波长可调谐激光器的自动化测试控制系统及方法

专利名称：：波长可调谐激光器的自动化测试控制系统及方法
技术领域：
：本发明涉及激光器
技术领域：
，特别是一种波长可调谐激光器的自动化测试控制系统及方法。
背景技术：
：波长可调谐激光器具有高速率、低啁啾(在半导体激光器中，载流子和光子场之间有很强的耦合作用。强度调制会同时造成频率或相位的调制。它们互相之间联系的机制在于有源区内载流子浓度的变化会引起光增益的变化，从而使有效折射率变化。强度调制与频率调制的相关性导致了谱线的动态展宽，通常用调制功率比的啁啾来描述这一特性(GHz/mW)。也就是说，半导体激光器在受到直接强度调制时，在每一个调制周期中，激光器的模式频率会产生周期性移动，通常把这种频移现象叫做频率啁啾(Chirp))。功耗小、结构紧凑、波长快速调谐的特点，是密集波分复用(DWDM)光纤通信系统中的理想光源，可以增加系统的传输容量、灵活性和可扩展性。波长可调谐激光器有三种基本的结构1)基于边发射结构的单片集成可调谐激光器；2)基于外腔的可调谐激光器；3)垂直腔面发射可调谐激光器。其中基于边发射结构的单片集成可调谐激光器具有以下优点1)通过电注入改变折射率实现调谐，具有纳秒量级的调谐速度，可以满足光包交换的需求；2)制作工艺相对简单；3)可以与光子器件单片集成，形成集成光学子系统以完成更复杂的功能。本系统主要应用于具有前后两个光栅的基于边发射结构的单片集成波长可调谐DBR激光器，激光器结构如图1所示，前后光栅区、增益区、相位区的四段式波长可调谐DBR激光器的结构示意图。本发明自动化测试控制系统主要以这种结构的波长可调谐激光器为背景搭建，并可以扩展到其他结构的波长可调谐激光器。其中增益区电流2用于给激光器提供泵浦，在测试控制过程中保持不变，相位区电流3用于实现激射的相位阈值条件，改变FP腔模式的峰值波长，在一小段范围内(相邻FP模式波长间隔)实现连续调谐，并可以改善边模抑制比，后光栅电流1和前光栅电流4的改变会实现跳变的波长调谐。为了实现在DWDM系统中的应用，波长可调谐激光器需要工作在ITU规定的信道上，因此必须精确地锁定工作波长，通常采用F-P标准具来实现监控和锁定功能。为了完成上述功能，必须首先对其波长调谐特性进行详细的测试，并建立数据库作为波长锁定的基础。对于波长可调谐激光器的测试，传统的方法是将调谐电流源连接到激光器的光栅区，将激光器的输出光通过透镜耦合进光纤之中，由光纤将光导入光谱分析仪进行光谱特性测试，在这个过程中，需要手工调节电流大小、控制光谱分析仪扫描参数以及进行扫描，这样做的缺点是耗时费力，容易出现错误，不适合大规模大范围精细扫描，测试结果需要手动纪录不适合建立数据库。一种改进的方法是使用专用集成电路或单片机代替手工操作，如图2所示，其主要改进在于由专用集成电路或单片机来对完成电流扫描控制和光谱分析仪数据的采集。在这种测试系统中，以上三部分通过硬件连接形成固定的系统，其优点是操作精确便捷，数据传输、处理速度快，在从前个人计算机性能还比较低下的时代这一优点相当明显。缺点是可用内存空间不利于大规模测试数据，测试过程缺乏可视化，固定连接的测试仪器缺乏灵活性，只能完成固定的功能，不利于测试系统的升级和功能扩展，这显著提高了测试过程的成本。PC机技术的高速发展，特别是CPU速度和计算机接口速度的迅猛提高，使PC机进入到测试领域，并逐步取代专用集成电路或单片机。一个使用PC机的测试系统如图3所示，输入端口和输出端口通过标准的接口(比如AD/DA串口或GPIB接口)实现与PC机的连接，针对于专门用途的数据处理、分析和控制功能由计算机软件程序来实现。由于使用软件程序而不是具体的物理设备来实现测试系统，采用PC机的测试系统又被称为虚拟仪器(VIVirtualInstrument)。虚拟仪器的优点是成本低廉、功能灵活丰富，可扩展性强，便于编制和操作。美国国家仪器公司(NationalInstruments)的虚拟仪器开发环境LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)使用数据流描述程序的行为，符合工程技术人员的思维方式，是一种图形化编程语言，用它编制的程序称为虚拟仪器(VI)，VI由前面板和数据流框图组成前面板是用户交互界面，负责接受用户输入并把程序运行结果显示出来；数据流框图是程序的后台编码。
发明内容本发明的目的是针对传统的波长可调谐激光器测试和控制方法中，操作耗时费力、容易出现错误、不适合大规模大范围精细扫描、测试结果不适合建立数据库进行分析控制、系统功能单一不够灵活的问题，提供一种波长可调谐激光器的自动化测试、控制系统。这种自动化系统以虚拟仪器的概念为基础，通过GPIB总线实现计算机程序和程控电流源、光谱分析仪之间的通信，以LabVIEW下编制的测试和控制虚拟仪器程序为内核，可以实现波长可调谐激光器的自动化测试和控制。这种系统的好处是成本低、操作简便快捷准确、适合建立大规模测试数据库、功能灵活丰富、可扩展性强。本发明一种波长可调谐激光器的自动化测试、控制系统，其特征在于，该系统包括硬件连接和软件实现两部分。硬件连接方式如图4所示，PC主板上安装GPIB板卡，从GPIB板卡上引出GPIB总线分别连接到光谱分析仪(AdvantestQ8384或AnristsuMS9001)和程控电流源(IXlightwaveLDX3200)的GPIB接口，并且在光谱分析仪和程控电流源上设置它们的GPIB访问地址。测试样品(波长可调谐激光器)烧结在铜热沉，铜热沉再固定在热电致冷器(TEC)上，用温度控制仪表(Keithley2510)进行控温。通过直流电源在增益区加一固定电流，把两个程控电流源分别加在前后取样光栅上用于调谐，通过透镜把激光器的光耦合到多模光纤中，进入光谱分析仪进行扫描。所述波长可调谐激光器为通过注入电流调谐波长的分布布拉格反射式半导体激光器(DBR)。如取样光栅DBR激光器(SGDBR)。所述虚拟仪器程序在支持GPIB编程的虚拟仪器开发环境下编写。如NI公司的LabVIEW、Keithley公司的Testpoint、微软公司的VisualBasic。所述虚拟仪器程序可以根据不同的应用需求或者不同的硬件连接，灵活的扩展或更改。软件实现分为测试部分和控制部分。测试部分的虚拟仪器前面板如图5所示，在该面板上，可以记录测试的环境条件，如测试温度，编号，增益区电流等，可以设定前后光栅电流的扫描范围、扫描点数、中心波长、光谱分析仪的扫描范围、取样点的数量、光谱功率参考位置、平均次数等参数。点击面板上的SWEEP按钮，就会进入自动测试，并把测试条件和参数记录到一个名为info的文本文件里。程序按照用户输入的测试条件初始化光谱分析仪和程控电流源，并对每组光栅电流的组合，控制程控电流源驱动波长可调谐激光器发出不同波长的激光，光谱分析仪受控做一次扫描，并把扫描数据传回到测试程序里。每次扫描的光谱图会显示在面板上，并同时记录在一个光谱数据文件里。与此同时计算出边模抑制比、中心波长，与相应的工作电流值一起记录在一个文本格式文件的数据文件中，形成可调谐激光器的波长调谐特性数据库，测试数据库文件内容如图9所示。详细的程序流程图如图6所示控制部分的虚拟仪器前面板如图7所示，点击“打开info文件”并在弹出的对话框中选中要处理的测试目录下的info文件，这样控制程序就将当初的测试条件和参数加载进来。通过光谱仪初始化以后，在“查询表生成”卡片中，用户输入挑选条件——最小边模抑制比，然后点击“生成查询表”，程序就会在测试数据库文件中挑选满足用户要求的数据，按波长升序生成一个查询表文件，文件内容如图10所示，(即table.txt，查询条件是边模抑制比大于30dB)，同时在面板左下方的表格里显示出查询表文件的内容，其中遇到同一波长的两个数据都满足条件时，取边模抑制比大的数据。在“波长控制”卡片中，用户输入想要的波长，程序在查询表文件中查找，如果有满足条件的数据，就用相应的电流驱动激光器输出该波长，并控制光谱分析仪完成一次扫描，在面板上有两个光谱图，上方的光谱图显示原有的测试结果，下方的光谱图为当前从新扫描的结果，通过精确控制激光器的工作温度和调谐电流，实现了波长控制输出实验重复误差小于0.1nm。图8为详细的控制部分程序流程图。如果通过手工操作，波长可调谐激光器的波长调谐特性测试是一项工作量非常巨大的工作，对于带有两个光栅区的波长可调谐激光器而言，如果每个光栅电流测试从1mA到50mA的50个点，就需要50×50＝2500个工作点，每个工作点需要准确调节电流值，并用光谱分析仪进行扫描以精确确定工作波长和边模抑制比，并且要手工记录测试数据，这在无形中就增加了工作的劳动量和出错的几率。而使用自动测试系统后，只要在虚拟仪器界面上设置好扫描条件，系统就通过GPIB互连自动完成测试并建立数据库，无需任何附加的人工操作，既省时省力又使测试精度大幅提高，可以通过修改程序扩充系统功能，并可以使测试系统适用于各种电调谐的波长可调谐激光器。自动控制系统的优点是使用户在庞大的测试数据中很快建立自己想要的数据库，并且可以直接输入想要的波长来驱动激光器，而不必自己查询该波长对应的电流，然后在调节电流源驱动激光器。这种功能大大简便了用户对激光器的操作，并且能够应用到DWDM波长信道的控制中。该系统的硬件系统由计算机(PCPersonalComputer)、通用集成总线(GPIBGeneralPurposeIntegratedBus)板卡及数据线、光谱分析仪、程控电流源、直流电源、温度控制仪、透镜和光纤组成，用GPIB总线将计算机、程控电流源、光谱仪连接起来实现命令和数据的传输；该系统的软件系统由在美国国家仪器公司(NationalInstruments)的虚拟仪器开发环境LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)下编制的测试和控制虚拟仪器(VIVirtualInstrument)程序组成。通过该系统的测试部分，用户可以在测试程序界面上控制波长可调谐激光器调谐电流(主要是光栅区电流)的自动扫描，实现激光器的波长调谐，并且将不同扫描电流下由光谱分析仪测得的激光器的光谱特性反馈回计算机，由程序建立测试数据库；通过该系统的控制部分，控制程序根据用户对边模抑制比(SMSR)的要求从测试数据库中挑选满足条件的数据组建查询数据库，当用户需要激光器工作在某个波长时，只需要输入波长值，程序会自动在查询数据库中查找满足条件的波长，并用相应电流值驱动激光器工作在该波长下。这种自动化系统由于使用虚拟仪器的概念，使得大规模测试数据库的建立以及对激光器波长的控制更为快捷和准确，并且具有成本低、功能集成度高、可扩展性强的特点，可以适用于不同种类的通过电流调谐的波长可调谐激光器。一种波长可调谐激光器的自动化测试、控制系统，该系统，由计算机、GPIB板卡及数据线、光谱分析仪、程控可控电流源、直流电源、温度控制仪、热电致冷器、激光器、透镜和光纤组成，GPIB板卡连接于光谱分析仪和程控可控电流源，温度控制仪连接于热电致冷器，热电致冷器连接于激光器，光信号通过透镜和光纤传送到光谱分析仪，上述过程是用GPIB总线将计算机、程控电流源、光谱分析仪连接起来实现命令和数据的传输。一种波长可调谐激光器的自动化测试、控制方法，软件系统由虚拟仪器开发环境下编制的测试和控制虚拟仪器程序组成，通过该系统的测试部分，用户可以在测试程序界面上控制波长可调谐激光器调谐电流的自动扫描，实现激光器的波长调谐，并且将不同扫描电流下由光谱分析仪测得的激光器的光谱特性反馈回计算机，由程序建立测试数据库；通过该系统的控制部分，控制程序根据用户对边模抑制比的要求从测试数据库中挑选满足条件的数据组建查询数据库，当用户需要激光器工作在某个波长时，只需要输入波长值，程序会自动在查询数据库中查找满足条件的波长，并用相应电流值驱动激光器工作在该波长下。为了清楚地解释本发明的技术特征，下述部分附图出现在
发明内容之中，并且为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中图1是具有前后光栅区、增益区、相位区的四段式波长可调谐DBR激光器的结构示意图。图2是使用专用集成电路或单片机的测试控制系统的示意图。图3是使用PC机的测试控制系统(即虚拟仪器)的示意图。图4是本发明自动测试、控制系统的硬件连接方式示意图。图5是本发明自动测试系统虚拟仪器的前面板示意图。图6是本发明自动测试系统虚拟仪器的程序流程图。图7是本发明自动控制系统虚拟仪器的前面板示意图。图8是本发明自动控制系统虚拟仪器的程序流程图。图9是本发明自动测试系统生成的波长调谐特性数据库文件部分内容的示意图。图10是本发明自动控制系统生成的查询表文件部分内容的示意图。图11是一个取样光栅DBR激光器的光谱测试统计结果图。图12是图11中满足SMSR＞30dB条件的数据的光谱图。具体实施例方式图4是本发明自动测试控制系统的硬件连接方式示意图。在图示情况下，在计算机主板上安装好GPIB板卡，并在计算机系统中装好GPIB的驱动程序。共用3条GPIB总线进行通信，把3条GPIB总线的一端都连接在GPIB板卡的接口上(GPIB接口是可叠加扩展的)，另一端分别连接到光谱分析仪AdvantestQ8384(或AnristsuMS9001)和2个程控电流源IXlightwaveLDX3200的GPIB接口上，并且在光谱分析仪上设置GPIB地址为8，在驱动后光栅的程控电流源上设置GPIB地址为1，在驱动前光栅的程控电流源上设置GPIB地址为2。把带有前后取样光栅的四段式DBR激光器(SGDBR)烧结在铜热沉，铜热沉再固定在TEC上，用温度控制仪表Keithley2510连接TEC从而对激光器进行控温。用直流电源在增益区加一固定电流作为工作电流，把两个程控电流源分别加在前后取样光栅上作为调谐电流，通过透镜把激光器发射出的光耦合到多模光纤中，并通过光纤引入光谱分析仪。图5、图6分别描述了自动测试系统虚拟仪器SGDBRMeasurement.vi的前面板、程序流程图。本系统主要流程可划分为四步第一步，通过GPIB指令对光谱分析仪和程控电流源进行初始化；第二步，建立保存测试数据的目录和文件；第三步，通过两层循环扫描后光栅和前光栅电流，在每组电流下测试激光器的光谱特性，计算SMSR，并保存每组的条件和结果；第四步，测试结束后建立信息文件，并支持动态调用控制系统的虚拟仪器。具体步骤参照图6。设计时，需要先在LabVIEW的前面板(FrontPanel)上添加人机交互所需要的元素，包括数据输入框、数据显示框、XY坐标图、按钮、文字提示。在LabVIEW的数据流框图(BlockDiagram)中，找到前面板上各个元素在数据流程图中对应的终端。在设计数据流框图时，先确定数据流的起点，即按钮SWEEP被触发，根据前面板的数据输入初始化光谱分析仪和程控电流源，光谱分析仪初始化由子模块Ms9001Init.vi或Q8384Init.vi完成，程控电流源初始化由子模块LDX3220Init.vi完成，上述子模块的内部实现主要是参阅设备说明书的GPIB编程章节。之后以待测激光器编号和测试编号为名建立测试目录，在其中建立spectrum目录用来保存每个扫描电流下的光谱图数据文件，建立spectrum.txt作为测试数据库文件。然后通过两层嵌套的循环实现电流扫描、光谱分析仪扫描和数据采集，外循环为后光栅扫描电流，内循环为前光栅扫描电流，在内循环体中的子模块LDX3220SetCurrent.vi用于为程控电流源设置电流值，子模块Ms9001Sweep.vi或Q8384Sweep.vi用于控制光谱仪进行一次扫描，子模块SMSR.vi用来计算边模抑制比，子模块DatatoString.vi用来把当前增益区、相位区、前后光栅区电流以及峰值波长、边模抑制比按规定形式组成一个数据行，添加到spectrum.txt文件当前位置下。最后建立info.txt文件存储测试条件和参数。另外，触发按钮CONTROL则会进入Dynamic.vi子模块，由该子模块调用程序SGDBRCTRLforDynamic.vi对刚刚测试生成的数据进行处理。图7、图8分别描述了自动控制系统虚拟仪器SGDBRCTRL.vi的前面板、程序流程图。设计方法和SGDBRMeasurement.vi相似，程序主体分为三步第一步，读取测试条件和参数，初始化光谱分析仪、程控电流源和控制程序参数；第二步，根据用户的要求，通过测试数据文件spectrum.txt生成满足条件的查询数据库文件table.txt；第三步，从table.txt文件中读入数据，实现用户对波长的控制。具体步骤参照图8。通过这套波长可调谐激光器的自动化测试控制系统，我们建立了很多取样光栅DBR激光器(SGDBR)的测试数据库和查询数据库，作为一种测试手段，本发明的自动化系统可以很方便地对波长可调谐激光器的调谐性能进行衡量，从而从众多的激光器中挑选出符合ITU通信信道标准的激光器，图11是一个SGDBR的测试统计结果，其中每个数据点表示一个扫描电流下的光谱特性，横坐标是调谐的光谱覆盖范围，纵坐标是边模抑制比，图中挑选的条件是边模抑制比大于30dB，图12是满足图11挑选条件的光谱图，可见这个激光器经过适当的改进后就能买足DWDM系统应用的需求。尽管参照其特定的实施例详细地展示和描述了本发明，但还应该指出，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变，而不脱离所附权利要求限定的本发明的范围。权利要求1.一种波长可调谐激光器的自动化测试、控制系统，其特征在于，该系统，由计算机、GPIB板卡及数据线、光谱分析仪、程控可控电流源、直流电源、温度控制仪、热电致冷器、激光器、透镜和光纤组成，GPIB板卡连接于光谱分析仪和程控可控电流源，温度控制仪连接于热电致冷器，热电致冷器连接于激光器，光信号通过透镜和光纤传送到光谱分析仪，上述过程是用GPIB总线将计算机、程控电流源、光谱分析仪连接起来实现命令和数据的传输。2.根据权利要求1所述的波长可调谐激光器的自动化测试、控制系统，其特征在于，所述光谱分析仪和程控电流源均支持GPIB通信，光谱分析仪使用AdvantestQ8384或AnristsuMS9001，程控电流源使用IXlightwaveLDX3200。3.根据权利要求1所述的波长可调谐激光器的自动化测试、控制系统，其特征在于，所述波长可调谐激光器为通过注入电流调谐波长的分布布拉格反射式半导体激光器，如取样光栅DBR激光器。4.根据权利要求1所述的波长可调谐激光器的自动化测试、控制系统，其特征在于，所述虚拟仪器程序在支持GPIB编程的虚拟仪器开发环境下编写，如NI公司的LabVIEW、Keithley公司的Testpoint、微软公司的VisualBasic。5.根据权利要求1所述的波长可调谐激光器的自动化测试、控制系统，其特征在于，所述虚拟仪器程序可以根据不同的应用需求或者不同的硬件连接，灵活的扩展或更改。6.一种波长可调谐激光器的自动化测试、控制方法，其特征在于，软件系统由虚拟仪器开发环境下编制的测试和控制虚拟仪器程序组成，通过该系统的测试部分，用户可以在测试程序界面上控制波长可调谐激光器调谐电流的自动扫描，实现激光器的波长调谐，并且将不同扫描电流下由光谱分析仪测得的激光器的光谱特性反馈回计算机，由程序建立测试数据库；通过该系统的控制部分，控制程序根据用户对边模抑制比的要求从测试数据库中挑选满足条件的数据组建查询数据库，当用户需要激光器工作在某个波长时，只需要输入波长值，程序会自动在查询数据库中查找满足条件的波长，并用相应电流值驱动激光器工作在该波长下。7.根据权利要求6述的波长可调谐激光器的自动化测试、控制方法，其特征在于，自动测试系统虚拟仪器的步骤如下第一步，通过GPIB指令对光谱分析仪和程控电流源进行初始化；第二步，建立保存测试数据的目录和文件；第三步，通过两层循环扫描后光栅和前光栅电流，在每组电流下测试激光器的光谱特性，计算SMSR，并保存每组的条件和结果；第四步，测试结束后建立信息文件，并支持动态调用控制系统的虚拟仪器。8.根据权利要求6述的波长可调谐激光器的自动化测试、控制方法，其特征在于，自动测试系统虚拟仪器的步骤，程序主体分为三步第一步，读取测试条件和参数，初始化光谱分析仪、程控电流源和控制程序参数；第二步，根据用户的要求，通过测试数据文件spectrum.txt生成满足条件的查询数据库文件table.txt；第三步，从table.txt文件中读入数据，实现用户对波长的控制。全文摘要本发明涉及激光器
技术领域：
，特别是一种波长可调谐激光器的自动化测试控制系统及方法。该系统，由计算机、通用接口总线(GPIB)板卡及数据线、光谱分析仪、程控可控电流源、直流电源、温度控制仪、热电致冷器、激光器、透镜和光纤组成，GPIB板卡连接于光谱分析仪和程控可控电流源，温度控制仪连接于热电致冷器，热电致冷器连接于激光器，光信号通过透镜和光纤传送到光谱分析仪，上述过程是用GPIB总线将计算机、程控电流源、光谱分析仪连接起来实现命令和数据的传输。文档编号H04B10/00GK1995936SQ20051004829公开日2007年7月11日申请日期2005年12月31日优先权日2005年12月31日发明者王路,赵玲娟,张靖,俞涛,王鲁峰,王圩申请人:中国科学院半导体研究所