【微环谐振波长的锁定概述5100字】

微环谐振波长的锁定概述目录TOC\o"1-3"\h\u21792微环谐振波长的锁定概述 1115151.1微环相关参数的测定 1220671.2实验方案及仿真 41.1微环相关参数的测定微环被广泛的应用于光通信网络中，处在的环境各有不同，环境温度在实时变化，微环的材料折射率受温度的影响，由上式知道当微环材料的折射率改变时，微环的谐振波长也会随之改变造成微环谐振波长的漂移，当微环用于光通信网络器件时，微环的谐振波长漂移会造成该波长阻塞其他波长通道，对整个光通信网络造成很大的影响，因此我们需要对微环谐振波长进行实时稳定，达到微环谐振波长锁定的目的。我们可以利用微环的谐振波长随温度漂移的特性，在微环上集成一个热光调谐器，通过给热光调谐器升温或降温对应微环谐振波长红移或者蓝移来抵消由于环境因素和器件本身的缺陷造成微环谐振波长的漂移。这里我们采用的高Q微环的FSR为0.208nm，环内集成了热光调谐器，随着加在微环热电极上的功率增大，微环的传输谱红移量也随之线性增大，我们可以利用STM32单片机输出的PWM信号通过探针加在微环的热电极上，实现对微环谐振波长传输谱的红移或者蓝移，从而抵消由于器件本身的缺陷或者环境因素对微环的造成的漂移。 图3-2为我们测量微环的响应特性的而搭建的基于矢量网络分析仪的实验测试装置。在下图中，LD发射的波长为1549.35nm的激光，如下图所示。图3-2激光器二极管发射出的激光光谱我们通过光谱仪（OSA）测得激光器通过高Q微环后的功率随波长变化的光谱图像如图3-3所示图3-3高Q微环的光谱曲线由图3-3我们知道高Q微环的FSR为0.208nm与我们最开始制作器件时的参数是一致的，微环的谐振峰呈现出来的为周期性的凹陷峰，且凹陷峰在临近斜率位置附近光功率下降的十分陡峭，每个凹陷峰的最低光功率都有所不同，并且微环的光谱曲线我们可以看出来原理谐振峰附近光功率曲线毛刺很多，十分不平整，噪声比较明显。并且在测试过程中微环的谐振谱线也在一直抖动，需要对微环的谐振峰进行锁定。我们利用矢量网络分析仪对微环的传输响应进行测试。VNA发射扫频信号，经过偏振控制器（PC）进入到电光相位调制器之中，在经过电光相位调制器（EOM）、偏振控制器和待测器件（DUT）此处为高Q微环中，实现信号的单片带调制。由于电光相位调制器和高Q微环都是偏振相关器件，故第一个PC是为了使电光相位调制器的调制效率最大，EOM后的PC是为了使相位调制器和高Q微环的耦合效率达到最大，实现整个光路的偏振态最优，在高Q微环后面接一个掺铒光纤放大器（EDFA），由于光信号在光路中会存在各种损耗包括耦合损耗、光纤损耗、连接损耗等等各种损耗，EDFA用于放大光信号，最终将光信号传入到光电探测器（PD）中，通过分路器部分进入到矢量网络分析仪（VNA），部分进入到电光相位调制器中（EOM）,VNA通过发射出的信号与接受到的信号，得到高Q微环的传输响应。图3-4高Q微环传输响应测试的实验原理图。LD：激光器；EOM：电光相位调制器；PC：偏振控制器；DUT：待测高Q微环；EDFA：掺铒光纤放大器；PD：光电探测器；Splitter：功分器；VNA：矢量网络分析仪通过VNA测试我们得到微环经过EOM的单边带调制信号传输响应如图3-5所示，由图我们可以看出经过电光相位调制器后，电光相位调制器的+1阶边带的信号被光学带通滤波器滤除，实现了单边带调制。并且由图我们可以得到，微环的传输响应的3dB带宽约为220MHz，微环的响应曲线是左右对称的，呈现一个突起峰的形式，微环的消光比约为21dB。图3-5高Q微环的响应特性曲线综上所述，我们测量了微环的谐振波长随所加载在微环热电极上的功率变化曲线，二者之间为线性关系，故我们可以通过测得微环当前的状态输入到STM32单片机里面，通过单片机输出PWM信号进而对微环的谐振波长进行锁定。我们还测量了微环的光谱曲线，由光谱曲线我们得到高Q微环的光谱曲线为周期性的带陷滤波形状，可以用来构成微波光子滤波器，由于受光谱仪的分辨率限制，我们无法直接通过光谱仪得到微环的3dB带宽和微环的消光比。我们利用矢量网络分析仪测量了微环的传输响应，由微环的传输响应我们可以得到，微环的谐振峰的下降沿并不是那么的平滑，带有些许毛刺，并且我们得到了微环的3dB带宽和消光比。1.2实验方案及仿真我们通过Matlab仿真了上传下载型微环的下载端的微环谐振光谱如图3-6，我们仿真的波长范围为1549.1-1550.2nm，微环的失谐量设为2e-6，平均损耗设为α=0.42，微环的长度为785.7μm。微环的谐振中心对应微环的下载端能量达到峰值对应的波长。通过Matlab算法我们找到微环的谐振峰对应的波长为1549.6370nm，此时微环的透过能量为-0.7485dB。图3-6单个微环下载端传输光谱同时我们也通过Matlab仿真了微环漂移100nm后微环传输光谱和微环未漂移前作对比，由图我们可以知道图中黑线表示的是微环在我们设定的状态（初始状态）传输光谱，红色绘制的曲线表示的是微环漂移了100nm以后微环的谐振峰所处在的位置，通过对比上下两张图我们可以知道漂移过后，微环初始谐振中心对应的能量为-24.7094，漂移后的微环传输光谱谐振中心1549.5370nm处的能量远远低于我们需要锁定波长处的能量，故当用于通信系统传输时，容易产生较高的误码率，对整个光互联网的性能产生巨大的影响。图3-7微环谐振波长漂移前后传输光谱对比我们设计了单个高Q微环谐振波长锁定系统的实验装置图，图3-8为该实验方案的示意图。图3-8微环谐振波长锁定装置图我们通过将激光器对准微环的谐振中心，通过耦合光纤得到微环的透射谱，一部分分到光谱仪上用于观测微环的锁定状态，另一部分分到低速PD上，将光信号转换为电信号，送到模数转换器的电信号经由低通滤波器滤除部分噪声，电流信号经由跨阻放大器被转换为电压信号送到ADC上，通过STM32型单片机读取到我们对准点的电压大小，判断出此时微环漂移量的大小，STM32单片机输出一个PWM信号，加在微环的热电极上，完成对微环的调控，并构成一个反馈系统，始终监测微环的状态，完成对微环的谐振波长的锁定。单片机采用的是数字输出控制，故我们选择增量式PID对系统进行控制。增量式PID是将控制对象当前状态的状态值e[n]与上一状态的状态值e[n-1]做差，将差值作为新的控制量，输入到控制对象，如图3-9图3-9增量式PID算法原理示意图对于增量式PID我们有在当前时刻的上一时刻的控制系统输出到被控对象里面的信号大小为un−1u上式中Kp分别对应的为积分时间常数，T为采样周期，即计算周期，Ti表示积分时间常数即积分时间，Td表示微分时间常数。在上式中分别令积分时间常数为KIu设相邻两个时刻单片机输出的信号相对增量为∆un∆u联立式（3-3）和（3-4）则有∆u由式3−5我们可以看出增量式PID考虑的是最近三次偏差之和，通过最近的三次偏差控制本次输出在前面基础上的增量输出为多少。增量式PID算法相对位式PID算法有着很多的优点，首先增量式PID仅仅考虑当前状态之前的最近状态差值，并不需要累加连续记忆此前状态的很多个值；其次，增量式PID算法控制器件每次仅在前一状态的基础上输出一个增量∆un普遍的微环谐振波长锁定通常采用锁定微环下载端（上传端）测得的光信号能量的最高处（最低处）最终实现微环谐振波长的锁定，但是这种方法有一个很大的弊端，首先是峰值（最低点）处的能量是极其不稳定的，对激光器的输出功率大小要求很苛刻，并且最终的锁定偏差也是很大的。同时由于微环的传输光谱是关于谐振波长左右对称的，我们通过PD探测得到微环的光电流也是关于谐振中心波长左右对称的，因此我们无法判断此时我们设定的波长λ0在这里我们利用增量式PID算法的原理进行仿真，通过将微环谐振光谱的传感到单片机里面的功率划分为几个区间，当光电探测器所测得的光功率处于第一个区间时，第一个区间远远远离微环的峰值功率，则我们给定一个较大的输出增量ΔP1，使得微环的谐振波长有一个较大的补偿Δλ1。在本次仿真实验中我们设定每次步进的功率分别为ΔP图3-10我们分别展示了，微环的传输谱漂移10.1pm、40.2pm和100.3pm经过锁定算法系统后，传输光谱的位置图3-10微环漂移10.1nm传输光谱锁定情况图3-11微环漂移40.2nm传输光谱锁定情况图3-12微环漂移100.3nm传输光谱锁定情况图中黑色线表示我们需要锁定的状态，红色的谱线表示经过锁定算法后微环传输光谱的位置，蓝色的谱线表示微环的传输光谱漂移后的位置。由图3-10，3-11，3-12我们可以知道，对应漂移波长分别为10.1pm，40.2pm和100.3pm最终微环的传输光谱都能达到锁定的效果，并且由锁定结果放大我们可以得到最后的锁定误差分别对应0.1pm,0.2pm,0.3pm，锁定最大偏差在0.4pm范围内。当微环谐振波长漂移量为100.3nm时，传输到光电探测器里面，单片机计算得到谐振波长漂移位于51.2pm-102.4pm范围内，单片机输出PWM信号给微环加热电极输出对应的功率使传输光谱补偿51.2nm，经过∆t后，此时微环谐振波长漂移量为49.1nm，单片机计算得到谐振波长漂移位于25.6pm-51.2pm范围内，此时单片机输出PWM增量信号给微环加热电极输出对应的功率使传输光谱在前一次的基础上再补偿25.6nm，经过∆t后，此时微环谐振波长漂移量为21.5nm，单片机计算得到谐振波长漂移位于12.8pm-25.6pm范围内，单片机再次输出增量PWM信号给微环加热电极输出对应的功率使传输光谱在前一次的基础上补偿12.8nm，经过∆t后，此时微环谐振波长漂移量为10.7nm，依次类推，最后一次微环谐振波长漂移量为1.1nm，单片机计算得到谐振波长漂移位于0.8pm-1.6pm范围内，此时单片机输出PWM增量信号给微环加热电极输出对应的功率使传输光谱在前一次的基础上再补偿0.8nm，最后微环谐振波长的锁定在0.3pm，总共经过6次增量补偿后，即所用的时间为6∆t，实现微环谐振波长的锁定。最终通过我们的算法假设微环谐振波长的漂移对集成在微环上的热光调谐器上所加热功率的反应时间为∆t，∆t约为毫秒量级，在忽略单片机的计算时间的情况下，最终对于某一固定漂移量锁定微环的锁定的总时间为t，t应当满足下式t≤9∆t，锁定速度比较快，微环的锁定范围非常宽，对于上述微环我们在1549.1-1550.2nm区间范围内所能锁定的最大波长范围为0.2048nm，对应的1550nm波长频率范围为25GHz范围内，同时我们仿真中得到微环锁定的最大精度相对我们设定的理想状态的偏差在0.4pm范围内，锁定的精度得到了大大的提高。由上图我们可以得到微环传输光谱锁定前后的对比图中黑色曲线表示我们设定的理想状态下微环的传输光谱所在的位置，图中蓝色曲线表示微环受环境因素的影响所处在位置，我们可以从图中看出来漂移后微环的各个波长所对应的光能量发生了很大的变化，在实际的应用中对器件的传输性能会产生很大的影响。图中红色曲线表示经过校正后微环的传输光谱，我们可以看出来经过校正后的微环传输谱曲线，相对于我们设定的理想状态仅仅有一个很小的漂移，仅在0.4pm范围内，锁定效果超出预期。在实际的微环谐振波长的锁定方案中，常见的微环谐振波长锁定通常采取的是锁定微环上传端（下载端）监测得到能量最低（最高）的地方，由于对于上传端的最低点受暗电流等各种噪声的影响非常的大，，并且实际微环的传输谱并不是一个单调递增或者递减的光滑谱，而是测得的信号上带有一定的毛刺，因此我们算法上只能通过不断的寻找最高点或者