摘要：密集波分复用（DWDM）系统光信道间隔由100GHz 向50GHz甚至25GHz系统迈进，系统对所使用的DFB激光器提出了越来越严格的要求，有必要采用有效的波长稳定技术。波长锁定器正适应此需求，是密集波分复用系统的关键器件。本文介绍了几种波长锁定器技术特点和其中一种的性能指标和应用，并对不同厂家的指标作了对比分析。

关键字：密集波分复用，波长锁定，标准具，滤波片，光栅

一、背景介绍

目前,以IP为代表的数据业务量井喷式增长和HDTV等新业务所导致的巨大带宽的需求刺激下，通信容量爆炸式增长，为了满足对带宽的需求，通信运营商和系统供应商都把高速密集波分复用（DWDM）系统作为优化网络的首选方案，DWDM系统光信道间隔由100GHz 向50GHz甚至25GHz系统迈进，然而随着信道间隔的减小，系统对所使用的DFB激光器提出了越来越严格的要求。例如：信道间隔为50GHz时，工作在10Gb/s传输速率下的激光器的频率要求稳定在±2.5GHz，但是DFB激光器即使在工作条件如偏置电流、工作温度不变的情况下，也会漂移几十个GHz。因此，有必要采用有效的波长稳定技术, 提高激光器的波长稳定性。波长锁定器正适应此需求，是密集波分复用系统的关键器件。

二、波长锁定器原理

DWDM系统常用的是分布反馈激光器（DFB-LD），激光器的激射波长和光栅节距应满足以下关系：λL=2nR,efΛ式中nR,ef为等效折射率。通过改变温度从而改变有效折射率和光栅节距来改变激光器的发射波长。这样的激光器具有约0.1nm/℃（或者12.5GHz/℃）的波长温度漂移特性，为了使波长控制在+/-2.5GHz范围内，需要0.1℃的动态温度稳定性，这需要合理的激光器封装技术和温度控制技术。

一个典型的波长锁定器光路结构如图1所示，光输入到器件，被分成两部分，第一部分直接进入探测器（PD1），作为参考信号，第二路通过波长选择滤波器，进入第二个探测器（PD2），使用这两个信号比来产生一个误差信号用来驱动激光器的温度控制器，如果激光器的波长向短波漂移，则控制电路通过控制制冷器（TEC）来加热激光器芯片来补偿；反之，如果波长向长波漂移，则控制电路通过控制TEC致冷来补偿。

目前有几种波长锁定技术：

基于滤波片型波长锁定器，通过镀有一定斜率的膜（类似于带通滤波片的过渡带）的滤波片来测量波长的飘移，滤波片被放在一个探测器的前面，比较每个探测器的信号水平可以判定飘移的大小和方向，因此通过对激光器温度的适当控制结合从每个探测器产生的误差信号（正好或负号指明飘移的方向，幅度与飘移的量成比例关系）来驱动激光器的制冷器是加热还是制冷及其对应的温度，从而达到对激光器波长的锁定。由于滤波片设计固定，因此该方案只能对一个事先设计好的波长进行锁定，每个波长都需要专门设计，使用很不灵活，不具有通用性。

基于衍射光栅型的波长锁定器，该种方法类似于滤波片型的波长锁定器，使用光栅产生两路光，用定位放置的探测器截取折射的光，如同干涉滤波片型，当激光器的波长发生飘移，根据飘移的方向不同，其中一个探测器探测的信号增加，而同时另一个探测器减小。同样，光栅型只能对单一的波长进行锁定且必须采用温度控制，避免由于温度的变化导致光栅波长的飘移。

基于空气隙F-P（Fabry-Perot）标准具的波长锁定器，该种技术方案的工作方式与其它方案有一些不同。它是由一对镀有部分反射膜的平板玻璃和平行的间隔部件组成(形成空气隙，固体隙标准具具有温度特性不良和色散的问题)。光输入到标准具，在两个平板玻璃都产生反射，产生相长（相消）干涉图形（图2）。这个由标准具产生的波长相关的干涉信号与参考光信号进行比较（图3）图，这类似于滤波片型的波长锁定器的方法，通过两者的误差信号用来控制激光器的温度，进而调整和稳定到需要的ITU-T的波长。

空气隙标准具透射响应曲线的形状（图2）取决于两个反射表面的间隔和反射率，改变间隔将改变标准具的自由光谱范围（FSR，自由光谱范围是由透射的峰值点的间隔来定义的，可以是波长或者频率）。FSR（nm）=λ2/2nd，n是空气隙的折射率，d是空气隙的厚度，透射谱带宽FWHM=FSR/F（FWHM：半高全宽），FSR确定了之后，透射峰的陡峭程度由标准具的反射F（Finesse）=πR1/2/（1-R）决定，R为空气隙两个面的反射率，F越大，透射峰越陡峭（图4），带宽越窄，标准具的透射率由下式给出：T=1/（1+4R*sin2(δ/2)/（1-R）2）, δ=2πndcosθ/λ, θ是输入光德入射角。因此，F值小的标准具随着波长的变化给出小的信号变化，反之，大的F值得标准具在波长变化相同的时候给出较大的信号变化，其大小的选择这是由使用锁定器的控制电路来决定的。对于大多数的应用，锁定点设置在透射曲线的线性或对数线性中间的部位，这样不论波长往那边漂移，探测器会给出线性的响应变化信号，当然，也可以将锁定点设置在响应曲线的峰值，但这时候必须选用合适的算法确定漂移的方向。

该种波长锁定器的优点是能够产生连续的滤波曲线覆盖整个ITU-T建议的工作波长，也就是一种器件可以使用在整个工作波长范围内，而这是滤波片型和光栅型所不能的。通过优化的封装设计技术和选用温度稳定的间隔部件的材料，可以较容易实现在整个工作温度范围内精确的标准具间隔，而锁定器本身不需要任何的温度控制电路，可以达到+/-2.5GHz的锁定精度，完全可以满足50GHz甚至25GHz的锁定精度要求（增加温度补偿），是目前主流的技术方案，是DWDM应用的理想的锁定技术。

三、技术指标

一个典型的空气隙F-P标准具型的波长锁定器能够适时监控波长的变化，包括如下指标，全温度锁定精度，锁定范围，锁定点斜率，探测器的响应度，工作电压、工作电流、工作温度、储存温度、工作湿度、储存湿度、外观尺寸等。

目前生产该类型波长锁定器的厂商包括JDSU，PHOTOP，ACCELINK等，图4为ACCELINK开发的锁定器的外形。

根据DWDM系统中光通道的波长间隔范围，规格型号上被分25GHz ,50GHz, 100GHz，其中50GHz是目前比较常规的一种型号，25GHz的锁定器要求较高，但是系统发展的必然方向。从可锁定波长范围来看，主要可分为C波段或者C+L波段。

评估一个波长锁定器指标最重要的方面是锁定精度（Center Channel Accuracy），50GHz DWDM系统要求达到+/-2.5GHz的精度，而25GHz系统则要求达到+/-1.25G的精度，需要采用温度补偿才能满足，现在的器件都提供温度传感器输出，以便实现温度补偿。各厂家的指标对比如表:

从上表可以看出，ACCELINK研发的波长锁定器在各项指标上均等同或优于同类产品。

波长锁定器的锁定精度是一个最重要的指标，ACCELINK通过合理的结构和光路及工艺设计，使其具有很好的全温锁定精度。一个通过实际测试的全温锁定精度结果如下表（不带温度补偿），可以看出指标很好的满足了系统要求。

四、应用

标准具型波长锁定器可以用在DWDM发射机的精密波长锁定，也可以用在信道功率监控，可调谐激光器的波长控制等。

在DWDM系统里，对每个通道的激光器波长进行监控和精确锁定（图5）；同时，DWDM系统的保护通道（如1：N）通常用的是可调谐激光器，需要用波长锁定器将波长调谐并锁定在故障激光器所在信道的波长上（控制方式与普通DFB激光器不同），从而快速准确的实现对通信的保护。

五、小结：

DWDM系统由100GHz向50GHz，25GHz迈进，波长的稳定和准确性对系统的稳定性和可靠性越来越重要，空气隙F-P标准具具有通用性好，温度稳定性好，锁定精度高等优点，应用越来越广泛。

参考文献：

1. Line-Narrowing Etalons by Glen P. Callahan, Emily Kubacki, and Lynore Abbott of CVI Laser, LLC

2.Wavelength lockers keep lasers in line by Ed Miskovic PHOTONICS SPECTRA 1999（02）

3.半导体激光器 清华大学 江剑平，电子工业出版社