CN1300123A - 稳定激光波长的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种在多标准具或分级标准具激光波长稳定系统中判定激光输出波长的独特方法和装置。根据系统中每个标准具发出的信号确定激光频率,由此补偿温度变化导致的标准具光学特性的随之变化。根据每个标准具测定的值以及先前储存在查阅表中的值判定对于激光输出的测量频率的校正偏差。然后通过判定的偏差调节频率测量,从而提供更精确的激光频率的测量。

Description

稳定激光波长的方法和装置
本发明总的涉及可调谐激光器和其它可调谐光学信号源，并尤其涉及一种利用多个或标准具稳定激光波长的方法和系统。
光纤通信系统提供低损耗和极大的信息载运量。实际中，光纤的带宽可以用于利用不同的载波同时传递多种不同的信道。用在通信系统中的各个信道的波长已由国际电信协会(ITU)方格坐标标准化。ITU方格坐标包括大约191,900GHz～195,800GHz的频率，每大约100GHz出现一个单独的信道。有关的技术称作波分多路复用技术(WDM)。稠密的WDM或DWDM系统提供25～50GHz的信道间隔。
各个信道所占用的波带宽度依据于多个因素，包括外加信息带宽、接受载波频移的限度、载波频率的不确定度，并依据于对由不理想的滤波器所致的信道之间串馈的可能的减少。
为了增大信道数量，需要具有稳定和精确地控制波长的激光器提供窄间隔的多种波长。已有各种方法用于把激光器的振荡限制到一个信道。一种方法是分配式反馈机制。分配式反馈(DFB)激光器是一种最通行的通讯激光器。与激光器结构结为一体的光栅把输出限制到一个频率。另一种最通行的方法是温度调谐，需要使用与此种激光装置结合的选频外腔/标准具，根据标准具的响应曲线探测激光器工作的输出波长。典型的标准具响应曲线示于图1。激光频率可以根据归一化的标准具输出确定，并因此通过改变激光器的温度来调节。此方法甚至允许在改变环境温度的情况下锁定激光器的波长。标准具响应曲线的峰值之间的频率差也被认做自由频谱范围(FSR)。大约1mm厚的标准具的FSR约为100GHz，所以与ITU方格坐标规定的信道近似间隔一致。
为了提供不同波长信道之间的更好区分以及由此更有效地调谐，最好在光学成套装置中有一个标准具，使得响应曲线斜率最大的位置对应于所需的信道。所以，例如响应曲线如图1所示的标准具将更适于锁定频率为F1的信道至频率为F2的信道。但是，很难确保光学成套装置中的标准具有一个与发送方格坐标的所需信道对准的响应曲线。为了消除这种问题，已知在光学成套装置中采用一个分级标准具或多个长度稍有差异的标准具。由于光学成套装置的尺寸限制，标准具的数量典型地限制在两个。具有两个标准具(或一个分级标准具)导致响应曲线相对于图2中所示的另一条曲线平移，由此确保至少一个响应曲线将充分地与如上所述的ITU方格坐标对齐。在实际当中，标准具选择成响应曲线相对于另一条曲线移动大约三分之一个FSR。所以标准具的任何角度失准都可以通过在标准具(或分级标准具的标准具部分)的制造和可靠性测试时判断哪一个响应最顺利地相对于ITU方格坐标定位、并通过选择在随后的激光器频率/波长的测量中使用的响应标准具路径来计算。
但是，利用如上所述的分级或多个标准具确定激光频率也有问题。例如，一旦选定后续测量激光器输出时所使用的标准具路径，则系统就被设置为此路径，不从最终的产品和再测试系统中移去此系统就不能改变路径。
为了保持光学成套装置的紧凑，标准具和激光器典型地定位在同一基板上。如前所述，激光器的激光波长通过调节激光器的温度而改变，这也导致标准具安置其上的基板的温度变化。当激光器老化时，或当激光器在不同的驱动电流下工作时，将必须有一个不同的工作温度。当调节基板的温度时，标准具的温度变化如此之大，导致其光学特性也发射变化。当选择标准具的光学特性以确定激光器的频率变化时，标准具将由此不再恰好与ITU方格坐标对齐。这导致错误地测量以及由此的激光器输出的错误调节，使得很难把一个信道锁定在ITU方格坐标上。
所以，需要一种确定并稳定系统中激光器波长的方法和装置，利用多个标准具可以补偿由于温度变化导致的标准具光学特性的随之改变。
本发明通过提供一种用于补偿多标准具或分级标准具激光波长稳定系统中标准具温度变化的特有方法和装置克服现有技术中一些有关的问题。
根据本发明，最好根据系统中每个标准具路径的信号进行多标准具或分级标准具激光波长稳定系统中激光输出波长的判定，由此补偿温度变化导致的标准具光学特性的随之变化。根据每个标准具测定的值以及先前储存在查阅表中的值判定对于激光输出的测量频率的校正偏差。然后通过判定偏差调节频率测量，从而提供更精确的激光频率的测量。
从下面结合附图对本发明所作的详细描述中本发明的各种优点和特点将变得更加清晰。
图1表示典型的标准具响应曲线；
图2表示一对相对平移的标准具响应曲线；
图3表示根据本发明利用分级标准具测量并稳定激光频率/波长的系统的部分框图；和
图4A和4B表示根据本发明确定激光频率的方法流程图。
下面按照图3-4中所示的实施例叙述本发明。也可以采用其它的实施例，并且在不脱离本发明实质和范围的前提下可以做结构、逻辑或程序上的改变。
按照本发明，根据系统中每个标准具路径的信号进行多标准具或分级标准具激光波长稳定系统中激光输出的频率/波长判定，由此补偿温度变化导致的标准具光学特性的随之变化。
图3表示根据本发明利用分级标准具测量并稳定激光波长的系统的部分框图。更具体地说，图3表示一个温度调谐激光器系统的控制电路10，按照本发明利用分级标准具测量激光频率。应理解到虽然控制电路10以单个电路为例表示，但本发明并不局限于此，控制电路10的组件可以设置成连结在一起的单独电路。
控制电路10包括一个安置在热-电冷却器(TEC)30上的激光器芯片12。如果热膨胀均衡需要，可以利用激光器芯片12和TEC30之间的辅助支架14。从现有温度调谐激光器中知道，激光器芯片12的输出可以通过调整激光器芯片12的温度来调节，做为激光器芯片，将有一个直接涉及其工作温度的输出。激光器芯片12的温度可以通过改变TEC30的温度来调节。TEC30的温度根据从控制器40经数字-模拟(D/A)转换器42输入到TEC驱动器32的信号改变。控制器40可包括一个可编程的逻辑装置，例如一个微处理器。如果使用一个微处理器，它可以是任何常规的一般用途的单或多芯片微处理器，或者可以是任何常规的特殊用途的微处理器，如数字信号处理器。模拟信号调节技术也可以应用到进入或离开A/D和D/A转换器26、42的模拟信号。存储装置50，例如是一个电可抹除的可编程只读存储器(EEPROM)，连结到控制器40。
控制器40如下述方式监测并控制激光器芯片12的输出。激光器芯片12产生一个激光输出11和一个背面输出13。激光器芯片12的背面输出13输入到透镜/分光器16，透镜/分光器16把输出分成单独的输出15、25、35。以下称作基准路径的第一输出15输入到光电探测器16，如现有技术所知，把激光从光学信号转变成电信号。转换的电信号输入到放大器电路18。放大器电路18的输出由模拟-数字(A/D)转换器26从模拟信号转变成数字信号并输入给控制器40。
以下称作标准路径的第二输出25和第三输出35输入到分级标准滤波器20，如现有技术所知。或者，路径25、35可以输入给多级或多个单独的标准滤波器。标准滤波器20的输出输入给各个光电探测器16a、16b，把激光从光信号转变成电信号。转变的电信号输入给放大器电路18a、18b。放大器电路18a、18b的输出由A/D转换器26从模拟信号转变成数字信号并输入给控制器40。
TEC30和激光器芯片12的温度通过传感器如热敏电阻44监测，并且把温度值输入给控制器40。按照本发明，控制器40适于利用两种标准路径信号，即穿过标准具20的路径确定输出11的频率，以及与基准路径信号、即不穿过标准具滤波器20直接从激光器芯片12输出的路径一起调节输出11，通过启动TEC驱动器32改变TEC30的温度。另外，按照本发明，控制器40适于补偿标准具中温度变化导致的标准具光学特性的变化。
下面参考图4的流程图对图3的电路工作做进一步地描述，而图4表示根据本发明由控制器40执行的测量波长的方法。参见图4A，在步骤100中，通过热敏电阻44测量激光器芯片12的温度并输入给控制器40。在步骤110中，控制器40参考储存在存储器50中的查阅表，根据激光器芯片12的温度判断输出频率的预算。在根据激光器芯片12的响应曲线校准激光器芯片12期间确定查阅表中的值。
应该理解，激光器芯片12的波长-温度输出可随激光器芯片12的老化而随时间变化。所以，当激光器芯片12老化时，查阅表中的值不再精确。为了克服这一缺陷，可以通过控制器40增补查阅表，如通过本发明“教义”的算法、通过利用历史统计数据预测并适应激光器芯片12老化时的变化。
在步骤120，通过从步骤110建立的估算频率中减去自由频谱范围的一半即大约50GHz来计算启动频率。在步骤130，通过对估算频率增加自由频谱范围的一半即大约50GHz来计算结束频率。启动频率和结束频率分用于确定起始点和结束点以便搜索储存在存储装置50中的标准查阅表，如下所述。
在步骤140中，第一可变试验频率设置为在步骤120确定的起始频率，第二可变最小距离限度设置为在步骤130确定的结束频率范围之外的一些较大的值，第三可变的最佳估算值设置为估算频率。
参见图4B，在步骤150中，由第一标准路径35确定的激光输出11的频率通过测量归一化的标准输出并搜索存储装置50中储存的标准查阅表确定，从而根据标准具响应曲线决定激光器的对应频率。在校准和测试光学成套装置时根据标准具20的响应曲线确定标准查阅表中的值。从确定的激光器频率中减去试验频率的值并取最终的绝对值。
在步骤160中，由第二标准路径25确定的激光输出11的频率通过测量归一化的标准输出并搜索存储装置50中储存的标准查阅表确定，从而根据第二标准路径的响应曲线决定激光器的对应频率。从确定的频率中减去试验频率的值并取最终的绝对值。如上所述，在标准查阅表中搜索对应的频率受步骤120中确定的起始频率以及步骤130中确定的结束频率限制。这是因为，如图2所述，标准具响应曲线是无限波形，因而有很多与每个归一化的标准输出相关的不同频率。通过根据激光器芯片12的温度得出的估算频率限制标准查阅表的搜索(步骤100-120)，可以确保系统通过查阅表确定适当的对应的激光频率。
在步骤170，把步骤150中确定的关于第一标准路径的值和步骤160中确定的关于第二标准路径的值相加。在步骤180中，判断步骤150和160中确定的值的和是否小于最小距离限度值。如果和小于最小距离限度值，则在步骤185，把最小距离限度值更正为步骤170中确定的和值，并把频率的最佳估算值设置为试验频率值。
一旦在步骤185中更新了可变的最小距离限度和频率的最佳估算值，或如果步骤170中确定的和不小于最小距离限度值，则在步骤190中增加试验频率值。最好试验频率值逐步增加大约500MHz～1GHz。
在步骤200中，判断试验频率值是否大于步骤130中确定的结束频率值。如果试验频率值不大于结束频率值，则该方法返回到步骤150继续进行。如果试验频率值大于结束频率值，表明由起始频率和结束频率决定的查阅表的整个范围内都搜索过了，则在步骤210，确定步骤110获得的估算频率和步骤185确定的频率最佳估算值之差。在步骤220中，在步骤210中计算的估算频率和频率最佳估算值之差乘以标准具的温度系数与激光器的温度系数之比并加到频率的最佳估算值上。通过利用步骤210中算出的差值作为一个偏差，可以提供对激光输出频率更精确地判定。此偏差与激光器和标准具的温度系数一起校正激光器芯片12的老化以及环境变化导致的温度偏差。在步骤230中，控制器40利用步骤220中算出的值判断激光器芯片12的输出是否需要通过改变TEC30的温度来调节。因此，提供了对处于不同于查阅表最初填充数据时温度的标准具因老化等的自校正。
所以，按照本发明，根据系统中每个标准路径的信号进行多或分级式激光波长稳定系统中激光输出波长的确定，由此补偿温度变化导致的标准具光学特性的随之变化。根据每个标准具测得的值和先前储存在查阅表中的值决定激光输出测量频率的校正偏差。然后通过确定的偏差调节频率测量值以提供更精确地激光频率的判定。
虽然以实施激光器芯片12对本发明进行描述，但应该理解本发明并不局限于此，可以与现有技术中已知的任何类型的激光源一起试验，如激光器阵列、DFB激光器、分配式布拉格反射器(DBR)激光器、法布里-玻罗激光器等。另外，本发明可以与所有的温度敏感/波长敏感原件一起试验，如标准具、干涉滤波器(低通、带通和高通)、滤波器组(带陷波器)、光栅等。
以上参考实施例对本发明进行了描述。但是本利用的技术人员可以在权利要求限定的本发明的范围内做各种增加、删减、替换或其它调整。另外，虽然描述的本发明以可编程控制器并优选运行软件程序的微处理器实施，但是也可以以硬件、软件或二者的任何结合来实施。这一切都与本发明的工作等价。因此，本发明不受前面的描述限定，而只由权利要求的范围限定。

Claims (46)

1．在温度调谐激光器系统中调谐激光源的激光输出的方法，包括步骤：
根据第一光学滤波器对激光输出的光学响应确定激光输出的第一频率；
根据第二光学滤波器对激光输出的光学响应确定激光输出的第二频率；
根据第一频率和第二频率确定控制信号；和
根据控制信号调谐激光装置。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于在确定第一频率的步骤之前，方法包括：
确定激光输出的估算频率，其中根据估算频率确定第一和第二频率。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于确定估算频率的步骤还包括：
测量激光源、第一光学滤波器和第二光学滤波器的温度；和
根据激光源、第一光学滤波器和第二光学滤波器的测量温度确定估算频率。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于确定估算频率的步骤还包括：
参考储存在存储装置中的查阅表以确定估算频率。
5．如权利要求2所述的方法，其特征在于确定第一和第二频率的步骤还包括：
参考储存在存储装置中的查阅表，根据第一和第二光学滤波器对激光输出的光学响应分别确定第一和第二频率。
6．如权利要求5所述的方法，其特征在于参考查阅表的步骤还包括：
根据估算频率确定查阅表的起始频率；和
根据估算频率确定查阅表的结束频率；
其中在参考起始频率和结束频率之间的查阅表以确定第一和第二频率。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于确定控制信号的步骤还包括：
把激光输出的最佳估算设置为估算频率；
确定第一频率和试验频率之间的第一差值；
确定第二频率和试验频率之间的第二差值；
相加第一差值和第二差值的绝对值；和
确定和值是否小于预定的频率。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于试验频率是起始频率。
9．如权利要求7所述的方法，其特征在于预定频率大于结束频率。
10．如权利要求7所述的方法，其特征在于如果和值小于预定频率，则方法还包括：
把预定频率设置为和值；
把最佳估算值设置为试验频率；
增加试验频率；和
确定试验频率是否大于结束频率。
11．如权利要求7所述的方法，其特征在于如果和值不小于预定频率，则方法还包括：
增加试验频率；和
确定试验频率是否大于结束频率。
12．如权利要求10或11所述的方法，其特征在于试验频率在大约500MHz和1GHz之间增加。
13．如权利要求10或11所述的方法，其特征在于如果试验频率不大于结束频率，则方法还包括：
重复这些步骤：确定激光输出的第一频率和第二频率，确定第一和第二差值，相加第一和第二差值的绝对值，把最佳估算值设置为试验频率；和增加试验频率直到试验频率大于结束频率。
14．如权利要求10或11所述的方法，其特征在于如果试验频率大于结束频率，则确定控制信号的方法还包括：
确定估算频率和最佳估算值之差；
给估算频率和最佳估算值之差乘一个预定的常数以获得一个计算结果；和
把上述计算结果加到最佳估算值以获得控制信号。
15．如权利要求14所述的方法，其特征在于预定常数是第一和第二光学滤波器的温度系数与激光源的温度系数之比。
16．如权利要求1所述的方法，其特征在于调谐激光装置的步骤包括：
通过利用控制信号改变激光源的温度来调谐激光装置。
17．如权利要求1所述的方法，其特征在于第一光学滤波器是一个第一标准具，第二光学滤波器是一个第二标准具。
18．如权利要求1所述的方法，其特征在于第一光学滤波器是标准具的第一部分，第二光学滤波器是标准具的第二部分，标准具的第一部分具有一个不同于标准具的第二部分的长度。
19．一种确定激光源输出的激光频率的方法，包括步骤：
根据第一光学滤波器对激光输出的光学响应确定激光输出的第一频率；
根据第二光学滤波器对激光输出的光学响应确定激光输出的第二频率；和
根据第一频率和第二频率确定控制信号。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于在确定第一频率的步骤之前，方法包括：
确定激光输出的估算频率，其中根据估算频率确定第一和第二频率。
21．如权利要求20所述的方法，其特征在于确定估算频率的步骤还包括：
测量激光源的温度；和
根据激光源的测量温度确定估算频率。
22．如权利要求21所述的方法，其特征在于确定估算频率的步骤还包括：
参考储存在存储装置中的查阅表以确定估算频率。
23．如权利要求21所述的方法，其特征在于确定第一和第二频率的步骤还包括：
参考储存在存储装置中的查阅表，根据第一和第二光学滤波器对激光输出的光学响应分别确定第一和第二频率。
24．如权利要求23所述的方法，其特征在于参考查阅表的步骤还包括：
根据估算频率确定查阅表的起始频率；和
根据估算频率确定查阅表的结束频率；
其中参阅起始频率和结束频率之间的查阅表以确定第一和第二频率。
25．如权利要求24所述的方法，其特征在于确定控制信号的步骤还包括：
把激光输出的最佳估算设置为估算频率；
确定第一频率和试验频率之间的第一差值；
确定第二频率和试验频率之间的第二差值；
相加第一差值和第二差值的绝对值；和
确定和值是否小于预定的频率。
26．如权利要求25所述的方法，其特征在于试验频率是起始频率。
27．如权利要求25所述的方法，其特征在于预定频率大于结束频率。
28．如权利要求25所述的方法，其特征在于如果和值小于预定频率，则方法还包括：
把预定频率设置为和值；
把最佳估算值设置为试验频率；
增加试验频率；和
确定试验频率是否大于结束频率。
29．如权利要求25所述的方法，其特征在于如果和值不小于预定频率，则方法还包括：
增加试验频率；和
确定试验频率是否大于结束频率。
30．如权利要求28或29所述的方法，其特征在于试验频率在大约500MHz和1GHz之间增加。
31．如权利要求28或29所述的方法，其特征在于如果试验频率不大于结束频率，则方法还包括：
重复这些步骤：确定激光输出的第一频率和第二频率，确定第一和第二差值，相加第一和第二差值的绝对值，把最佳估算值设置为试验频率；和增加试验频率直到试验频率大于结束频率。
32．如权利要求28或29所述的方法，其特征在于如果试验频率大于结束频率，则确定控制信号的方法还包括：
确定估算频率和最佳估算值之差；和
把上述估算频率和最佳估算值之差加到最佳估算值以获得激光输出的频率。
33．如权利要求19所述的方法，其特征在于第一光学滤波器是一个第一标准具，第二光学滤波器是一个第二标准具。
34．如权利要求19所述的方法，其特征在于第一光学滤波器是标准具的第一部分，第二光学滤波器是标准具的第二部分，标准具的第一部分具有一个不同于标准具的第二部分的长度。
35．一种激光控制系统，包括：
一个激光源，产生激光输出；
一个第一光学滤波器，激光输出的第一部分从中通过；
一个第二光学滤波器，激光输出的第二部分从中通过；
一个控制器，用于根据第一光学滤波器和第二光学滤波器对激光输出的光学响应确定激光输出的频率。
36．如权利要求35所述的激光控制系统，其特征在于激光源是一个激光器芯片。
37．如权利要求35所述的激光控制系统，还包括：
一个用于控制激光源温度的温度装置，所述的温度装置用于改变激光源的温度以调节激光源的激光输出。
其中控制器还用于根据激光输出的判定频率确定控制信号并把控制信号输出到温度装置，所述温度装置响应于控制信号的温度装置改变激光源的温度。
38．如权利要求37所述的激光控制系统，其特征在于温度装置是一个热-电冷却器(TEC)。
39．如权利要求38所述的激光控制系统，还包括：
一个控制器的控制信号并响应输出一个改变激光源温度的信号的驱动器。
40．如权利要求38所述的激光控制系统，其特征在于第一光学滤波器是一个第一标准具，第二光学滤波器是一个第二标准具。
41．如权利要求35所述的激光控制系统，其特征在于第一光学滤波器是标准具的第一部分，第二光学滤波器是标准具的第二部分，标准具的第一部分具有一个不同于标准具的第二部分的长度。
42．如权利要求35所述的激光控制系统，还包括：
一个测量激光源温度的传感器；和
一个储存查阅表的存储装置，
其中控制器还用于参考储存在存储装置中的查阅表并根据测得的温度确定激光输出频率的估算。
43．如权利要求42所述的激光控制系统，其特征在于控制器还用于根据第一光学滤波器对激光输出的光学响应确定激光输出的第一频率，并根据第二光学滤波器对激光输出的光学响应确定激光输出的第二频率，其中根据第一频率和第二频率确定控制信号。
44．如权利要求43所述的激光控制系统，还包括：
一个储存在存储装置中的光学滤波器查阅表，
其中控制器还用于参考储存在存储装置中的查阅表确定第一频率和第二频率，并根据确定的第一频率和第二频率确定控制信号。
45．如权利要求35所述的激光控制系统，其特征在于控制器包括一个处理器。
46．如权利要求45所述的激光控制系统，其特征在于控制器包括一个微处理器。
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