一种波长可调谐激光器的应用研究

2013-06-26周晓伟倪演海颜学龙

装备制造技术 2013年6期

蒋列，周晓伟，倪演海，颜学龙

（1.桂林电子科技大学，广西桂林541004；2.中国电子科技集团第三十四研究所，广西桂林541004）

随着光纤通信网络的发展，特别是DWDM技术在光通信领域的广泛使用，人们对作为通信光源的激光器提出了更高的要求。目前作为光源的传统激光器是固定波长的激光器，通常只提供（1 310 nm、1 550 nm）两个中心波长，如果想输出多个波长，则激光器的成本和体积会相应增加，势必会限制光网络扩展的灵活性。如果用波长可调谐激光器代替传统的固定波长激光器，能够减轻DWDW系统在光源配置与维护上的巨大成本，实现波长资源的充分利用，能够减轻生产成本，降低管理复杂度，从而提高网络系统的性价比。

目前经过科研人员多年的研究，可调谐激光器已经取得很大发展。美国E-TEK公司研制了的980 nm泵浦激光器，输出功率能够达到220 mW,美国MPB公司生产的EBS-4002，它的输出功率达到200 mW,美国Santur公司生产了阵列可调谐DFB激光器，芯片的温度变化在25~50℃时，每个阵列的激光器能够获得3 nm的波长控制，该激光器共有12个激光器阵列，因而能够获得36 nm的调谐范围。

本文介绍一种波长可调谐的激光器的波长调节和功率稳定的设计方法，其可以提供数十个测试波长，以此激光器作为光源组成OTDR能很好地解决城域网密集波分复用系统和WDM-PON波分系统的光纤测试和维护的难题。

1 分布反馈激光器的特点

可调谐分布反馈（DFB）激光器是由内含布拉格光栅来实现光的反馈的，光栅分布在整个谐振腔中，光栅是完全均匀对称的，使得其发光出现了两个主模同时振荡的现象，当外加的电流注入到该激光器时，有源区内电子空穴对发生复合并有相应能量的光子产生，这些光子将受到光栅的反射，只有当满足特定波长条件的光才会相干叠加进而发生谐振，实现单纵模输出[1]。分布反馈DFB激光器的工作原理是布拉格反射原理，当激光器工作时，有源区的电子和空穴发生复合，产生一定能量的光子，由布拉格反射条件得到如公式（1）：

式中，T为光栅周期，α取1，λ为真空中得光波长，n为介质折射率。只有满足以上条件的光波才能在某种介质中形成振荡，从而让激光器正常工作。如果将分布反馈激光器集成为阵列的形式，就能变成可调谐分布反馈阵列激光器。这种激光器阵列主要由四部分组成，分别是DFB激光器阵列、S型弯曲波导、多模干涉耦合器、半导体光放大器（SOA）[2]。

2 本文所用激光器的具体特点

本文所研究的对象就是全波段可调谐分布反馈阵列激光器，其包含12个DFB激光器组成的激光器阵列，主要应用于长途密集波分复用中，同时含有外部的强度调制器，该全波段的可调谐DFB激光二极管芯片包括DFB激光器阵列和半导体光放大器（SOA），每个DFB激光器的偏置电流是恒定的，输出功率的稳定是在自动功率控制下调节半导体光放大器的电流完成的。该全波段热可调谐DFB激光器还集成了光隔离器、热电冷却器（TEC）、热敏电阻、功率监测光电二极管、波长监测光电二极管。该全波段可调谐DFB激光器可以提供任何国际电信联盟的信道在35 nm的调谐范围内，在C波段输出的光功率可达20 mW，且输出波长稳定，集成了波长监控功能，在整个调谐范围内，具有高边模抑制比。

3 系统设计

3.1 总体设计方案

本文所使用的全波段可调谐DFB激光器中每一个激光器输出的波长都在一定的范围内，通过选择阵列中对应的激光器并配合温度调节装置能够得到想要的输出波长。该过程可以通过选择LD1~LD12实现波长范围粗选，再改变TEC1电流大小和方向实现波长微调，该过程所涉及的是温度控制波长输出电路。为了精确地控制集成激光器的输出波长，必须确保滤波器的温度稳定性，最好让其保持不变，也就是说要保持TEC2的电流恒定[3]。为了准确和稳定的控制最终激光器输出的光功率，我们需外加一个探测器，激光器发出的光通过95：5分路器将经半导体光放大器后的输出光功率的一部分引到PIN探测器进行光功率监控，该过程所涉及的是自动功率控制电路。

3.2 温度控制波长输出设计

半导体激光器是是能够进行光电转换的器件[4]。在半导体中，温度与能量之间存在着依赖关系，由以下公式（2）得出[5]：

式中，Eg（0）为绝对零度时的能隙，准和φ是经验参数。能隙的变化又会引起波长的变化，波长与能隙之间的数量关系如公式（3）所示：

所以通过控制半导体内部有源区的温度，就能改变DFB激光器有源区的间隙，从而起到调谐半导体激光器波长的作用。在自动温度控制系统中，采用热敏电阻来感应目标温度，半导体制冷器（TEC）使目标温度设定在设定温度[6]。TEC是一个利用赛贝克效应来加热和制冷的半导体PN结器件，当直流电流通过TEC时，热量由TEC的一侧传送到另一侧，表现为一端致热，另一端致冷；如果直流电流相反，则致热和致冷的两端会反转[7]。TEC转移的热量与通过TEC的直流电流有关，电流越大，转移的热量越多，TEC的作用时调节激光器阵列的温度[8]。具体控制方案是通过STM32 ARM芯片发出一个DAC1信号，该DAC1信号的电流大小可以由STM32 ARM芯片调节，该信号调节温度控制电路中与激光器内部NTC热敏电阻RFB对应的可调电阻器RD两端的电压，使其与对应波长的相应热敏电阻的两端的电压保持一致，当改变RFB对应可调电阻器RD电压时，RFB和RD组成的桥路发生变化，通过斩波稳定仪表放大器输出一个差分电压，差分电压经过外部电阻电容组成的一个模拟PID控制电路[9~10]，如图1所示，具体的温度控制回路是采用PID+TEC的方式进行，并且温度可以由STM32 ARM芯片控制[11]，其输出电压控制激光器内部的其中一个TEC电流的大小和方向，因此可以控制激光器的波长。

图1 PID控制电路

3.3 恒流源的设计

恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源，在自动功率控制电路中需要对恒流源进行调节，在集成运放的同相输入端输入一个DAC2信号来控制恒流源的大小，目的就是使其成为受控恒流源。可调DAC2信号由STM32 ARM芯片发出，控制恒流源电流的大小，因此，通过改变DAC2能改变集成激光器的工作电流，从而调整激光器的输出功率，DAC2信号送入由集成运算放大器构成的受控源电路输出电流给集成激光器。具体电路设计如图2所示。

图2 恒流源电路图

3.4 激光器功率控制设计

光功率控制的基本思想是当光源出现功率偏离期望值时，改变注入电流，能稳定光功率，本设计中激光器发出的光经过95：5分光器后分成两束光，一束进入光纤输出端，另一束接PIN光电探测器，监测PIN光电二极管的输出光电流，然后将该信号送入STM32 ARM芯片系统，通过STM32 ARM芯片处理后发送UREF信号反馈给恒流源电路，控制恒流源的大小，从而控制集成激光器的激光功率，达到稳定光功率的目的。功率控制的原理框图如3所示。

图3 功率控制框图

3.5 激光器温度、功率控制设计总框图

图4所示是全波段可调谐分布反馈阵列激光器功率、温度控制的总框图，两个MAX1978分别来控制集成激光器的两个TEC，一个用来稳定输出功率，另一个用来控制激光器输出波长。

图4 激光器温度、功率控制的总框图

4 实验测试结果

本激光器的光纤输出端接入光谱分析仪来测量任意一个DFB激光器在不同温度下短时间内（15 min）波长的稳定性，图5显示的是在15±1℃、25±1℃、45±1℃温度下，光谱分析仪记录的某个DFB激光器所测的中心波长，图中横坐标表示记录的次数，每隔半分钟记录一个波长，总共记录25个测试波长，纵坐标是波长单位nm，最上面的线条表示的是45±1℃温度下输出波长，中间的线条表示25±1℃温度下输出波长，最底下的线条表示15±1℃温度下输出波长，从图中可以观察到在三个温度下输出波长的稳定性都是很好的，只有2～3个测试点发生小于0.1 nm的跳变，所以本文使用的可调谐激光器的短期稳定度在最坏的情况下也能达到±0.05 nm。

图5 各个温度下波长稳定性分析表

图6所示是第七个激光器在短时间内（15 min），温度在15±1℃下的输出功率的大小，横坐标表示记录的次数，每隔半分钟记录一个输出功率值，共记录25个输出功率的数值，纵坐标表示功率单位dbm，从图中可以看出，最大功率为-1.58 dbm，最小功率为-1.63 dbm，图中显示功率的稳定度在±0.03 dbm，可以作为高稳定度可调谐光源使用。