一種波長可調(diào)諧激光器的應(yīng)用研究

蔣 列，周曉偉，倪演海，顏學(xué)龍

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541004；2.中國電子科技集團(tuán)第三十四研究所，廣西 桂林541004）

隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是DWDM技術(shù)在光通信領(lǐng)域的廣泛使用，人們對作為通信光源的激光器提出了更高的要求。目前作為光源的傳統(tǒng)激光器是固定波長的激光器，通常只提供（1 310 nm、1 550 nm）兩個(gè)中心波長，如果想輸出多個(gè)波長，則激光器的成本和體積會相應(yīng)增加，勢必會限制光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的靈活性。如果用波長可調(diào)諧激光器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定波長激光器，能夠減輕DWDW系統(tǒng)在光源配置與維護(hù)上的巨大成本，實(shí)現(xiàn)波長資源的充分利用，能夠減輕生產(chǎn)成本，降低管理復(fù)雜度，從而提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性價(jià)比。

目前經(jīng)過科研人員多年的研究，可調(diào)諧激光器已經(jīng)取得很大發(fā)展。美國E-TEK公司研制了的980 nm泵浦激光器，輸出功率能夠達(dá)到220 mW,美國MPB公司生產(chǎn)的EBS-4002，它的輸出功率達(dá)到200 mW,美國Santur公司生產(chǎn)了陣列可調(diào)諧DFB激光器，芯片的溫度變化在25~50℃時(shí)，每個(gè)陣列的激光器能夠獲得3 nm的波長控制，該激光器共有12個(gè)激光器陣列，因而能夠獲得36 nm的調(diào)諧范圍。

本文介紹一種波長可調(diào)諧的激光器的波長調(diào)節(jié)和功率穩(wěn)定的設(shè)計(jì)方法，其可以提供數(shù)十個(gè)測試波長，以此激光器作為光源組成OTDR能很好地解決城域網(wǎng)密集波分復(fù)用系統(tǒng)和WDM-PON波分系統(tǒng)的光纖測試和維護(hù)的難題。

1 分布反饋激光器的特點(diǎn)

可調(diào)諧分布反饋（DFB）激光器是由內(nèi)含布拉格光柵來實(shí)現(xiàn)光的反饋的，光柵分布在整個(gè)諧振腔中，光柵是完全均勻?qū)ΨQ的，使得其發(fā)光出現(xiàn)了兩個(gè)主模同時(shí)振蕩的現(xiàn)象，當(dāng)外加的電流注入到該激光器時(shí)，有源區(qū)內(nèi)電子空穴對發(fā)生復(fù)合并有相應(yīng)能量的光子產(chǎn)生，這些光子將受到光柵的反射，只有當(dāng)滿足特定波長條件的光才會相干疊加進(jìn)而發(fā)生諧振，實(shí)現(xiàn)單縱模輸出[1]。分布反饋DFB激光器的工作原理是布拉格反射原理，當(dāng)激光器工作時(shí)，有源區(qū)的電子和空穴發(fā)生復(fù)合，產(chǎn)生一定能量的光子，由布拉格反射條件得到如公式（1）：

式中，T為光柵周期，α取1，λ為真空中得光波長，n為介質(zhì)折射率。只有滿足以上條件的光波才能在某種介質(zhì)中形成振蕩，從而讓激光器正常工作。如果將分布反饋激光器集成為陣列的形式，就能變成可調(diào)諧分布反饋陣列激光器。這種激光器陣列主要由四部分組成，分別是DFB激光器陣列、S型彎曲波導(dǎo)、多模干涉耦合器、半導(dǎo)體光放大器（SOA）[2]。

2 本文所用激光器的具體特點(diǎn)

本文所研究的對象就是全波段可調(diào)諧分布反饋陣列激光器，其包含12個(gè)DFB激光器組成的激光器陣列，主要應(yīng)用于長途密集波分復(fù)用中，同時(shí)含有外部的強(qiáng)度調(diào)制器，該全波段的可調(diào)諧DFB激光二極管芯片包括DFB激光器陣列和半導(dǎo)體光放大器（SOA），每個(gè)DFB激光器的偏置電流是恒定的，輸出功率的穩(wěn)定是在自動功率控制下調(diào)節(jié)半導(dǎo)體光放大器的電流完成的。該全波段熱可調(diào)諧DFB激光器還集成了光隔離器、熱電冷卻器（TEC）、熱敏電阻、功率監(jiān)測光電二極管、波長監(jiān)測光電二極管。該全波段可調(diào)諧DFB激光器可以提供任何國際電信聯(lián)盟的信道在35 nm的調(diào)諧范圍內(nèi)，在C波段輸出的光功率可達(dá)20 mW，且輸出波長穩(wěn)定，集成了波長監(jiān)控功能，在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)，具有高邊模抑制比。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

本文所使用的全波段可調(diào)諧DFB激光器中每一個(gè)激光器輸出的波長都在一定的范圍內(nèi)，通過選擇陣列中對應(yīng)的激光器并配合溫度調(diào)節(jié)裝置能夠得到想要的輸出波長。該過程可以通過選擇LD1~LD12實(shí)現(xiàn)波長范圍粗選，再改變TEC1電流大小和方向?qū)崿F(xiàn)波長微調(diào)，該過程所涉及的是溫度控制波長輸出電路。為了精確地控制集成激光器的輸出波長，必須確保濾波器的溫度穩(wěn)定性，最好讓其保持不變，也就是說要保持TEC2的電流恒定[3]。為了準(zhǔn)確和穩(wěn)定的控制最終激光器輸出的光功率，我們需外加一個(gè)探測器，激光器發(fā)出的光通過95：5分路器將經(jīng)半導(dǎo)體光放大器后的輸出光功率的一部分引到PIN探測器進(jìn)行光功率監(jiān)控，該過程所涉及的是自動功率控制電路。

3.2 溫度控制波長輸出設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器是是能夠進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的器件[4]。在半導(dǎo)體中，溫度與能量之間存在著依賴關(guān)系，由以下公式（2）得出[5]：

式中，Eg（0）為絕對零度時(shí)的能隙，準(zhǔn)和φ是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。能隙的變化又會引起波長的變化，波長與能隙之間的數(shù)量關(guān)系如公式（3）所示：

所以通過控制半導(dǎo)體內(nèi)部有源區(qū)的溫度，就能改變DFB激光器有源區(qū)的間隙，從而起到調(diào)諧半導(dǎo)體激光器波長的作用。在自動溫度控制系統(tǒng)中，采用熱敏電阻來感應(yīng)目標(biāo)溫度，半導(dǎo)體制冷器（TEC）使目標(biāo)溫度設(shè)定在設(shè)定溫度[6]。TEC是一個(gè)利用賽貝克效應(yīng)來加熱和制冷的半導(dǎo)體PN結(jié)器件，當(dāng)直流電流通過TEC時(shí)，熱量由TEC的一側(cè)傳送到另一側(cè)，表現(xiàn)為一端致熱，另一端致冷；如果直流電流相反，則致熱和致冷的兩端會反轉(zhuǎn)[7]。TEC轉(zhuǎn)移的熱量與通過TEC的直流電流有關(guān)，電流越大，轉(zhuǎn)移的熱量越多，TEC的作用時(shí)調(diào)節(jié)激光器陣列的溫度[8]。具體控制方案是通過STM32 ARM芯片發(fā)出一個(gè)DAC1信號，該DAC1信號的電流大小可以由STM32 ARM芯片調(diào)節(jié)，該信號調(diào)節(jié)溫度控制電路中與激光器內(nèi)部NTC熱敏電阻RFB對應(yīng)的可調(diào)電阻器RD兩端的電壓，使其與對應(yīng)波長的相應(yīng)熱敏電阻的兩端的電壓保持一致，當(dāng)改變RFB對應(yīng)可調(diào)電阻器RD電壓時(shí)，RFB和RD組成的橋路發(fā)生變化，通過斬波穩(wěn)定儀表放大器輸出一個(gè)差分電壓，差分電壓經(jīng)過外部電阻電容組成的一個(gè)模擬PID控制電路[9~10]，如圖1所示，具體的溫度控制回路是采用PID+TEC的方式進(jìn)行，并且溫度可以由STM32 ARM芯片控制[11]，其輸出電壓控制激光器內(nèi)部的其中一個(gè)TEC電流的大小和方向，因此可以控制激光器的波長。

圖1 PID控制電路

3.3 恒流源的設(shè)計(jì)

恒流源是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源，在自動功率控制電路中需要對恒流源進(jìn)行調(diào)節(jié)，在集成運(yùn)放的同相輸入端輸入一個(gè)DAC2信號來控制恒流源的大小，目的就是使其成為受控恒流源?？烧{(diào)DAC2信號由STM32 ARM芯片發(fā)出，控制恒流源電流的大小，因此，通過改變DAC2能改變集成激光器的工作電流，從而調(diào)整激光器的輸出功率，DAC2信號送入由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的受控源電路輸出電流給集成激光器。具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 恒流源電路圖

3.4 激光器功率控制設(shè)計(jì)

光功率控制的基本思想是當(dāng)光源出現(xiàn)功率偏離期望值時(shí)，改變注入電流，能穩(wěn)定光功率，本設(shè)計(jì)中激光器發(fā)出的光經(jīng)過95：5分光器后分成兩束光，一束進(jìn)入光纖輸出端，另一束接PIN光電探測器，監(jiān)測PIN光電二極管的輸出光電流，然后將該信號送入STM32 ARM芯片系統(tǒng)，通過STM32 ARM芯片處理后發(fā)送UREF信號反饋給恒流源電路，控制恒流源的大小，從而控制集成激光器的激光功率，達(dá)到穩(wěn)定光功率的目的。功率控制的原理框圖如3所示。

圖3 功率控制框圖

3.5 激光器溫度、功率控制設(shè)計(jì)總框圖

圖4所示是全波段可調(diào)諧分布反饋陣列激光器功率、溫度控制的總框圖，兩個(gè)MAX1978分別來控制集成激光器的兩個(gè)TEC，一個(gè)用來穩(wěn)定輸出功率，另一個(gè)用來控制激光器輸出波長。

圖4 激光器溫度、功率控制的總框圖

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

本激光器的光纖輸出端接入光譜分析儀來測量任意一個(gè)DFB激光器在不同溫度下短時(shí)間內(nèi)（15 min）波長的穩(wěn)定性，圖5顯示的是在15±1℃、25±1℃、45±1℃溫度下，光譜分析儀記錄的某個(gè)DFB激光器所測的中心波長，圖中橫坐標(biāo)表示記錄的次數(shù)，每隔半分鐘記錄一個(gè)波長，總共記錄25個(gè)測試波長，縱坐標(biāo)是波長單位nm，最上面的線條表示的是45±1℃溫度下輸出波長，中間的線條表示25±1℃溫度下輸出波長，最底下的線條表示15±1℃溫度下輸出波長，從圖中可以觀察到在三個(gè)溫度下輸出波長的穩(wěn)定性都是很好的，只有2～3個(gè)測試點(diǎn)發(fā)生小于0.1 nm的跳變，所以本文使用的可調(diào)諧激光器的短期穩(wěn)定度在最壞的情況下也能達(dá)到±0.05 nm。

圖5 各個(gè)溫度下波長穩(wěn)定性分析表

圖6所示是第七個(gè)激光器在短時(shí)間內(nèi)（15 min），溫度在15±1℃下的輸出功率的大小，橫坐標(biāo)表示記錄的次數(shù)，每隔半分鐘記錄一個(gè)輸出功率值，共記錄25個(gè)輸出功率的數(shù)值，縱坐標(biāo)表示功率單位dbm，從圖中可以看出，最大功率為-1.58 dbm，最小功率為-1.63 dbm，圖中顯示功率的穩(wěn)定度在±0.03 dbm，可以作為高穩(wěn)定度可調(diào)諧光源使用。

圖6 某個(gè)激光器功率穩(wěn)定性分析表

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過對一種波長可調(diào)諧激光器的具體介紹，提出并設(shè)計(jì)了一種具有功率穩(wěn)定、并且波長可調(diào)諧激光光源實(shí)現(xiàn)方法，為波長可調(diào)激光器在城域網(wǎng)密集波分復(fù)用系統(tǒng)和WDM-PON波分系統(tǒng)的光纖測試和維護(hù)中提供了理論分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等信息，使波長可調(diào)諧激光光源滿足光通信領(lǐng)域日益增長的需要。

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