光波長測量技術(shù)研究

光波長測量技術(shù)研究

摘 要：針對當(dāng)前密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)迅猛發(fā)展的趨勢，對一些在DWDM系統(tǒng)測試中應(yīng)用較為廣泛的高精度光波長測量技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對光波長測量儀表的開發(fā)方向作了一定的探討.

　　關(guān)鍵詞：密集波分復(fù)用；光波長測量；光纖通信

　　光波長測量是伴隨著光纖通信發(fā)展起來的一個技術(shù)領(lǐng)域，它與光纖通信的發(fā)展水平是密不可分的.光波長測量技術(shù)的高低是決定光通信發(fā)展?fàn)顩r的重要因素之一.因此，對光波長測量技術(shù)的研究具有重大的實用價值和理論意義.��

1光波長測量的主要技術(shù)

　　根據(jù)被測光信號中光載頻成分的不同，大體上可將光波長測量技術(shù)分為兩類：一是針對包含多個光載頻的光信號而言的多波長測量技術(shù)；另一種是針對線寬足夠窄的單色光信號而言的單波長測量技術(shù).下面分別對它們進(jìn)行介紹.��

1.1多波長測量技術(shù)


　　對于非單色光源，我們需要將其發(fā)出的光進(jìn)行分解，即將不同波長的光線按一定規(guī)律分開排列，然后通過實驗方法測量這些被分解的光譜光線的波長和強(qiáng)度.光譜分析儀是用于分解和記錄光譜的，按照其所用分光元件的不同，可分為棱鏡光譜儀、光柵光譜儀和干涉光譜儀.這些多波長光譜分析儀大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格很高，而且一般體積龐大，僅限于固定場所測試，很難用于現(xiàn)場安裝測試和維護(hù)工作，而且它們的波長分辨率很高，波長測量范圍也都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了DWDM系統(tǒng)的測量要求.所以需要開發(fā)出一些針對DWDM系統(tǒng)測試的便攜式光波長測量儀表，以使測試工作更方便有效.��

1.2單波長測量技術(shù)

　　在很多場合，我們需要對DWDM系統(tǒng)的某一個復(fù)用信道波長進(jìn)行測量，或?qū)�DWDM光源波長進(jìn)行監(jiān)測和校準(zhǔn).單波長測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般都比較簡單，易于做成便攜式儀表，而且成本較低，具有很高的性價比.在需要對多個信道同時進(jìn)行監(jiān)測時，可將一個可調(diào)諧光濾波器和單波長測量儀表配合使用，將可調(diào)諧光濾波器沿著要選測的波長范圍進(jìn)行調(diào)整移動，然后通過單波長測量儀表依次測出各信道波長及光功率值.下面將對一些應(yīng)用于1 550 nm窗口的單波長測量技術(shù)進(jìn)行介紹.��

1.2.1基于波分復(fù)用器件的單波長測量

　　圖1是一種單波長測量方案的原理框圖，圖中有一個雙錐耦合波分復(fù)用器，它將輸入光信號分為


　　A、B兩路，這兩路光信號分別通過光電二極管DA和DB轉(zhuǎn)化為光電流IA和IB，IA和IB輸入到一個對數(shù)放大器后產(chǎn)生一個輸出電壓

式中，��K為放大器的增益系數(shù).圖中的雙錐耦合波分復(fù)用器使得波長為λ1的光從A路輸出，而讓波長為�Е�2的光從B路輸出.對于任何一個處于�Е�1和λ2之間的波長值，需滿足條件λ2-λ1λ，�н@樣一來，我們可以把耦合波分復(fù)用器的耦合系數(shù)近似為


式中，�Еう藶檩斎牍獾淖V寬；RA和RB�Х謩e為光電二極管DA和DB的響應(yīng)度.對于一個光功率為PL，波長為λL�У膯紊�輸入光來說，可由式(1)～(4)得出輸出電壓��Vm的表達(dá)式為

　　由式(5)可以看出，��Vm是一個關(guān)于λL的平穩(wěn)單調(diào)函數(shù)，這里λL的值在λ1與λ2之間.因此，如果我們事先知道被測光信號的波長值落在這個范圍里，就可以通過測量Vm��來得到被測光信號的波長.

　　該測量方案中的關(guān)鍵器件是雙錐耦合波分復(fù)用器，被測光信號波長值的測量主要是借助于耦合波分復(fù)用器的耦合系數(shù)隨入射光波長的變化而變化這一特性來實現(xiàn)的.利用這一測量原理制成的波長計在1 530～1 570 nm的范圍內(nèi)可以達(dá)到小于0.1 nm的測量精度.

　　可以看出，上述這種方法是利用了分光器件的分光比與入射光波長的函數(shù)關(guān)系來達(dá)到波長測量的目的，它將分出的兩路光電流進(jìn)行對數(shù)處理從而消除入射光功率的影響，使最后的測量結(jié)果與入射光強(qiáng)的大小無關(guān).這一思路在其它一些測量方案中同樣也得到了應(yīng)用，稍有不同的是它們沒有在分光器件上作文章，而是先將入射光按一定的功率比分成兩路，其中一路作為參考光，另外一路則經(jīng)過一種對波長敏感的光學(xué)器件，然后將兩路光功率進(jìn)行比較，消除入射光強(qiáng)的影響，建立與波長的函數(shù)關(guān)系，從而達(dá)到測量波長的目的.下面用具體的測量方案來說明這一思想.��

1.2.2基于線性濾光片的單波長測量

　　圖2所示為一種基于線性濾光片的單波長測量方案.該方案中的核心器件是線性濾光片，它具有依賴于入射光波長的傳輸特性，如圖3所示.在圖2中，被測光信號被一個1×2的光功圖2中,被測光信號被一個1×2的光功率耦合器分為兩路，其中一路經(jīng)線性濾光片后進(jìn)入光電探測器成為測量信號；另一路直接進(jìn)入光電探測器成為參考信號.由于濾波片對光信號的吸收和反射，使得測量信號相對于參考信號來說有所衰減，對于不同波長的光其衰減量是不同的.將測量信號值與參考信號值相比即得到濾光片的傳輸比.測量信號和控制信號各自經(jīng)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器處理后成為數(shù)字信號，將它們傳入微處理器進(jìn)行處理，最后顯示出波長值.��

　　由于線性濾光片的光功率衰減范圍（動態(tài)范圍）不宜過大，因此要得到高分辨率的波長測量結(jié)果，則需要高精度的光功率測量手段.��

1.2.3基于多量子阱電吸收探測器的單波長測量

　　圖4為一種利用InGaAs�睮nP多量子阱電吸收濾波探測器的光波長測量系統(tǒng)的原理圖，該測量系統(tǒng)用于測量窄線寬的單色光信號.在圖4中，輸入信號光被分為兩路，一路用多量子阱電吸收可調(diào)探測器接收；另一路用一個參考探測器接收.然后對兩路信號進(jìn)行同步放大、整形，最后經(jīng)過一個模擬除法器將兩路信號值相比以消除對入射光強(qiáng)大小的依賴.因為這里的InGaAs�睮nP多量子阱電吸收濾波探測器對于不同波長的入射光信號有不同的輸出響應(yīng)，即具有依賴于入射光波長的特性，所以測量系統(tǒng)的輸出��Vout中包含有波長信息.圖中負(fù)反饋的作用是通過調(diào)節(jié)偏置電壓Vbias的大小使得除法器的輸出電壓Vratio始終保持在參考值Vlock.這樣，對于不同波長的輸入光會得到不同的偏置電壓，通過測量偏置電壓的大小可得到相應(yīng)的輸入光波長值.整個測量系統(tǒng)在1 550～1 593 nm的范圍內(nèi)可達(dá)到±8.30 nm的分辨率�В╒lock=��1.002 V）.

　　以上介紹的是3種較為典型的單波長測量方案，從中我們可以得出這樣的結(jié)論：我們對光波長的測量關(guān)鍵是借助于具有波長選擇功能的光學(xué)器件，一般利用某種光學(xué)原理得出該器件在我們所測波長范圍內(nèi)的傳輸特性，進(jìn)而實現(xiàn)對光波長的測量.我們所選擇的器件對波長響應(yīng)程度的好壞直接決定最終測量結(jié)果的優(yōu)劣.這類光波長測量技術(shù)的具體實現(xiàn)方式是多種多樣的，所用到的器件可以是分光器件、濾光器件，也可以是光接收轉(zhuǎn)換器件和偏振控制器件等等，所用到的原理各不相同，這里不再贅述.��

2光波長測量儀表的開發(fā)方向

　　對于光纖通信中的光波長測量儀表而言，運用的測量原理和結(jié)構(gòu)要簡單，這樣才能盡量減小儀表的體積，但同時又要求有較寬的測量范圍和較高的測量精度，使其能夠滿足DWDM傳輸系統(tǒng)的測試要求.總的來說，我們開發(fā)的光波長測量儀表必須具備以下性能：

　　(1) 能夠滿足DWDM系統(tǒng)測量的波長精度及波長范圍；

　　(2) 能同時測出被測信號的光功率值；

　　(3) 原理簡單，容易實現(xiàn)；

　　(4) 結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，易于便攜；

　　(5) 成本低.

　　BTI公司的BTI1000和BTI2000是一種利用單波長測量方案實現(xiàn)的便攜式單波長/功率計，它們在1 550nm窗口可同時測量波長和功率.BTI1000的波長測量范圍覆蓋C波段（1 520～1 570 nm），而BTI2000則覆蓋C波段和L波段（1 520～1 620 nm），它們的波長測量精度均可達(dá)到±0.1 nm，而且都能在一個較寬的波長范圍（800～1 600 nm）內(nèi)對光功率進(jìn)行測量，其功率測量精度可達(dá)到±5%.目前，這類高精度便攜式單波長測量儀表在國內(nèi)外市場上還比較少見，因此對這類儀表的開發(fā)是非常有必要的，這為我們在單波長測量領(lǐng)域的研究提供了一個方向.�お�

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