CN115810976A - 波长锁定器、可调激光器及波长锁定控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波长锁定器、可调激光器及波长锁定控制方法，该波长锁定器包括环形谐振腔、光输入端、第一光电探测器、第二光电探测器和相位调制器；光输入端设置有第一连接端和第二连接端；环形谐振腔与第二连接端连接，包括环形波导绕线，以及分别与环形波导绕线连接的第一分束器和第二分束器；第一光电探测器与第一连接端连接；第二光电探测器与第一分束器连接；相位调制器设置于环形波导绕线上。在本发明实施例中，无需采用外置标准具、光栅或滤波器阵列大型元件就能够实现波长锁定和调节功能，能够减少对激光器件光源产生的噪声干扰，提高调节精度，节省结构空间，降低封装工艺复杂度，缩小产品尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及光电子设备技术领域，尤其涉及一种波长锁定器、可调激光器及波长锁定控制方法。
背景技术
为了满足通信网络和数据中心网络日益增长的带宽需求，密集波分复用(DenseWavelength Division Multiplexing，DWDM)被认为是最有发展前景的技术之一。为了满足这一系统的发展需求，集成的可调激光器是关键。随着通道数目的增长，以及它们之间频率间隔的减小，高精度判断，实现各波长稳定控制成为可调激光器性能的关键技术，可以避免通道间的内部串扰。
尤其是用于波长锁定的标准具，预定义一个确定的波长网格用来监测和定标所设定通道的偏移量，从而调节激光器的驱动进行校准。而相关技术中光通信系统中的参考标准具主要依靠自由空间的体材料，并且安装在可调激光器的输出端，或者作为一个独立的封装组件，从而限制了可调激光器的小型化发展，以及最终应用于DWDM光通信系统的可调光发射机的集成体积。
相关技术中，实现波长锁定和监测的元器件种类很多，包括外置体型F-P标准具、光栅和滤波器阵列等，但是它们的体积大，需要复杂的控制系统，且存在较大的反射，会对激光器件光源产生较大的噪声干扰。因此，还需要在激光器件光路中增加体积较大的隔离器，使得可调激光器和波长锁定器都需要较大的体积，锁波精度不高，同时封装工艺复杂，成本增加，也限制了可调激光器的小型化发展。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种波长锁定器、可调激光器及波长锁定控制方法，控制系统简单，调节精度高，封装工艺复杂度低，体积小，能够缩小产品尺寸，提高长期可靠性，降低成本。
第一方面，本发明实施例提供一种波长锁定器，应用于可调激光器，该可调激光器设置有用于发出具有所需工作波长光束的光源模块，该波长锁定器包括：
光输入端，用于连接所述光源模块并接收来自所述光源模块的光束，所述光输入端还设置有第一连接端和第二连接端；
环形谐振腔，与所述第二连接端连接，所述环形谐振腔包括环形波导绕线，以及分别与所述环形波导绕线连接的第一分束器和第二分束器，所述环形波导绕线、所述第一分束器与所述第二分束器用于配合产生梳状传输光谱；
第一光电探测器，与所述第一连接端连接，用于接收来自所述光源模块所发出的光的一部分光以产生第一光电信号；
第二光电探测器，与所述第一分束器连接，用于接收经所述环形谐振腔滤波后的透射光以产生第二光电信号；
相位调制器，设置于所述环形波导绕线上，用于调节所述环形谐振腔的相位。
第二方面，本发明实施例提供一种可调激光器，包括：第一方面所述的波长锁定器；还包括用于发出光束的光源模块，所述光输入端连接所述光源模块并接收来自所述光源模块的具有所需工作波长的光束。
第三方面，本发明实施例提供一种波长锁定控制方法，应用于可调激光器，所述可调激光器包括第一方面所述的波长锁定器；还包括用于发出具有所需工作波长的光束的光源模块，所述光输入端连接所述光源模块并接收来自所述光源模块的光束；
该控制方法，包括：
获取由所述第一光电探测器输出的第一光电信号和由所述第二光电探测器输出的第二光电信号；
根据所述第一光电信号和所述第二光电信号得到锁波信号；
根据所述锁波信号控制所述相位调制器将所述锁波信号的工作点调节至预设目标位置。
本发明实施例包括：波长锁定器、可调激光器及波长锁定控制方法，波长锁定器应用于可调激光器，可调激光器设置有用于发出所需工作波长的光束的光源模块，该波长锁定器包括环形谐振腔、光输入端、第一光电探测器、第二光电探测器和相位调制器；光输入端设置有第一连接端和第二连接端，用于连接光源模块并接收来自光源模块的光束；环形谐振腔与第二连接端连接，用于产生梳状传输光谱，包括环形波导绕线，以及分别与环形波导绕线连接的第一分束器和第二分束器；第一光电探测器与第一连接端连接，用于接收来自光源模块光的一部分光以产生第一光电信号；第二光电探测器与第一分束器连接，用于接收经环形谐振腔滤波后的透射光以产生第二光电信号；相位调制器设置于环形波导绕线上，用于调节环形谐振腔的相位。根据本发明实施例提供的方案，光输入端能够接收来自于光源模块发出的光束，分成两部分；一部分光从第一连接端输出，第一光电探测器能够接收从第一连接端输出的光，产生第一光电信号；另一部分光从第二连接端输出，进入环形谐振腔，在第一分束器、第二分束器以及环形波导绕线的配合下谐振传输，产生梳状传输光谱。其中，经环形谐振腔滤波后的透射光被第二光电探测器接收，产生第二光电信号。从而，可以根据第一光电信号与第二光电信号得到可调激光器的锁波信号，并根据锁波信号变化获取可调激光器波长偏移情况，实现波长监测的功能；通过控制相位调制器以调节可调激光器的工作波长在预设目标波长，实现波长锁定的功能。因此，通过光输入端、环形谐振腔、相位调制器、第一光电探测器和第二光电探测器能够实现可调激光器的波长锁定器，无需采用外置体型标准具、光栅或滤波器阵列大型元件就能够实现可调激光器波长监测和调节稳定功能，降低对激光器件光源产生噪声干扰，提高调节精度，节省了波长锁定器的结构空间，降低封装工艺的复杂度，从而缩小可调激光器的尺寸，降低成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1是本发明的一个实施例提供的波长锁定器的结构示意图；
图2是图1所示的波长锁定器的一个实施例对应的传输特性曲线的示意图；
图3是本发明的另一个实施例提供的波长锁定器的结构示意图；
图4是图3所示的波长锁定器的一个实施例对应的传输特性曲线的示意图；
图5是本发明的另一个实施例提供的波长锁定器的结构示意图；
图6是图5所示的波长锁定器的一个实施例对应的传输特性曲线的示意图；
图7是本发明另一个实施例提供的波长锁定器的安装方法的流程图。
图8是图7所示的波长锁定器的一个实施例对应的传输特性曲线的示意图；
图9是本发明的一个实施例提供的可调激光器的结构示意图；
图10是本发明一个实施例提供的波长锁定方法的流程图；
图11是图10步骤S1020的一种具体实现过程的流程图；
图12是图10步骤S1030的另一种具体实现过程的流程图；
图13是图12步骤S1032的另一种具体实现过程的流程图；
图14是本发明一个实施例提供的波长锁定方法的效果示意图。
附图标记：波长锁定器100、环形波导绕线110、第一分束器120、第二分束器130、光输入端140、可调激光器200、光源模块210、增益芯片211、外腔滤波器212、第一光电探测器220、第二光电探测器221、相位调制器230、调温单元240、第一测温单元250、第二测温单元260。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种波长锁定器、可调激光器及波长锁定控制方法，其中，光输入端能够接收光源模块的光束，第一分束器和第二分束器分别与环形波导绕线连接，来自光源模块的光束，一部分光从第一连接端输出，被第一光电探测器接收，产生第一光电信号；另一部分光从第二连接端输出，进入环形谐振腔，经滤波后的透射光被第二光电探测器接收，产生第二光电信号。根据第一光电信号和第二光电信号的变化情况能够获取可调激光器波长偏移情况，实现波长监测的功能；通过控制相位调制器以调节可调激光器的工作波长在预设目标波长，实现波长锁定的功能。因此，通过光输入端、环形谐振腔、第一光电探测器、第二光电探测器和相位调制器的相互配合，无需采用外置体型标准具、光栅或滤波器阵列大型空间结构元件就能够实现可调激光器波长调节和监测功能，降低对激光器件光源产生噪声干扰，提高调节精度，节省了波长锁定器的结构空间，降低封装工艺的复杂度，从而缩小可调激光器的尺寸，降低成本。
下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
如图1所示，图1是本发明的一个实施例提供的波长锁定器100的结构示意图，本发明的实施例提供一种波长锁定器100，应用于可调激光器200，该可调激光器200设置有光源模块210，光源模块210能够发出具有所需工作波长的光束。
可以理解的是，波长锁定器100包括环形谐振腔、光输入端140、第一光电探测器220、第二光电探测器221、相位调制器230。其中，环形谐振腔包括环形波导绕线110，以及分别与环形波导绕线110连接的第一分束器120和第二分束器130。光输入端140还可以设置有第三连接端，光输入端140通过第三连接端与光源模块210连接，接收来自于光源模块210发出的部分光束，设置有第一连接端和第二连接端。第一光电探测器220与第一连接端连接，接收来自光源模块210发出的光的一部分，产生第一光电信号，而来自光源模块210的另一部分光从第二连接端输出，进入环形谐振腔，经滤波后的透射光被第二光电探测器接收，产生第二光电信号。第一分束器120和第二分束器130分别与环形波导绕线110连接，能够使得光束进入环形谐振腔后谐振传输，从而实现具有25GHz以下自由频谱范围(Free SpectralRange，FSR)的梳状传输光谱，使得波长锁定器100能够实现高精度的波长控制和稳定。由于波长锁定器100内的光束来自于光源模块210所发出的光束，即来自于可调激光器200所发出的光束，从而进入波长锁定器100内的光束具有可调激光器200的波长特性。因此，在可调激光器200工作在所需波长时，第一光电探测器220和第二光电探测器221分别接收来自光源模块210的相应功率的光，分别生成第一光电信号和第二光电信号。当可调激光器200的工作波长发生偏移，第一光电信号和第二光电信号随之变化，从而能够实现对可调激光器200的波长特性进行监测。相位调制器230设置在波长锁定器100内环形波导绕线110上，从而能够通过控制相位调制器230调节环形波导绕线110的温度，改变环形波导绕线110的折射率，进而改变环形谐振腔的波长，将锁波信号的工作点调节至预设目标位置，从而能够通过波长锁定器100实现可调激光器200的波长调节和锁定。在相关技术中，采用外置体型F-P标准具，光栅，滤波器阵列等也能够实现激光器波长锁定和监测的功能，但由于它们体积大，需要复杂的控制系统，且存在较大的反射，对激光器的光源产生严重的噪声干扰，从而，还需要在激光器中添加体积较大的隔离器。因此，波长锁定器100可以通过将光输入端140、环形谐振腔、第一光电探测器220、第二光电探测器221和相位调制器230集成在SOI芯片上，无需外置体型F-P标准具，光栅，滤波器阵列等大型元件，就能够实现可调激光器200的波长监测、调节和锁定的功能，减少了对激光器件光源产生的噪声干扰，提高了调节精度，节省了波长锁定器100的结构空间，能够缩小产品尺寸，同时降低封装工艺复杂度，降低成本。
需要说明的是，第一分束器120和第二分束器130可以是定向耦合器，也可以是多模干涉仪，而环形波导绕线110可以是氮化硅波导绕线，即SiN波导绕线，也可以是深刻蚀硅波导绕线，能够根据不同的使用场景采用不同的波导绕线或调节分束器的分光比。
可以理解的是，波长锁定器100还设置第一测温单元250，第一测温单元250位于波长锁定器100内，其中波长锁定器100内还设置有金属电极，金属电极用于贴装固定第一测温单元250，而金属电极可以位于环形谐振腔的内侧，也可以位于环形谐振腔的外侧。因此，将第一测温单元250集成贴装在波长锁定器100的芯片上，获取波长锁定器100的第一温度数据，能够实时监测波长锁定器100的温度变化，从而精确控制可调激光器200的波长稳定，有利于实现波长锁定器100的波长监测和锁定功能，同时可以缩小可调激光器200的封装体积，降低成本。
需要说明的是，可调激光器200还设置有调温单元240，用于控制可调激光器200的温度，同时还可以控制波长锁定器100的温度。另外在可调激光器200的光源模块210上还设置有第二测温单元260，用于监测光源模块210内的温度变化。因此，在调温单元240调节可调激光器200的温度，第一测温单元250和第二测温单元260分别监测波长锁定器100和光源模块210温度变化的情况下，可以监测可调激光器200的波长变化，协同进行波长控制和稳定，实现波长锁定的功能。
可以理解的是，波长锁定器100和可调激光器200可以集成在同一硅基芯片上，即SOI(Silicon-on-Insulator，SOI)芯片上。相关技术中，外置参考标准具体积大，需要安装在可调激光器200的输出端，但由于基于片外参考标准具的波长锁定组件和可调激光器200之间的尺寸不匹配，需要混合集成，或将参考标准具进行独立控制和贴装，从而提高了控制系统和封装工艺复杂度，降低了可靠性，增加了成本。因此，通过将波长锁定器100和可调激光器200集成在同一SOI片上，不需要独立封装光学元件，能够缩小产品尺寸，降低封装工艺复杂度，还能够避免波长锁定器100独立封装而降低波长锁定器100机械振动的可靠性和温度的灵敏度，提高调节精度和稳定性。另外，由于将波长锁定器100和可调激光器200集成在同一SOI片上，因此不需要放置波长锁定器100于可调激光器200的输出端，降低了波长锁定器100对外部光学反馈的影响，提高波长锁定器100的稳定性。
如图2所示，图2是图1所示的波长锁定器100的一个实施例提供对应的传输特性曲线的示意图，图2中所示的PD2曲线，即虚线，为第一光电探测器220的传输特性曲线；而所示的PD3曲线，即实线，为第二光电探测器221的传输特性曲线。
结合图2，可以理解的是，环形波导绕线110能够通过光输入端140接收光源模块210所发出的光束，光输入端140可以是第一反射镜与分束元件组成，第一反射镜与分束元件相耦合，即，第一反射镜与分束元件相配合实现光耦合分束，第一反射镜和分束元件对同一波长的光功率进行分路，其中，分束元件可以是定向耦合器，从而，光输入端140所接收到的光能够通过第一反射镜进行分路，分束元件能够接收到由第一反射镜分出的部分光。例如，定向耦合器可以在波长为1550米处设置分光比为85:15，光输入端140上分别设置有第一连接端和第二连接端，因此，第一连接端和第二连接端各有15％的光束出射，而第一连接端与第一光电探测器220连接，第二连接端与环形谐振腔连接，可以在波长为1550nm处设置第一连接端与第二连接端的分光比为40:60。因此，从第一连接端出射的40％光束被第一光电探测器220接收，从第二连接端出射的60％光束进入环形谐振腔,形成谐振光束，而第一分束器120中的直通端与第二光电探测器221相连接，接收周期性谐振透射光。第一分束器120和第二分束器130的分光比相同，设置为0.75，因此，进入第一分束器120的光束中有25％的谐振光束进入第二光电探测器221，从而，在波长1550nm处，第一光电探测器220的输入光功率与第二光电探测器的输入光功率的比值为8:3，得到波长锁定器100的传输性能数据，便于进行后续的波长调节，提高波长锁定器100的稳定性和可靠性。另外，波长锁定器100的FSR可以设置为25GHz，第一反射镜为深刻蚀硅波导元件，环形谐振腔包括环形波导绕线110，第一分束器120和第二分束器130，为氮化硅波导元件，氮化硅波导高度为400nm，典型宽度为1μm，波导绕线的宽度为2μm，从1μm到2μm的渐变波导长度为40μm，氮化硅波导的群折射率为1.985，波导绕线的长度可以通过如下波导长度关系式计算得出：
其中，L为波导绕线长度，λ为波长，FSR为自由频谱范围，ng为群折射率。
因此，可以计算得到在FSR为25GHz的波长锁定器100波导绕线所对应的长度为6063.5μm。从图2可以看出，第一光电探测器220所对应的传输特性曲线为0.4的直线，第二光电探测器221所对应的传输特性曲线为0.35至0.6之间的周期性梳状曲线，因此可以将第二光电探测器221产生的第二光电信号与第一光电探测器220产生的第一光电信号比值处理得到锁波信号，得到的锁波信号也为周期性梳状曲线，能够实现25GHz以下的波长间隔，因而可达到可调激光器200的波长控制的精度要求。波长锁定器100能够根据波导绕线的群折射率和所需的光束波长，调节波导绕线的长度来调节所需的FSR，或者能够根据波导绕线的群折射率和所需的光束波长，调节FSR以调节波导绕线的长度。波长锁定器100的结构设计灵活，可以调节波导绕线长度和绕线方式，节省结构空间，缩小产品尺寸，也可以调节FSR，适用于不同的使用场景，提高调节精度和波长稳定性。
如图3和图4所示，图3是本发明的另一个实施例提供的波长锁定器100的结构示意图；
图4是图3所示的波长锁定器100的一个实施例提供对应的传输特性曲线的示意图，图4所示的PD2曲线，即虚线，为第一光电探测器220的传输特性曲线；而所示的PD3曲线，即实线，为第二光电探测器221的传输特性曲线。光输入端140可以是第二反射镜与第三反射镜耦合组成，即，第二反射镜与第三反射镜之间能够组成定向耦合器，对同一波长的光功率进行分路，其中，第二反射镜和第三反射镜中均为环形反射镜，例如，光输入端140所接收到的光能够通过第二反射镜进行分路，第三反射镜能够接收到由第二反射镜分出的部分光并进行传输。
结合图3和图4，可以理解的是，光输入端140可以由不同的光学元件组成，从而能够根据不同的使用场景而选择不同的光输入端140类型，结构设计灵活，适应性强，并且所采用的元件数量少，体积小，降低生产复杂度，缩小产品尺寸。例如，第二反射镜和第三反射镜之间通过第一定向耦合器连接，分光比为90：10，即第二反射镜将从光源模块210输出光束中的10％光束耦合到第三反射镜，在第三反射镜上设置第一端口，用于输出第三反射镜中的部分光，在第一端口与环形谐振腔之间设置有分光比为80:20的第二定向耦合器，第二定向耦合器上设置有第二端口和第三端口，第二端口与第一光电探测器220连接，接收来自第一端口光束中20％的光束，第三端口与环形谐振腔连接，接收来自第一端口光束中80％的光束。第一分束器120和第二分束器130的分光比可以设置为相同，分光比设置为25:75，因此，进入环形谐振腔的光束中有25％的光束能够进入第二光电探测器221，因此，在波长1550nm处，第一光电探测器220的输入光功率与第二光电探测器221的输入光功率的比值为1:1，从而，可以根据所需的波长锁定器100性能数据，调节光输入端140的组件，或者调节第一分束器120的分光比，便于进行后续的波长调节，提高波长锁定器100的灵敏度和稳定性。另外，波长锁定器100的FSR可以设置为25GHz，第二反射镜为深刻蚀硅波导元件，环形谐振腔包括环形波导绕线110，第一分束器120和第二分束器130，为氮化硅波导元件，氮化硅波导高度为400nm，典型宽度为1μm，波导绕线的宽度为2μm，从1μm到2μm的渐变波导长度为40μm，氮化硅波导绕线的群折射率为1.985，波动绕线的长度可以通过上述实施例中的波导长度关系式进行计算得出，在FSR长度为25GHz的波长锁定器100波导绕线所对应的长度为6063.5μm。从图4可以看出，第一光电探测器220所对应的传输特性曲线为0.2的直线，第二光电探测器221所对应的传输特性曲线为0.5至0.8之间的周期性梳状曲线，因此将第二光电探测器221产生的第二光电信号与第一光电探测器220产生的第一光电信号比值处理得到锁波信号，锁波信号也为周期性梳状曲线，能够实现25GHz以下的波长间隔，因而可达到可调激光器200的波长控制的精度要求。因此，波长锁定器100即使选择不同元件组成的光输入端140，调节光输入端140的分光比，波长锁定器100都能够实现25GHz的波长精度。波长锁定器100能够根据实际情况选择光输入端140的类型，调节光输入端140的分光比或者调节第一分束器120的分光比，结构设计灵活，体积小，能够提高调节精度和波长稳定性。
如图5和图6所示，图5是本发明的另一个实施例提供的波长锁定器100的结构示意图；图6是图5所示的波长锁定器100的一个实施例提供对应的传输特性曲线的示意图，图6所示的PD2曲线，即虚线，为第一光电探测器220的传输特性曲线；而所示的PD3曲线，即实线，为第二光电探测器221的传输特性曲线。光输入端140可以是第四反射镜，第四反射镜设置有第三定向耦合器和第四端口，用于输出从可调激光器200的光源模块210分出的部分光。
可以理解的是，光输入端140可以仅采用第四反射镜，环形波导绕线110可以通过第四反射镜接收来自于光源模块210的光束，结构简单，节省空间，能够缩小产品尺寸，降低生产难度。而光输入端140采用第四反射镜，通过调节第四反射镜的分光比，能够调节波长锁定器100的性能数据，在保持小体积的优势的同时，也能够实现高精度的调节功能。例如，第四反射镜上的第三定向耦合器在波长为1550nm处的分光比为25：75，因此，有25％的光束从第四端口出射，进入分光比为75:25的第四定向耦合器，第四定向耦合器上设置第一连接端和第二连接端；即从第四端口出射的光，有25％的光束从第一连接端输出被第一光电探测器220接收，有75％的光束从第二连接端输出，进入环形谐振腔内，形成谐振光束。环形谐振腔中第一分束器120和第二分束器130的分光比均为25:75，即第二光电探测器221能够接收到来自第二连接端的光束的25％。因此，在波长1550nm处，第一光电探测器220的输入光功率与第二光电探测器221的输入光功率的比值为4:3。通过选择不同元件组成的光输入端140，能够调节第一连接端的输入光功率与第二连接端的输入光功率的比值，结构设计灵活，能够根据实际需求选择不同类型的光输入端140，降低工艺复杂度，提高波长锁定器100的灵敏度和稳定性。从图6可以看出，第一光电探测器220所对应的传输特性曲线为0.25的直线，第二光电探测器221所对应的传输特性曲线为0.4至0.7之间的周期性梳状曲线，因此将第二光电探测器221产生的第二光电信号与第一光电探测器220产生的第一光电信号比值处理得到锁波信号，所得到的锁波信号也为周期性梳状曲线，能够实现25GHz以下的波长间隔，因而可达到可调激光器200的波长控制的精度要求。而且当第四反射镜为深刻蚀硅波导元件，环形谐振腔包括环形波导绕线110，第一分束器120和第二分束器130，为氮化硅波导元件，氮化硅波导高度为400nm，典型宽度为1μm，波导绕线的宽度为2μm，从1μm到2μm的渐变波导长度为40μm，氮化硅波导绕线的群折射率为1.985，波导绕线长度设置为6063.5μm，能够实现25GHz的FSR。因此，波长锁定器100的结构设计灵活简单，体积小，能够实现高精度的波长控制，提高了稳定性和可靠性。
如图7和图8所示，图7是本发明的另一个实施例提供的波长锁定器100的结构示意图；图8是图5所示的波长锁定器100的一个实施例提供对应的传输特性曲线的示意图，图8所示的PD2曲线，即虚线，为第一光电探测器220的传输特性曲线；而所示的PD3曲线，即实线，为第二光电探测器221的传输特性曲线。光输入端140可以是相耦合的第一反射镜与分束元件，即，第一反射镜与分束元件相配合实现光耦合分束，第一反射镜和分束元件对同一波长的光功率进行分路，其中，分束元件可以是定向耦合器，从而，光输入端140所接收到的光能够通过第一反射镜进行分路，分束元件能够接收到由第一反射镜分出的部分光并进行传输，其中，第一反射镜为深刻蚀硅波导元件，波导绕线为深刻蚀硅波导元件。
结合图7和图8，可以理解的是，光输入端140可以采用不同元件组成，也可以采用更换不同组成元件的材质，从而适用于不同的使用场景，缩小产品尺寸，提高稳定性和可靠性。例如，定向耦合器可以在波长为1550米处设置分光比为85:15，光输入端140上分别设置有第一连接端和第二连接端，第一连接端与第一光电探测器220连接，第二连接端与环形谐振腔连接，可以在波长为1550nm处设置第一连接端与第二连接端的分光比为40:60。因此，从第一连接端出射的40％光束被第一光电探测器220接收，从第二连接端出射的60％光束进入环形谐振腔,形成谐振光束，而第一分束器120中的直通端与第二光电探测器221相连接，接收周期性谐振透射光。第一分束器120和第二分束器130的分光比相同，设置为0.75，因此，进入第一分束器120的光束中有25％的谐振光束进入第二光电探测器221，从而，在波长1550nm处，第一光电探测器220的输入光功率与第二光电探测器221的输入光功率的比值为8:3，从图8可以看出，第一光电探测器220所对应的传输特性曲线为0.4的直线，第二光电探测器221所对应的传输特性曲线为0.35至0.6之间的周期性梳状曲线，因此，说明在通过采用相同元件组成光输入端140，设置相同的分光比的情况下，更换不同材质的波导绕线和不同材质的反射镜，不影响波长锁定器100的性能，因此，具有高稳定性和高可靠性。另外，由于第一反射镜为深刻蚀硅波导元件，环形谐振腔包括环形波导绕线110，第一分束器120和第二分束器130为深刻蚀硅元件，硅波导高度为220nm，深刻蚀厚度为90nm，波导宽度为500nm，群折射率为3.894，在自由频谱范围设置为25GHz的情况下，波导绕线的长度为3084.87μm。因此，可以通过更换组成波长锁定器100的元件的材质，节省空间，能够缩小产品尺寸，降低生产难度。
如图9所示，图9是本发明的一个实施例提供的可调激光器200的结构示意图。本发明的第二方面实施例提供一种可调激光器200，可调激光器200包括如上述实施例中的波长锁定器100，还包括光源模块210。
结合图9，可以理解的是，波长锁定器100的光输入端140可以设置有第三连接端，光输入端140通过第三连接端与光源模块210连接，接受来自于光源模块210发出的光束，从而光源模块210发出的光束能够通过光输入端140和第二连接端进入环形谐振腔内。环形谐振腔通过环形波导绕线110、第一分束器120和第二分束器130的相互配合，使得光束进入环形波导绕线110后能够进行谐振，形成谐振光束，实现在一定自由频谱范围的梳状传输光谱，达到可调激光器200的波长控制的精度要求。由于波长锁定器100内的光束来自于光源模块210所发出的光束，即来自于可调激光器200所发出的光束，从而进入波长锁定器100内的光束具有可调激光器200的波长特性。光输入端140设置有第一连接端和第二连接端。第一光电探测器220与第一连接端连接，接收来自光源模块210发出的光的一部分，产生第一光电信号，而来自光源模块210的另一部分光从第二连接端输出，进入环形谐振腔，经滤波后的透射光被第二光电探测器接收，产生第二光电信号。因此，在可调激光器200工作在所需波长时，第一光电探测器220和第二光电探测器221分别接收来自光源模块210的光，产生的第一光电信号和第二光电信号的比值为定值。将第二光电信号与第一光电信号的比值作为可调激光器200工作波长的锁波信号，即可调激光器200所在工作波长发生偏移，锁波信号随之变化，从而能够实现对可调激光器200的波长特性进行监测。相位调制器230设置在波长锁定器100内环形波导绕线110上，从而能够通过控制相位调制器230调节环形波导绕线110的温度，改变环形波导绕线110的折射率，进而改变环形谐振腔的波长，将锁波信号的工作点调节至预设目标位置，进而实现可调激光器200的波长调节和锁定。因此，波长锁定器100可以通过将光输入端140、环形谐振腔、第一光电探测器220、第二光电探测器221和相位调制器230集成在SOI芯片上，无需外置体型F-P标准具，光栅，滤波器阵列等大型元件，就能够实现可调激光器200的波长监测、调节和锁定的功能，减少了对激光器件光源产生的噪声干扰，提高了调节精度，节省了波长锁定器100的结构空间，能够缩小产品尺寸，同时降低封装工艺复杂度，降低成本。
可以理解的是，波长锁定器100还设置第一测温单元250，第一测温单元250位于波长锁定器100内，例如，第一测温单元250是热敏电阻，贴装集成在波长锁定器100的SOI芯片上的金属电极上，可以位于环形谐振腔的内侧，也可以位于环形谐振腔的外侧。将第一测温单元250集成在波长锁定器100的芯片上，可以实时监测波长锁定器100的温度变化，从而精确控制可调激光器200的波长稳定，实现波长监测和锁定的功能，同时可以缩小可调激光器200的封装体积，降低成本。而相位调制器230在调节波长的过程中，波长锁定器100芯片的温度不断升高，热量扩散到四周，甚至使得可调激光器200的波长发生红移，因此，可调激光器200还设置有调温单元240，用于调节可调激光器200的温度，其中，调温单元240是半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)。另外在可调激光器200的光源模块210上还设置有第二测温单元260，用于监测光源模块210内的温度变化。因此在相位调制器230调节波长锁定器100的相位的过程中，调温单元240能够同时调节可调激光器200的温度，第一测温单元250获取波长锁定器100的第一温度数据，第二测温单元260获取可调激光器200的第二温度数据，能够监测波长锁定器100和光源模块210的温度变化，可以监测可调激光器200的波长变化并进行波长控制和稳定，从而实现波长锁定的功能。
需要说明的是，光源模块210包括增益芯片211(Gain Chip，GC)和外腔滤波器212，其中，增益芯片211可以是半导体光放大器，而外腔滤波器212可以是周期性窄带微环滤波器。增益芯片211和带有外腔滤波器212的芯片贴装在衬底基片上，构成可调激光器200的发光结构单元。波长锁定器100集成于与外腔滤波器212同一SOI芯片上，从而能够接收光源模块210所发出的光束。在外腔滤波器212的SOI芯片上还设置有相位调制器230和第一测温单元250。而调温单元240设置在增益芯片211和外腔滤波器212的衬底基片的下方，从而便于控制可调激光器200的温度。同时，增益芯片211上还可以设置有第二测温单元260，用于监测可调激光器200的温度。
参照图10，本发明的一个实施例提供一种波长锁定控制方法的流程图，波长锁定控制方法应用于可调激光器，可调激光器包括上述实施例的波长锁定器；还包括用于发出光束的光源模块，光输入端连接光源模块并接收来自光源模块的光束，波长锁定控制方法包括以下步骤：
步骤S1010，获取由第一光电探测器输出的第一光电信号和由第二光电探测器输出的第二光电信号；
步骤S1020，根据第一光电信号和第二光电信号得到锁波信号；
步骤S1030，根据锁波信号控制相位调制器将锁波信号的工作点调节至预设目标位置。
可以理解的是，波长锁定器包括环形谐振腔、光输入端、第一光电探测器、第二光电探测器、相位调制器。其中，环形谐振腔包括环形波导绕线，以及分别与环形波导绕线连接的第一分束器和第二分束器。光输入端与光源模块连接，接收来自于光源模块发出的部分光束，并且设置有用于出射光的第一连接端和第二连接端。第一光电探测器与第一连接端连接，接收来自光源模块发出的光的一部分，产生第一光电信号，而来自光源模块的另一部分光从第二连接端输出，进入环形谐振腔，经滤波后的透射光被第二光电探测器接收，产生第二光电信号。第一分束器和第二分束器分别与环形波导绕线连接，能够使得光束进入环形谐振腔后谐振传输，从而可以实现具有25GHz以下FSR的梳状传输光谱，使得波长锁定器能够实现高精度的波长控制和稳定。由于波长锁定器内的光束来自于光源模块所发出的光束，即来自于可调激光器所发出的光束，从而进入波长锁定器内的光束具有可调激光器的波长特性。因此，在可调激光器工作在所需波长时，第一光电探测器和第二光电探测器分别接收来自光源模块的光，对产生的第一光电信号和第二光电信号进行处理，得到作为可调激光器工作波长的锁波信号，即可调激光器所在工作波长发生偏移，锁波信号的工作点随之变化，从而能够实现对可调激光器的波长特性进行监测。其中，可以对第一光电信号与第二光电信号进行相加、相减、相乘或相除等运算处理，滤除部分干扰参数，得到锁波信号。相位调制器设置在波长锁定器内环形波导绕线上，从而能够通过控制相位调制器调节环形波导绕线的温度，改变环形波导绕线的折射率，进而调节波长锁定器的波长移动，调节锁波信号的工作点。因此，调节相位调制器的加载功率，将锁波信号的工作点调节至预设目标位置，即此时工作点所对应的波长为可调激光器的工作波长，实现可调激光器的波长监测和波长锁定。
参照图11，图10所示实施例中的步骤S1020还包括但不限于有以下步骤：
步骤S1021，根据第二光电信号与第一光信号的比值关系，得到锁波信号。
可以理解的是，在可调激光器工作在所需波长时，第一光电探测器和第二光电探测器分别接收来自光源模块的所需工作波长的光，产生的第一光电信号和第二光电信号的比值为定值。为了提高控制的准确性和可靠性，将第二光电信号与第一光电信号的比值作为可调激光器工作波长的锁波信号，当可调激光器所在工作波长发生偏移，锁波信号的工作点随之变化，从而能够实现对可调激光器的波长特性进行监测。相位调制器设置在波长锁定器内环形波导绕线上，从而根据锁波信号的变化情况，控制相位调制器调节环形波导绕线的温度，改变环形波导绕线的折射率，进而调节波长锁定器的波长移动，改变锁波信号的工作点。因此，通过调节相位调制器的功率，调节波长锁定器的波长移动，将锁波信号的工作点调节至预设目标位置，此时工作点所对应的波长为可调激光器的工作波长，即将可调激光器的工作波长调节至预设目标波长，进而实现可调激光器的波长监测和锁定。而根据第二光电信号和第一光电信号的比值关系得到锁波信号，将锁波信号的工作点调节至预设目标位置，实现可调激光器的波长监测和波长锁定，能够降低误差，保持可调激光器输出波长稳定，提高调节的准确度，提高通道波长的可靠性和稳定性。
参照图12，图10所示实施例中的步骤S1030还包括但不限于有以下步骤：
步骤S1031，获取由第一测温单元输出的波长锁定器的第一温度数据；
步骤S1032，根据第一温度数据和锁波信号控制相位调制器将锁波信号的工作点调节至预设目标位置。
可以理解的是，相位调制器通过改变自身的加载功率，调节环形波导绕线的温度，改变环形波导绕线的折射率，进而调节波长锁定器的波长移动，改变锁波信号的工作点。当可调激光器所在工作波长发生变化，锁波信号随之变化。为了将波长锁定器的锁波工作点调节至预设目标位置，需要调节相位调制器的加载功率，改变环形波导绕线的温度。为了能够提高波长监测和锁定的准确性，波长锁定器还设置第一测温单元，第一测温单元获取波长锁定器内的第一温度数据，能够控制相位调制器的调节效果。因此，能够根据第一温度数据和锁波信号对相位调制器进行控制，能够监测波长锁定器内的温度变化情况，有利于相位调制器调节波长锁定器的波长移动，将波长锁定器的锁波工作点调节至预设目标位置，提高波长调节和锁定的准确性。
参照图13，图12所示实施例中的步骤S1032还包括但不限于有以下步骤：
步骤S1033，获取由第二测温单元输出的光源模块的第二温度数据；
步骤S1034，根据锁波信号、第一温度数据和第二温度数据，控制调温单元和相位调制器将可调激光器的工作波长调节至预设目标波长。
可以理解的是，相位调制器在调节波长锁定器波长移动的过程中，波长锁定器芯片的温度不断升高，热量扩散到四周，甚至使得可调激光器的波长发生红移，波长锁定器的工作点随之变化。因此，可调激光器还设置有调温单元，用于调节可调激光器的温度。另外在可调激光器的光源模块上还设置有第二测温单元，获取光源模块的第二温度数据，用于监测光源模块内的温度变化。因此在相位调制器调节波长锁定器的波长的过程中，能够根据第一温度数据和第二温度数据监测波长锁定器和光源模块温度变化，根据第一温度数据和第二温度数据控制调温单元进行降温，维持可调激光器的温度，从而锁定可调激光器工作在所需波长，从而能够进行波长控制和稳定。在可调激光器工作在所需波长时，第一光电探测器和第二光电探测器分别接收来自光源模块的光，对产生的第一光电信号和第二光电信号进行处理，得到作为可调激光器工作波长的锁波信号，当温度变化使得可调激光器所在工作波长发生偏移时，锁波信号的工作点随之变化，从而，在调温单元维持可调激光器的温度时，通过相位调制器调节波长锁定器的波长移动，将锁波信号的工作点调节至预设目标位置，此时工作点所对应的波长为可调激光器的工作波长，即将可调激光器的工作波长调节至预设目标波长。第一测温单元、第二测温单元和调温单元相互配合，能够实现可调激光器的波长调节和锁定的稳定性和准确性。
如图14所示，图14是本发明一个实施例提供的波长锁定方法的效果示意图。其中，实线曲线为可调激光器的锁波信号曲线，虚线曲线为可调激光器温度升高导致波长红移的锁波信号曲线，纵坐标为第二光电信号与第一光电信号的比值，其中预设目标位置为选定的波长锁定器的工作点，工作点对应的横坐标为目标波长，即可调激光器的所需工作波长。
结合图14，可以理解的是，在可调激光器工作在所需波长时，第一光电探测器和第二光电探测器分别接收来自光源模块的光，产生的第一光电信号和第二光电信号的比值为定值。将第二光电信号与第一光电信号的比值作为可调激光器工作波长的锁波信号，即可调激光器所在工作波长发生偏移，锁波信号随之变化，从而能够实现对可调激光器的波长特性进行监测。相位调制器设置在波长锁定器内环形波导绕线上，从而能够通过控制相位调制器调节环形波导绕线的温度，改变环形波导绕线的折射率，进而改变环形谐振腔的波长，改变锁波信号的工作点。当可调激光器工作在所需波长，通过相位控制器调节波长锁定器的波长移动，将锁波信号的工作点调节至预设目标位置，即锁波信号曲线峰值的一半，因为此处信号曲线变化幅度较大，具有更高的锁波精度。当可调激光器的工作波长发生偏移，则测得的第二光电信号与第一光电信号的比值偏离目标值，从而实现波长监测。第一测温单元监测波长锁定器的温度，随着相位调制器长时间的调节，波长锁定器芯片的温度不断升高，热量扩散到四周，甚至使得可调激光器的波长发生红移，因此，同时控制调温单元调节可调激光器的温度，第二测温单元监测光源模块内的温度变化。因此，在相位调制器调节波长锁定器的相位时，可调激光器的调温单元调节整个系统温度，第一测温单元和第二测温单元分别监测波长锁定器和光源模块温度变化的情况下，可以监测可调激光器的波长变化并进行波长控制和稳定，从而实现波长锁定的功能。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种波长锁定器，其特征在于，应用于可调激光器，所述可调激光器设置有用于发出具有所需工作波长光束的光源模块，所述波长锁定器包括：
光输入端，用于连接所述光源模块并接收来自所述光源模块的光束，所述光输入端还设置有第一连接端和第二连接端；
环形谐振腔，与所述第二连接端连接，所述环形谐振腔包括环形波导绕线，以及分别与所述环形波导绕线连接的第一分束器和第二分束器，所述环形波导绕线、所述第一分束器与所述第二分束器用于配合产生梳状传输光谱；
第一光电探测器，与所述第一连接端连接，用于接收来自所述光源模块所发出的光的一部分光以产生第一光电信号；
第二光电探测器，与所述第一分束器连接，用于接收经所述环形谐振腔滤波后的透射光以产生第二光电信号；
相位调制器，设置于所述环形波导绕线上，用于调节所述环形谐振腔的相位。
2.根据权利要求1所述的波长锁定器，其特征在于，所述波长锁定器内设置有第一测温单元，用于获取所述波长锁定器的第一温度数据。
3.根据权利要求1所述的波长锁定器，其特征在于，所述波长锁定器集成于SOI芯片上。
4.根据权利要求1所述的波长锁定器，其特征在于，所述光输入端包括如下类型中的一种：
相耦合的第一反射镜和分束元件；
相耦合的第二反射镜和第三反射镜；
第四反射镜。
5.一种可调激光器，其特征在于，包括：权利要求1至4任意一项所述的波长锁定器；还包括用于发出光束的光源模块，所述光输入端连接所述光源模块并接收来自所述光源模块的具有所需工作波长的光束。
6.根据权利要求5所述的可调激光器，其特征在于，所述可调激光器还包括用于调节所述可调激光器温度的调温单元和用于获取所述光源模块的第二温度数据的第二测温单元，所述调温单元与所述可调激光器连接，所述第二测温单元设置在所述光源模块上。
7.一种波长锁定控制方法，应用于可调激光器，所述可调激光器包括权利要求1至4任意一项所述的波长锁定器；还包括用于发出具有所需工作波长的光束的光源模块，所述光输入端连接所述光源模块并接收来自所述光源模块的光束；
所述控制方法，包括：
获取由所述第一光电探测器输出的第一光电信号和由所述第二光电探测器输出的第二光电信号；
根据所述第一光电信号和所述第二光电信号得到锁波信号；
根据所述锁波信号控制所述相位调制器将所述锁波信号的工作点调节至预设目标位置。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述第一光电信号和所述第二光电信号得到锁波信号，包括：
根据所述第二光电信号与所述第一光信号的比值关系，得到锁波信号。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述波长锁定器内设置有第一测温单元，用于获取所述波长锁定器的第一温度数据；
所述根据所述锁波信号控制所述相位调制器将所述锁波信号的工作点调节至预设目标位置，包括：
获取由所述第一测温单元输出的所述波长锁定器的第一温度数据；
根据所述第一温度数据和所述锁波信号控制所述相位调制器将所述锁波信号的工作点调节至预设目标位置。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述可调激光器还包括用于调节所述可调激光器温度的调温单元和用于获取所述光源模块的第二温度数据的第二测温单元，所述调温单元与所述可调激光器连接，所述第二测温单元设置在所述光源模块上；
所述根据所述第一温度数据和所述锁波信号控制所述相位调制器将所述锁波信号的工作点调节至预设目标位置，包括：
获取由所述第二测温单元输出的所述光源模块的第二温度数据；
根据所述锁波信号、所述第一温度数据和所述第二温度数据，控制所述调温单元和所述相位调制器将所述可调激光器的工作波长调节至预设目标波长。
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