CN1187914C - 一种基于波导阵列光栅的多路波长光功率与光频率监测的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波导阵列光栅的多路波长光功率与光频率监测的方法及其装置，涉及波导阵列光栅型波分复用/解复用器件。本方法是通过监测波导阵列光栅AWG型波分复用器的主衍射级的光强监测多路波长的光功率大小，同时监测AWG型波分复用器的两个次衍射级的光强监测多路波长的光频率大小，从而实现同时监测光功率和光频率的目的；其中上述的主衍射级为m级，两个次衍射级分别为m-1级和m+1级，m为正整数。本装置由AWG波分复用器、梯形耦合器、光强探测器、放大器、除法器、对数器、计算机组成。本发明可以同时监测多路波长光功率与光频率，结构简单，体积小，适合于集成，性能可靠。

Description

一种基于波导阵列光栅的多路波长光功率与光频率监测的方法及其装置

技术领域

本发明涉及波导阵列光栅型波分复用/解复用器件，具体地说涉及其多路波长光功率与光频率监测的方法及其装置。

背景技术

随着光传输研究的发展，波分复用技术已经成为一种增大通信信息容量的有效手段。所谓“波分复用”是指将多个不同波长的光合到同一根波导或光纤中传输，“解复用”是将同一根波导或光纤中的不同波长的光按照波长分开的技术。在实际操作中常常需要对各波分复用光信号进行监测，监测的内容主要包括光频率和光功率。

通常由于波分复用系统中的激光器老化或者其它因素导致发射的光波长偏离标准波长，这种波长偏离不仅影响信号的传输质量，同时也影响不同波长通道之间的串扰特性，所以对光波长进行监测是必要的。而且在波分复用系统中通常要用到光放大器，由于不同波长的光放大特性不一样，所以导致各个波长的光功率不相同，所以需要采用光功率监测系统。

为了能对多个波长的光信号同时监测，需要采用解复用器将各个波长的光信号分开，波导阵列光栅(Arrayed Waveguide Grating，简称AWG)型波分复用/解复用(DWDM)器件具有信道间隔小、易于同其它器件集成、体积小、性能稳定、易于批量生产、以及成本低的特点，而得到了快速的发展。

图1所示的是一个AWG型波长解复用器的原理图，输入平板波导2将输入波导1和阵列波导3连接起来，输出平板波导4将输出波导5和阵列波导3连接起来。输入波导1可以是1根或多根，阵列波导3可以有很多根，通常超过100根，输出波导5一般超过两根，根据设计要求选取。波导阵列中任意相邻的两个波导长度差恒定。它的波长解复用原理是：一组间隔恒定的波长分别为λ₁，λ₂，λ₃，…，λ_i-1，λ_i的光从同一根输入波导中输入，它们在输入平板波导2中会发散，能量会分布到各个输出波导5中，由于相邻阵列波导有一个固定的长度差，所以各个阵列波导中光在经过阵列波导到达输出平板波导4时，相邻阵列波导中的光会有一个确定的光程差，这样在通过输出平板波导4以后，在输出平板波导4和输出波导5连接端会形成干涉图样，不同波长的光干涉的最强点位置不同，将输出波导5与输出平板波导4连接的位置设置在这些干涉最强点，这样不同波长的光就会从不同输出波导输出，从而实现了解复用。反之，根据可逆性原理，如果不同波长的光从相应的输出波导输入，在经过AWG结构后，会从同一根输入波导1输出，从而也可以实现波长复用功能。

具体原理是，假设光入射到输入波导中的中心波导中，可以得到光栅方程为

              n_slabdsinθ+n_g·ΔL＝mλ，                      (1)

其中，n_slab表示输入平板波导2和阵列波导3的有效折射率，n_g是阵列波导3的有效折射率，ΔL是相邻阵列波导的长度差，λ是入射光的波长，θ是光在阵列波导3中的衍射角，m是衍射级数，为整数，而d为AWG的栅距。

式1中θ为零时波长对应的值λ₀是中心波长，其定义为

${\mathrm{\λ}}_0=\frac{n_g\mathrm{\ΔL}}{m}.---\left(2\right)$

根据表达式(1)，在中心波长附近对波长λ微分就可以得到色散公式

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{m(n_g-\mathrm{\λd}{n}_g/\mathrm{d\λ})}{d{n}_{\mathrm{slab}}{n}_g}.---\left(3\right)$

根据表达式(3)，可以看到不同的波长的入射光会有不同的波前方向，那么在输出平板波导4上输出圆上聚焦的位置也就不同。

从上面看出利用AWG型器件可以将同一根波导中的不同波长的光分开，这样就可以对各个波长的光进行监测。

授权给Koga，Masafumi等人的美国专利US5617234，该专利利用AWG器件和探测器阵列设计了一种可以对多路波长光的频率进行同时监测的装置。这种方法的好处是可以对波长进行监测，但是不能监测光功率。

授权给Jeong-mee Kim和Yong-hoon Kang的专利GB2346024采用的方案声称可以同时监测不同波长的光功率和频率。该方案也是使用一个AWG型解复用器和一个探测器阵列实现信号监测功能。他采用的AWG型解复用器与图1基本相同，只是没有输出波导，在输出波导5与输出平板波导4的连接处的位置放上了探测器阵列。利用探测器阵列探测的输出波导5与输出平板波导4的连接处的光强分布分析频率、光强和光信号噪声比。在实际的AWG设计中，频率临近的两个波长的光在输出波导5与输出平板波导4的连接处成像的位置间隔很小，一般只有20μm左右，如果想利用输出波导5与输出平板波导4的连接处的光强分布较高精度地获得频率和各个波长的光强，要求探测器阵列中的各个探测器足够小，这样实现起来比较困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的问题和不足，而提供一种基于波导阵列光栅的多路波长光功率与光频率监测的方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的。

1、关于监测的方法

由于AWG型解复用器具有与光栅一样的衍射和成像特性，具有多个衍射级，其中主衍射级是上述的m级，该级的像光强最大，与它相邻的两个次衍射级m-1和m+1的项能量次之。在通常AWG型解复用器中，一般只使用第m级的像。在本方法的设计中利用了第m、m-1、m+1级的像，其中第m级的各波长的像用来作为光功率监测用，而第m-1和m+1级的各波长的像用来作为光频率监测用。

通过监测AWG型波分复用器的主衍射级的光强监测多路波长的光功率大小，通过同时监测AWG型波分复用器的两个次衍射级的光强监测多路波长的光频率大小，从而实现同时监测光功率和光频率的目的；其中上述的主衍射级为m级，两个次衍射级分别为m-1级和m+1级，m为正整数。具体地说，在本方法中，与AWG主衍射级对应的输出波导与输出平板波导连接的位置与输入标准波长在输出波导输出端成像的位置(m级像)重合，与AWG次衍射级对应的输出波导与输出平板波导连接的位置与输入标准波长在输出波导输出端成像的位置(m-1级像)有一个小的位移ΔS，与AWG次衍射级对应的输出波导与输出平板波导连接的位置与输入标准波长在输出波导输出端成像的位置(m+1级像)有一个小的位移-ΔS，m级的光能量用来监测多路波长的光频率大小，而与m级的光对应的光波长m-1级像和m+1级像在耦合到与m-1级和m+1级对应的输出波导中时有不同的衰减，通过监测与m-1级和m+1级输出通道的光强之间的对数来监测多路光波的光频率。

2、关于监测的装置

由图2可知，本监测装置由下列部件组成，其连接关系是：

第一组输出波导5_m为m级衍射级，该组波导在与输出平板波导4的输出端的连接位置与AWG波分复用器的标准波长主衍射级成像位置重合；

第二组输出波导5_m-1为m-1级衍射级，该组波导在与输出平板波导4输出端的连接位置与AWG波分复用器的标准波长次衍射级成像位置横向偏移一个位移ΔS；

第三组输出波导5_m+1为m+1级衍射级，该组波导在与输出平板波导4输出端的连接位置与AWG波分复用器的标准波长次衍射级成像位置横向偏移一个位移-ΔS；

上述的主衍射级为m级，两个次衍射级分别为m-1级和m+1级，m为正整数；

一组对应于AWG器件7的主衍射级的输出波导5_m分别与光强探测器(12)连接，光强探测器12再与计算机11连接；

两组分别对应AWG器件7的两个次衍射级的输出波导5_m-1、5_m+1分别与两组光强探测器12连接；其中两组光强探测器12，两组放大器8，一组除法器9，一组对数器10，计算机11依次对应连接；

或者两组光强探测器12直接与计算机11连接。

本监测装置工作过程如下：

光波长分别为λ₁，λ₂，…，λ_n-1，λ_n的各路光从波导1输入到AWG器件7，通过AWG器件7后每个波长的光都有m、m-1和m+1级三个像，其中各个波长m级的像按波长从输出波导5输出到光强探测器阵列12；而各个波长m-1级和m+1级的像则按波长分别从输出波导5_m-1和5_m+1分别输出到光强探测器阵列12。以上的通过光强探测器阵列12的光转换为电信号，这些电信号再通过不同的放大电路8。由同一个波长的在m-1和m+1级像的光转换的电信号输入到除法器电路9进行信号的除法处理，对同一个波长光信号的m-1和m+1级的像转换的电信号做除法运算，通过除法运算的电信号再通过对数运算电路10进行对数运算。经过对数运算的信号和从探测器阵列12输出的信号都输入计算机进行处理。这样就可以实现对不同波长信号的频率和光强进行监测的目的。

由图3可知，本AWG器件7结构由下列部件组成：

至少有一根输入波导1，一个输入平板波导2，一个具有会聚作用的输出平板波导4，一个连接输入平板波导2的输出端和输出平板波导4的输入端相邻波导长度差恒定的波导阵列3，三组输出波导5_m、5_m-1、5_m+1，该三组输出波导与输出平板波导4连接。

其中1是与图1中相同的输入波导1，2和4是与图1中相同的输入平板波导2和输出平板波导4，3是与图1中相同的一组阵列波导3，第二组输出波导5_m-1是输出m-1级各个波长像的波导，第三组输出波导5_m+1是输出m+1级各个波长像的波导，第一组输出波导5_m是输出m级各个波长像的波导；

上述部件从左至右依次连接：输入波导1，输入平板波导2，阵列波导3，输出平板波导4，三组输出波导5_m-1、5_m、5_m+1。

下面对上述监测装置的结构和功能进一步说明。

A、功率监测

在本AWG的设计中，输入波导1是单模波导，而第一组输出波导5_m的设计可以是单模的，也可以是其它形状。如果第一组输出波导5_m为单模的，那么输出谱特性为高斯型。本发明也可以采用其它形状的第一组输出波导5_m以实现其具有平坦光谱响应的输出特性，为实现输出光谱是平坦的方法有很多种，如第一组输出波导5_m采用比较宽的多模输出波导或在第一组输出波导5_m与输出平板波导4之间加入一个多模干涉结构。本发明采用了另外一种方法实现输出光谱响应的平坦性，即在单模第一组输出波导5_m与输出平板波导4之间加入一个梯形耦合器13，其结构如图4所示。这种结构可以获得很宽的1dB通带带宽。梯形耦合器13的具体结构如图5所示。

由图5可知，梯形耦合器13由居于两侧的两个第一梯形波导14和居于中间的一个第二梯形波导15组成，第一梯形波导14与第二梯形波导15之间留有间隙；第二梯形波导15的大小两端分别连接第一组输出波导5_m和输出平板波导4，第一梯形波导14的大端与输入平板波导4连接。

梯形耦合器13的设计要求，当光波从第一组输出波导5_m输入，在耦合器13与输出平板波导4的连接端输出时，输出的光强度具有双峰结构；在耦合器13与输出平板波导4的连接端，不同波长的光成像的位置不同，而且这些像的场成高斯型。不同波长的像与这种双峰结构的场重叠积分将会出现平坦的光谱响应。将输出光谱响应设计为平坦型的目的是在较宽的波长范围内，它们的插入损耗都是一样的，这样就可以在较宽的波长范围内进行光功率监测。用梯形耦合器13波导结构实现光谱响应的平坦性有几个好处：第一，在各种耦合器件中梯形耦合器对波长不敏感，也就是说，在很大的一个波长范围内，梯形耦合器13的输出场型可以保持不变，这样可以保证设计的AWG各个输出波导中光谱响应具有相同的带宽；第二，设计的光谱响应的带宽比较宽。

B、频率监测

第二组输出波导5_m-1和第三组输出波导5_m+1都是单模波导，所以它们输出光谱响应都是高斯型，不同波长的光除了在第一组输出波导5_m中成像，同时还会在第二组输出波导5_m-1和第三组输出波导5_m+1成像，不同波长光耦合同一个第二组输出波导5_m-1和第三组输出波导5_m+1中的光强(也被称作传输函数)为

$H\left(v\right)={\mathrm{\η}}_i\exp [-4\ln 2\·{\left(\frac{v-v_i}{\mathrm{\Δv}}\right)}^2],---\left(4\right)$

其中i是输出波导的序号，η_t是衰减常数，v是光波的频率，v_i是该通道的中心频率，Δv是通道传输谱的半宽度，为常数。本设计的第二组输出波导5_m-1中的各个通道中心频率与波导第一组输出波导5_m中相应通道中心频率相差Δv₀；而第三组输出波导5_m+1中的各个通道中心频率与第一组输出波导5_m中相应通道中心频率相差-Δv₀。为了实现这个目的，在设计输出波导位置时，第一组输出波导5_m的位置选择在标准波长(是ITU-T波长)的m级像的位置，而第一组输出波导5_m的位置则与相应标准波长(是ITU-T波长)的m-1级像的位置之间有一个偏移ΔS，而第三组输出波导5_m+1的位置则与相应准波长(是ITU-T波长)的m+1级像的位置之间有一个偏移-ΔS，输出波导位置的设计安排如图8所示。

这样，第二组输出波导5_m-1和第三组输出波导5_m+1中的传输函数分别为

$H_{6a}\left(v\right)={\mathrm{\η}}_i\exp [-4\ln 2{\left(\frac{v-v_i-\mathrm{\Δ}{v}_0}{\mathrm{\Δv}}\right)}^2],---5\left(a\right)$

$H_{6b}\left(v\right)={\mathrm{\η}}_i\exp [-4\ln 2{\left(\frac{v-v_i+\mathrm{\Δ}{v}_0}{\mathrm{\Δv}}\right)}^2].---5\left(b\right)$

对它们进行除法和对数运算有

$P=\ln \frac{H_{6a}\left(v\right)}{H_{6b}\left(v\right)}=-4\ln 2\·{\left(\frac{v-v_i-\mathrm{\Δ}{v}_0}{\mathrm{\Δv}}\right)}^2+4\ln 2\·{\left(\frac{v-v_i+\mathrm{\Δ}{v}_0}{\mathrm{\Δv}}\right)}^2,---\left(6\right)$

$\≈8\ln 2\×\left(\frac{\mathrm{\Δ}{v}_0}{\mathrm{\Δv}}\right)\frac{\mathrm{\δv}}{\mathrm{\Δv}}$

其中，δv是传播的光波的实际频率与标准频率的偏差。如(6)式中所描述的，信号P与第二组输出波导5_m-1和第三组输出波导5_m+1中的光强大小无关，也就是说如果输入的光波有变化也不会影响信号P的大小。而且信号P几乎与δv成正比，这样就可以根据测得的信号P的大小来监测光波的实际频率与标准频率的偏差大小。

实际的设计如图2所示，第二组输出波导5_m-1和第三组输出波导5_m+1分别与探测器阵列耦合，第二组输出波导5_m-1中的各个通道中的光在经过相应探测器之后转换为电信号，第三组输出波导5_m+1中的各个通道中的光在经过相应探测器之后转换为电信号，第二组输出波导5_m-1和第三组输出波导5_m+1中由相同波长光信号转换的电信号在经过放大电路8a和8b之后输出到同一个除法电路9进行除法运算，经过除法运算的信号再经过对数电路10进行对数运算，这样就可以得到信号P，根据P值的大小就可以判断该光频率偏离标准频率的大小。将信号P输入计算机进行处理就可以进行相应的控制。由其它波长光信号转换的电信号也经过同样的处理之后就可以监测这些波长偏离标准波长的大小。

设计中采用放大电路8a和8b的目的是为了保证当输入光波长为标准波长时输出的信号P为零。因为设计或者工艺的原因会导致第二组输出波导5_m-1和第三组输出波导5_m+1中的损耗常数η_i不相等，调节放大电路8a和8b的放大系数就可以达到调节第二组输出波导5_m-1和第三组输出波导5_m+1中的损耗常数η_i的目的，使得它们相等，从而实现当输入光波长为标准波长时输出的信号P为零的目的。

当然，在设计这种光功率光频率同时监测系统时，可以在输入信号中耦合进一个参考光频率，这个参考光的频率是稳定的。通过监测与这个参考光频率对应的输出信号P就可以监测AWG本身工作状态，如果此时与这个参考光频率对应的输出信号P偏离了零，那么通过测得的偏离量对AWG进行温度控制，调节AWG的温度使得与这个参考光频率对应的输出信号P回到零，这样可以保证AWG处于正常工作状态。

本发明具有以下优点和积极效果：

①可以同时监测不同波长光的频率和光强。

②实现起来比较简单，而且适合于集成。

③本监测装置集成度高，工艺技术成熟，体积小，性能可靠。

附图说明

图1-AWG型波分解复用工作原理图；

图2-本发明监测装置框图；

图3-用于本发明的AWG波分复用器；

图4-与本发明的AWG波分复用器主衍射级对应的输出通道结构图；

图5-单个与本发明的AWG波分复用器主衍射级对应的输出通道结构图；

其中：

1-输入波导，用来传播输入光；

2-输入平板波导，光在其中可以自由传播，具有光发散的作用；

3-阵列波导，即由许多波导并排排列组成的阵列波导；

4-输出平板波导，光在其中可以自由传播，具有光发散的作用；

5-输出波导，即AWG波分复用器的并排排列的输出波导；

5_m-第一组输出波导，为m级衍射级；

5_m-1-第二组输出波导，为m-1级衍射级；

5_m+1-第三组输出波导，为m+1级衍射级；7-AWG器件；

8a-放大电路，公知器件；

8b-放大电路，公知器件；

9-除法器，公知器件；

10-对数器，公知器件；

11-计算机，本实施例选用PC；

12-光强探测器，本实施例选用光电二极管；

13-梯形耦合器；

14-第一梯形波导，居于梯形耦合器的两侧；

15-第二梯形波导，居于梯形耦合器的中间。

图6-与AWG波分复用器各个衍射级对应的输出波导位置示意图；

图7-具有除法和对数运算的电路原理图，其中：

U₁、U₂-输入信号，U₃-输出信号，G-三极管，R-电阻，

F-集成放大器，C₁、C₂、C₃-常数。

具体实施方式

图2表示的仅仅是一个原理图，在实际设计时，不一定采用图2所示先除法后对数的电路系统，只要能完成式(6)式表示的除法和对数运算即可，在实施例中采用先对各个信号进行对数运算，然后对运算后的相应信号进行差动求和的电路，如图7所示。

在实际的设计中信号的除法和对数运算也可以采用软件完成。也就是说将放大电路8a和8b输出的信号直接输入计算机，通过计算机的软件程序进行除法和对数运算，当然这样在处理速度上比硬件(除法和对数运算电路)要慢。

综合以上设计便构成了图2所表示的光功率光频率同时监测系统。这种设计有效地利用了AWG型波分复用器的m，m-1，m+1级的光信号，而且可以实现集成，这样可以大大降低光性能监测装置的体积和成本。

作为实施例，在本设计中，梯形耦合器13采用：

芯层折射率与覆层折射率差为0.75％；

波导截面尺寸为6×6μm²；

第二梯形波导15小端的宽度为3μm；

第一梯形波导14与梯形波导15之间的间隙为2μm；

第一梯形波导14大端的宽度为5μm，小端的宽度为2μm；

第二梯形波导15和第一梯形波导14的长度都为800μm。

当然，上述参数只是一个实施例，本专业的技术人员可以容易地根据本发明专利的精神选取其它参数。

Claims (3)

1、一种基于波导阵列光栅的多路波长光功率与光频率监测的方法，其特征在于：通过监测波导阵列光栅AWG型波分复用器的主衍射级的光强监测多路波长的光功率大小，通过同时监测AWG型波分复用器的两个次衍射级的光强监测多路波长的光频率大小，从而实现同时监测光功率和光频率的目的；其中上述的主衍射级为m级，两个次衍射级分别为m-1级和m+1级，m为正整数。

2、一种基于波导阵列光栅的多路波长光功率与光频率监测的装置，包括波导阵列光栅AWG波分复用器(7)，AWG波分复用器(7)至少有一根输入波导(1)，一个输入平板波导(2)，一个具有会聚作用的输出平板波导(4)，一个连接输入平板波导(2)的输出端和输出平板波导(4)的输入端且相邻波导长度差恒定的波导阵列(3)，及三组输出波导(5_m、5_m-1、5_m+1)，该三组输出波导与输出平板波导(4)连接；

其特征在于上述监测装置还包括下列部件，各部件的连接关系是：

第一组输出波导(5_m)为m级衍射级，该组波导在与输出平板波导(4)的输出端的连接位置与AWG波分复用器的标准波长主衍射级成像位置重合；

第二组输出波导(5_m-1)为m-1级衍射级，该组波导在与输出平板波导(4)输出端的连接位置与AWG波分复用器的标准波长次衍射级成像位置横向偏移一个位移ΔS；

第三组输出波导(5_m+1)为m+1级衍射级，该组波导在与输出平板波导(4)输出端的连接位置与AWG波分复用器的标准波长次衍射级成像位置横向偏移一个位移-ΔS；

上述的主衍射级为m级，两个次衍射级分别为m-1级和m+1级，m为正整数；

一组对应于AWG器件(7)的主衍射级的输出波导(5_m)分别与光强探测器(12)连接，光强探测器(12)再与计算机(11)连接；

两组分别对应AWG器件(7)的两个次衍射级的输出波导(5_m-1、5_m+1)分别与两组光强探测器(12)连接；其中两组光强探测器(12)，两组放大器(8)，一组除法器(9)，一组对数器(10)，计算机(11)依次对应连接；或者两组光强探测器(12)直接与计算机(11)连接。

3、按权利要求2所述的一种基于波导阵列光栅的多路波长光功率与光频率监测的装置，其特征在于：所述第一组输出波导(5_m)为单模波导，在该单模第一组输出波导(5_m)与输出平板波导(4)之间加入一个具有得到平坦光谱响应的功能的梯形耦合器(13)，梯形耦合器(13)由居于两侧的两个第一梯形波导(14)和居于中间的一个第二梯形波导(15)组成，第一梯形波导(14)与第二梯形波导(15)之间留有间隙；第二梯形波导(15)的大小两端分别连接第一组输出波导(5_m)和输出平板波导(4)，第一梯形波导(14)的大端与输出平板波导(4)连接。

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