（光学专业论文）集成光学声光可调谐滤波器的温度特性研究.pdf

中文摘要 声光可调谐滤波器具有调谐速度快，可调谐范围宽，插入损耗低，驱动功率 低等优点，是波分复用网络( w d m ) 的关键器件之一。 随着w d m 技术的不断发展，光纤中传输的信道数越来越多，信道间距越来 越小，对器件的性能要求也越来越高。其中一个重要指标是中心波长的稳定性。 集成光学声光可调谐滤波器由于其基底铌酸锂晶体的折射率对温度变化比较敏 感，因此在器件工作时，由于环境温度的变化以及自身声表面波的吸收等作用， 使得器件的温度升高，会导致中心波长漂移，影响器件的性能。 本文首先计算了温度变化与双折射率变化的关系，分析了它对中心波长变化 的影响，并从实验上测定了声光可调谐滤波器的温度特性。其次，针对o 8 r i m 的 密集波分复用系统，要求器件的中心波长漂移在士o 0 8 r i m 内，设计了两套实验装 置实现声光可调谐滤波器的稳频输出。其一是利用精密数字控制系统把器件温度 控制在士o 1 内，相对应的波长漂移为士o 0 9 r i m 内。其二是利用射频反馈法动态 补偿温度引起的波长漂移，实现了器件的稳频输出。 在文中最后，针对稀疏波分复用技术下达2 0 r i m 的信道间隔，简单讨论了器 件在城域网中的应用：基于声光可调谐滤波器的分插复用器和光开关矩阵。并讨 论了基于声光可调谐滤波器的分布式温度传感器和基于声光可调谐滤波器的近 红外光谱仪。 关键词：集成光学声光可调谐滤波器；温漂控制；射频反馈；稳频输出； 分插复用 a b s t r a c t i n t e g r a t e da c o n s t o o p t i ct u n a b l ef i l t e r ( a o t f ) a r ev e r ya t t r a c t i v ea st h e yo f f e r f a s tt u n i n gs p e e d ，b r o a df i l t e r i n gb a n d 、v i d t h ，l o wi n s e r t i o nl o s s ，l o wd r i v ep o w e r t h e a o t fd e v i c ei s b r o a d l yu s e di nt h ef i e l do fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sa n do p t i c a l i n t e r c o n n e c t i o n s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw d m t e c h n o l o g y , as i n g l ef i b e rc a r r i e sm o r ea n dm o r e w a v e l e n g t h s ，w h i c hr e q u i r e s o p t i cc o m p o n e n t sh i g h e rs p e c i f i c a t i o n s a st h ek e y c o m p o n e n t s i nt h e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) n e t w o r kt h e w a v e l e n g t hs t a b i l i v i si t si m p o r t a n tp a r a m e t e r b u tt h es e l e c t e dw a v e l e n g t hb ya o t f i sv a r i e db yt h ei n f l u e n c eo fa m b i e n tt e m p e r a t u r ed u et ot h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c y o f 啪0 3 勰t h i s d e v i c em a t e r i a l i nt h i sp a p e r ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd o u b l er e f r a c t i v ei n d e xo fw a v e g n i d ea n d t h ed e v i c et e m p 嚣姐h ei sa n a l y z e df i r s t l y a n dt h e nt h e t e m p e r a t u r ep r o p e r t yo f a o t f i si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y f o rw d m s y s t e mw i t hc h a n n e ls p a c eo f0 8 m ，t h e t o t a ls t a b i f i t yo fw a v e l e n g t ht u n e db ya o t fi sn e c e s s a r yu n d e r 士0 0 8 m t oo b t a i n t h en e c e s s a r yw a v e l e n g t hs t a b i l i t y , w ed e s i g nt w od i f f e r e n ts y s t e m s ：o n ei sb yw a yo f c o n s t a n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g , t h eo t h e ri sb yw a yo fr a d i of r e q u e n c yf e e d b a c kt o l o c kw a v e l e n g t ht u n e db ya o t f i nt h e s et w od i f f e r e n tw a y , w e g e tt h et o t a ls t a b i l i t y u n d e r 士0 0 8 n m i nt h el a s tc h a p t e r , o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e ra n do p t i c a ls w i t c hm a t r i xb a s e d o na o t fi sd i s c u s s e du n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fc w d m s y s t e mw i t hc h a n n e ls p a c e o f2 0 n m a tt h e $ t n et i m e ，an o v e lt e m p e r a t u r es e n s o rb a s e do na 0 i ti sp r e s e n t e d b e c 黜i t ss e n s i t i v i t yt o t e m p e r a t u r e a tt h ee n do ft h ep a p e r , an e wt y p e s p e c t r o m e t e rb a s e do na o t f i ss i m p l yi n t r o d u c e d ，w h i c hi sh o tr e s e a r c hf o ra sm u c h 船as o l i d b ；t l t e s m a l l - s i z ea n dc o m p a c td e v i c e k e y w o r d s ：i n t e g r a t e da c o n s t o o t ，t i ct u n a b l ef i l t e r ( i a o t f ) ，t e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n g ，r a d i of r e q u e n c yf e e d b a c k ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y , o p t i c a l a d d d r o p m u l t i p l e x e r ( o a d m ) 独创| 生声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 孟庙裤 签字日期：御，年月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 蹈楫 导师签名： 0 签字日期：伽口f 年月，口日 签字日期：三一辞，月1 0 日 绪论 第一节w d m 技术概述 光纤通信的优势之一是其近3 0 t h z 的巨大潜在带宽容量，波分复用( w d m ： w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是目前提高光纤传送带宽利用的最有效方 法。 w d m 技术是将两种或多种不同波长的光载波信号( 携带各种信息) 在发送端 经复用器( 亦称合波器，m u l t i p l e x e r ) 汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤 中进行传输的技术；在接收端，经解复用器( 亦称分波器或称去复用器， d e m u l t i p l e x e r ) 将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复 原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术。称为 波分复用。w d m 系统可以利用已经敷设好的光纤，使单根光纤的传输容量在高 速率t d m ( 时分复用) 的基础上成倍地增加，充分利用现有光纤的带宽，解决 通信网络传输能力不足的问题。按照通道间隔的不同，w d m 可以细分为c w d m ( 稀疏波分复用) 和d w d m ( 密集波分复用) 。c w d m 的信道间隔为2 0 r i m ，而 d w d m 的信道间隔从0 2 r i m 到1 2 r i m 。 不同间隔的w d m 系统对光器件波长的稳定性要求也不同，根据r r u t g 6 9 2 建议的要求，对于光信道间隔为0 8 r i m 的系统，中心波长的偏差不能大于 2 0 g h z 。例如0 5 r i m 的波长变化足以使一个光通路移到另一个光通路上。在实际 系统中通常必须控制在0 2 r i m 以内，其具体要求随波长间隔而定，波长间隔越小 要求越高。 随着w d m 系统的通路数( 波长数) 越来越多，两点之间的传输容量也越来 越大。为了使大容量的系统应用更加灵活，在线性链路上分插复用波长的 o a d m ( o p t i c a l 钺i d d r o pm l l l 埴p l c 】( i 1 1 曲已经出现，它的作用是在线性链路中间的线 放站上分插出几个波长。各个公司在线放站上分插的波长数各不相同，有4 个波 长、8 个波长，大部分波长是固定的，但这几个波长可以配置为分插，也可以配 置为直通。能够灵活上下所有波长的o a d m 也处在开发过程当中( 比如声光可 调谐滤波器) 。总的来说这种应用在线性链路上分插波长的o a d m 是为了增强组 网的灵活性，会有较多的应用。 我国从1 9 9 7 年开始在干线上安装w d m 系统，干线上已经有很多条w d m 系统，在省网中wdm 系统的应用也越来越广泛，开始在东部沿海地区，如广东 省等有应用，现在从南到北有多个省份应用了wdm 系统，有些系统的容量也非 常大，而且wdm 系统在本地网中的应用也初见端倪。总之，wdm 技术从技术 和应用等方面发展都非常迅速，随着全光网技术的进步发展，作为全光网基础 的wdm 技术也将有更大的技术突破，为电信网的建设提供越来越优质的传输平 台。 第二节课题研究内容和意义 声光可调谐滤波器具有调谐速度快，可调谐范围宽、插入损耗低和通道驱动 功率低等优点，并且可以实现多波长同时选择，因此在波分复用网络中极有应用 潜力【1 1 1 2 1 3 1 。 声光可调谐滤波器的研究日益受到人们的重视，除了在信号分析方砸应用 外，光纤通讯的发展是推动其发展的最主要的推动力。在w d m 技术中，需要多 种功能的波长选择器件进行波长信号的分组切换和选择接收。与其它可调谐滤波 器如f p 干涉滤波器、电光滤波器和半导体有源器件等相比，a o t f 具有其独特 的优点一一不需要机械调节、调谐范围宽( 可覆盖整个1 2 1 6b m ，波段) ，而且 可以多波长同时选择，可适用于w d m 系统的多种场合。 t i ：l i 1 惦0 3 集成光波导结构的i a o t f 0 n t e g r a t e da e o u s t o - o p t i ct u n a b l ef i l t e r ) 最为引人注目，这种结构的a o t f 将多种器件集成在同一基底上，进一步提高 了器件的稳定性。与体器件相比，波导结构的a o t f 还具有插入损耗低，易于 进一步集成化等优点。其中与偏振无关型的a o t f 4 1 不仅增强了a o t f 用于光通 讯回路的适应性，而且还拓展了a o t f 在w d m 网络中的功能。 a o ，r f 的滤波作用是利用声光耦合来实现t m t e 问的模式转换，决定其滤 出波中心波长的相位匹配条件与t e 、t m 模光波的有效折射率差有关。由于铌 酸锂晶体( l i n b 0 3 ) 的折射率对温度变化比较敏感，所以当a o t f 工作时，环境温 度的变化以及自身声表面波的吸收等作用，会使铌酸锂晶体的双折射率发生变 化，导致滤出波中心波长的漂移。为了满足不同w d m 系统( 特别是d w d m 系 统) 的使用要求，需要对a o t f 采用严格的中心波长稳定技术。 针对a o t f 器件的温漂问题，本论文着重进行了如下几个方面的讨论： 1 对a o t f 的温度特性进行理论分析。从耦合模理论出发，得出滤出波中 心波长温漂特性曲线。 2 设计了两个抑制温漂的两种方案：精密温度数字控制和射频反馈温度补 偿。并从实验上验证了方案的可行性：分别达到o 1 的控制精度，可以 满足o 8 n m 间隔的d w d m 系统的应用要求。 3 根据a o t f 的温度特性，结合不同的应用场合，进行了如下应用研究： 2 在c w d m ( 粗波分复用) 技术中，信道间隔达到2 0 r i m ，就可 以避免了a o t f 器件温度敏感的缺点：讨论了基于偏振无关 a o t f 的o a d m ( 分插复用器) 应用研究，基于偏振无关a o t f 的n x n 开关矩阵： 利用器件对温度的敏感性，根据滤波曲线反映温度变化，制成 基于a o t f 的分布式温度传感器。 论文的最后，初步探讨了基于集成光学a o t f 的光谱仪。近年来，基于a o t f 的近红外光谱仪引起了普遍关注，阐述了基于集成光学a o t f 的光谱仪的结构， 分析了各项性能参数，以做参考。 第一章集成光学声光可调谐滤波器的温度特性 第一章集成光学声光可调谐滤波器的温度特性 声光可调谐滤波器( a o t f ) 是波分复用( w d m ) 网络中的关键器件之一。它的 一个重要技术指标就是中心波长的稳定性。但是外界环境温度和自身声表面波吸 收引起器件温度变化，导致滤出波中心波长随温度而发生漂移。本章计算了温度 变化与双折射率变化的关系，分析了它对中心波长变化的影响。 1 1 1 器件结构 第一节器件结构与基本工作原理 集成光学声光可调谐滤波器i a o t f 可以分为共线型和非共线型a o t f 。共 线型a o t f 是目前实验室已经研制成的器件【5 l ，其基本结构如图1 1 所示it m t e 模转换器和t e 通偏振器( t e - - p a s sp o l a r i z e r ) 集成于同一块基片上构成，其中 t m t e 模转换器【6 j 由光波导( o w g ) 、声波导( a w g ) 、叉指换能器( i d d 和声吸收 带( a b s o r b e r ) 构成。整个器件结构紧凑，其各项指标比如驱动功率、通道带宽、 可调谐波长范围、插入损耗等数方面均达到国外同类器件的先进水平。 图1 - 1 共线性a o t f 示意图 叉指换能器( d t ) 是一个电极交错相互联结的两端器件( 图l - 2 ) ，它沉积 在x 切y 传l i n b 0 3 单轴晶体基片上。叉指换能器激 发声表面波的物理本质是：当交变电压加载到器件的 两个电极上时，在基片内就建立起交变电场。因为基 片x 切y 传l i n b 0 3 单轴晶体是压电体，此交变电场 经过压电效应在基片内激起相应的弹性振动。此弹性 振动在基片内的传播就形成弹性波。由于叉指电极周 期排列，并且极性正负交替，所以各对电极激发的弹 4 图l f 2 叉指换能器结构示 意图 第一章集成光学声光可调谐滤波器的温度特性 性表面波可以相互加强。由此可见，在声光可调谐滤波器工作时，由于叉指换能 器激起的高频振动将产生热，造成l i n b 0 3 基片的温度上升。 同时在声光可调谐滤波器工作时，声表面波在钛扩散形成的声波导中传播。 当传播到基片的端面，一部分能量辐射到基片外，一部分反射回来，影响叉指换 能器产生的信号，在通带内形成波纹。消除的方法一般是在基片靠近端面部分涂 上波吸收物质，如蜡、吸声橡胶、环氧树脂、胶带等，涂层宽度约为声波波长的 1 0 倍，如图1 1 所示的“a b s o r b e r ”。可见，声吸收带在器件工作时也会因吸收 多余的声表面波而引起器件温度的上升。 1 1 2 声光模式转换原理 我们知道，在集成共线型a o t f 中，光波长的选择是通过声光模转换而实现 的，因此模转换器是a r f 中的关键器件，、共线声光耦合的t e t m 模转换器的 理论依据是同相耦合模理论川。这里，我们用耦合模理论描述波导中的t e t m 模式偏振转换。 图l - 3 声光耦合t i ：l f i 闭0 0 3 波导滤波器位相匹配情况 如图l - 3 所示，沿x 切y 传铌酸锂晶体钛扩散单模光波导传播的光波有两 个偏振模式，准巩模和准t m o 模。设它们的光波电矢量分别为e 征和e m 。若 沿光波传播方向的折射率受到周期性扰动，则介电张量可以分解为： s ( x ，z ，力= f o 似力+ f o ，z ，力 ( 1 1 ) 其中占是介电张量的主要部分，缸是微扰部分，它沿y 轴方向周期性变化。 不含微扰的波动方程为： v 2 z 一胪( 础) 等豆= 。 其中塞代表光波的电矢量。 其通解为正交归一的简正模的线性组合： ( i - 2 ) 第一章集成光学声光可调谐滤波器的温度特性 豆= 4 蜀o ，y ) e x p - i ( c o t - p ：) 】 ( 1 3 ) ，；疮f m v 2 童彳印如力+ a 舶力譬= o ( 1 - 5 s c 五毛y ，= 荟靠c x ，z ，e x p ( 一砌警y c t - d m 如 o o 莩荤嚣= ：臻三二三：二裂，等= ，碧r ；嗽如d t ( 勉一肪一所鲁h 哦m 。詈皿( 而力讹z ) ( 郴) 砒 ( 1 - 8 ) c 热m = 詈胁( 舻) 毛。，z ) ( 墨z ) 砒 方程组( 1 - 7 ) 反映了t m 模和t e 模之间的耦合。例如，爿。( y ) 的存在会引起 a 。( y ) 随y 的变化。即e 0 ，力模会将能量馈送到e 矗( x ，z ) 模，或从e 。( x ，z ) 模 6 第一章集成光学声光可调谐滤波器的温度特性 吸收能量，从而导致模e 。( x ，z ) 增强或减弱。而且，从方程组( 1 7 ) 可见，要产生 强烈耦合，必须满足下列两个条件： 1 、位相匹配条件，即： a p = 一风卜删鲁= 0 ( 1 - 9 ) 这时e 指数的值为1 ，振幅4 。或的积分值最大，( 1 9 ) 式实质上就是产生布 拉格衍射的条件，因此也称它为布拉格条件。 2 、耦合系数c 害i 。足够大：c 般。反映了模易。和模五知通过周期性微扰的第 m 阶傅里叶分量产生耦合的强烈程度。 令：i = c 。忡n ，当布拉格条件近似满足时，方程组可简化为： ( 1 - 1 0 ) 因为沿x 切y 传铌酸锂晶体钛扩散单模光波导中的准t e o 模和准t m o 模传 播方向相同，因此它们之间的耦合属于同向耦合。洲l n , l p , = i 岛l 尼= - 1 所以，方程组( 1 - 1 0 ) 简化为： 此方程组的解为： 搽t y 嚣篆a # 蒜嗡彳。：e - 訇等s i l l ( 劝如( o ) + c o s 等s i n 沏) ( o ) u “ 7 力 锨 卿一 喇炒 卜 如 竺出 血 j 一出 帅 眦 助 蚀 羽 ( i i 瑟 第一章集成光学声光可调谐滤波器的温度特性 式中，s = 若在z 卸时只存在t m 模，即假e 0 ( 0 ) = 1 ，五。( 0 ) = 0 ，则在坐标为y 处的 模振幅为； 如= c o s 卜，等s 砸劝f 等) ， ：f 。i n ( 妙) 。( 等p 能量从t m 模耦合到t e 模的比率，即转换效率为： ( 卜1 3 ) r = ) 5 指咖2 ( y 嗣( 1 1 4 ) 当满足布拉格条件( a 卢= o ) 时，耦合效率，即模转换效率最高： t m = s i n 2 d r l y ) 第二节声光可调谐滤波器中心波长稳定性分析 1 2 1 滤出波特性方程 ( 1 - i s ) 如图1 3 所示，假设在l i n b 0 3 晶体上用钛扩散制成的光波导。光波入射到 波导中，若没有声表面波调制，此时的t e 和t m 模相互独立。如果给器件加上 声表面波，由于弹光效应，有声波传播的媒质可以近似看成周期性媒质，则当 t e 模和t m 模相位匹配时引起之间的强烈相互作用：如果输入光波仅为t e ( 1 m ) 模。则输出光波为t m ( t e ) 模。 假设声波与光波的传播方向共线，t e 模和t m 模的轴向传播常数为k t e 和 k 僵，相应频率为和- ，掰。t e 和t m 模相互耦合时，需要满足能量守恒和动 量守恒条件： 第一章集成光学声光可调谐滤波器的温度特性 能量守恒：南= 岛正 动量守恒： k 瑶= k r u k o ( 1 - 1 6 ) d - t 7 其中l 为声波频率，k o = 碜么= 强乡钐为声波的传播常数，以为声波波长，圪是 声表面波传播速度( 在我们制作的声波导材料中，- - 3 6 5 1 m - s 。1 ) 。 式( 1 - 1 6 ) 和( 1 1 7 ) 右边的正负符号取决于声波相对于光波的传播方向及k r g 和k 删的相对大小i l 】。例如，若输入光波为t m 模且k l a a k ，则对于从左向 右传播的光波要求式( 1 1 6 ) 和( 1 1 7 ) 的符号为正。 因为= 等，= 孚胛。，因此式( 1 1 7 ) 可以化简为： 互= a 嘞x i t i , m l = a a n ( 1 t 1 _ ；g ) 式中，如= j 一哆。l 是为波导的双折射率，n , ( i = t e ，霸为模式有效折射 率，声波波长a = o f o ，所以有， 五：业 五 ( 1 1 9 ) 即声光可调谐滤波器的滤出波中心波长仅仅取决于声波的频率正和波导的双折 射率a n 。 那么，当声光可调谐滤波器在工作时，由于环境温度变化和声吸收带吸收多 余的声表面波等因素，使得铌酸锂晶体温度变化，引起细随温度发生变化，导 致器件滤出波中心波长发生漂移。 1 2 2 助的温度特性及波长漂移 我们已经得出滤出波的中心波长五与波导的双折射率缸= l 埠。一挖。i 相关。而 模式有效折射率蚪。和哆。主要取决三册d 3 晶体的主折射率，也与光波导 的工艺参数相关。 l j m o , 为负单轴晶体，空间群为r 3 c ( c ：) ，透光范围为4 0 0m n 5 0 0 0 n r a ， 其主折射率与晶体温度、光波波长的关系为1 8 1 ； 对于寻常光( o 光) ： 9 第一章集成光学声光可调谐滤波器的温度特性 c 厶趵= 4 9 1 3 0 4 ，刁圭毫三美罴孝 恭一2 7 8 x 1 0 - * 磐t - 一z 对于非常光( e 光) ： 斗；，d = 4 5 5 6 7 + 2 6 0 5 x 1 0 - 7 t 2 斗牙尝篆等是篙笔赫一2 m - 。4 磐 ( 1 - 2 1 ) 式中t 为晶体的温度，单位为k ，九为光波波长，单位为纳米( 州，上述关系对于 波长j 叭4 0 0 n m , - - 4 0 0 0 n m ，温度从0 - 4 0 0 c 均成立。 根据上述数据，铌酸锂晶体的寻常光和非常光折射率可以综合的表示为如下 的统一形式； 以? ( a ，r ) = 4 + 马r 2 + j f ：c 1 , i + i d 研, t 2 + q 矛f = 。，e ( 1 2 2 ) 其中所用到的参数见表1 1 ： 表1 1 、铌酸锂晶体折射率参数 l ，4曰cdefg 04 9 1 3 0o1 1 7 3 1 旷1 6 5 l o 22 1 2 1 0 22 7 1 0 4- 2 7 8 1 0 4 e4 5 5 6 72 6 0 5 x 1 c0 9 7 1 0 s2 7 0 ： o o c ) 。p t l 0 0 电阻值和温度的对应关系入图2 2 所示，可见在1 0 0 1 2 1 0 0 ( 2 范围内，它的温度和电阻可以看作准线性的。 图2 - 2p t l 0 0 铂电阻的阻值与温度的关系 2 半导体致冷器 半导体制冷器又称为温差电制冷器，它是根据帕尔贴效应的原理，利用热导 率和电阻率小的b i 2 t e 3 或者b i ：s b 3 等v - 族化合物为基底的半导体材料制成 t 1 7 , 1 8 】。当通过直流电流时，热量由组件的一端吸收并释放到另一端，从而起到温 度调节的作用。调节制冷器的电流或电压，可以方便地实现精密温控。目前市售 的半导体制冷器使用环境温度为1 5 0 7 0 ，工作电流为3 9 a ，电压为 1 。g - 一1 5 4 v ，最大制冷温差为7 0 ，制冷量为l 1 2 0 w 甚至更高。其主要优点为 既可制冷又可制热，体积小，重量轻，寿命长，无机械运转，工作时无噪声，无 1 6 第二章声光可调谐滤波器稳频方案 干扰，无污染，调节电流或电压均可实现精密温控等1 1 9 部l 。 3 p i d 智能调节器 p i d 控制器【2 l 卫1 是整个控温系统中最重要的部分。我们采用的p i d 调节器是 从北京西曼顿自动化研究所购买的s r 2 5 3 型，采用p t l 0 0 型的铂电阻作为温度传 感器，选择输出为0v l o v ，选择量程为0 0 0 0 - 5 0 0 0 0 ，它具有o 0 0 1 的 高分辨率和1 8 0 0 0 的调节分辨率，为精确控温提供了良好的硬件基础。 p i d ( 比例p r o p o r t i o n a l 一积分i n t e g r a l 一微分d i f f e r e n t i a l ) 电路又称为p i d 调 节器，是一种常见的控制电路。调节器的任务是将一定的物理量( 被调节参数x ) 调节到预先给定的理论值( 或称额定值w ) ，并克服干扰的影响保持这一值。比 例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产 生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差。积分调节作 用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至 无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。微分调节作用：微分作用反映系统 偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控 制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。微分反应的是变化率， 而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外 两种调节规律相结合，组成p d 或p i d 控制器。 4 恒温箱装置 我们以紫铜为材料，加工了一个类 似恒温箱的装置( 图2 - 3 ) ，将滤波器置 于紫铜热沉之上，并在中问涂抹导熟硅 腊，以使热量能够良好的传导。半导体 制冷器所产生的热量通过散热片散发， 必要时可以增加风扇。p d 的输出到 l m 3 5 8 p 的同向端，从而控制输出到半 导体制冷片的电流，达到控温的目的。 一：- ：- ：一：t ： 。厣窀墨z 互雹互霸 ；臻历赫 遗兹箍 一、訾镉 j l l l l l l l l l l l l i 图2 - 3 半导体制冷片与滤波器的装置图 利用如上设计，我们成功地制作成功了一套p i d 智能温度控制器，可以把声 光可调谐滤波器的温度精确稳定在设定值士o 1 范围内，为声光可调谐滤波器的 实际应用打下了良好的基础。 2 1 2声光可调谐滤波器温度特性的测量 1 7 第二章声光可调谐滤波器稳频方案 1 温控系统的温度控制实验【i 叫 利用上述系统中的p t l 0 0 温度传感器，我们首先测定了未加温度控制时器件 的温度随时间的变化曲线如图2 4 。从图中我们可以看出，温度变化在声波开启 和声波关闭时最为激烈。温度上升达到稳定大约需要4 0 分钟，而关闭声波后温 度达到稳定需要2 0 分钟左右。这样长的稳定时间是实际应用所不允许的。另外， 器件的实际应用也要求器件开关时的稳定性。 g 。 p 姜。 。” 。 t l m 呻帚 ” 。 图2 4 声波开关后晶片温度随时间的变化 为检验上述温度控制的效果，我们进行了两个步骤的试验； 首先，实验控温系统在室温下的温度控制能力。实验时的环境温度为2 3 5 ，设定温度2 l ，预期温度控制精度为o 1 。我们适当的调节p i d 控制器 的设定参数，声波和温控同时作用在系统后，经过约6 分钟后系统稳定到设定温 度，并在该温度附近震荡，振幅小于o 1 ，达到预期控温目的。 然后，为了解决声波开关时的温度震荡，我们引入了频率移动温度补偿的方 法，即用加载频率在工作带宽以外的声波来模拟声波关闭的情况。这样，由于声 波与工作带宽内的任何频率的光波都不匹配，整个器件相当于已经关闭，但由于 继续有声波作用，器件的温度不会有大的波动。经过匹配，叉指换能器的工作带 宽大约有1 0 m h z 左右，而一般的通讯应用( 信道间隔0 s n m ) 是不会采用如此 宽的带宽的。 因此，我们采用距离中心频率1 0 m h _ z 的声波来进行温度补偿。由此解决了 器件开关对性能的影响。此方案的实验结果如图2 5 所示，系统从开始到稳定要 6 7 分钟左右，之后系统在0 1 范围内震荡。其后，我们采用了频移补偿方法， 相当于器件已经关闭，实验显示其结果十分良好，温度的震荡仍然在0 1 范 围之内。达到实际应用的要求。 1 8 第二章声光可调谐滤波器稳频方案 0j1 a 1 s 拍 弼 轴埘 t h 0 1 ， 图2 - 5 温度控制实验 2 声光可调谐滤波器温漂测定实验 实验装置如图2 6 所示：波长a = 1 5 7 4 n m 的d f b 激光器为实验提供了一个单 色性极好的光源，1 2 位a d 采集卡( 北京大恒公司的a c l 5 0 8 板，具有2 4 路可 编程数字i ，0 ，一路采用a d 公司的a d l 6 7 4 芯片) 完成光强信号的采集，g p m 控制卡q 叮公司p c i - g p i b 卡；g l o b a lp i l r p o i n t c r f a r b u s ) 和射频信号发生器( r f ： 国营第七六六厂生产的q f l 4 8 0 b c 型合成信号发生器，其频率范围为0 0 1 1 0 5 0 m h z ，频率数显的分辨率为1 0 h z ，并且对外提供i e e e - 4 8 8 接口，可以实现 程控) 组成了动态控制射频信号部件。图中p c 是偏振控制器，因为所采用的 a o t f 器件是共线型依赖于偏振的，所以需要在d f b 光源后接一个偏振控制器 使得a 0 职输入光为t m 线偏振光。 地b g s i 孕吐d 磷d 娜k 酗跏害睁a l i 图2 - 4a o t f 温度特性采集系统示意图 实验中，我们采用固定波长d f b 作为信号源，改变射频发生器的输出频率， 测得不同温度时的与丑= 1 5 7 4 n m 匹配的中心频率。由d f b 激光器输出的光经由 p c ，得到t m 线偏振光。若这个t m 线偏振光与声波满足相位匹配条件( 式( 1 - 9 ) ) ， 则转化成五= 1 5 7 4 n m 的t e 偏振光。利用p i d 智能温度控制器使得置于恒温箱中 舢 跚 m m 跏 ；兰 枷 哪 肿 3ji声 第二章声光可调谐滤波器稳频方案 的a o t f 器件处于不同的温度状态，同时利用g p i b 卡控制射频信号发生器，逐 渐改变加载在a o t f 上的射频频率，可以发现a o t f 的滤波曲线发生平移，如 图2 5 所示。即随着器件温度的升高，波导的双折射率减小，与a = 1 5 7 4 n m 匹配 的射频中心频率值减小( 左移) 。为了得到精确的温度特性，在o 4 0 范围内 进行测量( 温度变化步长为0 5 ) ，测量结果如图2 - 6 所示。我们拟合实验结果， 得到射频频率疋和温度t 的线性关系式： 五= 1 7 2 6 4 6 加0 8 8 t ( 2 2 ) j=01 0 2 0 3 04 0 r 面如f i 弓忡n 锈，m h 置t e m p e v a t u r e d 图2 - 5a = 1 5 7 4 n m 时，匹配的射频频率随温图2 - 6 射频中心频率随温度的变化 度变化 即要保持不同温度下( 0 4 0 ) 恒定的滤出波长输出( 名= 1 5 7 4 n m ) ，当温度变化l ，需要同时改交射频频率 0 0 8 8 z 根据相位匹配条件( 式( 1 - 9 ) ) ，可以计算出相应的波长漂移为0 8 n m ， 那么，对于相邻信道间隔为0 8 n m 的密集波分复用( d w d m ) 网络，这样的温 漂将造成严重的信道串扰。 那么，利用我们制作的精度为o 1 的温度控制系统就可以把器件的滤出波 中心波长漂移控制在o 8 r i m ，满足了d w d m 系统的使用需求刚。因此，我们 设计的温度控制系统很好的解决了声光可调谐滤波器中心波长稳定性的问题。 第二节射频反馈法实现声光可调谐滤波器稳频输出 上文所述的控温系统虽然可达到所要求的精度，但是由于电路规模较大，半 导体制冷片功耗较高，影响了实际中应用。我们根据相位匹配条件，可容易地推 导出如下关系： 竽；竽( 2 - 3 ) a 五 g ： 优 脚 m 常亳霎誊占奄譬 鞋、io-蓉蔗d胃瑚事d0 第二章声光可调谐滤波器稳频方案 代入中心波长五= 1 5 7 4 n m ，正= 1 7 1 1 9 m h z ，每改变射频信号4 = 8 7 k h z ， 可以得到波长改变量a = 0 0 8 n m 。根据这个反馈补偿方法，t a k e s h i f u k u d a 制作了一个数字合成振荡器，利用修正的数据改变射频信号实现温度补偿：在常 温下，波长稳定范围被控制在o 0 6 5 n m 之内鲫。 根据a o t f 的温度特性式( 2 2 ) ，我们采用如图2 7 所示的实验装置来实现动 态控制射频信号以达稳频输出的目的( 在图2 7 中，温度传感器p t l 0 0 需要一 个电流值为1 5 m a 的恒流源驱动，这部分将在2 3 部分列出) 图2 - 7 用控制射频信号达到a o i t 的稳频输出 实验中，输入光是名= 1 5 7 4 n m 的固定波长，p t l 0 0 实时采集a o t f 器件温度 值，利用式( 2 2 ) 得出相应射频频率，经g p i b 设定射频发生器频率，同时用p i n 采集a o t f 的输出光强。如果a o t f 满足相位匹配条件的中心波长是 互= 1 5 7 4 n m ，则采集到的光强是个恒定值。反之，温度( 波导的双折射率) 、射频、 波长不匹配，则所采集到的光强必大大减弱。 实验中，在室温条件下( 1 6 5 0 1 2 ) ，设定射频发生器的频率值( 1 7 1 1 9 m i - i z ) ， 可测得最大的光功率值( 2 7 5 5 4 t w ) 。若保持射频信号不变，由于器件对自身声 表面波的吸收引起温度上升，则导致采集到的光功率下降，在1 7 5 0 时已经降 到9 8 0 a w ，即此时a o t f 器件的滤出波中心波长已经偏离五= 1 5 7 4 n m ( 图2 - 8 中的曲线2 ) ，相应波长漂移了o 8 3 n m ( 按式( 2 - 3 ) 计算可以得出) 。 图2 - 8 输出光强随温度的变化 2 l 跏 邵 瑚 脚 m 讣 o 融钆_，山d)-山1薯占 第二章声光可调谐滤波器稳频方案 我们利用上述得到的温度特性( 式2 - 2 ) 根据a o t f 器件的温度变化控制射 频信号发生器的射频输出，贝i j 可以实现a o t f 中心波长在五= 1 5 7 4 n m 的稳定输 出，实验结果如图2 8 中的曲线1 所示。 图2 7 所示的控制系统中，实验的精度取决于所用光源的单色性，信号发生 器的输出信号偏差，实时的温度测定偏差和a d 电路转换带来的偏差等。但所 采用的光源的3 d b 线宽为o 1 2 r i m ，射频信号发生器的最大输出偏差为 1 o 1 0 。m h z ，并且所用的高精度g p l b 控制卡保证了系统最终的频率测定偏差 不超过1 0 x 1 0 4 m h z ，所以可以不考虑上述因素对控制精度的影响。这样，温度 采集的偏差就决定实时控制方案的精度。那么，考虑到a d 转换和p t l 0 0 分辨力， 自制的温度实时系统读取精度可为0 1 ，相应的射频频率改变8 8 0 k h z ，代入 式( 2 - 2 ) 则相应的波长改变为0 0 8 n m 第三节温度信号采集电路 2 3 10 1 的测量精度对驱动电路的要求 装置图2 7 中，热敏电阻p t l 0 0 的工作原理是将被测量温度的变化转换成 电阻的变化，要想获取被测温度信号，必须通过测量电路才能实现。测量电路的 首要任务就是将p t l 0 0 的电阻变化( r ) 转换成电压信号( a v , ) ，且这种转换 必须是线性的，对于这种转换一般采用一个恒定电流i 流过p t l 0 0 即可完成，即 a v , = i a r 。因为需要考虑热电阻自然温升的问题，即当电流流过p t l 0 0 时，势 必产生一定的热量，此热量会引起p t l 0 0 电阻值r 的变化，进而影响到测量精 度。所以在实际应用中，必须尽量减小恒流电流i 的数值。 本实验采用的p t l 0 0 温度传感器，测量范围为2 0 0 + 6 5 0 。所采用a i ) 转换器中输入电压范围为0 2 0 0 m v ( 此时的放大倍数为5 0 ) ，所以设计的r 转换器中的恒流源应该是m a 级的，因为 = i - k ( 2 4 ) 式中， 震一为p t l 0 0 的最大电阻值。因为本实验中，器件工作温度范围取o 5 0 ，p t l 0 0 在5 0 时的电阻值大约为1 2 0 q ，即民。= 1 2 0 f 2 。因此要求j 不大 于1 6 7 蒯。 为了减小p t l 0 0 自然温升的影响，尽可能减小流经p t l 0 0 温度传感器的电流 值，所以本实验设计的恒流源设定为1 5 耽。那么对于o 1 的温度变化量，对 应的p t l 0 0 端电压改变量为5 8 ，6 9 v ，就要求a d 转换器的分辨率数值不能大于 第二章声光可调谐滤波器稳频方案 8 0 b va 本实验采用的彤d 卡( a c l 0 5 8 扳) 工作状态为：单极性输入( 0 2 0 0 m l t ) ， 放大倍率为5 0 倍，分辨率为 ：1 l s b ：! ! ! ! ! ：4 8 1 0 v ：4 8 a v 5 8 6 b v ( 2 5 ) 4 0 9 5 5 0 由上式可见，1 5m a 大小的恒流源能够驱动p t l 0 0 ，使得与o 1 温度变化 量相应的电压变化量满足a d 采集板的输入信号要求。 同时，o 1 的测量精度要求驱动p t l 0 0 温度传感器的恒流源精度不低于 o 1 t a ( o 1 b a 1 0 0 f 2 = i o p v ，相当于0 0 1 的温度变化量) ，即要求恒流源 电路达到万分之一的精度。 2 3 。2 1 。5 r