CN1449147A - 多波长锁定器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多波长锁定器，涉及光纤通信技术中所使用的波长锁定器。它由DFB、光纤耦合器、波长传感器、光电检测器、电子学的差分回路、滤波器、放大器、副载波调制器以及电子开关和温控器所组成，其中：波长传感器由输入光纤和输出光纤、双光纤光束准直器、偏振片、双折射晶体、壳体以及温度传感器和致冷器构成。本发明巧妙地利用双折射晶体(例如YVO₄)的滤波特性形成多峰透射效果、并精确地满足信道之间的等间距如0.8nm或0.4nm的要求，利用一个波长传感器就可同时锁定多个波长(例如8个、16个或更多个)，形成全新结构并简单实用的多波长锁定器。

Description

多波长锁定器

技术领域：

本发明涉及光纤通信技术中所使用的波长锁定器。

背景技术：

在光纤通信中，密集波分复用系统(简称DWDM)可以充分利用宽带资源而无需更换原来已经敷设好的光纤线路，从而受到人们的极大关注。目前，国际通信联盟(简称ITU-T)推荐的光纤通信DWDM系统各信道的波长间距主要是200GHz、100GHz和50GHz，对应的波长间距分别为1.6nm、0.8nm和0.4nm。因此，当分布反馈半导体激光器(简称DFB)在DWDM技术中使用时，各个激光器之间的波长必须依次相距1.6nm、0.8nm或0.4nm，且波长的漂移也必须控制在信道距离的几十分之一的范围之内。然而，DFB虽然具有调制速率高、小型、稳定可靠等优点，其波长却会因工作温度的变化而发生漂移(温度波长漂移量一般为0.25nm/℃)。这种波长漂移会使信道间的信息产生串扰，致使光纤通信系统的安全性下降。因此，必须采取手段对用于DWDM光纤通信系统中的各个DFB的波长进行精确锁定，波长锁定精度须达到0.01nm～0.02nm。

目前，已经出现了一些半导体激光器的波长锁定技术，例如：光学标准具(简称FP)(参见J.H.Jang，et al，“A Cold-Start WDM System using a synchronized EtalonFilter”，IEEE photonics Technology letters，9(3)[1997]，P383)；窄带滤波器波长锁定技术(参见Ed Miskovic，“Wavelength lockers keep lasers in line”，photonicsspectra，(1999)，P104)。其中，窄带滤波器波长锁定技术欲稳定一个信道上DFB的波长需要2只窄带滤波器，因此该技术用于多信道(例如8个信道或40个信道)上的多波长锁定是困难的；FP波长锁定器的光波透射率是周期性的多峰结构，透射峰之间的波长间距可做成ITU推荐的1.6nm、0.8nm或0.4nm，每个透射峰可以锁定一个信道上DFB的波长，可适合于光纤通信的DWDM中多信道上的多波长锁定(即：用一个FP波长锁定器可以同时实现多个波长的锁定)。但是，FP标准具是由两块光学晶片与高度热稳定材料(如熔石英ULE7971)制作的隔离环而构成，光学晶片及隔离环的两端面本身及相互之间均要保持高度平行(≤5″)，因此其光学晶片及隔离环的光学加工和安装比较困难、使批量生产不容易实现。

发明内容：

本发明目的是提出一种结构简单、便于加工和安装，并能同时锁定两个以上DFB的多波长锁定器。

本发明的技术解决方案如下：

整个波长锁定器由DFB、光纤耦合器、波长传感器、光电检测器、电子学的差分回路、滤波器、放大器、副载波调制器以及电子开关和温控器所组成，其中，波长传感器由输入光纤和输出光纤、双光纤光束准直器、偏振片、双折射晶体、壳体以及温度传感器和致冷器构成：输入光纤和输出光纤与双光纤光束准直器的前端相连；双光纤光束准直器、偏振片和双折射晶体三者自前向后依次固定在壳体的空腔内；偏振片的两个透光端面都镀有增透膜；双折射晶体的两透光端面相互平行，其前端面上镀增透膜、后端面上镀全反射膜，晶体长度d为特定值，即晶体透光总长度l的一半，而l可按下式选取 $l=\frac{1}{\[\mathrm{\Δn}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0-\mathrm{\Δ\λ}})-\frac{\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δn}\right)}{\mathrm{\δ\λ}}\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0-\mathrm{\Δ\λ}}\]}$ 晶体的光轴平行于两透光端面，偏振片的透振方向与晶体光轴夹45°角，并且偏振片透振方向和晶体光轴都垂直于双光纤光束准直器的出射光束的光线方向；温度传感器固定在壳体内紧靠晶体的位置，致冷器固定在壳体外。

也就是说，本发明所提出的多波长锁定器是以双折射晶体为基础的，其关键在于利用晶体的双折射特性形成多峰透射结构。

波长锁定器的结构如图1所示。它由DFB 1、光纤耦合器2和3、波长传感器4(为图中虚线框内所示部分)、光电检测器5和6、电子学的差分回路7、滤波器8、放大器9、副载波调制器10以及电子开关11和温控器12所组成。DFB的波长为λ，副载波调制器10和电子开关11对它的注入电流产生小幅度、特定频率的调制(例如：1％的调制幅度，设为f₀，为避免产生通信串扰，调制频率可为1KHz以下)，它的输出光强度则产生上述频率上的小幅度调制。其输出激光由光纤耦合器2分成两束，分别从a、b两端输出，其中，a端光强度比b端的要大，可取比值为97∶3～95∶5，输出端a用于连接到光纤长途通信线上，输出端b则是连接到另一个光纤耦合器3上。光纤耦合器3又将激光分成两束，其一束由光纤直接通向光电检测器5转变成电信号V₁，作为差分回路7的参考信号，另一束输送到波长传感器4中的双光纤光束准直器的输入光纤，由该准直器变成平行光束，其中波长和振动方向均合适的光经过偏振片到达双折射晶体后端面上进行全反射、再经过双折射晶体和偏振片返回，由双光纤光束准直器的输出光纤输送到光电检测器6上，转变成电信号V₂。V₁和V₂电信号经差分回路7产生差分信号V₂-V₁，该差分信号由滤波器8滤波，滤波器的中心频率为副载波调制器10的调制频率f₀，这样就将DFB的输出光强度中绝大部分的直流分量滤去，提高了检测信噪比。该差分信号经由放大器9放大后，再由电子开关11通往所对应的DFB及其温控器12，从而控制激光器内的温度，稳定其波长。对于多路锁定情况，假设有n路，每个DFB对应于一路，则有n个DFB，它们的波长分别为λ₁，λ₂，…，λ_n，采用副载波时分复用的办法，即它们的调制频率均为f₀，但电路系统处理时，采用时分复用技术，将某一时间间隔(如1秒钟)分成2n等份，某一等份用于采集一路DFB信号，而下一等份用于区分下一路DFB的时间间隔，这样1/n秒对应一路，由电子开关控制，采集n路信号共1秒钟，下一个1秒钟又从头开始(例如：8路即为16等份，第一个1/16秒用于采集第一路DFB信号，下一个1/16秒用于区分下一路DFB的时间间隔，这样1/8秒对应一路，由电子开关控制，采集8路信号共1秒钟，下一个1秒钟又从头开始)，每一路DFB的输出激光送入各自的光纤耦合器2中(这时光纤耦合器2共有n个)、由各自的光纤耦合器2分成两束，再分别输出到光纤通信线和光纤耦合器3上(这时光纤耦合器3为n×2的光纤耦合器，即有n个输入端分别对应n个DFB，输出端仍为两个)，由于采用时分复用技术，使得每一特定时段中检测的激光只是针对一个DFB的，不会产生相互干扰；每个DFB激光器均配置一个相应的温控器。

其波长锁定作用是通过图2所示的光路来实现的(此亦图1虚线框内所示的波长传感器4的光路图)。图中，13和14分别为输入光纤和输出光纤，15为双光纤光束准直器，16为偏振片，17为双折射晶体。双折射晶体一般宜选择双折射率之差较大的晶体，如Δn≥0.10，其中Δn＝n_e-n_o，n_e、n_o分别为晶体中的非常光(e光)和寻常光(o光)的折射率，这样可使晶体长度限制在数毫米到厘米量级，否则晶体过长而无法实用。钒酸钇晶体(YVO₄)的Δn为0.20，用于本发明比较合适。DFB的输出激光沿输入光纤13入射，入射光经过双光纤光束准直器15成为平行光束，再入射到偏振片16上，偏振片的透振方向垂直于入射光束(即由准直器15出射的平行光束)的光线方向，双折射晶体17的光轴亦垂直于由准直器15出射的平行光束的光线方向、并与偏振片的透振方向夹45°角，因此，由准直器15出射的平行光束中，只有平行于偏振片透振方向的振动光波才能入射到双折射晶体17上。偏振片的两个透光端面都镀有增透膜，其透光中心波长及带宽可根据具体通信波段、锁定信道数(即波长个数)以及锁定信道的中心波长来选取，如在1550nm波段，锁定信道数在16路以下时，可取透光中心波长为1553.6nm，带宽≥20nm。双折射晶体的前端面上镀增透膜，后端面上镀全反射膜，其透光和反射的中心波长及带宽也根据具体通信波段、锁定信道数(即波长个数)以及锁定信道的中心波长来选取，应与偏振片选取的透光中心波长及带宽一致，如在1550nm波段，锁定信道数在16路以下时，其透光和反射的中心波长也取为1553.6nm、带宽≥20nm。双折射晶体的形状可以是长方体、圆柱体或其他形状，只要有合适的通光口径即可，两端面研磨成相互平行的光学平面(平行度≤5∥)，晶体的光轴亦平行于两透光端面，晶体的长度d(即两透光端面之间的间距)为特定值(见下述)。由于晶体的光轴方向与偏振片的透振方向成45°夹角(如图3所示)，入射到晶体中的光振动分解为平行于光轴振动的e光(其折射率为n_e)和垂直于光轴振动的o光(其折射率为n_o)。o，e两光通过双折射晶体经后端面反射回到前端面时获得位相差Φ(Φ与波长有关)。那些对应于Φ为2π整数倍的光的合成振动仍平行于偏振片的透振方向，这样振动的光、也就是这些波长上的光能顺利通过偏振片返回双光纤光束准直器、由输出光纤14输出，经光电检测器检测可给出最大的光电信号；而那些Φ为π奇数倍的光的合成振动则垂直于偏振片的透振方向，这样振动的光、也就是这些波长上的光将不能通过偏振片，则光电检测器给出的光电信号为极小值。因此，双折射晶体的光透射率便随入射光波长的不同而呈现出从极大值到极小值的周期性变化、形成多透射峰结构，每个透射峰可用于一个信道上DFB波长的锁定。

双折射晶体的光透射率可用下式表示 $T={\mathrm{Cos}}^2\left(\mathrm{\Φ}\right)={\mathrm{Cos}}^2\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δnl}---\left(1\right)$

其中Δn＝n_e-n_o，l为晶体透光总长度，即l＝2d。l可按(2)式选取， $l=\frac{1}{\[\mathrm{\Δn}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0-\mathrm{\Δ\λ}})-\frac{\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δn}\right)}{\mathrm{\δ\λ}}\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0-\mathrm{\Δ\λ}}\]}---\left(2\right)$

其中

为双折射色散率， $\frac{\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δn}\right)}{\mathrm{\δ\λ}}=\frac{{\mathrm{\δn}}_e\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\δ\λ}}-\frac{{\mathrm{\δn}}_o\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\δ\λ}}$ ，其值可由下面的色散公式求出， $n_0^2\left(\mathrm{\λ}\right)=3.77834+\frac{0.069736}{({\mathrm{\λ}}^2-0.04724)}-{0.0108133\mathrm{\λ}}^2---\left(3\right)$ $n_e^2\left(\mathrm{\λ}\right)=4.59905+\frac{0.110534}{({\mathrm{\λ}}^2-0.04813)}-{0.0122676\mathrm{\λ}}^2---\left(4\right)$

这里波长λ以μm为单位。对于信道间距Δv＝100GHz(即Δλ＝0.8nm)的多信道光通信，中心波长取为λ₀＝1553.6nm(如上所述)。代入公式计算，得到YVO₄晶体透光总长度为l＝7147±1μm(对于Δλ＝0.4nm，也可按上述公式计算，得到YVO₄晶体透光总长度为l＝14294±1μm)。

这样，YVO₄双折射晶体的各透射率达到极大值时的波长可列于下表(表1)

透射峰极大值时的波长λ()	相邻透射峰的波长间距Δλ()
		15565.83	8.038.028.028.017.997.997.997.99
15557.80
	15549.78
15541.76
	15533.75
15525.76
	15517.77
15509.78

由表可见，波长间距最大差值仅为0.03，它与国际通信联盟(ITU)所规定的8仅相差0.375％，是符合该规定要求的。不过，YVO₄晶体的工作温度会受环境温度的影响而发生变化，当温度变化1℃时，各透射峰值波长会移动0.34，因此必须对YVO₄晶体进行温控，在25℃之内其温度要控制在±0.05℃，这时，晶体透过率峰值处的波长漂移＜0.02，可达实用要求。为此，可采用半导体致冷器或其他的热电致冷器进行温度控制。

波长传感器放置成图4所示的结构。壳体的盖板20用螺钉固定在本体21上而形成一个整体，壳体内形成空腔，壳体材料可采用导热性较好的铝、铜等金属材料。输入光纤和输出光纤与双光纤光束准直器的前端相连，双光纤光束准直器、偏振片和双折射晶体三者自前向后依次固定在壳体的空腔内；双光纤光束准直器与偏振片和双折射晶体三者之间可以紧贴也可以相互距离0.5mm以下。其温度传感器18固定在壳体内表面紧靠晶体的位置，最好与晶体直接接触，用于测量晶体的温度；致冷器19固定在壳体外、与壳体紧密接触，并位于接近晶体的地方，用于控制晶体的温度。波长传感器工作时，由温度传感器感知双折射晶体的实际温度，当它与设定的工作温度(如25℃)有差值时，就产生温控信号使致冷器工作，从而通过壳体的传导使晶体的温度得到控制。

综上所述，本发明巧妙地利用双折射晶体(例如YVO₄)的滤波特性、首次将其应用于波长传感器，形成一种全新结构的多波长锁定器。本发明具有如下优点：

1、构成波长传感器的双折射晶体，与现有的F-P标准具相比，其光学加工和安装过程容易得多，因而易于批量生产和产业化，具有更大的商业前景。

2、F-P标准具构成的多波长传感器是全长度的透射式(即一侧输入另一侧输出)，而本发明的双折射晶体波长传感器结合双光纤光束准直器技术形成半长度的反射式波长传感器(即同侧输入且输出)，可以节省一个光纤光束准直器，使结构更简单紧凑，成本下降。

3、本发明中采用的双折射晶体波长传感器能够形成多峰透射效果、并精确地满足信道之间的等间距如0.8nm或0.4nm的要求，利用一个波长传感器就可同时锁定多个波长(例如8个、16个或更多个)，使多波长锁定器更简单实用。

附图说明：

附图1为整个波长锁定器的结构示意图。附图2为双折射滤波型波长传感器的光路示意图。附图3为双折射晶体的光轴及与偏振片、入射光束之间的关系示意图。附图4为波长传感器的安装示意图。

具体实施方式：

本发明专利实施例可按如下所述来实现，以同时锁定8个信道上的8个不同波长为例来说明。8个DFB采用由北京半导体研究所生产的1.5μm的DFB-LD Module 841-1A-70型，它们的波长各不相同，依次相差6～8左右，每个DFB输出的光束都由各自配置的2×2光纤耦合器2分成两束，一束进入光纤通信干道，另一束用于波长锁定；用于波长锁定的8个光束则通过8×2的光纤耦合器3合并起来、分成两束输出光，每束输出光中均含有波长各不相同的8个DFB的输出光信号，其中一束通过光电检测器5转变成电信号V₁(它作为差分电路7的参考信号)，而另一束光通往波长传感器4中的输入光纤13，经双光纤光束准直器15、偏振片16和双折射晶体17往返后由输出光纤14送达另一个光电检测器6，转变成电信号V₂(它作为差分电路7的波长传感信号)。两个检测器的电信号V₁和V₂由差分电路7进行差分运算得到差分信号ΔV＝V₂-V₁。副载波调制器的调制频率f₀＝200Hz，其调制信号由电子开关11的8个输出端依次分时通往8个DFB的注入电流输入端，对各个激光器的激励直流进行1％深度的调制，被调制的激光器的输出光强度便含有交流成分，直流与交流成分之比为99∶1。由于对8个激光器实施的是常规电子学技术的分时调制，在某一个时刻段上只有其中一个激光器被调制，即只有它的输出光强度含有交直流成分，而其它7只激光器则未被调制，它们输出的光强度只有直流成分而无交流成分。差分信号中的交流成分只有该时刻段上被调制的激光器才具有，差分信号ΔV经过滤波器8的滤波(滤波频率也为f₀)，那只被调制的激光器的光强度直流成分以及其它7只该时刻段上未被调制的激光器的光强度直流成分被滤去。当差分信号ΔV＝0，表明该只被调制的激光器的波长恰好为所需要的波长值，将维持它的温度不变；当差分信号ΔV＞0或ΔV＜0时，表明该只激光器的波长比所需要的波长短或长了，经放大器9将该信号放大后，由电子开关11输出端的一个端头通往该激光器所对应的温控器12，调整所对应的DFB的工作温度，使达到锁定这个激光波长的目的。所述的差分电路、副载波调制器、滤波器、放大器、电子开关、温控器等均为常规电路产品；2×2、8×2的光耦合器均采用现有光纤技术制作；光电检测器5和6是对1.5μm波长感光的PIN管，国内外皆有商品；双光纤光束准直器15也有商品提供，例如中国福州Casix公司的产品；偏振片为常规光学产品(型号：#POA4)；YVO₄双折射晶体国内外皆有产品，例如中科院安徽光机所的产品：长方体，横截面尺寸为5mm×5mm，长度d为l/2，即3573+1μm，两端面研磨成相互平行的光学平面，平行度为3∥，光轴平行于两端面并且平行于端面的一个棱边，一个端面镀上增透膜，其透光中心波长取为1553.6nm，带宽≥20nm，另一端面镀上全反射膜，反射的中心波长也取为1553.6nm，带宽≥20nm。安装时，光束准直器与偏振片之间相隔0.2mm，偏振片与双折射晶体之间紧贴在一起；双折射晶体平放在壳体的内底平面上、按常规技术粘贴，光轴垂直于该底平面。光束准直器与偏振片也是用常规技术粘贴在壳体的内底平面上，双折射晶体的镀增透膜的端面(即前端面)靠近偏振片一侧、镀全反射膜的端面(即后端面)靠近壳体后端内侧，偏振片的透振方向与晶体光轴夹45°角并平行于晶体端面(即为晶体端面的对角线方向)。用于双折射晶体的温度传感器为现有电子技术(产品型号为Analog Devices AD590)，所用致冷器为半导体致冷器(例如国能集团香河华北致冷设备有限公司的TEC₁系列致冷组件)，温度信号所设定的工作温度为25℃，温度传感器紧贴晶体下方安装，半导体致冷器按常规技术固定在晶体下方的壳体外、与壳体紧密接触。

Claims (1)

1、一种多波长锁定器，由DFB(1)、光纤耦合器(2和3)、波长传感器(4)、光电检测器(5和6)、电子学的差分回路(7)、滤波器(8)、放大器(9)、副载波调制器(10)以及电子开关(11)和温控器(12)所组成，其特征在于：波长传感器由输入光纤(13)和输出光纤(14)、双光纤光束准直器(15)、偏振片(16)、双折射晶体(17)、壳体(20、21)以及温度传感器(18)和致冷器(19)构成：输入光纤和输出光纤与双光纤光束准直器的前端相连；双光纤光束准直器、偏振片和双折射晶体三者自前向后依次固定在壳体的空腔内；偏振片的两个透光端面都镀有增透膜；双折射晶体的两透光端面相互平行，其前端面上镀增透膜、后端面上镀全反射膜，晶体长度d为特定值，即晶体透光总长度l的一半，而l可按下式选取 $l=\frac{1}{\[\mathrm{\Δn}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0-\mathrm{\Δ\λ}})-\frac{\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\Δn}\right)}{\mathrm{\δ\λ}}\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0-\mathrm{\Δ\λ}}\]}$ 晶体的光轴平行于两透光端面，偏振片的透振方向与晶体光轴夹45°角，并且偏振片透振方向和晶体光轴都垂直于双光纤光束准直器的出射光束的光线方向；温度传感器固定在壳体内紧靠晶体的位置，致冷器固定在壳体外。

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