波長可調諧雷射器的自動化測試控制系統及方法
2023-05-27 13:01:26 2
專利名稱：：波長可調諧雷射器的自動化測試控制系統及方法
技術領域：
：本發明涉及雷射器
技術領域：
，特別是一種波長可調諧雷射器的自動化測試控制系統及方法。
背景技術：
：波長可調諧雷射器具有高速率、低啁啾(在半導體雷射器中，載流子和光子場之間有很強的耦合作用。強度調製會同時造成頻率或相位的調製。它們互相之間聯繫的機制在於有源區內載流子濃度的變化會引起光增益的變化，從而使有效折射率變化。強度調製與頻率調製的相關性導致了譜線的動態展寬，通常用調製功率比的啁啾來描述這一特性(GHz/mW)。也就是說，半導體雷射器在受到直接強度調製時，在每一個調製周期中，雷射器的模式頻率會產生周期性移動，通常把這種頻移現象叫做頻率啁啾(Chirp))。功耗小、結構緊湊、波長快速調諧的特點，是密集波分復用(DWDM)光纖通信系統中的理想光源，可以增加系統的傳輸容量、靈活性和可擴展性。波長可調諧雷射器有三種基本的結構1)基於邊發射結構的單片集成可調諧雷射器；2)基於外腔的可調諧雷射器；3)垂直腔面發射可調諧雷射器。其中基於邊發射結構的單片集成可調諧雷射器具有以下優點1)通過電注入改變折射率實現調諧，具有納秒量級的調諧速度，可以滿足光包交換的需求；2)製作工藝相對簡單；3)可以與光子器件單片集成，形成集成光學子系統以完成更複雜的功能。本系統主要應用於具有前後兩個光柵的基於邊發射結構的單片集成波長可調諧DBR雷射器，雷射器結構如圖1所示，前後光柵區、增益區、相位區的四段式波長可調諧DBR雷射器的結構示意圖。本發明自動化測試控制系統主要以這種結構的波長可調諧雷射器為背景搭建，並可以擴展到其他結構的波長可調諧雷射器。其中增益區電流2用於給雷射器提供泵浦，在測試控制過程中保持不變，相位區電流3用於實現激射的相位閾值條件，改變FP腔模式的峰值波長，在一小段範圍內(相鄰FP模式波長間隔)實現連續調諧，並可以改善邊模抑制比，後光柵電流1和前光柵電流4的改變會實現跳變的波長調諧。為了實現在DWDM系統中的應用，波長可調諧雷射器需要工作在ITU規定的信道上，因此必須精確地鎖定工作波長，通常採用F-P標準具來實現監控和鎖定功能。為了完成上述功能，必須首先對其波長調諧特性進行詳細的測試，並建立資料庫作為波長鎖定的基礎。對于波長可調諧雷射器的測試，傳統的方法是將調諧電流源連接到雷射器的光柵區，將雷射器的輸出光通過透鏡耦合進光纖之中，由光纖將光導入光譜分析儀進行光譜特性測試，在這個過程中，需要手工調節電流大小、控制光譜分析儀掃描參數以及進行掃描，這樣做的缺點是耗時費力，容易出現錯誤，不適合大規模大範圍精細掃描，測試結果需要手動紀錄不適合建立資料庫。一種改進的方法是使用專用集成電路或單片機代替手工操作，如圖2所示，其主要改進在於由專用集成電路或單片機來對完成電流掃描控制和光譜分析儀數據的採集。在這種測試系統中，以上三部分通過硬體連接形成固定的系統，其優點是操作精確便捷，數據傳輸、處理速度快，在從前個人計算機性能還比較低下的時代這一優點相當明顯。缺點是可用內存空間不利於大規模測試數據，測試過程缺乏可視化，固定連接的測試儀器缺乏靈活性，只能完成固定的功能，不利於測試系統的升級和功能擴展，這顯著提高了測試過程的成本。PC機技術的高速發展，特別是CPU速度和計算機接口速度的迅猛提高，使PC機進入到測試領域，並逐步取代專用集成電路或單片機。一個使用PC機的測試系統如圖3所示，輸入埠和輸出埠通過標準的接口(比如AD/DA串口或GPIB接口)實現與PC機的連接，針對於專門用途的數據處理、分析和控制功能由計算機軟體程序來實現。由於使用軟體程序而不是具體的物理設備來實現測試系統，採用PC機的測試系統又被稱為虛擬儀器(VIVirtualInstrument)。虛擬儀器的優點是成本低廉、功能靈活豐富，可擴展性強，便於編制和操作。美國國家儀器公司(NationalInstruments)的虛擬儀器開發環境LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)使用數據流描述程序的行為，符合工程技術人員的思維方式，是一種圖形化程式語言，用它編制的程序稱為虛擬儀器(VI)，VI由前面板和數據流框圖組成前面板是用戶交互界面，負責接受用戶輸入並把程序運行結果顯示出來；數據流框圖是程序的後臺編碼。
發明內容本發明的目的是針對傳統的波長可調諧雷射器測試和控制方法中，操作耗時費力、容易出現錯誤、不適合大規模大範圍精細掃描、測試結果不適合建立資料庫進行分析控制、系統功能單一不夠靈活的問題，提供一種波長可調諧雷射器的自動化測試、控制系統。這種自動化系統以虛擬儀器的概念為基礎，通過GPIB總線實現電腦程式和程控電流源、光譜分析儀之間的通信，以LabVIEW下編制的測試和控制虛擬儀器程序為內核，可以實現波長可調諧雷射器的自動化測試和控制。這種系統的好處是成本低、操作簡便快捷準確、適合建立大規模測試資料庫、功能靈活豐富、可擴展性強。本發明一種波長可調諧雷射器的自動化測試、控制系統，其特徵在於，該系統包括硬體連接和軟體實現兩部分。硬體連接方式如圖4所示，PC主板上安裝GPIB板卡，從GPIB板卡上引出GPIB總線分別連接到光譜分析儀(AdvantestQ8384或AnristsuMS9001)和程控電流源(IXlightwaveLDX3200)的GPIB接口，並且在光譜分析儀和程控電流源上設置它們的GPIB訪問地址。測試樣品(波長可調諧雷射器)燒結在銅熱沉，銅熱沉再固定在熱電致冷器(TEC)上，用溫度控制儀表(Keithley2510)進行控溫。通過直流電源在增益區加一固定電流，把兩個程控電流源分別加在前後取樣光柵上用於調諧，通過透鏡把雷射器的光耦合到多模光纖中，進入光譜分析儀進行掃描。所述波長可調諧雷射器為通過注入電流調諧波長的分布布拉格反射式半導體雷射器(DBR)。如取樣光柵DBR雷射器(SGDBR)。所述虛擬儀器程序在支持GPIB編程的虛擬儀器開發環境下編寫。如NI公司的LabVIEW、Keithley公司的Testpoint、微軟公司的VisualBasic。所述虛擬儀器程序可以根據不同的應用需求或者不同的硬體連接，靈活的擴展或更改。軟體實現分為測試部分和控制部分。測試部分的虛擬儀器前面板如圖5所示，在該面板上，可以記錄測試的環境條件，如測試溫度，編號，增益區電流等，可以設定前後光柵電流的掃描範圍、掃描點數、中心波長、光譜分析儀的掃描範圍、取樣點的數量、光譜功率參考位置、平均次數等參數。點擊面板上的SWEEP按鈕，就會進入自動測試，並把測試條件和參數記錄到一個名為info的文本文件裡。程序按照用戶輸入的測試條件初始化光譜分析儀和程控電流源，並對每組光柵電流的組合，控制程控電流源驅動波長可調諧雷射器發出不同波長的雷射，光譜分析儀受控做一次掃描，並把掃描數據傳回到測試程序裡。每次掃描的光譜圖會顯示在面板上，並同時記錄在一個光譜數據文件裡。與此同時計算出邊模抑制比、中心波長，與相應的工作電流值一起記錄在一個文本格式文件的數據文件中，形成可調諧雷射器的波長調諧特性資料庫，測試資料庫文件內容如圖9所示。詳細的程序流程圖如圖6所示控制部分的虛擬儀器前面板如圖7所示，點擊「打開info文件」並在彈出的對話框中選中要處理的測試目錄下的info文件，這樣控制程序就將當初的測試條件和參數加載進來。通過光譜儀初始化以後，在「查詢表生成」卡片中，用戶輸入挑選條件——最小邊模抑制比，然後點擊「生成查詢表」，程序就會在測試資料庫文件中挑選滿足用戶要求的數據，按波長升序生成一個查詢表文件，文件內容如圖10所示，(即table.txt，查詢條件是邊模抑制比大於30dB)，同時在面板左下方的表格裡顯示出查詢表文件的內容，其中遇到同一波長的兩個數據都滿足條件時，取邊模抑制比大的數據。在「波長控制」卡片中，用戶輸入想要的波長，程序在查詢表文件中查找，如果有滿足條件的數據，就用相應的電流驅動雷射器輸出該波長，並控制光譜分析儀完成一次掃描，在面板上有兩個光譜圖，上方的光譜圖顯示原有的測試結果，下方的光譜圖為當前從新掃描的結果，通過精確控制雷射器的工作溫度和調諧電流，實現了波長控制輸出實驗重複誤差小於0.1nm。圖8為詳細的控制部分程序流程圖。如果通過手工操作，波長可調諧雷射器的波長調諧特性測試是一項工作量非常巨大的工作，對於帶有兩個光柵區的波長可調諧雷射器而言，如果每個光柵電流測試從1mA到50mA的50個點，就需要50×50＝2500個工作點，每個工作點需要準確調節電流值，並用光譜分析儀進行掃描以精確確定工作波長和邊模抑制比，並且要手工記錄測試數據，這在無形中就增加了工作的勞動量和出錯的機率。而使用自動測試系統後，只要在虛擬儀器界面上設置好掃描條件，系統就通過GPIB互連自動完成測試並建立資料庫，無需任何附加的人工操作，既省時省力又使測試精度大幅提高，可以通過修改程序擴充系統功能，並可以使測試系統適用於各種電調諧的波長可調諧雷射器。自動控制系統的優點是使用戶在龐大的測試數據中很快建立自己想要的資料庫，並且可以直接輸入想要的波長來驅動雷射器，而不必自己查詢該波長對應的電流，然後在調節電流源驅動雷射器。這種功能大大簡便了用戶對雷射器的操作，並且能夠應用到DWDM波長信道的控制中。該系統的硬體系統由計算機(PCPersonalComputer)、通用集成總線(GPIBGeneralPurposeIntegratedBus)板卡及數據線、光譜分析儀、程控電流源、直流電源、溫度控制儀、透鏡和光纖組成，用GPIB總線將計算機、程控電流源、光譜儀連接起來實現命令和數據的傳輸；該系統的軟體系統由在美國國家儀器公司(NationalInstruments)的虛擬儀器開發環境LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)下編制的測試和控制虛擬儀器(VIVirtualInstrument)程序組成。通過該系統的測試部分，用戶可以在測試程序界面上控制波長可調諧雷射器調諧電流(主要是光柵區電流)的自動掃描，實現雷射器的波長調諧，並且將不同掃描電流下由光譜分析儀測得的雷射器的光譜特性反饋回計算機，由程序建立測試資料庫；通過該系統的控制部分，控制程序根據用戶對邊模抑制比(SMSR)的要求從測試資料庫中挑選滿足條件的數據組建查詢資料庫，當用戶需要雷射器工作在某個波長時，只需要輸入波長值，程序會自動在查詢資料庫中查找滿足條件的波長，並用相應電流值驅動雷射器工作在該波長下。這種自動化系統由於使用虛擬儀器的概念，使得大規模測試資料庫的建立以及對雷射器波長的控制更為快捷和準確，並且具有成本低、功能集成度高、可擴展性強的特點，可以適用於不同種類的通過電流調諧的波長可調諧雷射器。一種波長可調諧雷射器的自動化測試、控制系統，該系統，由計算機、GPIB板卡及數據線、光譜分析儀、程控可控電流源、直流電源、溫度控制儀、熱電致冷器、雷射器、透鏡和光纖組成，GPIB板卡連接於光譜分析儀和程控可控電流源，溫度控制儀連接於熱電致冷器，熱電致冷器連接於雷射器，光信號通過透鏡和光纖傳送到光譜分析儀，上述過程是用GPIB總線將計算機、程控電流源、光譜分析儀連接起來實現命令和數據的傳輸。一種波長可調諧雷射器的自動化測試、控制方法，軟體系統由虛擬儀器開發環境下編制的測試和控制虛擬儀器程序組成，通過該系統的測試部分，用戶可以在測試程序界面上控制波長可調諧雷射器調諧電流的自動掃描，實現雷射器的波長調諧，並且將不同掃描電流下由光譜分析儀測得的雷射器的光譜特性反饋回計算機，由程序建立測試資料庫；通過該系統的控制部分，控制程序根據用戶對邊模抑制比的要求從測試資料庫中挑選滿足條件的數據組建查詢資料庫，當用戶需要雷射器工作在某個波長時，只需要輸入波長值，程序會自動在查詢資料庫中查找滿足條件的波長，並用相應電流值驅動雷射器工作在該波長下。為了清楚地解釋本發明的技術特徵，下述部分附圖出現在
發明內容之中，並且為進一步說明本發明的內容及特點，以下結合附圖及實施例對本發明作一詳細的描述，其中圖1是具有前後光柵區、增益區、相位區的四段式波長可調諧DBR雷射器的結構示意圖。圖2是使用專用集成電路或單片機的測試控制系統的示意圖。圖3是使用PC機的測試控制系統(即虛擬儀器)的示意圖。圖4是本發明自動測試、控制系統的硬體連接方式示意圖。圖5是本發明自動測試系統虛擬儀器的前面板示意圖。圖6是本發明自動測試系統虛擬儀器的程序流程圖。圖7是本發明自動控制系統虛擬儀器的前面板示意圖。圖8是本發明自動控制系統虛擬儀器的程序流程圖。圖9是本發明自動測試系統生成的波長調諧特性資料庫文件部分內容的示意圖。圖10是本發明自動控制系統生成的查詢表文件部分內容的示意圖。圖11是一個取樣光柵DBR雷射器的光譜測試統計結果圖。圖12是圖11中滿足SMSR＞30dB條件的數據的光譜圖。具體實施例方式圖4是本發明自動測試控制系統的硬體連接方式示意圖。在圖示情況下，在計算機主板上安裝好GPIB板卡，並在計算機系統中裝好GPIB的驅動程序。共用3條GPIB總線進行通信，把3條GPIB總線的一端都連接在GPIB板卡的接口上(GPIB接口是可疊加擴展的)，另一端分別連接到光譜分析儀AdvantestQ8384(或AnristsuMS9001)和2個程控電流源IXlightwaveLDX3200的GPIB接口上，並且在光譜分析儀上設置GPIB地址為8，在驅動後光柵的程控電流源上設置GPIB地址為1，在驅動前光柵的程控電流源上設置GPIB地址為2。把帶有前後取樣光柵的四段式DBR雷射器(SGDBR)燒結在銅熱沉，銅熱沉再固定在TEC上，用溫度控制儀表Keithley2510連接TEC從而對雷射器進行控溫。用直流電源在增益區加一固定電流作為工作電流，把兩個程控電流源分別加在前後取樣光柵上作為調諧電流，通過透鏡把雷射器發射出的光耦合到多模光纖中，並通過光纖引入光譜分析儀。圖5、圖6分別描述了自動測試系統虛擬儀器SGDBRMeasurement.vi的前面板、程序流程圖。本系統主要流程可劃分為四步第一步，通過GPIB指令對光譜分析儀和程控電流源進行初始化；第二步，建立保存測試數據的目錄和文件；第三步，通過兩層循環掃描後光柵和前光柵電流，在每組電流下測試雷射器的光譜特性，計算SMSR，並保存每組的條件和結果；第四步，測試結束後建立信息文件，並支持動態調用控制系統的虛擬儀器。具體步驟參照圖6。設計時，需要先在LabVIEW的前面板(FrontPanel)上添加人機互動所需要的元素，包括數據輸入框、數據顯示框、XY坐標圖、按鈕、文字提示。在LabVIEW的數據流框圖(BlockDiagram)中，找到前面板上各個元素在數據流程圖中對應的終端。在設計數據流框圖時，先確定數據流的起點，即按鈕SWEEP被觸發，根據前面板的數據輸入初始化光譜分析儀和程控電流源，光譜分析儀初始化由子模塊Ms9001Init.vi或Q8384Init.vi完成，程控電流源初始化由子模塊LDX3220Init.vi完成，上述子模塊的內部實現主要是參閱設備說明書的GPIB編程章節。之後以待測雷射器編號和測試編號為名建立測試目錄，在其中建立spectrum目錄用來保存每個掃描電流下的光譜圖數據文件，建立spectrum.txt作為測試資料庫文件。然後通過兩層嵌套的循環實現電流掃描、光譜分析儀掃描和數據採集，外循環為後光柵掃描電流，內循環為前光柵掃描電流，在內循環體中的子模塊LDX3220SetCurrent.vi用於為程控電流源設置電流值，子模塊Ms9001Sweep.vi或Q8384Sweep.vi用於控制光譜儀進行一次掃描，子模塊SMSR.vi用來計算邊模抑制比，子模塊DatatoString.vi用來把當前增益區、相位區、前後光柵區電流以及峰值波長、邊模抑制比按規定形式組成一個數據行，添加到spectrum.txt文件當前位置下。最後建立info.txt文件存儲測試條件和參數。另外，觸發按鈕CONTROL則會進入Dynamic.vi子模塊，由該子模塊調用程序SGDBRCTRLforDynamic.vi對剛剛測試生成的數據進行處理。圖7、圖8分別描述了自動控制系統虛擬儀器SGDBRCTRL.vi的前面板、程序流程圖。設計方法和SGDBRMeasurement.vi相似，程序主體分為三步第一步，讀取測試條件和參數，初始化光譜分析儀、程控電流源和控制程序參數；第二步，根據用戶的要求，通過測試數據文件spectrum.txt生成滿足條件的查詢資料庫文件table.txt；第三步，從table.txt文件中讀入數據，實現用戶對波長的控制。具體步驟參照圖8。通過這套波長可調諧雷射器的自動化測試控制系統，我們建立了很多取樣光柵DBR雷射器(SGDBR)的測試資料庫和查詢資料庫，作為一種測試手段，本發明的自動化系統可以很方便地對波長可調諧雷射器的調諧性能進行衡量，從而從眾多的雷射器中挑選出符合ITU通信信道標準的雷射器，圖11是一個SGDBR的測試統計結果，其中每個數據點表示一個掃描電流下的光譜特性，橫坐標是調諧的光譜覆蓋範圍，縱坐標是邊模抑制比，圖中挑選的條件是邊模抑制比大於30dB，圖12是滿足圖11挑選條件的光譜圖，可見這個雷射器經過適當的改進後就能買足DWDM系統應用的需求。儘管參照其特定的實施例詳細地展示和描述了本發明，但還應該指出，對於本專業領域的技術人員來說，可對其形式和細節進行各種改變，而不脫離所附權利要求限定的本發明的範圍。權利要求1.一種波長可調諧雷射器的自動化測試、控制系統，其特徵在於，該系統，由計算機、GPIB板卡及數據線、光譜分析儀、程控可控電流源、直流電源、溫度控制儀、熱電致冷器、雷射器、透鏡和光纖組成，GPIB板卡連接於光譜分析儀和程控可控電流源，溫度控制儀連接於熱電致冷器，熱電致冷器連接於雷射器，光信號通過透鏡和光纖傳送到光譜分析儀，上述過程是用GPIB總線將計算機、程控電流源、光譜分析儀連接起來實現命令和數據的傳輸。2.根據權利要求1所述的波長可調諧雷射器的自動化測試、控制系統，其特徵在於，所述光譜分析儀和程控電流源均支持GPIB通信，光譜分析儀使用AdvantestQ8384或AnristsuMS9001，程控電流源使用IXlightwaveLDX3200。3.根據權利要求1所述的波長可調諧雷射器的自動化測試、控制系統，其特徵在於，所述波長可調諧雷射器為通過注入電流調諧波長的分布布拉格反射式半導體雷射器，如取樣光柵DBR雷射器。4.根據權利要求1所述的波長可調諧雷射器的自動化測試、控制系統，其特徵在於，所述虛擬儀器程序在支持GPIB編程的虛擬儀器開發環境下編寫，如NI公司的LabVIEW、Keithley公司的Testpoint、微軟公司的VisualBasic。5.根據權利要求1所述的波長可調諧雷射器的自動化測試、控制系統，其特徵在於，所述虛擬儀器程序可以根據不同的應用需求或者不同的硬體連接，靈活的擴展或更改。6.一種波長可調諧雷射器的自動化測試、控制方法，其特徵在於，軟體系統由虛擬儀器開發環境下編制的測試和控制虛擬儀器程序組成，通過該系統的測試部分，用戶可以在測試程序界面上控制波長可調諧雷射器調諧電流的自動掃描，實現雷射器的波長調諧，並且將不同掃描電流下由光譜分析儀測得的雷射器的光譜特性反饋回計算機，由程序建立測試資料庫；通過該系統的控制部分，控制程序根據用戶對邊模抑制比的要求從測試資料庫中挑選滿足條件的數據組建查詢資料庫，當用戶需要雷射器工作在某個波長時，只需要輸入波長值，程序會自動在查詢資料庫中查找滿足條件的波長，並用相應電流值驅動雷射器工作在該波長下。7.根據權利要求6述的波長可調諧雷射器的自動化測試、控制方法，其特徵在於，自動測試系統虛擬儀器的步驟如下第一步，通過GPIB指令對光譜分析儀和程控電流源進行初始化；第二步，建立保存測試數據的目錄和文件；第三步，通過兩層循環掃描後光柵和前光柵電流，在每組電流下測試雷射器的光譜特性，計算SMSR，並保存每組的條件和結果；第四步，測試結束後建立信息文件，並支持動態調用控制系統的虛擬儀器。8.根據權利要求6述的波長可調諧雷射器的自動化測試、控制方法，其特徵在於，自動測試系統虛擬儀器的步驟，程序主體分為三步第一步，讀取測試條件和參數，初始化光譜分析儀、程控電流源和控制程序參數；第二步，根據用戶的要求，通過測試數據文件spectrum.txt生成滿足條件的查詢資料庫文件table.txt；第三步，從table.txt文件中讀入數據，實現用戶對波長的控制。全文摘要本發明涉及雷射器
技術領域：
，特別是一種波長可調諧雷射器的自動化測試控制系統及方法。該系統，由計算機、通用接口總線(GPIB)板卡及數據線、光譜分析儀、程控可控電流源、直流電源、溫度控制儀、熱電致冷器、雷射器、透鏡和光纖組成，GPIB板卡連接於光譜分析儀和程控可控電流源，溫度控制儀連接於熱電致冷器，熱電致冷器連接於雷射器，光信號通過透鏡和光纖傳送到光譜分析儀，上述過程是用GPIB總線將計算機、程控電流源、光譜分析儀連接起來實現命令和數據的傳輸。文檔編號H04B10/00GK1995936SQ20051004829公開日2007年7月11日申請日期2005年12月31日優先權日2005年12月31日發明者王路,趙玲娟,張靖,俞濤,王魯峰,王圩申請人:中國科學院半導體研究所