CN2583888Y - 基于波导阵列光栅模块的动态通道能量均衡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于波导阵列光栅模块的动态通道能量均衡器，包括光可调衰减器阵列、复用/解复用器、光分束器、探测器及计算机，将两个阵列波导光栅AWG交叉集成在同一个芯片上，其中AWG1起解复用器作用，AWG2起复用器作用，从AWG1出来的信号通过光纤阵列直接进光衰减器VOA阵列进行动态衰减，然后进入光分束器，从光分束器分出的大部分光信号被耦合回AWG2的输入端进行合波并输出，少部分光信号进入阵列探测器，计算机通过采集来自阵列探测器的信号作为反馈信息动态调节VOA的衰减量，使不同波长的光信号经过动态通道能量均衡器后能量相等，实现各通道的能量均衡。

Description

基于波导阵列光栅模块的动态通道能量均衡器

技术领域

本实用新型涉及一种基于波导阵列光栅模块的动态通道能量均衡器，是一种在通信线路中，任何包含多波长的合波信号进入该动态通道能量均衡器的输入端，经自动调节后，从其输出端出来的各波长信号即已经被均衡了的动态通道能量均衡器。

背景技术

光密集波分复用(DWDM)加光纤放大器(EDFA)的高速、大容量光纤传输系统已经成为包括中国在内的世界各国光纤网络建设的首选方案。作为建设大容量光传输网的最佳手段，DWDM技术已获得长足发展。在DWDM系统中，从多波长激光器或激光器阵列中发出的单波长多路信号经调制后进入复用器，进行合波，形成一路多波长信号，经光纤放大器对光信号放大后进入光纤干路进行长距离传输。因为从多波长激光器发出的各路光信号的能量就有所不同，而复用器本身也会给不同波长的光信号以不同的损耗，所以合波后的信号就存在较大的通道能量不均匀性。目前所用的光放大器的增益谱并非直线，而是曲线，也就是说它对不同波长的光信号的放大量是不相同的。所以本来已经是能量随波长不均匀的光信号再经光放大器放大后，干路中的光信号的能量随波长的不均匀度就更大了，这在DWDM系统中是不允许的。为了克服如上缺点，需要在通信线路上添加通道能量均衡器件，以达到均匀各通道能量的目的。

现有技术如图2给出了一个MUX+VOA模块示意图，其中MUX指光纤通信中的复用器，即把不同波长的多路光信号合并在一起，使单波长的多路信号形成多波长的一路信号的光器件。能够充当MUX功能的器件很多，波导阵列光栅(Array waveguide grating，AWG)是其中最具代表性的一个。VOA(Variable optical attenuator)是指可调光衰减器，可用控制器控制其对光信号的衰减量。光放大器的作用是使光功率放大，和衰减器的作用相反。光分束器的作用是把接收来的光按大约95∶5的比例分开并输出到不同的端口。光能量探测器模块的示意图如图3，当含有N个波长的光信号进入该模块后，首先利用解复用器(和复用器MUX的功能相反)将含有N个波长的信号按波长分开，得到N路单波长信号，然后N路单波长光信号再进入到阵列光探测器，对各路光信号分别进行光电转换，得到光强度的信息(N为任意整数)。

图2所给出的MUX+VOA模块就是用来均匀各通道能量的，其工作原理如下：来自激光器的信号按波长分成了N路，分别进入不同的VOA，再经过复用器进行合波，经过光放大器对其进行放大，放大之后的光信号进入光分束器，光被分成了两束，一束光其能量约为原来的95％，沿光纤干路传输，另一束约5％的光信号进入光探测器模块。进入探测器模块的光首先用解复用器对其进行分波，分波后的各个波长的光信号会进入不同的探测器，进行光电转换，形成反映光强度的电信号。计算机(控制器)和光探测器模块相联，采集各个通道的光强信号，利用这些光强信号作为反馈信息，计算机自动控制并调整各个VOA的衰减量，最终使探测器探测到的各路光信号强度一致。到达探测器的各路光信号能量均匀也反映了干路中约95％光信号能量已经被调整的均匀了。图3给出了光探测器模块的示意图。

上述方案并非最佳，它在实际应用中存在着一些限制。如它在系统中使用的位置一般被限制在光源之后，并且对EDFA的通道能量均衡的效果也受到怀疑。目前能够实现通道能量动态均衡的模块(Dynamic GainEqualizer，DGE)有很多种，如基于光栅加阵列可变衰减器的DGE，集成波导+热光技术的DGE，液晶滤波器的DGE等，它们各有自己的优缺点。但从应用灵活的角度来讲，DGE在通信线路中的应用位置不受DGE本身设计的限制，任何包含多波长的合波信号进入DGE的输入端，经DGE的自动调节后，从其输出端出来的各波长信号已经被均衡了。

发明内容

本实用新型的目的是设计一种在通信线路中其应用位置不受DGE本身设计的限制，任何包含多波长的合波信号进入DGE的输入端，经DGE的自动调节后，从其输出端出来的各波长信号已经被均衡了的动态通道能量均衡器。

本实用新型的技术方案是：基于波导阵列光栅模块的动态通道能量均衡器包括光衰减器、复用/解复用器、光分束器、探测器及计算机，本实用新型是将两个阵列波导光栅AWG交叉集成在同一个芯片上，其中AWG1起解复用器作用，AWG2起复用器作用，从AWG1出来的信号通过光纤阵列直接进入光衰减器VOA阵列进行动态衰减，信号通过VOA后就进入了光分束器，从光分束器分出的大部分光信号被耦合回AWG2的输入端进行合波并输出，少部分光信号进入阵列探测器，计算机通过采集来自阵列探测器的信号，并以之作为反馈信息来动态调节VOA的衰减量，使不同波长的光信号经过该动态通道能量均衡器后能量相等，实现各通道的能量均衡。

所述的动态通道能量均衡器，其复用器AWG2的多路输入端和解复用器AWG1的多路输出端处在芯片的同一侧，而解复用器AWG1的输出端和复用器AWG2的输入端处在芯片的同一侧。

所述的动态通道能量均衡器，其解复用器AWG1由一个输入波导，两个平板波导和阵列波导，N个输出波导组成，复用器AWG2由N个输入波导，两个平板波导和阵列波导，和一个输入波导组成。

所述的动态通道能量均衡器，其输入、输出波导都位于罗兰圆周上，每个阵列中的波导正对中心的输入/输出波导，并在端面处采用可变Taper结构以减小耦合损失、平坦化输出光谱等作用。

所述的动态通道能量均衡器，其波导阵列中相邻波导间的长度差为常数。

所述的动态通道能量均衡器，其相邻单元波导长度差为AWG芯片中心波长的整数倍。

所述的动态通道能量均衡器，从AWG1出来的信号通过光纤阵列直接进入VOA阵列进行动态衰减，信号通过VOA后就进入了光分束器，从光分束器分出的约95％的光信号被耦合回AWG2的输入端进行合波，约5％进入阵列探测器，计算机通过采集来自阵列探测器的信号，并以之作为反馈信息来动态调节VOA的衰减量，使通过VOA阵列的不同波长的光信号能量相等，实现各通道的能量均衡。各个通道能量均衡的程度或指标视不同的器件而定，可由计算机软件来控制。

本实用新型的优点是：与现有技术相比，我们的技术创新之一是省去了光探测器模块，将该模块所承担的功能集成到了AWG复用器的芯片上去。这种做法使含光探测功能的AWG复用器芯片的成本略有增加，但省去了光探测器模块，最终使整个模块的成本大大降低；简化了整个模块的结构，使该模块的性能更加的稳定；创新之二是：该模块本身在光通信系统中具有独立性，各个通道能量不均匀的合波光信号进入该模块的输入端后，从输出端出来的光信号就能实现各个通道能量的均匀，在光通信系统中的使用位置非常灵活。该方案实用性很强，结构紧凑，并且成本较低。

附图说明

图1给出了本实用新型的动态通道能量均衡器的示意图。

图2给出了现有技术用MUX+VOA模块均匀各通道能量的示意图。

图3是图2中的光能量探测器模块的示意图。

图4是现有技术在单个芯片上制作的阵列波导光栅AWG的示意图。

图5是图4中的星型耦合器平板波导的结构示意图。

具体实施方式

1、阵列波导光栅(AWG)结构和原理：

AWG(Arrayed Waveguide Grating)型复用/解复用器是一种平面波导器件，是在单个芯片上制作的阵列波导光栅，图4给出了现有技术在单个芯片上制作的AWG的示意图。AWG型DWDM器件的特点是信道间隔小、插入损耗小且均匀性好、复用信道数多、体积小、易于与其它器件集成等等。波导光栅复用器的结构如图4所示，由一个输入波导，N个输出波导，两个平板波导(Slab)即星型耦合器和波导阵列组成，都集成在同一衬底上。输入、输出波导都位于罗兰圆周上。每个阵列中的波导正对中心的输入/输出波导，并在端面处采用Taper结构以减小耦合损失，波导阵列数要保证所有衍射光能被收集。这样从输入波导进来的光就能被无畸变(或畸变小)传输到输出波导。波导阵列中相邻波导间的长度差为常数，于是输出平板波导的入射光间有固定的相位差，所以称这种器件为波导阵列光栅。

波导阵列是AWG实现色散功能的核心部分。波导阵列中各分支单元波导的几何长度不同，一般设计成相邻单元波导长度相差AWG芯片中心波长的整数倍。由于波导阵列中相邻波导间的长度差为常数，于是输出平板波导的入射光间有固定的相位差，根据多光束干涉原理，这样当光到达输出平板波导的输出端时，不同波长的光信号会在输出平板波导的输出端按位置分开，按位置分开的不同波长的输出光经N个输出波导一一分开，从而实现了将光信号解复用的功能。

图5是图4中的星型耦合器平板波导的结构示意图。图中d表示阵列波导在平板波导的间距，L_f为平板波导的焦距，Δx分别为输入波导或输出波导在平板波导之间的间距，假定阵列波导的长度差为ΔL，根据凹面光栅的特点，可以得到AWG的光栅方程：n_sdsinθ_i+n_cΔL+n_sdsinθ_o＝mλ                 (1)

其中

θ_i＝i×Δx/L_fn_s和n_c分别为平板波导和阵列波导的有效折射率，θ_i和θ_o分别为输入角和输出衍射角，m是干涉级数，λ为入射光波长，下标i和o(i，o＝0，±1，±2…)分别为输入和输出波导的序号。式(1)表明，阵列波导在罗兰圆周上的间距为d，相当于是圆弧等分，如果按照比较严格的凹面光栅方程，阵列波导在罗兰圆周上应该弦等分，不过当阵列波导两端与平板波导中心线(中心输入或输出波导与中心阵列波导的连线)的距离小于平板波导的半径一个数量级时，式(1)是严格光栅方程很好的近似。根据(1)式，定义中心波长如下：

n_cΔL＝mλ₀                       (2)对应于从中心输入波导(i＝0)入射、并能够从中心输出波导(o＝0)输出的波长。根据光栅方程式(1)以及式(2)，得到AWG的角色散关系 $\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{n_{g}m}{n_s{n}_{c}d}---\left(3\right)$ $n_g=n_c-\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{dn}}_c}{\mathrm{d\λ}}---\left(4\right)$

设输入、输出波导在阵列波导两端所处的罗兰圆周上的模场为它们各自的远场。输入波导的输出端口和输出波导的输入端口处的模场为各自的近场。如果选择输入、输出波导与阵列波导的耦合参考面为阵列波导两端所在的罗兰圆周，显然在单个阵列波导模场的有效区域内，耦合参考面上输入、输出波导的远场是缓变的，模场的大小可以看作一个常数，对于输入、输出波导的模场可以分别记为E_in和E_on，n表示处在第n个阵列波导的有效区域，则AWG的归一化光谱响应为： $S\left(\mathrm{\λ}\right)={\left|T\left(\mathrm{\λ}\right)\right|}^2={\left|\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{in}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{on}}{E}_{\mathrm{in}}E}_{\mathrm{on}}\mathrm{Exp}\left(j{\mathrm{\φ}}_n\right)\right|}^2---\left(5\right)$

2、本实用新型的技术：

图1给出了本实用新型的基于波导阵列光栅的动态通道能量均衡器的示意图。该模块由光衰减器VOA阵列，光纤阵列，AWG复用/解复用器芯片，约95∶5光分束器(TAP)，光探测器阵列和计算机组成；光纤阵列位于AWG芯片输入输出端，在这里起光连接器的作用，能将多路光同时耦合进入(或耦合出)波导芯片。AWG复用/解复用器芯片是由两个功能上相反的AWG组成，其中AWG1起解复用器的作用，而AWG2起复用器的作用，并且它们二者被制作在同一个芯片上。探测器阵列位于TAP(一种按一定比例分光的分束器)阵列后面，用于探测被分出来的约5％的信号光，将探测到的光信号转化为电信号，并送入计算机，另外，光衰减器VOA阵列也和计算机相连，以便计算机可自动调控VOA阵列的衰减量。整个动态通道能量均衡器的工作原理如下：

来自于DWDM光纤线路中的多波长信号首先进入模块的左下方输入端1，经过AWG1解复用器后，信号按波长被分开成N路分信号，通过光纤阵列(输出端2)按波长进入N个不同的VOA阵元，N路信号在VOA阵元中受到不同程度的衰减，衰减量由计算机控制。从VOA陈列中出来的N路光信号进入TAP阵列，通过TAP阵列后，光信号就  分成了两部分，其中能量约占95％的一部分经光纤阵列(输入端3)进入  用器AWG2，N路光信号经过AWG2后合成一路含有多波长的复用信号，从左上端的输出端4输出。而能量约占5％的光信号分别进入N个光探测器阵元里被分别探测。计算机从光探测器阵列里采集各个通道的能量信息，并以之做为反馈信息来控制VOA阵列，调节每个VOA的衰减量，使进入到光探测器里的各路光信号的能量相等。进入到光探测器里的各路光信号的能量相等就反映了进入AWG2中的不同波长信号的能量相等，从而实现了对输入信号的动态能量增益。该模块的特点之一是各个通道能量的均匀性是计算机自动调节的，不但没有人工参与手动调节VOA，而且各个通道的能量均匀性效果非常的好。

Claims (7)

1、一种基于波导阵列光栅模块的动态通道能量均衡器，包括光衰减器、复用/解复用器、光分束器、探测器及计算机，其特征是将两个阵列波导光栅AWG交叉集成在同一个芯片上，其中AWG1起解复用器作用，AWG2起复用器作用，从AWG1出来的信号通过光纤阵列直接进光衰减器VOA阵列进行动态衰减，信号通过VOA后就进入了光分束器，从光分束器分出的大部分光信号被耦合回AWG2的输入端进行合波并输出，少部分光信号进入阵列探测器，计算机通过采集来自阵列探测器的信号，并以之作为反馈信息来动态调节VOA的衰减量，使进入AWG2的不同波长的光信号能量相等，实现各通道的能量均衡。

2、根据权利要求1所述的动态通道能量均衡器，其特征是复用器AWG2的多路输入端和解复用器AWG1的多路输出端处在芯片的同一侧，而解复用器AWG1的输出端和复用器AWG2的输入端处在芯片的同一侧。

3、根据权利要求1或2所述的动态通道能量均衡器，其特征是解复用器AWG1由一个输入波导，两个平板波导和阵列波导，N个输出波导组成，复用器AWG2由N个输入波导，两个平板波导和阵列波导，一个输入波导组成。

4、根据权利要求1所述的动态通道能量均衡器，其特征是输入、输出波导都位于罗兰圆周上，每个阵列中的波导正对中心的输入/输出波导，并在端面处采用可变Taper结构以减小耦合损失、平坦化输出光谱的作用。

5、根据权利要求1所述的动态通道能量均衡器，其特征是波导阵列中相邻波导间的长度差为常数。

6、根据权利要求5所述的动态通道能量均衡器，其特征是相邻单元波导长度差为AWG芯片中心波长的整数倍。

7、根据权利要求1所述的动态通道能量均衡器，其特征是从AWG1出来的信号通过光纤阵列直接进入VOA阵列进行动态衰减，信号通过VOA后就进入了光分束器，从光分束器分出的约95％的光信号被耦合回AWG2的输入端进行合波，约5％进入阵列探测器，计算机通过采集来自阵列探测器的信号，并以之作为反馈信息来动态调节VOA的衰减量，使通过VOA阵列的不同波长的光信号能量相等，实现各通道的能量均衡。

Images