陳子楓，王寬寬，蔣春，陳泉安，陸巧銀，國偉華

（華中科技大學武漢光電國家研究中心，武漢430074）

0 引言

在光通信領域，波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術使得多個波長的光載波可以同時在一根光纖中傳輸，從而有效地利用信道帶寬，極大地提高通信容量。在WDM 系統(tǒng)中，設計一個通用的大范圍可調(diào)諧激光器可以滿足產(chǎn)生所有子載波的需要，極大地降低光源的管理成本［1］。

1994年美國加州大學-圣塔芭芭拉分校的COLDREN L A 提出了取樣光柵分布式布拉格反射（Sample Grating Distributed Bragg Reflector，SG-DBR）可調(diào)諧半導體激光器［2］。2003年日本宇都宮大學的HATAKEYAMA H 等將不同調(diào)諧范圍的分布式反饋（Distributed Feedback，DFB）激光器的光耦合到同一根波導中，從而利用DFB 陣列實現(xiàn)調(diào)諧激光器［3］。但是二者都是基于光柵進行選模的，光柵的制作需要高精度的曝光和刻蝕工藝，光柵的掩埋對二次外延的要求也比較高。

近年來，一些制作簡單、低成本的大范圍可調(diào)諧半導體激光器被提出。如基于雙微環(huán)的可調(diào)諧半導體激光器［4］、基于表面槽光柵的可調(diào)諧半導體激光器［5］、V 耦合腔激光器［6］以及基于邁克爾遜干涉儀的可調(diào)諧半導體激光器［7］等。這些激光器雖然在制作工藝上有所簡化，但是其性能還不足以和基于光柵的大范圍可調(diào)諧半導體激光器相比。

為了降低工藝成本，同時保證激光器的性能，2016年華中科技大學武漢光電國家研究中心提出并實驗驗證了一種多通道干涉大范圍可調(diào)諧半導體激光器（Multi-Channel Interference Widely Tunable Laser，MCI-WTL）。和現(xiàn)有的商用器件相比，具有成本低、制作容差大以及性能好等優(yōu)點。MCI-WTL 的工作原理見文獻［8-9］，制作工藝見文獻［10-11］。

本文設計了一套針對此激光器高精度電流注入、溫度控制、波長鎖定等問題的控制系統(tǒng)。將MCI-WTL 控制的一套完整方案集成于單板，實現(xiàn)控制的小型化和集成化，對推動該型激光器的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

1 控制系統(tǒng)簡介

MCI-WTL 是基于8 臂干涉進行調(diào)諧，包括電調(diào)諧和熱調(diào)諧兩種方式，其本質(zhì)都是向8 路臂相位區(qū)注入可控電流來實現(xiàn)的。此外還需要對有源區(qū)和半導體光放大（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）區(qū)注入電流實現(xiàn)激光的產(chǎn)生和光功率放大。通過控制芯片工作溫度和鎖定波長保證輸出波長的穩(wěn)定和精確。

本系統(tǒng)硬件部分單板集成了10 路可控電流的輸出模塊、溫度控制模塊、波長鎖定模塊、與上位機的通訊接口以及與TOSA 封裝激光器的連接口。最終PCB 版圖尺寸為8 cm×8 cm，層數(shù)為6 層，整板使用+5 V 單電源供電［12-13］。硬件部分如圖1（a）。

圖1 系統(tǒng)結果Fig.1 System result

控制軟件部分，開發(fā)了上位機界面。包括串口配置區(qū)，波長切換區(qū)，多路電流輸出控制區(qū)［14］。可以對激光器進行實時獨立的波長通道切換和輸出光功率的調(diào)節(jié)。上位機界面如圖1（b）。

MCI-WTL 是近幾年才研發(fā)的新型可調(diào)諧半導體激光器，暫無針對該器件的單板集成控制系統(tǒng)的研究。本文實現(xiàn)該大范圍可調(diào)諧激光器控制系統(tǒng)的小型化，集成化并推進商用。同時驗證了此激光器的電控參數(shù)，對于進一步設計控制用的專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）具有重要意義。

2 系統(tǒng)原理與設計

系統(tǒng)框圖如圖2。硬件部分包含主控芯片STM32F429ZGT6；2 片ADN8810 輸出2 路0～300 mA 可控電流工作于有源區(qū)和SOA 區(qū)實現(xiàn)激光的產(chǎn)生和光功率放大；8 片AD9744 輸出8 路0～20 mA 高速可控電流工作于公共相位區(qū)和7 個臂相位區(qū)實現(xiàn)波長調(diào)諧［15］。使用數(shù)字比例-積分-微分（Proportion-Integration-Differentiation，P-I-D）算法進行溫度控制；波長鎖定部分，提出了獨特的反射峰鎖定技術進行波長偏差補償。通過上位機軟件進行主機與控制模塊之間的交互。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram

2.1 溫度控制原理分析

調(diào)諧激光器對于溫度非常敏感，芯片溫度的波動會直接導致波長的漂移，進而影響通信質(zhì)量。溫度控制系統(tǒng)框圖如圖3。

圖3 溫度控制系統(tǒng)Fig.3 Temperature control system

溫度控制的原理可以分為4 塊：溫度檢測，誤差放大，P-I-D 計算，輸出電流。

溫控系統(tǒng)使用了2 個運算放大器（Operational Amplifier，OPA）。首先利用OPA1 進行溫敏電阻值檢測，將當前溫度轉(zhuǎn)化成電壓信號Tc；其次利用差分放大器OPA2，將當前溫度Tc與設定溫度Ts進行誤差放大；然后將誤差電壓Te輸入至P-I-D 環(huán)路由式（1）計算出用于制冷電流的補償值Σ，最后由Σ控制制冷電流的大?。?6-17］。

通過優(yōu)化KP、KI、KD參數(shù)，可以實現(xiàn)激光器芯片溫度與設定溫度的偏差小于±10 mK。

2.2 波長鎖定原理分析

用于WDM 系統(tǒng)的調(diào)諧激光器，需要波長嚴格穩(wěn)定。在MCI-WTL 的封裝中加入了波長鎖定器，包括F-P 標準具和2 路光電探測器。通過分析F-P 標準具原理可推得其透射率表達式

式中，ν為實時的光信號頻率，νITU為標準ITU 通道頻率，也是鎖定點頻率，ΔνITU是標準ITU 通道間隔，為?ITU通道匹配相位，K是濾波器的精細度［18］。

通過F-P 標準具的光為透射光（Transmission Light），由探測器接收后的光電流It的頻域特性如圖4（a），是隨光頻率變化的周期性曲線，頻率周期就是譜線的自由譜寬（FSR）。It經(jīng)跨阻放大器（Trans-Impedance Amplifier，TIA）后得到透射光電壓信號Vt。

圖4 波長鎖定系統(tǒng)頻域特性Fig.4 Frequency domain characteristics of wavelength locking system

被F-P 標準具反射的光稱為反射光（Reflected Light），由探測器接收后的光電流為Ir，Ir的頻域特性與It互補，Ir經(jīng)TIA 后得到反射光電壓信號Vr。

定義參數(shù)S為

S 的頻域特性如圖4（b）。

該F-P 標準具是根據(jù)ITU-T 通道標準設計，通道間隔為50 GHz。透射光電流與反射光電流強度相等，即S參數(shù)為0 時的頻率點為標準波長的鎖定點，通過實時計算S參數(shù)的值即可檢測波長偏差。波長鎖定系統(tǒng)框圖如圖5。

圖5 波長鎖定系統(tǒng)Fig.5 Wavelength locking system

輸出光經(jīng)過分光器將小部分光作為反饋信號送入波長鎖定器，剩余大部分光通過光纖耦合出射。It和Ir分別為透射光電流和反射光電流，經(jīng)TIA 變?yōu)殡妷盒盘朧t和Vr，由微處理器片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）采樣并計算S參數(shù)。將S參數(shù)通過圖4（b）的頻域特性計算得到當前的波長漂移情況，然后先調(diào)整公共相位區(qū)的電流Icp實現(xiàn)波長的拉回，后調(diào)整7 路臂相位區(qū)的電流實現(xiàn)激光器反射峰的鎖定。反射峰鎖定是MCI-WTL 在波長鎖定中的獨特技術。反射峰鎖定技術的算法框圖如圖6。

圖6 反射峰鎖定技術算法流程Fig.6 Flow of reflection peak locking technology algorithm

反射峰鎖定技術如下：在波長切換完畢時，此時波長為標準波長，此時反射峰的位置為初始標準位置，由7 路臂相位區(qū)的初始電流Ij（j=1，…，7）決定。以第j 臂的初始電流Ij為掃描中心Ij0，以控制該臂相位區(qū)的DAC 的分辨率為步進，依次增大和減小10 次電流的輸出，掃描完畢后還原至初始電流值Ij0，可以得到21 個電流值Ijk（k=-10，…，10）與對應輸出光功率值Pjk的映射表，光功率由波鎖系統(tǒng)中探測器的輸出電流表示，將映射表作二次擬合可以得到各個臂區(qū)電流與光功率的拋物線關系

存儲7 條拋物線的系數(shù)Aj，Bj，Cj值，對拋物線求導，可以得到21 個電流值與對應輸出光功率變化率ΔPjk的映射表——初始斜率表。在完成公共相位區(qū)電流調(diào)整后，重復上述操作可以得到當前斜率表ΔP'jk，并得到斜率差絕對值|ΔPjk-ΔP'jk|，找到斜率差絕對值最小時對應的Ijk，依次將7 臂的電流更新為Ijk即可完成反射峰的鎖定。在實測中增加反射峰鎖定比僅靠調(diào)整公共相位區(qū)可以得到更大波長鎖定范圍。

3 系統(tǒng)測試與分析

3.1 測試環(huán)境搭建

控制PCB 板經(jīng)由FPC 柔性板與TOSA 封裝的MCI-WTL 連接。電路部分通過RS232 轉(zhuǎn)USB 線連接至PC，直流電源提供+5 V 供電；輸出光先經(jīng)過10∶90 的耦合器進行分束，90%的光進入光功率計，10%的光再經(jīng)過50∶50 的耦合器分別接入到光譜儀和波長計中，所有測量儀器通過GPIB 總線連接至PC。測試系統(tǒng)如圖7。

圖7 系統(tǒng)測試Fig.7 System test

3.2 測試結果

對TOSA 封裝的MCI-WTL 有源區(qū)注入100 mA 電流，SOA 區(qū)注入300 mA 電流。以下的測試均在此條件下進行。

3.2.1 調(diào)諧范圍、波長精度、邊模抑制比和功率測試

通過對MCI-WTL 激光器進行標定，得到雙溫度（25℃/45℃）下大于48 nm 的調(diào)諧范圍，邊模抑制比（Side-Mode Suppression Ratio，SMSR）大于45 dB，波長偏差與ITU-T 標準波長偏差小于±10 pm，在整個調(diào)諧范圍內(nèi)的輸出功率最大可達51 mW。測試結果如圖8。

圖8 MCI-WTL 調(diào)諧范圍、波長精度、SMSR 和功率測試結果Fig.8 Tuning range，wavelength accuracy，SMSR and output power test results of MCI-WTL

3.2.2 波長鎖定系統(tǒng)測試

通過改變激光器芯片的溫度使其輸出波長產(chǎn)生漂移，以此來模擬激光器在工作中由于多種原因?qū)е碌牟ㄩL漂移。對比開啟波長鎖定系統(tǒng)與不開啟波長鎖定系統(tǒng)時激光器輸出波長的變化情況。

結果如圖9（a）所示，將MCI-WTL 在20℃下進行波長標定，然后在17.5℃～22.5℃之間以0.1℃為間隔改變激光器的工作溫度，測試不同溫度下的實際輸出波長?？梢姡诓婚_啟波長鎖定系統(tǒng)時，激光器輸出波長會隨溫度正相關變化，波長漂移大約0.1 nm/℃；而當開啟波長鎖定系統(tǒng)時，改變芯片溫度，激光器輸出波長穩(wěn)定在標定波長，幾乎不發(fā)生漂移。圖9（b）為在開啟波長鎖定系統(tǒng)時，不同溫度下的實際輸出波長與標定波長的偏差情況，波長偏差小于10 pm。

圖9 波長鎖定系統(tǒng)測試結果Fig.9 Test results of wavelength locking system

在波長鎖定測試中加入光電探測器實時讀取激光器輸出功率的變化情況，得到激光器在檢測到波長發(fā)生漂移到完成一次波長鎖定過程中功率變化。包括在20.0℃時，波長未發(fā)生漂移下的功率采樣；在降溫區(qū)間中選取的19.2℃時波長發(fā)生藍移后開啟鎖定過程中的功率采樣；在升溫區(qū)間中選取的21.7℃時波長發(fā)生紅移后開啟鎖定過程中的功率采樣。測試結果如圖10。

圖10 波長鎖定過程中的功率變化測試結果Fig.10 Test results of power changes during wavelength locking

在19.2℃、20.0℃、21.7℃這3 個測試點上，激光器輸出功率相對平均功率的最大變化率分別為0.29%、0.21%、0.32%。可見，20℃時模塊未開啟波長鎖定，功率波動最?。荒K開啟波長鎖定后的功率波動會相對增大，但是整體功率穩(wěn)定。

3.2.3 線寬測試

MCI-WTL 激光器線寬測試系統(tǒng)框圖如圖11。

圖11 線寬測試系統(tǒng)Fig.11 Test system of line width

MCI-WTL 的線寬使用基于延時自零差法的相干接收系統(tǒng)測量，測試方案如圖11。激光器的輸出光首先經(jīng)過光衰減器，再通過50∶50 耦合器一分為二，一路接入偏振控制器，另一路通過20 km 單模光纖延遲后接入偏振控制器。兩路光信號分別進入相干光接收機，通過內(nèi)部的90 度正交混合器使得兩束光發(fā)生干涉，由探測器將干涉后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，獲得差分相位噪聲的同相分量和正交分量，經(jīng)過實時高速示波器采樣后對數(shù)據(jù)進行離線數(shù)字信號處理。

FM 噪聲譜被定義為瞬時頻率的功率譜，瞬時頻率的功率譜可以通過對相位噪聲的微分得到。待測激光器的FM 噪聲譜主要由1/f噪聲、白噪聲和環(huán)境噪聲三部分組成。環(huán)境噪聲和1/f噪聲一般在100 MHz 以下，通過濾波電路可以消除環(huán)境噪聲；而白噪聲大致對應于100 MHz～400 MHz 頻率范圍內(nèi)的頻率噪聲，對應于洛倫茲線寬。從FM 噪聲譜線的白噪聲區(qū)域可以計算得到洛倫茲線寬值。測試結果如圖12，可知在整個調(diào)諧范圍內(nèi)洛倫茲線寬小于100 kHz，滿足400 G 高速相干光通信的要求，展現(xiàn)出了該激光器在相干光通信領域的應用潛力。

圖12 MCI-WTL 線寬測試結果Fig.12 Line width test result of MCI-WTL

3.2.4 高低溫測試

為了驗證模塊的可靠性，提高測試溫度，測試環(huán)境為高低溫試驗箱。記錄了9 個波長在-5℃、25℃、50℃和60℃這4 個溫度下的波長、功率以及SMSR 的變化情況。模塊高低溫測試結果如圖13。圖13（a）為波長鎖定功能關閉時的測試結果，主要為測試TOSA 內(nèi)的溫控在環(huán)境溫度變化時的控溫能力。由圖可以看出，當環(huán)境溫度從-5℃增加到60℃時，波長變化大約0.07 nm，反應到溫度上大約是0.7℃。雖然原則上TEC 的溫控精度可以到0.01℃，但實際激光器芯片溫度受到熱敏電阻位置的影響，芯片封裝內(nèi)存在溫度分布，溫敏電阻無法精確反映激光器芯片的溫度，實際激光器芯片的溫度略高于溫控系統(tǒng)所測量到的溫度。由圖9（a）的波長鎖定結果可知，波長鎖定的范圍遠大于這個溫度變化范圍。

圖13 模塊高低溫測試結果Fig.13 High and low temperature test results of module

4 結論

本文設計了一套針對MCI-WTL 高精度電流注入、溫度控制、波長鎖定等問題的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F429ZGT6 為微控制器，使用AD9744 和ADN8810 電流型DAC，輸出10 路高精度可控電流；設計溫度控制電路和波長鎖定電路，保證激光器輸出波長的穩(wěn)定。使用LabView 制作上位機界面，可以實時切換激光器輸出波長，調(diào)整輸出光功率。將MCI-WTL 激光器的整套控制方案集成單板，推進商用。在單板集成的控制電路下，激光器可以實現(xiàn)大于48 nm 的調(diào)諧范圍，邊模抑制比大于45 dB，波長偏差小于±10 pm，輸出光功率最大可達51 mW，洛倫茲線寬小于100 kHz，展現(xiàn)出了MCI-WTL 的良好性能以及在相干光通信領域的卓越潛力。