用于多通道光子集成电路(PIC)的波长锁定和功率控制系统 本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2006/025850，国际申请日为2006年6月30日，进入中国国家阶段的申请号为200680022591.6，名称为“用于多通道光子集成电路(PIC)的波长锁定和功率控制系统”的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
本发明涉及与多重WDM信号通道相关的波长锁定和输出功率控制系统，尤其涉及在诸如具有多个集成信号通道且每一通道具有一已调制源的单片发射机光子集成电路(TxPIC)芯片中等可找到的信号通道。
背景技术
已知有多种用于控制激光器阵列——尤其是在光学传输网络中使用的光学发射机中采用的分立激光器或称为EML——的波长的反馈环路系统。同样，已有用来控制在此类发射机中产生的已调制信号的输出电平以使其功率电平跨信号通道生成器阵列一致的反馈环路系统。在现有技术中该功率均衡也被称作预加重。带有集成多路复用器的单片TxPIC的特性在于，从TxPIC显现的光已经复合了多个数据已调制的光学波长。尽管对于提高可靠性和降低成本而言是有利的，然而此集成的多路复用功能对控制单个光学波长和通道平均功率形成挑战，因为必须要从TxPIC的输出处的光学多路复用信号中提取出控制单个通道功率和波长所需的信息。
需要的是这样一种控制系统，它能在这样的激光器阵列上——尤其是在带有集成光学多路复用器的发射机光子集成电路(TxPIC)中的集成激光器阵列或已调制源阵列上并发地控制发射波长和功率。该控制系统可以有利地使用集成通道有源元件来协助实现此发射波长和信号输出功率控制。
【发明内容】
本公开的通道波长和功率控制系统主要地提供三个功能：
1、采用一共享波长基准，将多通道集成TxPIC的各个已调制源的波长锁定至一标准化的波长格栅；
2、防止在各种老化、重启和通道故障情景中波长锁定至不正确的基准值；
3、检测和控制单片发射机光子集成电路(TxPIC)中多个已调制源各自的信号通道功率。
本公开的一个重要特征是采用了一种PIC信号通道特异性置标或标记方案、以及起到通道波长锁定和通道功率控制双重功能的方法。
同时，本公开的一个重要特征是在多通道发射机光子集成电路(TxPIC)的每一信号通道中设置一可控的透射型有源通道元件的部署。藉由“透射型”，我们意指该元件对于从已调制源传播通过该元件的通道信号而言是透明的。该可控的透射型有源通道元件元件同时起到1)用已知调制深度和频率的光学强度调制来标记每一信号通道以提供通道特征性光学调制标签的调制器，和2)用来调节每一TxPIC通道的输出通道信号电平的功率控制元件的作用。检测一光学多路复用信号内单个光学通道的属性是通过检测该通道的特征性光学调制标签的强度来达成的。用于通道波长和通道功率控制两者的反馈环路提供对所有片上信号通道的并行控制，即TxPIC上的每一PIC通道同时设有一已调制频调标签，并且这些标签在接收到来自该光学多路复用信号的复合信号的给定光测器的输出中被同时检测出。多路复用信号中所有通道的并行信号处理对于集成PIC器件来说是非常重要的，因为通道波长和功率的变化会立即影响相邻信号通道的发射波长和功率。如果毗邻通道已调制源终止或消逝，则这种影响尤其显著。毗邻通道的热耦合将对毗邻通道的发射波长有迅速、动态的影响。因而，反馈控制系统必须能快速响应，诸如在一毫秒内。基于对置于所有信号通道上的频调标签的同时解调的并行信号处理使得能在这个耦合地多通道系统中实现通道波长和功率的快速控制。
在该多通道集成TxPIC中，每一信号通道包括一数据已调制源，其定义为直接已调制激光器或带有外置调制器的一连续波工作激光器。每一通道的透射型有源元件可以是，例如波导PIN区，其透射率可根据反偏电压(改变PIN的吸收)或正偏电流(改变PIN的增益)而变化。PIN区是由p型和n型禁闭区界定的本征区域。出于说明的目的，该波导PIN区在下文中被称作“前置PIN”。然而，本领域技术人员可以容易地知道，该透射型有源元件也可以是另一种通道透射型有源元件，其具体实例稍后将在本公开中提供。每一通道进一步包含一后置光测器(PD)，其目的是基本上吸收由通道激光源的后端发出的所有的光。在制造时，该后置PD用于测量与每一通道激光器的寿命开始阶段(BOL)输出功率、以及模拟每一通道激光器的寿命末尾阶段(EOL)输出功率相关的光电流。在整个寿命过程中，激光器前向输出功率与后向输出功率的比率基本上是恒常的。因而，后置PD光电流的读数是从TxPIC上各通道激光器中的每一个输出的前向光内功率的相当良好的指标。模拟的EOL功率是基于对激光器在整个寿命过程中的退化的估计来选择的，该退化通常比其BOL功率输出低几个dB，例如在整个寿命过程中功率输出退化在约1.5dB至约3dB之间。对于所选择的两个来自通道激光源的两个光学输出功率电平中的每一个，其因变于偏置状态透射过前置PIN的前向输出功率被检测出，以产生被称作该通道的前置PIN的传递函数的两条曲线。寿命开始阶段(BOL)的传递函数曲线表示在BOL激光器功率状态下归一化的透射率相对于前置PIN反偏电压的关系，其中后置PD电流的也是已知的。模拟末尾阶段(EOL)的传递函数曲线表示在模拟的EOL激光器功率状态下归一化透射率相对于前置PIN的反偏电压的关系，其中后置PD的电流也是已知的。在工作期间，使用下述的技术来估计与通道激光源的输出功率相关联的归一化传递函数。后置PD的电流被读取，并且确定相对于已知BOL和模拟EOL的值其值是多少。将检测到的后置PD电流用作一内插参数，执行归一化BOL传递函数与EOL归一化传递函数之间的线性内插。然后该经内插的传递函数被用来确定怎样设置前置PIN的透射率才能达到合需的通道输出功率值。在传递函数已知的情况下，可设置一平均的合需透射率(使用适当的平均偏置设置)。还可通过为前置PIN的偏置选择适当的AC调制波形来引入已知调制深度和合需平均透射率的强度调制。这样，就能每通道使用单个透射型有源元件来以已知光学调制指数的强度调制标记光学通道同时又控制该通道的平均功率。
为标记光学多路复用信号内的单个通道，可使用仔细选择的强度调制波形方案。一种此类标记方案使用方波，其基频和相位关系被选择为在一特定的积分时间区间上使不同方波中的任何一对之积产生近似的数学正交性。在该方案中，通过对通道的前置PIN的偏置输入施加适当的方波“频调”来使每一通道被强度调制。在多路复用的信号中，方波频调的基频对于其被指派的通道而言是唯一性的，并且基于通道的前置PIN的已校准传递函数(透射率相对于偏置的关系)，使得光学调制深度成为可知且恒常的。所关注的多路复用信号中的所有通道是被并行地强度调制的，其波形被同步以保持最优的正交性。多路复用信号中单个通道的属性检测包括使用该通道被指派的标记来解调检测到的复合信号。考虑把光学多路复用信号的分支部分作为其输入的光测器的输出。此光电流将包含与多路复用信号中的每一通道的恒常光学调制指数强度调制标记相关联的AC信号及其他。复合光电流信号可被转换成电压，并由模数转换器密集地采样以使得能够进行后续的数字信号处理。为提取与一特定通道相关联的信息，产生经采样的复合信号与该通道的选定并经同步的方波的乘积，并在一段时间上对其积分，该段时间被选择成能在该多路复用信号中的不同方波标记的通道间提供近似的正交性。这样，该复合信号中那些对应于标记单个关注的通道的方波的部分就通过数字信号处理被提取除了。由于所选定的方波有近似的数学正交性，因此积分过程的输出是主要由被测通道的频调标记或置标的强度决定的单个数字。可使得来自所有其他通道的互相关项小到足以被忽略。这一采样接收的复合信号并将其在保持正交性的积分区间上用于标记被测通道的频调经适当同步的版本积分的过程被称为该通道的标记或标签的解调。通过将来自光测器的经采样的复合输出信号提交给并行的积分过程——在正交标记方案中是每个标记频调一个积分过程，多路复用信号中的所有通道就可以被并行地解调。对于单个通道，解调的结果是指示接收器处AC标记信号的大小的数字。该AC标记信号与该通道的平均光学功率与该通道的光学调制指数的乘积成比例。如果该通道的光学调制指数已知，那么可以容易地推导出平均光通道功率。此技术的优势在于利用AC信号标记和AC信号处理来演绎多路复用信号内的单个通道功率，而不需要通过例如光学多路分离等将单个通道分离出来以允许单个DC光电流的检测。所以，是对全部N个通道并发地应用N个信号相关，同时地指示N个通道的每一信号通道中的平均功率，其前提是在可能的标记波形中，每一通道的光学调制指数是已知的，采用方波调制是因为其调制频率可以仔细选择以在积分区间上呈现接近零的互相关，而且该调制容易经由数字开关来实现，采用数模转换器(DAC)来设置要向该通道有源元件施加的高电平VHigh和低电平VLow信号，并且FPGA以选定调制频率在两个电压之间翻转的数字输出可以驱动模拟开关以在TxPIC上每一信号通道的通道透射型有源元件上产生方波调制。然而，应当指出，如对于本领域技术人员来说显而易见的，用于通道有源元件调制的波形可以选择成例如正弦曲线。正弦波的正交性是非常公知的。
总之，TxPIC上每一通道的前置PIN用于两个目的。第一，前置PIN起到该通道的可控的衰减器或增益元件的作用。在给定了通道的目标输出值和通道实际输出功率的测量的前提下，对该前置PIN的归一化传递函数的适当校准提供了决定合需平均偏置状态所需的信息。第二，该前置PIN起到用强度调制标记或标签来标记单个通道的调制器的作用，该标记或标签被选择成满足信号处理的要求，包括为每一通道建立和维护一巳知的光学调制指数等。利用所选通道标记的正交性，可采用相关技术从与多路复用信号的检测相关联的复合光电流中提取出组成该多路复用信号的每一单个通道的平均光学功率。因此，针对多路复用信号中的单个光学通道的功率的控制系统可基于用一简单光测器来检测多路复用信号的分支小部分并执行如上所述解调过程的操作、以及前置PIN的平均偏置和透射率之间经校准的关系。在此控制系统的一个版本中，可使用一光学抽头和光测器来路由从带有集成多路复用器的单片TxPIC显现的光学多路复用信号的一小部分。如上所述的光测器输出的解调允许测量到达光测器的通道功率，并且向TxPIC各通道的单个前置PIN的反馈使得单个通道功率能被设置成合需的值。例如，可使各通道功率在光测器处全部近似相等。替换地，如果需要，可将不同的通道控制在不同的输出功率设定点。
目前为止对解调过程的描述只解决TxPIC单个通道功率控制的问题。结合一适当形式的波长基准，该解调信号处理还可以用于控制TxPIC单个通道的通道波长。
将如上所述的通道标记和解调与对光学多路复用信号内单个通道的平均光学功率的检测结合使用可被如下地拓展到波长锁定的应用上。可以制造诸如法布里-珀罗(Fabry-Perot)标准量具的设备，使得其自由谱范围(毗邻透射波峰之间的频率间隔)被选择为对应于合需的频率间隔，诸如可与常规的ITU频率格栅相结合。例如，法布里-珀罗标准量具的自由谱范围可被选为50GHz。通过众所周知的光学调准程序，法布里-珀罗标准量具的透射峰值可被排成使得与50GHz ITU频率格栅相关联的每一特定频率与沿透射条纹一侧并大致在其一半高度处的点相关联。此调准程序的重要结果在于，对于一频率接近ITU格栅频率的光学载波，标准量具的透射取决于该光学载波频率，即特定通道的透射功率与入射功率之比取决于该通道的光学载波频率和法布里-珀罗标准量具的相关联条纹的局部斜率。简言之，所以该法布里-珀罗标准量具可以提供对其合需设定点对应于透射条纹的倾斜侧上的一点相对应的任意光学载波频率的光学鉴频功能。
对于单个光学通道，通过分开或分裂从TxPIC输出的多路复用信号的分支部分并通过两个不同的由光测器终接的光学路径发送分裂的信号部分来开发出一种用于检测光学载波频率偏差的传感器。一条路径(标准量具路径)使来自该光学通道的准直光通过经调准的法布里-珀罗标准量具，该量具提供鉴频功能，从而透射的功率取决于光学载波频率。另一条路径(基准路径)不包含光学鉴频器元件并且只提供对该光学通道平均功率的测量。比较从这两条路径输出的光电流允许相对于其在相关联的法布里-珀罗标准量具透射条纹上的位置来测量该通道的光学载波频率。例如，来自该标准量具光测器的光电流与来自基准光测器的光电流之比提供一种独特的独立于光通道功率的光学载波频率测量。在现有技术中，诸如可从JDSU公司购得的宽带法布里-珀罗波长锁定器等商用设备是众所周知的。
至此已经用检测到的DC光电流的形式对法布里-珀罗波长锁定器(或其等效物)提供单个光学通道的光学载波频率测量的应用进行了描述。如果一包含N个多信号通道的光学多路复用信号被路由至这样的法布里-珀罗波长锁定器，则DC光电流将不能再用来提供关于通道光学载波频率的有用信息。然而，如果如前面所述光学多路复用信号的单个通道由强度调制波形标记，并且如果标准量具和基准光测器的输出被并行地采样并解调，则仍然可从标准量具和基准光测器的复合光电流推导出有用信息。对一给定标记频调频率，标准量具光测器信号的解调结果将是与由该频调频率标记的通道的平均光学功率、该通道的光学调制指数、和该通道的光学载波频率(取决于标准量具透射条纹倾斜侧的光学鉴频器特性)成比例的数字。同样地，该基准光测器信号的解调结果将是与由该频调频率标记的通道的平均光学功率、和该通道的光学调制指数成比例的数字。从获自解调的这对数字，由该频调频率标记的通道的光学载波频率的测量可以从获自由包含多个光学通道的光学多路复用信号照射光测器的复合信号中被提取。所有频调频率上的标准量具光测器输出和基准光测器输出的并行解调提供了使用单个法布里-珀罗波长锁定器来同时测量光学多路复用信号中所有通道的光学载波频率的手段。
给定ITU格栅频率和法布里-珀罗波长锁定器的标准量具和基准路径的透射性质之间经校准的关系，光学载波频率的测量可以被转换为光学载波频率关于ITU格栅频率的偏差的测量。使用如前所述的通道标记和并行解调，就可使用单个法布里-珀罗波长锁定器来测量光学多路复用信号中单个通道的载波频率，并且将那些单个通道的载波频率与ITU格栅频率相关，其前提是每一光学载波频率保持充分地接近于其相关联的ITU格栅频率(以避免从标准量具的周期性透射性质产生模糊性)。
经如结合光学通道功率控制所描述地标记的多通道TxPIC的多路复用光学输出可以被路由到单个法布里-珀罗波长锁定器并且进行如上所述处理以测量TxPIC每一通道的单个光学载波频率。如果给予一种变更TxPIC通道的光学载波频率的方法，就可以完善一种将TxPIC的每一通道锁定至一指派的沿标准化波长格栅的光学载波频率的控制系统。一种这样的控制TxPIC上单个通道的光学载波频率的手段是在产生该通道的光学载波频率的激光器旁设一局部加热器。
如先前指出的，当使用TxPIC上多个信号通道的前置PIN以提供维持合需的信号通道输出功率和激光发射波长的双重功能时，应当着重指出的是，还可构想由每一PIC信号通道中的其他通道有源元件来提供此双重功能。此类其他通道集成有源元件的例子有通道激光源、通道外置调制器、通道可变光学衰减器(VOA)、通道半导体光学放大器(SOA)、或通道组合SOA/VOA。
虽然本发明被描述为可应用于单片发射机光子集成电路(TxPIC)的多个集成信号通道之间或之中控制波长和功率，但是对于本领域技术人员来说可以容易地知晓，本公开的基本原理同样可应用于其他WDM信号通道系统，诸如但不限于那些具有分立的和分离的信号通道的光学传输系统，诸如在每一信号通道包含分离和分立的连续波激光器以及相应的分立外置调制器或分立的直接已调制激光器、或是称作EML的分立但集成的电吸收调制器/激光器的情形。这样的WDM信号通道系统还可包括组合或多路复用信号以从多个这样的分离已调制源提供光学多路复用信号输出的装置。
【附图说明】
在附图中，相同的附图标记标识相似的部件：
图1是本公开的用于多通道发射机光子集成电路(TxPIC)的波长和功率控制系统的示意图。
图2是定义方波的光学调制指数(OMI)的图解说明，其中此处光学调制指数μ显示为0.05(5％)。
图3是作为光学频率的函数的50GHz自由谱范围标准量具透射曲线的图解说明，其示出标准量具透射波峰与通道k和通道k+1的光学载波频率之间的关系，其中在多通道发射机光子集成电路(TxPIC)的信号通道之间有200GHz的格栅间隔。
图4是在恒常的波长、温度和输入功率下的归一化前置PIN传递函数的图解说明。
图5是对于一给定的标准化(ITU)格栅频率、相对于关于标准量具光电流的光频移的误差的确定的图解说明。
【具体实施方式】
在图1中，发射机光子集成电路(TxPIC)10可以是一半导体电路芯片并且包含多个N集成信号通道15，其中每一通道包括，一后置光测器(PD)12、一半导体激光器14(DFB激光器或DBR激光器)、电光调制器(EOM)16(这里示为电吸收调制器或EAM，但也可以是例如一Mach-Zehnder调制器)以及一前置PIN18，这些元件沿每一通道串成一列。我们将激光器14与电光调制器16的信号通道组合称作通道已调制源。另一类可能用在TxPIC 10的通道15中的已调制源是直接已调制激光器，其中在每一通道11中自然消除了对外置调制器16的需要。在TxPIC 10中，由此有信号通道15，其具有N个激光器14，这些激光器具有不同的光学载波频率或发射波长，其沿统一的频率格栅间隔工作，例如在50GHz、100GHz、或200GHz工作。激光器连续波光输出是在通道电光调制器(EOM)16处被调制的数据信号。
为了简明在图1中只展示了一个这样的通道15，但是其他的N-1个信号通道大致与第一个信号通道并排，且它们所有的输出都光学耦合到集成光学组合器，例如，多路复用器(阵列型波导光栅或称AWG)20，它将在已调制源处产生的各个已调制通道信号输出相组合，并在来自TxPIC 10的输出波导上提供光学通道组(OCG)多路复用信号。这样的组合器也可以是例如一阶梯光栅(波长选择性组合器)或光学耦合器，例如一MMI耦合器(自由空间耦合器)。该PIC输出被离片地提供至一隔离器22、一分支耦合器24、一可变光学衰减器(VOA)26并送至去往另一模块的输出波导28上，该另一模块在这里指的是一频带多路复用模块(BMM)，其在2006年6月xx日提交的序列号为No.(P096)的美国非临时专利申请和于2005年6月30日提交的临时申请S/N.60/695,508的非临时专利申请中公开并讨论，上述申请被援引纳入于此。在这里使用的OCG是关于一给定TxPIC 10的特定的通道组，其他具有不同发射波长通道组(OCG)的TxPIC 10也可以被设置在承载图1所示的实施例的相同模块(被称作数字线模块或DLM)中，其中每一个都带有自己的反馈环路41，并且它们的输出被提供至波导28上相同的BMM，其中所有的OCG被组合以供在一光学传输网络光学链路上传输。更多有关DLM的内容可以参见2005年6月16日提交的S/N.11/154,455的美国非临时申请，该申请同样在2005年12月25日以US 2005/0286521A1被公开，该申请被援引纳入于此。举例来说，在TxPIC 10上可以有N＝10个信号通道15。然而，更多的信号通道可被置于同一TxPIC上，例如40个信号通道或更多。集成在芯片10上的每一信号通道15提供一具有例如在ITU波长格栅上的C波段谱范围中的不同峰值波长的已调制信号输出，其发射波长由每一信号通道对应的半导体激光器14设定。如前面指出的，这些已调制输出中的每一个被提供至光多路复用器20的输入，光多路复用器20在这里以一阵列型波导光栅(AWG)示出。图1中的TxPIC 10在2002年10月8日提交的S/N.10/267,331的美国专利申请中详细描述，并且上述申请同样在上述2003年5月22日公开的公开号US2003/0095736 A1的文献中公开。
在图1中，为多通道发射机光子集成电路(TxPIC)10设置一波长锁定和功率控制反馈环路41。本公开几个重要方面中的一方面是在TxPIC 10的每一个信号通道15中使用一前置PIN 18，其既作为起到可变通道衰减器作用的功率控制元件，又可作为在通道功率控制和通道波长锁定两者中使用的通道标记或置标所用的低频频调调制器。在反馈环路41中使用通道置标信息来实现波长和功率控制两者，也就是说，分别用来控制片上通道激光发射波长和用来控制每一个信号通道15中的通道信号输出，以图例如在TxPIC 10上跨信号通道阵列获得经均衡的通道信号功率输出。这些处理由如前面描述的数字信号处理来达成。因此，用于每一通道的集成通道前置PIN 18都既用作设置通过调整每信号通道的平均反偏电压确定的每个通道的平均光学功率输出的衰减器，又用作用于对从通道已调制源接收到的光学信号进行强度调制的换能器。此处选择的强度调制是方波，并且是通过在此处被称为VHigh和VLow的两个反偏电压值之间翻转施加于每一个每一前置PIN 18的反偏电压来产生的，因而已调制方波的电压峰-峰值是VHigh-VLow ，这在图4中清楚说明，并且同样在图1中的TxPIC 10的插图中被描绘。如前面所指出的，用于置标的压印在通道信号上的强度调制波形也可以用正弦波替换方波。该调制用方波的峰-峰值Vpp和前置PIN的传递函数一起决定光学调制指数，该指数被保持为恒常。当调整通道输出功率时，Vpp的最大值和最小值，即VHigh和VLow将改变以调整前置PIN的平均衰减同时保持光学调制指数恒常。根据单个通道的输出功率设定点，不同的信号通道可被控制以产生相等的输出功率，或如果需要，可产生不等的输出功率，例如用在通道预加重中所使用的。在每一前置PIN 18上的该方波调制由发生器50产生，在后面将对其进行详细论述。因此，为每一个前置PIN 18提供了一具有不同方波频率的方波强度调制，并且在TxPIC上的所有通道总是被同时且同步地调制。TxPIC上的每一通道由一唯一性的方波标记，并且所有方波的集合被选择为在选定的积分区间上是大致正交的。
在图1的实施例中，激光器14由在整个寿命过程中由恒常的电流驱动，因而偏置电流、加热器电流、和子底板(sub-mount)温度的组合在制造时被设定为使得使得输出波长基本上接近标准化格栅——这对于它们各自的波长发射操作是合乎需要的，并使得能为每一通道提供恰如其分的输出功率。激光器加热器13被设在每一激光器14本地。加热器13可以响应于经由加热器电流提供的焦耳加热的改变来变换每一激光器14的光学载波频率，其中该加热器电流改变激光器14的温度以使激光器的发射波长改变很小的增量。例如，一TxPIC激光器可以在大致为-10.6GHz/℃的速率下与温度调谐。关于此类加热器的更多信息在上述S/N.10/267,330和S/N.10/267,331的非临时申请中被阐述。
为了使用这样的加热器13来双向控制激光频率，激光器14必须在局部提升的温度下工作，从而向加热器输入的功率的减小导致激光器温度降低，由此减小激光发射波长。当该激光器在接近于其标准化格栅波长的发射波长上工作时，那么随附的激光器加热器13必须提供非零的功率。该冷却速率取决于由加热器提供的激光器温度提升。激光器本身则在局部提升的温度下工作，从而在需要降低该激光发射波长的情况下，至加热器的电流被减小。必须在冷却速率、激光波长移动的长期老化预算、和TxPIC 10的热约束之间进行权衡。应该了解，由激光器局部加热器在其双向的控制范围的末端提供的最小温度提升是一很小的量，从大概1℃到大概2℃。
如前面指出的，优选为方波的光强度调制经由在TxPIC 10的N个信号通道中的每一个中的前置PIN 18来叠加。对于每一通道，方波调制或频调频率是不同的，并且调制用方波电压在每一信号通道的前置PIN 18上被叠加。频调驱动电压的振幅视要由前置PIN 18引起的所需衰减和合需的衰减设置的前置PIN传递函数的局部形状而定。调制用方波的峰-峰电压被比例定标以便为频调已调制输出光提供预定的很长光学调制指数(OMI)。来自TxPIC多路复用器20的聚集光学通道组(OCG)在34被分支并且被提供给法布里-珀罗波长锁定器(FPWL)子模块30。该分支的输出由基准线31A与标准量具线31B之间的分光器31分裂。在标准量具线31B中，被分裂的光被提供给标准量具34。在线路31A上的基准光信号和在线31B上的标准量具光信号由各自的光测器PD1 32和PD2 33检测到，而且它们各自的PD1和PD2光测电流信号由互阻抗放大器(T1A)34A和34B转变为电压信号并由快速模数转换器(ADC)数字化。经数字化的输出波形经由第一现场可编程门阵列芯片(FPGA1)35相关(乘以该调制用方波的延迟副本并且在一预定时间区间上积分)。应当注意，PD32和PD33起到低通滤波器的作用并且只检测包括通道标记用频调的低频信号。因此这些PD不对例如10G比特/秒.或40G比特/秒数据调制的高频数据调制作出响应。在与FGPA1 35相关联的信号处理中，在一预定时间区间——例如1毫秒——上采样此模拟电流信号。为了实现波长锁定，输出信号31A和31B两者都被采用，其中检测到的波长偏移量是从这些信号确定的，并且激光发射波长经由激光器加热器13作相应调整。然而，为了功率控制的目的，只需要基准输出31。
从而前置PIN 18是有源透射型通道元件，其既用作通道功率控制元件，又作为用于进行通道标记或识别的调制元件。在通道功率控制的情形中，前置PIN提供对该通道已调制信号的压控衰减以使它保持在合需的功率电平。在PIC制造后的初始操作中，为寿命开始阶段(BOL)值设置单个通道的衰减，这些值被选择成允许在整个寿命过程中对通道功率进行双向控制，例如，源激光器在整个寿命过程中将表现出功率衰退。这种整个寿命过程中的衰退可以是在例如从大约1dB到大约3dB的范围里，通常在2dB附近。同样，如前面指出的，前置PIN的平均反偏电压由发生器50设置，优选是在一通道标记频调的通道特异性频率上的方波源。为了保持与每通道功率测量的兼容性，随着时间推移当元件18处的平均衰减变化时，与通道标记频调相关联的光学调制指数(OMI)在每一通道处被保持不变。方波的OMI在图2中示出。因此，调制电压的峰-峰电压摆幅需要根据传递函数的局部斜率而变化，以使得OMI保持恒常。传递函数的形状取决于多少光功率在前置PIN18中耗散，并且会因来自激光器14的输出功率的变化以及来自前置PIN 18上游的其他通道中光学元件的光学变化而在TxPIC 10的寿命过程中发生变化。
尽管由于在积分区间里更容易获得正交性，在本领域中一般会采用频调应用的正弦波调制，但是我们使用方波调制，其原因是通过简单地以合需频率在电平之间切换更容易实现该调制。通常，TxPIC 10上的通道1可以具有该光通道组(OCG)最低的频调频率，并且每一后继的通道具有分隔一kHz或以上的较高的频调频率。例如，频率范围在大约42.057kHz到大约87.771kHz的范围内遍布在例如十个信号通道15上。然而频调分隔的范围以及频调增大的通道方向可以是任意量级或方向。kHz频调可以是沿所述多个信号通道的随机值，只要它们各自位于不同频率上并且被选择成能保持在积分区间上恰适的正交性即可。该OMI被定义为μ，其是在最大输出功率与最小输出功率之差除以最大输出功率与最小输出功率之和。在此种情形中，该OMI被示为5％，也就是说μ＝0.05，其对应于在调制高点与调制低点的发射功率之间约有0.44dB的差值。μ的值仅仅是当OMI被归一化到平均发射功率、即调制后由前置PIN 18发出的平均功率时的调制振幅，。
虽然在此描述中，该通道前置PIN 18提供上述双重控制功能，但是替换地将频调强度调制设在每一通道15的半导体激光器14上或设在每一通道15中的电光调制器(EOM)16上的实施例也在本公开的范围内。此外，在另一实施例中，可以将通道标记调制叠加到每一通道15的通道调制器16上，主要用于波长置标和控制，并且使用通道前置PIN 18主要用于功率控制。仍在另一个实施例中，起到可变光学衰减器(VOA)的前置PIN或类似的光学元件可被每一通道15中的半导体光学放大器(SOA)所代替，或可将组合VOA/SOA置于每一个通道15中。最后，在此外另一实施例中，通道信号置标和波长锁定调制可被叠加在每一通道调制器16上，并采用通道SOA来提供功率控制以便实现跨通道信号阵列的功率均衡。
1.利用共享波长基准值来将多通道集成TxPIC的波长锁定至标准化波长格栅值
A.波长锁定
将一通常为低频的频率频调置于每一激光载波频率上，它起到每一激光不同的识别(ID)标签的作用，并且是藉此能在可接受的时间长度内确定已调制源波长的手段。从而，每一已调制源的载波频率使用单独的波长基准。这些频调频率具有远低于所制定的大于1G比特/秒的用于在每个通道上调制数据的波长带宽的频率。关于以这种方式使用频调频率的详述在前述的S/N.10/267,330的美国专利申请中被详细地公开。
在图1中，法布里-珀罗波长锁定器(FPWL)子模块30提供光学频率基准值，PIC激光器14可被锁定至这些基准值。为了实现充分高的准确度，例如，对ITU格栅约±1.25GHz的准确度，以子模块30和40表示的伺服环路41，包括两个现场可编程门阵列(FPGA1和FPGA2)芯片35和42被提供一经校准的比值，此比值是各自从标准量具PD2 33和它伴随的TIA电路34A的标准量具路径33A以及从基准PD1 32和它伴随的TIA电路34B的基准路径32A在合需的标准化波长通道值下提供的光电流之比。同样，稳态误差伺服环路必须为零。因此，在此处的实施例中，使用子模块30来为具有一预定的合需载波频率分隔的N个TxPIC通道提供同时基准，例如在此处的实施例中为200GHz。由于此处部署有单个FPWL 30作为由给定的例如200GHz等的均匀频率区间分隔的N个TxPIC激光器14或信号通道15的同时基准，因此仅仅利用标准量具和基准光电二极管提供的DC光电流本身是不够的。这就是为什么通道15上每一通道信号经由其通道前置PIN 18在特征基频调频率处被方波强度调制的原因，其中由各激光器发出的所有光学载波频率都被并行调制以使其每个都具有其自身的特征频率，即这些频调的频率是彼此不同的。
在该反馈环路41中使用两个现场可编程门阵列(FPGA1和FPGA2)芯片35和42。FPGA2 42具有它自己的用于N个频调频率fk的频调发生器，这些频调频率被用于施加到N个方波发生器50的每一个上，以施加到N个前置PIN 18中每一个。FPGA1 35具有它自己的方波频率发生器以产生N个频调频率fk，用于解调来自FPWL光测电路的输出信号。来自PD1 32和PD2 33的光电流都被用于此目的。来自FPGA1 35上的频调发生器的一同步脉冲被提供到FPGA2 42上的频调发生器，以保持调制用频调和解调用频调之间的同步。
如图1所示的方波发生器50各自包含一模拟开关51，它由经由线49从FPGA2 42接收到的电压在频调频率fk上驱动。加法器52经由DAC 48设有负偏置，从而开关51根据各个通道的预定频率被调制成关(off)和开(on)的状态。因而，与方波发生器关联的DAC设置高电平和低电平信号(VHigh和VLow)，并且该模拟开关在由FPGA2 42向其发送的频率下翻转。从DAC 48经由线48将VHigh提供至加法器52，调制深度由其通过VLow确定，如TxPIC 10上示出的方波调制插图所示。
表示离其在格栅上的合需发射波长的特定激光波长偏移量的误差信号从数字信号处理器(DSP)44推导出，用来向TxPIC 10上各个激光器加热器13提供电流修正性改变，此电流修正性改变是经由数模转换器(DAC)48和线60到达各个加热器13。向数字信号处理机(DSP)44提供频调强度(每一通道)的测量，该频调强度由基准和标准量具光测器电路的输出的并行解调检测到。DSP 44通过例如取一特定的通道的频调强度比值并将该比值与一对应于合需波长的校准值相比较来推导出一适当的误差信号。同样，DAC 48从DAC 48经过线62提供设定的偏置电流IL至各个激光器14。同样，DSP 44在线路64上从N个激光器14的每一通道经由它们各自的TIA 63和模数转换器(ADC)46接收后置PD12光电流VPD。因而，加热器电流和激光器偏置电流的监视与控制由DSP 44完成，以阻止任何将激光器14驱动至不正确的锁定点的尝试。
在图1中，由发生器50提供的N个方波的频率和相位被选择为在一固定采样周期上，例如大约1毫秒上近似地数学正交。这些方波信号在每一采样周期的开始被同步。从在一固定采样周期中具有整数个周期的方波的基本集合中，N个方波的近似正交集合可被选中，即当在一给定区间上积分时两个不同的方波的乘积将提供一非常接近于零的数字，然而当在同一区间上积分时，两个同样的方波的乘积将产生一很大的数字，其可被归一化到单位量。这些归一化的值经由31B处的标准量具输出和在31A处的基准输出两者推导出的输出、以及从31A处的基准输出推导的频调强度来表示通道波长漂移。调制频调频率被选择在一相对较高的kHz频率范围中，以便能够更快地测量任何波长漂移，例如，频调频率被选择得大于40kHz。
如前面指出的，提供给通道的前置PIN的每一调制用方波调制的峰-峰电压摆幅——即它的高点或VHigh与它的低点或VLow之差——被确定以在N个信号通道每一个的输出功率中提供一预定的且被保持恒常的光学调制指数(OMI)。OMI的百分比必须足够大以给信号处理提供足够信噪比，同时又要足够小以避免数据的过度的惩罚(例如由于眼图闭合)。如果该OMI太小，则由于电路电压偏移量、暗电流和漏电流，电路测量将变得很不准确。如果该OMI太大，则发射的数据将遭受眼图闭合惩罚。举例来说，5％的OMI是一可接受的选择，它引起可容许的眼图闭合惩罚，同时仍能产生足够大的控制信号以达到抵抗信号差错和噪声的稳健的结果。产生这样的OMI所需要的方波的通道特异性电压值取决于每一前置PIN 18的设定DC偏置点。因为作为每通道功率控制的一部分，它们的直流偏置点故意变化，所以方波调制的电压值必须通过部署查找表或由图1的伺服控制环路41控制，以便对于所有已调制频调频率fk随时间推移能不断地保持一固定OMI。
需要指明的是，可以使得标准量具34具有与信号通道间隔或区间相匹配的特定的周期性响应。然而，我们选择使标准量具34具有50GHz的周期性响应，并且它相于信号通道k和k+1的条纹透射在图3中被说明。在输出32A中的基准信号具有近似独立于光学波长的响应。如前面指出的，在此处的实施例中信号通道区间是200 GHz，从而标准量具响应将是该间距的除数，即，在与信号通道k和k+1关联的标准量具条纹之间有三个未使用的标准量具条纹。因此相同的50GHz标准量具对于为其他的间距在自由谱范围整数倍——例如50GHz或100GHz的TxPIC信道间距以及具有较大信号通道数目N的TxPIC——例如，每一TxPIC40个通道——执行相同的鉴频器功能而言是很有用的。标准量具34是市售的法布里-珀罗标准量具，其相对于光学频率具有50GHz周期函数，并且可以容易地从不同的制造商获得，例如JDSU公司。该法布里-珀罗波长锁定器的制造过程包括设置ITU格栅与标准量具的透射波峰之间的关系，以使得ITU频率对应于大致在一透射波峰的斜坡侧一半高度处的点。从而该透射波峰的斜坡侧起到局部鉴频器的作用，在此光学载波频率中很小的变化在发射功率上产生可检测到的变化。
B.锁定至正确的锁定点
应当注意到由已调制源14，16施加在通道信号上的较高频率数据调制不是在FPWL子模块30中的两个光电二极管32和33的带宽内的，因此并不直接地显现在它们的光电流信号中。图3中的基准电平36提供沿标准量具条纹上升侧(在此光学功率透射率随着光学频率的增大而增大)的可确立有用的锁定点的一个点。假如局部斜率足够大，则该点几乎可以在沿条纹一侧的任何地方。与条纹相交叉的垂直基准等高线37被用来指明在一标准量具34一给定的测得温度下ITU光学载波频率与标准量具条纹一侧之间的交点。传感器39用于被动确定图3中的条纹与垂直基准37之间的交点的位置，并且这是通过对在标准量具34处测量的一可能温度范围内的与每一PD32和33的一组光电流相关的一组温度的初始校准来完成的，从而通过利用此校准，就能知道在ITU的格栅频率上从PD32和33输出的光电流的相对值。从而，沿条纹侧的确立的锁定点38提供一种手段，藉此沿条纹侧相对于锁定点48向上或向下的检测值可被电子地检测到。然后，使用离校准锁定点38的偏离量来确定激光发射频率或波长从它合需的标准化格栅频率偏移的方向，并且在该偏移量被转换成数字形式的情况下，还被用来确定偏移了多少。因此，在单个光通道15中的单个连续波激光器14的情形中，与PIC上有多个通道的情况相对立，如果该连续波光通道处在例如ITU格栅等的标准化格栅上的锁定点光学频率上，则来自标准量具和基准光电二极管32和33的DC光电流将产生校准的锁定点比值。
当来自多通道TxPIC的光学多路复用信号的分支部分分别被提供给FPWL子模块30并提供给标准量具和基准光电流的输出32A和33A及其对应的TIA 34A和34B时，结果产生的电信号将包含复合信号，即平均DC值和施加在组合通道信号上的频调调制、以及通道信号上的数据调制、以及来自TxPIC 10上N个通道15中的每一个的噪声。在多通道输入的情形中，使用相干解调来确定第k光学载波频率的误差信号，以对标准量具光电二极管33和基准光电二极管32提供频率fk上的方波信号强度锁定检测。由于标准量具34对温度改变敏感，因此一温度传感器39——这里以热敏电阻39示出——被设置在FPWL子模块30上，其用于根据FPWL子模块30的温度将FPWL锁定点更加精确地校准到诸如ITU格栅等的标准化格栅上的频率。
通过在频调频率fK下对来自各自的PD 32和33的频调信号强度进行相干解调并将该结果与为一合需光学载波频率确定的校准值相比较，就可从来自TIA 34A和TIA 34B两者的复合光电流中提取出表示第k激光器14的平均光学载波频率与其合需的光学载波频率的偏差的误差信号。如前面指出的，解调频调在FPGA1 35内产生，并且同步的调制音调由42处的FPGA2产生。例如，FPGA 35可具有一晶体钟，以产生N个频调频率，用于相对于来自子模块30的选定的频调频率进行归一化。同样，FPGA42产生相同一组频调频率，其经由一从FPGA35向FPGA42发送的同步脉冲与FPGA 35处产生的频调频率同步。采样信号相对于通道标记频调的模数转换和相干解调经由FPGA 35执行，并且相关联的信号处理误差信号然后在DSP44被推导出，其被滤波和比例定标以准备向提供到TxPIC 10各个激光器加热器13的电流提供修正性改变。如此，N个激光器的平均光学载波频率以稳态误差等于零的形式被驱动至其被指派的标准化格栅频率或波长，例如指派给ITU格栅的波长。包括但不限于加热器电流和激光器偏置电流的TxPIC参数的监视被用来防止反馈伺服环路试图将TxPIC激光器14驱动至不正确的锁定点，如在此公开的后面部分更详细指出的。
如上面指出的，图3说明标准量具34的透射的一部分，其中一基准电平36被显示为与两个通道k和k+1的垂直基准线37有交叉点，这些交叉点定义了这些通道的锁定点38。如指出的，这里标准量具34的周期间隔是50GHz。如图3所见的，TxPIC信号通道间隔是200GHz格栅，从而使得毗邻的TxPIC通道将被锁定至由三个居间条纹或是150GHz分隔的条纹。因此，对于具有接近于锁定点38，即，在次最近的在基准线36与周期条纹的侧条纹之间的交点间的光学载波频率的一给定的TxPIC激光器14，低于或高于锁定点38的激光频率以锁定点38与沿通道侧条纹之间的频率范围上恰适地指派的负的或正的误差来提供透射率差值。所以，例如，如果在一给定的已解调信号中有一正的频率偏移量，则已解调的频调电平将高于基准电平36。出于同样的原因，如果在一给定的已解调信号中有一负的频率偏移量，则已解调的频调电平将低于基准电平36。因此，在每一已解调频调的情形中，具有一窗口，在此窗口内已解调信号值可以高于或低于基准电平36，从而指明必须在哪个方向上——正的还是负的——作出修正，以通过经由其局部加热器13改变温度来移动特定的激光器14的发射波长。
FPGA1 35的已解调频调信号形式的输出通过线41被提供至DSP子模块40和DSP 44。FPGA2 42的输出被提供至数字信号处理器(DSP)44。子模块40包括关联的数模转换器(DAC)48和模数转换器(ADC)46。
产生已解调频调信号的信号处理如下所述。来自32处的PD1和33处的PD2的输出光电流在TIA34A和34B处被转换成电压。TIA的电压电平必须相对于在快速模数转换器上允许的输入范围恰适地作比例定标。在35处的FPGA1中，形成双极方波(容许值+1、-1，基本周期等于该特定通道标记频率)与采样波形的数字乘积，并且计算出等于双极方波与采样波形乘积的积分的累加乘积。该积分区间包含每一通道标记方波的周期的整数倍，并且这些通道标记方波被选择成近似正交。因此，在35处的FPGA1处输出的这一FPGA积分是一个与由选定的方波调制的信号的强度成比例的很大的数字。在接收光电二极管处，这进而与光学调制指数(OMI)和由选定的方波标记的通道的平均光学功率的乘积成比例。对于标准量具通道31B，通道的平均光学功率取决于该通道的光学载波频率，因为该标准量具条纹起到光学鉴频器的作用。对于基准通道31A，该通道的平均光学功率与光学载波频率无关。因此，FPGA1 35为来自标准量具输入和基准输入的两个电压信号数字化频调频率。N个通道的每一个的并行解调(经过与近似正交方波的相关)为TxPIC 10的每一通道15提供各自频调强度的测量形式的信号。这些信号通过线41被发给DSP 44，在此每一通道的误差信号被计算。进一步地，DSP 44接着基于为每个信号通道并行确定的计算误差信号经由DAC 48和线60提供对激光器14的单独的、各个激光器通道加热器13的校正信号的形式的校正值。每一个这样的校正信号通过它相关联的加热器改变激光器的工作温度，加热器进而将改变激光器的发射波长，以将发射波长修正至更接近或等于其格栅指定和合需的发射波长。在另一实施例中，不是改变施加到激光器加热器13上的电流，而是可采用反馈环路41来改变施加于激光器14的偏置电流，以便修正发射波长以使之更接近或等于其格栅指定和合需的发射波长。然而，在此处的实施例中，优选在整个寿命过程中使激光器14在恒定的电流偏置值下工作，并且每一激光器装备有一相关联的片上加热器13，用来改变激光器工作温度，该加热器13进而改变其发射波长使之趋向其标准化波长格栅频率的方向或到达此频率。
如前面指出的，在子模块30处的波长锁定器操作可以随环境温度而改变，从而在制造过程中N个激光器的每一发射波长的理想设定点针对工作温度的整个范围进行初始校准，并且这些校准的设定点被存储在DSP 44的内存中。因此，在标准量具子模块30的由温度传感器39监视的给定工作温度下，对于DSP内存中的两个毗邻温度校准点的校准值之间可线性内插出设定点。用于波长锁定反馈的误差信号是基于校准设定点和内插设定点之差。可以看出，该方法为子模块30在给定校准热设定点处提供对每一频调已调制信号的波长的估计，从而该内插将对每一激光器14离其标准化格栅波长的波长偏移量——如果有的话——提供一相当准确的估计。
如上所指出的，对TxPIC 10上的所有的N个信号通道，基准和标准量具光电二极管32、33两者的输出被同时解调。来自这些光电二极管的在特定频调频率上的已相干解调光电流的双线性组合被用来定义一合适的误差信号：
(1)
其中κ(I)＝I标准量具/I基准是在给定的温度T下给定信号通道的光学载波频率应被锁定到的标准化通道频率上估算的，该温度是从FPWL子模块30上的温度传感器39中取出的。图3说明了一理想情况，其中对于间隔为50GHz的所有通道频率，标准量具光电流等于基准光电流，即κ(T)＝1。对于法布里-珀罗波长锁定器的一给定光通道和一给定温度，对应于合需光学载波频率(例如ITU格栅频率)的已解调光电流的比值通过校准可以得知。校准值与测量值之差提供了表示通道光学载波频率相对于合需光学载波频率的偏移的有符号量。一旦该误差信号被测量，要由通道加热器采取的修正动作就可被计算并应用。信号通道k的误差信号的一种形式在DSP 44中从以下组合形成，
(2)
其中I标准量具是通道k的已解调标准量具光电流信号，而I其准是通道k的已解调基准光电流信号。在式(2)中的″测得的″指的是解调过程的结果，而″校准的″指的是前期测得的或算出的值，它由用于将标准量具和基准路径中的响应定义成等于合需值的光学载波频率的校准处理来确定。 法布里-珀罗波长锁定器的温度可以是温控的，在这样情况下可使用单个校准值。替换地，没有温控的法布里-珀罗波长锁定器可以在多个不同温度下校准，并且可采用内插来确立波长锁定器在一给定的测量温度下的合适校准值。该误差信号是至反馈环路的将误差信号驱动至零的的输入。该误差信号的环路滤波是由DSP 44数字化地实现的，并被提供给数模转换器(DAC)以产生一校正信号，它是经比例定标的模拟输出信号，该信号控制到达通道k中激光器各自加热器13的电流，以在积分控制下将误差信号驱动至零。
当然，FPWL的制造公差引起与理想反馈环路条件的偏差，因此这就是为什么相对于温度传感器39监视的FPWL子模块30的温度来校准测量很重要。图1的反馈环路41被设计成在与误差信号代数符号相反的方向上驱动激光器的光学载波频率。在图3中，在每一局部条纹附近，误差信号有三个可能的毗邻的过零点。为了在反馈环路41被使用时使得控制环路能将光学载波频率锁定到正确的局部设定点，激光器光学载波频率必须位于合需设定点附近一给定的范围内。为了确保该环路将光学载波频率锁定至法布里-珀罗标准量具各周期性条纹中正确的条纹上，可提供一基于激光器电流、加热器电流、子底板(submount)温度和TxPIC中多通道间的交互作用的校准的查找表。给定所有这些对频率有影响的输入的适当的校准信息和测量值时，DSP 44可以确定施加值的范围是否对应于关连于法布里-珀罗波长锁定器的特定条纹的有效光学频率设置。这在下面结合通道故障状况的快速响应进一步论述。
DSP 44包括一积分器，它随时间推移(在由附缀的增益常数比例定标之后)对每一给定激光波长的误差信号进行积分，以获得一平均值，该平均值被提供给特定的DAC 48，该DAC 48进而产生一模拟校正信号，该信号驱动特定激光器14的特定加热器13。如果积分器输出的是一正校正信号，则它对应于一红移(较低频率或波长)和加热器功率的增大。另一方面，如果积分器输出的是一负校正信号，则它对应于一蓝移(较高频率或波长)和加热器功率的减小。该积分器饱和，从而使得对于固定的频率偏移量，至给定激光器的校正信号总是以正确的极性结束。如果由于任何原因，该校正信号超过一预定激光调节范围，例如±1到5GHz，则该波长锁锁定环路控制器就会关闭受影响的特定的PIC激光器的运行。这表示该激光器不是在正常工作并且需要停止使用。
结合上文，图5用图表说明一红移相关PD2 33电流iPD，相对于关于一标准量具条纹iPD-标准量具的光频率。在iPD-基准的点A是合需的锁定点，其中格栅波长或频率满足给定已调制源输出波长的标准化(ITU)格栅频率。iPD-偏移处到B点的红移是从iPD-基准减小的量，表示(与之成比例)激光器14发射波长离该标准化(ITU)格栅频率的减少量。误差的偏移量可以由下列比值表达：
形成一校正信号来经由加热器13蓝移激光器14处的工作波长，即增加施加于该激光器的热，以使得激光器的波长运作从B点尽可能回到靠近A点的位置。
应当注意，当图1的波长锁定系统的工作第一次被开动或在一条纹修正事件(由在DSP 44上检测到无效设置而触发)的情况下，激光器加热器输出被预置到一预期值并且置为一负的频率偏移量(红移)，以便在反馈波长控制环路41工行之前实现热稳定。激光器加热器功率以及推导出的加热器阻抗经由ADC 48和加热器驱动电路(未示出)被波长锁定环路DSP44连续地监视。如果推导出的阻抗落在预定阈值范围之外，那么波长锁定环路控制器DSP 44将使这个通道激光器停止工作。当然，在启动期间，允许加热器功率在由波长锁定环路DSP 44采取任何这样的行动前初始地稳定下来。
C.防止锁定到不正确的锁定点
图1中说明的反馈波长控制环路41在没有其他的信息的情况下不能够确定其是否已经将一给定激光载波频率锁定至一不正确的锁定点，也就是说，相反它可能将频率锁定至一毗邻的不正确的条纹，而不是正确的条纹。换句话说，由于波长锁定器特性曲线是周期性的，因此前述的推导出的误差信号本身没有提供特定光学载波频率是被锁定在图3中哪一具体条纹上的指示，然而在PIC中每一激光器的调谐范围拥有多个条纹。同时，芯片上集成元件之间的以及在TxPIC芯片10底下的热电冷却器(TEC)(未示出)在TxPIC芯片10上的热耦合应该足够强，从而(1)一热瞬变可能引起特定激光器的频率在波长反馈环路41能修正此热瞬变之前就跳变成与一不正确的条纹对齐；(2)由芯片上的另一毗邻激光器或激光器加热器停用或故障产生的热瞬变具有足够致使跳至毗邻条纹的幅值；(3)在初始化和给TxPIC 10加电时，如果已对PIC激光器14或它们的加热器13中任一个的启用或停用状态作出了改变，则最近一次已知是好的的激光器加热器值将不能将激光频率或波长可靠地初始化到一合需的俘获范围内；或(4)由于正常激光器老化而产生的热改变会变换进入每一毗邻激光器的热串扰，通过定期地存储上次已知是好的的加热器值可解决此串扰消隐，这些加热器值由于不同的激光器老化而可能是不同的。因此，必须使用附加信息来阻止波长控制环路41不经意地将激光波长驱向另一不正确的条纹而导致将光学载波频率控制到一不正确的设定点。
该附加信息在DSP 44内存中的查找表中提供，其包括TxPIC 10的所有特别影响激光载波频率的工作参数的所有最近一次已知是好的值。对一给定TxPIC，这些工作参数的主导集合是：(1)激光器偏置电流，在如曾提及的，其在整个TxPIC寿命期间被保持固定；(2)加热器电流，如曾提及的，其在整个TxPIC寿命期间由反馈控制来改变；(3)TxPIC子底板(未示出)的(固定)温度，该子底板通常固定在一热电冷却器(TEC)(未示出)上；(4)电光调制器(EOM)偏置电压；以及(5)前置PIN的反偏电压。同样，如前面讨论的，需要一在TxPIC 10上所有N个信号通道的校准锁定点比值k(T)的查找表。最后，需要TxPIC的所有的N个通道的加热器引起的调制系数的查找表，其中包括它们的通道串扰系数。使用这些保存在DSP内存中的信息，DSP 44能够根据查找表中的这些信息确定当前是否要求反馈波长环路提供与最近一次已知是好的的锁定点不一致的加热器驱动功率。注意，如前面指出的，毗邻的可用锁定点由标准量具的自由谱范围(FSR)分隔，这里此分隔是50GHz。为了将单个激光器光学载波频率从图3中一正确的锁定点移动到一毗邻的不正确的锁定点，需要一激光器加热器用于尝试将其相关联的激光器温度提升或降低约5℃，这是一个很大的，易于检测到的加热器功率变化。因此，由DSP 44监视提供给激光器加热器13的电流用于与最近一次已知是好的施加到TxPIC 10上各个激光器加热器13的电流值或平均值作比较。在此情形中，DSP 44将基于这种“最近一次已知是好的”的跟踪方法来阻止施加不正确的——尤其是在功率常态范围外的激光器加热器功率的应用。
2.每通道发射功率控制环路
同样，在此公开中是一种确定通道功率的相对平衡的方法，其使用反馈控制环路41利用上面描述的相同的通道标记调制来进行波长锁定控制。每通道功率控制环路用于跨形成光学通道组(OCG)的信号通道阵列均衡通道功率。更一般地说，每通道功率控制环路用于将单个光学通道功率保持在单个设定点上，其中一个通道与另一通道的设定点可以不同。当用来均衡通道功率时，每通道环路的功能是跨通道阵列均衡通道功率以使任何通道功率相对于在TxPIC 10寿命过程中OCG内的平均功率而言落在一预定误差，例如±0.50dB内。该功率环路是在TxPIC 10初始化期间被接通时发动的。再次参照图1，每一通道功率的输出是由其前置PIN18控制的。由前置PIN起到单个通道功率控制和通道标记调制器双重功能减少了所需有源通道元件和控制电子器件的数目。因此元件18也可被称为一多功能元件(MFE)并可被称为一衰减器/调制器频调PIN。前置PIN 18基于由可变偏置电压Vhigh与峰-峰电压Vpp组合确定的平均偏置电压吸收来自通道已调制光源14、16的已调制通道信号的一部分，上述电压是从子模块40中的DSP44经由发生器50提供的。
每一通道所需的衰减量是由两个因素决定。第一，在寿命的开始(BOL)多个激光器的光学输出并非理想地平衡，并且彼此可能相差给定的量。在制造中，每一激光器最优恒常驱动电流可如下确定：(1)每一激光器14可被波长锁定于激光器加热器功率的可接受极限内；(2)该激光功率可被调整于其前置PIN 18需要的公差范围内；以及(3)当高频数据调制被施加到通道调制器16时，传输链路中的合需误比特率能够得到满足。如前面指出的，在TxPIC 10的寿命过程中每通道激光器驱动电流被保持恒常。适当的激光器偏置电流值初始在PIC模块制造期间确定，并且每一激光器的预定值被传递并保存在子模块40中的DSP44中诸如闪速存储器等的内存中。然而，TxPIC 10上的激光器驱动电流的校准本身并不确保跨PIC上信号通道输出阵列的功率平衡，因此需要经由前置PIN 18为每一TxPIC通道设置衰减值以实现跨通道输出的功率等同，并且在PIC寿命过程中这些前置PIN的衰减值将随通道不同而变换。
第二，TxPIC 10中的各个集成激光器13在电路的寿命过程中以不同速率老化，并且通常在此老化过程中，它们的输出功率也以不同的速率下降。因此，每一信号通道的前置PIN衰减必然典型地是随着激光功率衰退而逐渐地减少；即，前置PIN18上的平均反偏电压在寿命过程中通常必然降低。因此，在PIC激光器14寿命开始(BOL)时施加的负偏置是最高的，并且通常在寿命过程中降低，以保持在PIC寿命过程中来自已调制光源的充分恒定的功率输出。因此，在BOL时激光器14在连续施加的电流水平上工作，且输出功率幅值很高。为每一激光器将衰减设置在每个通道合需的初始功率电平输出上，并且跨通道阵列的功率输出被基本均衡。由于激光器14各自以不同速率老化，且其是不可个体预测的，因此它们的已调整输出功率在整个寿命过程中将以不同速率下降，因此在整个寿命过程中也以不同速率从每一通道输出撤减衰减量——也就是说减小前置PIN 18上的负偏置——也是必要的。同样地，需要时，单个通道功率的增加可通过增加前置PIN上的衰减设置来补偿。
因此，为了不断保持跨TxPIC 10上产生的已调制通道信号阵列的通道功率输出平衡，采用功率控制反馈环路41来确定每通道施加的衰减量。因此，每一前置PIN 18的平均偏置点是在DSP子模块40处经由DSP 44计算的，并且在闭环控制41中被施加到每一前置PIN 18，同时对每一前置PIN 18施加置标频调频率以进行信号通道识别。平均偏置电压是电压Vhigh和VLow的平均值，其中Vhigh和VLow的值被选择以保持一恒定的光学调制指数。功率控制环路41工作在一相对长期的定值上，例如5秒左右，并且被设计为基于如上所述的制造变量以及激光装置老化来调整衰减水平，当然相对波长从一合需波长的变化而言老化是一缓慢的过程。如果希望，该时间长度还可以被设置得更长，因为激光器老化是相对慢得多的过程。
如前面所述，低频或频调振幅调制被叠加到TxPIC10的N个信号通道中每一个的前置PIN18上。如前所述，施加的电压的值是随前置PIN 18的估计衰减曲线而变化的，并且被比例定标以提供一特定的光学调制指数(OMI)。同样，如较早指出的，来自TxPIC多路复用器20的光通道组(OCG)多路复用信号被分支，并且被提供至法布里-珀罗波长锁定器子模块30，在此线33A上的标准量具输出和线32A上的基准输出被放大并数字化，并且共同用来确定波长偏移和调整。然而，如所述的，标准量具输出31B不是用于功率控制目的的。只有基准输出31A是达到此目的所必需的。来自基准输出31A的数字化OCG包络在FPGA1 35处对每一频调相干解调。此过程是同时的，即，对所有N个信号通道并行地进行，因此是连续为所有通道频调提供数据。在DSP 44中的子模块40处，经由线41来自FPGA135的N个通道解调器输出然后可分别地与原来产生的已调制频调相比较，以便为每个信号通道15获得N个频调中的每一个的相对振幅。假定OMI被保持恒定值，例如每一频调是5％，则检测到的每一通道的相对载波振幅与相对频调幅度相同。因此，通道功率检测方案对每一通道频调调制假定相同的OMI。如前面描述的，需要单个前置PIN传递函数的校准来确定施加的方波的电压导轨的正确值以提供需要的衰减同时保持光学调制指数为定值。同样，前置PIN传递函数随着入射激光功率改变而改变。因此，在制造的时候初始的前置PIN传递函数必须被校准，并且由于前置PIN 18上的激光器入射功率不能轻易地被直接测量，因此必须估算该函数在整个寿命过程中的改变。
因此，在初始的制造期间，在激光器运行在一恒定的驱动电流上的情况下，每一前置PIN 18在寿命开始(BOL)的衰减对偏置曲线被校准，其中在校准器件电流水平是通过在一给定电压范围上改变偏置和测量TxPIC 10的输出功率来预先确定的。因此，在偏置电压的电压范围内等步长选择多个电压阶跃。作为在前置PIN上施加的反偏电压的函数的第一组输出功率是在每一通道外界测量的。该点集(归一化衰减相对于反向偏置)与对应的提供激光器输出功率的测量的后置PIN电流一起保存在DSP44的内存中。然后，第二组的多个点(归一化衰减相对于反向偏置，和相关联的后置PIN电流)被提取和存储，但是这次对于每一激光器施加的激光器驱动电流被有意地减少，以模拟跨阵列的寿命末尾(EOL)功率电平，并且所有的波长保持在它们的BOL值上恒常不变。此模拟是基于TxPIC10上激光阵列老化的经验，其中在整个寿命过程中激光功率输出的衰退可在约1.5dB到约3dB的范围里。
更特别地，然后，在制造中两个归一化前置PIN传递函数被创立；一个是寿命开始(BOL)状态而另一个是模拟的寿命周期的末尾(EOL)状态。根据后置PIN电流的读数，使用一算法在两个传递函数之间进行内插。这些内插出的归一化传递函数被用于为每一信号通道计算Vhigh和VLow的适当值，如图4所示，以便提供合需的衰减同时保持光学调制指数恒定。
因此，在工作期间，从后置PD 12接收到的实时光电流被用于估计激光功率。然后，寿命开始(BOL)和模拟的寿命末尾(EOL)前置PIN曲线，相对于前面提到的不同的两组数据，被线性地内插以形成新的与估计激光功率相关联的前置PIN衰减曲线。基于新导出的归一化传递函数，两个电压Vhigh和VLow被选择成使得(1)在FPWL子模块30的基准输出31A处获得合需的已解调频调信号以及(2)估算OMI被保持在一预定值，例如5％的OMI。对一给定通道，已解调频调信号与光学调制指数和由用于解调的通道标记频调标记的通道的平均光学功率的乘积成比例。如果使得所有已解调频调信号相等，如在法布里-珀罗波长锁定器中的基准光电二极管所示的那样，并且如果所有通道对于它们的(正交)通道标记频调都具有相同的光学调制指数，那么所有通道功率在该基准光电二极管处是近似相等的。这是光学通道功率控制的基础。注意法布里-珀罗波长锁定器中的基准光电二极管充当光学通道功率控制检测器和波长锁定控制需要的两个检测器之一的双重角色。
虽然已经结合几个具体的实施例对本发明进行了描述，但是在前面所述的内容启发下显然可以进行许多进一步的替换、修改和变化，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，此处描述的发明旨在涵盖落在所附权利要求的精神和范围内的所有这样的替换、修改、应用和变型。