一种减小激光器突发模式下波长漂移的方法及激光器与流程

本发明涉及一种减小波长漂移的方法及激光器，属于光通信技术领域，具体涉及一种减小激光器突发模式下波长漂移的方法及激光器。

背景技术：

随着信息传输带宽的需求一直在以爆炸的速度增长，为满足网络流量的飞速发展，在骨干层网络，40gbps、100gbps光网络已经开始商用部署，400gbps或1tbps光通信系统也开始研究。在接入网络层面，也必然对网络流量和多业务支持提出了更高要求。目前接入网中pon(passiveopticalnetwork,无源光网络)技术的应用越来越广泛，而且，相对应不同的业务和标准，出现了多种pon系统，如epon(ethernetpassiveopticalnetwork，以太无源光网络)，gpon(gigabit-capablepassiveopticalnetwork，吉比特无源光网络)，xgpon(10-gigabit-capablepassiveopticalnetwork，10g吉比特无源光网络)，twdm-pon(timeandwavelengthdivisionmultiplexedpassiveopticalnetwork，时分波分复用无源光网络)等。其中，twdm-pon已被确定为下一代pon技术。在twdm技术中，需要激光器在突发模式下工作，激光器需在突发开启(burst-on)和突发关断(burst-off)两种状态下快速切换。一般而言，激光器突发工作时，burst-on时给激光器芯片加载电流，激光器芯片温度高，burst-off时不给激光器芯片加载电流，芯片温度低，即burst-on/burst-off时激光器芯片温度不稳，出现温度波动。由于激光器的出光波长与激光器芯片的温度相关，温度越高波长越长，故burst-on/burst-off时，激光器芯片的温度波动，会导致激光器出光波长波动，即波长漂移。虽然在dfb(distributedfeedback，分布反馈激光器)、eml(electro-absorptionmodulatedlaser，电吸收调制激光器)等激光器器件中，会在芯片下加tec(thermo-electriccooler，半导体制冷器)控制芯片温度以期使得出光波长不变，但是受限于tec的响应速率以及封装结构导致的tec距离芯片相对较远，且芯片发热较为集中，热传导所耗时间较长，故在突发模式下，芯片温度仍然存在不稳，激光器突发模式下也会存在较大波长漂移。而twdm-pon系统中，还存在波分复用，即有多个波长通道，而相邻通道间的波长间隔很小，为0.85nm或者更小，激光器突发模式下，波长漂移过大会造成通道间的串扰，故需要减小激光器突发模式下的波长漂移来避免通道间串扰。

查阅文献，有不少减小波长漂移的方法，如中国专利申请“201580051792.8突发模式激光器波长漂移的热补偿”采用激光器芯片上集成加热器的方法减小突发模式激光器波长漂移，中国专利申请“201610742113.8一种波长漂移的补偿方法和补偿装置”采用电路方法，直接对激光器进行补偿，减小波长漂移。

目前，主要有以下几类减小激光器突发模式下的波长漂移的方法，芯片集成电光开关、采用soa光开关实现突发、激光器芯片上集成加热电阻对芯片进行温度补偿、电路补偿法等。其中，电光开关插损较大，会严重影响出光功率；soa光开关工作电流大，能耗较高，而且会引入较大噪声，降低信号质量；芯片集成加热器，对芯片制造工艺提出了更高要求，同时增加了相关器件封装难度；电路补偿法，增加了电路设计和控制难度。

技术实现要素：
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为了解决突发模式下的波长漂移问题，本发明提出了一种减小激光器突发模式下波长漂移的方法及激光器。该方法及激光器采用石墨烯，gaas量子阱材料、色心晶体等饱和吸收材料，配合激光器芯片突发电流控制系统，降低突发模式下，激光器芯片在burst-on/burst-off时的温度差，减小突发模式下激光器芯片的温度波动范围，进而减小激光器出光波长漂移量的方法。

本发明通过以下方案来解决上述问题：

一种减小激光器突发模式下波长漂移的方法，在激光器出光口的光路上插入饱和吸收材料，并且，在突发模式关闭时用于控制激光器发光的电流不为零。

优选的，上述的一种减小激光器突发模式下波长漂移的方法，所述饱和吸收材料选自石墨烯、gaas量子阱材料、色心晶体、有机染料中的一种或多种。

优选的，上述的一种减小激光器突发模式下波长漂移的方法，所述饱和吸收材料以镀膜的方式设置于光路上。

优选的，上述的一种减小激光器突发模式下波长漂移的方法，激光器发出的光依次通过饱和吸收材料、滤光片、插针后接入外部光网络。

优选的，上述的一种减小激光器突发模式下波长漂移的方法，突发模式关闭时的最大可加载电流通过求解以下公式确定，其中，最大可加载电流不大于从公式中所求解的加载电流i：

f(i)*(1-t(f(i)))＝poff

式中，激光器的出光功率p与加载电流i的函数关系p＝f(i)，饱和吸收材料对光的吸收率α与入射光强度p的关系为函数关系α＝t(p)，poff为突发模式关闭时能够被饱和吸收材料吸收的最大光功率。

一种减小突发模式下波长漂移的激光器，包括：设置于出光口光路上的饱和吸收材料、用于在突发模式关闭时向激光器提供加载电流的电流控制模块；其中，所述加载电流不为零。

优选的，上述的一种减小突发模式下波长漂移的激光器，所述饱和吸收材料选自石墨烯、gaas量子阱材料、色心晶体、有机染料中的一种或多种。

优选的，上述的一种减小突发模式下波长漂移的激光器，所述饱和吸收材料以镀膜的方式设置于光路上。

优选的，上述的一种减小突发模式下波长漂移的激光器，激光器发出的光依次通过饱和吸收材料、滤光片、插针后接入外部光网络。

优选的，上述的一种减小突发模式下波长漂移的激光器，电流控制模块在突发模式关闭时的提供的加载电流满足下式：

f(i)*(1-t(f(i)))＝poff

式中，激光器的出光功率p与加载电流i的函数关系p＝f(i)，饱和吸收材料对光的吸收率α与入射光强度p的关系为函数关系α＝t(p)，poff为突发模式关闭时能够被饱和吸收材料吸收的最大光功率。

因此，本发明专利具有以下优点：

1本发明专利所采用的饱和吸收材料，如石墨烯，gaas量子阱材料、色心晶体、有机染料等，有较好的生产、加工技术，便于产业化；

2本发明专利所采用的饱和吸收材料，为无源使用，不需外加电流、磁场、热等进行控制，能耗低，使用简单，响应时间短，可达纳秒级，满足高频状况使用要求；

3本发明专利所采用的饱和吸收材料，仅需制成薄膜或者薄片即可满足使用需求，体积小；

4本发明专利所采用的饱和吸收材料，在饱和状态下，光的透过率很高，接近100％，插损较小；

5本发明专利采用饱和吸收材料减小激光器突发模式下的波长漂移，仅需将相关材料插入光路合适位置或者在器件内合适的表面涂镀相关材料即可，无需对现有系统和器件做大的改动，成本低，工艺简单，兼容性好；

6本发明专利直接用突发电流进行补偿，无需另加控制部件和控制电路，简化了电路结构。

附图说明：

图1、系统功能框图；

图2、激光器芯片封装示意图；

图3、饱和吸收特性曲线；；

图4-1是普通激光器突发模式电流控制示意图；

图4-2是本实施例激光器突发模式电流控制示意图；

图5、实施例1器件示意图。

具体实施方式：

下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。本发明涉及一种采用石墨烯材料、gaas量子阱材料、色心晶体、有机染料等饱和吸收材料，结合激光器突发电流控制方法，通过降低激光器芯片在burst-on/burst-off时的温度波动，以减小突发模式下激光器出光波长漂移量的方法。

本发明专利所述方法基本结构功能框图如图1所示，将饱和吸收材料置于激光器和外部光网络之间，因为其饱和吸收特性，允许激光器发出的强度较大的光透过，进入外部光网络，而将激光器发出的强度较弱的光吸收，阻止其进入外部光网络。在此基础上，通过控制激光器突发模式下的电流，可以减小激光器突发模式下的波长漂移。目前常见的可调谐激光器芯片封装结构如图2所示。激光器芯片1-2粘接在过渡块1-3上，过渡块1-3粘接在tec1-4上，通过tec散热和加热控制过渡块1-3的温度，进而控制芯片1-2的温度。因为芯片1-2体积较小发热集中，且离tec1-4距离相对较远，tec1-4无法及时稳定地控制芯片1-2的温度。故当激光器工作在突发模式下时，芯片1-2温度会出现抖动，导致激光器出光波长漂移。

图3所示为饱和吸收材料的饱和吸收特性曲线(例)，饱和吸收材料对光的吸收率α随光强i的增强而逐渐减小，即对于相对较弱的光能够几乎完全吸收，而对于相对较强的光几乎完全透过。

激光器突发电流控制方法，相比于常规激光器突发模式下电流控制有所不同，如图4-1，4-2所示。常规激光器突发模式下，当burst-on时，根据使用需求给激光器芯片加载一个电流ion，使激光器发出较强的光，光信号进入外部光网络中；而burst-off时，不能有光信号进入外部光网络中，故不给激光器芯片加电流，电流为0。本发明专利中，因为光路中插入了饱和吸收材料，激光器突发模式的电流控制有所改变，burst-on时电流不变，仍为ion，使激光器发出较强的光，根据饱和吸收材料的特性，较强的光几乎能全部透过，进入外部光网络中；而burst-off时，也加一个合适的电流ioff，使激光器发出相对较小的光，根据饱和吸收材料的特性，较弱的光几乎被完全吸收，没有光进入外部光网络。因激光器芯片温度高低与加载的电流大小正相关，故本专利所述方法中，burst-on状态下，激光器芯片温度与常规用法一致，为t1，而burst-off状态下的激光器芯片温度比常规用法高，为t3。芯片不加电时温度为t0，to<t3。故本专利方法中，burst-on/burst-off的激光器芯片温度差t1-t3，小于普通突发用法激光器芯片的温度差t1-t0。本专利方法使得burst-on/burst-off时激光器芯片温度波动减小，故波长漂移量减小。

实施例1：

实施例1器件简图如图5所示。激光器1-1出光，光依次通过饱和吸收材料2-1，滤光片3-1等光学元件，最终经由插针4-1接入外部光网络。软带1-5将激光器1-1与控制电路板连接起来。突发模式下，burst-on时，给激光器1-1内部的激光器芯片1-2加电ion，激光器1-1点亮，发出强光，透过饱和吸收材料2-1，滤光片3-1等后经由插针4-1将光信号输入外部光网络，同时，激光器芯片1-2发热，温度升高为ton。其中，ion的大小，由使用需求决定，例如，指标要求burst-on时器件出光功率为pon，则ion为激光器出光功率为pon时的电流值。burst-off时，给激光器芯片1-2加合适的电流ioff，让激光器1-1发出相对较弱的光，被饱和吸收材料2-1吸收，阻止光信号进入外部光网络。ioff的选取，应考虑证激光器1-1出光强度和饱和吸收材料2-1的吸收率，尽量选取较大值。例如，指标要求，burst-off时，器件出光功率应小于一个值poff，激光器的出光功率p与加载电流i的关系为函数关系p＝f(i)，饱和吸收材料对光的吸收率α与入射光强度p的关系为函数关系α＝t(p)，则器件的出光功率(激光器出光经饱和吸收材料吸收后的功率)pout＝p*(1-α)＝f(i)*(1-t(f(i)))，取pout＝poff，即f(i)*(1-t(f(i)))＝poff，解出电流i值，即为ioff值。在使用中，可以采用测试方法确定ioff值，从0开始，给激光器芯片加电，同时监控器件的出光功率pout，当pout＝poff时，记下加载的电流值，即为ioff。burst-off时，激光器芯片1-2仍发热，芯片温度为toff。toff高于芯片不加电流时的温度t0，相当于burst-off时，通过加电流ioff的方式，实现了热补偿，即温度补偿，减小burst-on/burst-off时芯片温度波动，进而减小激光器突发模式下的波长漂移量。

实施例2：

实施例1中，将饱和吸收材料制成薄片，插入光路中使用，除此之外，可将饱和吸收材料薄膜镀在器件中合适的表面使用，如透镜表面，隔离器表面、光纤端面等，减小元件数，减小器件体积，提升器件集成度。

以上所述实施例及应用场景仅为本发明的较佳实施例及应用场景而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进及其在其他领域及场景的应用，均应包含在本发明的保护范围之内。