CN110908213A - 基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪，包括波长可调谐的激光源、马赫增德尔光波导干涉仪、传输光纤、光电探测器以及反馈控制电路；波长可调谐激光源通过电缆与反馈控制电路相连，马赫增德尔光波导干涉仪分别通过传输光纤连接波长可调谐激光源和反馈控制电路；马赫增德尔光波导干涉仪与反馈控制电路之间通过传输光纤连接光电探测器。本发明通过反馈控制电路采集到随波长变化的呈余弦型的电压信号来确定最大工作点、最小工作点、线性工作点的工作波长，实现了基于波长调谐控制工作点，能够消除铌酸锂晶体由于温度变化造成工作点漂移。
Description
技术领域
本发明属于光通信与集成光学领域，特别涉及一种基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪。
背景技术
马赫增德尔光波导干涉仪是一种分振幅的干涉仪，它广泛应用于光通信领域、光信息处理领域。传统光通信中基于马赫增德尔光波导干涉仪的调制器通常采用电压控制工作点的方式来消除铌酸锂晶体由于温度漂移造成的工作点不稳定，但有场合并不适合使用电压控制调制器的工作点，例如，基于马赫增德尔光波导干涉仪的电场传感器。因此，特殊场合下还需要一种新的马赫增德尔光波导干涉仪工作点控制方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过反馈控制电路采集到随波长变化的呈余弦型的电压信号来确定最大工作点、最小工作点、线性工作点的工作波长，实现了基于波长调谐控制工作点，能够消除铌酸锂晶体由于温度变化造成工作点漂移的基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪，包括波长可调谐的激光源、马赫增德尔光波导干涉仪、传输光纤、光电探测器以及反馈控制电路；波长可调谐激光源通过电缆与反馈控制电路相连，马赫增德尔光波导干涉仪分别通过传输光纤连接波长可调谐激光源和反馈控制电路；马赫增德尔光波导干涉仪与反馈控制电路之间通过传输光纤连接光电探测器。
进一步地，所述马赫增德尔光波导干涉仪为波导臂宽度非对称的马赫增德尔光波导干涉仪。
进一步地，所述马赫增德尔光波导干涉仪工作点校准时，激光源输出光束，光束通过光纤传输到马赫增德尔光波导干涉仪，然后由马赫增德尔光波导干涉仪输出端通过1：9耦合器将10％的光输入反馈控制电路，通过反馈控制电路控制激光源的波长，以确定马赫增德尔光波导干涉仪的工作点。
进一步地，所述马赫增德尔光波导干涉仪的输出端光功率与可调谐激光源波长关系表示为：
其中，Pout是马赫增德尔光波导干涉仪输出光功率，Pin是马赫增德尔光波导干涉仪输入端光功率，L是非对称波导长度，λ是可调谐激光源工作波长，Δnλ是新型马赫增德尔光波导干涉仪非对称波导臂有效折射率差，
是新型马赫增德尔光波导干涉仪工作点漂移。
进一步地，所述反馈控制电路进行光电转换后的电信号与可调谐激光源的波长关系试为：
上式中，Vout是反馈控制电路光电转换输出电压，α是光电转换系数。
进一步地，所述反馈控制电路通过扫描激光源输出波长，采集到随波长变化的呈余弦型的电压信号；采集到电压信号至少包含一个完整周期，通过采集到的电压信号获得电压信号最大值、最小值、平均值所对应的波长，即可确定为能够提供最大工作点、最小工作点、线性工作点的工作波长。
本发明的有益效果是：
1、本发明的马赫增德尔光波导干涉仪采用特殊的非对称结构，通过反馈控制电路采集到随波长变化的呈余弦型的电压信号来确定最大工作点、最小工作点、线性工作点的工作波长，实现了基于波长调谐控制工作点，能够消除铌酸锂晶体由于温度变化造成工作点漂移；
2、本发明的马赫增德尔光波导干涉仪可以省略用于工作点控制的直流偏置电极，能够减小工艺复杂度，降低制造成本；
3、本发明的马赫增德尔光波导干涉仪尺寸小，整体尺寸可以做到微米量级。
附图说明
图1为基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪的结构图一；
图2为马赫增德尔光波导干涉仪结构示意图；
图3为本发明基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪的结构图二
图4为仿真中新型马赫增德尔光波导干涉仪两波导臂的有效折射率差随波长变化曲线；
图5为仿真中新型马赫增德尔光波导干涉仪输出光功率随波长变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的一种基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪，包括波长可调谐的激光源、马赫增德尔光波导干涉仪、传输光纤、光电探测器以及反馈控制电路；波长可调谐激光源通过电缆与反馈控制电路相连，马赫增德尔光波导干涉仪分别通过传输光纤连接波长可调谐激光源和反馈控制电路；马赫增德尔光波导干涉仪与反馈控制电路之间通过传输光纤连接光电探测器。
进一步地，如图2所示，所述马赫增德尔光波导干涉仪为波导臂宽度非对称的马赫增德尔光波导干涉仪，明基于马赫增德尔光波导干涉仪两波导臂的折射率差，调谐激光源波长确定工作点，图中，(a)为马赫增德尔光波导干涉仪的结构图，(b)为输出端侧面图(用来说明层次结构的)。
进一步地，所述马赫增德尔光波导干涉仪工作点校准时，激光源输出光束，光束通过光纤传输到马赫增德尔光波导干涉仪，然后由马赫增德尔光波导干涉仪输出端通过1：9耦合器将10％的光输入反馈控制电路，通过反馈控制电路控制激光源的波长，以确定马赫增德尔光波导干涉仪的工作点。
若输入马赫增德尔光波导干涉仪的光信号为：
其中，A为光信号幅度，f0为光信号频率，
为初始相位。
经过输入端Y分支，两列相同光信号可以表示为：
宽波导臂：
窄波导臂：
经过上下两非对称波导臂相位延迟，两列光相遇之前可以表示为：
宽波导臂：
窄波导臂：
两列光束干涉后，马赫增德尔光波导干涉仪输出信号强度可表示为：
其中，
是由于马赫增德尔光波导干涉仪双臂的非对称性引入的与波长相关的相位差，可表示为如下：
引入工作点漂移后，马赫增德尔光波导干涉仪的输出端光功率与可调谐激光源波长关系表示为：
其中，Pout是马赫增德尔光波导干涉仪输出光功率，Pin是马赫增德尔光波导干涉仪输入端光功率，L是非对称波导长度，λ是可调谐激光源工作波长，Δnλ是新型马赫增德尔光波导干涉仪非对称波导臂有效折射率差，
是新型马赫增德尔光波导干涉仪工作点漂移。
进一步地，所述反馈控制电路进行光电转换后的电信号与可调谐激光源的波长关系试为：
上式中，Vout是反馈控制电路光电转换输出电压，α是光电转换系数。
进一步地，所述反馈控制电路通过扫描激光源输出波长，采集到随波长变化的呈余弦型的电压信号；采集到电压信号至少包含一个完整周期，通过采集到的电压信号获得电压信号最大值、最小值、平均值所对应的波长，即可确定为能够提供最大工作点、最小工作点、线性工作点的工作波长。
反馈控制电路包括依次连接的串口通信接口、MCU、ADC转换电路、LPF电路、放大器和PIN电路，串口通信接口与激光源相连，PIN电路与耦合器相连，其结构如图3中虚线框所示。
图4为仿真的马赫增德尔光波导干涉仪两波导臂的有效折射率差随波长变化曲线(宽波导臂为2um，窄波导臂1um)。本发明设计的马赫增德尔光波导干涉仪的输出表达式为：
在这个表达式中认为Δnλ是个常数，所以说输出功率Pout只与光源波长λ相关。但是实际上Δnλ是会随着波长变化发生变化的，但是从图中可以看出，在我们关心的波长范围内(1530nm～1565nm)变化范围很小，故影响非常小，因此可以忽略。
图5为仿真的马赫增德尔光波导干涉仪输出光功率随波长变化曲线(宽波导臂为2um，窄波导臂1um)，其输出光功率与波长呈现余弦型的变化曲线且包含一个周期，而后面的反馈控制电路中包含对10％的光功率进行转换(转换过程近似线性)。因此，可以认为反馈控制电路中转换后的电信号也是一个呈现余弦型的变化曲线且包含一个周期，从而通过一个周期的电压信号中电压信号的最大值、最小值、平均值确定提供最大工作点的波长、最小工作点波长、线性工作点波长。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪，其特征在于，包括波长可调谐的激光源、马赫增德尔光波导干涉仪、传输光纤、光电探测器以及反馈控制电路；波长可调谐激光源通过电缆与反馈控制电路相连，马赫增德尔光波导干涉仪分别通过传输光纤连接波长可调谐激光源和反馈控制电路；马赫增德尔光波导干涉仪与反馈控制电路之间通过传输光纤连接光电探测器。
2.根据权利要求1所述的基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪，其特征在于，所述马赫增德尔光波导干涉仪为波导臂宽度非对称的马赫增德尔光波导干涉仪。
3.根据权利要求1所述的基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪，其特征在于，所述马赫增德尔光波导干涉仪工作点校准时，激光源输出光束，光束通过光纤传输到马赫增德尔光波导干涉仪，然后由马赫增德尔光波导干涉仪输出端通过1：9耦合器将10％的光输入反馈控制电路，通过反馈控制电路控制激光源的波长，以确定马赫增德尔光波导干涉仪的工作点。
4.根据权利要求2所述的基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪，其特征在于，所述马赫增德尔光波导干涉仪的输出端光功率与可调谐激光源波长关系表示为：
其中，Pout是马赫增德尔光波导干涉仪输出光功率，Pin是马赫增德尔光波导干涉仪输入端光功率，L是非对称波导长度，λ是可调谐激光源工作波长，Δnλ是新型马赫增德尔光波导干涉仪非对称波导臂有效折射率差，
是新型马赫增德尔光波导干涉仪工作点漂移。
5.根据权利要求1所述的基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪，其特征在于，所述反馈控制电路进行光电转换后的电信号与可调谐激光源的波长关系试为：
上式中，Vout是反馈控制电路光电转换输出电压，α是光电转换系数。
6.根据权利要求1所述的基于波长调谐实现工作点控制的马赫增德尔光波导干涉仪，其特征在于，所述反馈控制电路通过扫描激光源输出波长，采集到随波长变化的呈余弦型的电压信号；采集到电压信号至少包含一个完整周期，通过采集到的电压信号获得电压信号最大值、最小值、平均值所对应的波长，即可确定为能够提供最大工作点、最小工作点、线性工作点的工作波长。
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