CN1230953C - 稳定的辐射源 - Google Patents
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Abstract
一种稳定辐射源(300)包括：(a)一个分布反馈(DFB)激光器(310)；(b)一个用于将部分输出辐射耦合到第一和第二光路的后透镜(340)；(c)用于检测穿过第一和第二光路传输的辐射，和产生表示辐射功率的第一和第二信号(J1，J2)的光辐射检测器(370，380)；以及(d)用于响应稳定信号来控制该激光器(310)的控制电路(390)。本发明特征在于第一和第二辐射路径可操作来将基本未滤过的和波长依赖滤光辐射传输由此分别提供到该检测装置(370，380)。穿过第一光路传输被转换为第一信号(J1)的未过滤辐射特别适合于实现激光输出辐射功率稳定，它独立地输出辐射波长。
Description
技术领域
本发明涉及一种稳定的辐射源。本发明还涉及一种稳定辐射源的输出辐射的功率和波长的稳定方法。
在传统的光通讯系统中，接受光辐射的通讯传输量被划分成许多离散的波段，每个波段与相应的系统通讯信道有关。每个波段内的辐射传送其通讯传输量的相关部分。在该波段内的通讯传输量的这种分配作为波长多路分割多路技术(WDM)是公知的。
在许多通讯系统中，这些信道呈现共同的0.8nm波长间隔，其中光辐射具有近似1.5μm额定波长；这种间隔相当于大约100GHz的共有信道频率间隔。虽然每个信道具有100GHz的相关潜在带宽，但由于与调节每个信道光辐射的电调节器有关的带宽限制，在实际中该带宽并不能完全使用。由此，为了增加通讯系统的通讯容量，设想将共有信道间隔减到小于100GHz。然而，当为了检测与特殊信道有关的传输量时，共有信道间隔的减小对于通讯系统所使用的用于产生每个信道辐射和隔离辐射的光部件的稳定性要求很高。
在该通讯系统中，目前实际中采用可调谐激光器来产生对应于有关信道的辐射。当共有信道间隔被减少到100GHz以下时，这种激光器的频率稳定性成为一个重要的问题。而且，传统通讯系统经常在转发器节点采用光学放大器来放大传输通过的辐射。这种光学放大器是具有固有非线性的装置，因此所施加的辐射必须在一限定的辐射功率范围内，在该范围放大器工作最适合。在此这种辐射包括与多个信道相对应的辐射部件。发明人认为最好这些部件具有相同的额定辐射功率，否则光学放大器会相对于其它信道而加强某些信道的辐射部件。这种控制传统上是使用一涉及每个信道的可变光学衰减器来完成的。然而，发明人另外还认为，向这种衰减器提供辐射的激光器的辐射功率输出最好也可以被控制。
通过上述可以明白，在未来的通讯系统中需要辐射输出频率和辐射输出功率高度稳定的激光辐射源。
应用激光器周围的负反馈回路来提高其频率稳定性是众所周知的。至少一个商业公司目前在制造一种频率稳定型激光源，其包括一可调谐DFB激光器，相关互去谐滤光器、有关光检测器和负反馈控制电路，所有部件被装在一个包装内。当滤光器传输的辐射具有相同额定功率时，校正频率操作在源中完成，校正频率集中在滤光器的通频带特性相互重叠之处。由于这种操作模式，发明人认为，检测器所检测的信号不能用于输出幅度控制的目的，除非该源通过频率反馈回路的作用具有稳定的频率。因此，对于获得频率和幅度稳定性，尤其是对于源初始启动特性，该源表现出一固有的缺陷。
本发明通过设计一可替换的稳定辐射源来克服前述的固有缺陷。
按照本发明的第一个方面，提供一种稳定辐射源包括：
(a)用于产生输出辐射的辐射产生装置；
(b)用于将部分输出辐射耦合到第一和第二光路的辐射耦合装置；
(c)用于检测穿过第一和第二光路传输的辐射，和在分别穿过第一和第二路径传输的辐射中产生表示辐射功率的第一和第二信号的检测装置；
(d)用于响应对输出辐射波长和功率进行稳定的信号来控制该产生装置的控制装置，其中第一路径可操作来将未滤过的辐射提供到检测装置，第二路径包括一滤光器以将波长依赖滤光辐射提供到该检测装置，
其特征在于该滤光器具有在源可操作的波长范围内随着辐射波长线性减少的传输相对于波长的特性，其中控制装置可操作来
(i)调整所述辐射产生装置的功率使得该第一信号匹配功率设置参考信号用于控制输出辐射的辐射功率；和
(ii)然后控制产生装置使得所述第二和第一信号的比率匹配波长设置参考信号用于控制输出辐射的波长。
具有基本上线性传输特性的滤光器的使用避免了可引起该源不可预料的初始稳定性的该特性中的局部最小化。使用信号比率控制波长提供了用一个简单方式实现负反馈回路以稳定输出辐射波长的好处。将第一信号用于输出辐射功率控制使使用直接负反馈回路成为可能。有利地，该预选的幅度是单位值使得该产生装置受控以确保第一和第二信号的幅度相等。控制该产生装置以便信号幅度相等提供了益处，采用以模拟或数字方式实现的常规放大器或比较器，这种等同性可被直接检测出。
常规地，该滤光器是滤光器标准具。这种标准具可易于用户化来提供一波长依赖传输性能范围。
常规地，尤其是对于输出辐射功率的稳定性，第一光路没有波长依赖滤光部件。缺少这种部件意味着第一信号直接表示与输出辐射波长无关的输出辐射功率。
在实际中，发现控制装置具有可操作来改变用于控制输出辐射波长的产生装置的温度的优点。随增加温度而出现的产生装置的热膨胀会导致产生装置的线性膨胀，并因此导致输出辐射波长的增加。由于实现简单，因此优选采用这种热控制。
常规地，产生装置包括一产生输出辐射的激光器，和可操作来冷却或加热激光器以改变输出辐射波长的热电元件，该元件由控制装置驱动。
可替换地，输出辐射的波长可通过一弯曲元件来控制。在这种设置中，产生装置包括一产生输出辐射的激光器，一个可操作来改变激光器波长的弯曲元件，该弯曲元件由控制装置来驱动。这种弯曲元件的使用潜在地使得该源更加灵敏。
为了提高源对周围温度的共同模式截止性能，检测装置最好包括用于产生这些信号的多个辐射检测器，检测器具有相互匹配的检测性能。
在本发明的第二个方面中，提供了一种稳定来自辐射源的输出辐射功率和波长的方法，该方法包括步骤：将部分所述输出辐射耦合到第一和第二光路；在第二路径内提供具有随辐射波长线性降低的传输对波长特性的滤波器，检测对应于穿过第一和第二路径传输的辐射功率的第一和第二信号；控制输出辐射的辐射功率使得第一信号匹配功率设置参考信号，并且随后控制输出辐射的波长使得所述第二和第一信号的比率匹配波长设置参考信号。
有利地是，该预选幅度是单位值使得输出辐射的波长受控以确保第一和第二信号的幅度在幅度上相等。
现在将结合下列附图通过例子来描述本发明的实施方式
图1是现有技术频率稳定激光源中主要光学部件的示意图；
图2是说明包括在图1所示源中的滤光器的传输性能示意图；
图3是按照本发明的稳定辐射源的主要光学部件的示意图；
图4是到包括在图3所示源中检测器的光路的传输性能示意图；
图5是有关图3所示源中的负反馈电控制回路示意图；以及
图6是图3所示源的初始启动特性示意图。
优选实施例的详细描述
现在参见图1，一般用10表示现有技术的频率稳定激光源。该源10包括一可调谐DFB激光器20，一前透镜30，一后透镜40，两个相互失谐滤光器50，60，一个模板掩模65，两个匹配的光辐射检测器70，80以及一个负反馈频率控制电路90。
前透镜30位于源10的输出端口和激光器20第一端之间。后透镜40位于激光器20第二端和两个滤光器50，60之间。掩模65位于滤光器50，60之后距激光器较远之处。在掩模65后面并且离激光器更远之处放置两个检测器70，80。
当源10工作时，透镜30将激光器20向前所发射的光辐射进行聚焦用于例如，在与光端口相连的光纤波导95的末端进行接收。与前透镜30相比后透镜40接收由激光器20所发出的较小比例的辐射。透镜40向每个滤光器50，60转送等量的辐射。滤光器50，60分别对由此所接收的辐射进行过滤并穿过模板掩模65中的孔将有关滤过的辐射传输到检测器70，80。检测器70，80将由此所接收到的滤过光辐射分别转换成相应的电信号I1，I2。负反馈电路90连接到激光器20上，控制着激光器的工作频率以使信号I1，I2幅度相同。当信号I1，I2的幅度相同时，激光器是频率稳定的。
由于滤光器50，60除了互相失谐外还具有相同的结构，而且检测器70，80是相匹配的，因此滤光器50，60和检测器70，80额定地随着温度的改变而变化。
源10的频率稳定性主要通过滤光器50，60的光传输性能的波长稳定性、检测器70，80的时间和热灵敏性匹配以及反馈控制电路90的控制精确性和稳定性来确定。
为了进一步描述现有技术中源10的操作，图2示出了源10所包括的滤光器50，60的传输性能的示意图。在该图中，辐射波长沿水平轴200表示，滤光器50，60的辐射传输沿垂直轴210表示。滤光器的传输性能分别由高斯样的曲线220，230表示。如前所述，两滤光器50，60接收来自源20的基本相同的辐射。曲线220，230是相互去谐的，其分别在λ1，λ2频率处具有最大谐振。然而，曲线220，230部分交叠在一起，在波长λ0处提供一名义上相同的传输性能。当激光器20被调谐到波长λ0的输出辐射时，滤光器50，60名义上传输相同数量的辐射，这使得信号I1，I2彼此相等；这种调整保证激光器在波长λ0处输出辐射。
由图2可见，开始启动时，在多数情况下激光器20被去谐到远离波长λ0处。在调谐期间将激光器20调向其调谐波长λ0，两信号I1，I2将进行改变直到调到波长λ0。因此，在调谐期间，不能用信号I1，I2来控制激光器20的辐射输出功率。如果激光器20进行相当大地去谐，则信号I1，I2甚至能够名义上对应于在检测器50，60处所接收到的可忽略的辐射。在通讯系统中，为了避免系统内部，例如其中所包括的铒涂料纤维放大器发生过载，设想在调谐期间调节激光器20的辐射输出功率。
发明人认为，在通讯系统中采用密集的DWDM，例如比100GHz小的多的频道间隔，必须将其内的激光器源的波长控制到一相当高的精确度同时将该源的光输出功率保持在一预定标准。在某些情况下需要在使用中调整该预定标准同时保持该源的波长稳定性。因此，发明人已设计了一可替换辐射源，其可用于前面所述的波长和功率控制情形。
现参见图3，示出了按照本发明稳定辐射源的主要部件的示意图；该源总体上由300表示并放在一单个包装中。该源包括一带有热电元件320的分布反馈(DFB)激光器310。元件310与激光器310热导通并且可操作来加热或冷却激光器310以改变其光辐射输出波长。
源300还包括与透镜30设计相同的前透镜330，与透镜40设计相同的后透镜340，一滤光器标准器具350，一模板掩模360，分别与检测器70，80设计相同的第一和第二互匹配光辐射检测器370，380，以及一负反馈控制电路390。源300可操作来将辐射输出到所安装的光纤395中以穿过透镜330将激光器310的辐射输出接收到光纤395中。
现在将描述源300中各部件的相互连接。前透镜330位于从激光器310第一辐射输出端到光纤395入口孔的第一光径上。后透镜340位于来自激光器的第二光辐射路径上。后透镜340可操作来将沿第二路传送的辐射耦合到第三和第四辐射路径中。第三辐射路径从后透镜340延伸穿过掩模360的第一孔到达第一检测器370。第四辐射路径从后透镜340延伸穿过滤光器标准器具350和掩模360的第二孔到达第二检测器380。第三和第四光路不一致但互相相对并成一角度。来自检测器370，380的电输出信号J1，J2分别连接到控制电路390上。电路390的电输出J0，JK分别连接到热电元件320和激光器310上。
现在参照图3总体上描述源300的操作。激光器310从其第一端输出沿第一光路传送到前透镜330的辐射，前透镜将该辐射聚焦到光纤395的入口内。激光器310还从其第二端输出沿第二光路传送到后透镜330的辐射，后透镜将该辐射连接到沿第三和第四光路传送的辐射元件。沿第三光路传送的辐射经过第一孔到达第一检测器370，该检测器接收该辐射并产生相应的电信号J1。从后透镜340沿第四光路传送的辐射通过滤光器标准具350，在此该辐射被滤光并向前穿过第二孔到达第二检测器380。第二检测器380接收该辐射并产生一相应电信号J1。信号J1，J2传送到用于监测信号J1，J2的控制电路390并产生用于控制激光器310的相应信号J0，JK。电路390操纵来调节加在热电元件320上的功率以使信号J1，J2具有相同的额定幅度；当信号J1，J2相同时，激光器确定为以其正确的稳定频率工作。而且，电路390操纵来调节施加在激光器310上的激光发射电流以使信号J1与一施加在电路390上的参考标准信号相同；当信号J1与参考信号的幅度相同时，激光器310确认为以其正确的稳定功率工作，由于第三光路不包括滤光器，因此信号J1基本上不受激光器310的调谐的影响。
现在参见图4，示出了由信号J1，J2表示的第三和第四光路传输性能的示意图。该图包括一水平的波长轴400和垂直的被检测信号轴410。滤光器标准具350包括一光谐振腔(标准具)和相关光栅以提供沿第四光路的辐射传输特性，辐射传输随着感兴趣范围内波长的增加而减少。这种特性由图4中的曲线430来表示。由于第三光路中不含有滤光器，因此检测器370提供一随曲线420所表示波长而基本上恒定不变的响应。在波长λ0，分别来自检测器370，380的信号J1，J2是相同的，控制电路390对输入到热电元件320上功率进行调整以保持信号J1，J2彼此相同，由此将激光器310稳定到λ0。信号J1是与激光器调谐无关的输出辐射功率的直接测量，因此通过对施加在激光器310上的激光发射电流进行控制，可以在源300的初始启动时快速地完成功率控制。
由图4可见，曲线430不是高斯形式的，而是基本上线性形式的。这种线性形式帮助控制电路390快速重复来稳定激光器310。在区别对照中，如果激光器20一开始被调谐到大于λ2和小于λ1，则图1所示的现有技术中源10的控制电路90要稳定该激光器20会经历很大难度；这个难度由于局部最小化的存在而增大了。因此，曲线420，430所表示的性能帮助该控制电路390毫不含糊地重复进行以达到正确地稳定该激光器310。
对本领域普通技术人员，在源300的第三光路不包含滤光器的想法看起来是一种退步，因为相对于源10，源300缺少对称性。而且与源30的曲线220，230所示的多峰高斯响应相比，提供一如曲线430所示基本线性响应的滤光器标准器具350的使用会出现波长灵敏度的损失。在实际中，发明人发现一个令人惊讶的结果，即相对于现有技术的源30，在源300中只使用单个滤光器350不会降低其暂态和温度的稳定性。
为进一步阐明本发明，现在将参照图5更详细地描述源300的控制电路390。控制电路390包括一比率计算器500，第一放大器510和第二放大器520。电路390包括输入信号J1，J2，还有波长参考信号PW(wavelength set reference signal)和功率参考信号PS(power setreference signal)这两个附加输入。电路390包括两个信号输出J0和JK用于分别驱动热电元件320和激光器310。电路390使用模拟电子元件来实现，其中放大器510，520可操作来放大，比率计算器500是例如由模拟设备公司制造的一个专家模拟设备。可替换地，电路390可数字实现，在该情况下，比率计算器500和放大器510，520可用软件实现；电路390例如可以是一场编程门阵列(FPGA)或者一个带有相关软件和模拟-数字输入输出接口元件的微处理器。
下面将描述使用模拟元件实现电路390的内部连接方式。输入信号J1，J2分别连接到计算器500的第一和第二输入端。而且入信号J1连接到放大器520的反相输入端。功率参考信号PS连接到放大器520的非反相输入端。放大器520的输出被连接来提供JK信号输出以控制激光器310的激光发射电流。计算器500包括可提供响应于J2/J1的信号的输出J3。信号J3连接到放大器510的反相输入端。进一步地，波长参考信号PW连接到放大器510的非反相输入端。放大器510的输出连接到J0输出信号以驱动热电元件320。
在操作中，电路390调节JK信号直到J1信号与功率设置PS信号相匹配；这种调节稳定了激光器310的辐射输出功率。而且，电路390调节驱动信号J0到热电元件320以使比率J2/J1与波长设置PW信号相匹配；如果将PW信号设为单位值，那么激光器被稳定到图4所示的波长λ0。
为了进一步描述源300的操作，参见图6。图6是源300的初始启动性能图。在t0时刻施加电源。在电流被施加上时，激光器310迅速开始发射激光；由于第一检测器370和电路390提供一快速响应，激光器310所发射的辐射功率输出在t0时刻之后至多几秒钟的时间t1内就被功率稳定。然而由于通过热电元件320的热控制被应用来控制激光器310的波长，因此相当长的时间常量涉及到源300的波长控制；有关元件320和激光器310的热时间常数主要确定了波长稳定的时间常数。在实践中，稳定至多需要60秒左右，但这取决于在t0时刻施加电源时激光器被调谐到多大。
在图6中，延迟时间沿水平轴700表示。激光辐射输出功率沿垂直轴710表示。而且激光输出辐射波长沿垂直轴720表示。曲线750示出了源300功率输出稳定特性。而且曲线730示出了当激光器310初始频率过高时的稳定特性，曲线740示出了激光器310初始频率过低时的稳定特性。
源300提供了有益的性能，其输出功率和输出辐射波长可以用参考信号PS，PW独立地调节。而且，由于使用了反馈控制，激光器310内出现的老化和热漂移可以通过在源300内的反馈回路进行补偿。进一步地，通过使用匹配的检测器370，380，其内共有模式漂移结果不会影响到源300的波长稳定性。
在实践中发现，控制电流390能够将激光器310温度调节到0.01℃的稳定误差。在源300的一个改进方案中，设想包括一个附加报警电路，如果激光器的偏离超过用于产生特定波长的输出辐射的校准设置的0.5℃，则该报警电路启动；这种报警可用于检测源300开始出故障并允许源300在引起损坏之前就断电。
需要理解的是，可以对源300作出多种改进而不脱离本发明范围。例如信号J0可以是由控制电路390所产生的脉冲宽度可调(PWM)驱动信号，用于驱动热电元件320；这种PWM信号降低了控制电路390的功率损耗。而且，即使激光器310关于源300中的波长是热控制的，该源30也可以被改进使得热电元件320可用一个弯曲的元件来替代以改变激光器310的波长；这种弯曲元件的使用潜在地使该源更易于响应。
虽然源300只包括两个检测器370，380，但也可以用更多的检测器以提高其可靠性或精确性。
源300可以用于通讯系统中来产生辐射以调节通讯传输量并随后通过光纤波导向接收站发射。
Claims (10)
1、一种稳定辐射源(300)包括：
(a)用于产生输出辐射的辐射产生装置(310，320)；
(b)用于将部分输出辐射耦合到第一和第二光路的辐射耦合装置(340)；
(c)用于检测穿过第一和第二光路传输的辐射，和在分别穿过第一和第二路径传输的辐射中产生表示辐射功率的第一和第二信号(J1，J2)的检测装置(370，380)；
(d)用于响应对输出辐射波长和功率进行稳定的信号来控制该产生装置(310，320)的控制装置(390)，其中第一路径可操作来将未滤过的辐射提供到检测装置，第二路径包括一滤光器以将波长依赖滤光辐射提供到该检测装置，
其特征在于该滤光器具有在源可操作的波长范围内随着辐射波长线性减少的传输相对于波长的特性，其中控制装置(390)可操作来
(i)调整所述辐射产生装置的功率使得该第一信号(J1)匹配功率设置参考信号(Ps)用于控制输出辐射的辐射功率；和
(ii)然后控制产生装置(310，320)使得所述第二和第一信号的比率匹配波长设置参考信号(Pw)用于控制输出辐射的波长。
2、按照权利要求1的源，其中该匹配波长设置参考信号(Pw)是单位值。
3、按照权利要求1的源，其中滤光器是一滤光器标准具(350)。
4、按照权利要求1的源，其中第一路径没有波长依赖过滤部件。
5、按照权利要求1-4中任一个的源，其中控制装置(390)可操作来改变产生装置(310，320)的温度以控制输出辐射的波长。
6、按照权利要求5的源，其中产生装置(310，320)包括一产生输出辐射的激光器(310)，和可操作来冷却或加热激光器(310)以改变输出辐射波长的热电元件(320)，该元件(320)由控制装置(390)驱动。
7、按照权利要求1-4中任一个的源，其中产生装置(310)包括一产生输出辐射的激光器和一个可操作用于改变激光波长的弯曲元件，该弯曲元件由控制装置(390)驱动。
8、按照权利要求1-4中任一个的源，其中检测装置(370，380)包括用于产生信号(J1，J2)的多个辐射检测器(370，380)，这些检测器(370，380)具有相互匹配的检测性能。
9、一种稳定来自辐射源(300)的输出辐射功率和波长的方法，该方法包括步骤：将部分所述输出辐射耦合到第一和第二光路；在第二路径内提供具有随辐射波长线性降低的传输对波长特性的滤波器，检测对应于穿过第一和第二路径传输的辐射功率的第一和第二信号(J1，J2)；控制输出辐射的辐射功率使得第一信号(J1)匹配功率设置参考信号(Ps)，并且随后控制输出辐射的波长使得所述第二和第一信号的比率匹配波长设置参考信号(Pw)。
10、按照权利要求9的方法，其中该波长设置参考信号(Pw)是单位值。
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