具的出射光光路上的第一光电转换器，所述第一光电转换器用于接收所述标准具出射的第一光信号，将所述第一光信号转换为第一电信号。

9.一种波长锁定装置，其特征在于，所述装置包括：可调激光器、第一分光器、第二光电转换器、第二分光器和如权利要求1至8任一项所述的标准具封装结构；其中，

所述第一分光器设置在所述可调激光器的出射光的光路上，用于将所述出射光分为第二光信号和第三光信号；所述第二光信号与所述出射光的光路垂直，所述第三光信号与所述出射光的光路水平；

所述第二光电转换器设置于所述第二光信号的光路上，用于接收所述第二光信号，将所述第二光信号转换为第二电信号；

所述第二分光器设置在所述第三光信号的光路上，用于将所述第三光信号分为第四光信号和第五光信号；所述第四光信号与所述出射光的光路垂直，所述第五光信号与所述出射光的光路水平；

所述标准具封装结构中的标准具设置于所述第四光信号的光路上。

10.根据权利要求9所述的波长锁定装置，其特征在于，所述装置还包括隔离器，所述隔离器设置在所述可调激光器和所述第一分光器之间的光路上，用于阻隔与所述可调激光器的出射光反向的光束。

11.根据权利要求10所述的波长锁定装置，其特征在于，所述装置还包括准直透镜，所述准直透镜设置在所述可调激光器和所述隔离器之间的光路上，用于对所述可调激光器的出射光进行准直处理。

12.根据权利要求9至11任一项所述的波长锁定装置，其特征在于，所述装置还包括汇聚透镜和波导/光纤器件；汇聚透镜和波导/光纤器件设置在所述第五光信号的光路上；其中，

所述汇聚透镜，用于对所述第五光信号进行汇聚处理，汇聚处理后的光信号进入所述波导/光纤器件。