蔣 列，周曉偉，倪演海，顏學龍

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

隨著光纖通信網(wǎng)絡的發(fā)展，特別是DWDM技術在光通信領域的廣泛使用，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）兩個中心波長，如果想輸出多個波長，則激光器的成本和體積會相應增加，勢必會限制光網(wǎng)絡擴展的靈活性。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)在光源配置與維護上的巨大成本，實現(xiàn)波長資源的充分利用，能夠減輕生產(chǎn)成本，降低管理復雜度，從而提高網(wǎng)絡系統(tǒng)的性價比。

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，輸出功率能夠達到220 mW,美國MPB公司生產(chǎn)的EBS-4002，它的輸出功率達到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，每個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)定的設計方法，其可以提供數(shù)十個測試波長，以此激光器作為光源組成OTDR能很好地解決城域網(wǎng)密集波分復用系統(tǒng)和WDM-PON波分系統(tǒng)的光纖測試和維護的難題。

1 分布反饋激光器的特點

可調(diào)諧分布反饋（DFB）激光器是由內(nèi)含布拉格光柵來實現(xiàn)光的反饋的，光柵分布在整個諧振腔中，光柵是完全均勻?qū)ΨQ的，使得其發(fā)光出現(xiàn)了兩個主模同時振蕩的現(xiàn)象，當外加的電流注入到該激光器時，有源區(qū)內(nèi)電子空穴對發(fā)生復合并有相應能量的光子產(chǎn)生，這些光子將受到光柵的反射，只有當滿足特定波長條件的光才會相干疊加進而發(fā)生諧振，實現(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，當激光器工作時，有源區(qū)的電子和空穴發(fā)生復合，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、多模干涉耦合器、半導體光放大器（SOA）[2]。

2 本文所用激光器的具體特點

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DFB激光器組成的激光器陣列，主要應用于長途密集波分復用中，同時含有外部的強度調(diào)制器，該全波段的可調(diào)諧DFB激光二極管芯片包括DFB激光器陣列和半導體光放大器（SOA），每個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20 mW，且輸出波長穩(wěn)定，集成了波長監(jiān)控功能，在整個調(diào)諧范圍內(nèi)，具有高邊模抑制比。

3 系統(tǒng)設計

3.1 總體設計方案

本文所使用的全波段可調(diào)諧DFB激光器中每一個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，我們需外加一個探測器，激光器發(fā)出的光通過95：5分路器將經(jīng)半導體光放大器后的輸出光功率的一部分引到PIN探測器進行光功率監(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計

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

式中，Eg（0）為絕對零度時的能隙，準和φ是經(jīng)驗參數(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)量關系如公式（3）所示：

所以通過控制半導體內(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目標溫度，半導體制冷器（TEC）使目標溫度設定在設定溫度[6]。TEC是一個利用賽貝克效應來加熱和制冷的半導體PN結器件，當直流電流通過TEC時，熱量由TEC的一側傳送到另一側，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[7]。TEC轉移的熱量與通過TEC的直流電流有關，電流越大，轉移的熱量越多，TEC的作用時調(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對應的可調(diào)電阻器RD兩端的電壓，使其與對應波長的相應熱敏電阻的兩端的電壓保持一致，當改變RFB對應可調(diào)電阻器RD電壓時，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差分電壓，差分電壓經(jīng)過外部電阻電容組成的一個模擬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 恒流源的設計

恒流源是能夠向負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行調(diào)節(jié)，在集成運放的同相輸入端輸入一個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。可調(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信號送入由集成運算放大器構成的受控源電路輸出電流給集成激光器。具體電路設計如圖2所示。

圖2 恒流源電路圖

3.4 激光器功率控制設計

光功率控制的基本思想是當光源出現(xiàn)功率偏離期望值時，改變注入電流，能穩(wěn)定光功率，本設計中激光器發(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、功率控制設計總框圖

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MAX1978分別來控制集成激光器的兩個TEC，一個用來穩(wěn)定輸出功率，另一個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 實驗測試結果

本激光器的光纖輸出端接入光譜分析儀來測量任意一個DFB激光器在不同溫度下短時間內(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DFB激光器所測的中心波長，圖中橫坐標表示記錄的次數(shù)，每隔半分鐘記錄一個波長，總共記錄25個測試波長，縱坐標是波長單位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溫度下輸出波長的穩(wěn)定性都是很好的，只有2～3個測試點發(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到±0.05 nm。

圖5 各個溫度下波長穩(wěn)定性分析表

圖6所示是第七個激光器在短時間內(nèi)（15 min），溫度在15±1℃下的輸出功率的大小，橫坐標表示記錄的次數(shù)，每隔半分鐘記錄一個輸出功率值，共記錄25個輸出功率的數(shù)值，縱坐標表示功率單位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 某個激光器功率穩(wěn)定性分析表

5 結束語

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

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