基于电流扫描的激光器注入锁定波长跟踪控制器及方法

1.本发明涉及光通信领域，特别涉及一种基于电流扫描实现对注入光波长跟踪的激光器注入锁定控制方法。


背景技术：

2.多波长相干光光源，特别是光频率梳，在宽光谱范围内提供均匀间隔的相干光分量，被广泛应用于光通信、距离测量、遥感技术等多方面。特别是在udwdm技术的应用当中，相较于采用激光器阵列的传统方式，其具备更高的频谱效率、更佳的带宽灵活性以及更高效的光纤非线性补偿，因而在组建未来大容量、灵活栅格光网络的计划中拥有巨大的应用潜力。而在多波长相干光应用的光通信系统中，采用注入锁定进行波长提取与信道选择的方式，相较于解复用器与放大器的使用改善了难集成、低传输信噪比等缺点，具有窄信道间隔、低实现成本的优势。还有，多波长相干光光源具有频道间隔相对稳定、但整体波长会因环境因素整体漂移的特点，这种偏移在弱注入条件下会导致被注入激光器失去锁定，从而对传输质量带来恶劣影响，因而需要对激光器进行波长可跟踪的控制。
3.目前，对弱注入条件下激光器稳定注入锁定的控制方法主要有两种，其一是注入锁定-光锁相环，即采用注入光正弦调制产生的边频注入从激光器，而其余注入光与从激光器的输出于光电探测器中接收得到拍频信号，以该拍频信号与中频振荡器的混频用于相位误差检测，该误差信号通过环路滤波器反馈至从激光器偏置电流，从而进行频率和相位控制；其二是导频辅助锁相环，即通过调制连续注入光产生高于锁定范围的导频信号，而该导频信号与从激光器经注入锁定产生信号间的相位差则依赖于从激光器的频率失谐量，从而该相位差信息由光电探测器处的拍频得出，与基频振荡器混频产生相位误差，并继而应用于锁相环控制当中。其中第一种方法提供了极佳的相噪性能，但其反馈控制需要高速电器件与短环路长度以保证足够高的锁定带宽，这极大增加了控制系统的复杂性和实现成本；而第二种方法虽降低了对电器件的速率要求，但仍需提供基频振荡器。


技术实现要素：

4.针对现有技术，本发明提出一种基于电流扫描的激光器注入锁定波长跟踪控制器，解决了现有技术中控制系统复杂度高、实现成本高的问题。本发明的技术方案利用多波长相干输入光与被注入锁定激光器之间产生的拍频信号的特性，基于光电探测器、检波处理与数据采集构成的反馈，通过数据采集与程序控制算法依据反馈与激光器注入锁定状态的关系发送控制指令，从而实现激光器对注入光波长的跟踪锁定控制。该方法相较锁相环结构，对需要对激光器进行精确的注入锁定并保持稳定性控制的应用场合，具有更大的可调谐波长范围和更低的实现成本；此外，该方法对于因温度等环境变化导致的注入光波长偏移也表现出较好的跟踪控制效果。
5.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于电流扫描的激光器注入锁定波长跟踪控制器，包括多波长相干光光源、光环行器、偏振控制器、激光器、光电探测器、带通滤
波器、检波器、低通滤波器、数据采集器、中央控制器、激光器驱动控制器，所述激光器为无隔离器的激光器；所述多波长相干光光源输入多波长相干光，由所述光环行器对所述激光器的注入、输出进行光链路耦合，所述偏振控制器对注入激光器的光进行偏振态调节、所述光电探测器接收所述激光器的输出、并进行光电转换，转换后的电信号依次经过所述带通滤波器、所述检波器和所述低通滤波器对所需目标频率分量信号进行提取和处理，所述数据采集器对模拟电信号进行采集和模数转换，所述中央控制核心进行数据的存储、控制算法的运行并下达控制指令，所述的激光器驱动控制器执行控制指令调节所述激光器的工作状态。
6.同时，本发明中还提出了利用上述激光器注入锁定波长跟踪控制器的控制方法，主要是：多波长相干光由光环行器耦合经偏振控制器调节偏振态后注入激光器，该过程输出光经偏振控制器返回光环行器后耦合输出，由光电探测器接收并产生拍频信号，该信号先后经带通滤波器、检波器、低通滤波器提取拍频信号包络电平，该电平值作为判断激光器是否工作在锁定状态的重要依据，由数据采集器采集后输入中央控制器，由中央控制器运行基于电流扫描的程序，根据输入的电平值以及激光器驱动控制器返回的激光器工作电流值判断激光器此时的工作状态，并根据不同的状态输出不同的控制指令给驱动控制器，使激光器继续工作在注入锁定状态，从而提高激光器的注入锁定稳定性并达成使激光器对注入光波长跟踪的目的。具体过程如下：
7.步骤1)初始化参数设定：根据所述激光器的参数及目标波长范围设定初始工作参数，并记录当前所述激光器的工作状态；
8.步骤2)初始范围的电流扫描并寻找最佳锁定点：根据激光器的参数和目标波长范围设定初始电流扫描范围为i0～i1，控制所述的激光器在该电流取值范围内由小到大进行线性电流扫描，同时记录数据采集器采集到的电平幅度值v
daq
和所述激光器当前的工作电流i
ld
；所述的电平幅度值v
daq
用于判断激光器的工作状态；
9.步骤3)采用最佳锁定点作为当前激光器工作参数：根据记录的数据采集结果选择该扫描范围内的最佳电流取值，即该范围内使采集到的电平幅度值v
daq
达到最大值v
max
的工作电流i
max
，控制所述激光器经历扫描步骤2)后以该最佳电流取值时的参数继续工作，并设定最大值vmax幅度阈值比例参数，包括：下限阈值k1，上限阈值k2，最大值v
max
的判断阈值k
max
，且0《k1《k2《1《k
max
；设定电流调整阈值δi，作为后续调整电流扫描范围的参数，设定以变量i
l
～ir表示当前电流扫描范围；
10.步骤4)持续监测激光器的工作状态：所述激光器在持续的工作状态中，中央控制器继续监测数据采集器的采集结果，根据采集结果的不同情况，分为以下三种方式进行控制；
11.情况一，当v
daq
》k
maxvmax
，以当前的电平幅度值v
daq
数值更新最大值v
max
，同时，以当前的电流值更新工作电流i
max
；并更新记录激光器的工作波长和温度，根据更新后的工作电流i
max
发出控制指令，调节所述激光器接下来的工作状态；
12.情况二，当k
1vmax
《v
daq
《k
2vmax
；则判断：若i
max-δi》i
l
，则i
l
＝i
max-δi；若i
max
δi《ir，则ir＝i
max
δi；以i
l
～ir更新电流扫描范围对所述激光器进行线性扫描，重新找回当前条件下的最佳锁定状态；
13.情况三，当v
daq
《k
1vmax
，采用步骤2)设定的初始电流扫描范围i0～i1对激光器进行
线性扫描，令i
l
＝i0，ir＝i1，重新跟踪并进入锁定状态。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.本发明摒弃了锁相环的结构，采用了完全不同的控制思路，对激光器的工作状态更多采用程序算法进行判断，而非鉴相器等器件，因此搭建了完全不同的反馈回路，不需提供本地参考信号源，大大降低了注入锁定激光器控制的系统复杂度；此外，具体的硬件实现可根据中央控制处理器的选择不同而不同，如采用微控制单元可通过电路设计进行封装，实现对整个控制链路进行模块化封装，而大部分控制参数可通过程序进行调整，这提高了整个控制模块的适用性和可维护性。
附图说明
16.图1是本发明激光器注入锁定波长跟踪控制器的结构示意图；
17.图2是本发明激光器注入锁定波长跟踪控制方法流程图；
18.图3是本发明实施例的结构示意图；
19.图4是实施例中i
sld
与v
daq
随波长跟踪控制的变化。
20.图中：1-光环行器、2-光偏振控制器、3-激光器、4-光电探测器、5-带通滤波器、6-检波器、7-低通滤波器、8-数据采集器、9-中央控制器、10激光器驱动控制器。
具体实施方式
21.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
22.本发明提出一种基于电流扫描的激光器注入锁定波长跟踪控制器的设计思路为，采用多波长相干注入光与注入锁定激光器输出的拍频，提取目标信号，采用程序算法控制依据该信号进行激光器工作参数控制，以达到提高注入锁定稳定性、可跟踪注入波长进行锁定的设计目的。如图1所示，该激光器注入锁定波长跟踪控制器包括多波长相干光光源、光环行器1、偏振控制器2、激光器3、光电探测器4、带通滤波器5、检波器6、低通滤波器7、数据采集器8、中央控制器9、激光器驱动控制器10，所述激光器3为无隔离器的激光器；所述多波长相干光光源输入多波长相干光，由所述光环行器1对所述激光器3的注入、输出进行光链路耦合，所述偏振控制器2对注入激光器3的光进行偏振态调节、所述光电探测器4接收所述激光器3的输出、并进行光电转换，转换后的电信号依次经过所述带通滤波器5、所述检波器6和所述低通滤波器7对所需目标频率分量信号进行提取和处理，所述数据采集器8对模拟电信号进行采集和模数转换，所述中央控制核心9进行数据的存储、控制算法的运行并下达控制指令，所述的激光器驱动控制器10执行控制指令调节所述激光器3的工作状态。
23.利用上述激光器注入锁定波长跟踪控制器的控制方法，如图2所示，主要包括：由所述光环行器1对从激光器的输入与输出进行链路耦合，构成反射型注入锁定结构，其中光偏振控制器2用于调节光环行器2口的注入光偏振，激光器3为无隔离器的半导体激光器，由多波长相干光信号的某一频率分量光注入锁定，由激光器驱动控制器10提供温度控制、工作电流等基本运行条件。多波长相干光由光环行器1耦合经偏振控制器2调节偏振态后注入激光器3，该过程输出光经偏振控制器2返回光环行器1后耦合输出，由光环行器1的3口输出的光信号由光电探测器4接收，并由上述注入锁定输出与多波长相干注入光的相邻分量产
生拍频信号，该信号先后经带通滤波器5、检波器6、低通滤波器7对该信号中包含相位差信息的分量进行提取和处理，提取出拍频信号包络电平，该电平值作为判断激光器3是否工作在锁定状态的重要依据，由数据采集器8进行采样与收集后输入中央控制器9。由中央控制器9运行基于电流扫描的程序，根据输入的电平值以及激光器驱动控制器10返回的激光器工作电流值判断激光器3此时的工作状态，并根据不同的状态输出不同的控制指令给驱动控制器10，使激光器3继续工作在注入锁定状态，从而提高激光器3的注入锁定稳定性并达成使激光器3对注入光波长跟踪的目的。
24.本发明所述激光器注入锁定波长跟踪控制器的控制方法，如图2所示，具体过程如下：
25.步骤1、初始化参数设定：
26.由所述光环行器1对从激光器的输入与输出进行链路耦合，构成反射型注入锁定结构，其中光偏振控制器2用于调节光环行器2口的注入光偏振，激光器3为无隔离器的半导体激光器，由多波长相干光信号的某一频率分量光注入锁定，由激光器驱动控制器10提供温度控制、工作电流等基本运行条件。根据所述激光器3的参数及目标波长范围设定初始工作参数，并记录当前所述激光器3的工作状态；光环行器1的3口输出的光信号由光电探测器4接收，其中由注入锁定输出与多波长相干注入光的相邻分量产生拍频信号，由带通滤波器5、检波器6、低通滤波器7对该信号中包含相位差信息的分量进行提取和处理，而后经数据采集8进行采样与模数转换，进入中央控制核心9进行程序处理。
27.步骤2、初始范围的电流扫描并寻找最佳锁定点：
28.中央控制器9根据激光器3的基础器件参数和目标波长范围设定初始的电流扫描范围为i0～i1，并记录当前激光器工作状态，而后根据初始的电流扫描范围发出控制指令，控制所述的激光器3的工作电流在该电流取值范围内由小到大进行线性电流扫描，同时记录数据采集器8采集到的电平幅度值v
daq
和所述激光器3当前的工作电流i
ld
；所述的电平幅度值v
daq
用于判断激光器3的工作状态；该过程中，记录每次调节后的激光器工作状态。
29.步骤3、采用最佳锁定点作为当前激光器工作参数：
30.根据记录的数据采集结果选择该扫描范围内的最佳电流取值，即该范围内使采集到的电平幅度值v
daq
达到最大值v
max
的工作电流i
max
，控制所述激光器3经历扫描步骤2后以该最佳电流取值时的参数继续工作，并为最大值vmax设定幅度阈值比例参数，包括：下限阈值k1，上限阈值k2，最大值v
max
的判断阈值k
max
，且0《k1《k2《1《k
max
；设定电流调整阈值δi，作为后续调整电流扫描范围的参数，设定以变量i
l
～ir表示当前电流扫描范围，后续的步骤4中说明了该变量i
l
～ir的设定。
31.步骤4、在所述激光器3持续的工作状态中，根据数据采集器8采集到的电平幅度值，确定相应的控制方式：
32.根据步骤3得到的数据找到适用于当前环境下激光器的最佳电流取值，发出控制指令保证激光器以该工作参数运行，并继续实时检测激光器的工作状态并采集数据，实现持续监测激光器的工作状态，所述激光器3在持续的工作状态中，中央控制器继续监测数据采集器8的采集结果，根据采集结果的不同情况，分为以下三种方式进行控制；
33.情况一，当前数据采集器8采集到的电平幅度值v
daq
高于预期波动阈值，则认为激光器3的工作环境变化，出现了优于之前的“最佳电流取值”的工作参数，更新有关最佳电流
取值的参数和状态数据，并将更新后的最佳电流取值作为控制指令发出，调节激光器接下来的工作状态；具体操作是：当v
daq
》k
maxvmax
，以当前的电平幅度值v
daq
数值更新最大值v
max
，同时，以当前的电流值更新工作电流i
max
；并更新记录激光器的工作波长和温度，根据更新后的工作电流i
max
发出控制指令，调节所述激光器3接下来的工作状态；
34.情况二，当前数据采集器8采集到的电平幅度值v
daq
略低于预期波动阈值，则认为激光器注入锁定的状态发生恶化但仍未失去锁定，则采用缩小后的电流扫描范围对激光器进行线性扫描，重新找回当前条件下的最佳锁定状态；具体操作是：当k
1vmax
《v daq
《k
2vmax
；则判断：若i
max-δi》i
l
，则i
l
＝i
max-δi；若i
max
δi《ir，则ir＝i
max
δi；以i
l
～ir更新电流扫描范围对所述激光器进行线性扫描，重新找回当前条件下的最佳锁定状态；
35.情况三，当前数据采集器8采集到的电平幅度值v
daq
明显低于预期波动阈值，则认为激光器注入锁定状态已发生严重恶化并失去锁定，则采用初始的大范围电流扫描范围对激光器进行线性扫描，重新跟踪并进入锁定状态；具体操作是：当v
daq
《k
1vmax
，采用步骤2设定的初始电流扫描范围i0～i1对激光器进行线性扫描，令i
l
＝i0，ir＝i1，重新跟踪并进入锁定状态。
36.实施例：
37.图3示出了基于本发明的一种激光器注入锁定波长跟踪控制器，其中可调激光器tld作为光源，工作波长为1553.88nm，经偏振控制器pc1调节偏振态后由马赫曾德调制器mzm强度调制，生成多波长相干光，微波源rf提供了10ghz正弦波信号，因此通过强度调制生成的该多波长相干光具有10ghz的频率间隔，光载波波长为15543.88nm；多波长相干光经光环行器1口输入，由光环行器2口与偏振控制器pc2耦合并调节偏振态，而后注入从激光器sld，从激光器sld是由gooch&housego台式激光控制器em595驱动的dfb激光器，工作温度为24.8℃。注入锁定过程的输出光经由光环行器3口输出后由光电探测器pd接收并产生拍频，而后经带通滤波器bpf、检波器detector、低通滤波器lpf处理提取拍频包络电平后，由ni_daq数据采集设备收集数据并传入计算机，此时计算机作为中央控制器，运行基于labview平台编写的程序对当前从激光器sld工作状态做出判断，并对台式激光控制器em595发出控制指令，从而调节从激光器sld的工作参数，使其保持波长跟踪的注入锁定。
38.为了验证基于本发明所述的控制方法的注入锁定波长跟踪效果，进行了如下变波长实验：
39.在工作24.38℃的环境下，可调激光器tld起始工作波长为1553.88nm，注入光总功率为-30dbm；通过手动调节使可调激光器tld波长逐步变化，调节步进为
±
0.001nm；观察并记录从激光器sld的参数与状态，包括从激光器sld的工作电流i
sld
、daq的采集值v
daq
(v
daq
值的大小反映了从激光器sld的工作状态)：图4示出了i
sld
与v
daq
随波长跟踪控制的变化，图4中的(a)是可调激光器tld以 0.001nm步进逐步增大的过程，(b)是可调激光器tld以-0.001nm步进逐步减小的过程。
40.以图4(a)所示的可调激光器tld波长增大的过程为例：
41.在初始注入条件下，首次以初始电流扫描范围进行的调节发生在12.5s之前，通过这次电流扫描找到从激光器sld的最佳锁定点在i
sld
取值略小于51ma时，v
daq
表现为较大值约图中0.20v附近，此时从激光器sld工作在锁定状态；
42.而后可调激光器tld波长持续增大，在50.0s后v
daq
骤然降低到0.05以下，说明此时
可调激光器tld波长偏离过大，从激光器sld失去锁定状态，因此，计算机程序根据已有参数对台式激光控制器em595下达了控制指令，使从激光器sld进行电流扫描；
43.当i
sld
取值略大于51ma时，v
daq
重新回到较大值，此时，从激光器sld重新进入锁定状态，此时计算机程序记录了新的最佳锁定点并更新了电流扫描范围，并继续监控从激光器sld的工作状态。
44.尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。