光波长测量技术研究

2019-11-03 18:00:57

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供稿：网友

吕辉，黄龙波　武汉邮电科学研究院

　　摘要：针对当前密集波分复用（DWDM）技术迅猛发展的趋势，对一些在DWDM系统测试中应用较为广泛的高精度光波长测量技术进行了介绍，并对光波长测量仪表的开发方向作了一定的探讨.

　　关键词：密集波分复用；光波长测量；光纤通信

　　光波长测量是伴随着光纤通信发展起来的一个技术领域，它与光纤通信的发展水平是密不可分的.光波长测量技术的高低是决定光通信发展状况的重要因素之一.因此，对光波长测量技术的研究具有重大的实用价值和理论意义.

1光波长测量的主要技术

　　根据被测光信号中光载频成分的不同，大体上可将光波长测量技术分为两类：一是针对包含多个光载频的光信号而言的多波长测量技术；另一种是针对线宽足够窄的单色光信号而言的单波长测量技术.下面分别对它们进行介绍.

1.1多波长测量技术

　　对于非单色光源，我们需要将其发出的光进行分解，即将不同波长的光线按一定规律分开排列，然后通过实验方法测量这些被分解的光谱光线的波长和强度.光谱分析仪是用于分解和记录光谱的，按照其所用分光元件的不同，可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪.这些多波长光谱分析仪大多结构复杂、价格很高，而且一般体积庞大，仅限于固定场所测试，很难用于现场安装测试和维护工作，而且它们的波长分辨率很高，波长测量范围也都远远超过了DWDM系统的测量要求.所以需要开发出一些针对DWDM系统测试的便携式光波长测量仪表，以使测试工作更方便有效.

1.2单波长测量技术

　　在很多场合，我们需要对DWDM系统的某一个复用信道波长进行测量，或对DWDM光源波长进行监测和校准.单波长测量系统结构一般都比较简单，易于做成便携式仪表，而且成本较低，具有很高的性价比.在需要对多个信道同时进行监测时，可将一个可调谐光滤波器和单波长测量仪表配合使用，将可调谐光滤波器沿着要选测的波长范围进行调整移动，然后通过单波长测量仪表依次测出各信道波长及光功率值.下面将对一些应用于1 550 nm窗口的单波长测量技术进行介绍.

1.2.1基于波分复用器件的单波长测量

　　图1是一种单波长测量方案的原理框图，图中有一个双锥耦合波分复用器，它将输入光信号分为

　　A、B两路，这两路光信号分别通过光电二极管DA和DB转化为光电流IA和IB，IA和IB输入到一个对数放大器后产生一个输出电压

式中，K为放大器的增益系数.图中的双锥耦合波分复用器使得波长为λ1的光从A路输出，而让波长为λ2的光从B路输出.对于任何一个处于λ1和λ2之间的波长值，需满足条件λ2-λ1λ，这样一来，我们可以把耦合波分复用器的耦合系数近似为

式中，Δλ为输入光的谱宽；RA和RB分别为光电二极管DA和DB的响应度.对于一个光功率为PL，波长为λL的单色输入光来说，可由式(1)～(4)得出输出电压Vm的表达式为

　　由式(5)可以看出，Vm是一个关于λL的平稳单调函数，这里λL的值在λ1与λ2之间.因此，如果我们事先知道被测光信号的波长值落在这个范围里，就可以通过测量Vm来得到被测光信号的波长.

　　该测量方案中的关键器件是双锥耦合波分复用器，被测光信号波长值的测量主要是借助于耦合波分复用器的耦合系数随入射光波长的变化而变化这一特性来实现的.利用这一测量原理制成的波长计在1 530～1 570 nm的范围内可以达到小于0.1 nm的测量精度.

　　可以看出，上述这种方法是利用了分光器件的分光比与入射光波长的函数关系来达到波长测量的目的，它将分出的两路光电流进行对数处理从而消除入射光功率的影响，使最后的测量结果与入射光强的大小无关.这一思路在其它一些测量方案中同样也得到了应用，稍有不同的是它们没有在分光器件上作文章，而是先将入射光按一定的功率比分成两路，其中一路作为参考光，另外一路则经过一种对波长敏感的光学器件，然后将两路光功率进行比较，消除入射光强的影响，建立与波长的函数关系，从而达到测量波长的目的.下面用具体的测量方案来说明这一思想.

1.2.2基于线性滤光片的单波长测量

　　图2所示为一种基于线性滤光片的单波长测量方案.该方案中的核心器件是线性滤光片，它具有依赖于入射光波长的传输特性，如图3所示.在图2中，被测光信号被一个1×2的光功图2中,被测光信号被一个1×2的光功率耦合器分为两路，其中一路经线性滤光片后进入光电探测器成为测量信号；另一路直接进入光电探测器成为参考信号.由于滤波片对光信号的吸收和反射，使得测量信号相对于参考信号来说有所衰减，对于不同波长的光其衰减量是不同的.将测量信号值与参考信号值相比即得到滤光片的传输比.测量信号和控制信号各自经放大器和A/D转换器处理后成为数字信号，将它们传入微处理器进行处理，最后显示出波长值.

　　由于线性滤光片的光功率衰减范围（动态范围）不宜过大，因此要得到高分辨率的波长测量结果，则需要高精度的光功率测量手段.

1.2.3基于多量子阱电吸收探测器的单波长测量

　　图4为一种利用InGaAsInP多量子阱电吸收滤波探测器的光波长测量系统的原理图，该测量系统用于测量窄线宽的单色光信号.在图4中，输入信号光被分为两路，一路用多量子阱电吸收可调探测器接收；另一路用一个参考探测器接收.然后对两路信号进行同步放大、整形，最后经过一个模拟除法器将两路信号值相比以消除对入射光强大小的依赖.因为这里的InGaAsInP多量子阱电吸收滤波探测器对于不同波长的入射光信号有不同的输出响应，即具有依赖于入射光波长的特性，所以测量系统的输出Vout中包含有波长信息.图中负反馈的作用是通过调节偏置电压Vbias的大小使得除法器的输出电压Vratio始终保持在参考值Vlock.这样，对于不同波长的输入光会得到不同的偏置电压，通过测量偏置电压的大小可得到相应的输入光波长值.整个测量系统在1 550～1 593 nm的范围内可达到±8.30 nm的分辨率（Vlock=1.002 V）.

　　以上介绍的是3种较为典型的单波长测量方案，从中我们可以得出这样的结论：我们对光波长的测量关键是借助于具有波长选择功能的光学器件，一般利用某种光学原理得出该器件在我们所测波长范围内的传输特性，进而实现对光波长的测量.我们所选择的器件对波长响应程度的好坏直接决定最终测量结果的优劣.这类光波长测量技术的具体实现方式是多种多样的，所用到的器件可以是分光器件、滤光器件，也可以是光接收转换器件和偏振控制器件等等，所用到的原理各不相同，这里不再赘述.

2光波长测量仪表的开发方向

　　对于光纤通信中的光波长测量仪表而言，运用的测量原理和结构要简单，这样才能尽量减小仪表的体积，但同时又要求有较宽的测量范围和较高的测量精度，使其能够满足DWDM传输系统的测试要求.总的来说，我们开发的光波长测量仪表必须具备以下性能：

　　(1) 能够满足DWDM系统测量的波长精度及波长范围；

　　(2) 能同时测出被测信号的光功率值；

　　(3) 原理简单，容易实现；

　　(4) 结构紧凑，体积小，易于便携；

　　(5) 成本低.

　　BTI公司的BTI1000和BTI2000是一种利用单波长测量方案实现的便携式单波长/功率计，它们在1 550nm窗口可同时测量波长和功率.BTI1000的波长测量范围覆盖C波段（1 520～1 570 nm），而BTI2000则覆盖C波段和L波段（1 520～1 620 nm），它们的波长测量精度均可达到±0.1 nm，而且都能在一个较宽的波长范围（800～1 600 nm）内对光功率进行测量，其功率测量精度可达到±5%.目前，这类高精度便携式单波长测量仪表在国内外市场上还比较少见，因此对这类仪表的开发是非常有必要的，这为我们在单波长测量领域的研究提供了一个方向.

参考文献

［1］李富铭，刘一先.光学测量[M].上海：科学技术文献出版社，1986.

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［5］Coroy T，Measures R M， Wood T H. Active wavelength measurement system using an InGaAsInP quantumwell electroabsorption filtering detector[J].IEEE photonics Technol.Lett.，1996,8(12)：16861688.

摘自　北极星电技术网

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