一种激光器输出频率的补偿方法以及相应的光模块

摘要

本发明公开了一种激光器输出频率的补偿方法以及相应的光模块，该激光器输出频率的补偿方法包括：获取计算激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式；采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间，并依据折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量；依据模式波长的偏移量获取激光器的温度补偿量；依据温度补偿量调节激光器的工作温度，对激光器的输出波长进行补偿，从而对激光器的输出频率进行补偿。本发明的补偿方法对激光器的输出频率进行补偿，保证激光器输出稳定频率的激光，从而降低信道之间数据串扰，提高光模块性能。

权利要求

1.一种激光器输出频率的补偿方法，其特征在于，所述激光器输出频率的补偿方法包括：获取计算激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式；

折射率计算公式具体为：

其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，T(k)为第k次采样时激光器的工作温度，t(k)为第k次采样时工作温度T(k)保持不变的时间，t(k-1)为第k-1次采样时工作温度T(k-1)保持不变的时间；

采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间，并依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量；

依据所述模式波长的偏移量获取激光器的温度补偿量；

依据所述温度补偿量调节激光器的工作温度，对激光器的输出波长进行补偿，从而对激光器的输出频率进行补偿。

2.根据权利要求1所述的激光器输出频率的补偿方法，其特征在于，所述激光器输出频率的补偿方法还包括：基于所述折射率计算公式预设所述积分系数Ki为0，得到第一公式；

第一公式具体为：

依据第一公式对所述比例系数Kp以及所述微分系数Kd进行参数标定以获取目标比例系数Kpp以及目标微分系数Kdd；

将所述目标比例系数Kpp以及所述目标微分系数Kdd代入到第一公式，得到第二公式，其中，第二公式为修正后的激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式；

第二公式具体为：

3.根据权利要求2所述的激光器输出频率的补偿方法，其特征在于，所述依据第一公式对所述比例系数Kp以及所述微分系数Kd进行参数标定以获取目标比例系数Kpp以及目标微分系数Kdd包括：预设所述比例系数Kp为0，并依据第一公式按照预设的第一步进值对所述微分系数Kd进行赋值遍历，确定当前最佳的第一微分系数Kd1；

依据所述第一微分系数Kd1得到第三公式；

第三公式具体为：

依据第三公式按照预设的第二步进值对所述比例系数Kp进行赋值遍历，确定当前最佳的第一比例系数Kp1，将所述第一比例系数Kp1标记为目标比例系数Kpp。

4.根据权利要求3所述的激光器输出频率的补偿方法，其特征在于，所述依据第一公式对所述比例系数Kp以及所述微分系数Kd进行参数标定以获取目标比例系数Kpp以及目标微分系数Kdd还包括：依据所述目标比例系数Kpp得到第四公式；

第四公式具体为：

并依据第四公式按照预设的第三步进值对所述微分系数Kd进行赋值遍历，确定当前最佳的第二微分系数Kd2；

将所述第一微分系数Kd1和第二微分系数Kd2相加得到目标微分系数Kdd。

5.根据权利要求1～4任一项所述的激光器输出频率的补偿方法，其特征在于，依据第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量包括：依据第五公式获取激光器的模式波长λB；

第五公式具体为：

其中，δ为激光器的光栅节距，m为激光器的光纤模数；

依据第六公式获取激光器模式波长的偏移量ΔλB；

第六公式具体为：

其中， 为激光器增益介质的折射率典型值。

6.根据权利要求5所述的激光器输出频率的补偿方法，其特征在于，所述依据所述模式波长的偏移量获取激光器的温度补偿量包括：依据第七公式获取激光器的温度补偿量ΔTTEC；

第七公式具体为：

7.根据权利要求1～4任一项所述的激光器输出频率的补偿方法，其特征在于，所述采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间，并依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量包括：按照预设的采样频率采集激光器的工作温度；

判断确定本次采样对应的工作温度的温度变化量是否大于预设的温度变化量阈值；

若本次采样对应的工作温度的温度变化量大于预设的温度变化量阈值，则表明本次采样对应的工作温度发生改变，获取本次采样对应的工作温度保持不变的时间；

依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量。

8.根据权利要求1～4任一项所述的激光器输出频率的补偿方法，其特征在于，所述采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间，并依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量包括：采集激光器的工作温度；

判断确定本次采样对应的工作温度的温度变化量是否大于预设的温度变化量阈值；

若本次采样对应的工作温度的温度变化量大于预设的温度变化量阈值，则表明本次采样对应的工作温度发生改变，获取本次采样对应的工作温度保持不变的时间；

在本次采样对应的工作温度发生改变后，开始下一次采样进程，以获取下一次采样时激光器的工作温度以及下一次采样对应的工作温度保持不变的时间；

依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量。

9.一种光模块，其特征在于，所述光模块包括电接口单元、PAM4制式转换单元、处理器、第一光发射单元、第二光发射单元、第一光接收单元、第二光接收单元以及光接口单元；

所述电接口单元与所述PAM4制式转换单元的一端连接，所述PAM4制式转换单元的另一端分别与所述第一光发射单元、所述第二光发射单元、所述第一光接收单元以及第二光接收单元连接；所述第一光发射单元、所述第二光发射单元、所述第一光接收单元以及第二光接收单元还对应与所述光接口单元连接；

所述处理器与所述第一光发射单元和所述第二光发射单元连接，所述处理器用于依据如权利要求1～8任一项所述的激光器输出频率的补偿方法对所述第一光发射单元和所述第二光发射单元的激光器所发射的激光的频率进行补偿，从而保证所述第一光发射单元和所述第二光发射单元的激光器输出稳定频率的激光；

其中，所述光接口单元采用CS结构；所述第一光发射单元和所述第二光发射单元的激光波长在C波段，所述第一光发射单元和所述第二光发射单元所发射的激光的波长可调，所述第一光发射单元和所述第二光发射单元所发射的激光的波长间距为50GHz或100GHz。

10.一种光模块，其特征在于，所述光模块包括激光器、处理器以及存储器，所述处理器分别与所述激光器和所述存储器连接，其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被程序设置为执行如权利要求1～8任一项所述的激光器输出频率的补偿方法。

说明书

一种激光器输出频率的补偿方法以及相应的光模块

技术领域

[0001] 本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种激光器输出频率的补偿方法以及相应的光模块。

背景技术

[0002] 近年来，随着互联网的进一步普及，互联网用户不断增加，对高速数据流量的需求也越来越大，城域网也从最初的64kbps的基础服务，逐渐升级到2.5Gbps、10Gbps，再到100Gbps。这些为我们的生活带来了很大的便利，比如高速上网、视频点播、视频通话、网络电视、远程会议等我们正在使用的各种互联网应用。另一方面，不断增加的数据流量需求也给城域网络建设提出了新的挑战。在保持较低成本的前提下，提高单根光纤的数据传输容量，是解决当下及未来越来越庞大的数据流量需求的可靠路径。各大系统供应商和运营商都将密集型光波复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，简称DWDM)作为优化网络传输的首选方案，系统的光信道间隔也由200GHz向100GHz以及50GHz迈进。随着光信道间隔不断变小，对激光器的性能要求越来越高。比如光信道间隔为50GHz、工作在50Gbps速率的激光器，频率需要稳定在±5GHz范围以内。在实际应用中，由于环境因素的影响，例如激光器的工作温度，导致激光器的发射光的输出波长发生偏移，进而导致激光器输出的频率无法稳定在较小的误差范围内，从而引起信道之间的数据串扰问题，传输误码较高，降低了光模块的性能。

[0003] 目前，可以采用波长锁定电路实现激光器频率稳定，但是这种方法不仅实现成本较高，而且会增大激光器管体体积，进而占用电路设计部分布板区域而造成布板困难，甚至影响电信号质量导致传输误码较高。

[0004] 鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光器输出频率的补偿方法以及相应的光模块，其目的在于对PID算法进行改进，并基于改进后的PID算法调节激光器的温度，进而对激光器的输出频率进行补偿，保证激光器输出稳定频率的激光，从而降低信道之间数据串扰，提高光模块性能，由此解决目前激光器的发射光的输出波长发生偏移，进而导致激光器输出的频率无法稳定在较小的误差范围内，从而引起信道之间的数据串扰问题，传输误码较高的技术问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

[0007] 第一方面，本发明提供一种激光器输出频率的补偿方法，所述激光器输出频率的补偿方法包括：

[0008] 获取计算激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式；

[0009] 折射率计算公式具体为：

[0010] 其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，T(k)为第k次采样时激光器的工作温度，t(k)为第k次采样时工作温度T(k)保持不变的时间，t(k-1)为第k-1次采样时工作温度T(k-1)保持不变的时间；

[0011] 采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间，并依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量；

[0012] 依据所述模式波长的偏移量获取激光器的温度补偿量；

[0013] 依据所述温度补偿量调节激光器的工作温度，对激光器的输出波长进行补偿，从而对激光器的输出频率进行补偿。

[0014] 优选地，所述激光器输出频率的补偿方法还包括：

[0015] 基于所述折射率计算公式预设所述积分系数Ki为0，得到第一公式；

[0016] 第一公式具体为：

[0017] 依据第一公式对所述比例系数Kp以及所述微分系数Kd进行参数标定以获取目标比例系数Kpp以及目标微分系数Kdd；

[0018] 将所述目标比例系数Kpp以及所述目标微分系数Kdd代入到第一公式，得到第二公式，其中，第二公式为修正后的激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式；

[0019] 第二公式具体为：

[0020] 优选地，所述依据第一公式对所述比例系数Kp以及所述微分系数Kd进行参数标定以获取目标比例系数Kpp以及目标微分系数Kdd包括：

[0021] 预设所述比例系数Kp为0，并依据第一公式按照预设的第一步进值对所述微分系数Kd进行赋值遍历，确定当前最佳的第一微分系数Kd1；

[0022] 依据所述第一微分系数Kd1得到第三公式；

[0023] 第三公式具体为：

[0024] 依据第三公式按照预设的第二步进值对所述比例系数Kp进行赋值遍历，确定当前最佳的第一比例系数Kp1，将所述第一比例系数Kp1标记为目标比例系数Kpp。

[0025] 优选地，所述依据第一公式对所述比例系数Kp以及所述微分系数Kd进行参数标定以获取目标比例系数Kpp以及目标微分系数Kdd还包括：

[0026] 依据所述目标比例系数Kpp得到第四公式；

[0027] 第四公式具体为：

[0028] 并依据第四公式按照预设的第三步进值对所述微分系数Kd进行赋值遍历，确定当前最佳的第二微分系数Kd2；

[0029] 将所述第一微分系数Kd1和第二微分系数Kd2相加得到目标微分系数Kdd。

[0030] 优选地，依据第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量包括：

[0031] 依据第五公式获取激光器的模式波长λB；

[0032] 第五公式具体为：

[0033] 其中，δ为激光器的光栅节距，m为激光器的光纤模数；

[0034] 依据第六公式获取激光器模式波长的偏移量ΔλB；

[0035] 第六公式具体为：

[0036] 其中， 为激光器增益介质的折射率典型值。

[0037] 优选地，所述依据所述模式波长的偏移量获取激光器的温度补偿量包括：

[0038] 依据第七公式获取激光器的温度补偿量ΔTTEC；

[0039] 第七公式具体为：

[0040] 优选地，所述采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间，并依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量包括：

[0041] 按照预设的采样频率采集激光器的工作温度；

[0042] 判断确定本次采样对应的工作温度的温度变化量是否大于预设的温度变化量阈值；

[0043] 若本次采样对应的工作温度的温度变化量大于预设的温度变化量阈值，则表明本次采样对应的工作温度发生改变，获取本次采样对应的工作温度保持不变的时间；

[0044] 依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量。

[0045] 优选地，所述采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间，并依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量包括：

[0046] 采集激光器的工作温度；

[0047] 判断确定本次采样对应的工作温度的温度变化量是否大于预设的温度变化量阈值；

[0048] 若本次采样对应的工作温度的温度变化量大于预设的温度变化量阈值，则表明本次采样对应的工作温度发生改变，获取本次采样对应的工作温度保持不变的时间；

[0049] 在本次采样对应的工作温度发生改变后，开始下一次采样进程，以获取下一次采样时激光器的工作温度以及下一次采样对应的工作温度保持不变的时间；

[0050] 依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量。

[0051] 第二方面，本发明提供一种光模块，所述光模块包括电接口单元、PAM4制式转换单元、处理器、第一光发射单元、第二光发射单元、第一光接收单元、第二光接收单元以及光接口单元；

[0052] 所述电接口单元与所述PAM4制式转换单元的一端连接，所述PAM4制式转换单元的另一端分别与所述第一光发射单元、所述第二光发射单元、所述第一光接收单元以及第二光接收单元连接；所述第一光发射单元、所述第二光发射单元、所述第一光接收单元以及第二光接收单元还对应与所述光接口单元连接；

[0053] 所述处理器与所述第一光发射单元和所述第二光发射单元连接，所述处理器用于依据如第一方面所述的激光器输出频率的补偿方法对所述第一光发射单元和所述第二光发射单元的激光器所发射的激光的频率进行补偿，从而保证所述第一光发射单元和所述第二光发射单元的激光器输出稳定频率的激光；

[0054] 其中，所述光接口单元采用CS结构；所述第一光发射单元和所述第二光发射单元的激光波长在C波段，所述第一光发射单元和所述第二光发射单元所发射的激光的波长可调，所述第一光发射单元和所述第二光发射单元所发射的激光的波长间距为50GHz或100GHz。

[0055] 第三方面，本发明提供一种光模块，所述光模块包括激光器、处理器以及存储器，所述处理器分别与所述激光器和所述存储器连接，其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被程序设置为执行如第一方面所述的激光器输出频率的补偿方法。

[0056] 第四方面，本发明还提供了一种非易失性计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，用于完成第一方面所述的激光器输出频率的补偿方法。

[0057] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明通过对PID算法进行改进，并基于改进后的PID算法实时自适应调节激光器的温度，以对激光器的模式波长的偏移量进行补偿，使得激光器的输出波长相对于中心波长的偏差较小，进而保证激光器输出稳定频率的激光，从而降低信道之间数据串扰，提高光模块性能。同时，本发明激光器输出频率的补偿方法无需增加额外的硬件电路，成本低，可靠，易实现且适用性更广。

附图说明

[0058] 图1是本发明实施例提供的一种光模块的结构示意图；

[0059] 图2是本发明实施例提供的一种光模块的传输系统的结构示意图；

[0060] 图3是本发明实施例提供的一种激光器输出频率的补偿方法流程示意图；

[0061] 图4是本发明实施例提供的另一种激光器输出频率的补偿方法流程示意图；

[0062] 图5是本发明实施例提供的PID计算算法的测绘曲线示意图；

[0063] 图6是本发明实施例提供又一种光模块的结构示意图。

具体实施方式

[0064] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0065] 参阅图1，在一具体的应用场景中，作为光通信使用的光模块包括电接口单元11、PAM4制式转换单元12、驱动单元13、处理器14、第一光发射单元151、第二光发射单元152、第一光接收单元153、第二光接收单元154以及光接口单元16。

[0066] 其中，电接口单元11与PAM4制式转换单元12的一端连接，PAM4制式转换单元12的另一端与驱动单元13连接之后再分别与第一光发射单元151和第二光发射单元152；PAM4制式转换单元12还与第一光接收单元153以及第二光接收单元154连接。第一光发射单元151、第二光发射单元152、第一光接收单元153以及第二光接收单元154还对应与光接口单元16连接。其中，光接口单元16采用CS结构。第一光发射单元151和第二光发射单元152的激光波长在C波段，第一光发射单元151和第二光发射单元152所发射的激光的波长可调，第一光发射单元151和第二光发射单元152所发射的激光的波长间距最小可为50GHz，在其他实施例中第一光发射单元151和第二光发射单元152所发射的激光的波长间距也可以100GHz。波长间距可以依据实际情况而设计，在此不做具体限定。在实际应用场景中，波长间距越小，为了减小数据串扰，对于第一光发射单元151和第二光发射单元152所发射的激光的波长以及频率的稳定性要求越高。各单元之间的通信连接方式请具体参阅图1，在此，不再赘述。其中，光模块所包括的光接收单元和光发射单元的数目不做具体限定，可依据实际情况而定。

[0067] 其中，电接口单元11用于与系统卡板连接，以接收系统卡板所发送的电信号或向系统卡板发送电信号，从而实现光模块与系统卡板之间的信号交互。

[0068] 其中，PAM4制式转换单元12为PAM4Gearbox制式转换单元，PAM4制式转换单元12包括编码单元和译码单元，编码单元用于对接收到的电信号进行编码以生成PAM4码式的信号，译码单元用于对接收到的PAM4码式的信号进行解码以生成电接口单元11所能识别的码式的信号。

[0069] 在可选的实施例中，第一光发射单元151和第二光发射单元152包括集成TEC的外调制EML(External Modulated Laser，简称EML)激光器，信号传输速率可以为25Gbps，第一光发射单元151和第二光发射单元152分别将25G PAM4电信号转换成光信号，并通过光接口单元16输出，输出的信号速率为2×50Gbps。在实际应用场景中，第一光发射单元151发射光波长在C波段，波长为λ1，可通过TEC温控实现波长可调；第二光发射单元152发射光波长在C波段，波长为λ2，可通过TEC温控实现波长可调。

[0070] 其中，处理器14分别与第一光发射单元151和第二光发射单元152连接，处理器14通过IIC总线控制第一光发射单元151和第二光发射单元152对应的TEC电路，以对第一光发射单元151和第二光发射单元152对应的激光器波长进行正向锁定补偿，确保激光器波长稳定在中心波长。

[0071] 在实际应用场景中，系统板卡发出100Gbps的高速信号到到电接口单元11，其中，高速信号为4通道25G差分信号，编码形式为NRZ码型。电接口单元11为38PIN 4×25G NRZ电接口单元，电接口单元11将4×25G NRZ电信号发送至PAM4制式转换单元12，PAM4制式转换单元12通过内部的DSP处理单元对电信号进行码型编译将NRZ码型编译成PAM4码型，输出为2×25G PAM4差分电信号到驱动单元13，驱动单元13具有双通道输出，驱动单元13将2×25G PAM4差分电信号转换成2×25G PAM4单端电信号，并对电信号进行波形整形和幅度放大，分别输出到第一光发射单元151和第二光发射单元152，第一光发射单元151和第二光发射单元152通过光接口单元16输出发射光信号。在另一个实际应用场景中，光接口单元16接收光信号，第一光接收单元153和第二光接收单元154接收光信号，并将光信号转换为电信号后发送给PAM4制式转换单元12，PAM4制式转换单元12对电信号进行制式转换后发送给电接口单元11，系统卡板从电接口单元11获取电信号。在其他实施例中，光模块传输的电信号为
26Gbaud PAM4信号，最高56G。

[0072] 前述主要说明了单一光模块的结构以及工作原理，在实际传输系统中，如图2，传输系统包括多个上述光模块和光纤传输链路，各光模块与光纤传输链路连接，每个光模块对应的波长不同，全部光模块输出的光信号通过DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，简写为DWDM)密集波分复用模块，将多个光模块对应的波长合波到一根单模光纤，然后经过光纤传输到接收端。其中，光纤传输链路中包含DCM色散补偿单元以及OA光放大单元。在一具体应用场景中，各光模块工作在C波段波长，波长范围为1529.16nm～1567.01nm，为了提高数据传输量，相邻波长的最小波长间距可以为50GHz。例如，在一个传输系统中最多包含96个不同波长信号波分复用到一根单模光纤进行信号传输，相邻波长的最小波长间距可以为50GHz，可实现50Gbps×96，即4.8Tbps的数据吞吐量。

[0073] 但是，在实际使用过程中，由于光模块温度变化的影响，第一光发射单元151和第二光发射单元152的工作温度会发生温度漂移，同时增益介质本身存在一定的热效应，产生的温度梯度和机械应力会导致增益介质折射率的改变，进而影响第一光发射单元151和第二光发射单元152中的激光器所发射的激光的波长发生偏移，从而影响激光器的发射光的频率发生偏移，导致第一光发射单元151和第二光发射单元152内的激光器出光频率不稳定。特别是在包含多个光模块的传输系统中，为了提高数据吞吐量，光信道间隔不断变小。由于光信道间隔不断减小，当激光器的发射光输出频率不稳定时(输出频率相对于中心频率误差较大)，容易出现相邻信道间的信号发生串扰的情况。

[0074] 为了减小信号间的串扰，激光器的发射光的频率需稳定在较小的误差范围内，以保证激光器输出频率稳定，提高光模块的性能。发明人经大量试验发现，光模块工作温度及温度变化率均会影响到激光器中增益介质的折射率，进而影响到激光器的输出波长，从而影响到激光器的输出频率。在实际应用场景中，温度梯度和机械应力的不可预测性，使得对增益介质折射率直接补偿具有很大的不确定性，可以针对光模块温度及温度变化率与激光器中增益介质的折射率变化关系，采用PID算法实现光模块温度的锁定，PID算法基于反馈控制来增强增益介质折射率补偿的稳定性和确定性。

[0075] 由于数字PID是一种采样控制算法，因此PID算法的积分项和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法进行逼近，同时为了消除静态误差，提高控制精度，一般采用位置式PID算法进行锁定补偿，位置式PID算法的表达式如下：

[0076]

[0077] 其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，n(k)为激光器中增益介质当前折射率值(当前第k次采样时对应的折射率)，T(k)为第k次采样时激光器的工作温度(当前第k次采样时对应的工作温度)，T(k)-1为第k-1次采样时激光器的工作温度(上一次第k-1次采样时对应的工作温度)。

[0078] 在实际测试中，发明人发现在相邻的两个采样周期内(第k次采样和第k-1次)，经常存在T(k)和T(k-1)相等或者差异很小的情况，则会使得微分部分Kd×[T(k)-T(k-1)]＝0或者微分部分Kd×[T(k)-T(k-1)]接近等于0，从而使得微分项部分的作用不明显，无法保证激光器输出稳定频率的发射光，容易出现相邻信道间的信号发生串扰的情况，特别是在相邻信道间的信道间隔比较小的情况下，对于激光器输出的发射光的频率要求更高，需要保证激光器输出的发射光的频率相对于中心频率的误差更小，即，激光器输出的发射光的频率更稳定。

[0079] 为了解决上述问题，本发明提供了一种激光器输出频率的补偿方法，在本实施例中，处理器14与第一光发射单元151和第二光发射单元152连接，处理器14用于依据本发明提供的激光器输出频率的补偿方法对第一光发射单元151和第二光发射单元152的激光器所发射的激光的频率进行补偿，从而保证第一光发射单元151和第二光发射单元152的激光器输出稳定频率的激光。

[0080] 通过本发明提供了一种激光器输出频率的补偿方法，通过该补偿方法实时对激光器的发射光的输出频率进行补偿，从而保证激光器输出稳定频率的发射光，该方法因地适宜的对位置式PID算法进行改进，更可靠、更易实现，且无需增加额外的硬件成本，适用性较广。另一方面，本发明的补偿方法可以实现对激光器输出频率更精确的补偿，使得激光器输出的发射光的频率相对于中心频率的误差更小(激光器输出的发射光的频率更稳定)，从而保证光模块适用于信道间隔较小的传输系统。关于一种激光器输出频率的补偿方法的具体实现过程请详见实施例1和实施例2。

[0081] 实施例1：

[0082] 下面参阅图3，激光器输出频率的补偿方法具体包括如下步骤：

[0083] 步骤30：获取计算激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式。

[0084] 基于上述情况，发明人发现对位置式PID算法的微分部分进行变形优化后，可以有效发挥微分部分的作用，从而更精确地通过调节温度对激光器的输出频率进行补偿，以保证激光器输出稳定频率的发射光。具体而言，将微分部分优化为 其中，t(k)为第k次采样时工作温度T(k)保持不变的时间，t(k-1)为第k-1次采样时工作温度T(k-1)保持不变的时间。基于微分部分“阻止偏差改变”的原理特性，如果t(k)大于t(k-1)，说明激光器的工作温度变化变慢，则应降低微分部分的作用；相反如果t(k)小于t(k-1)，说明激光器的工作温度变化变快，则要增加微分部分的作用。如此，可以通过 来影响微分部分的大小，进而可以因地适宜的对位置式PID算法进行改进，更可靠、更易实现，且无需增加额外的硬件成本。改进后的位置式PID算法所满足的关系式具体请参照如下折射率计算公式：

[0085] 折射率计算公式具体为：

[0086] 其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，T(k)为第k次采样时激光器的工作温度，t(k)为第k次采样时工作温度T(k)保持不变的时间，t(k-1)为第k-1次采样时工作温度T(k-1)保持不变的时间。

[0087] 步骤31：采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间，并依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量。

[0088] 在本实施例中，按照预设的采样频率采集激光器的工作温度，同时采集并记录每次采样对应的工作温度保持不变的时间。其中，采样频率是预先设定的，可以依据实际情况而定。

[0089] 例如，第1次采样时采集到的工作温度为T(1)，并获取工作温度为T(1)保持不变的时间t(1)；第k-1次采样时采集到的工作温度为T(k-1)，并获取工作温度为T(k-1)保持不变的时间t(k-1)；第k次采样时采集到的工作温度为T(k)，并获取工作温度为T(k)保持不变的时间t(k)。其中，第k次采样对应当前最近的采样，第k-1次采样为相对于当前最近采样的上一次采样。

[0090] 在实际应用场景中，若工作温度仅发生微小的变化(如工作温度变化0.01度)即判定温度发生变化，无疑会大大增加数据处理量，影响数据处理的效率，进而影响温度的调节。为了避免前述情况的发生，判断确定本次采样对应的工作温度的温度变化量是否大于预设的温度变化量阈值，若本次采样对应的工作温度的温度变化量大于预设的工作变化阈值，则表明本次采样对应的工作温度发生改变，获取本次采样对应的工作温度保持不变的时间；依据所述折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量。

[0091] 其中，预设的温度变化量阈值依据实际情况而定，可以为0.1度或者0.5度或者其他数据。例如，预设的温度变化量阈值为0.1度，当前采样的工作温度为T(k)，则工作温度维持在T(k)-0.1～T(k)+0.1的范围内即表明温度保持不变，若工作温度没有落入T(k)-0.1～T(k)+0.1的范围内即表明温度发生改变，则获取工作温度维持在T(k)-0.1～T(k)+0.1的范围的时间，该时间即为本次采样对应的工作温度保持不变的时间。

[0092] 在优选的实施例中，为了准确记录每个工作温度保持不变的时间，可以实时获取激光器的工作温度，当工作温度发生改变时，再进行下一次采样进程，即采样的频率是变化的，由实际的工作温度而定，从而实施记录获取工作温度以及每个工作温度维持不变的时间。具体而言，采集激光器的工作温度；判断确定本次采样对应的工作温度的温度变化量是否大于预设的温度变化量阈值；若本次采样对应的工作温度的温度变化量大于预设的温度变化量阈值，则表明本次采样对应的工作温度发生改变，获取本次采样对应的工作温度保持不变的时间；在本次采样对应的工作温度发生改变后，开始下一次采样进程，以获取下一次采样时激光器的工作温度以及下一次采样对应的工作温度保持不变的时间。其中，工作温度保持不变的时间依据前述的方式确定，在此不再赘述。

[0093] 具体而言，在本实施例中，依据上述折射率计算公式获取第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，在得到第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)后，再依据第五公式获取激光器的模式波长λB。

[0094] 第五公式具体为：

[0095] 其中，δ为激光器的光栅节距，m为激光器的光纤模数。

[0096] 进一步地，将激光器的模式波长λB代入到第六公式获取激光器模式波长的偏移量ΔλB。

[0097] 第六公式具体为：

[0098] 其中， 为激光器增益介质的折射率典型值。

[0099] 在本实施例中，当激光器增益介质的折射率为典型值 时，此时激光器发射的激光的波长为中心波长。

[0100] 步骤32：依据所述模式波长的偏移量获取激光器的温度补偿量。

[0101] 在实际应用场景中，激光器的温度补偿量ΔTTEC与激光器模式波长的偏移量ΔλB满足如下第七公式，将激光器模式波长的偏移量ΔλB代入到第七公式获取激光器的温度补偿量ΔTTEC；

[0102] 第七公式具体为：

[0103] 步骤33：依据所述温度补偿量调节激光器的工作温度，对激光器的输出波长进行补偿，从而对激光器的输出频率进行补偿。

[0104] 在本实施例中，依据所述温度补偿量ΔTTEC调节激光器的工作温度，进而对激光器的输出波长进行补偿，使得激光器模式波长的偏移量ΔλB趋向等于0，进而激光器的模式波长λB稳定在中心波长。由于激光器的发射光满足c＝λf，其中，c为光速、λ为波长、f为频率，在激光器的模式波长λB稳定在中心波长后，相应地，激光器的发射光的频率也稳定在中心频率，从而激光器的输出频率进行补偿，达到激光器输出稳定频率的激光的目的。

[0105] 实施例2：

[0106] 基于实际应用场景，发明人发现在实际测试中，积分部分的影响很小，几乎可以忽略不计。为了节省处理的数据量，提高运算的速率，区别于上述实施例1，本实施例基于实际情况对位置PID算法进行了进一步的优化，首先，基于实施例1的折射率计算公式预设所述积分系数Ki为0，进一步优化位置式PID算法得到第一公式。

[0107] 第一公式具体为：

[0108] 然后，再依据第一公式对所述比例系数Kp以及所述微分系数Kd进行参数标定以获取目标比例系数Kpp以及目标微分系数Kdd，得到进一步优化的激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式，不仅可以提高运算的速率，同时，还可以提高补偿的精度。

[0109] 下面参阅图4，激光器输出频率的补偿方法具体包括如下步骤：

[0110] 步骤40：获取计算激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式。

[0111] 在本实施例中，基于对位置式PID算法的改进获取激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式。折射率计算公式具体如下：

[0112]

[0113] 其中，Kp为比例系数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，T(k)为第k次采样时激光器的工作温度，t(k)为第k次采样时工作温度T(k)保持不变的时间，t(k-1)为第k-1次采样时工作温度T(k-1)保持不变的时间。

[0114] 关于上述折射率计算公式的改进原理请参照实施例1的步骤30，在此不再赘述。

[0115] 步骤41：基于所述折射率计算公式预设所述积分系数Ki为0，得到第一公式。

[0116] 基于实际应用场景，发明人发现在实际测试中，积分部分的影响很小，几乎可以忽略不计，因此，在本实施例中，基于上述折射率计算公式预设所述积分系数Ki为0，得到第一公式。

[0117] 第一公式具体为：

[0118] 为了得到更准确的增益介质折射率值，采用赋值遍历的方式对上述第一公式进行PID曲线实际测绘得到目标比例系数Kpp以及目标微分系数Kdd，从而得到修正后的激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式。

[0119] 步骤42：依据第一公式对所述比例系数Kp以及所述微分系数Kd进行参数标定以获取目标比例系数Kpp以及目标微分系数Kdd。

[0120] 在本实施例中，按照如下参数标定的方法确定目标比例系数Kpp以及目标微分系数Kdd：

[0121] 首先，预设所述比例系数Kp为0，并依据第一公式按照预设的第一步进值对所述微分系数Kd进行赋值遍历，确定当前最佳的第一微分系数Kd1，其中，第一步进值为0.1，在其他实施例中，第一步进值也可以为其他数值。

[0122] 在本实施例中，采用PID曲线测绘的方式确定每次赋值对应的PID计算公式的稳定性和响应速度，当某次赋值对应的PID计算公式的稳定性和响应速度达到预设的阈值时，表明该次赋值对应的微分系数Kd为当前最佳的第一微分系数Kd1。

[0123] 例如，图5所示，在对赋值遍历得到的PID计算公式进行PID曲线实际测绘时，依据测绘曲线可得知在第165次采样时PID曲线稳定(曲线趋于平缓稳定)。同时根据系统设定的200Hz的采样频率可知该PID计算公式可在约0.8s的时间稳定，具有较好的响应速度。则可以确定第165次采样对应的微分系数Kd为当前最佳的第一微分系数Kd1。

[0124] 然后，将所述第一微分系数Kd1代入到得到第一公式中得到第二公式；

[0125] 第二公式具体为：

[0126] 然后，在确定完第一微分系数Kd1后，再依据第二公式按照预设的第二步进值对所述比例系数Kp进行赋值遍历，确定当前最佳的第一比例系数Kp1，其中，第二步进值为0.1，在其他实施例中，第二步进值也可以为其他数值。其中，确定当前最佳的比例系数的方法与确定当前最佳的微分系数的方法相同，均是采用曲线测绘的方式确定PID计算公式的稳定性和响应速度，当稳定性和响应速度达到预设的阈值的时候，则表明该次赋值对应的比例系数Kp为当前最佳的第一比例系数Kp1。并将所述第一比例系数Kp1标记为目标比例系数Kpp。将目标比例系数Kpp代入到得到第一公式中得到得到第三公式；

[0127] 第三公式具体为：

[0128] 进一步地，依据第三公式按照预设的第三步进值对所述微分系数Kd进行赋值遍历，确定当前最佳的第二微分系数Kd2，其中，第三步进值为0.1，在其他实施例中，第三步进值也可以为其他数值。当前最佳的第二微分系数Kd2的确定方式与当前最佳的第一微分系数Kd1的确定方式相同，具体可参照当前最佳的第一微分系数Kd1的确定方式而定，在此不再赘述。最后，将所述第一微分系数Kd1和第二微分系数Kd2相加得到目标微分系数Kdd。

[0129] 步骤43：将所述目标比例系数Kpp以及所述目标微分系数Kdd代入到第一公式，得到第二公式，其中，第二公式为修正后的激光器的增益介质折射率值n(k)的计算公式。

[0130] 在本实施例中，将所述目标比例系数Kpp和所述目标微分系数Kdd代入得到第一公式中得到修正后的激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式，修正后的激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式具体如下：

[0131]

[0132] 然后，依据修正后的激光器的增益介质折射率值n(k)的折射率计算公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)。

[0133] 步骤44：采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间，并依据第二公式确定第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，依据所述第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)获取激光器模式波长的偏移量。

[0134] 在本实施例中，采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间，其中，采集激光器的工作温度以及本次采样对应的工作温度保持不变的时间的具体步骤请参阅实施例1的步骤31以及相关的文字描述，在此不再赘述。

[0135] 然后，依据上述修正后的折射率计算公式获取第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)，在得到第k次采样时激光器的增益介质折射率值n(k)后，再依据第五公式获取激光器的模式波长λB。

[0136] 第五公式具体为：

[0137] 其中，δ为激光器的光栅节距，m为激光器的光纤模数。

[0138] 进一步地，将激光器的模式波长λB代入到第六公式获取激光器模式波长的偏移量ΔλB。

[0139] 第六公式具体为：

[0140] 其中， 为激光器增益介质的折射率典型值。

[0141] 在本实施例中，当激光器增益介质的折射率为典型值 时，此时激光器发射的激光的波长为中心波长。

[0142] 步骤45：依据所述模式波长的偏移量获取激光器的温度补偿量。

[0143] 在实际应用场景中，激光器的温度补偿量ΔTTEC与激光器模式波长的偏移量ΔλB满足如下第七公式，将激光器模式波长的偏移量ΔλB代入到第七公式获取激光器的温度补偿量ΔTTEC；

[0144] 第七公式具体为：

[0145] 步骤46：依据所述温度补偿量调节激光器的工作温度，对激光器的输出波长进行补偿，从而对激光器的输出频率进行补偿。

[0146] 在本实施例中，依据所述温度补偿量ΔTTEC调节激光器的工作温度，进而对激光器的输出波长进行补偿，使得激光器模式波长的偏移量ΔλB趋向等于0，进而激光器的模式波长λB稳定在中心波长。由于激光器的发射光满足c＝λf，其中，c为光速、λ为波长、f为频率，在激光器的模式波长λB稳定在中心波长后，相应地，激光器的发射光的频率也稳定在中心频率，从而激光器的输出频率进行补偿，达到激光器输出稳定频率的激光的目的。

[0147] 区别于现有技术，本发明通过对PID算法进行改进，并基于改进后的PID算法实时自适应调节激光器的温度，以对激光器的模式波长的偏移量进行补偿，使得激光器的输出波长相对于中心波长的偏差较小，进而保证激光器输出稳定频率的激光，从而降低信道之间数据串扰，提高光模块性能。同时，本发明激光器输出频率的补偿方法无需增加额外的硬件电路，成本低，可靠，易实现且适用性更广。

[0148] 实施例3：

[0149] 请参阅图6，图6是本发明实施例提供的一种光模块的结构示意图。本实施例的光模块括一个或多个处理器61、存储器62以及一个或多个激光器63。其中，图6中以一个处理器61、一个激光器63为例。其中，本实施例的激光器63可以对应为图1所示的光模块的光发射单元。

[0150] 处理器61和存储器62可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。处理器61还与激光器63通过总线或者其他方式连接，例如IIC总线。

[0151] 存储器62作为一种基于激光器输出频率的补偿方法的非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如实施例1和/或实施例2中的激光器输出频率的补偿方法以及对应的程序指令。处理器61通过运行存储在存储器62中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行激光器输出频率的补偿方法的各种功能应用以及数据处理，即实现实施例1和/或实施例2的激光器输出频率的补偿方法的功能。

[0152] 其中，存储器62可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器62可选包括相对于处理器61远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器61。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

[0153] 关于激光器输出频率的补偿方法请参照图1～图5及相关的文字描述在此，不再赘述。

[0154] 值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

[0155] 本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(Read Only Memory，简写为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简写为RAM)、磁盘或光盘等。

[0156] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。