CN101009519B - 一种双通结构的衍射光栅光信号监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双通结构衍射光栅光信号监测仪，提供的监测仪能快速、实时、在线实现光网络通信信号与光纤传感信号性能的测量，监测与分析，并且实现了高性能光信号监测装置的小型化和智能化。其特征在于：1)在光信号第一次从衍射光栅输出的衍射光束和第二进入衍射光栅之间放置了光学扫描镜，由光学扫描镜和固定的衍射光栅分别完成波长调谐功能和光信号波长色散功能，并且色散滤波直接由同一个衍射光栅完成；2)在光学扫描镜与衍射光栅之间放置一个直角三棱镜，使光信号实现了空间宽度的压缩与扩展，3)在光电转换单元之前放置了标准参考波长单元；4)设立了网络通信接口单元，用户可通过远程终端测量、监测和分析光信号性能特征。
Description
技术领域
本发明涉及一种双通结构衍射光栅光信号监测仪，属于光通信、光纤传感与光信号分析技术以及智能化测量仪器领域。
背景技术
为了提高通信网络动态运行水平和实现网络管理的智能化，新一代光通信网络中使用了大量的智能化通信设备，如智能光放大器、动态增益均衡器、光交叉连接器、光上/下路复用器、可调谐色散补偿器、可调谐激光器、可调谐滤波器等。面对这种情形，为了确保光网络长期健康的运转，就需要在网络节点中设置相应的监测仪器，对多波长信道中的光波频谱特性、功率特性和OSNR进行实时的监测，分析光纤链路传输光信号的质量，进行掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，以下简称EDFA)增益均衡、OSNR(Optical Signal Noise Ratio光学信噪比)的远程调整、光信号波长锁定、故障分析及定位等动态反馈，实现对密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，以下简称DWDM)光网络的实时监控和动态调整。与此同时，光纤传感网络中光信号也需要便于携带的小型光信号分析仪器实现现场在线监测与信号解调。
传统的测量仪器，如光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer，以下简称OSA)，原则上能够实现光通信信号基本特征量的测量，甚至是高精度测量，但是作为网络监测仪器，除了能够实现光信号特征量的一般测量，还要能够实现对光信噪比等通信信号特征量的测量以及具备较高的智能化程度和较强的网络动态交互能力，并且要求响应时间短、体积小，结构简单，易于集成，成本低，于是光信号监测器就应运而生。
常用的OSA(David A.Baily，James R.Stimple，Optical spectrum analyzerswith high dynamic range and excellent input sensitivity，Hewlett-Packard Journal，Dec，1993)，就是基于色散元件的单色仪，包括一段导引光纤作为入射光源，一个衍射光栅作为色散元件实现入射光束在空间上分离的作用，一对凹面反射镜，作为入射光束准直和出射光束聚焦，一个狭缝作为光学空间滤波器用于实现对色散光信号的选择性探测，一个光电转换单元和一段输出光纤作为光纤转换组件和信号输出组件，一台电动机驱动衍射光栅旋转，实现特定波长色散光束的方向调谐，通过建立衍射光栅旋转角度和探测光强度的关系实现波长测量，这种结构的OSA的缺点在于需要精准地控制核心组件光衍射栅，该组件同时用于实现波长色散和波长调谐，其本身质量较大，因此除了扫描速度较慢以外，转动控制精度要求很高，从而增加了驱动电动机的控制难度。
为了提高光谱测量分辨率，降低杂散光，也有双单色仪结构的OSA。该种OSA就是前述单色仪的级连，实现色散相加，从而提高分辨率，但是这种OSA结构复杂，光学、机械零件多，从而导致体积庞大，加工精度要求高、稳定性差等缺点。
为了能够保证仪器测量性能，同时减小体积，增加工作稳定性。后来又有人提出多次通过光栅的多通单色仪，该单色仪包括一段导引光纤作为入射光源，一个衍射光栅作为色散元件实现入射光信号在空间上分离的作用，一个光学屋脊反射镜，实现从衍射光栅中衍射出来的光束再一次进入光栅进行色散，一个狭缝作为光学空间滤波器实现对色散波长的选择性探测，一个光电转换单元和一段输出光纤作为光纤转换组件和信号输出组件，通过转动机构驱动衍射光栅或者光学屋脊反射镜旋转，实现特定波长色散光束的方向调谐，然后建立旋转角度和探测光强度的关系实现波长测量。该种多通单色仪继承了单通单色仪结构紧凑、简单和双单色仪高分辨率的优点，但是响应时间很长，驱动结构复杂，因为无论是光学屋脊反射镜，还是光栅都是体积比较庞大，电动机控制的难度较大和测量响应时间比较长，而且作为网络设备尺寸还是很大，不利于集成或者携带。
发明内容
针对上述现状，欲解决的技术问题在于：针对光通信网络信号监测仪器以及光纤传感信号的特征要求，本发明提供了一种双通结构的衍射光栅光信号监测仪，所提供的仪器能够实现光信号光谱、OSNR、多波长功率以及相关参数抖动预警等参数的实时、快速、在线监测，同时具有易于实现模块化和智能化，便于携带和远程控制等特点。
本发明提供的双通结构的衍射光栅光信号监测仪是通过以下技术方案加以实现的，它包括一个偏振控制组件3，一对光束准直和聚焦系统5，一个衍射光栅6，一块直角三棱镜9，一个光学扫描镜10，一个标准波长参考单元，一个或一对光电转换单元16，16’，一个驱动电路单元23’，一个数据采集、处理与系统控制单元21，一个网络通信接口单元23。
本发明的主要技术特征为：
1、在光信号S第一次从衍射光栅6输出的衍射光束7，8和第二进入衍射光栅6之间放置了光学扫描镜10，使得传统单色仪中由转动衍射光栅实现波长调谐功能与光信号波长色散功能变为由光学扫描镜和固定的衍射光栅分别完成波长调谐功能和光信号波长色散功能，并且通过光学扫描镜的反射第二通光信号的色散滤波直接由同一个衍射光栅完成。光学扫描镜的使用，用来实现不同光信号波长调谐，从而使色散元件与波长调谐元件的分离，从而既满足了色散元件必须保证精准、牢固的固定以降低外界震动等干扰信号对待测信号测量的影响，同时也降低了调谐元件的控制难度，易于实现高速测量和精确控制；
2、采用待测光束S经过光学扫描镜10反射直接通过同一个衍射光栅6，不但增加了光信号光谱分辨率，降低了杂散光对信号的影响，提高了光谱动态范围，有力于实现微弱信号的测量与分析。与此同时，也使得光学系统结构简单，减少光学组件数目，降低了光学调节难度。
3、直角三棱镜9的使用，具体作用为：1)、直角三棱镜9充当着光束扩展与压缩的作用，在保证光束与衍射光栅6大接触面积(即增加实现光束衍射的衍射光栅槽数)的同时，减小了光束在光学扫描镜10上的作用面积，从而在减小光学扫描镜10尺寸，降低了光学扫描镜电路控制难度，在减少仪器响应时间的同时，确保了仪器的分辨能力；2)、直角三棱镜9充当了色散元件波长相关角色散率补偿器，基于棱镜与衍射光栅波长色散率符号相反的原理，经过两者的相互补偿，减小了角色散率的波长相关性，易于实现光学扫描镜均匀扫描，减低了控制电路设计难度；3)、直角三棱镜9充当衍射光栅(6)非主截面色散引起谱线弯曲补偿器，起到了光学像差补偿作用。
5、偏振控制单元3用于使入射光信号具有单一的线偏振态，具体作用：该装置设计为入射光信号S通过双折射晶体39或者2分离成偏振态相互正交的两束光信号，在TE偏振态的光束后面放置一个半波片40，从而使得经过其后的信号偏振态变为TM，就有两束空间分离的TM偏振态的光信号，在这两束光信号后面依次放置一个光学屋脊棱镜41和一个保偏双光纤准直器42，实现两束光信号的合并，并经由两段保偏光纤43输出，进入光束准直与聚焦系统5，从而保证了无论入射光信号的偏振状态如何，进入衍射光栅6的光信号的偏振态都是单一的。
6、采用利特曼(Littman)结构或利特罗(Littrow)结构，使得入射光信号S以大角度入射到衍射光栅6上，衍射后经过转轴方向13与衍射光栅6轴向相同的光学扫描镜10反射，再次进入衍射光栅6实现色散。
7、在衍射光栅6与光学扫描镜10之间放置一个直角三棱镜9；在直角三棱镜9之后放置光学扫描镜10，通过控制光学扫描镜10的角度扭转，改变不同波长光信号衍射后的空间方向，实现光信号波长调谐。
8、所述的衍射光栅6，用作实现光信号波长色散元件，它可以是平面反射式衍射光栅或者是平面透射式衍射光栅或者是球面反射式衍射光栅或者是全息体相位衍射光栅。
9、在直角三棱镜9，用作现实光束扩展/压缩，角色补偿组件和光谱谱线弯曲补偿，在它之后亦可放置可转动的衍射光栅，实现光信号波长调谐。
10、所述的光学扫描镜10驱动方式可以是静电或者电磁或者热或者压电等激励方式。
11、所述的光学扫描镜10结构形式可以是微电子机械(MicroElectromechanical System，以下简称MEMS)结构，也可以是传统转动电机结构。
12、所述的光束准直与聚焦系统5可以共享一套透射式透镜结构或共享一套离轴反射式镜面结构。
13、入射光信号进入偏振控制组件3，使得光信号变成与波长无关的单一线偏振态，实现偏振无关的光信号分析；所述的偏振控制组件3可以由一个单光纤准直器38，一个双折射晶体39或者2，一个半波片40，一个光学屋脊棱镜41，一个保偏双光纤准直器42，两段保偏光纤组成43。
14、在光电转换单元之前，放置了标准参考波长单元，标准参考波长单元用于实现待测量信号波长准确度的校谁。所使用的标准参考波长单元可以包括一个参考标准光源O，一个光纤耦合器1，一个光学滤波器14，一个光学空间滤波器27；或者包括一个宽带光源O’，两个光纤光栅滤波器F1，F2，两个光纤耦合器1，1’，一个光学反射镜14’，一个光学空间滤波器26。空间滤波器的使用，可降低信号杂散光，提高分辨率。
15、设立网络通信接口单元23，使用户可通过远程终端P，测量、监测和分析光信号性能特征。
本发明具有以下突出优点和积极效果：
①结构新颖、合理，提高仪器可靠性；
②结构紧凑，体积小；
③相应速度快，易于实现模块化和智能化；
④易于实现远程观测和控制，可用于获得高速光通信信号光谱，光学信噪比(Optical Signal Noise Ratio，以下简称OSNR)，波长功率等光通信网络运行状态参数的实时、在线监测，并快速获取故障定位等，除此之外也可适用于光纤传感信号的光谱与信噪比测量，监测和分析。
⑤对于典型环境的改变，诸如温度波动和震动都不敏感，易于实现模块化，从而可能获得快速、在线监测，分析功能，该优点对于光通信网络运行状态的实时、在线监测，快速故障定位等以及光纤传感信号的测量与分析应用是很重要的。
附图说明
图1本发明基于第一种标准波长参考单元的结构示意图
图2本发明基于第二种标准波长参考单元的结构示意图
图3不同光信号波长调谐示意图
图4直角三棱镜实现光束扩展/压缩示意图
图5偏振控制组件结构示意图
具体实施方式
下面结合附图通过示例对具体实施方案进行详细说明。
图1所示为光信号监测仪的结构示意图，基于利特曼(Littman)结构，结合直角三棱镜和光学扫描镜，使得仪器结构更为紧凑。具体安排为：具有一定带宽的待测光信号S和由SAE宽带光源O’，反射波长准确已知的光纤布拉格反射光栅F1，F2以及光纤耦合器1’构成的参考光学系统稳定输出两个已知中心波长λr.1，λr.2为入射光信号，即位于待测DWDM光信号S带宽以外的标准参考波长R1，R2和待测DWDM光信号S，通过光纤耦合器1和一个偏振控制组件3相连，如图5所示，待测量光信号在偏振控制组件3中依次经过单光纤准直器38，钒酸钇双折射晶体39或者2，半波片40，光学屋脊棱镜41，保偏双光纤准直器42，两段保偏光纤43，实现了光信号偏振态与衍射光栅槽平行(即TM偏振)，之后进入光束准直/接收装置4，经过由三块透镜组成的光束准直与聚焦系统5光束成为平行光束，进入衍射光栅6(反射式全息闪耀光栅，线密度为1200L/mm)实现波长空间色散分离，波长分别为λ1的光束7和λN的光束8在子午面方向(即光束空间色散方向)以不同的角度进入直角三棱镜(材料为肖特N-F2型玻璃)9，实现光束宽度的变换，在直角三棱镜9后放置光学扫描镜10，变换后的光束经过反射镜11的反射，使得与光束7、8对应的反射光束7’和8’再一次反向通过直角三棱镜9，之后再次进入衍射光栅6进行色散和滤波，经过光栅第二次衍射后的光束进入光束准直/接收装置4，当测量信号包括标准参考波长R1，R2和待测波长S第二次从光束准直与聚焦系统5输出后，一起经过45°全反射镜14’的反射一并通过光学空间滤波器26和光电接收单元16，通过电压信号18与驱动机构反馈信号20一起进入数据采集、处理与系统控制单元21，从而成功实现了DWDM光信号S的测量与周期通过已知标准参考波长R1，R2实现的仪器校准。具体校准原理如下所述
如图1所示，在仪器工作的初始化阶段，当测量信号包括标准参考波长R1，R2和待测波长S进入光学系统，数据采集、处理与系统控制单元21发出控制信号19给驱动机构12，使得反射镜面11绕着转轴13沿逆时针方向开始扫描，与此同时数据采集、处理与系统控制单元21开始实时显示光电转换单元16的输出信号，当第一次有电信号输出时(相应的扫描镜扭转角度为θr1)，此时对应的输出光信号为第一个标准参考波长R1，该光信号经过光束准直与聚焦系统5，之后经过45°全反射镜14’，再通过光学空间滤波器26，经光电转换单元16接收后输出与第一个参考标准波长R1光功率对应的电压信号V118，最终输入给数据采集、处理与系统控制单元21，与此同时驱动机构反馈信号20携带着光学扫描镜面10的旋转角度θr1的信息进入数据采集、处理与系统控制单元21，经过数据处理后电压信号V118与光学扫描镜面10的旋转角度θr1建立起了关系即V1～θr1。同样，当最后一次有电信号输出时(相应的扫描镜扭转角度为θr2)，此时对应的输出光信号为第二个标准参考波长R2，该光信号经过光束准直与聚焦系统5，之后经过45°全反射镜14’，再通过光学空间滤波器26，经光电转换单元16接收后输出与参考标准波长R2光功率对应的电压信号V218，最终输入给数据采集、处理与系统控制单元21，与此同时驱动机构反馈信号20携带着光学扫描镜面10的旋转角度θr2的信息进入数据采集、处理与系统控制单元21，经过数据处理后电压信号V218与光学扫描镜面10的旋转角度θr2建立起了关系即V2～θr2。由于V1，θr1和V2，θr2分别是标准参考波长R1，R2光功率和中心波长λr.1，λr.2的函数，因此只要知道它们之间的确切关系即可建立标准参考波长R1，R2中心值与相应功率的关系即光信号光谱关系。建立起该特定旋转角度θr1，θr2与标准参考波长R1，R2的关系，即光学扫描镜10转动的单周期初始和终止状态，当光学扫描镜转动到θr1时，只要有光信号输出，就肯定是第一个参考标准波长R1，此角度也是光学扫描镜10单周期转动的起始角度，同理，当光学扫描镜转动到θr2时，只要有光信号输出，就肯定是第二个参考标准波长R2，此角度也是光学扫描镜10单周期转动的终止角度，驱动电路单元23’根据数据采集、处理与系统控制单元21的指令通过19给光学扫描镜10提供相应的能动信号。
由于系统已经确定了标准参考波长R1，R2中心波长λr.1，λr.2与输出光功率的关系以及光学扫描器10转动初始和终止角度，而且ITU-T相关协议中对于DWDM光信号的波长间隔规定为100GHz(0.8nm)和50GHz(0.4nm)，也就是说待测光信号S是离散的光谱(假定其波长带宽从λ1到λN)，并且待测光信号S带宽两端的波长λ1和λN与参考标准波长R1，R2的中心波长λr.1，λr.2的差值已有明确的设定，因此随着光学扫描镜10的转动，以参考标准波长R1，R2为开始和终止，通过电压信号18向数据采集、处理与系统控制单元21提供光功率信号，与此同时，驱动机构反馈信号20携带着光学扫描镜面10的旋转角度进入数据采集、处理与系统控制单元21，于是根据电压信号与光功率信号的关系，扭转角度与波长的关系，参考标准波长R1，R2与待测光信号S波长之间的关系，以及DWDM待测光信号S的特征，就成功实现了DWDM光信号S的测量与周期通过已知标准参考波长R1，R2实现的仪器校准。
图2为另一种标准波长参考单元的光路结构其原理与图1相似，依图1所示相同原理可实现测量单周期中待测波长S的测量，在此不再重复。
如图3所示，在某一时刻对应的光学扫描器10转动角度下，特定的波长λ6以特定的入射角度进入衍射光栅6进行色散、滤波，并以固定的角度输出，被刚好放在该角度方向上的光电转换单元16探测输出，此时前一时刻对应的波长λ5因为光学扫描器10的扫描使得入射角度的变化已经离开探测器的范围，无法被探测到，而下一个时刻的波长λ7，将会随着光学扫描器10的扫描被光电转换单元16转换为电信号18，图中3表示进入光学系统的测量信号S和R1，R2。
光信号在直角三棱镜9中的路径结合图4所示，直角三棱镜9在放置的时候，棱镜底边面31朝上，顶边面33朝下放置，光束29以与棱镜直角面30法线夹角很小的角度入射到直角三棱镜9的直角面30上，经过折射作用后，光束34从直角三棱镜9的斜边面32出射，此时光束宽度已经被压缩，经过转动镜面37反射后，光束35以相对于光束34更大的角度从斜边面32再次进入直角三棱镜9，经过第二次折射作用后，光束36从直角三棱镜9的直角面30出射，光束又被放大，并且出射光束36比入射光束29具有更宽的横向尺寸，因为二次返回的光束36接下来进入的衍射光栅，从而覆盖了更多的衍射槽，获得了更强的色散滤波效果，其中转动镜面37对应于图1、2中的转动镜面11。
光信号在偏振控制器中的路径结合图5，入射信号光和参考标准信号通过导入光纤进入单光纤准直器38，该准直器与钒酸钇双折射晶体39或者2相连接，实现不同偏振态光信号的空间分离，在其中一束TE态光信号后面放置一个半波片40，使得通过的光信号偏振态发生正交变化，即由TE态变为TM态，于是两束偏振状态相同而空间分离的光信号以相同的角度垂直进入光学屋脊棱镜41，之后两束光信号以角度与中心轴对称而发生交汇，在光信号交汇点放置工作距离相匹配的双保偏光纤光线准直器42，并且由一个双芯保偏光纤43输出，进入后面的准直聚焦装置，从而保证了无论入射光信号入如何，进入后面光系统的信号的偏振态都是单一的。
由于ITU-T相关协议中对于DWDM光信号的波长间隔规定为100GHz(0.8nm)，50GHz(0.4nm)，也就是说因为待测光信号波长是离散的，于是随着光学扫描镜10的扫描，不同波长的光束以各自不同的角度入射到衍射光栅6上，并以不同的角度沿着图3中28所指方向依次输出，每一次只能有某一个波长被光电转换器16选择探测。
因此，经过一个周期后，光学扫描镜10从起始角度θr1开始转动直到θr2终止，在这期间，进入数据采集、处理与系统控制单元21的待测信号S和参考标准波长R1，R2对应的电流信号18和驱动机构反馈信号20均会经过信号处理技术建立起光学扫描镜10的扫描角度θN与待测波长λN之间精确的关系，光学扫描镜10扭转角度经过工作周期初始和终止时刻的标定以及根据已知标准参考波长与DWDM光信号之间明确的关系就可以准确地与测量波长建立起函数关系，与此同时电压信号18携带的是相应波长功率的信息，于是通过同时进入数据采集、处理与系统控制单元21的电压信号18和驱动反馈信号20以及θN与λN之间关系便建立了待测波长λN与其相应功率P之间的关系即f(λ，P)。
Claims (9)
1.一种双通结构的衍射光栅光信号监测仪，其特征在于光信号监测仪是由一个偏振控制组件、一对光束准直与聚焦系统、一个衍射光栅、一个直角三棱镜、一个光学扫描镜、一个或两个光电转换单元以及相应的光信号空间滤波器、数据采集、处理与系统控制单元以及网络通信接口单元构成；
其中①在衍射光栅与光学扫描镜之间放置直角三棱镜，通过控制光学扫描镜的角度扭转，改变不同波长信号衍射后的空间方向，实现光信号波长调谐；
②光电转换单元之前放置标准参考波长单元；该标准参考波长单元通过光纤耦合器与偏振控制组件相连；
③待测光信号经过偏振控制组件实现光信号偏振态与衍射光栅槽平行之后，通过光束准直与聚焦系统成平行光束，再通过衍射光栅实现波长空间色散分离后进入直角三棱镜，实现光束宽度的变换，变换后的光束经光学扫描镜中的反射镜再次通过直角三棱镜进入同一衍射光栅进行色散和滤波，再经衍射光栅第二次衍射后的光束，再次经光束准直与聚焦系统，待测光信号第二次从光束准直与聚焦系统输出后与标准参考波长一起通过光信号空间滤波器和光电转换单元，进入数据采集、处理与系统控制单元。
2.按权利要求1所述的双通结构的衍射光栅光信号监测仪，其特征在于在直角三棱镜后面放置光学扫描镜。
3.按权利要求1或2所述的双通结构的衍射光栅光信号监测仪，其特征在于光学扫描镜驱动方式为静电、电磁、热或压电激励。
4.按权利要求1所述的双通结构的衍射光栅光信号监测仪，其特征在于在光束准直与聚焦系统共享一套透射式透镜结构或离轴反射式镜面结构。
5.按权利要求1或4所述的双通结构的衍射光栅光信号监测仪，其特征在于所述光束准直与聚焦系统由三块透镜组成。
6.按权利要求1所述的双通结构的衍射光栅光信号监测仪，其特征在于在标准参考波长与待测光信号是通过光纤耦合器与偏振控制组件相连。
7.按权利要求1所述的双通结构的衍射光栅光信号监测仪，其特征在于偏振控制组件由一个光纤准直器，一个双折射晶体，一个半波片，一个光学屋脊棱镜，一个保偏双光纤准直器，两段保偏光纤组成。
8.按权利要求1所述的双通结构的衍射光栅光信号监测仪，其特征在于衍射光栅是平面反射式衍射光栅、平面透射式衍射光栅、球面反射式衍射光栅或全息体相位衍射光栅。
9.按权利要求1所述的双通结构的衍射光栅光信号监测仪，其特征在于所述的标准参考波长单元包括一个参考标准光源，一个光纤耦合器，一个光学滤波器，一个光学空间滤波器，或包括一个宽带光源，两个光纤光栅滤波器，两个光纤耦合器，一个光学反射镜，一个光学空间滤波器。
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