CN1299067A - 啁啾光纤光栅群时延的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种啁啾光纤光栅群时延的测量方法,是利用激光器主动锁模效应的测量方法。将被测啁啾光纤光栅作为带调制信号源的外腔式主动锁模激光器的激光谐振腔的输出腔面。由调制信号源给出选定的激射频率的激射信号激励激光工作物质。在被测啁啾光纤光栅尾端测得与给定激射频率相应的激光波长。求出激光波长和参考激光波长的激射波长在激光谐振腔内往返一周所需时间,以获得群时延,绘出群时延曲线。具有时间分辨率和测量精度高的特点。

Description

啁啾光纤光栅群时延的测量方法

本发明是关于光通信中用于光信道色散补偿的啁啾光纤光栅的群时延的测量方法。

随着密集波分复用(D-DWDM)光通信技术的发展，系统传输容量已达10¹²位/秒数量级，单波长光信号的传输速率达到10¹⁰位/秒以上，光脉冲宽度降到了皮秒量级。这样的超短脉冲在光纤的色散、非线性等效应作用下容易发生脉冲展宽、畸变，使得光信号质量劣化，增加误码率。为了保证光纤传输网络的传输质量必须进行色散补偿等信号处理过程。啁啾光纤光栅就是对高速、大容量、长距离光纤通信网络中传输的光信号进行色散补偿的关键器件。

啁啾光纤光栅是一种光纤光栅周期或光纤光栅有效折射率沿光纤轴向呈线性或近似线性变化的光纤光栅。由于光纤光栅反射光波波长与光栅周期和光纤光栅有效折射率的乘积成正比，因而啁啾光纤光栅在沿光纤轴向的不同部位将有不同波长光波反射回来。利用啁啾光纤光栅这一特性制成的色散补偿器件具有色散补偿量大、滤波特性良好、与光纤天然兼容、无源、损耗低、非线性效应小等特点，是一种很有发展前景的光子通信器件。

衡量啁啾光纤光栅色散补偿性能的一个重要依据是啁啾光纤光栅群时延谱。啁啾光纤光栅群时延谱并非理想线性曲线，而是一条围绕着理想线性曲线存在上下起伏抖动小峰的近似线性曲线。这些抖动小峰造成啁啾光纤光栅在对系统光信号进行色散补偿的同时又产生光信号畸变，造成误码、串码。抖动小峰对通信系统的影响与抖动小峰的周期和幅度有关。因此精确测量啁啾光纤光栅群时延谱具有重要的意义。精确测量啁啾光纤光栅群时延谱需要时间高分辨率技术和波长高分辨技术。自从啁啾光纤光栅应用于高速传输系统中的色散补偿以来，多种精确测量啁啾光纤光栅群时延谱的技术已经被采用，在先技术有：

1．调制相移法，这是最常见的测量方法[见文献报道：OFC’2000TuG8-1,pp107-109；Optics Letters,Vol.23,No.12,15th June 1998,pp939-941；Electronics Letters,Vol.33,NO.1,2nd Jan 1997,pp74-75]。窄带可调谐激光器作为波长扫描光源。光源经过射频调制后入射到啁啾光纤光栅内，通过网络分析仪测量射频调制后经啁啾光纤光栅反射的输出光信号和透过啁啾光纤光栅的输出光信号的位相之差，从而测得啁啾光纤光栅的群时延谱。采用这一种方法，可以获得较高的分辨率。但是窄带可调光源和网络分析仪相当昂贵。窄带激光经过整个系统后，能量损失大，通常还要插入光放大单元，使得测量系统复杂。

2．低相干光干涉测量法[见文献报道：Electronic Letter,Vol.32,No.8,11thApril 1996,pp757-758；Electronics Letter,Vol.31,No.15,20th July1995,pp1280-1282]。这种方法利用迈克尔逊干涉原理：干涉臂接入啁啾光纤光栅，参考臂接入窄带滤波器件。在窄带滤波器的某一工作波长上，精细调整两臂臂长，当两臂的光程差小于低相干光源的相干长度时，能探测到迈克尔逊干涉仪输出端口的干涉信号加强。改变窄带滤波器的工作波长，重复上述过程，并记录下参考臂和干涉臂的长度相对于给定初始长度的改变量，通过计算公式可获得群时延差的数值。当窄带滤波器的工作波长扫过啁啾光纤光栅的整个带宽，就可作出啁啾光纤光栅群时延曲线。这种测量方法的精确度与滤波器带宽有关，要求波长分辨率高，滤波器谱线宽度越窄越好；但另一方面滤波器谱线宽度窄，光源的相干长度变长，导致时间分辨率降低。

3．光纤光栅端面反射法[见文献报道：Optics Letters,Vol.24,No.15,August1，1999,pp1020-1022]。将被测啁啾光纤光栅与其尾纤的一个经处理的光纤端面构成一个法布里-柏罗腔。窄带可调谐光源使不同波长的光通过这个法布里-柏罗腔，测量啁啾光纤光栅背反射光强，通过计算处理测量数据后获得啁啾光纤光栅群时延值。这种方法的关键在于数据处理，数据处理时采用计算方法较为复杂，而且计算中窗函数的选择直接影响处理后数据的准确度。

本发明的目的是为了克服上述在先技术的缺点，提出一种利用激光器主动锁模效应测量啁啾光纤光栅群时延曲线的方法。本发明测量方法的测量精度和时间分辩率都将比上述在先技术有所提高，而且所使用的测量装置简单、测量操作方便。

本发明的测量方法是利用激光器主动锁模效应的测量方法。具体测量步骤是：

<1>首先选取带有调制信号源的外腔式主动锁模激光器，将被测啁啾光纤光栅作为外腔式主动锁模激光器的激光谐振腔的输出腔面；

<2>测定上述激光谐振腔的最大有效腔长l_eff,max和最小有效腔长l_eff,min，选定置于上述激光谐振腔内的激光工作物质产生高次谐波振荡的最佳阶数m值；

<3>依据上述第二步给出最大激射频率 $f_{\max }\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{\mathrm{mc}}{2n{l}_{\mathrm{eff},\min }\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$ 和最小激射频率 $f_{\min }\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{\mathrm{mc}}{{2\mathrm{nl}}_{\mathrm{eff},\max }\left(\mathrm{\&lambda;}\right)},$ 式中c为光速，n为被测啁啾光纤光栅的光纤纤芯的折射率；

<4>在上述第三步中所获得的最大激射频率f_max(λ)至最小激射频率f_min(λ)的范围内选取激射频率f(λ)，由调制信号源给出所选取的激射频率f(λ)的激频信号激励置于激光谐振腔内的激光工作物质；

<5>测定波长λ，用光谱仪在作为上述激光谐振腔的输出腔面的被测啁啾光纤光栅的尾端测量输出激光束的波长λ，由上述第四步选取一个激射频率f(λ)，就测出一个相应的激光波长λ；

<6>由上述第二步和第五步求得激光波长λ的激射光波在激光谐振腔内往返一周所需要的时间 $\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{m}{f\left(\mathrm{\&lambda;}\right)};$

<7>选定参考激光波长λ_B，求得参考激光波长λ_B的激射光波在激光谐振腔内往返一周所需要的时间 $\mathrm{\&tau;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_B\right)=\frac{m}{f\left({\mathrm{\&lambda;}}_B\right)};$

<8>由上述第六步和第七步求得群时延Δτ=τ(λ)-τ(λ_B)，绘出群时延曲线。

本发明的测量方法的测量步骤如上所述，本发明的被测啁啾光纤光栅是一种分布波长反馈器件，不同波长的光波在被测啁啾光纤光栅沿轴向的不同位置被反射。当它作为激光谐振腔的输出腔面与另一个激光谐振腔反射腔面组成外腔激光器时，外腔激光器的激光谐振腔腔长随着激射光波的波长变化而变化。激射光波λ在激光谐振腔内往返一周所需要的时间表示为：

$\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{2n{l}_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{c}-------\left(1\right)$ 其中l_eff为激光谐振腔激射光波波长λ的等效谐振腔腔长，c为光速，n为被测啁啾光纤光栅的光纤纤芯折射率。当调制信号源的激频信号激励外腔激光器稳定工作在调制信号源给定的频率f(λ)上时，由于主动锁模效应使得外腔激光器的输出波长锁定在某一特定波长上。这一特定波长满足以下条件：调制信号源给定的频率f(λ)为这一激射光波波长λ在激光谐振腔内往返一周所需要的时间倒数的m倍(也称m阶)， $f\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{\mathrm{mc}}{2n{l}_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}---------\left(2\right)$ 此时调制信号源给定的频率f(λ)为m阶谐振频率。m值与激光谐振腔内的激光工作物质有关，上述本发明在测量过程中，是选取当激光工作物质产生高次谐波振荡时，最佳振荡阶数m值。(2)式代入(1)式得 $\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{m}{f\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$ 。激射光波λ的群时延Δτ与光波在谐振腔内往返一周所需要的时间τ(λ)的关系表示为： $\mathrm{\&Delta;\&tau;}=\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-\mathrm{\&tau;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_B\right)=\frac{2\mathrm{n\&Delta;}{l}_{\mathrm{eff}}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{c}=\frac{\mathrm{m\&Delta;f}}{f_m^2}--\left(3\right)$ 其中λ_B为选定的参考激光波长，Δl_eff为谐振腔激射光波波长λ对应激光谐振腔腔长l_eff(λ)相对于选定的参考光波波长λ_B对应激光谐振腔腔长l_eff(λ_B)的改变值即为Δl_eff=l_eff(λ)-l_eff(λ_B)，Δf为射频信号频率变化；光波在激光谐振腔内的往返一周所需的时间可通过公式(1)计算得出，激射光波的群时延可从公式(3)得出。逐步改变调制信号源的激励频率，同时在外腔激光器的输出端即被测啁啾光纤光栅的尾端用光谱仪扫描输出光波的光谱，获得相应激射光波波长λ值。不断的重复上述过程，就可以获得一系列激射光波波长和这一波长群时延值Δτ，依此数据可绘出被测啁啾光纤光栅群时延随光波波长变化的群时延曲线。

本发明的测量方法所采用的测量装置的基本结构如图1所示。被测啁啾光纤光栅4作为外腔激光器5激光谐振腔的输出腔面，与激光工作物质3同轴放置，在激光工作物质3相对于被测啁啾光纤光栅4的另一端有同轴放置的激光谐振腔反射腔面1，至此在激光工作物质3的两端由激光谐振腔反射腔面1和被测啁啾光纤光栅4作为输出腔面构成一个外腔激光器5的外腔式激光谐振腔。由调制信号源2产生的与选定频率f(λ)相应的激射信号加于激光工作物质3上，激励外腔激光器5在这一选定频率f(λ)上实现锁模运转。同时，在被测啁啾光纤光栅4的光纤尾端用高分辨光谱仪6扫描外腔激光器5的激光光谱，通过激光光谱读出激射光波的波长值。逐步改变调制信号源的激励频率f(λ)，重复上述过程，就可获得被测啁啾光纤光栅的群时延随着光波波长的变化值。

所说的激光工作物质3是带温度控制和光强监控的法布里-柏罗腔型半导体激光器管芯，或者是固体激光介质，或者是气体激光介质，或是其他能在调制信号源的选定频率f(λ)上实现高次谐波振荡的激光激励介质。

所说的调制信号源2是能提供稳定在某一选定激励频率f(λ)上输出激频信号激励激光工作物质3产生谐波振荡，它输出的振荡频率f(λ)值，由频谱仪或频率计监测。如在下面的实施例中所说的调制信号源2包括由射频信号发生器203、直流电源201及微带匹配电路201组成的驱动电路和用于监测射频信号发生器203输出的射频频率的频谱仪或频率计204。其中微带匹配电路201由微带电容和电感组成微波波导，使微波功率能够高效地注入作为激光工作物质3的半导体激光介质等。

本发明的优点是：由于本发明提供的啁啾光纤光栅群时延的测量方法是利用激光器主动锁模效应，直接将被测啁啾光纤光栅作为激光谐振腔的输出腔面，由被测啁啾光纤光栅的尾端输出激光，输出的激光单色性好，使得测量波长的准确度高；光功率较高，使得测量系统中无需光放大单元。其次，调制信号源的激励频率通过选定频率f(x)给出相应的激频信号，这就较容易精确控制锁定和测量，因此群时延时间分辨率较高，不受光源线宽影响。此外，本发明的测量方法所用的装置简单，容易操作，测量步骤清楚，测量精度高，所需的费用较低，适用范围较广。

附图说明：

图1：为本发明啁啾光纤光栅群时延的测量方法中所用装置的示意图；

图2：为本发明啁啾光纤光栅群时延测量方法在实施例中所用装置的示意图；

图3：为本发明测量方法在实施例中被测啁啾光纤光栅输出端的输出激光的特性曲线；

图4：为本发明测量方法在实施例中所获得的被测啁啾光纤光栅群时延曲线。

实施例：

采用上述本发明的测量方法和图2所示的装置。其中，激光工作物质3为激光二极管，其工作波段为1.55μm波段，是具有温度控制和光强监控系统的法布里-柏罗腔型的双沟掩埋平面波导结构铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。激光工作物质3为铟镓砷磷。激光工作物质3的一个端面作为激光谐振腔反射腔面1，另一个端与被测啁啾光纤光栅4相对的端面镀有反射率小于0.5％的增透膜301。被测啁啾光纤光栅4为采用193nm紫外光辐照啁啾相位版技术制作的线性啁啾光纤光栅，其啁啾系数为10nm/cm，长度为5mm，反射波段在1550nm的通信波段。

首先直接用尺测定上述外腔激光器的激光谐振腔的最大有效腔长l_eff,max=2.505m和最小有效腔长l_eff,min=2.50m。对于激光工作物质3为铟镓砷磷的半导体激光器产生高次谐波振荡的最佳振荡阶数m=52，得出最大激射频率f_max(λ)=2046Mhz，最小激射频率f_min(λ)=2040Mhz。

在f_max(λ)至f_min(λ)内的范围内选取激射频率：

f₁(λ₁)=2046Mhz,f₂(λ₂)=2044.4Mhz,f₃(λ₃)=2043.3Mhz,f₄(λ₄)=2042.3Mhz

用光谱仪6测得相应的波长λ：

λ₁=1549.3nm,λ₂=1551.15nm,λ₃=1552.85nm,λ₄=1554.55nm

进行上述第六步求得：

τ(λ₁)=24926.686ps,τ(λ₂)=24946.194ps,τ(λ₃)=24958.403ps,τ(λ₄)=24971.845ps,

进行上述第七步选取λ₁=1549.3nm为参考激光波长λ_B，得出τ(λ_B)=τ(λ₁)=24926.686ps，

进行上述第八步得出：

Δτ₁=τ(λ₁)-τ(λ_B)=19.508ps，

Δτ₂=τ(λ₂)-τ(λ_B)=31.717ps，

Δτ₃=τ(λ₃)-τ(λ_B)=45.159ps

最后由上述数据绘出被测啁啾光纤光栅的群时延曲线如图4所示。图4中横坐标为波长λ，单位为纳米，纵坐标为群时延Δτ，单位为皮秒。本实施例中，调制信号源2中包括的射频信号发生器203的射频信号和直流电源201的直流偏置通过微带匹配电路202加到作为激光工作物质3的激光二极管的铟镓砷磷上。实施例中改变射频信号源203的射频频率如f₁(λ₁)、f₂(λ₂)、f₃(λ₃)、f₄(λ₄)等，用高分辨光谱仪6在被测啁啾光纤光栅4的尾端即输出端测量输出激光波中心波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄等。通过上述步骤绘出的群时延时间分辩率为 $\mathrm{\&Delta;\&tau;}\&prime;=\frac{\mathrm{m\&Delta;f}}{f_m^2}=12\mathrm{ps},$ 此结果比在先技术精确，说明了本测量方法测量精度较高，时间分辩率也比较高。

Claims (1)

1．一种啁啾光纤光栅群时延的测量方法，其特征在于是利用激光器主动锁模效应的测量方法，具体测量步骤是：

<1>选取带有调制信号源的外腔式主动锁模激光器，将被测啁啾光纤光栅作为外腔式主动锁模激光器的激光谐振腔的输出腔面；

<2>测定激光谐振腔的最大有效腔长l_eff，max和最小有效腔长l_eff，min，选定置于上述激光谐振腔内的激光工作物质产生高次谐波振荡的最佳阶数m值；

<3>依据上述第二步给出最大激射频率 $f_{\max }\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{\mathrm{mc}}{2n{l}_{\mathrm{eff},\min }\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}$ 和最小激射频率 $f_{\min }\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{\mathrm{mc}}{2n{l}_{\mathrm{eff},\max }\left(\mathrm{\&lambda;}\right)},$ 式中c为光速，n为被测啁啾光纤光栅的光纤纤芯的折射率；

<4>在上述第三步中所获得的最大激射频率f_max(λ)至最小激射频率f_min(λ)的范围内选取激射频率f(λ)，由调制信号源给出所选取的激射频率f(λ)的激频信号激励置于激光谐振腔内的激光工作物质；

<5>测定波长λ，用光谱仪在作为上述激光谐振腔的输出腔面的被测啁啾光纤光栅的尾端测量输出激光束的波长λ，由上述第四步选取一个激射频率f(λ)，就测出一个相应的激光波长λ；

<6>由上述第二步和第五步求得激光波长λ的激射光波在激光谐振腔内往返一周所需的时间 $\mathrm{\&tau;}\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\frac{m}{f\left(\mathrm{\&lambda;}\right)};$

<7>选定参考激光波长λ_B，求得参考激光波长λ_B的激射光波在激光谐振腔内往返一周所需的时间 $\mathrm{\&tau;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_B\right)=\frac{m}{f\left({\mathrm{\&lambda;}}_B\right)};$

<8>由上述第六步和第七步求得群时延Δτ=τ(λ)-τ(λ_B)，绘出群时延曲线。

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