CN100378479C - 应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控的装置和方法，该装置包括一应变调谐装置，包括一应变梁和一微马达，一啁啾光纤光栅固定在该应变梁地侧面；一均匀光纤光栅固定在该应变梁的顶面，该均匀光纤光栅一端通过光纤耦合器与一宽带光源和一解调均匀光纤光栅相连，另一端通过一接收器连接一PC机，该解调均匀光纤光栅的另一端通过一接收器连接该PC机，该PC机的输出端经一驱动器与所述的微马达相连。本发明所采用的元件简单、廉价，监控用的光纤光栅与色散补偿用的啁啾光纤光栅固定在同一调谐机构上，所测得的数据直接、可靠，操控方便。
Description
技术领域：
本发明涉及光通信技术领域，特别是一种应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控的装置和方法，主要用于高速光纤通信中的色散补偿。
背景技术
在高速光纤通信系统中，由于光在光纤中传输群速度的色散，光信号的脉冲宽度在传输过程中发生展宽，导致信号噪声比下降，误码率上升。这是影响通信系统的工作距离和数据速率的最主要原因之一。因此必须对光纤色散加以补偿。由于通信系统中数据速率不同、数据格式不同、传输距离不同等因素，色散补偿还要求是动态可调的。动态色散补偿是高比特率长距离传输系统和智能化光网络的关键支撑技术。
光纤色散补偿技术有多种方案。采用色散系数与传输光纤相反的色散补偿光纤，可以进行固定的色散补偿，目前已经比较成熟。但是它不能用于动态补偿。动态色散补偿主要有二个要求：一是调谐工作波长，用以对准信号光脉冲的波长；二是调节色散补偿量，欠补偿和过补偿都不能达到脉宽压缩的最佳效果。为此需要发展动态色散补偿的器件。在色散补偿器件方面，主要有干涉仪方案和啁啾光纤光栅二大类。光纤光栅具有良好的可调谐特性，因此受到广泛重视。在先技术之一，“Distributed on-fiber thin film heaters for Bragg grating withadjustable chirp”，(J.A.Rogers，B.J.Eggleton，J.R.Pedrazzani，and T.A.Strasser，Appl.Phys.Lett.，1999，Vol.74，No.21，pp3131-3133)，是通过改变温度及其分布的方法，实现工作波长和色散率的调节。在先技术之二，“A tunable dispersion compensator with fixedbandwidth for WDM systems using a uniform FBG”，(Jeff C.Livas，CLEO，Baltimore，CTh01，pp495-496)，是利用光纤光栅的应变调谐特性，实现峰值波长和啁啾率的调整。
在光纤通信系统中用啁啾光纤光栅1作色散补偿的方法，是将它用一个环行器串联在系统中，如图1所示。输入光信号从环行器的01端口进、02端口出、经光纤光栅反射后，又从02端口进环行器、从03端口输出进入下行光纤。啁啾光纤光栅1接入系统后，就不能用常规光谱分析仪方法对其光谱进行测量。尤其是动态色散补偿，还必须对色散补偿效果进行实时监控，以获得补偿系统稳定在最佳补偿的状态下工作。对补偿效果的直接监测是采用误码仪。但是误码仪价格昂贵，难以普遍使用。因此在动态色散补偿技术中，需要解决好补偿量和补偿效果的简易监测，才能实现反馈控制，达到动态补偿的目的。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控的装置和方法，要求相对简易、廉价，能实现对啁啾光纤光栅峰值波长和色散率的调谐和监测控制。
本发明的原理是基于光纤光栅的应变调谐特性。光纤光栅的峰值波长随应变变化的关系如下式所示：ΔλB＝(1-γ)ελB。式中γ为光纤的光弹系数，对于石英光纤为0.22。为了对光纤光栅施加方便可控的应力，可以将光纤光栅固定在一个悬臂梁上，如图2所示。设该悬臂梁的厚度(y方向)为a，宽度(x方向)为b，长度(z方向)为l。设z为离开固定端的距离，u1为z＝l处梁自由端在y方向的位移，则固定在悬臂梁上表面的光纤光栅的波长偏移为：
Δλ＝3λBau1(1-γ)(l-z)/2l3 (1)
测量该光纤光栅反射谱峰值波长的偏移，就可以求得悬臂梁自由端的位移，也就获知了其弯曲的状态。以梁的中心面(即y方向的中点)为中心斜方向固定在悬臂梁侧面的光纤光栅的波长偏移为：
Δλ＝3λBau1(1-γ)(z-l/2)/l2L (2)
式中L是光栅的长度。由式(2)可得，在悬臂梁发生应变，其自由端有一位移u1时，光纤光栅峰值波长偏移量随光栅长度的变化，也就是引入了一个附加的啁啾。改变悬臂梁自由端位移u1就可以改变这一附加啁啾，这是用应变方法调节光纤光栅啁啾率，从而调节色散补偿量的基本原理。
本发明的技术解决方案如下：
一种应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控装置，其特征在于包括一应变调谐装置，包括一应变梁和一微马达，一啁啾光纤光栅固定在该应变梁地侧面；一均匀光纤光栅固定在该应变梁的顶面，该均匀光纤光栅一端通过光纤耦合器与一宽带光源和一解调均匀光纤光栅相连，另一端通过第一接收器连接一PC机，该解调均匀光纤光栅的另一端通过第二接收器连接该PC机，该PC机的输出端经一驱动器与所述的微马达相连。
所述的应变梁为悬臂梁，其固定端由夹持器固定，在该悬臂梁的自由端设置所述的微马达。
所述的微马达为步进马达，由步进电机、精密丝杆、螺母和传动件构成，且该传动件伸入悬臂梁的自由端的中间形成一个推动悬臂梁的自由端发生位移的装置。
所述的应变梁为简支梁，该简支梁的两端由夹持器固定，所述的微马达设置在该简支梁的中点。
所述的微马达为步进马达，由步进电机、精密丝杆、螺母和传动件构成，且传动件与固定在夹持器之间的简支梁的中点相连接，形成一个带动简支梁中点发生位移的装置。
所述的PC机也可为微处理器。
利用所述的应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控装置进行光纤光栅色散动态补偿及其监控的方法，其特征在于包括下列步骤：
①利用夹持器在适当的位置安装应变梁，将起色散补偿作用的啁啾光纤光栅固定在应变梁的侧面上；
②将本发明装置的其它元部件安装好，事先标定第一接收器接收的信号大小反映应变梁弯曲大小的对应关系和啁啾光纤光栅的啁啾系数随悬臂梁弯曲变化的定量关系并保存到PC机的存储器中；
③根据系统性能要求设定的色散补偿量输入PC机，该PC机根据第②步所保存的定量对应关系，经运算并给驱动器发出指令，该驱动器输出电流转动微马达，使应变梁发生弯曲变形，从而使固定在应变梁上的啁啾光纤光栅和均匀光纤光栅发生应变，同时，PC机根据第一接收器和第二接收器采集到的信号，通过计算得到应变梁自由端的位移量u1，从而判断是否达到所需要的色散补偿量，给出使微马达转动或维持不动的驱动信号。
本发明的动态色散补偿的监控方法具有以下的优点：
1、所采用的元件简单、廉价，避免了使用昂贵的光谱分析仪或其他光谱监控仪器，大大降低了动态色散补偿自动监控的成本。
2、监控用的光纤光栅与色散补偿用的啁啾光纤光栅固定在同一调谐机构上，所测得的数据直接、可靠。
3、与在先技术二相比，结构简单，使用方便。在先技术二采用可移动支点调节悬臂的长度；同时又要移动悬臂的自由端，来改变光纤光栅的啁啾量。结构比较复杂。而且它没有设计可以用于监测悬臂形变的器件。
附图说明：
图1是啁啾光纤光栅色散补偿原理图
图2是悬臂梁几何结构
图3是本发明装置部分结构之一
图4是本发明装置部分结构之二
图5是本发明装置的光路和电路框图
图6是线宽调谐光纤光栅反射谱曲线
图7是步进电机推动悬臂梁端点位移的装置示意图
图8是步进电机推动简支梁中点位移的装置示意图
具体实施方式：
先请参阅图3，图3是本发明装置部分结构之一，其中1为起色散补偿作用的啁啾光纤光栅，2为用于对啁啾光纤光栅1进行调谐的悬臂梁。啁啾光纤光栅1固定在悬臂梁2的侧面上，3为安装悬臂梁2固定端的夹持器，4为悬臂梁2的自由端，5为移动悬臂梁自由端4而改变悬臂梁2应变状态的微马达。6为固定在悬臂梁2顶面的用于监控色散补偿状态的均匀(非啁啾)光纤光栅。通过光纤光栅6峰值波长的监测，就可以获知悬臂梁2的应变状态，从而获知啁啾光纤光栅1的调谐情况。
图4是本发明装置部分结构之二，其中1为起色散补偿作用的啁啾光纤光栅，2a为用于对啁啾光纤光栅1进行调谐的简支梁，啁啾光纤光栅1固定在简支梁2a的侧面上，并将梁的中点与啁啾光纤光栅1的中点对齐，3a为固定简支梁2a二端的夹持器，5为移动简支梁2a中点从而改变简支梁2a应变状态的微马达，6为固定在简支梁2a顶面的用于监控色散补偿状态的均匀(非啁啾)光纤光栅。通过光纤光栅6峰值波长的监测，就可以获知简支梁2a的应变状态，从而获知啁啾光纤光栅1的调谐情况。
简支梁形变后引起固定在梁顶面上的均匀光纤光栅6的调谐量为：
Δλ＝6λBau0(1-γ)(1-z2/l2)/5l2 (3)
固定在梁侧面的光纤光栅的调谐量为：
Δλ＝12λBau0z(1-γ)(1-z2/l2)/5l2L (4)
式(3)和(4)中坐标z以梁的中点为原点，u0为梁中点在y方向的位移量，2l为二端二个夹持器之间的长度。用简支梁对光纤光栅峰值波长进行调谐，引起反射光谱线宽的变化比用悬臂梁方法小，适合于单纯色散补偿量的调节。
图5是本发明装置的光路和电路框图。
利用本发明应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控装置进行光纤光栅色散动态补偿及其监控的方法，包括下列步骤：
①利用夹持器3在适当的位置安装应变梁2，将起色散补偿作用的啁啾光纤光栅1固定在应变梁2的侧面上；
②将本发明装置安装好，事先标定第一接收器9a接收的信号大小反映应变梁2弯曲大小的对应关系和啁啾光纤光栅1的啁啾系数随应变梁2弯曲变化的定量关系并保存到PC机11的存储器中；
③根据系统性能要求设定的色散补偿量输入PC机11，该PC机11根据第②步所保存的定量对应关系，经运算并给驱动器12发出指令，该驱动器12输出电流转动微马达5，使应变梁2发生弯曲变形，从而使固定在应变梁上的啁啾光纤光栅1和均匀光纤光栅6发生应变，同时，PC机11根据第一接收器9a和第二接收器9b采集到的信号，通过计算得到应变梁自由端的位移量u1，从而判断是否达到所需要的色散补偿量，给出使微马达5转动或维持不动的驱动信号。
均匀光纤光栅6通过光纤耦合器10与宽带光源8和解调用的均匀光纤光栅7相连。光纤光栅7安装于不受应力的状态，并与光纤光栅6处于相同的温度环境中。光纤光栅7的光谱与光纤光栅6相匹配，即它们峰值波长差在悬臂梁弯曲应变引起的光谱变化范围之内。从宽带光源8发出的宽光谱的光经耦合器10入射到光纤光栅6上，其中与光纤光栅6的反射光谱相符合的部分反射回耦合器10。并经过耦合器10入射到解调光纤光栅7上。经过光纤光栅7滤波后的光束入射到第一接收器9a(PD1)上。输出电信号由PC机或微处理器作数据采集。宽光谱经过光纤光栅6滤波后的光束，入射到第二接收器9b(PD2)上，经光电转换后也由PC机或微处理器11作数据采集。PD2的信号作为对宽带光源8输出功率稳定性的监控信号。悬臂梁2的弯曲使光纤光栅6的反射光谱的峰值波长位置发生变化。因而第一接收器9a(PD1)的信号大小将反映悬臂梁2的弯曲的大小。这一定量的对应关系，以及啁啾光纤光栅1的啁啾系数随悬臂梁2弯曲而变化的定量对应关系，经过事先标定保存到PC机11的存储器中。啁啾光纤光栅1通过如图1所示的方法连接到光纤通信系统。根据系统性能要求设定色散补偿量；输入PC机或微处理器11。PC机或微处理器11根据所保存的定量对应关系，经运算发出指令给驱动器12。驱动器12输出电流转动微马达5，推动悬臂梁2的自由端4，使悬臂梁2发生弯曲形变。从而使固定在悬臂梁2上的啁啾光纤光栅1和均匀光纤光栅6发生应变。同时，根据第一接收器9a和第二接收器9b采集到的信号，通过计算得到悬臂梁自由端4的位移量u1，从而判断是否达到所需要的色散补偿量，给出使微马达5转动或维持不动的驱动信号。这就实现了动态色散补偿的闭环控制。图5所示的方法以图3的装置作为例子作说明。对于图4所示的装置进行调谐和监控的方法，与上述方法相同，恕我不再重复叙说。
本发明的悬臂梁可以用金属材料制成，如硬铝、黄铜等。这类材料稳定性好。但是杨氏模量高，需要较大的推动力。也可以用胶木、尼龙、有机玻璃等制作。这类材料杨氏模量低，需要的推动力较小。但是材料的热膨胀系数较大，根据实用的要求，需要采用一定的温度稳定装置。本发明的实施实验中已经采用硬铝材料，获得了成功。啁啾光纤光栅线宽调谐的典型结果见图6。可以看到线宽变化范围为0.3-1.7nm。
对于悬臂梁的推动，可采用由步进电机5a，精密丝杆5b，螺母5c和传动件5d构成的装置，如图7所示。图中传动件5d伸入悬臂梁2的自由端4的中间。这样步进电机5a转动时就可以带动悬臂梁2的自由端4发生位移。
对于简支梁的推动，可采用由步进电机5a，精密丝杆5b，螺母5c和传动件5e构成的装置，如图8所示。图中传动件5e与固定在夹持器3a之间的简支梁2a的中点相连接。这样步进电机5a转动时就可以带动简支梁2a的中点发生位移。
Claims (7)
1.一种应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控装置，其特征在于包括一应变调谐装置，包括一应变梁(2)和一微马达(5)，一啁啾光纤光栅(1)固定在该应变梁(2)的侧面；一均匀光纤光栅(6)固定在该应变梁(2)的顶面，该均匀光纤光栅(6)一端通过光纤耦合器(10)与一宽带光源(8)和一解调均匀光纤光栅(7)相连，另一端通过第二接收器(9b)连接一PC机(11)，该解调均匀光纤光栅(7)的另一端通过第一接收器(9a)连接该PC机(11)，该PC机(11)的输出端经一驱动器(12)与所述的微马达(5)相连。
2.根据权利要求1所述的应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控装置，其特征在于所述的应变梁(2)为悬臂梁，其固定端由夹持器(3)固定，在该悬臂梁(2)的自由端(4)设置所述的微马达(5)。
3.根据权利要求2所述的应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控装置，其特征在于所述的微马达(5)为步进马达(5a)，由步进电机(5a)、精密丝杆(5b)、螺母(5c)和传动件(5d)构成，且该传动件(5d)伸入悬臂梁(2)的自由端(4)的中间形成一个推动应变梁(2)的自由端(4)发生位移的装置。
4.根据权利要求1所述的应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控装置，其特征在于所述的应变梁(2)为简支梁(2a)，该简支梁(2a)的两端由夹持器(3a)固定，所述的微马达(5)设置在该简支梁(2a)的中点。
5.根据权利要求4所述的应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控装置，其特征在于所述的微马达(5)为步进马达(5a)，由步进电机(5a)、精密丝杆(5b)、螺母(5c)和传动件(5e)构成，且传动件(5e)与固定在夹持器(3a)之间的简支梁(2a)的中点相连接，形成一个带动简支梁(2a)中点发生位移的装置。
6.根据权利要求1所述的应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控装置，其特征在于所述的PC机(11)为微处理器。
7.利用权利要求1所述的应变调谐光纤光栅色散动态补偿及其监控装置进行光纤光栅色散动态补偿及其监控的方法，其特征在于包括下列步骤：
①利用夹持器(3)在适当的位置安装应变梁(2)，将起色散补偿作用的啁啾光纤光栅(1)固定在应变梁(2)的侧面上；
②标定第一接收器(9a)接收的信号大小反映应变梁(2)弯曲大小的对应关系和啁啾光纤光栅(1)的啁啾系数随应变梁(2)弯曲变化的定量关系并保存到PC机(11)的存储器中；
③根据系统性能要求设定的色散补偿量输入PC机(11)，该PC机(11)根据第②所保存的定量对应关系，经运算并给驱动器(12)发出指令，该驱动器(12)输出电流转动微马达(5)，使应变梁(2)发生弯曲变形，从而使固定在应变梁(2)上的啁啾光纤光栅(1)和均匀光纤光栅(6)发生应变，同时，PC机(11)根据第一接收器(9a)和第二接收器(9b)采集到的信号，通过计算得到应变梁(2)自由端(4)的位移量u1，从而判断是否达到所需要的色散补偿量，给出使微马达(5)转动或维持不动的驱动信号。
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