專利名稱：用于多通道光子集成電路(pic)的波長鎖定和功率控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及與多重WDM信號通道相關的波長鎖定和輸出功率控制系統(tǒng)，尤其涉 及在諸如具有多個集成信號通道且每一通道具有一已調(diào)制源的單片發(fā)射機光子集成電路 (TxPIC)芯片中等可找到的信號通道。
背景技術(shù)：
已知有多種用于控制激光器陣列——尤其是在光學傳輸網(wǎng)絡中使用的光學發(fā)射 機中采用的分立激光器或稱為EML——的波長的反饋環(huán)路系統(tǒng)。同樣，已有用來控制在此類 發(fā)射機中產(chǎn)生的已調(diào)制信號的輸出電平以使其功率電平跨信號通道生成器陣列一致的反 饋環(huán)路系統(tǒng)。在現(xiàn)有技術(shù)中該功率均衡也被稱作預加重。帶有集成多路復用器的單片TxPIC 的特性在于，從TxPIC顯現(xiàn)的光已經(jīng)復合了多個數(shù)據(jù)已調(diào)制的光學波長。盡管對于提高可 靠性和降低成本而言是有利的，然而此集成的多路復用功能對控制單個光學波長和通道平 均功率形成挑戰(zhàn)，因為必須要從TxPIC的輸出處的光學多路復用信號中提取出控制單個通 道功率和波長所需的信息。 需要的是這樣一種控制系統(tǒng)，它能在這樣的激光器陣列上——尤其是在帶有集成 光學多路復用器的發(fā)射機光子集成電路(TxPIC)中的集成激光器陣列或已調(diào)制源陣列上 并發(fā)地控制發(fā)射波長和功率。該控制系統(tǒng)可以有利地使用集成通道有源元件來協(xié)助實現(xiàn)此 發(fā)射波長和信號輸出功率控制。

發(fā)明內(nèi)容
本公開的通道波長和功率控制系統(tǒng)主要地提供三個功能 1、采用一共享波長基準，將多通道集成TxPIC的各個已調(diào)制源的波長鎖定至一標 準化的波長格柵； 2、防止在各種老化、重啟和通道故障情景中波長鎖定至不正確的基準值； 3、檢測和控制單片發(fā)射機光子集成電路(TxPIC)中多個已調(diào)制源各自的信號通
道功率。 本公開的一個重要特征是采用了一種PIC信號通道特異性置標或標記方案、以及 起到通道波長鎖定和通道功率控制雙重功能的方法。 同時，本公開的一個重要特征是在多通道發(fā)射機光子集成電路(TxPIC)的每一信 號通道中設置一可控的透射型有源通道元件的部署。藉由"透射型"，我們意指該元件對于 從已調(diào)制源傳播通過該元件的通道信號而言是透明的。該可控的透射型有源通道元件元件同時起到1)用已知調(diào)制深度和頻率的光學強度調(diào)制來標記每一信號通道以提供通道特征 性光學調(diào)制標簽的調(diào)制器，和2)用來調(diào)節(jié)每一TxPIC通道的輸出通道信號電平的功率控制 元件的作用。檢測一光學多路復用信號內(nèi)單個光學通道的屬性是通過檢測該通道的特征性 光學調(diào)制標簽的強度來達成的。用于通道波長和通道功率控制兩者的反饋環(huán)路提供對所有 片上信號通道的并行控制，即TxPIC上的每一PIC通道同時設有一已調(diào)制頻調(diào)標簽，并且這 些標簽在接收到來自該光學多路復用信號的復合信號的給定光測器的輸出中被同時檢測 出。多路復用信號中所有通道的并行信號處理對于集成PIC器件來說是非常重要的，因為 通道波長和功率的變化會立即影響相鄰信號通道的發(fā)射波長和功率。如果毗鄰通道已調(diào)制 源終止或消逝，則這種影響尤其顯著。毗鄰通道的熱耦合將對毗鄰通道的發(fā)射波長有迅速、 動態(tài)的影響。因而，反饋控制系統(tǒng)必須能快速響應，諸如在一毫秒內(nèi)?；趯χ糜谒行盘?通道上的頻調(diào)標簽的同時解調(diào)的并行信號處理使得能在這個耦合的多通道系統(tǒng)中實現(xiàn)通 道波長和功率的快速控制。 在該多通道集成TxPIC中，每一信號通道包括一數(shù)據(jù)已調(diào)制源，其定義為直接已 調(diào)制激光器或帶有外置調(diào)制器的一連續(xù)波工作激光器。每一通道的透射型有源元件可以 是，例如波導PIN區(qū)，其透射率可根據(jù)反偏電壓(改變PIN的吸收)或正偏電流(改變PIN 的增益)而變化。PIN區(qū)是由p型和n型禁閉區(qū)界定的本征區(qū)域。出于說明的目的，該波 導PIN區(qū)在下文中被稱作"前置PIN"。然而，本領域技術(shù)人員可以容易地知道，該透射型有 源元件也可以是另一種通道透射型有源元件，其具體實例稍后將在本公開中提供。每一通 道進一步包含一后置光測器(PD)，其目的是基本上吸收由通道激光源的后端發(fā)出的所有的 光。在制造時，該后置PD用于測量與每一通道激光器的壽命開始階段(B0L)輸出功率、以及 模擬每一通道激光器的壽命末尾階段(E0L)輸出功率相關的光電流。在整個壽命過程中， 激光器前向輸出功率與后向輸出功率的比率基本上是恒常的。因而，后置PD光電流的讀 數(shù)是從TxPIC上各通道激光器中的每一個輸出的前向光內(nèi)功率的相當良好的指標。模擬的 EOL功率是基于對激光器在整個壽命過程中的退化的估計來選擇的，該退化通常比其BOL 功率輸出低幾個dB，例如在整個壽命過程中功率輸出退化在約1. 5dB至約3dB之間。對于 所選擇的兩個來自通道激光源的兩個光學輸出功率電平中的每一個，其因變于偏置狀態(tài)透 射過前置PIN的前向輸出功率被檢測出，以產(chǎn)生被稱作該通道的前置PIN的傳遞函數(shù)的兩 條曲線。壽命開始階段(B0L)的傳遞函數(shù)曲線表示在BOL激光器功率狀態(tài)下歸一化的透射 率相對于前置PIN反偏電壓的關系，其中后置PD電流的也是已知的。模擬末尾階段(E0L) 的傳遞函數(shù)曲線表示在模擬的E0L激光器功率狀態(tài)下歸一化透射率相對于前置PIN的反偏 電壓的關系，其中后置PD的電流也是已知的。在工作期間，使用下述的技術(shù)來估計與通道 激光源的輸出功率相關聯(lián)的歸一化傳遞函數(shù)。后置PD的電流被讀取，并且確定相對于已知 B0L和模擬E0L的值其值是多少。將檢測到的后置PD電流用作一內(nèi)插參數(shù)，執(zhí)行歸一化BOL 傳遞函數(shù)與EOL歸一化傳遞函數(shù)之間的線性內(nèi)插。然后該經(jīng)內(nèi)插的傳遞函數(shù)被用來確定怎 樣設置前置PIN的透射率才能達到合需的通道輸出功率值。在傳遞函數(shù)已知的情況下，可 設置一平均的合需透射率(使用適當?shù)钠骄迷O置)。還可通過為前置PIN的偏置選擇 適當?shù)腁C調(diào)制波形來引入已知調(diào)制深度和合需平均透射率的強度調(diào)制。這樣，就能每通道 使用單個透射型有源元件來以已知光學調(diào)制指數(shù)的強度調(diào)制標記光學通道同時又控制該 通道的平均功率。
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為標記光學多路復用信號內(nèi)的單個通道，可使用仔細選擇的強度調(diào)制波形方案。 一種此類標記方案使用方波，其基頻和相位關系被選擇為在一特定的積分時間區(qū)間上使不 同方波中的任何一對之積產(chǎn)生近似的數(shù)學正交性。在該方案中，通過對通道的前置PIN的 偏置輸入施加適當?shù)姆讲?頻調(diào)"來使每一通道被強度調(diào)制。在多路復用的信號中，方波頻 調(diào)的基頻對于其被指派的通道而言是唯一性的，并且基于通道的前置PIN的已校準傳遞函 數(shù)(透射率相對于偏置的關系)，使得光學調(diào)制深度成為可知且恒常的。所關注的多路復 用信號中的所有通道是被并行地強度調(diào)制的，其波形被同步以保持最優(yōu)的正交性。多路復 用信號中單個通道的屬性檢測包括使用該通道被指派的標記來解調(diào)檢測到的復合信號?？?慮把光學多路復用信號的分支部分作為其輸入的光測器的輸出。此光電流將包含與多路復 用信號中的每一通道的恒常光學調(diào)制指數(shù)強度調(diào)制標記相關聯(lián)的AC信號及其他。復合光 電流信號可被轉(zhuǎn)換成電壓，并由模數(shù)轉(zhuǎn)換器密集地采樣以使得能夠進行后續(xù)的數(shù)字信號處 理。為提取與一特定通道相關聯(lián)的信息，產(chǎn)生經(jīng)采樣的復合信號與該通道的選定并經(jīng)同步 的方波的乘積，并在一段時間上對其積分，該段時間被選擇成能在該多路復用信號中的不 同方波標記的通道間提供近似的正交性。這樣，該復合信號中那些對應于標記單個關注的 通道的方波的部分就通過數(shù)字信號處理被提取除了。由于所選定的方波有近似的數(shù)學正交 性，因此積分過程的輸出是主要由被測通道的頻調(diào)標記或置標的強度決定的單個數(shù)字?？?使得來自所有其他通道的互相關項小到足以被忽略。這一采樣接收的復合信號并將其在保 持正交性的積分區(qū)間上用于標記被測通道的頻調(diào)經(jīng)適當同步的版本積分的過程被稱為該 通道的標記或標簽的解調(diào)。通過將來自光測器的經(jīng)采樣的復合輸出信號提交給并行的積分 過程——在正交標記方案中是每個標記頻調(diào)一個積分過程，多路復用信號中的所有通道就 可以被并行地解調(diào)。對于單個通道，解調(diào)的結(jié)果是指示接收器處AC標記信號的大小的數(shù) 字。該AC標記信號與該通道的平均光學功率與該通道的光學調(diào)制指數(shù)的乘積成比例。如 果該通道的光學調(diào)制指數(shù)已知，那么可以容易地推導出平均光通道功率。此技術(shù)的優(yōu)勢在 于利用AC信號標記和AC信號處理來演繹多路復用信號內(nèi)的單個通道功率，而不需要通過 例如光學多路分離等將單個通道分離出來以允許單個DC光電流的檢測。所以，是對全部N 個通道并發(fā)地應用N個信號相關，同時地指示N個通道的每一信號通道中的平均功率，其 前提是在可能的標記波形中，每一通道的光學調(diào)制指數(shù)是已知的，采用方波調(diào)制是因為其 調(diào)制頻率可以仔細選擇以在積分區(qū)間上呈現(xiàn)接近零的互相關，而且該調(diào)制容易經(jīng)由數(shù)字開 關來實現(xiàn)，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來設置要向該通道有源元件施加的高電平V^h和低電平 、。w信號，并且FPGA以選定調(diào)制頻率在兩個電壓之間翻轉(zhuǎn)的數(shù)字輸出可以驅(qū)動模擬開關以 在TxPIC上每一信號通道的通道透射型有源元件上產(chǎn)生方波調(diào)制。然而，應當指出，如對 于本領域技術(shù)人員來說顯而易見的，用于通道有源元件調(diào)制的波形可以選擇成例如正弦曲 線。正弦波的正交性是非常公知的。 總之，TxPIC上每一通道的前置PIN用于兩個目的。第一，前置PIN起到該通道的 可控的衰減器或增益元件的作用。在給定了通道的目標輸出值和通道實際輸出功率的測量 的前提下，對該前置PIN的歸一化傳遞函數(shù)的適當校準提供了決定合需平均偏置狀態(tài)所需 的信息。第二，該前置PIN起到用強度調(diào)制標記或標簽來標記單個通道的調(diào)制器的作用，該 標記或標簽被選擇成滿足信號處理的要求，包括為每一通道建立和維護一巳知的光學調(diào)制 指數(shù)等。利用所選通道標記的正交性，可采用相關技術(shù)從與多路復用信號的檢測相關聯(lián)的
8復合光電流中提取出組成該多路復用信號的每一單個通道的平均光學功率。因此，針對多路復用信號中的單個光學通道的功率的控制系統(tǒng)可基于用一簡單光測器來檢測多路復用信號的分支小部分并執(zhí)行如上所述解調(diào)過程的操作、以及前置PIN的平均偏置和透射率之間經(jīng)校準的關系。在此控制系統(tǒng)的一個版本中，可使用一光學抽頭和光測器來路由從帶有集成多路復用器的單片TxPIC顯現(xiàn)的光學多路復用信號的一小部分。如上所述的光測器輸出的解調(diào)允許測量到達光測器的通道功率，并且向TxPIC各通道的單個前置PIN的反饋使得單個通道功率能被設置成合需的值。例如，可使各通道功率在光測器處全部近似相等。替換地，如果需要，可將不同的通道控制在不同的輸出功率設定點。 目前為止對解調(diào)過程的描述只解決TxPIC單個通道功率控制的問題。結(jié)合一適當形式的波長基準，該解調(diào)信號處理還可以用于控制TxPIC單個通道的通道波長。
將如上所述的通道標記和解調(diào)與對光學多路復用信號內(nèi)單個通道的平均光學功率的檢測結(jié)合使用可被如下地拓展到波長鎖定的應用上。可以制造諸如法布里-珀羅(Fabry-Perot)標準量具的設備，使得其自由譜范圍(毗鄰透射波峰之間的頻率間隔)被選擇為對應于合需的頻率間隔，諸如可與常規(guī)的ITU頻率格柵相結(jié)合。例如，法布里-珀羅標準量具的自由譜范圍可被選為50GHz。通過眾所周知的光學調(diào)準程序，法布里-珀羅標準量具的透射峰值可被排成使得與50GHz ITU頻率格柵相關聯(lián)的每一特定頻率與沿透射條紋一側(cè)并大致在其一半高度處的點相關聯(lián)。此調(diào)準程序的重要結(jié)果在于，對于一頻率接近ITU格柵頻率的光學載波，標準量具的透射取決于該光學載波頻率，即特定通道的透射功率
與入射功率之比取決于該通道的光學載波頻率和法布里_珀羅標準量具的相關聯(lián)條紋的局部斜率。簡言之，所以該法布里_珀羅標準量具可以提供對其合需設定點對應于透射條紋的傾斜側(cè)上的一點相對應的任意光學載波頻率的光學鑒頻功能。 對于單個光學通道，通過分開或分裂從TxPIC輸出的多路復用信號的分支部分并通過兩個不同的由光測器終接的光學路徑發(fā)送分裂的信號部分來開發(fā)出一種用于檢測光學載波頻率偏差的傳感器。 一條路徑(標準量具路徑)使來自該光學通道的準直光通過經(jīng)調(diào)準的法布里_珀羅標準量具，該量具提供鑒頻功能，從而透射的功率取決于光學載波頻率。另一條路徑(基準路徑)不包含光學鑒頻器元件并且只提供對該光學通道平均功率的測量。比較從這兩條路徑輸出的光電流允許相對于其在相關聯(lián)的法布里-珀羅標準量具透射條紋上的位置來測量該通道的光學載波頻率。例如，來自該標準量具光測器的光電流與來自基準光測器的光電流之比提供一種獨特的獨立于光通道功率的光學載波頻率測量。在現(xiàn)有技術(shù)中，諸如可從JDSU公司購得的寬帶法布里-珀羅波長鎖定器等商用設備是眾所周知的。 至此已經(jīng)用檢測到的DC光電流的形式對法布里-珀羅波長鎖定器(或其等效物)提供單個光學通道的光學載波頻率測量的應用進行了描述。如果一包含N個多信號通道的光學多路復用信號被路由至這樣的法布里_珀羅波長鎖定器，則DC光電流將不能再用來提供關于通道光學載波頻率的有用信息。然而，如果如前面所述光學多路復用信號的單個通道由強度調(diào)制波形標記，并且如果標準量具和基準光測器的輸出被并行地采樣并解調(diào)，則仍然可從標準量具和基準光測器的復合光電流推導出有用信息。對一給定標記頻調(diào)頻率，標準量具光測器信號的解調(diào)結(jié)果將是與由該頻調(diào)頻率標記的通道的平均光學功率、該通道的光學調(diào)制指數(shù)、和該通道的光學載波頻率(取決于標準量具透射條紋傾斜側(cè)的光學鑒頻
9器特性)成比例的數(shù)字。同樣地，該基準光測器信號的解調(diào)結(jié)果將是與由該頻調(diào)頻率標記 的通道的平均光學功率、和該通道的光學調(diào)制指數(shù)成比例的數(shù)字。從獲自解調(diào)的這對數(shù)字， 由該頻調(diào)頻率標記的通道的光學載波頻率的測量可以從獲自由包含多個光學通道的光學 多路復用信號照射光測器的復合信號中被提取。所有頻調(diào)頻率上的標準量具光測器輸出和 基準光測器輸出的并行解調(diào)提供了使用單個法布里-珀羅波長鎖定器來同時測量光學多 路復用信號中所有通道的光學載波頻率的手段。 給定ITU格柵頻率和法布里_珀羅波長鎖定器的標準量具和基準路徑的透射性 質(zhì)之間經(jīng)校準的關系，光學載波頻率的測量可以被轉(zhuǎn)換為光學載波頻率關于ITU格柵頻率 的偏差的測量。使用如前所述的通道標記和并行解調(diào)，就可使用單個法布里_珀羅波長鎖 定器來測量光學多路復用信號中單個通道的載波頻率，并且將那些單個通道的載波頻率與 ITU格柵頻率相關，其前提是每一光學載波頻率保持充分地接近于其相關聯(lián)的ITU格柵頻 率(以避免從標準量具的周期性透射性質(zhì)產(chǎn)生模糊性)。 經(jīng)如結(jié)合光學通道功率控制所描述地標記的多通道TxPIC的多路復用光學輸出 可以被路由到單個法布里_珀羅波長鎖定器并且進行如上所述處理以測量TxPIC每一通道 的單個光學載波頻率。如果給予一種變更TxPIC通道的光學載波頻率的方法，就可以完善 一種將TxPIC的每一通道鎖定至一指派的沿標準化波長格柵的光學載波頻率的控制系統(tǒng)。 一種這樣的控制TxPIC上單個通道的光學載波頻率的手段是在產(chǎn)生該通道的光學載波頻 率的激光器旁設一局部加熱器。 如先前指出的，當使用TxPIC上多個信號通道的前置PIN以提供維持合需的信號 通道輸出功率和激光發(fā)射波長的雙重功能時，應當著重指出的是，還可構(gòu)想由每一PIC信 號通道中的其他通道有源元件來提供此雙重功能。此類其他通道集成有源元件的例子有通 道激光源、通道外置調(diào)制器、通道可變光學衰減器(VOA)、通道半導體光學放大器(SOA)、或 通道組合SOA/VOA。 雖然本發(fā)明被描述為可應用于單片發(fā)射機光子集成電路(TxPIC)的多個集成信 號通道之間或之中控制波長和功率，但是對于本領域技術(shù)人員來說可以容易地知曉，本公 開的基本原理同樣可應用于其他W匿信號通道系統(tǒng)，諸如但不限于那些具有分立的和分離 的信號通道的光學傳輸系統(tǒng)，諸如在每一信號通道包含分離和分立的連續(xù)波激光器以及相 應的分立外置調(diào)制器或分立的直接已調(diào)制激光器、或是稱作EML的分立但集成的電吸收調(diào) 制器/激光器的情形。這樣的W匿信號通道系統(tǒng)還可包括組合或多路復用信號以從多個這 樣的分離已調(diào)制源提供光學多路復用信號輸出的裝置。


在附圖中，相同的附圖標記標識相似的部件 圖1是本公開的用于多通道發(fā)射機光子集成電路(TxPIC)的波長和功率控制系統(tǒng) 的示意圖。 圖2是定義方波的光學調(diào)制指數(shù)(OMI)的圖解說明，其中此處光學調(diào)制指數(shù)P顯 示為0. 05(5% )。 圖3是作為光學頻率的函數(shù)的50GHz自由譜范圍標準量具透射曲線的圖解說明， 其示出標準量具透射波峰與通道k和通道k+l的光學載波頻率之間的關系，其中在多通道
10發(fā)射機光子集成電路(TxPIC)的信號通道之間有200GHz的格柵間隔。 圖4是在恒常的波長、溫度和輸入功率下的歸一化前置PIN傳遞函數(shù)的圖解說明。 圖5是對于一給定的標準化(ITU)格柵頻率、相對于關于標準量具光電流的光頻
移的誤差的確定的圖解說明。
具體實施例方式
在圖1中，發(fā)射機光子集成電路(TxPIC) 10可以是一半導體電路芯片并且包含多 個N集成信號通道15，其中每一通道包括，一后置光測器(PD)12、一半導體激光器14(DFB 激光器或DBR激光器)、電光調(diào)制器(E0M) 16 (這里示為電吸收調(diào)制器或EAM，但也可以是例 如一 Mach-Zehnder調(diào)制器)以及一前置PIN18，這些元件沿每一通道串成一列。我們將激 光器14與電光調(diào)制器16的信號通道組合稱作通道已調(diào)制源。另一類可能用在TxPIC 10 的通道15中的已調(diào)制源是直接已調(diào)制激光器，其中在每一通道11中自然消除了對外置調(diào) 制器16的需要。在TxPIC 10中，由此有信號通道15，其具有N個激光器14，這些激光器具 有不同的光學載波頻率或發(fā)射波長，其沿統(tǒng)一的頻率格柵間隔工作，例如在50GHz、 100GHz、 或200GHz工作。激光器連續(xù)波光輸出是在通道電光調(diào)制器(E0M)16處被調(diào)制的數(shù)據(jù)信號。
為了簡明在圖1中只展示了一個這樣的通道15，但是其他的N-l個信號通道大致 與第一個信號通道并排，且它們所有的輸出都光學耦合到集成光學組合器，例如，多路復用 器(陣列型波導光柵或稱AWG)20，它將在已調(diào)制源處產(chǎn)生的各個已調(diào)制通道信號輸出相組 合，并在來自TxPIC 10的輸出波導上提供光學通道組(OCG)多路復用信號。這樣的組合器 也可以是例如一階梯光柵(波長選擇性組合器)或光學耦合器，例如一匪I耦合器(自由 空間耦合器)。該PIC輸出被離片地提供至一隔離器22、一分支耦合器24、一可變光學衰減 器(V0A) 26并送至去往另一模塊的輸出波導28上，該另一模塊在這里指的是一頻帶多路復 用模塊(B匪)，其在2006年6月xx日提交的序列號為No. (P096)的美國非臨時專利申請和 于2005年6月30日提交的臨時申請S/N. 60/695， 508的非臨時專利申請中公開并討論，上 述申請被援引納入于此。在這里使用的OCG是關于一給定TxPIC IO的特定的通道組，其他 具有不同發(fā)射波長通道組(OCG)的TxPIC 10也可以被設置在承載圖1所示的實施例的相 同模塊(被稱作數(shù)字線模塊或DLM)中，其中每一個都帶有自己的反饋環(huán)路41，并且它們的 輸出被提供至波導28上相同的B匪，其中所有的0CG被組合以供在一光學傳輸網(wǎng)絡光學鏈 路上傳輸。更多有關DLM的內(nèi)容可以參見2005年6月16日提交的S/N. 11/154， 455的美 國非臨時申請，該申請同樣在2005年12月25日以US 2005/0286521A1被公開，該申請被 援引納入于此。舉例來說，在TxPIC IO上可以有N二 IO個信號通道15。然而，更多的信 號通道可被置于同一TxPIC上，例如40個信號通道或更多。集成在芯片IO上的每一信號 通道15提供一具有例如在ITU波長格柵上的C波段譜范圍中的不同峰值波長的已調(diào)制信 號輸出，其發(fā)射波長由每一信號通道對應的半導體激光器14設定。如前面指出的，這些已 調(diào)制輸出中的每一個被提供至光多路復用器20的輸入，光多路復用器20在這里以一陣列 型波導光柵(AWG)示出。圖1中的TxPIC 10在2002年10月8日提交的S/N. 10/267， 331 的美國專利申請中詳細描述，并且上述申請同樣在上述2003年5月22日公開的公開號 US2003/0095736 Al的文獻中公開。 在圖1中，為多通道發(fā)射機光子集成電路(TxPIC) 10設置一波長鎖定和功率控制
11反饋環(huán)路41。本公開幾個重要方面中的一方面是在TxPIC 10的每一個信號通道15中使 用一前置PIN 18，其既作為起到可變通道衰減器作用的功率控制元件，又可作為在通道功 率控制和通道波長鎖定兩者中使用的通道標記或置標所用的低頻頻調(diào)調(diào)制器。在反饋環(huán)路 41中使用通道置標信息來實現(xiàn)波長和功率控制兩者，也就是說，分別用來控制片上通道激 光發(fā)射波長和用來控制每一個信號通道15中的通道信號輸出，以圖例如在TxPIC 10上跨 信號通道陣列獲得經(jīng)均衡的通道信號功率輸出。這些處理由如前面描述的數(shù)字信號處理來 達成。因此，用于每一通道的集成通道前置PIN 18都既用作設置通過調(diào)整每信號通道的平 均反偏電壓確定的每個通道的平均光學功率輸出的衰減器，又用作用于對從通道已調(diào)制源 接收到的光學信號進行強度調(diào)制的換能器。此處選擇的強度調(diào)制是方波，并且是通過在此 處被稱為VHigh和、。w的兩個反偏電壓值之間翻轉(zhuǎn)施加于每一個每一前置PIN 18的反偏電 壓來產(chǎn)生的，因而已調(diào)制方波的電壓峰_峰值是VHigh-Vta ，這在圖4中清楚說明，并且同樣 在圖l中的TxPIC IO的插圖中被描繪。如前面所指出的，用于置標的壓印在通道信號上的 強度調(diào)制波形也可以用正弦波替換方波。該調(diào)制用方波的峰_峰值Vpp和前置PIN的傳遞 函數(shù)一起決定光學調(diào)制指數(shù)，該指數(shù)被保持為恒常。當調(diào)整通道輸出功率時，Vpp的最大值和 最小值，即VHigh和Vta將改變以調(diào)整前置PIN的平均衰減同時保持光學調(diào)制指數(shù)恒常。根 據(jù)單個通道的輸出功率設定點，不同的信號通道可被控制以產(chǎn)生相等的輸出功率，或如果 需要，可產(chǎn)生不等的輸出功率，例如用在通道預加重中所使用的。在每一前置PIN 18上的 該方波調(diào)制由發(fā)生器50產(chǎn)生，在后面將對其進行詳細論述。因此，為每一個前置PIN 18提 供了一具有不同方波頻率的方波強度調(diào)制，并且在TxPIC上的所有通道總是被同時且同步 地調(diào)制。TxPIC上的每一通道由一唯一性的方波標記，并且所有方波的集合被選擇為在選定 的積分區(qū)間上是大致正交的。 在圖1的實施例中，激光器14由在整個壽命過程中由恒常的電流驅(qū)動，因而偏置 電流、加熱器電流、和子底板(sub-mount)溫度的組合在制造時被設定為使得使得輸出波 長基本上接近標準化格柵一這對于它們各自的波長發(fā)射操作是合乎需要的，并使得能為 每一通道提供恰如其分的輸出功率。激光器加熱器13被設在每一激光器14本地。加熱器 13可以響應于經(jīng)由加熱器電流提供的焦耳加熱的改變來變換每一激光器14的光學載波頻 率，其中該加熱器電流改變激光器14的溫度以使激光器的發(fā)射波長改變很小的增量。例 如，一TxPIC激光器可以在大致為-lO. 6GHz廣C的速率下與溫度調(diào)諧。關于此類加熱器的更 多信息在上述S/N. 10/267， 330和S/N. 10/267， 331的非臨時申請中被闡述。
為了使用這樣的加熱器13來雙向控制激光頻率，激光器14必須在局部提升的溫 度下工作，從而向加熱器輸入的功率的減小導致激光器溫度降低，由此減小激光發(fā)射波長。 當該激光器在接近于其標準化格柵波長的發(fā)射波長上工作時，那么隨附的激光器加熱器13 必須提供非零的功率。該冷卻速率取決于由加熱器提供的激光器溫度提升。激光器本身則 在局部提升的溫度下工作，從而在需要降低該激光發(fā)射波長的情況下，至加熱器的電流被 減小。必須在冷卻速率、激光波長移動的長期老化預算、和TxPIC IO的熱約束之間進行權(quán) 衡。應該了解，由激光器局部加熱器在其雙向的控制范圍的末端提供的最小溫度提升是一 很小的量，從大概1 °C到大概2°C 。 如前面指出的，優(yōu)選為方波的光強度調(diào)制經(jīng)由在TxPIC 10的N個信號通道中的每 一個中的前置PIN 18來疊加。對于每一通道，方波調(diào)制或頻調(diào)頻率是不同的，并且調(diào)制用方波電壓在每一信號通道的前置PIN 18上被疊加。頻調(diào)驅(qū)動電壓的振幅視要由前置PIN 18引起的所需衰減和合需的衰減設置的前置PIN傳遞函數(shù)的局部形狀而定。調(diào)制用方波 的峰-峰電壓被比例定標以便為頻調(diào)已調(diào)制輸出光提供預定的很長光學調(diào)制指數(shù)(0MI)。 來自TxPIC多路復用器20的聚集光學通道組(OCG)在34被分支并且被提供給法布里_珀 羅波長鎖定器(FPWL)子模塊30。該分支的輸出由基準線31A與標準量具線31B之間的分 光器31分裂。在標準量具線31B中，被分裂的光被提供給標準量具34。在線路31A上的 基準光信號和在線3IB上的標準量具光信號由各自的光測器PD1 32和PD2 33檢測到，而 且它們各自的PD1和PD2光測電流信號由互阻抗放大器(T1A) 34A和34B轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?并由快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化。經(jīng)數(shù)字化的輸出波形經(jīng)由第一現(xiàn)場可編程門陣列芯片 (FPGA1)35相關(乘以該調(diào)制用方波的延遲副本并且在一預定時間區(qū)間上積分)。應當注 意，PD32和PD33起到低通濾波器的作用并且只檢測包括通道標記用頻調(diào)的低頻信號。因此 這些PD不對例如10G比特/秒.或40G比特/秒數(shù)據(jù)調(diào)制的高頻數(shù)據(jù)調(diào)制作出響應。在 與FGPA1 35相關聯(lián)的信號處理中，在一預定時間區(qū)間——例如l毫秒——上采樣此模擬電 流信號。為了實現(xiàn)波長鎖定，輸出信號31A和31B兩者都被采用，其中檢測到的波長偏移量 是從這些信號確定的，并且激光發(fā)射波長經(jīng)由激光器加熱器13作相應調(diào)整。然而，為了功 率控制的目的，只需要基準輸出31。 從而前置PIN 18是有源透射型通道元件，其既用作通道功率控制元件，又作為用 于進行通道標記或識別的調(diào)制元件。在通道功率控制的情形中，前置PIN提供對該通道已 調(diào)制信號的壓控衰減以使它保持在合需的功率電平。在PIC制造后的初始操作中，為壽命 開始階段(B0L)值設置單個通道的衰減，這些值被選擇成允許在整個壽命過程中對通道功 率進行雙向控制，例如，源激光器在整個壽命過程中將表現(xiàn)出功率衰退。這種整個壽命過程 中的衰退可以是在例如從大約ldB到大約3dB的范圍里，通常在2dB附近。同樣，如前面指 出的，前置PIN的平均反偏電壓由發(fā)生器50設置，優(yōu)選是在一通道標記頻調(diào)的通道特異性 頻率上的方波源。為了保持與每通道功率測量的兼容性，隨著時間推移當元件18處的平均 衰減變化時，與通道標記頻調(diào)相關聯(lián)的光學調(diào)制指數(shù)(0MI)在每一通道處被保持不變。方 波的0MI在圖2中示出。因此，調(diào)制電壓的峰-峰電壓擺幅需要根據(jù)傳遞函數(shù)的局部斜率 而變化，以使得OMI保持恒常。傳遞函數(shù)的形狀取決于多少光功率在前置PIN18中耗散，并 且會因來自激光器14的輸出功率的變化以及來自前置PIN 18上游的其他通道中光學元件 的光學變化而在TxPIC 10的壽命過程中發(fā)生變化。 盡管由于在積分區(qū)間里更容易獲得正交性，在本領域中一般會采用頻調(diào)應用的正 弦波調(diào)制，但是我們使用方波調(diào)制，其原因是通過簡單地以合需頻率在電平之間切換更容 易實現(xiàn)該調(diào)制。通常，TxPIC 10上的通道1可以具有該光通道組(OCG)最低的頻調(diào)頻率， 并且每一后繼的通道具有分隔一kHz或以上的較高的頻調(diào)頻率。例如，頻率范圍在大約 42. 057kHz到大約87. 771kHz的范圍內(nèi)遍布在例如十個信號通道15上。然而頻調(diào)分隔的范 圍以及頻調(diào)增大的通道方向可以是任意量級或方向。kHz頻調(diào)可以是沿所述多個信號通道 的隨機值，只要它們各自位于不同頻率上并且被選擇成能保持在積分區(qū)間上恰適的正交性 即可。該OMI被定義為P ，其是在最大輸出功率與最小輸出功率之差除以最大輸出功率與 最小輸出功率之和。在此種情形中，該0MI被示為5X，也就是說ii =0.05，其對應于在調(diào) 制高點與調(diào)制低點的發(fā)射功率之間約有0.44dB的差值。ii的值僅僅是當OMI被歸一化到平均發(fā)射功率、即調(diào)制后由前置PIN 18發(fā)出的平均功率時的調(diào)制振幅，。
雖然在此描述中，該通道前置PIN 18提供上述雙重控制功能，但是替換地將頻 調(diào)強度調(diào)制設在每一通道15的半導體激光器14上或設在每一通道15中的電光調(diào)制器 (E0M) 16上的實施例也在本公開的范圍內(nèi)。此外，在另一實施例中，可以將通道標記調(diào)制疊 加到每一通道15的通道調(diào)制器16上，主要用于波長置標和控制，并且使用通道前置PIN 18 主要用于功率控制。仍在另一個實施例中，起到可變光學衰減器(V0A)的前置PIN或類似 的光學元件可被每一通道15中的半導體光學放大器(S0A)所代替，或可將組合V0A/S0A置 于每一個通道15中。最后，在此外另一實施例中，通道信號置標和波長鎖定調(diào)制可被疊加 在每一通道調(diào)制器16上，并采用通道SOA來提供功率控制以便實現(xiàn)跨通道信號陣列的功率 均衡。 1.利用共享波長基準值來將多通道集成TxPIC的波長鎖定至標準化波長格柵值
A.波長鎖定 將一通常為低頻的頻率頻調(diào)置于每一激光載波頻率上，它起到每一激光不同的識 別(ID)標簽的作用，并且是藉此能在可接受的時間長度內(nèi)確定已調(diào)制源波長的手段。從 而，每一已調(diào)制源的載波頻率使用單獨的波長基準。這些頻調(diào)頻率具有遠低于所制定的大 于1G比特/秒的用于在每個通道上調(diào)制數(shù)據(jù)的波長帶寬的頻率。關于以這種方式使用頻 調(diào)頻率的詳述在前述的S/N. 10/267， 330的美國專利申請中被詳細地公開。
在圖1中，法布里-珀羅波長鎖定器(FPWL)子模塊30提供光學頻率基準值，PIC激 光器14可被鎖定至這些基準值。為了實現(xiàn)充分高的準確度，例如，對ITU格柵約±1. 25GHz 的準確度，以子模塊30和40表示的伺服環(huán)路41，包括兩個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA1和 FPGA2)芯片35和42被提供一經(jīng)校準的比值，此比值是各自從標準量具PD2 33和它伴隨的 TIA電路34A的標準量具路徑33A以及從基準PD1 32和它伴隨的TIA電路34B的基準路徑 32A在合需的標準化波長通道值下提供的光電流之比。同樣，穩(wěn)態(tài)誤差伺服環(huán)路必須為零。 因此，在此處的實施例中，使用子模塊30來為具有一預定的合需載波頻率分隔的N個TxPIC 通道提供同時基準，例如在此處的實施例中為200GHz。由于此處部署有單個FPWL 30作為 由給定的例如200GHz等的均勻頻率區(qū)間分隔的N個TxPIC激光器14或信號通道15的同 時基準，因此僅僅利用標準量具和基準光電二極管提供的DC光電流本身是不夠的。這就是 為什么通道15上每一通道信號經(jīng)由其通道前置PIN 18在特征基頻調(diào)頻率處被方波強度調(diào) 制的原因，其中由各激光器發(fā)出的所有光學載波頻率都被并行調(diào)制以使其每個都具有其自 身的特征頻率，即這些頻調(diào)的頻率是彼此不同的。 在該反饋環(huán)路41中使用兩個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA1和FPGA2)芯片35和42。 FPGA2 42具有它自己的用于N個頻調(diào)頻率fk的頻調(diào)發(fā)生器，這些頻調(diào)頻率被用于施加到N 個方波發(fā)生器50的每一個上，以施加到N個前置PIN 18中每一個。FPGA1 35具有它自己 的方波頻率發(fā)生器以產(chǎn)生N個頻調(diào)頻率fk，用于解調(diào)來自FPWL光測電路的輸出信號。來自 PD1 32和PD2 33的光電流都被用于此目的。來自FPGA1 35上的頻調(diào)發(fā)生器的一同步脈沖 被提供到FPGA2 42上的頻調(diào)發(fā)生器，以保持調(diào)制用頻調(diào)和解調(diào)用頻調(diào)之間的同步。
如圖1所示的方波發(fā)生器50各自包含一模擬開關51，它由經(jīng)由線49從FPGA2 42 接收到的電壓在頻調(diào)頻率fk上驅(qū)動。加法器52經(jīng)由DAC 48設有負偏置，從而開關51根據(jù) 各個通道的預定頻率被調(diào)制成關(off)和開(on)的狀態(tài)。因而，與方波發(fā)生器關聯(lián)的DAC設置高電平和低電平信號(V^h和U，并且該模擬開關在由FPGA2 42向其發(fā)送的頻率下 翻轉(zhuǎn)。從DAC 48經(jīng)由線48將VHigh提供至加法器52，調(diào)制深度由其通過、。w確定，如TxPIC 10上示出的方波調(diào)制插圖所示。 表示離其在格柵上的合需發(fā)射波長的特定激光波長偏移量的誤差信號從數(shù)字信 號處理器(DSP) 44推導出，用來向TxPIC 10上各個激光器加熱器13提供電流修正性改變， 此電流修正性改變是經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)48和線60到達各個加熱器13。向數(shù)字信號處 理機(DSP)44提供頻調(diào)強度(每一通道)的測量，該頻調(diào)強度由基準和標準量具光測器電 路的輸出的并行解調(diào)檢測到。DSP 44通過例如取一特定的通道的頻調(diào)強度比值并將該比 值與一對應于合需波長的校準值相比較來推導出一適當?shù)恼`差信號。同樣，DAC 48從DAC 48經(jīng)過線62提供設定的偏置電流IL至各個激光器14。同樣，DSP 44在線路64上從N個 激光器14的每一通道經(jīng)由它們各自的TIA 63和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)46接收后置PD12光電 流Vpd。因而，加熱器電流和激光器偏置電流的監(jiān)視與控制由DSP 44完成，以阻止任何將激 光器14驅(qū)動至不正確的鎖定點的嘗試。 在圖！中，由發(fā)生器50提供的N個方波的頻率和相位被選擇為在一固定采樣周期 上，例如大約l毫秒上近似地數(shù)學正交。這些方波信號在每一采樣周期的開始被同步。從 在一固定采樣周期中具有整數(shù)個周期的方波的基本集合中，N個方波的近似正交集合可被 選中，即當在一給定區(qū)間上積分時兩個不同的方波的乘積將提供一非常接近于零的數(shù)字， 然而當在同一區(qū)間上積分時，兩個同樣的方波的乘積將產(chǎn)生一很大的數(shù)字，其可被歸一化 到單位量。這些歸一化的值經(jīng)由31B處的標準量具輸出和在31A處的基準輸出兩者推導出 的輸出、以及從31A處的基準輸出推導的頻調(diào)強度來表示通道波長漂移。調(diào)制頻調(diào)頻率被 選擇在一相對較高的kHz頻率范圍中，以便能夠更快地測量任何波長漂移，例如，頻調(diào)頻率 被選擇得大于40kHz 。 如前面指出的，提供給通道的前置PIN的每一調(diào)制用方波調(diào)制的峰-峰電壓擺 幅——即它的高點或VHigh與它的低點或之差——被確定以在N個信號通道每一個的輸 出功率中提供一預定的且被保持恒常的光學調(diào)制指數(shù)(OMI)。 OMI的百分比必須足夠大以 給信號處理提供足夠信噪比，同時又要足夠小以避免數(shù)據(jù)的過度的懲罰(例如由于眼圖閉 合)。如果該OMI太小，則由于電路電壓偏移量、暗電流和漏電流，電路測量將變得很不準 確。如果該OMI太大，則發(fā)射的數(shù)據(jù)將遭受眼圖閉合懲罰。舉例來說，5X的0MI是一可接 受的選擇，它引起可容許的眼圖閉合懲罰，同時仍能產(chǎn)生足夠大的控制信號以達到抵抗信 號差錯和噪聲的穩(wěn)健的結(jié)果。產(chǎn)生這樣的OMI所需要的方波的通道特異性電壓值取決于每 一前置PIN 18的設定DC偏置點。因為作為每通道功率控制的一部分，它們的直流偏置點 故意變化，所以方波調(diào)制的電壓值必須通過部署查找表或由圖1的伺服控制環(huán)路41控制， 以便對于所有已調(diào)制頻調(diào)頻率fk隨時間推移能不斷地保持一固定OMI。
需要指明的是，可以使得標準量具34具有與信號通道間隔或區(qū)間相匹配的特定 的周期性響應。然而，我們選擇使標準量具34具有50GHz的周期性響應，并且它相于信號 通道k和k+l的條紋透射在圖3中被說明。在輸出32A中的基準信號具有近似獨立于光學 波長的響應。如前面指出的，在此處的實施例中信號通道區(qū)間是200 GHz，從而標準量具響 應將是該間距的除數(shù)，即，在與信號通道k和k+l關聯(lián)的標準量具條紋之間有三個未使用的 標準量具條紋。因此相同的50GHz標準量具對于為其他的間距在自由譜范圍整數(shù)倍——例如50GHz或100GHz的TxPIC信道間距以及具有較大信號通道數(shù)目N的TxPIC——例如，每 一 TxPIC40個通道——執(zhí)行相同的鑒頻器功能而言是很有用的。標準量具34是市售的法 布里-珀羅標準量具，其相對于光學頻率具有50GHz周期函數(shù)，并且可以容易地從不同的制 造商獲得，例如JDSU公司。該法布里-珀羅波長鎖定器的制造過程包括設置ITU格柵與標 準量具的透射波峰之間的關系，以使得ITU頻率對應于大致在一透射波峰的斜坡側(cè)一半高 度處的點。從而該透射波峰的斜坡側(cè)起到局部鑒頻器的作用，在此光學載波頻率中很小的 變化在發(fā)射功率上產(chǎn)生可檢測到的變化。
B.鎖定至正確的鎖定點 應當注意到由已調(diào)制源14， 16施加在通道信號上的較高頻率數(shù)據(jù)調(diào)制不是在 FPWL子模塊30中的兩個光電二極管32和33的帶寬內(nèi)的，因此并不直接地顯現(xiàn)在它們的 光電流信號中。圖3中的基準電平36提供沿標準量具條紋上升側(cè)(在此光學功率透射率 隨著光學頻率的增大而增大)的可確立有用的鎖定點的一個點。假如局部斜率足夠大，則 該點幾乎可以在沿條紋一側(cè)的任何地方。與條紋相交叉的垂直基準等高線37被用來指明 在一標準量具34—給定的測得溫度下ITU光學載波頻率與標準量具條紋一側(cè)之間的交點。 傳感器39用于被動確定圖3中的條紋與垂直基準37之間的交點的位置，并且這是通過對 在標準量具34處測量的一可能溫度范圍內(nèi)的與每一 PD32和33的一組光電流相關的一組 溫度的初始校準來完成的，從而通過利用此校準，就能知道在ITU的格柵頻率上從PD32和 33輸出的光電流的相對值。從而，沿條紋側(cè)的確立的鎖定點38提供一種手段，藉此沿條紋 側(cè)相對于鎖定點48向上或向下的檢測值可被電子地檢測到。然后，使用離校準鎖定點38 的偏離量來確定激光發(fā)射頻率或波長從它合需的標準化格柵頻率偏移的方向，并且在該偏 移量被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的情況下，還被用來確定偏移了多少。因此，在單個光通道15中的 單個連續(xù)波激光器14的情形中，與PIC上有多個通道的情況相對立，如果該連續(xù)波光通道 處在例如ITU格柵等的標準化格柵上的鎖定點光學頻率上，則來自標準量具和基準光電二 極管32和33的DC光電流將產(chǎn)生校準的鎖定點比值。 當來自多通道TxPIC的光學多路復用信號的分支部分分別被提供給FPWL子模塊 30并提供給標準量具和基準光電流的輸出32A和33A及其對應的TIA 34A和34B時，結(jié)果 產(chǎn)生的電信號將包含復合信號，即平均DC值和施加在組合通道信號上的頻調(diào)調(diào)制、以及通 道信號上的數(shù)據(jù)調(diào)制、以及來自TxPIC 10上N個通道15中的每一個的噪聲。在多通道輸 入的情形中，使用相干解調(diào)來確定第k光學載波頻率的誤差信號，以對標準量具光電二極 管33和基準光電二極管32提供頻率fk上的方波信號強度鎖定檢測。由于標準量具34對 溫度改變敏感，因此一溫度傳感器39——這里以熱敏電阻39示出——被設置在FPWL子模 塊30上，其用于根據(jù)FPWL子模塊30的溫度將FPWL鎖定點更加精確地校準到諸如ITU格 柵等的標準化格柵上的頻率。 通過在頻調(diào)頻率fK下對來自各自的PD 32和33的頻調(diào)信號強度進行相干解調(diào)并 將該結(jié)果與為一合需光學載波頻率確定的校準值相比較，就可從來自TIA 34A和TIA 34B 兩者的復合光電流中提取出表示第k激光器14的平均光學載波頻率與其合需的光學載波 頻率的偏差的誤差信號。如前面指出的，解調(diào)頻調(diào)在FPGAl 35內(nèi)產(chǎn)生，并且同步的調(diào)制音 調(diào)由42處的FPGA2產(chǎn)生。例如，F(xiàn)PGA 35可具有一晶體鐘，以產(chǎn)生N個頻調(diào)頻率，用于相對 于來自子模塊30的選定的頻調(diào)頻率進行歸一化。同樣，F(xiàn)PGA42產(chǎn)生相同一組頻調(diào)頻率，其
16經(jīng)由一從FPGA35向FPGA42發(fā)送的同步脈沖與FPGA 35處產(chǎn)生的頻調(diào)頻率同步。采樣信號 相對于通道標記頻調(diào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和相干解調(diào)經(jīng)由FPGA 35執(zhí)行，并且相關聯(lián)的信號處理誤 差信號然后在DSP44被推導出，其被濾波和比例定標以準備向提供到TxPIC 10各個激光器 加熱器13的電流提供修正性改變。如此，N個激光器的平均光學載波頻率以穩(wěn)態(tài)誤差等于 零的形式被驅(qū)動至其被指派的標準化格柵頻率或波長，例如指派給ITU格柵的波長。包括 但不限于加熱器電流和激光器偏置電流的TxPIC參數(shù)的監(jiān)視被用來防止反饋伺服環(huán)路試 圖將TxPIC激光器14驅(qū)動至不正確的鎖定點，如在此公開的后面部分更詳細指出的。
如上面指出的，圖3說明標準量具34的透射的一部分，其中一基準電平36被顯示 為與兩個通道k和k+l的垂直基準線37有交叉點，這些交叉點定義了這些通道的鎖定點 38。如指出的，這里標準量具34的周期間隔是50GHz。如圖3所見的，TxPIC信號通道間隔 是200GHz格柵，從而使得毗鄰的TxPIC通道將被鎖定至由三個居間條紋或是150GHz分隔 的條紋。因此，對于具有接近于鎖定點38，即，在次最近的在基準線36與周期條紋的側(cè)條紋 之間的交點間的光學載波頻率的一給定的TxPIC激光器14，低于或高于鎖定點38的激光頻 率以鎖定點38與沿通道側(cè)條紋之間的頻率范圍上恰適地指派的負的或正的誤差來提供透 射率差值。所以，例如，如果在一給定的已解調(diào)信號中有一正的頻率偏移量，則已解調(diào)的頻 調(diào)電平將高于基準電平36。出于同樣的原因，如果在一給定的已解調(diào)信號中有一負的頻率 偏移量，則已解調(diào)的頻調(diào)電平將低于基準電平36。因此，在每一已解調(diào)頻調(diào)的情形中，具有 一窗口，在此窗口內(nèi)已解調(diào)信號值可以高于或低于基準電平36，從而指明必須在哪個方向 上——正的還是負的——作出修正，以通過經(jīng)由其局部加熱器13改變溫度來移動特定的激 光器14的發(fā)射波長。 FPGA1 35的已解調(diào)頻調(diào)信號形式的輸出通過線41被提供至DSP子模塊40和DSP 44。 FPGA2 42的輸出被提供至數(shù)字信號處理器(DSP)44。子模塊40包括關聯(lián)的數(shù)模轉(zhuǎn)換 器(DAC)48和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)46。 產(chǎn)生已解調(diào)頻調(diào)信號的信號處理如下所述。來自32處的PD1和33處的PD2的輸 出光電流在TIA34A和34B處被轉(zhuǎn)換成電壓。TIA的電壓電平必須相對于在快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 上允許的輸入范圍恰適地作比例定標。在35處的FPGA1中，形成雙極方波(容許值+l、-l， 基本周期等于該特定通道標記頻率)與采樣波形的數(shù)字乘積，并且計算出等于雙極方波與 采樣波形乘積的積分的累加乘積。該積分區(qū)間包含每一通道標記方波的周期的整數(shù)倍，并 且這些通道標記方波被選擇成近似正交。因此，在35處的FPGA1處輸出的這一 FPGA積分 是一個與由選定的方波調(diào)制的信號的強度成比例的很大的數(shù)字。在接收光電二極管處，這 進而與光學調(diào)制指數(shù)(OMI)和由選定的方波標記的通道的平均光學功率的乘積成比例。對 于標準量具通道31B，通道的平均光學功率取決于該通道的光學載波頻率，因為該標準量具 條紋起到光學鑒頻器的作用。對于基準通道31A，該通道的平均光學功率與光學載波頻率無 關。因此，F(xiàn)PGA1 35為來自標準量具輸入和基準輸入的兩個電壓信號數(shù)字化頻調(diào)頻率。N 個通道的每一個的并行解調(diào)(經(jīng)過與近似正交方波的相關)為TxPIC 10的每一通道15提 供各自頻調(diào)強度的測量形式的信號。這些信號通過線41被發(fā)給DSP 44，在此每一通道的誤 差信號被計算。進一步地，DSP 44接著基于為每個信號通道并行確定的計算誤差信號經(jīng)由 DAC 48和線60提供對激光器14的單獨的、各個激光器通道加熱器13的校正信號的形式 的校正值。每一個這樣的校正信號通過它相關聯(lián)的加熱器改變激光器的工作溫度，加熱器
17進而將改變激光器的發(fā)射波長，以將發(fā)射波長修正至更接近或等于其格柵指定和合需的發(fā) 射波長。在另一實施例中，不是改變施加到激光器加熱器13上的電流，而是可采用反饋環(huán) 路41來改變施加于激光器14的偏置電流，以便修正發(fā)射波長以使之更接近或等于其格柵 指定和合需的發(fā)射波長。然而，在此處的實施例中，優(yōu)選在整個壽命過程中使激光器14在 恒定的電流偏置值下工作，并且每一激光器裝備有一相關聯(lián)的片上加熱器13，用來改變激 光器工作溫度，該加熱器13進而改變其發(fā)射波長使之趨向其標準化波長格柵頻率的方向 或到達此頻率。 如前面指出的，在子模塊30處的波長鎖定器操作可以隨環(huán)境溫度而改變，從而在 制造過程中N個激光器的每一發(fā)射波長的理想設定點針對工作溫度的整個范圍進行初始 校準，并且這些校準的設定點被存儲在DSP 44的內(nèi)存中。因此，在標準量具子模塊30的由 溫度傳感器39監(jiān)視的給定工作溫度下，對于DSP內(nèi)存中的兩個毗鄰溫度校準點的校準值之 間可線性內(nèi)插出設定點。用于波長鎖定反饋的誤差信號是基于校準設定點和內(nèi)插設定點之 差。可以看出，該方法為子模塊30在給定校準熱設定點處提供對每一頻調(diào)已調(diào)制信號的波 長的估計，從而該內(nèi)插將對每一激光器14離其標準化格柵波長的波長偏移量——如果有的 話——提供一相當準確的估計。 如上所指出的，對TxPIC IO上的所有的N個信號通道，基準和標準量具光電二極 管32、33兩者的輸出被同時解調(diào)。來自這些光電二極管的在特定頻調(diào)頻率上的已相干解調(diào) 光電流的雙線性組合被用來定義一合適的誤差信號體信號=(，纖 )(1)
w,量,+w ^絲j 其中k (I) = I標g量員/I^i是在給定的溫度T下給定信號通道的光學載波頻率應 被鎖定到的標準化通道頻率上估算的，該溫度是從FPWL子模塊30上的溫度傳感器39中取 出的。圖3說明了一理想情況，其中對于間隔為50GHz的所有通道頻率，標準量具光電流等 于基準光電流，即k (T) = 1。對于法布里-珀羅波長鎖定器的一給定光通道和一給定溫 度，對應于合需光學載波頻率(例如ITU格柵頻率)的已解調(diào)光電流的比值通過校準可以 得知。校準值與測量值之差提供了表示通道光學載波頻率相對于合需光學載波頻率的偏移 的有符號量。 一旦該誤差信號被測量，要由通道加熱器采取的修正動作就可被計算并應用。 信號通道k的誤差信號的一種形式在DSP 44中從以下組合形成， 誤差=^，，—測得的-，，^ —(，;校準的(2) 其中I標^i員是通道k的已解調(diào)標準量具光電流信號，而Ij^是通道k的已解調(diào)基 準光電流信號。在式(2)中的〃 測得的〃 指的是解調(diào)過程的結(jié)果，而〃 校準的〃 指的是前 期測得的或算出的值，它由用于將標準量具和基準路徑中的響應定義成等于合需值的光學 載波頻率的校準處理來確定。法布里_珀羅波長鎖定器的溫度可以是溫控的，在這樣情 況下可使用單個校準值。替換地，沒有溫控的法布里_珀羅波長鎖定器可以在多個不同溫 度下校準，并且可采用內(nèi)插來確立波長鎖定器在一給定的測量溫度下的合適校準值。該誤 差信號是至反饋環(huán)路的將誤差信號驅(qū)動至零的的輸入。該誤差信號的環(huán)路濾波是由DSP 44 數(shù)字化地實現(xiàn)的，并被提供給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以產(chǎn)生一校正信號，它是經(jīng)比例定標的模 擬輸出信號，該信號控制到達通道k中激光器各自加熱器13的電流，以在積分控制下將誤
18差信號驅(qū)動至零。 當然，F(xiàn)PWL的制造公差引起與理想反饋環(huán)路條件的偏差，因此這就是為什么相對 于溫度傳感器39監(jiān)視的FPWL子模塊30的溫度來校準測量很重要。圖1的反饋環(huán)路41被設 計成在與誤差信號代數(shù)符號相反的方向上驅(qū)動激光器的光學載波頻率。在圖3中，在每一 局部條紋附近，誤差信號有三個可能的毗鄰的過零點。為了在反饋環(huán)路41被使用時使得控 制環(huán)路能將光學載波頻率鎖定到正確的局部設定點，激光器光學載波頻率必須位于合需設 定點附近一給定的范圍內(nèi)。為了確保該環(huán)路將光學載波頻率鎖定至法布里-珀羅標準量具 各周期性條紋中正確的條紋上，可提供一基于激光器電流、加熱器電流、子底板(submoimt) 溫度和TxPIC中多通道間的交互作用的校準的查找表。給定所有這些對頻率有影響的輸 入的適當?shù)男市畔⒑蜏y量值時，DSP 44可以確定施加值的范圍是否對應于關連于法布 里-珀羅波長鎖定器的特定條紋的有效光學頻率設置。這在下面結(jié)合通道故障狀況的快速 響應進一步論述。 DSP 44包括一積分器，它隨時間推移(在由附綴的增益常數(shù)比例定標之后)對每 一給定激光波長的誤差信號進行積分，以獲得一平均值，該平均值被提供給特定的DAC 48， 該DAC 48進而產(chǎn)生一模擬校正信號，該信號驅(qū)動特定激光器14的特定加熱器13。如果積 分器輸出的是一正校正信號，則它對應于一紅移(較低頻率或波長)和加熱器功率的增大。 另一方面，如果積分器輸出的是一負校正信號，則它對應于一藍移(較高頻率或波長)和加 熱器功率的減小。該積分器飽和，從而使得對于固定的頻率偏移量，至給定激光器的校正信 號總是以正確的極性結(jié)束。如果由于任何原因，該校正信號超過一預定激光調(diào)節(jié)范圍，例如 ±1到5GHz，則該波長鎖鎖定環(huán)路控制器就會關閉受影響的特定的PIC激光器的運行。這 表示該激光器不是在正常工作并且需要停止使用。 結(jié)合上文，圖5用圖表說明一紅移相關PD2 33電流iPD，相對于關于一標準量具條 紋ipD-標準量具的光頻率。在ipD-基準的點A是合需的鎖定點，其中格柵波長或頻率滿足給定已 調(diào)制源輸出波長的標準化(ITU)格柵頻率。iPD—fi^處到B點的紅移是從ip?！? |減小的量，表 示(與之成比例)激光器14發(fā)射波長離該標準化(ITU)格柵頻率的減少量。誤差的偏移
量可以由下列比值表達
誤差=嫌顏 (3) 形成一校正信號來經(jīng)由加熱器13藍移激光器14處的工作波長，即增加施加于該 激光器的熱，以使得激光器的波長運作從B點盡可能回到靠近A點的位置。
應當注意，當圖1的波長鎖定系統(tǒng)的工作第一次被開動或在一條紋修正事件(由 在DSP 44上檢測到無效設置而觸發(fā))的情況下，激光器加熱器輸出被預置到一預期值并且 置為一負的頻率偏移量(紅移)，以便在反饋波長控制環(huán)路41工行之前實現(xiàn)熱穩(wěn)定。激光 器加熱器功率以及推導出的加熱器阻抗經(jīng)由ADC 48和加熱器驅(qū)動電路(未示出)被波長 鎖定環(huán)路DSP44連續(xù)地監(jiān)視。如果推導出的阻抗落在預定閾值范圍之外，那么波長鎖定環(huán) 路控制器DSP 44將使這個通道激光器停止工作。當然，在啟動期間，允許加熱器功率在由 波長鎖定環(huán)路DSP 44采取任何這樣的行動前初始地穩(wěn)定下來。
C.防止鎖定到不正確的鎖定點
19
圖1中說明的反饋波長控制環(huán)路41在沒有其他的信息的情況下不能夠確定其是 否已經(jīng)將一給定激光載波頻率鎖定至一不正確的鎖定點，也就是說，相反它可能將頻率鎖 定至一毗鄰的不正確的條紋，而不是正確的條紋。換句話說，由于波長鎖定器特性曲線是周 期性的，因此前述的推導出的誤差信號本身沒有提供特定光學載波頻率是被鎖定在圖3中 哪一具體條紋上的指示，然而在PIC中每一激光器的調(diào)諧范圍擁有多個條紋。同時，芯片上 集成元件之間的以及在TxPIC芯片10底下的熱電冷卻器(TEC)(未示出)在TxPIC芯片 IO上的熱耦合應該足夠強，從而(1) 一熱瞬變可能引起特定激光器的頻率在波長反饋環(huán)路 41能修正此熱瞬變之前就跳變成與一不正確的條紋對齊；(2)由芯片上的另一毗鄰激光器 或激光器加熱器停用或故障產(chǎn)生的熱瞬變具有足夠致使跳至毗鄰條紋的幅值；(3)在初始 化和給TxPIC 10加電時，如果已對PIC激光器14或它們的加熱器13中任一個的啟用或停 用狀態(tài)作出了改變，則最近一次已知是好的的激光器加熱器值將不能將激光頻率或波長可 靠地初始化到一合需的俘獲范圍內(nèi)；或(4)由于正常激光器老化而產(chǎn)生的熱改變會變換進 入每一毗鄰激光器的熱串擾，通過定期地存儲上次已知是好的的加熱器值可解決此串擾消 隱，這些加熱器值由于不同的激光器老化而可能是不同的。因此，必須使用附加信息來阻止 波長控制環(huán)路41不經(jīng)意地將激光波長驅(qū)向另一不正確的條紋而導致將光學載波頻率控制 到一不正確的設定點。 該附加信息在DSP 44內(nèi)存中的查找表中提供，其包括TxPIC 10的所有特別影響 激光載波頻率的工作參數(shù)的所有最近一次已知是好的值。對一給定TxPIC，這些工作參數(shù) 的主導集合是(l)激光器偏置電流，在如曾提及的，其在整個TxPIC壽命期間被保持固定； (2)加熱器電流，如曾提及的，其在整個TxPIC壽命期間由反饋控制來改變；(3)TxPIC子底 板(未示出)的(固定)溫度，該子底板通常固定在一熱電冷卻器(TEC)(未示出)上；(4) 電光調(diào)制器(EOM)偏置電壓；以及(5)前置PIN的反偏電壓。同樣，如前面討論的，需要一 在TxPIC lO上所有N個信號通道的校準鎖定點比值k(T)的查找表。最后，需要TxPIC的 所有的N個通道的加熱器引起的調(diào)制系數(shù)的查找表，其中包括它們的通道串擾系數(shù)。使用 這些保存在DSP內(nèi)存中的信息，DSP 44能夠根據(jù)查找表中的這些信息確定當前是否要求反 饋波長環(huán)路提供與最近一次已知是好的的鎖定點不一致的加熱器驅(qū)動功率。注意，如前面 指出的，舭鄰的可用鎖定點由標準量具的自由譜范圍(FSR)分隔，這里此分隔是50GHz。為 了將單個激光器光學載波頻率從圖3中一正確的鎖定點移動到一毗鄰的不正確的鎖定點，
需要一激光器加熱器用于嘗試將其相關聯(lián)的激光器溫度提升或降低約5t:，這是一個很大
的，易于檢測到的加熱器功率變化。因此，由DSP 44監(jiān)視提供給激光器加熱器13的電流用 于與最近一次已知是好的施加到TxPIC 10上各個激光器加熱器13的電流值或平均值作比 較。在此情形中，DSP 44將基于這種"最近一次已知是好的"的跟蹤方法來阻止施加不正確 的——尤其是在功率常態(tài)范圍外的激光器加熱器功率的應用。
2.每通道發(fā)射功率控制環(huán)路 同樣，在此公開中是一種確定通道功率的相對平衡的方法，其使用反饋控制環(huán)路 41利用上面描述的相同的通道標記調(diào)制來進行波長鎖定控制。每通道功率控制環(huán)路用于跨 形成光學通道組(OCG)的信號通道陣列均衡通道功率。更一般地說，每通道功率控制環(huán)路 用于將單個光學通道功率保持在單個設定點上，其中一個通道與另一通道的設定點可以不 同。當用來均衡通道功率時，每通道環(huán)路的功能是跨通道陣列均衡通道功率以使任何通道功率相對于在TxPIC 10壽命過程中0CG內(nèi)的平均功率而言落在一預定誤差，例如±0. 50dB 內(nèi)。該功率環(huán)路是在TxPIC IO初始化期間被接通時發(fā)動的。再次參照圖l，每一通道功率 的輸出是由其前置PIN18控制的。由前置PIN起到單個通道功率控制和通道標記調(diào)制器雙 重功能減少了所需有源通道元件和控制電子器件的數(shù)目。因此元件18也可被稱為一多功 能元件(MFE)并可被稱為一衰減器/調(diào)制器頻調(diào)PIN。前置PIN 18基于由可變偏置電壓 Vhigh與峰-峰電壓Vpp組合確定的平均偏置電壓吸收來自通道已調(diào)制光源14、16的已調(diào)制 通道信號的一部分，上述電壓是從子模塊40中的DSP44經(jīng)由發(fā)生器50提供的。
每一通道所需的衰減量是由兩個因素決定。第一，在壽命的開始(BOL)多個激光 器的光學輸出并非理想地平衡，并且彼此可能相差給定的量。在制造中，每一激光器最優(yōu) 恒常驅(qū)動電流可如下確定(1)每一激光器14可被波長鎖定于激光器加熱器功率的可接受 極限內(nèi)；(2)該激光功率可被調(diào)整于其前置PIN 18需要的公差范圍內(nèi)；以及(3)當高頻數(shù) 據(jù)調(diào)制被施加到通道調(diào)制器16時，傳輸鏈路中的合需誤比特率能夠得到滿足。如前面指出 的，在TxPIC IO的壽命過程中每通道激光器驅(qū)動電流被保持恒常。適當?shù)募す馄髌秒娏?值初始在PIC模塊制造期間確定，并且每一激光器的預定值被傳遞并保存在子模塊40中的 DSP44中諸如閃速存儲器等的內(nèi)存中。然而，TxPIC IO上的激光器驅(qū)動電流的校準本身并 不確?？鏟IC上信號通道輸出陣列的功率平衡，因此需要經(jīng)由前置PIN 18為每一 TxPIC通 道設置衰減值以實現(xiàn)跨通道輸出的功率等同，并且在PIC壽命過程中這些前置PIN的衰減 值將隨通道不同而變換。 第二，TxPIC 10中的各個集成激光器13在電路的壽命過程中以不同速率老化，并 且通常在此老化過程中，它們的輸出功率也以不同的速率下降。因此，每一信號通道的前置 PIN衰減必然典型地是隨著激光功率衰退而逐漸地減少；即，前置PIN18上的平均反偏電壓 在壽命過程中通常必然降低。因此，在PIC激光器14壽命開始(BOL)時施加的負偏置是最 高的，并且通常在壽命過程中降低，以保持在PIC壽命過程中來自已調(diào)制光源的充分恒定 的功率輸出。因此，在BOL時激光器14在連續(xù)施加的電流水平上工作，且輸出功率幅值很 高。為每一激光器將衰減設置在每個通道合需的初始功率電平輸出上，并且跨通道陣列的 功率輸出被基本均衡。由于激光器14各自以不同速率老化，且其是不可個體預測的，因此 它們的已調(diào)整輸出功率在整個壽命過程中將以不同速率下降，因此在整個壽命過程中也以 不同速率從每一通道輸出撤減衰減量——也就是說減小前置PIN 18上的負偏置——也是 必要的。同樣地，需要時，單個通道功率的增加可通過增加前置PIN上的衰減設置來補償。
因此，為了不斷保持跨TxPIC IO上產(chǎn)生的已調(diào)制通道信號陣列的通道功率輸出 平衡，采用功率控制反饋環(huán)路41來確定每通道施加的衰減量。因此，每一前置PIN 18的平 均偏置點是在DSP子模塊40處經(jīng)由DSP 44計算的，并且在閉環(huán)控制41中被施加到每一前 置PIN 18，同時對每一前置PIN 18施加置標頻調(diào)頻率以進行信號通道識別。平均偏置電 壓是電壓Vhigh和的平均值，其中Vhigh和、。w的值被選擇以保持一恒定的光學調(diào)制指數(shù)。 功率控制環(huán)路41工作在一相對長期的定值上，例如5秒左右，并且被設計為基于如上所述 的制造變量以及激光裝置老化來調(diào)整衰減水平，當然相對波長從一合需波長的變化而言老 化是一緩慢的過程。如果希望，該時間長度還可以被設置得更長，因為激光器老化是相對慢 得多的過程。 如前面所述，低頻或頻調(diào)振幅調(diào)制被疊加到TxPICIO的N個信號通道中每一個的前置PIN18上。如前所述，施加的電壓的值是隨前置PIN 18的估計衰減曲線而變化的，并且被比例定標以提供一特定的光學調(diào)制指數(shù)(0MI)。同樣，如較早指出的，來自TxPIC多路復用器20的光通道組(0CG)多路復用信號被分支，并且被提供至法布里_珀羅波長鎖定器子模塊30，在此線33A上的標準量具輸出和線32A上的基準輸出被放大并數(shù)字化，并且共同用來確定波長偏移和調(diào)整。然而，如所述的，標準量具輸出31B不是用于功率控制目的的。只有基準輸出31A是達到此目的所必需的。來自基準輸出31A的數(shù)字化0CG包絡在FPGA135處對每一頻調(diào)相干解調(diào)。此過程是同時的，即，對所有N個信號通道并行地進行，因此是連續(xù)為所有通道頻調(diào)提供數(shù)據(jù)。在DSP 44中的子模塊40處，經(jīng)由線41來自FPGA135的N個通道解調(diào)器輸出然后可分別地與原來產(chǎn)生的已調(diào)制頻調(diào)相比較，以便為每個信號通道15獲得N個頻調(diào)中的每一個的相對振幅。假定0MI被保持恒定值，例如每一頻調(diào)是5%，則檢測到的每一通道的相對載波振幅與相對頻調(diào)幅度相同。因此，通道功率檢測方案對每一通道頻調(diào)調(diào)制假定相同的OMI。如前面描述的，需要單個前置PIN傳遞函數(shù)的校準來確定施加的方波的電壓導軌的正確值以提供需要的衰減同時保持光學調(diào)制指數(shù)為定值。同樣，前置PIN傳遞函數(shù)隨著入射激光功率改變而改變。因此，在制造的時候初始的前置PIN傳遞函數(shù)必須被校準，并且由于前置PIN 18上的激光器入射功率不能輕易地被直接測量，因此必須估算該函數(shù)在整個壽命過程中的改變。 因此，在初始的制造期間，在激光器運行在一恒定的驅(qū)動電流上的情況下，每一前置PIN 18在壽命開始(B0L)的衰減對偏置曲線被校準，其中在校準器件電流水平是通過在一給定電壓范圍上改變偏置和測量TxPIC IO的輸出功率來預先確定的。因此，在偏置電壓的電壓范圍內(nèi)等步長選擇多個電壓階躍。作為在前置PIN上施加的反偏電壓的函數(shù)的第一組輸出功率是在每一通道外界測量的。該點集(歸一化衰減相對于反向偏置)與對應的提供激光器輸出功率的測量的后置PIN電流一起保存在DSP44的內(nèi)存中。然后，第二組的多個點(歸一化衰減相對于反向偏置，和相關聯(lián)的后置PIN電流)被提取和存儲，但是這次對于每一激光器施加的激光器驅(qū)動電流被有意地減少，以模擬跨陣列的壽命末尾(E0L)功率電平，并且所有的波長保持在它們的B0L值上恒常不變。此模擬是基于TxPIClO上激光陣列老化的經(jīng)驗，其中在整個壽命過程中激光功率輸出的衰退可在約1. 5dB到約3dB的范圍里。 更特別地，然后，在制造中兩個歸一化前置PIN傳遞函數(shù)被創(chuàng)立；一個是壽命開始(BOL)狀態(tài)而另一個是模擬的壽命周期的末尾(EOL)狀態(tài)。根據(jù)后置PIN電流的讀數(shù)，使用一算法在兩個傳遞函數(shù)之間進行內(nèi)插。這些內(nèi)插出的歸一化傳遞函數(shù)被用于為每一信號通道計算Vhigl^P 的適當值，如圖4所示，以便提供合需的衰減同時保持光學調(diào)制指數(shù)恒定。 因此，在工作期間，從后置PD 12接收到的實時光電流被用于估計激光功率。然后，壽命開始(B0L)和模擬的壽命末尾(E0L)前置PIN曲線，相對于前面提到的不同的兩組數(shù)據(jù)，被線性地內(nèi)插以形成新的與估計激光功率相關聯(lián)的前置PIN衰減曲線?；谛聦С龅臍w一化傳遞函數(shù)，兩個電壓Vhigh和V^被選擇成使得(1)在FPWL子模塊30的基準輸出31A處獲得合需的已解調(diào)頻調(diào)信號以及(2)估算0MI被保持在一預定值，例如5X的0MI。對一給定通道，已解調(diào)頻調(diào)信號與光學調(diào)制指數(shù)和由用于解調(diào)的通道標記頻調(diào)標記的通道的平均光學功率的乘積成比例。如果使得所有已解調(diào)頻調(diào)信號相等，如在法布里_珀羅波
22長鎖定器中的基準光電二極管所示的那樣，并且如果所有通道對于它們的(正交)通道標
記頻調(diào)都具有相同的光學調(diào)制指數(shù)，那么所有通道功率在該基準光電二極管處是近似相等
的。這是光學通道功率控制的基礎。注意法布里-珀羅波長鎖定器中的基準光電二極管充
當光學通道功率控制檢測器和波長鎖定控制需要的兩個檢測器之一的雙重角色。 雖然已經(jīng)結(jié)合幾個具體的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是在前面所述的內(nèi)容啟
發(fā)下顯然可以進行許多進一步的替換、修改和變化，這對本領域的技術(shù)人員來說是顯而易
見的。因此，此處描述的發(fā)明旨在涵蓋落在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的所有這樣的替
換、修改、應用和變型。
2權(quán)利要求
一種單片光子集成電路(PIC)，包括集成在單塊基底上的多個信號通道；在每一信號通道中的一已調(diào)制源，用來產(chǎn)生給定發(fā)射波長的光學通道信號；在每一信號通道中的一透射型有源元件；施加到所述透射型有源元件并調(diào)制所述光學通道信號的已調(diào)制頻調(diào)頻率，所述已調(diào)制頻調(diào)頻率用于識別每一信號通道；位于所述PIC中的集成光學組合器，其將所述PIC中的各個光學通道信號組合成一WDM信號，所述WDM信號是作為輸出從所述電路提供的；以及反饋控制器，用于接收所述WDM信號的一部分，將該WDM信號部分解調(diào)成指示已調(diào)制源發(fā)射波長離合需波長值的波長漂移的單個頻調(diào)通道誤差信號，并且推導出一修正信號用來驅(qū)動相應已調(diào)制源發(fā)射波長趨向或到達其合需的發(fā)射波長。
2. 如權(quán)利要求l所述的單片光子集成電路(PIC)，其中所述已調(diào)制源的誤差信號和修正信號是為各個信號通道并行地推導出的。
3. 如權(quán)利要求l所述的單片光子集成電路(PIC)，其中所述透射型有源元件包括一施加的偏置，所述施加的偏置用于將每一信號通道中的輸出功率電平調(diào)整至合需功率輸出電平。
4. 如權(quán)利要求3所述的單片光子集成電路(PIC)，其中在所述反饋控制器中還為所述W匿信號部分推導出 一誤差信號，所述誤差信號指示通道輸出功率從合需功率電平的偏離，從所述誤差信號可推導出一功率修正信號用來改變向所述信號通道的所述透射型有源元件施加的偏置，從而將每通道的輸出功率電平改變到合需的輸出電平。
5. 如權(quán)利要求3所述的單片光子集成電路(PIC)，其中各個信號通道的輸出功率電平在被提供至所述光學組合器時被呈現(xiàn)為基本相等。
6. 如權(quán)利要求l所述的單片光子集成電路(PIC)，其中所述光學組合器是波長選擇性組合器或自由空間組合器。
7. 如權(quán)利要求l所述的單片光子集成電路(PIC)，其中所述透射型有源元件包括p-i-n(PIN)結(jié)器件、激光器、光學調(diào)制器、半導體光學放大器(S0A)、可變光學衰減器(VOA)、光測器(PD)、或所述已調(diào)制光源本身。
8. —種用于單片光子集成電路(PIC)的反饋系統(tǒng)，包括形成在所述PIC上的多個集成光學信號通道，在所述通道中的至少一些中具有已調(diào)制源，用于提供多個已調(diào)制通道信號，每個已調(diào)制通道信號都具有不同的預定發(fā)射波長；光組合器，用于接收所述各個已調(diào)制通道信號并將其合并成一W匿信號以供從所述電路輸出；反饋電路，被耦合成接收所述WDM信號輸出的一部分，以解調(diào)該WDM信號并且從各個已解調(diào)通道信號確定每一通道中的已調(diào)制源的發(fā)射波長是否偏離所述預定發(fā)射波長；所述反饋電路為每一信號通道并行生成代表每一信號通道的預定發(fā)射波長偏移量的誤差信號，并生成用于向所述已調(diào)制源施加發(fā)射波長變化的修正信號；以及與每一已調(diào)制源相關聯(lián)的波長補償器，用于接收各個修正信號以使得所述已調(diào)制源發(fā)射波長被調(diào)整至所述預定發(fā)射波長或接近所述預定發(fā)射波長。
9. 如權(quán)利要求8所述的反饋系統(tǒng)，還包括在每一信號通道上的集成透射型有源元件，其用于接收已調(diào)制置標信號，該已調(diào)制置標信號調(diào)制通過該元件的通道信號，每一信號通道的已調(diào)制標記信號的頻率不同，并且所述已調(diào)制標記信號的頻率范圍不同于所述通道已調(diào)制源的頻率范圍。
10. 如權(quán)利要求9所述的反饋系統(tǒng)，其中所述集成透射型有源元件是p-i-n(PIN)結(jié)器件、激光器、光學調(diào)制器、半導體光學放大器(S0A)、可變光學衰減器(VOA)、光測器(PD)、或所述已調(diào)制源本身。
11. 如權(quán)利要求9所述的反饋系統(tǒng)，其中所述已調(diào)制標記信號是低于所述已調(diào)制源的頻率的基于頻調(diào)的頻率。
12. 如權(quán)利要求8所述的反饋系統(tǒng)，其中每一已調(diào)制源包括已調(diào)制半導體激光器或帶有外置調(diào)制器的連續(xù)波半導體激光器。
13. 如權(quán)利要求8所述的反饋系統(tǒng)，其中所述W匿信號輸出部分包括對每一已調(diào)制通道信號施加的置標頻率，每一置標頻率與任何其他置標頻率都不相同；以及用于解調(diào)所述置標頻率的電路，所述置標頻率用來確定每一信號通道的當前發(fā)射波長與其預定發(fā)射波長之間的任何差異。
14. 如權(quán)利要求13所述的反饋系統(tǒng)，其中所述施加的置標頻率在所述反饋電路中用來確定通道輸出功率平并校正各通道功率電平以使其跨各信號通道基本相同。
15. 如權(quán)利要求14所述的反饋系統(tǒng)，還包括在信號通道中的一集成透射型有源元件，用于接收對其所施加的偏置作改變的功率電平校正。
16. 如權(quán)利要求8所述的反饋系統(tǒng)，還包括在每一信號通道中的一透射型有源元件。
17. 如權(quán)利要求16所述的反饋系統(tǒng)，其中所述透射型有源元件包括p-i-n(PIN)結(jié)器件、激光器、光學調(diào)制器、半導體光學放大器(S0A)、可變光學衰減器(V0A)、光測器(PD)、或所述已調(diào)制源本身。
18. 如權(quán)利要求16所述的反饋系統(tǒng)，其中一唯一生的已調(diào)制頻調(diào)頻率被施加于每一透射型有源元件作為通道識別符，所述頻調(diào)頻率在所述反饋電路中用來調(diào)整每一信號通道發(fā)射波長和功率輸出。
19. 如權(quán)利要求8所述的反饋系統(tǒng)，還包括所述反饋電路生成校正信號，所述校正信號用于在每個通道中將通道輸出功率校正置預定功率電平，并且在每一通道中的具有偏置的透射型有源元件，所述偏置由所述修正信號調(diào)整，以使得從所述有源元件輸出的通道信號被調(diào)整至所述預定功率電平或接近所述預定功率電平。
20. 如權(quán)利要求19所述的反饋系統(tǒng)，其中所有信號通道的所述預定功率電平被設置得基本相等。
21. —種在具有多個集成信號通道的單片光子集成電路(PIC)中校正信號通道發(fā)射波長和通道輸出功率的方法，包括以下步驟在所述電路中產(chǎn)生多個已調(diào)制通道信號；用唯一性的頻調(diào)頻率信號對每一已調(diào)制通道信號置標；將各個已調(diào)制通道信號在所述電路中組合成一 W匿信號，并在所述電路的輸出處提供所述WDM信號；從所述W匿信號輸出的一部分中解調(diào)出所述頻調(diào)頻率信號；以及從已解調(diào)的頻調(diào)頻率信號中推導出指示通道發(fā)射波長或通道輸出功率變化的誤差信 號；以及基于所述誤差信號推導出校正信號，以供向每一信號通道施加，用于改變通道發(fā)射波 長或通道輸出功率使其盡可能接近每一集成信號通道合需的預定發(fā)射波長和預定功率輸 出電平。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述的置標步驟是通過在對其施加所述唯一性頻 調(diào)信號的每一信號通道中使用一透射型有源元件來實行的。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，還包括偏置每一信號通道中的所述透射型有源元件并 控制所施加的偏置電平以控制通道輸出功率的步驟。
24. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中所述的在每一信號通道中施加的偏置電平被控制 得使跨各信號通道的通道輸出功率基本相等。
25. 如權(quán)利要求21所述的方法，還包括對各信號通道的已調(diào)制源施加所述校正信號以 改變其發(fā)射波長的步驟。
26. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述向已調(diào)制源施加所述校正信號的步驟是通過 改變對所述通道已調(diào)制源施加的偏置或改變所述已調(diào)制源的局部溫度來實現(xiàn)的。
27. —種從多通道發(fā)射機光子集成電路(TxPIC)產(chǎn)生多個具有預定工作特性的光學已 調(diào)制信號的方法，包括以下步驟在每一信號通道中提供一已調(diào)制源以產(chǎn)生具有預定的合需功率電平并具有預定的合 需發(fā)射波長的已調(diào)制信號，所述預定的發(fā)射波長不同于其他信號通道的預定發(fā)射波長； 在每一信號通道中提供一有源元件，意義接收所述通道已調(diào)制信號；以及 經(jīng)由所述有源元件向所述通道信號施加已調(diào)制頻調(diào)，從所述已調(diào)制頻調(diào)可同時推導出 各個通道信號相應的當前通道發(fā)射波長和功率輸出。
28. 如權(quán)利要求27所述的方法，還包括基于從所述已調(diào)制頻調(diào)推導出的信息改變各個 信號通道的發(fā)射波長的步驟。
29. 如權(quán)利要求28所述的方法，其中所述發(fā)射波長是通過改變所述已調(diào)制源上的偏置 電流或改變所述已調(diào)制源的局部溫度來改變的。
30. 如權(quán)利要求27所述的方法，基于從所述已調(diào)制頻調(diào)推導出的信息改變各個信號通 道的功率輸出。
31. 如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述功率輸出是通過改變對通道有源元件施加的 偏置來改變的。
32. 如權(quán)利要求31所述的方法，還包括保持每一通道信號的當前功率電平以使得所有 通道的功率輸出基本相同的步驟。
33. 如權(quán)利要求27所述的方法，還包括響應于確定當前發(fā)射波長偏離該信號通道的預 定發(fā)射波長，將已調(diào)制源的當前發(fā)射波長改變至預定發(fā)射波長的步驟。
34. 如權(quán)利要求33所述的方法，其中所述改變已調(diào)制源的發(fā)射波長的步驟是通過改變 所述已調(diào)制源的局部工作溫度來實現(xiàn)的。
35. 如權(quán)利要求27所述的方法，還包括以下步驟響應于確定當前功率電平偏離該信號通道的預定功率電平，改變向所述有源元件施加 的偏置以使通道信號的當前功率電平保持在預定功率電平；以及響應于確定當前發(fā)射波長偏離該信號通道的預定發(fā)射波長，將所述已調(diào)制源的當前發(fā) 射波長改變至預定發(fā)射波長。
36. —用于多通道光學發(fā)射機的波長鎖定和功率控制反饋環(huán)路，所述環(huán)路包括 多個激光器，所述多個激光器耦合到多個光學通道；通道置標元件陣列，被耦合成接收所述多個光學通道上的多個光學信號，所述通道置 標元件陣列在所述多個光學信號中的至少兩個光學信號上插入通道識別標簽；多路復用器，用于將包括所述至少兩個被置標的光學信號的所述多個光學信號組合成 一光學信號組；波長鎖定子模塊，耦合在所述反饋環(huán)路內(nèi)并用于接收所述光學信號組的至少一部分， 所述波長鎖定子模塊將所述光學信號組內(nèi)的第一光學信號分成從所述通道識別標簽推導 出的第一和第二鎖定信號，并且通過在電域中分析所述第一和第二鎖定信號來識別波長偏 移量；信號處理子模塊，耦合在所述反饋環(huán)路內(nèi)，并耦合至所述波長鎖定子模塊，所述信號處 理子模塊產(chǎn)生一包含補償所識別出的波長偏移量的信息的誤差信號；以及開關，被耦合成接收所述誤差信號，所述開關使用從所述通道識別標簽推導出的信息 來切換所述誤差信息，以使得所述第一光學信號上的波長偏移量或功率電平被調(diào)整。
37. 如權(quán)利要求36所述的反饋環(huán)路，其中所述通道置標元件陣列是選自包含前置PIN、 半導體光學衰減器、可變光學衰減器、和激光調(diào)制器的組中的元件的陣列。
38. 如權(quán)利要求36所述的反饋環(huán)路，其中所述通道識別標簽通過在所述至少兩個光學 信號中的每一個上插入一唯一性頻調(diào)頻率來識別所述多個光學通道內(nèi)的一特定光學通道， 其中所述頻調(diào)頻率低于所述至少兩個光學信號的頻率。
39. 如權(quán)利要求38所述的反饋環(huán)路，還包括第一低通光測器，耦合在所述波長鎖定子模塊內(nèi)，所述第一低通光測器從所述唯一性 頻調(diào)頻率產(chǎn)生所述第一鎖定信號；以及第二低通光測器，耦合在所述波長鎖定子模塊內(nèi)，所述第二低通光測器從所述唯一性 頻調(diào)頻率產(chǎn)生所述第二鎖定信號。
40. 如權(quán)利要求38所述的反饋環(huán)路，其中所述波長鎖定子模塊還根據(jù)跨所述多個光學 通道的合需的載波頻率分隔來識別所述波長偏移量。
41. 如權(quán)利要求40所述的反饋環(huán)路，其中所述波長鎖定子模塊使用所述第二鎖定信號 上升側(cè)上的鎖定點與一溫度敏感ITU光學載波格柵頻率的交點來進一步識別所述波長偏 移量。
42. 如權(quán)利要求36所述的反饋環(huán)路，其中所述誤差信號表示所述第一光學信號相對于 所述第一光信號的已知校準頻率目標值的平均光學載波頻率偏離。
43. 如權(quán)利要求36所述的反饋環(huán)路，其中所述誤差信號被提供至第一控制器，所述第 一控制器與所述多個激光器中的第一激光器相關聯(lián)，用以調(diào)整驅(qū)動所述第一激光器的偏置 電流。
全文摘要
在單片多通道TxPIC的每一信號通道中設置一透射型有源通道元件，其中每一通道還包括一已調(diào)制源。該有源通道元件既起到同時檢測和調(diào)節(jié)每一信號通道的輸出通道信號電平的功率控制元件的作用，又起到用于提供對已調(diào)制源的波長鎖定的通道波長置標或標記的調(diào)制器的作用。其功率調(diào)節(jié)功能也被用來控制每一通道的通道信號功率輸出以使其跨通道信號陣列一致。所有的這些功能是由反饋環(huán)路使用數(shù)字信號處理來執(zhí)行的。
文檔編號H04B10/564GK101789828SQ200910258549
公開日2010年7月28日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月30日
發(fā)明者A·C·尼爾森, P·N·弗利曼, R·W·史密斯, Y·卡甘 申請人:英飛聶拉股份有限公司;A·C·尼爾森;R·W·史密斯;Y·卡甘;P·N·弗利曼