光波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)研究
摘 要：針對(duì)當(dāng)前密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)迅猛發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)一些在DWDM系統(tǒng)測(cè)試中應(yīng)用較為廣泛的高精度光波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì)光波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x表的開(kāi)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(zhǎng)測(cè)量；光纖通信
光波長(zhǎng)測(cè)量是伴隨著光纖通信發(fā)展起來(lái)的一個(gè)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(zhǎng)測(cè)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(duì)光波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)的研究具有重大的實(shí)用價(jià)值和理論意義.
1光波長(zhǎng)測(cè)量的主要技術(shù)
根據(jù)被測(cè)光信號(hào)中光載頻成分的不同，大體上可將光波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)分為兩類：一是針對(duì)包含多個(gè)光載頻的光信號(hào)而言的多波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)；另一種是針對(duì)線寬足夠窄的單色光信號(hào)而言的單波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù).下面分別對(duì)它們進(jìn)行介紹.
1.1多波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)
對(duì)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(zhǎng)的光線按一定規(guī)律分開(kāi)排列，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量這些被分解的光譜光線的波長(zhǎng)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(zhǎng)光譜分析儀大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格很高，而且一般體積龐大，僅限于固定場(chǎng)所測(cè)試，很難用于現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試和維護(hù)工作，而且它們的波長(zhǎng)分辨率很高，波長(zhǎng)測(cè)量范圍也都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了DWDM系統(tǒng)的測(cè)量要求.所以需要開(kāi)發(fā)出一些針對(duì)DWDM系統(tǒng)測(cè)試的便攜式光波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x表，以使測(cè)試工作更方便有效.
1.2單波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)
在很多場(chǎng)合，我們需要對(duì)DWDM系統(tǒng)的某一個(gè)復(fù)用信道波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，或?qū)WDM光源波長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn).單波長(zhǎng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般都比較簡(jiǎn)單，易于做成便攜式儀表，而且成本較低，具有很高的性價(jià)比.在需要對(duì)多個(gè)信道同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可將一個(gè)可調(diào)諧光濾波器和單波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x表配合使用，將可調(diào)諧光濾波器沿著要選測(cè)的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行調(diào)整移動(dòng)，然后通過(guò)單波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x表依次測(cè)出各信道波長(zhǎng)及光功率值.下面將對(duì)一些應(yīng)用于1 550 nm窗口的單波長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)測(cè)量
圖1是一種單波長(zhǎng)測(cè)量方案的原理框圖，圖中有一個(gè)雙錐耦合波分復(fù)用器，它將輸入光信號(hào)分為
A、B兩路，這兩路光信號(hào)分別通過(guò)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(gè)對(duì)數(shù)放大器后產(chǎn)生一個(gè)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(zhǎng)為λ1的光從A路輸出，而讓波長(zhǎng)為λ2的光從B路輸出.對(duì)于任何一個(gè)處于λ1和λ2之間的波長(zhǎng)值，需滿足條件λ2-λ1λ，這樣一來(lái)，我們可以把耦合波分復(fù)用器的耦合系數(shù)近似為
式中，Δλ為輸入光的譜寬；RA和RB分別為光電二極管DA和DB的響應(yīng)度.對(duì)于一個(gè)光功率為PL，波長(zhǎng)為λL的單色輸入光來(lái)說(shuō)，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(gè)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(cè)光信號(hào)的波長(zhǎng)值落在這個(gè)范圍里，就可以通過(guò)測(cè)量Vm來(lái)得到被測(cè)光信號(hào)的波長(zhǎng).
該測(cè)量方案中的關(guān)鍵器件是雙錐耦合波分復(fù)用器，被測(cè)光信號(hào)波長(zhǎng)值的測(cè)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(zhǎng)的變化而變化這一特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的.利用這一測(cè)量原理制成的波長(zhǎng)計(jì)在1 530～1 570 nm的范圍內(nèi)可以達(dá)到小于0.1 nm的測(cè)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(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系來(lái)達(dá)到波長(zhǎng)測(cè)量的目的，它將分出的兩路光電流進(jìn)行對(duì)數(shù)處理從而消除入射光功率的影響，使最后的測(cè)量結(jié)果與入射光強(qiáng)的大小無(wú)關(guān).這一思路在其它一些測(cè)量方案中同樣也得到了應(yīng)用，稍有不同的是它們沒(méi)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(guò)一種對(duì)波長(zhǎng)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(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系，從而達(dá)到測(cè)量波長(zhǎng)的目的.下面用具體的測(cè)量方案來(lái)說(shuō)明這一思想.
1.2.2基于線性濾光片的單波長(zhǎng)測(cè)量
圖2所示為一種基于線性濾光片的單波長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)的傳輸特性，如圖3所示.在圖2中，被測(cè)光信號(hào)被一個(gè)1×2的光功圖2中,被測(cè)光信號(hào)被一個(gè)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(cè)器成為測(cè)量信號(hào)；另一路直接進(jìn)入光電探測(cè)器成為參考信號(hào).由于濾波片對(duì)光信號(hào)的吸收和反射，使得測(cè)量信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)來(lái)說(shuō)有所衰減，對(duì)于不同波長(zhǎng)的光其衰減量是不同的.將測(cè)量信號(hào)值與參考信號(hào)值相比即得到濾光片的傳輸比.測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)各自經(jīng)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器處理后成為數(shù)字信號(hào)，將它們傳入微處理器進(jìn)行處理，最后顯示出波長(zhǎng)值.
由于線性濾光片的光功率衰減范圍（動(dòng)態(tài)范圍）不宜過(guò)大，因此要得到高分辨率的波長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果，則需要高精度的光功率測(cè)量手段.
1.2.3基于多量子阱電吸收探測(cè)器的單波長(zhǎng)測(cè)量
圖4為一種利用InGaAsInP多量子阱電吸收濾波探測(cè)器的光波長(zhǎng)測(cè)量系統(tǒng)的原理圖，該測(cè)量系統(tǒng)用于測(cè)量窄線寬的單色光信號(hào).在圖4中，輸入信號(hào)光被分為兩路，一路用多量子阱電吸收可調(diào)探測(cè)器接收；另一路用一個(gè)參考探測(cè)器接收.然后對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行同步放大、整形，最后經(jīng)過(guò)一個(gè)模擬除法器將兩路信號(hào)值相比以消除對(duì)入射光強(qiáng)大小的依賴.因?yàn)檫@里的InGaAsInP多量子阱電吸收濾波探測(cè)器對(duì)于不同波長(zhǎng)的入射光信號(hào)有不同的輸出響應(yīng)，即具有依賴于入射光波長(zhǎng)的特性，所以測(cè)量系統(tǒng)的輸出Vout中包含有波長(zhǎng)信息.圖中負(fù)反饋的作用是通過(guò)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(duì)于不同波長(zhǎng)的輸入光會(huì)得到不同的偏置電壓，通過(guò)測(cè)量偏置電壓的大小可得到相應(yīng)的輸入光波長(zhǎng)值.整個(gè)測(cè)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（Vlock=1.002 V）.
以上介紹的是3種較為典型的單波長(zhǎng)測(cè)量方案，從中我們可以得出這樣的結(jié)論：我們對(duì)光波長(zhǎng)的測(cè)量關(guān)鍵是借助于具有波長(zhǎng)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(cè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的傳輸特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光波長(zhǎng)的測(cè)量.我們所選擇的器件對(duì)波長(zhǎng)響應(yīng)程度的好壞直接決定最終測(cè)量結(jié)果的優(yōu)劣.這類光波長(zhǎng)測(cè)量技術(shù)的具體實(shí)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(zhǎng)測(cè)量?jī)x表的開(kāi)發(fā)方向
對(duì)于光纖通信中的光波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x表而言，運(yùn)用的測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，這樣才能盡量減小儀表的體積，但同時(shí)又要求有較寬的測(cè)量范圍和較高的測(cè)量精度，使其能夠滿足DWDM傳輸系統(tǒng)的測(cè)試要求.總的來(lái)說(shuō)，我們開(kāi)發(fā)的光波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x表必須具備以下性能：
(1) 能夠滿足DWDM系統(tǒng)測(cè)量的波長(zhǎng)精度及波長(zhǎng)范圍；
(2) 能同時(shí)測(cè)出被測(cè)信號(hào)的光功率值；
(3) 原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)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(zhǎng)測(cè)量方案實(shí)現(xiàn)的便攜式單波長(zhǎng)/功率計(jì)，它們?cè)? 550nm窗口可同時(shí)測(cè)量波長(zhǎng)和功率.BTI1000的波長(zhǎng)測(cè)量范圍覆蓋C波段（1 520～1 570 nm），而B(niǎo)TI2000則覆蓋C波段和L波段（1 520～1 620 nm），它們的波長(zhǎng)測(cè)量精度均可達(dá)到±0.1 nm，而且都能在一個(gè)較寬的波長(zhǎng)范圍（800～1 600 nm）內(nèi)對(duì)光功率進(jìn)行測(cè)量，其功率測(cè)量精度可達(dá)到±5%.目前，這類高精度便攜式單波長(zhǎng)測(cè)量?jī)x表在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上還比較少見(jiàn)，因此對(duì)這類儀表的開(kāi)發(fā)是非常有必要的，這為我們?cè)趩尾ㄩL(zhǎng)測(cè)量領(lǐng)域的研究提供了一個(gè)方向.
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