基于数字微扰信号的微环波长锁定系统及方法

技术领域

本发明属于微环波长控制技术领域，具体涉及一种基于数字微扰信号的微环波长锁定系统及方法。

背景技术

目前，基于微环谐振器已经设计出激光器、滤波器、光开关、调制器等光子器件。受限于硅基材料热光系数高，硅基微环谐振器在实际应用中极易因环境温度发生变化而产生波长失谐，从而导致器件偏移最佳工作波长点。此外，实际加工制造误差的存在也会导致器件的实际谐振波长与设计的谐振波长有所偏差。目前，为解决环境温度波动和制造误差影响微环谐振波长的问题，监视微环波长失准后引起的参数变化，通过对集成在微环上的微加热器施加合适的加热功率来抵消环境温度的影响，形成闭环控制系统来保持谐振波长与目标波长的始终对齐是常用的波长锁定方法。

监视微环波长失准引起的参数变化可以是误码率、温度、光功率等，比较常用的是监测光功率变化，但这些方法往往由于输入光功率的不稳定而导致锁定发生偏差；同时由于微环的传输谱为一个对称的谱线，这导致在锁定时不能直接判断温度的偏移方向，从而导致无法正确的改变加热功率来保证实时波长锁定使得锁定效率低下。

在外围电路上通过信号发生器产生微扰信号并进行一系列电路上的信号处理来提取微环加热功率与光谱的一阶导数信息，并通过一阶导数正负来精确判断温度的偏移方向控制技术成熟、控制算法简单。但是该方法存在一些问题，首先需要产生一个幅度、频率和波形可调的信号发生器，增加了波长锁定成本；其次，在对电路上进行模拟信号处理时需要构造乘法器、放大器和低通滤波器等相关模拟电路，对于不同结构微环谐振器需要使用不同的微扰信号，在模拟电路上进行相关参数的修改过于繁琐。总而言之，该方法在一定程度上增加了波长锁定的成本，并且在模拟电路上进行信号处理灵活性差，对于不同参数的微环波长锁定兼容性差。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种基于数字微扰信号的微环波长锁定系统及方法，相比较在模拟电路上实现微扰信号的方案成本更低、对不同参数的微环波长锁定兼容性高。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于数字微扰信号的微环波长锁定系统，包括激光器、微环待测系统、光电探测器以及MCU控制单元；

其中，MCU控制单元集成了16位DAC和16位ADC；

微环待测系统包括集成了微加热器的微环本体、直波导、输入端以及直通端；

工作时，激光器产生单波长光信号经过输入端耦合进微环待测系统，直通端光信号由光电探测器转变为电信号经16位ADC采集；16位DAC在输出直流偏置电压的基础上，通过数字的方式产生周期正弦微扰信号与直流偏置电压叠加作用在微加热器上；采集直通端输出光电压信号，与正弦微扰信号相乘得到混合信号，依据误差信号的符号来判断微加热器加热功率增大或减小。

本发明还包括基于提供的所述微环波长锁定系统的微环波长锁定方法，包括：

全局扫描阶段，通过等步长递增加热功率得到全局最佳直流偏置电压数字值；

局部锁定阶段，通过在全局最佳直流偏置数字值的基础上构造周期正弦微扰信号数字值数组，作用于微环后在直通端得到光电压数组，与正弦微扰信号相乘得到混合信号，再对混合信号进行求和得到误差信号，依据误差信号的符号来判断直流偏置电压增大或减小。

进一步的，全局扫描阶段具体为：

构造等加热功率步长的DAC数字值数组，确定全局最佳直流偏置电压数字值：

设定最大加热功率P

当采用n位DAC输出加热电压时，对应的DAC的数字值DAC

DAC

其中，U

将构造的等加热功率步长的DAC数字值数组依次输出到DAC上，经过热调驱动电路放大施加在微加热器上，记录每次改变DAC数字值后的直通端光电压值为[Y

当微环的谐振波长与信号波长对齐时，直通端的光电压值最小，比较得到过程中的直通端光电压值数组得到最小值Y

进一步的，局部锁定阶段具体包括：

在全局最佳直流偏置电压数字值处构造微扰信号数字值数组；

采集直通端光功率得到直通端光电压数组；

直通端光电压数组与微扰信号相乘并求和得到误差信号；

根据误差信号改变最佳直流偏置电压数字值。

进一步的，在全局最佳直流偏置电压数字值处构造微扰信号数字值数组，具体为：

构造微扰信号DAC数字值数组

其中，A是微扰信号的幅值，i

微扰信号DAC数字值数组加上全局最佳直流偏置数字值X

进一步的，采集直通端光功率得到直通端光电压数组，具体为：

将构造的微扰信号数字值数组依次输出到DAC上，经过放大施加在微加热器上，每次改变DAC数字值后，直通端光信号经过光电探测转换为光电压信号直接由ADC转换为数字信号得到直通端光电压数组V_Th[i]。

进一步的，直通端光电压数组与微扰信号相乘并求和得到误差信号，具体为：

将平滑处理后的直通端光电压数组V_Th[i]与微扰信号数组

进一步的，根据误差信号改变最佳直流偏置电压数字值，具体为：

误差信号小于0时，说明直流偏置电压过低导致微环谐振器的谐振波长处于信号波长的左边，需要增加直流偏置电压数字值；当误差信号大于0时，说明直流偏置电压过高导致微环谐振器的谐振波长处于信号波长的右边，需要减小直流偏置电压数字值；

根据误差信号的正负来改变全局最佳直流偏置电压数字值X

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提出基于数字微扰信号的微环波长锁定方法，使用数字方式产生微扰信号，不需要使用信号发生器产生微扰信号，降低了微环波长锁定的成本；在处理器内部进行相关的信号处理，相对于基于模拟电路的信号处理更为灵活；对不同参数的微环波长锁定只需要在程序上进行相应修改即可满足要求。

附图说明

图1是本发明系统的示意图；

图2是本发明方法的流程图；

图3是直通端传输谱线图；

图4是误差信号和直通端光电压信号示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，基于数字微扰信号的微环波长锁定系统，包括激光器、微环待测系统、光电探测器以及MCU控制单元；

其中，MCU控制单元集成了16位DAC和16位ADC；

微环待测系统包括集成了微加热器的微环本体、直波导、输入端以及直通端；

工作时，激光器产生单波长光信号经过输入端耦合进微环待测系统，直通端光信号由光电探测器转变为电信号经16位ADC采集；16位DAC在输出直流偏置电压的基础上，通过数字的方式产生周期正弦微扰信号与直流偏置电压叠加

其中，V是直流偏置电压，A是正弦微扰信号的幅值，由于调制的微扰交流信号相对对于直流偏置电压足够小，则不考虑该过程引入的非线性部分，直通端的光电转换信号还是类正弦信号。

设微环的中心波长的改变为

如图2所示，在另一个实施例中，提供了上述实施例系统的微环波长锁定方法，包括：

全局扫描阶段：

构造等加热功率步长的DAC数字值数组，确定全局最佳直流偏置电压数字值。首先确定最大加热功率P

局部锁定阶段，包括：

在全局最佳直流偏置电压数字值处构造微扰信号数字值数组；

首先构造微扰信号DAC数字值数组

采集直通端光功率得到直通端光电压数组；

将构造的微扰信号数字值数组依次输出到DAC上，经过热调驱动电路放大施加在微环加热器上，每次改变DAC数字值后，直通端光信号经过光电探测转换为光电压信号直接由16位ADC转换为数字信号得到直通端光电压数组V_Th[i]。

直通端光电压数组与微扰信号相乘并求和得到误差信号；

将平滑处理后的直通端光电压数组V_Th[i]与微扰信号数组

根据误差信号改变最佳直流偏置电压数字值；

误差信号小于0时，说明直流偏置电压过低导致微环谐振器的谐振波长处于信号波长的左边，需要增加直流偏置电压数字值；当误差信号大于0时，说明直流偏置电压过高导致微环谐振器的谐振波长处于信号波长的右边，需要减小直流偏置电压数字值。根据误差信号的正负来改变全局最佳直流偏置电压数字值X

在本实施例中，在全局扫描阶段将最大加热功率P

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。