ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА С ДИНАМИЧЕСКИ СТАБИЛИЗИРУЕМОЙ РЕЛАКСИРУЮЩЕЙ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ И СПОСОБ ЕЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
DYNAMICALLY STABILISED RELAXING WAVELENGTH LASER SYSTEM AND OPERATION METHOD THEREOF

Область техники
Изобретение относится к системам, основанным на интеграции микроэлектроники и фотоники. Более конкретно, изобретение связано с методом и системой динамически подстраиваемой релаксирующей длины волны лазера.
Предшествующий уровень техники
Лазеры, основанные на микроэлектронных технологиях, такие как полупроводниковые лазерные диоды, нашли широкое применение в различных областях промышленности, в частности в телекоммуникации. Высокая эффективность, компактность, долговременная стабильность, значительная мощность, управление мощностью инжекционным током и модуляция выходной оптической мощности тем же током являются хорошо известными преимуществами этого типа лазеров, открывают широкие возможности при их использовании. Одной из наиболее потребляющей областью промышленности, нуждающейся в лазерных источниках, является волоконно-оптическая связь с уплотнением каналов (DWDM-связь), англ. Wavelength-division multiplexing, WDM, буквально мультиплексирование с разделением по длине волны) - технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.
DWDM-связь использует все большее и большее число каналов, передаваемых по одному оптоволокну, и каждый канал имеет свою характерную частоту. Поэтому количество лазерных источников растет, и возрастают требования к стабильности выходного излучения каждого лазерного источника, т.е. к точности подстройки длины волны (частоты). Другими словами, каждый лазер должен работать на одной стабильной длине волны.
Обычно для перестройки и стабилизации длины волны лазера используют температуру, т.к. именно температура оказывает основное возмущение на стабильность частоты полупроводникового лазера. Температура вызывает тепловые механические деформации элементов микроэлектронного излучателя и является основным инструментом воздействия на него. Температуру излучателя можно изменить двумя способами: либо внешним нагревателем, либо пропустив ток постоянный или переменный (разной частоты) через лазерный переход. Температурная перестройка длины волны излучения составляет величину порядка 0,1 нм/К. Это обстоятельство предопределило конструкцию лазерного модуля. Он имеет охлаждаемый/нагреваемый пъедестал - термоэлемент Пельтье - тепловой насос, на котором смонтированы элементы микро-оптики, в том числе чип лазера и термодатчик. Между ними всегда существует градиент температуры. Такой способ управления температурой лазерного перехода, который сам является активным источником тепла, не может привести к ее полной стабилизации. К тому же на длину волны излучения лазера влияет и ток накачки. Разность температуры между термодатчиком и областью полупроводника, генерирующего лазерное излучение, может достигать несколько десятых градуса, а это приводит к погрешности в несколько сотых нанометра. Одного датчика температуры не достаточно для более точного задания длины волны, в таком случае необходима стабилизация самой частоты. Для этого нужен датчик частоты, подобно датчику температуры, и обратная связь для минимизации отклонения измеренной частоты от заданного значения.
В патенте JP1988/6355991, AKIYAMA КОЛ, ОТЕ AKIRA; WAVELEMGTH STABILIZER OF SEMICONDUCTOR LASER, используют систему стабилизации длины волны полупроводникового лазера путем ответвления из волокна ответвителем части выходного излучения и пропускания его через волокно в акустооптический модулятор и газовую ячейку с Cs, который поглощает частотно-модулированный ультразвуком сигнал и после синхронного детектирования сигнала с помощью усилителя на фотоприемнике формируют управляющий сигнал терморегулятора, включенного в обратную связь нагревателя на основе элемента Пельтье с датчиком температуры, чем и удерживается частота лазера вблизи максимума линии поглощения Cs. Использование такого решения в телекоммуникации проблематично ввиду применения дорогого акусто-оптического модулятора и дополнительной аппаратуры для его применения, что удорожает систему лазерного передатчика. Фиг.1, US 006058131A, WAVELENGTH STABILIZATION OF LASER SOURCE USING FIBER BRAGG GRATING FEEDBACK, иллюстрирует другую известную конфигурацию системы стабилизации длины волны лазера с применением обратной связи на основе двух брэгговских решеток. При ее работе длина волны лазерного диода (10) с оптическим изолятором (11) удерживается между двумя длинами волн, каждая из которых отвечает максимуму отражения одной из двух волоконных брэгговских решеток: первая (17) и вторая (18) подключены к лазерному излучению через ответвители (13, 14). Такое решение проблемы не позволяет достичь пригодного в телекоммуникации постоянства длины волны излучения лазера и определяется ширинами брэгговских решеток и их общей нестабильностью, вибронеустойчивостью.
Поэтому существует потребность в лазерной системе с более простой и эффективной схемой стабилизации длины волны.
Описание изобретения
В настоящем изобретении предлагается более простое техническое решение. Сам термостатированный полупроводниковый лазерный модуль выступает в роли непосредственного модулятора мощности излучения лазера посредством прямой модуляции током инжекции, а внешний фотоприемник регистрирует взаимодействие части лазерного излучения с поглощающей средой в динамическом процессе, при смене уровней мощности излучения, что сопровождается релаксацией частоты (длины волны лазера). При этом переходная характеристика фототока из-за релаксирующей длины волны содержит информацию о степени поглощения в окрестности линии поглощения среды, что позволяет контролировать условия работы лазера и длину волны его выходного излучения.
Таким образом, целью изобретения является - за счет усовершенствования методологии - предложить:
1. Новую лазерную систему с динамически подстраиваемой релаксирующей длиной волны лазера без использования внешнего модулятора, без выделения второй гармоники, ограничиться только лишь лазерным источником с прямой модуляцией током накачки, приемником излучения и средой с пиком спектральной линии. Микроконтроллер должен выступать в качестве управляющего устройства, следящим за всем процессом подстройки частоты по крутизне релаксационного участка фототока в окрестности пика спектральной линии.
2. Новый способ функционирования указанной лазерной системы, позволяющий осуществлять передачу данных с подстройкой длины волны в процессе ее релаксации в привязке к пику известной спектральной лини некоторой оптической среды.
На Фиг.2 изображена блок-схема устройства, реализующая способ динамической подстроки длины волны лазера (100). Лазерный диод (101) находится в тепловом контакте с тепловым насосом, нагревателем/охладителем (131), работающем на эффекте Пельтье, и датчиком температуры (121). Ток накачки лазера и температура задаются драйверами тока (102) и температуры (103), управляемые микроконтроллером (106) посредством цифро-аналоговых преобразователей (107) и (108), соответственно. Часть излучения лазера из оптического волокна (1), после ответвителя (3) по волокну (2) проходит в эталон (104) спектральной линии, близкой к длине волны лазера - емкость с химическим веществом или оптическое волокно, содержащее решетку Брэгга. С выхода эталона излучение попадает на вход фотодиода (115) фотоприемника (105), сигнал фототока усиливается на усилителе (125) и поступает на вход аналогового конвертера (109) микроконтроллера (106). Микроконтроллер периодически переключает ток накачки лазерного диода с одного постоянного уровня на другой и регистрирует сигнал фототока, и подстройкой тока или температуры лазерного диода обеспечивает постоянство формы релаксации сигнала фототока. Тем самым обеспечивается подстройка по эталону.
Фиг.3 показывает характер релаксации фототока фотоприемника для лазерного излучения с длиной волны в области линии поглощения эталона.
Вид (20) качественно показывает, как изменяется длина волны лазера при периодическом (в виде меандра) переключении постоянного уровня тока (мощности излучения) в моменты времени (1, 2), (3, 4), (5, 6), (7, 8). Если бы инерционность установления температуры отсутствовала, то длина волны лазера переключалась бы резко (пунктирная линия, вид (20)). Однако это не так, и температура, а значит и длина волны, устанавливаются плавно, по экспоненте. Вид (30) соответствует спектральной линии эталона в координатах: мощность излучения на входе фотоприемника (или фототок) как функция длины волны излучения. Вид (40) показывает результат взаимодействия излучения эталоном. Пунктирная линия отвечает полному отсутствию поглощения, так, если бы эталона не было вовсе. Релаксация фототока на участках (41) и (42) возникает при взаимодействии излучения с эталоном. Микроконтроллер изменяет температуру или средний ток накачки так, чтобы обеспечить воспроизводимость (повторяемость) формы релаксации фототока в каждом импульсе. Для этого может быть проинтегрирована поглощенная мощность, или еще лучше, поскольку не содержит констант интегрирования, продифференцирована область края релаксации (41). Нулевое значение производной соответствует условию, когда длина волны лазера достигает (в случае Фиг.3, возрастает) максимума спектральной линии эталона. Таким образом, путем дифференцирования релаксационного участка на краю перед переключением тока накачки микроконтроллер вычисляет отклонение (ошибку) от нуля и минимизирует ее, подстраивает средний ток или температуру лазера, обеспечивая линейную отрицательную обратную связь по току или температуре, т.е. по длине волны лазерного излучения.
На Фиг.4 изображена блок-схема передатчика оптической линии связи (200) по волокну (1), использующего динамическую стабилизацию длины волны лазера, описанную выше. Лазерный диод (211) находится в тепловом контакте с тепловым насосом, нагревателем/охладителем (213), работающем на эффекте Пельтье, и датчиком температуры (212). Ток накачки лазера и температура задаются драйверами тока (202) и температуры (203), управляемые микроконтроллером посредством цифро-аналоговых преобразователей (207) и (208), соответственно. Часть выходного излучения лазера из оптического волокна (1), после ответвителя (3) по волокну (2) проходит через эталон (204) - емкость с химическим веществом (например, метаном или ацетиленом), в спектре поглощения которых имеется линия близкая к длине волны лазера. Эталонной средой может служить и участок оптического волокна, содержащий волоконную решетку Брегга. После эталона излучение попадает на вход фотодиода (215) фотоприемника (205), сигнал фототока усиливается на усилителе (225) и поступает на вход аналогового конвертера (209) микроконтроллера (206). Микроконтроллер периодически переключает ток накачки лазерного диода с одного постоянного уровня на другой и регистрирует сигнал фототока, и подстройкой тока или температуры лазерного диода обеспечивает постоянство релаксирующей длины волны по форме релаксации сигнала фототока. Тем самым обеспечивается подстройка лазерного излучения к пику спектральной линии эталона. Модуляция оптического излучения при передаче данных может осуществляться как прямой модуляцией тока накачки лазерного диода, так и оптическим модулятором (210).
На Фиг.5 показан способ передачи данных в линии связи, когда в передатчике используется динамическая стабилизация длины волны лазерного излучения. В промежутках между передачей данных осуществляется подстройка длины волны лазера по описанному выше способу.
Таким образом, предлагается
1. Согласно первому аспекту изобретения предлагается:
Лазерная система (Фиг.2), включающая:
Лазер (111), излучающий последовательность световых импульсов с релаксирующей длиной волны, изменяющейся в диапазоне в соответствии с управляемыми условиями работы лазера (например, полупроводниковый лазер, смонтированный вместе с датчиком температуры (121) на элементе Пельтье (131) - выступающего в роли теплового насоса);
селективный фильтрующий элемент (104), взаимодействующий со световыми импульсами так, чтобы выводить соответствующие световые сигналы, и имеющий пик спектральной линии в пределах диапазона релаксации длины волны;
оптоэлектронный элемент (105) для преобразования каждого светового сигнала в сигнал фототока, имеющего релаксирующую компоненту, которая обусловлена взаимодействием импульса света с оптоэлектронным преобразователем в окрестности пика спектральной линии; и
контроллер (106), принимающий сигналы фототока и обеспечивающий генерацию управляемых импульсов, которые воздействуют на условия работы лазера до тех пор, пока релаксирующие компоненты соответствующих световых сигналов не станут одинаковыми, что указывает на стабилизацию релаксации длины волны.
Контроллер обеспечивает на выходе множество последовательных чередующихся высоких и низких уровней управляемого электрического сигнала.
Контроллер обеспечивает хранение одной из множества релаксационных компонент как эталонной величины и сравнение с ней соответствующих параметров каждой последующей релаксационной компоненты.
Первый волновод (1), принимающий световые импульсы от лазера, ответвитель (3), оптически примыкаемый к первому волноводу, ответвляющий часть каждого светового импульса, и второй волновод (2), принимающий и доставляющий часть светового импульса к селективному фильтрующему элементу (104), который выводит световой сигнал.
Оптоэлектронный элемент (105) включает:
Фотоприемник (115) для приема и преобразования выходных световых сигналов фильтрующего элемента в соответствующие сигналы фототока, и
усилитель (125) для усиления фототока и обеспечения обратной связи с контроллером по каждому сигналу фототока, когда контроллер генерирует последовательность фиксированных уровней управляющего электрического сигнала, уровни отличаются друг от друга в зависимости от результата сравнения параметров соответствующего эталонного значения и компонент последовательности так, чтобы изменять условия работы лазера (температуру, ток инжекции).
Селективный фильтрующий элемент (104) с характерной длиной волны является газовой, жидкой, твердой, химической средой или волоконной решеткой Брэгга, волноводы каждой из указанных сред выполнены в виде оптоволокна или объемной оптики.
Контроллер содержит аналого-цифровой преобразователь (109) для оцифровки усиленного сигнала фототока и множество (по меньшей мере два) цифроаналоговых преобразователей (107, 108), селективно принимающие выходные электрические сигналы, изменяющие условия работы лазера после сравнения эталонной величины и каждой релаксационной компоненты.
Устройство инжекционного тока (102), работающее на прием фиксированных периодических уровней управляющего электрического сигнала от одного из цифро-аналоговых преобразователей и предназначенное для переключения сигнала тока инжекции так, чтобы формировать сигналы тока инжекции разных амплитуд, в соответствии с фиксированными уровнями управляющих сигналов, каждый уровень задает непосредственно ток лазера, и
термостатируемый тепловой насос (131), работающий в контакте с лазером (111), и драйвер теплового насоса для управления тепловым насосом с помощью управляющего электрического сигнала от другого цифро-аналогового преобразователя так, чтобы изменялась температура работающего лазера, когда условия работы лазера обусловлены инжекционным током и температурой.
Контроллер используют для вычисления и поддержания в минимуме дифференциальной величины каждой релаксационной компоненты в конце участка релаксации перед переключением фиксированных уровней управляющего сигнала, минимальная дифференциальная величина должна быть вблизи нуля (Фиг.3).
Контроллер используют для вычисления интегральной величины каждой релаксационной компоненты.
Контроллер используют для вычисления и поддержания максимальной амплитуды релаксационной компоненты, которая определяется как разность между краями релаксационной компоненты.
Лазер используют для получения периодов последовательности передачи данных чередующихся с периодами стабилизации релаксирующей длины волны, лазерное излучение в течение передачи данных модулируют непосредственно прямой модуляцией током инжекции или внешним оптическим модулятором (Фиг.5).
2. Согласно второму аспекту изобретения предлагается (Фиг.4):
Способ функционирования лазерной системы (200), излучающей световые импульсы с релаксирующей длиной волны, изменяющейся в диапазоне в соответствии с управляемыми условиями работы лазера (201), включающий:
отведение световых импульсов в среду фильтрующего элемента (204), имеющую пик спектральной лини в диапазоне релаксирующей длины волны, где световые импульсы и среда взаимодействуют друг с другом в окрестности спектральной линии;
преобразование импульсов света на выходе из среды селективного фильтрующего элемента в соответствующие электрические сигналы, каждый из которых имеет релаксирующую компоненту; и
последующую обработку релаксирующих компонент так, чтобы генерировать управляющий сигнал, обуславливающий условия работы лазера до тех пор, пока релаксирующие компоненты не станут одинаковыми.
Генерация управляющего сигнала включает вывод управляющего сигнала в виде последовательности фиксированных периодических уровней, обуславливающих условия работы лазера, которые включают условия инжекции тока и окружающую температуру.
Обработка релаксирующих компонент включает хранение параметров одной из релаксирующих компонент как эталонной кривой и сравнение параметров каждой последующей измеренной релаксирующей компоненты с эталонной кривой.
Сравнивают эталонную величину с каждой последующей релаксирующей компонентой, включая интегрирование каждой кривой до или после пика спектральной линии и сравнение проинтегрированной кривой с интегральной величиной эталонной кривой.
Сравнение между эталонной и каждой последующей релаксирующей компоненты включает измерение и сравнение:
либо максимума потерь каждого светового импульса, прошедшего через селективную фильтрующую среду, сопоставлением эталонной величины и каждой последующей измеренной релаксирующей компоненты,
либо минимума потерь каждого светового импульса, отраженного от селективной фильтрующей среды, сопоставлением эталонной величины и каждой последующей измеренной релаксирующей компоненты.
Обработка в программной среде контроллера включает вычисление и поддержание в минимуме дифференциальной величины каждой релаксирующей компоненты в конце участка релаксации перед переключением фиксированных уровней управляющего сигнала, минимальная дифференциальная величина должна быть вблизи нуля.
Осуществляется последующее преобразование света на выходе селективного фильтрующей среды (204) в электрический сигнал, прием фотодиодом (215) и усиление усилителем (225) этого электрического сигнала, где селективная фильтрующая среда выбирается из ряда, включающего: газообразную, жидкую, твердотельную, химическую среду, высокоотражающую оптоволоконную брэгговскую решетку и слабоотражающую оптоволоконную брэгговскую решетку, и их комбинации, каждый волновод выполняется в виде оптоволокна или объемной оптики.
Обеспечивают последовательную передачу данных. Подстройка длины волны осуществляется в промежутке между сеансами передачи данных согласно Фиг.5.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания сути изобретения служат следующие фигуры 1-6.
Фиг.1. Блок-схема устройства согласно патенту US 2000/6058131 А.
10 - лазерный диод,
11 - изолятор,
12 - выходное волокно,
13, 14 - ответвители,
15, 16 - волокна с брэгговскими решетками 17, 18,
21,22 - фотодиоды,
20 - сравнивающее устройство.
Фиг.2. Блок-схема лазерной системы с динамически стабилизируемой релаксирующей длиной волны.
100 - общий вид,
1 - выходное волокно,
2 - ответвленное волокно,
3 - ответвитель,
101 - модуль лазерного диода,
102 - драйвер тока (устройство управления током),
103 - драйвер температуры (устройство управления температурой),
104 - поглощающая среда,
105 - фотоприемник,
106 - микроконтроллер,
107, 108 - цифроаналоговые преобразователи,
109 - аналого-цифровой преобразователь,
111 - лазерный диод,
115 - фотодиод,
121 - термодатчик,
125 - усилитель фототока,
131 - тепловой насос на основе элемента Пельтье.
Фиг.3. Релаксация фототока фотоприемника в области линии поглощения.
Фиг.4. Блок-схема передающей лазерной системы с подстройкой длины волны лазера.
200 - общий вид,
1 - выходное волокно,
2 - ответвленное волокно,
3 - ответвитель,
201 - модуль лазерного диода,
202 - драйвер тока (устройство управления током),
203 - драйвер температуры (устройство управления температурой),
204 - брэгговская решетка,
205 - фотоприемник,
206 - микроконтроллер,
207, 208 - цифроаналоговые преобразователи,
209 - аналого-цифровой преобразователь,
211 - лазерный диод,
212 - термодатчик,
113 - тепловой насос на основе элемента Пельтье.
215 - фотодиод,
125 - усилитель фототока.
Фиг.5. Модуляция тока инжекции лазера при передаче данных в линию связи.
Фиг.6. Релаксирующий фототек приемника с включенной подстройкой длины волны 1648,23 нм.
Осуществление изобретения
0
Данное изобретение может быть осуществлено, например, с использованием лазерного диода OKI-OL6109L-10B с длиной волны в окрестности лини поглощения метана f=1648,23 нм, заполняющего эталонную газовую ячейку, через которую проходит часть лазерного излучения в соответствии с Фиг.2. Устройство микроконтроллера должно иметь ряд аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, например, фирмы SILICON LABORATORIES серии C8051F06x. Микроконтроллер принимает на входе аналого-цифрового преобразователя электрический усиленный сигнал фототока, осуществляет цифровую фильтрацию, дифференцирование, необходимые вычисления и сравнения с данными, хранящимися в его памяти, с помощью двух цифро-аналоговых преобразователей управляет драйверами тока инжекции лазерного диода и его температурой, задаваемой элементом Пельтье по измеренной величине датчиком температуры, встроенными в модуль лазерного диода. Для управления температурой и током лазерного диода используют стандартные устройства - драйверы тока и температуры: пропорционально - интегрально - дифференциальные (ПИД)- регуляторы.
Оптоэлектонные преобразователи выполняют на основе фотоприемников, например серии ЕРМ6хх (JDSU), следуя рекомендациям производителя.
0
0
Фиг.6 представляет реальную зависимость фототока фотоприемника во времени в оптической системе с динамической стабилизацией длины волны лазерного диода OKI-OL6109L-10B. Эталон содержал метан с длиной волны линии поглощения f=1648,23 нм. Динамическая стабилизация длины волны излучения лазера при включенной системе подстройки: f±0.0001 нм.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение может быть эффективно применено в различных областях науки и техники, в частности в телекоммуникации и спектроскопии.