光波長(cháng)測量技術(shù)研究

摘 要：針對當前密集波分復用（DWDM）技術(shù)迅猛發(fā)展的趨勢，對一些在DWDM系統測試中應用較為廣泛的高精度光波長(cháng)測量技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對光波長(cháng)測量?jì)x表的開(kāi)發(fā)方向作了一定的探討.

　　關(guān)鍵詞：密集波分復用；光波長(cháng)測量；光纖通信

　　光波長(cháng)測量是伴隨著(zhù)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(cháng)測量技術(shù)的高低是決定光通信發(fā)展狀況的重要因素之一.因此，對光波長(cháng)測量技術(shù)的研究具有重大的實(shí)用價(jià)值和理論意義.��

1光波長(cháng)測量的主要技術(shù)

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

1.1多波長(cháng)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(cháng)的光線(xiàn)按一定規律分開(kāi)排列，然后通過(guò)實(shí)驗方法測量這些被分解的光譜光線(xiàn)的波長(cháng)和強度.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(cháng)光譜分析儀大多結構復雜、價(jià)格很高，而且一般體積龐大，僅限于固定場(chǎng)所測試，很難用于現場(chǎng)安裝測試和維護工作，而且它們的波長(cháng)分辨率很高，波長(cháng)測量范圍也都遠遠超過(guò)了DWDM系統的測量要求.所以需要開(kāi)發(fā)出一些針對DWDM系統測試的便攜式光波長(cháng)測量?jì)x表，以使測試工作更方便有效.��

1.2單波長(cháng)測量技術(shù)

　　在很多場(chǎng)合，我們需要對DWDM系統的某一個(gè)復用信道波長(cháng)進(jìn)行測量，或對DWDM光源波長(cháng)進(jìn)行監測和校準.單波長(cháng)測量系統結構一般都比較簡(jiǎn)單，易于做成便攜式儀表，而且成本較低，具有很高的性?xún)r(jià)比.在需要對多個(gè)信道同時(shí)進(jìn)行監測時(shí)，可將一個(gè)可調諧光濾波器和單波長(cháng)測量?jì)x表配合使用，將可調諧光濾波器沿著(zhù)要選測的波長(cháng)范圍進(jìn)行調整移動(dòng)，然后通過(guò)單波長(cháng)測量?jì)x表依次測出各信道波長(cháng)及光功率值.下面將對一些應用于1 550 nm窗口的單波長(cháng)測量技術(shù)進(jìn)行介紹.��

1.2.1基于波分復用器件的單波長(cháng)測量

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


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

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


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的響應度.對于一個(gè)光功率為PL，波長(cháng)為λL�У膯紊�輸入光來(lái)說(shuō)，可由式(1)～(4)得出輸出電壓��Vm的表達式為

　　由式(5)可以看出，��Vm是一個(gè)關(guān)于λL的平穩單調函數，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(cháng)值落在這個(gè)范圍里，就可以通過(guò)測量Vm��來(lái)得到被測光信號的波長(cháng).

　　該測量方案中的關(guān)鍵器件是雙錐耦合波分復用器，被測光信號波長(cháng)值的測量主要是借助于耦合波分復用器的耦合系數隨入射光波長(cháng)的變化而變化這一特性來(lái)實(shí)現的.利用這一測量原理制成的波長(cháng)計在1 530～1 570 nm的范圍內可以達到小于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(cháng)的函數關(guān)系來(lái)達到波長(cháng)測量的目的，它將分出的兩路光電流進(jìn)行對數處理從而消除入射光功率的影響，使最后的測量結果與入射光強的大小無(wú)關(guān).這一思路在其它一些測量方案中同樣也得到了應用，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)一種對波長(cháng)敏感的光學(xué)器件，然后將兩路光功率進(jìn)行比較，消除入射光強的影響，建立與波長(cháng)的函數關(guān)系，從而達到測量波長(cháng)的目的.下面用具體的測量方案來(lái)說(shuō)明這一思想.��

1.2.2基于線(xiàn)性濾光片的單波長(cháng)測量

　　圖2所示為一種基于線(xiàn)性濾光片的單波長(cháng)測量方案.該方案中的核心器件是線(xiàn)性濾光片，它具有依賴(lài)于入射光波長(cháng)的傳輸特性，如圖3所示.在圖2中，被測光信號被一個(gè)1×2的光功圖2中,被測光信號被一個(gè)1×2的光功率耦合器分為兩路，其中一路經(jīng)線(xiàn)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(lái)說(shuō)有所衰減，對于不同波長(cháng)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轉換器處理后成為數字信號，將它們傳入微處理器進(jìn)行處理，最后顯示出波長(cháng)值.��

　　由于線(xiàn)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(cháng)測量結果，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(cháng)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(cháng)測量系統的原理圖，該測量系統用于測量窄線(xiàn)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探測器接收；另一路用一個(gè)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(guò)一個(gè)模擬除法器將兩路信號值相比以消除對入射光強大小的依賴(lài).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(cháng)的入射光信號有不同的輸出響應，即具有依賴(lài)于入射光波長(cháng)的特性，所以測量系統的輸出��Vout中包含有波長(cháng)信息.圖中負反饋的作用是通過(guò)調節偏置電壓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(cháng)的輸入光會(huì )得到不同的偏置電壓，通過(guò)測量偏置電壓的大小可得到相應的輸入光波長(cháng)值.整個(gè)測量系統在1 550～1 593 nm的范圍內可達到±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(cháng)測量方案，從中我們可以得出這樣的結論：我們對光波長(cháng)的測量關(guān)鍵是借助于具有波長(cháng)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(cháng)范圍內的傳輸特性，進(jìn)而實(shí)現對光波長(cháng)的測量.我們所選擇的器件對波長(cháng)響應程度的好壞直接決定最終測量結果的優(yōu)劣.這類(lèi)光波長(cháng)測量技術(shù)的具體實(shí)現方式是多種多樣的，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(cháng)測量?jì)x表的開(kāi)發(fā)方向

　　對于光纖通信中的光波長(cháng)測量?jì)x表而言，運用的測量原理和結構要簡(jiǎn)單，這樣才能盡量減小儀表的體積，但同時(shí)又要求有較寬的測量范圍和較高的測量精度，使其能夠滿(mǎn)足DWDM傳輸系統的測試要求.總的來(lái)說(shuō)，我們開(kāi)發(fā)的光波長(cháng)測量?jì)x表必須具備以下性能：

　　(1) 能夠滿(mǎn)足DWDM系統測量的波長(cháng)精度及波長(cháng)范圍；

　　(2) 能同時(shí)測出被測信號的光功率值；

　　(3) 原理簡(jiǎn)單，容易實(shí)現；

　　(4) 結構緊湊，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(cháng)測量方案實(shí)現的便攜式單波長(cháng)/功率計，它們在1 550nm窗口可同時(shí)測量波長(cháng)和功率.BTI1000的波長(cháng)測量范圍覆蓋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(cháng)測量精度均可達到±0.1 nm，而且都能在一個(gè)較寬的波長(cháng)范圍（800～1 600 nm）內對光功率進(jìn)行測量，其功率測量精度可達到±5%.目前，這類(lèi)高精度便攜式單波長(cháng)測量?jì)x表在國內外市場(chǎng)上還比較少見(jiàn)，因此對這類(lèi)儀表的開(kāi)發(fā)是非常有必要的，這為我們在單波長(cháng)測量領(lǐng)域的研究提供了一個(gè)方向.�お�

參考文獻

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