CN116577870B - 非热敏感片上波长锁定器及激光器波长锁定的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非热敏感片上波长锁定器，包括锁定器入射波导、非热敏感标准具、连接波导、多路单通道接收器、接收器输出和控制系统，待锁定波长的光信号通过锁定器入射波导进入非热敏感标准具，非热敏感标准具的多路输出信号通过连接波导一一对应进入单通道接收器，控制系统连接接收器输出，选择一路或几路输出信号作为波长锁定器的参考值。本发明还公开一种基于非热敏感片上波长锁定器的激光器波长锁定的方法。优点：本发明的波长锁定器，实现与石英材料相当的热温度系数，具有集成度高、良率高、可靠性高等优点。本发明的方法，选择灵敏度大的支路作为待锁定波长的参考支路，可以避免色散带来的无效锁定，实现大波长范围的波长锁定。

Description

非热敏感片上波长锁定器及激光器波长锁定的方法
技术领域
本发明涉及光通信及激光雷达技术领域，尤其涉及一种非热敏感片上波长锁定器及其控制波长的方法。
背景技术
目前应用于可调谐激光器等领域的波长锁定器主要使用石英标准具。一般将波长锁定在标准具传输光谱的中值附近，对应于传输光谱斜率最大点，通过监控传输功率的变化实时调整激光器波长。
石英材料具有热光系数小、稳定性高的特点，但是石英标准具体积庞大，不利于集成；为了精确地锁定波长，标准具需要精确地控制长度，生产良率低；此外，标准具的传输谱会随着外部环境如温度、应力等因素变化，实际工作中，需要根据工作环境调整标准具的初始状态，增加了复杂度。
发明内容
本发明其中一个目的是提出一种非热敏感片上波长锁定器，解决了现有技术中石英标准具体积庞大，不利于集成的技术问题。
采取的技术方案为：一种非热敏感片上波长锁定器，包括锁定器入射波导、非热敏感标准具、连接波导、多路单通道接收器、接收器输出和控制系统，待锁定波长的光信号通过锁定器入射波导进入非热敏感标准具，非热敏感标准具的多路输出信号通过连接波导一一对应进入单通道接收器，控制系统连接接收器输出，选择一路或几路输出信号作为波长锁定器的参考值。
对本发明技术方案的优选，锁定器入射波导、非热敏感标准具、连接波导和多路单通道接收器集成在一块芯片上。
对本发明技术方案的优选，单通道接收器为集成片上探测器结构，具有高集成度，一致性高的优点。
对本发明技术方案的优选，非热敏感标准具为由三个1x2分光器、两个2 x2分光器和四个波导构成的两个马赫曾德干涉仪结构。此种结构的非热敏感标准具两臂设计不同的波导结构和长度，实现与石英材料相当的热温度系数，具有集成度高、良率高、可靠性高等优点。
对本发明技术方案的优选，三个1x2分光器定义为第一1x2分光器、第二1x2分光器和第三1x2分光器，两个2 x2分光器定义为第一2 x2分光器和第二2 x2分光器，四个波导定义为第一波导、第二波导、第三波导和第四波导，
第一1x2分光器的入端与锁定器入射波导相连，第一1x2分光器的两个出端分别与第二1x2分光器和第三1x2分光器的入端相连，第二1x2分光器的两个出端分别通过第一波导和第二波导与第一2 x2分光器的两个入端相连，第三1x2分光器的两个出端分别通过第三波导和第四波导与第二2x2分光器的两个入端相连，两个2x2分光器的出端接两路连接波导，
其中，第二1x2分光器、第一波导、第二波导和第一2 x2分光器构成一个马赫曾德干涉仪结构，第三1x2分光器、第三波导、第四波导和第二2 x2分光器构成另一个马赫曾德干涉仪结构；
所述两个马赫曾德干涉仪结构内的波导满足以下条件：
设第一波导、第二波导、第三波导和第四波导的长度分别为L1、L2、L3、L4，有效折射率分别为n1、n2、n3、n4，群折射率分别为ng1、ng2、ng3、ng4，有效折射率的温度系数分别为dn1/dT、dn2/dT、dn3/dT、dn4/dT；
n1=n3 (1)
n2=n4 (2)
ng1=ng3 (3)
ng2=ng4 (4)
L2=L4 (5)
L1=L3+ (6)
dn1/dT=dn3/dT (7)
dn2/dT=dn4/dT (8)
式中，为设计中心波长；
所述非热敏感标准具的满足如下条件：
dn1/dT*L1=dn2/dT*L2 (9)
FSR=c/|ng1*L1-ng2*L2| (10)
其中，FSR为标准具的自由光谱范围，c为真空中的光速。
对本发明技术方案的优选，所述1x2分光器通过1x2多模干涉耦合器或者Y分支实现；2x2分光器通过2 x 2多模干涉耦合器或定向耦合器实现。
对本发明技术方案的优选，非热敏感标准具由一个1x2分光器、一个90度混频器和两个波导构成的一个马赫曾德干涉仪结构，1x2分光器的入端与锁定器入射波导相连，1x2分光器的两个出端分别通过两个波导与90度混频器的入端相连，90度混频器的出端接连接波导（3）；定义两个波导的长度分别为L1和L2，有效折射率分别为n1和n2，群折射率分别为ng1和ng2，有效折射率的温度系数分别为dn1/dT和dn2/dT，
该非热敏感标准具的满足如下条件：
dn1/dT*L1=dn2/dT*L2 (9)
FSR=c/|ng1*L1-ng2*L2| (10)
其中，FSR为标准具的自由光谱范围，c为真空中的光速。
本技术方案的非热敏感标准具，由于不需要满足式(1)~(8)，工艺容差更大。
对本发明技术方案的优选，单通道接收器输出对应组合，实现差分工作模式，输出信号连接控制系统。
本发明的另一个目的是提出一种基于非热敏感片上波长锁定器的激光器波长锁定的方法，解决了色散引起的标准具FSR不一致导致的某些波长点的无效锁波问题。
采取的技术方案为：一种基于非热敏感片上波长锁定器的激光器波长锁定的方法，包括如下步骤：
S1、将激光器通过锁定器入射波导接入非热敏感片上波长锁定器；
S2、扫描激光器的波长，记录各路输出信号的曲线，得到输出信号的曲线中值；
S3、将激光器调节到某一待锁定波长，读取非热敏感片上波长锁定器上的此波长的多路输出信号，控制系统选择接近曲线中值的支路作为输出支路；
S4、记录步骤S3中选定的输出支路的输出参数，作为该待锁定波长的标定参数；
S5、重复步骤S3和S4，激光器内所有待锁定波长全部标定；
S6、开启激光器波长锁定，锁定过程中，实时读取待锁定波长对应的输出支路的输出参数，并动态调节激光器的波长，使得实时输出参数与步骤S4的标定参数之间的差别在10%之内。
本发明技术方案的优选，步骤S4中，输出支路的参数包括输出支路的序号和输出值。
本发明的有益效果是：
1、本发明非热敏感片上波长锁定器，通过对片上波长锁定器中马赫曾德干涉仪的两臂设计不同的波导结构和长度，实现与石英材料相当的热温度系数，具有集成度高、良率高、可靠性高等优点。
2、本发明的方法，选择灵敏度大的支路作为待锁定波长的参考支路，可以避免色散带来的无效锁定，实现大波长范围的波长锁定。
附图说明
图1是本发明非热敏感片上波长锁定器的结构框图；
图2是本发明实施例1中非热敏感标准具的结构框图；
图3是本发明实施例1中211-1输出光谱及待锁定波长在输出光谱上的位置图；
图4是本发明实施例1中211-1和211-3输出局部光谱图；
图5是本发明实施例1中211-1和211-3输出光谱及待锁定波长在对应输出光谱上的位置图；
图6是本发明实施例1中对每一个待锁定波长选择211-1或者211-3的某个输出，使功率靠近传输谱功率中值时统计的输出
图7是图6的波长点对应的在传输谱上的斜率图；
图8是本发明实施例2的结构框图；
图9是本发明实施例3的结构框图；
图10是本发明参数标定及控制框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-10及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例系一种非热敏感片上波长锁定器，包括锁定器光入射波导1、非热敏感标准具2、连接波导3、多路单通道接收器4、接收器输出5和和控制系统6，非热敏感标准具2通过集成马赫曾德干涉仪实现，待锁定波长的光信号通过锁定器入射波导1进入非热敏感标准具2，非热敏感标准具2的多路输出信号通过连接波导3一一对应进入单通道接收器4，控制系统6连接接收器输出5，选择一路或几路输出信号作为波长锁定器的参考值。锁定器入射波导1、非热敏感标准具2、连接波导3和多路单通道接收器4集成在一块芯片上。
实施例1
如图2所示，为集成非热敏感标准具2的一个实施例。集成非热敏感标准具2包括标准具入射波导201、三个1x2分光器，两个2x2分光器、四个波导和输出波导211。
三个1x2分光器分别为第一1x2分光器202、第二1x2分光器203、第三1x2分光器204，本实施例中1x2分光器通过1x2多模干涉耦合器或者Y分支实现。
两个2x2分光器为第一2x2分光器205和第二2x2分光器206，本实施例中2x2分光器，通过2 x 2多模干涉耦合器或定向耦合器实现。
四个波导分别为第一波导207、第二波导208、第三波导209和第四波导210，
本实施例中，第二1x2分光器203、第一2x2分光器205、第一波导207和第二波导208构成一个马赫曾德干涉仪结构；第三1x2分光器204、第二2x2分光器206、第三波导209和第四波导210构成另一个马赫曾德干涉仪结构。
第一1x2分光器的入端与标准具入射波导201相连，第一1x2分光器的两个出端分别与第二1x2分光器和第三1x2分光器的入端相连，第二1x2分光器的两个出端分别通过第一波导和第二波导与第一2 x2分光器的两个入端相连，第三1x2分光器的两个出端分别通过第三波导和第四波导与第二2x2分光器的两个入端相连，第一2x2分光器的两个输出端分别为211-1和211-2，第二2x2分光器的两个输出端分别为211-3和211-4。
本实施例中两个马赫曾德干涉仪结构内的波导满足以下条件：
第一波导207、第二波导208、第三波导209和第四波导210的长度分别为L1、L2、L3、L4，有效折射率分别为n1、n2、n3、n4，群折射率分别为ng1、ng2、ng3、ng4，有效折射率的温度系数分别为dn1/dT、dn2/dT、dn3/dT、dn4/dT。
此设计中，第一波导207和第三波导209使用相同的波导设计结构，第二波导208和第四波导210使用相同的波导设计结构，且满足如下条件：
n1=n3 (1)
n2=n4 (2)
ng1=ng3 (3)
ng2=ng4 (4)
L2=L4 (5)
L1=L3+ (6)
dn1/dT=dn3/dT (7)
dn2/dT=dn4/dT (8)
式中，为设计中心波长；
所述非热敏感标准具102的满足如下条件：
dn1/dT*L1=dn2/dT*L2 (9)
FSR=c/|ng1*L1-ng2*L2| (10)。
式中，FSR为标准具（马赫曾德干涉仪）的自由光谱范围，需要与定标波长的间隔相同；c为真空中的光速。通过对第一波导207和第二波导208 (或第三波导209和第四波导210)选择不同的波导结构和长度，如不同的波导宽度或者不同的刻蚀深度，实现目标FSR的非热敏感标准具的功能。
由于波导制作存在工艺误差，且波导存在色散，整个设计波段内很难做到完全非热敏感和固定的FSR。表1为考虑波导制作误差和色散后，211-1输出光谱峰值波长随温度漂移及FSR的变化。
表1
如表1所示，在1525nm~1575nm设计波段内，标准具谐振波长随温度的变化<，与石英体标准具接近。最小的FSR为0.33nm，最大的FSR为0.48nm，偏离50GHz目标FSR (~0.4nm)。
如图3所示，为本实施例211-1输出部分光谱图及待锁定波长组在输出光谱上的位置，待锁定波长组为一系列间隔50GHz的波长点，由于色散的存在，211-1输出光谱的FSR随波长变化，不同的待锁定波长点对应在211-1输出的功率也不尽相同，待锁定波长在光谱上对应的位置覆盖了峰值到谷值的范围，特别是191.5THz和192.5THz附近的待锁定波长点在光谱上的斜率很小，很容易造成无效锁波。
如图4所示，为本实施例中，非热敏感标准具2的输出端口211-1和211-3在193.1THz~193.2THz范围内的输出叠加图。由于满足式（1）-（10），211-3和211-1的输出存在的相位差，即两个输出偏离1/4 FSR。
如图5所示，为本实施例中，非热敏感标准具2的输出端口211-1和211-3输出部分光谱图及待锁定波长组在输出光谱上的对应位置。由于211-1和211-3输出存在1/4 FSR的差异，任何一个待锁定波长点通过选择211-1或211-3的某个输出，总能落在传输谱功率中值，即斜率最大点附近。
如图6所示，为本实施例中，对每一个待锁定波长选择211-1或者211-3的某个输出，使功率靠近传输谱功率中值附近时统计的出光功率，所有的待锁定波长点对应的功率都远离峰值和谷值，可以进行有效锁定，图7为对应于图6的波长点在传输谱上的斜率，此时的斜率的绝对值远大于零，且基本接近。
实施例2
如图8所示，为非热敏感片上波长锁定器的一个实施例，1为入射波导，2为非热敏感标准具，其结构与参数与实施例1中相同，3为连接波导，将非热敏感标准具2的四个输出光信号连接到8，8为片上集成的探测器，将光信号转换为电信号，5为接收器输出，6为控制系统，接收输出信号，在待锁定波长锁波参数标定时，判断待锁定波长使用哪一路输出信号进行锁波，记录该路信号的锁波参数，在锁波开始时，实时监控该路输入信号的值，并与一开始的锁波标定值比较，从而动态调整工作激光器的参数。本实施例将4输出的第一、第三路信号作为输出信号输入控制系统6，由实施例1可知这两路输出信号相差1/4 FSR，通过合理选择这两路中的一路，任一待锁定波长都能实现较好的锁定。
实施例3
如图9所示，为非热敏感片上波长锁定器的另一个实施例，1为入射波导，2为非热敏感标准具，3为连接波导，将非热敏感标准具2的四个输出光信号连接到8，8为片上集成的探测器，将光信号转换为电信号，5为接收器输出，6为控制系统，接收输出信号，在待锁定波长锁波参数标定时，判断待锁定波长使用哪一路输出信号进行锁波，记录该路信号的锁波参数，在锁波开始时，实时监控该路输入信号的值，并与一开始的锁波标定值比较，从而动态调整工作激光器的参数。
本实施例非热敏感标准具2包括标准具入射波导201、1x2分光器202、第一波导203、第二波导204、90度混频器205、输出波导206。202的入端与标准具入射波导201相连，202的两个出端分别通过两个波导203、204与90度混频器205的入端相连，90度混频器的输出端为206。本实施例中1x2分光器202、90度混频器205、第一波导203和第二波导204构成一个马赫曾德干涉仪结构。
本实施例中第一波导203和第二波导204的长度分别为L1、L2，有效折射率分别为n1、n2，群折射率分别为ng1、ng2，有效折射率的温度系数分别为dn1/dT、dn2/dT。且满足如下条件：
dn1/dT*L1=dn2/dT*L2 (9)
FSR=c/|ng1*L1-ng2*L2| (10)。
通过对第一波导203和第二波导204选择不同的波导结构和长度，如不同的波导宽度或者不同的刻蚀深度，实现目标FSR的非热敏感标准具的功能。90度混频器205使得输出端206的四个信号之间相互存在90度的相位差，与实施例1相比，本实施例的结构不需要满足实施例1中的式(1)~(8)，工艺容差更大。
本实施例中，第一、第四探测器工作于差分模式，其差分输出作为第一输出信号，第二、第三探测器工作于差分模式，其差分输出作为第二输出信号，差分输出模式使得探测灵敏度提高3dB。
如图10所示，本实施例系一种基于非热敏感片上波长锁定器的激光器波长锁定的方法，包括如下步骤：
S1、将激光器通过入射波导1接入非热敏感片上波长锁定器；
S2、扫描激光器的波长，记录各路输出信号的曲线，得到输出信号的曲线中值；
S3、将激光器调节到某一待锁定波长，读取非热敏感片上波长锁定器上的此波长的多路输出信号，控制系统6选择接近曲线中值的支路作为输出支路；
S4、记录步骤S3中选定的输出支路的输出参数，作为该待锁定波长的标定参数；
S5、重复步骤S3和S4，激光器内所有待锁定波长全部标定；
S6、开启激光器波长锁定，锁定过程中，实时读取待锁定波长对应的输出支路的输出参数，并动态调节激光器的波长，使得实时输出参数与步骤S4的标定参数之间的差别在10%之内。
步骤S4中，输出支路的参数包括输出支路的序号和输出值。
本实施例的方法，定标过程为对待锁定波长选择某一支路输出，并将输出值作为标准值存储；锁定过程中实时监控输出支路的输出值，并与定标的标准值比较，通过差异值动态调整控制系统，使输出与定标的标准值接近。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种非热敏感片上波长锁定器，其特征在于：包括锁定器入射波导（1）、非热敏感标准具（2）、连接波导（3）、多路单通道接收器（4）、接收器输出（5）和控制系统（6），待锁定波长的光信号通过锁定器入射波导（1）进入非热敏感标准具（2），非热敏感标准具（2）的多路输出信号通过连接波导（3）一一对应进入单通道接收器（4），控制系统（6）连接接收器输出（5），选择一路或几路输出信号作为波长锁定器的参考值；
非热敏感标准具（2）为由三个1x2分光器、两个2 x2分光器和四个波导构成的两个马赫曾德干涉仪结构；
其中，三个1x2分光器定义为第一1x2分光器、第二1x2分光器和第三1x2分光器，两个2x2分光器定义为第一2 x2分光器和第二2 x2分光器，四个波导定义为第一波导、第二波导、第三波导和第四波导，
第一1x2分光器的入端与锁定器入射波导（1）相连，第一1x2分光器的两个出端分别与第二1x2分光器和第三1x2分光器的入端相连，第二1x2分光器的两个出端分别通过第一波导和第二波导与第一2 x2分光器的两个入端相连，第三1x2分光器的两个出端分别通过第三波导和第四波导与第二2x2分光器的两个入端相连，两个2x2分光器的出端接两路连接波导（3），
其中，第二1x2分光器、第一波导、第二波导和第一2 x2分光器构成一个马赫曾德干涉仪结构，第三1x2分光器、第三波导、第四波导和第二2 x2分光器构成另一个马赫曾德干涉仪结构；
所述两个马赫曾德干涉仪结构内的波导满足以下条件：
设第一波导、第二波导、第三波导和第四波导的长度分别为L1、L2、L3、L4，有效折射率分别为n1、n2、n3、n4，群折射率分别为ng1、ng2、ng3、ng4，有效折射率的温度系数分别为dn1/dT、dn2/dT、dn3/dT、dn4/dT；
n1=n3
n2=n4
ng1=ng3
ng2=ng4
L2=L4
L1=L3+，
dn1/dT=dn3/dT
dn2/dT=dn4/dT
式中，为设计中心波长；
所述非热敏感标准具（2）满足如下条件：
dn1/dT*L1=dn2/dT*L2
FSR=c/|ng1*L1-ng2*L2|
其中，FSR为标准具的自由光谱范围，c为真空中的光速。
2.根据权利要求1所述的非热敏感片上波长锁定器，其特征在于：锁定器入射波导（1）、非热敏感标准具（2）、连接波导（3）和多路单通道接收器（4）集成在一块芯片上。
3.根据权利要求2所述的非热敏感片上波长锁定器，其特征在于：单通道接收器（4）为集成片上探测器结构。
4.根据权利要求3所述的非热敏感片上波长锁定器，其特征在于：所述1x2分光器通过1x2多模干涉耦合器或者Y分支实现；2x2分光器通过2 x 2多模干涉耦合器或定向耦合器实现。
5.根据权利要求3所述的非热敏感片上波长锁定器，其特征在于：单通道接收器（4）输出对应组合，实现差分工作模式，输出信号连接控制系统（6）。
6.根据权利要求1-5任一项所述的非热敏感片上波长锁定器的激光器波长锁定的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、将激光器通过锁定器入射波导（1）接入非热敏感片上波长锁定器；
S2、扫描激光器的波长，记录各路输出信号的曲线，得到输出信号的曲线中值；
S3、将激光器调节到某一待锁定波长，读取非热敏感片上波长锁定器上的此波长的多路输出信号，控制系统（6）选择接近曲线中值的支路作为输出支路；
S4、记录步骤S3中选定的输出支路的输出参数，作为该待锁定波长的标定参数；
S5、重复步骤S3和S4，直至激光器内所有待锁定波长全部标定；
S6、开启激光器波长锁定，锁定过程中，实时读取待锁定波长对应的输出支路的输出参数，并动态调节激光器的波长，使得实时输出参数与步骤S4的标定参数之间的差别在10%之内。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤S4中，输出支路的参数包括输出支路的序号和输出值。
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