前言
最近需要使用到S7500激光器，因此仔细阅读了相关的操作文档，在进行文档翻译的同时，对部分关键概念进行了补充说明，以帮助自己更深入了解和操作这个激光器。
📚文档链接 ：Finisar Corporation Document AN-2095 Revsu：Finisar公司文档an-2095 revsuor controlling-the-s7500-cw-tunable-laser-an-2095.pdf
S7500 连续波可调谐激光器的控制------（文档翻译）
1 引言
本文档解释了 Finisar 公司 S7500 可调谐激光器的一般工作原理。它提供了用于控制 S7500 的电路所需的高层描述，以及在该电路上运行的控制算法概述。
2 如何使用本应用笔记
本应用笔记的目标读者是硬件和固件工程师，他们希望设计用于控制 Finisar S7500 连续波（CW）可调谐激光器的电路及其相关固件。
3 S7500 激光器的一般工作原理
3.1 调制光栅 Y 分支激光器（Modulated Grating Y-Branch Laser）
Finisar 公司专利的可调谐激光器------调制光栅 Y 分支（Modulated Grating Y-branch，简称 MG-Y ）激光器，是基于传统的分布式布拉格反射（DBR）激光器（见图 1）改进而来的。然而，DBR 激光器的调谐范围通常仅限于约 1 THz（约 8 nm），这意味着单个 DBR 激光器无法覆盖整个 C 波段或 L 波段。为了扩展调谐范围，DBR 激光器中的单一光栅反射器被替换为两个调制光栅（MG）反射器的组合。
🧠传统的 DBR 激光器 输出波长主要由两个因素决定：
1、光栅的布拉格条件： λ B = 2 n e f f Λ \lambda_B=2n_\mathrm{eff}\Lambda λB=2neffΛ
n e f f ：波导的有效折射率 n_\mathrm{eff}：波导的有效折射率 neff：波导的有效折射率
Λ ：光栅周期 \Lambda：光栅周期 Λ：光栅周期2、增益区的中心增益波长（由有源区材料的能带决定）
只有当反射峰和增益峰 重合 时，激光才能高效振荡。
调谐的原理是：改变注入电流 → 改变折射率 n e f f n_\mathrm{eff} neff→ 改变布拉格波长 λ B \lambda_B λB
❕︎ 但是折射率变化量很小、增益谱宽度有限等问题导致实际可调范围上限只有约 1 THz（≈8 nm）。
MG-Y 激光器的工作原理基于维尼尔效应（Vernier Effect）。两个调制光栅反射器各自具有梳状的反射谱，如图 2 所示。这两个梳状反射谱的峰间距略有不同，因此在任意时刻只有一对反射峰相互重叠。两路反射通过多模干涉（MMI）耦合器进行合成（见图 1）。
图 2 的下半部分绘制了从 MMI 耦合器输入端口观察到的总反射谱。当左反射器的某一反射峰与右反射器的反射峰对齐时，才会出现较强的反射 。激光器将会在最接近该总反射峰的纵向腔模频率处发射光。
通过调整其中一个反射器，使其反射峰移动相当于两个光栅峰间距差的量，就可以使相邻的一对反射峰重新对齐。也就是说，只需对单个反射器进行较小幅度的调节，就能实现激光发射频率（波长）的较大范围调谐。
🧩 为什么 MG-Y 可进行大范围调谐?
MG-Y不是仅靠"移动反射峰"，而是利用两个光栅间距略有不同 → 产生Vernier Effect。这样：
- 每个光栅的调谐范围仍然是 8 nm；
- 但通过它们反射峰"错位叠加"，可以让"重叠点"在几十纳米范围内滑动；
- 等效实现 数十 THz 的调谐范围。
🧮 举个例子（数据随机）：
假设：
MG1 的梳状反射峰间隔 Δλ₁ = 0.8 nm
MG2 的梳状反射峰间隔 Δλ₂ = 0.84 nm
它们第一次对齐在 λ₀ ≈ 1550 nm
下次当 MG1 的第 m₁ 个反射峰 与 MG2 的第 m₂ 个反射峰对齐时：
λ 0 + m 1 ⋅ Δ λ 1 = λ 0 + m 2 ⋅ Δ λ 2 \lambda_0+m_1\cdotp\Delta\lambda_1=\lambda_0+m_2\cdotp\Delta\lambda_2 λ0+m1⋅Δλ1=λ0+m2⋅Δλ2则相邻两次重叠的波长差：
Δ λ v e r n i e r = m 1 ⋅ Δ λ 1 = λ 0 + m 2 ⋅ Δ λ 2 \Delta\lambda_{vernier} =m_1\cdotp\Delta\lambda_1 = \lambda_0+m_2\cdotp\Delta\lambda_2 Δλvernier=m1⋅Δλ1=λ0+m2⋅Δλ2整理有：
Δ λ v e r n i e r Δ λ 1 − Δ λ v e r n i e r Δ λ 2 = 1 \frac{\Delta\lambda_\mathrm{vernier}}{\Delta\lambda_1}-\frac{\Delta\lambda_\mathrm{vernier}}{\Delta\lambda_2}=1 Δλ1Δλvernier−Δλ2Δλvernier=1因此：
Δ λ v e r n i e r = Δ λ 1 ⋅ Δ λ 2 ∣ Δ λ 2 − Δ λ 1 ∣ = 0.8 ∗ 0.84 / 0.04 = 16.8 n m \Delta\lambda_{\mathrm{vernier}}=\frac{\Delta\lambda_1\cdot\Delta\lambda_2}{|\Delta\lambda_2-\Delta\lambda_1|}=0.8*0.84/0.04=16.8 nm Δλvernier=∣Δλ2−Δλ1∣Δλ1⋅Δλ2=0.8∗0.84/0.04=16.8nm也就是说，只要轻轻调一点电流，让梳子"滑动"几 nm，共振波长就会从 1550 nm 跳到 1566.8 nm ------ 相当于跨越几十个小峰！
图 3 显示了 MG-Y 激光器的发射频率随左右反射器电流变化的分布图。图中每一条倾斜的带状区域 都对应于某一对左右反射器反射峰对齐的情况。当对齐的反射峰对发生变化（例如仅改变其中一个反射器的电流）时，会出现较大的频率跳变（约 0.7 THz）。
从频率分布图可以看出，每一条倾斜带状区域又进一步被划分为多个形状相似的子区域。在这些子区域中，激光发射谱的主峰与某一个特定的腔模对应。
腔模（cavity mode） ：指的是激光谐振腔内能被"驻波条件"允许、并能形成稳定振荡的光波模式。
激光腔其实就像一个光学共振腔，只有那些在腔长度范围内能形成整数个半波长的光 ，才能在来回反射中得到相干叠加，从而被放大、振荡形成激光输出。
光在腔内传播一个单程长度 L L L时积累的相位是： k n L knL knL， k = 2 π / λ k=2\pi /\lambda k=2π/λ
而纵向腔模满足驻波条件，来回一圈相位为整数倍 ，则有： 2 k n L = 2 π m 2knL = 2\pi m 2knL=2πm
所以相邻两个腔模之间的间隔为： c / 2 n L c/2nL c/2nL
如果将工作点选择在该子区域的中心位置，激光器将实现单纵模工作 ，并具有较高的旁模抑制比（SMSR） 。在大多数区域内，SMSR 可以达到 >40 dB，仅在边界附近会略有下降。
🔍边模抑制比 衡量的是一个激光器输出光谱的纯度 ，或者说它产生单一波长光的能力 。具体定义是：激光主模的峰值功率与最显著边模的峰值功率之比 ，通常用对数单位（分贝，dB）表示。
计算公式：
SMSR = 10 * log10 (P_main / P_side)
P_main：主模的光功率P_side：强度最大的边模的光功率
一个高质量的激光器，其SMSR值非常高（通常要求 > 30 dB，优质激光器可达 40-50 dB 甚至更高）。
当沿着图 3 中某条带状区域的中心线进行调谐时，两个反射器将被同步调节 ，从而保持特定的反射峰对齐。在相邻的腔模区域交界处，激光会从一个腔模跳变到相邻的腔模（腔模间距约 50 GHz ）。在每个区域内部，频率变化是连续的。
为了实现全频率覆盖 ，需要增加第三个调谐维度------相位（phase） 。
通过向相位区（参见图 1）注入电流，可以改变谐振腔的往返相位。相位电流对图 3 中模式分布的影响如图 4 所示。
随着相位电流的增加，图 3 中的所有模式区域都会向外移动（即朝更高的反射器电流方向偏移 ），并且每个区域中心点沿着其带状区域的中心线移动。同时，该中心点对应的发射频率也会连续升高。
当相位电流增加到使得腔相位发生 2π（或 4π，......） 的变化时，原始的模式分布会重复出现 。在三维空间中，图 3 中的这些模式区域因此形成了所谓的模式管（mode tubes）。
当调节左反射器、右反射器和相位的电流，使工作点始终沿着单一模式管的中心移动时，激光器就可以实现连续调谐 ，并在整个过程中保持与模式边界的恒定距离，从而维持高 SMSR（见图 5）。通过将各个模式管所覆盖的调谐范围依次衔接 ，即可实现整个 C 波段的完整覆盖。
通过对不同单模式管（single mode tube）中心线的表征，可以确定 ITU 通道频率的初始工作点（BOL，Beginning-of-Life） 。同时，这些中心线还提供了在标称工作点附近对发射频率进行精细调谐的路径，可用于在反馈回路中实现频率稳定（参见第 5 节）。
需要注意的是，图 4 和图 5 中的示意图略有简化。频率与电流之间的关系是非线性的 ，如图 3 的横纵坐标比例所示。这意味着，如果在线性电流刻度 下绘制，上述单模式管将呈现弯曲形状。
3.2 带集成半导体光放大器（SOA）的 MG-Y 激光器
在 S7500 可调谐激光器中，半导体光放大器（SOA）被单片集成在激光芯片上（见图 7）。通过调节 SOA 的电流，可以在不改变发射频率的情况下独立调节输出功率。此外，当 SOA 施加反向偏置时，会阻断来自激光器的所有光信号（抑制率超过 40 dB），这一功能用于在激光从一个信道调谐到另一个信道时，防止在其他波长产生杂散发射。
4 S7500 可调谐激光器封装
图 8 展示了 S7500 可调谐激光器封装的模块框图。MG-Y + SOA 芯片与热敏电阻（thermistor）一起安装在一个载体上。该芯片载体再被固定在第二层载体上，该载体容纳整个内部光学组件（OSA），并通过热电制冷器（TEC）进行温度控制。
激光芯片发出的光首先经过一个透镜实现准直。之后光束依次通过一个光隔离器和两个分束器，每个分束器都会反射出一小部分光束：
- 第一个分束器将光直接引导至光电二极管，用于输出功率监测（参考光电二极管，Reference PD）；
- 第二个分束器将光引导至一个玻璃法布里--珀罗腔（etalon），再由该光束射到波长监测光电二极管（Etalon PD）。
第二个透镜将准直光聚焦到保偏光纤（PM fiber）尾纤中。
由分束器、法布里--珀罗腔和光电二极管组成的组件统称为波长锁定器 （Wavelength Locker）。图 9 展示了 Etalon PD 电流与 Reference PD 电流的归一化比值随激光频率偏移量变化的曲线。通过监测这一比值，可以检测出激光发射频率是否偏离了标称值。⭐
法布里--珀罗腔的自由光谱范围（FSR）为 50 GHz 。在组装过程中，通过旋转法布里--珀罗腔，使得 ITU 网格频率（50 GHz 间隔）都位于波长锁定器响应曲线的正斜率部分。随后，在标定阶段，通过微调光学子组件（OSA）的工作温度实现进一步的精确调节。
简单来说，Reference PD是直接监测激光器输出功率的，它只能反映功率变化 ，但是，它无法判断光的频率变化。而Etalon PD可以知道 频率在Etalon周期内偏到哪里了。
5 电路控制
5.1 硬件部分
图 10 展示了用于控制 S7500 可调谐激光器的电子电路框图。该控制系统通常由一个微控制器协调完成。微控制器中运行的应用代码负责执行频率和功率控制算法，并处理与外部设备的通信（例如通过 RS-232 串行接口）。激光器封装内部的光学子组件温度由集成的**TEC 控制器（热电制冷器控制器）**进行控制。
对于激光器的各个腔段以及 SOA（半导体光放大器），系统分别配置了由微控制器通过 数模转换器控制的电流源。Reference PD和Etalon PD产生的电流信号，首先通过跨阻放大器（Trans-impedance Amplifier）转换为电压信号，然后经由模数转换器（A/D converter）**进行数字化测量。
为了保持输出功率恒定，微控制器会读取参考光电二极管的输出值，并根据结果调节 SOA 电流。而为了稳定输出频率，微控制器会调整左反射镜电流、右反射镜电流以及相位电流，使激光器在单模管（single mode tube）的中心线上运行（参见 §3.1）。通过调整这些电流，使波长锁定比（locker ratio，即 Etalon PD 电流与 Reference PD 电流之比保持恒定。
关于控制算法的更多细节将在后文介绍。这些算法需要若干参数，其中大部分必须按通道（channel）进行标定（calibration），并存储在非易失性存储器中。
5.2 控制算法
5.2.1 频率控制环路
如第 3.1 节所述，激光器的微调可通过在三维电流空间中（左反射镜电流、右反射镜电流、相位电流）沿单模管中心线移动实现。在对 S7500 进行校准时，会确定所有这些中心线的位置。在这些中心线上，可以选取操作点（operating points），使其发射频率落在所需的频率网格上。若在每个操作点附近保存了中心线的形状信息，则控制环路便可根据波长锁定器检测到的频率误差，沿着该中心线上下 移动操作点，直到误差被消除。沿中心线移动能确保激光器始终保持较高的边模抑制比。
在实际实现中，会在每个通道（频率为 νChannel）的标称操作点附近，对中心线进行分段线性近似 （piecewise linear approximation）。随后构建一张精细调谐表，其中包含 16 个操作点，频率大致等距分布，覆盖标称通道频率 νChannel 附近约 40 GHz 的范围（示例见图 12）。
中心线上的位置由参数 iTune 描述，取值范围为 0x0000 至 0x0F00（0 -- 3840）。标称操作点对应 iTune₀ ≈ 0x0600（1536）。固件中的频率控制环路会持续调整 iTune，以保持波长锁定比在期望值。在控制环路的每次迭代中，调谐电流通过在精细调谐表中线性插值计算得到，过程如下：
- iTune ÷ 0x0100 的整数部分 给出第一个插值点的索引 i i i；
- 其小数部分用于在表中第 i i i 与 i + 1 i + 1 i+1 点之间进行插值。
由于 iTune 与频率大致呈线性关系，因此频率控制环路的增益在所有通道上基本相同，即使各个腔段的调谐效率（以 GHz/mA 计）可能相差一个数量级以上。所使用的比例系数经过设计，使得所有运算都能高效执行，例如可使用位移运算代替除法操作，从而提升计算效率。
5.2.2 锁定比（Locker Ratio）
激光发射频率通过测量Etalon PD电流与Reference PD电流之比来进行监测。为避免浮点运算，Etalon PD 的测量值在计算前会先乘以 2 12 2^{12} 212
R a t i o = 2 12 ⋅ E t a l o n P D v a l u e R e f e r e n c e P D v a l u e Ratio=2^{12}·\frac{EtalonPD value}{Reference PD value} Ratio=212⋅ReferencePDvalueEtalonPDvalue
在对 S7500 进行标定时，会测量该比值与频率的关系曲线（即锁定比曲线），测量范围覆盖调谐范围中心频率附近的区域。随后对测得数据进行曲线拟合，并将结果以表格形式存储：该表包含 200 个点，步进为 128 MHz，以标称锁定点为中心（锁定点位于响应曲线峰值正斜坡处，距峰值 +9000 MHz 处）。
图 13 给出了一个示例。
由于 Etalon 的自由光谱范围 通常与理想的 50 GHz 略有偏差，因此实际的锁定点会在不同通道间略有变化。因此，对于每个通道，都会在查找表中存储一个值 iRatio（范围 ( 0x0000 ≤ iRatio ≤ 0x6380 )），该值作为索引，用于在已存储的锁定比表中查找。某一通道的锁定比（Locker Ratio）可通过线性插值计算得到，计算方法如下：
- iRatio ÷ 0x0080 的整数部分 给出第一个插值点的索引 i i i；
- iRatio ÷ 0x0080 的小数部分 用于在第 i i i 和 i + 1 i+1 i+1 个点之间进行线性插值。
理论上，直接为每个通道存储锁定比值（Ratio）即可；但上述以 iRatio 为索引的方法具有多方面优势：
- 由于 iRatio 的标度单位为 MHz，因此若要对频率进行微调，只需调整 iRatio 相应的数值即可重新计算锁定比， 这为实现 LsTWEAK 功能（见 300-pin 收发器 MSA 规范）提供了便利；
- 同时，这种方法使得基于频率的报警阈值可轻松转换为基于锁定比的等效阈值，从而便于控制与监测。
5.2.3 功率控制环路（Power Control Loop）
Reference PD输出值通过输出功率比例因子 K 转换为功率读数（单位：mW·0x0080）。该比例因子 K 需对每个通道单独标定。
任何偏离标称输出功率的情况，均通过调整 SOA 电流 来补偿。
为了在规定范围（9 ~ 13 dBm ）内实现快速的输出功率调节，查找表中保存了对应最小与最大输出功率设置时的 SOA 电流值 （每个通道独立）。当目标输出功率位于这两个极值之间时，所需的 SOA 电流即可通过线性插值快速计算得到。最终的微调工作则由前述控制环路自动完成。
5.3 调谐过程
从一个通道切换到另一个通道的调谐过程如下：
-
关闭输出光功率 ：
通过对 SOA 施加反向偏置，使输出功率降低超过 50 dB；
-
计算新的调谐电流 ：
微控制器根据新通道的精细调谐表（fine tune table）（参见 §5.2.1）计算所需电流；
-
考虑老化频移（frequency drift）补偿 ：
由于固定电流条件下的发射频率在器件寿命周期内通常会略有下降，
因此在标称精细调谐参数 iTune₀ 上加入一个偏移量（iTuneOffset = 0x01C9 ），对应约 +5 GHz 的频率偏移。通过这一修正，即使经过多年使用，重新开启 SOA 后（频率控制环尚未稳定时）的输出频率也能保证在标称通道频率的 ±10 GHz 范围内；
-
计算新的 SOA 电流 ：
根据当前设定的输出功率，按 §5.2.3 所述方法计算新的 SOA 电流。
5.4 查找表（Look-up Table）
上述控制环路所需的所有标定数据均存储在**通道查找表（channel look-up table）中。该表包含一个 表头（header）与若干通道数据行（rows）。
表头包含以下全局标定参数：
- 激光器温度设定点（Laser temperature set point）；
- 输出功率的最小与最大设置值；
- 首尾通道的频率及通道间隔（grid spacing）；
- 增益段电流（Gain section current）。
每个通道的数据包括：
- 最小与最大输出功率对应的 SOA 电流（参见 §5.2.3）；
- 相位电流精细调谐表（16 个值，参见 §5.2.1）；
- 左反射镜电流精细调谐表（16 个值，参见 §5.2.1）；
- 右反射镜电流精细调谐表（16 个值，参见 §5.2.1）；
- 锁定比表中标称锁定点的索引 iRatio₀（参见 §5.2.2）；
- 输出功率比例因子 K（参见 §5.2.3）。
6 Finisar 公司联系信息
Finisar Corporation
1389 Moffett Park Drive
Sunnyvale, CA 94089-1134
电话（Tel）：+1-408-548-1000
网站（Web）：www.finisar.com
邮箱（Email）：sales@finisar.com
总结
如有翻译有误或理解有偏差的地方，请指正。🔍