（光学专业论文）aotf光谱仪在光信道监测中的应用.pdf

中文摘要 波分复用( w d m ) 是光纤通信中的一种重要传输技术，它将多个不同波长的 光载波信号在发送端经复用器汇合并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输，使 传输能力迅速扩大数十倍甚至上百倍。 在w d m 通信系统中，信道间隔很小，容易发生信道串扰，严重时会导致通 信中断和系统瘫痪，所以波长监测是十分必要的。采用声光可调谐滤波器( a o t f ) 作为分光元件，研究了一种a o t f 光谱仪用于光信道的监测。同传统的光信道监 测手段相比，a o t f 光信道监测仪具有扫描光谱范围宽，调谐速度极快及调谐 方便，易于集成等许多突出的优点，因此在光信道监测中具有非常广阔的应用前 景。 本文在对以声光可调谐滤波器为分光元件的光信道监测仪进行的理论和实 验研究基础上，使用c + + 语言编程制作了a o t f 光谱仪的在线监测操作平台， 使其能够达到参数设置、光谱采集、波形显示与数据标识一体化。同时，对a o t f 光谱仪的改进方向做了一个简要的分析，包括测量精度、温度控制等相关方面， 并提出几种相应的解决方案。 关键词：光通讯波分复用光谱仪信道监测声光可调谐滤波器 a b s t r a c t w a v e l e n g t h - d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g ( w d m ) i sak i n do fi m p o r t a n tt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g yi nt h eo p t i cf i b e rc o m m u n i c a t i o n i tt a k et w oo rm o l eo p t i c a l s i g n a l sw i t h d i f f e r e n tw a v e l e n g t h st o g e t h e rw i t l lm u l t i p l e x e ra tt h es o u t c c ，a n dt h e nc o u p l et h e m i i l t 0t h es a m ef i b e rt ot r a n s m i tt h e m s ot h et r a n s m i s s i o na b i l i t ye x p a n d ss e v e r a l d o z e no re v e nt oh u n d r e d so ft i m e sr a p i d l y i nw d m s y s t e m , t h ec h a n n e ls p a c e i sv e r ys m a l l ，s oi t se a s yt op r o d u c ec h a n n e l c r o s s t a l k , a n de v e ni n t e r r u p tt h ec o m m u n i c a t i o n s oi t sn e c e s s a r yt om o n i t o rt h e p e r f o r m a n c eo fo p t i c a lc h a n n e l r e s e a r c hak i n do fo p t i c a ls p e c t r o m e t e ru s et h ef i l t e r o fa c o u s t o o p t i ct u n a b l ef i l t e r ( a o t f ) a st h el i g h t - s p l i t t i n ge l e m e n t ，w h i c hi su s e dt o m o n i t o rt h eo p t i c a lc h a n n e l c o m p a r e dw i t ho t h e rt r a d i t i o n a lo p t i c a lc h a n n e l m o n i t o r i n gm e t h o d , t h ea o t fo p t i c a lp e r f o r m a n c em o n i t o rw em a d eh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sw i d et u n a b l er a n g e ，f a s ta n dc o n v e n i e n tt u n a b l es p e e d , c a l lb e e a s i l yi n t e g r a t e da n ds oo n s oi th a sv e r yw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h eo p t i c a l c h a n n e lm o n i t o r i n g o nt h ef o u n d a t i o no ft h et h e o r ya n de x p e r i m e n to fa 0 1 1 fu s e di no p t i c a lc h a n n e l m o n i t o r , i nt h i sp a p e rw e m a d ea l lo p e r a t i n gp l a t f o r mf o rt h em o n i t o ro n _ l i i l eo f a o t fo p t i c a ls p e c t r o m e t e rw i t hc 抖i tc a l lb eu s e dt or e a l i z et h ep u r p o s e so f p a r a m e t e rs e t t i n g ，o p t i c a ls p e c t r u mc o l l e c t i o n ，w a v e f o r ms h o w i n ga n dd a t a i d e n t i f i c a t i o ni n t e g r a li n c o r p o r a t e d a tt h es a m et i m e ，w em a d eab r i e fa n a l y s i sf o rt h e i m p r o v e m e n t o fa o t fo p t i c a l s p e c t r o m e t e r , i n c l u d e m e a s u r e m e n ta c c u r a c y , t e m p e r a t u r ec o n t r o la n ds oo n ，a n da f t e rt h a tw ep u tf o r w a r ds e v e r a lc o r r e s p o n d i n g s o l u t i o n k e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，w d m ，o p t i c a ls p e c t r o m e t e r , o p t i c a l c h a n n e lm o n i t o r i n g ，a o t f 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名盘础 签字日期： 阳夕7 年6 月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：互碧钐殳 导师签名： 一 j7 ， 瓦哎 i 签字日期：力印7 年易月r 日签字日期：函缈7 年多月罗日 天津大学硕士学位论文 绪论 绪论 第一节光纤通信及w d m 技术发展概况 计算机、互联网技术迅速兴起，给人类的物质和精神生活带来了翻天覆地的 变化。通信成为人们生活中的重要内容。尤其是以i n t e m e t 为主的数据通信流量， 出现了爆炸式的增长。通信流量急剧地增长，一方面给传统的传输系统造成了很 大的压力，迫使系统供应增加带宽，减小网络的拥塞；另一方面，也带来了新技 术发展的机会。光纤通信技术以其巨大的宽带潜力和无与伦比的传输性能在通信 领域，特别是在长距离大容量通信中占据着重要位置。 由于光波具有极高的频率( 大约3 亿兆赫兹) ，也就是说是具有极高的宽带从 而可以容纳巨大的通信信息，所以用光波作为载体来进行通信一直是人们几百年 来追求的目标所在。 一九六六年七月，英藉、华裔学者高锟博士( k c k a o ) 在p i e e 杂志上发 表了一篇十分著名的文章用于光频的光纤表面波导，拉开了人类迈向光网络 世界的大门。从1 9 7 0 年美国康宁玻璃公司根据高锟文章的设想，用改进型化学相 沉积法( m c v d 法) 制造出当时世界上第一根只有几米长，衰耗约2 0 d b k m 超 低耗光纤起【1 】，人们不断对光纤的制造工艺加以改进，到了9 0 年人们已研制出损 耗仅为0 1 4 d b k m 的低损耗光纤，这已经极为接近石英光纤的理论衰耗极限值 0 1 d b k m 。而自7 6 年美国在亚特兰大开通了码率为4 5 m b s ，中继距离为1 0 k m 的 世界上第一个实用化光纤通信系统起，到九六年，1 0 g b s 的s d h 产品进入商用 化阶段短短的二十年时问里，其速率增加了2 0 0 0 倍，比同期微电子技术的集成 度增加速度还快得多。 然而采用电的时分复用系统的扩容潜力已尽，但光纤的2 0 0 r i m 可用带宽资源 仅仅利用了不到1 ，9 9 的资源尚待发掘。如果将多个发送波长适当错开的光 源信号同时在一极光纤上传送，则可大大增加光纤的信息传输容量，这就是波分 复用( w d m ) 的基本思路。1 9 9 7 年，采用波分复用技术( w d m ) 的2 0 g b s 和 4 0 g b s 的s d h 产品试验取得重大突破，从此人们逐步走入w d m 时代。 w d m 技术是将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合 在一起并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术【2 】。它可以利用已经敷设 好的光纤，使单根光纤的传输容量在高速率t d m ( 时分复用) 的基础上迅速扩 天津大学硕士学位论文 绪论 大数十倍甚至上百倍，充分的利用了现有光纤的带宽，解决了通信网络传输能力 不足的问题。同时，w d m 系统还具有以下几个优点：( 1 ) 在大容量长途传输时 可以节约大量光纤和再生器，从而大大降低了传输成本；( 2 ) 与信号速率及电调 制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段；( 3 ) 利用w d m 网络实现网络交换 和恢复可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。目前，“掺饵光纤放大 器( e d f a ) + 密集波分复用( w d m 卜非零色散光纤( n z d s f ，即g 6 5 5 光纤) t 3 j + 光子 集成( p i c ) ”正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。 第二节波长监测的意义 正是因为光纤的海量的容量，一但光纤发生断裂，损失也是巨大的。我国光 缆的毁坏很严重，2 0 0 1 年中美海底光缆的几次断裂，造成了巨大的损失。而且服 务质量对通信公司来说很重要，能否保证服务质量关系到公司能否赢得用户。中 国电信、中国移动、联通、铁通等各大通信公司现在铺设的光缆网基本上同时都 配有远程光缆自动监测系统( i 江t s 【4 】) 。 但是现有的r f t s 系统还无法监测d w d m 系统的性能。随着w d m 光网络 的发展，新的网管系统必须能在波长级上实现光传输层管理，而这正是现有网络 管理所无法达到的。此外，现有网管方案虽然能满足长途传输网的要求，但由于 采用了较多的o e o ( 光电光) 变换，很难实现低成本城域网管理。而且，传统网 管系统的管理性能较弱，它对于波长信道的工作状态和健康情况一无所知或知道 很少。传统网管系统不提供与传输层有关信道功率、波长和光信噪比( o s n r ) 等 关键信息。相反，光传输层通常被看成一系列毫无智能的管道，对整个网络的管 理几乎没有什么价值。如果无法有效地监测d w d m 系统的运行性能，通信公司 也就无法保证服务质量，这也是现在许多通信公司对d w d m 系统持观望态度的 原因之一。 然而，这种状况即将迅速改变城域网运营商需要的是一种智能化解决方 案，除了减少对昂贵的光电器件和设备的依赖性之外，迫切需要在整个网络上实 现对单波长信道的主动测试与管理。波长监测和管理是d w d m 系统大规模应用 的基础。通过将该管理与监测功能分布于整个网络的各主要节点，运营商就能在 波长级实现光传输层性能的集中监控。该功能为光传输层增加了智能，由于其较 强的故障预测能力，从而减少了直接投资和运营成本，增加了收入。波长管理将 使城域网运营商能够部署d w d m 网络，从而可增加收益和提高业务配置和维护 效率【5 1 。 2 天津大学硕士学位论文绪论 第三节论文的主要内容 论文的主要内容是，在已经研制成功的依赖于偏振的单级共线型声光可调谐 滤波器的基础上，对以声光可调谐滤波器为分光元件的光信道监测仪进行了实验 研究，设计组装简单的a o t f 光谱仪，并使用c + + 编写光谱仪的操作平台，以 达到实现其实用化目的。第一章中介绍了现有的波长监测手段，包括单波长和多 波长监测技术，重点介绍了各种光谱仪的工作原理、特性，对它们的结构和优缺 点做了客观的描述，并简单描述a o t f 光谱仪的特点和优势；第二章中介绍了声 光可调谐滤波器a o t f 的基本原理，首先介绍了声光模式转换原理，然后对共线 型的a o t f 基本结构进行了描述，最后分析了其温度特性，这对保证光谱仪的信 道监测准确性有重要意义；第三章重点介绍了a o t f 光谱仪的基本结构，并在原 有的简单数据采集程序基础上，对其进行改进与设计，使其能够达到参数设置、 光谱采集、波形显示与数据标识一体化，实现波长在线监测的功能；最后一章中， 对a o t f 光谱仪的改进方向做了一个简要的分析，包括测量精度、温度控制等相 关方面，并针对其不足之处提出几种解决方案。 天津大学硕士学位论文第一章光波长检测的理论与技术 第一章光波长监测的理论与技术 1 1 光波长监测理论 在w d m 光网络中需要实时对光波信道进行监控和管理。例如，在光纤链路， 需要对光纤断裂等线路故障进行实时监控和故障定位；在光网络节点，需要对光 信号的选路状态和光波信道的功率进行监控。 在传统网络中，对光纤链路的监控，通常用光时域反射仪( o t d r t 叼) ，其主 要用来监测光纤的应变、应力、温度、位移等参数。 而与传统的光通信系统相比，d w d m 系统需要监测更多的参数，以及这些 参数与波长的变化关系【。7 1 。相关的主要参数有： 通道光功率：每个通道的光功率必须准确测量，这样才能知道系统中每个 通道是否正常地工作，以及系统中采用的掺铒光纤放大器( e d f a ) 的放大带宽是 否覆盖了每个通道。 幸通道的中心波长：在d w d m 中，通道波长变化将影响到相邻的通道。因 此，每个通道的中心波长必须精确测量，判断光源的波长飘移是否合格。 光信噪比( o s n r ) ：是d w d m 系统中最重要的参数之一，它反映通道的 整体性能。 通道串话( c r o s s t a l k ) ：这个参数表明了在被测量的通道的频带内由其它通 道引入的噪音信号的强度，在现场中它最难测量，需要分两步来完成，但它是衡 量通信系统质量好坏的一个重要参数。 整体光功率：光纤传输的非线性现象与光功率有关，所以整体光功率需要 测量或求和计算出来。 色散：光纤的色散在d w d m 中是影响光脉冲畸变的重要参数，它与光纤 的折射率和工作波长有关。 偏振模色散( p m d ) ：偏振模色散是由于光信号在传播中两个相互正交的偏 振态变化速度不相同，而导致脉冲形状畸变的一个参量。这个参量服从麦克斯韦 分布，可用一个统计平均的参数来表示。它影响信号传输质量、增大误码率、限 制了单波长光传输使用更高的速率。这个参数比较棘手，即使是在实验室也很难 测量，在现场测量更难。在现有的一些低速系统中，这个参数可以忽略，但对于 高速系统，它的影响巨大。 4 天津大学硕士学位论文第一章光波长检测的理论与技术 1 2 现有的波长在线监测技术 根据被测光信号中光载频成分的不同，大体上可将光波长测量技术分为两 类：一是针对对线宽足够窄的单色光信号而言的单波长测量技术，另一种是针对 包含多个光载频的光信号而言的多波长测量技术。 1 单波长测量技术 在很多场合，需要对d w d m 系统的某一个复用信道波长进行测量，或对 d w d m 光源波长进行监测和校准。单波长测量系统结构一般都比较简单，易于 做成便携式仪表，而且成本较低，具有很高的性价比。在需要对多个信道同时进 行监测时，可将一个可调谐光滤波器和单波长测量仪表配合使用，将可调谐光滤 波器沿着要选测的波长范围进行调整移魂然后通过单波长测量仪表依次测出各 信道波长及光功率值。 单波长测量技术主要有三种，一种是基于波分复用器件的单波长测量，其原 理图如下： 鹪b k i 复用器 图1 - 1 利用双锥耦合波分复用器实现波长测量的原理框图 该测量方案中的关键器件是双锥耦合波分复用器被测光信号波长值的测量 主要是借助于耦合波分复用器的耦合系数随入射光波长的变化而变化这一特性 来实现的。利用这一测量原理制成的波长计在1 5 3 0 1 5 7 0 r i m 的范围内可以达到 小于0 1t i m 的测量精度。 第二种是基于线性滤光片的单波长测量方案。该方案中的核心器件是线性滤 光片，它具有依赖于入射光波长的传输特性，如图1 3 所示。在图1 2 中，被测 光信号被一个1 x 2 的光功率耦合器分为两路其中一路经线性滤光片后进入光电 探测器成为测量信号：另一路直接进入光电探测器成为参考信号。由于滤波片对 光信号的吸收和反射，使得测量信号相对于参考信号来说有所衰减，对于不同波 天津大学硕士学位论文第一章光波长检测的理论与技术 长的光其衰减量是不同的。将测量信号值与参考信号值相比即得到滤光片的传输 比。测量信号和控制信号各自经放大器和a d 转换器处理后成为数字信号，将 它们传入微处理器进行处理，最后显示出波长值。 謦 簧 囊 傲 图1 2 基于线性滤光片的光波长测量方案 i 湖l 珊1 枷i 吼 麓繁 嘶 图l 一3 线性滤光片的传输比曲线 由于线性滤光片的光功率衰减范围( 动态范围) 不宜过大，因此要得到高分 辨率的波长测量结果，则需要高精度的光功率测量手段。 第三种是基于多量子阱电吸收探测器的单波长测量，图l - 4 为一种利用 i n g a a si n p 多量子阱电吸收滤波探测器【8 】【9 】的光波长测量系统的原理图，该测量 系统用于测量窄线宽的单色光信号。在图1 - 4 中，输入信号光被分为两路，一路 用多量子阱电吸收可调探测器接收，另一路用一个参考探测器接收。然后对两路 信号进行同步放大、整形，最后经过一个模拟除法器将两路信号值相比以消除对 入射光强大小的依赖。整个测量系统在1 5 5 0 1 5 9 3 姗的范围内可达n 士8 3 0i 珊 的分辨率。 6 天津大学硕士学位论文第一章光波长检测的理论与技术 图1 _ 4 利用i n g a a s i n p 多量子阱电漏吸收滤波 探测器的光波长测量系统 以上介绍的是3 种较为典型的单波长测量方案，从中可以得出这样的结论： 对光波长的测量关键是借助于具有波长选择功能的光学器件一般利用某种光学 原理得出该器件在所测波长范围内的传输特性，进而实现对光波长的测量。实验 所选择的器件对波长响应程度的好坏直接决定最终测量结果的优劣。这类光波长 测量技术的具体实现方式是多种多样的，所用到的器件可以是分光器件、滤光器 件，也可以是光接收转换器件和偏振控制器件等等，所用到的原理也各不相同。 2 多波长监测技术 对于非单色光源，需要将其发出的光进行分解，即将不同波长的光线按一定 规律分开排列，然后通过实验方法测量这些被分解的光谱光线的波长和强度。 d w d m 系统的器件和光路的参数与波长有关，由于其信道密集，多波长监测是 最佳手段，因此测量d w d m 参数的最佳仪器是光谱仪。 1 3 光谱仪监测技术 用来监测信道光波参数的仪器称为光性能监测器( o p m ) 0 0 ，这里特指应用光 谱仪为监测元件的仪器。目前，各个公司正在或者已经研发出来的o p m 有多种 型号和种类，但根据其的分光原理，可以把它们分为衍射型和干涉型两种。由于 每种o p m 模块中使用的具体分光元件可能不一样，使得各种o p m 模块在工作 原理上又有较大的变化和差异，下面分别对这两种类型的o p m 工作原理进行简 单的介绍。 1 基于衍射型的o p m 基于衍射型的o p m 模块主要由三部分组成：衍射部分，阵列探测器，信号 处理器。这种类型的o p m 因衍射元件和衍射方式不同而在具体结构上有所差异。 其中，衍射元件主要有透射型衍射光栅1 、反射型衍射光栅和光纤光栅【1 3 】等 7 天津大学硕二l ：学位论文第一章光波长检测的理论与技术 几种；而衍射方法主要包括单通、双通以及四通等。 基于衍射型的o p m 模块基本工作原理如下：首先，从光网络中提取出一定 比例功率的光信号；该光信号经过准直透镜后转变为平行光，并使平行光沿着衍 射光栅的最佳衍射角入射；经过衍射光栅后，得到衍射效率极大的衍射光，不同 波长( 频率) 的光信号被分离开；分离后的光信号经过会聚透镜，被会聚在阵列 探测器的不同象素上，并在阵列探测器上按波长( 频率) 依次分布；阵列探测器 对光信号进行实时快速采样，将光信号的幅度转换为电信号，从而获取原始的光 谱数据，并将原始数据传送给信号处理器；信号处理器对原始数据进行处理和分 析，根据光强的幅度和分布，进行去卷积运算，恢复光谱曲线，计算出光信号的 相关参数。 2 基于干涉型的o p m 基于干涉型的o p m 也主要由三部分组成：可调谐滤波器，探测器和信号处 理与控制器。同样，这种结构的o p m 模块因可调谐滤波器及其驱动不同而在结 构上有一定的差异。现在所采用的可调谐滤波器原理主要分为m i c h e l s o n 干涉仪 【1 4 1 、f a b r y p e r o t 干涉仪【1 5 】和介质膜滤波器【1 6 】【1 7 】等；而所采用的驱动主要有压 电陶瓷、微电机系统( m e m s ) 以及温度传感等。 基于干涉型的o p m 模块基本工作原理如下：首先，从光网络的信号中，提 取出来一定比例的光功率，传送到可调谐滤波器；可调谐滤波器对输入的光信号 进行滤波，将一定带宽的光信号透过，再导入光电探测器中；光电探测器进行光 电转换，对光信号采样，将光信号的振幅转换为电信号传送给信号处理与控制器； 信号处理与控制器在接收了采样数据后，再发送指令，改变可调谐滤波器的通带 波长，如此反复，直到扫描完所需的整个波长范围；最后信号处理器将得到的采 样数据进行分析和处理，计算得出光信号的通道中心波长、光功率、o s n r 等指 标，并将结果和光谱数据输出。 1 4 现有光性能监测器的分光元件 光性能监测器的核心部分是一个分光元件，它是一种波长( 频率) 选择器件， 它的功能是从许多不同频率的输人光信号中，根据需要选择出一个特定频率的光 信号作为监测对象。一个质量优良的分光元件应该具有细度高以容纳更多的信 道、带宽窄以允许信道间隔小、波长可调节范围宽、在分组交换中用于多信道快 速交换时波长交换速度快、波长稳定性好和精度高等优点，并具有潜在的价格优 势。目前出现的用在光性能监测器中的分光元件主要基于法布里珀罗标准具【l 驯 8 天津大学硕士学位论文第一章光波长检测的理论与技术 1 9 1 、光纤布拉格光栅 2 0 3 、阵列波导光栅 2 l 】【2 2 1 、介质薄膜等，下面分别对这些 分光元件的原理及其优缺点进行详细介绍。 1 法布里一珀罗型分光元件 图1 - 5 法布里一珀罗标准具工作原理图1 - g 法布里一珀罗监测方案 f - p 干涉仪，也称为标准具，是一种多光束干涉仪器( 如图1 5 所示) 。在光性 能监测器中，f p 干涉仪以透射方式工作。因此，研究f p 干涉仪的分光作用，只 需要研究其透射特性。根据多光束干涉原理，忽略介质吸收损耗，干涉仪的光强 度透过率和位相条件够可表示为 = = f 妒( 而1 - r 而) 2 缈：牟) 2 n d c 。s p ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) 其中：i t 和i 。分别是入射光和透射光强度；r 是干涉仪两反射面的反射率；p 是 两相邻光束问的位相差；n 是两反射面之间介质的折射率；d 是两反射面的间距， 即介质厚度或f - p 腔长度。当满足够= 2 m 万时，可得干涉仪透射光强分布的极大 值，由式1 - 2 可知，透射波长的大小仅由d 和所决定，所以可以通过固定器件的 腔长d ，然后调谐入射光波的角度实现对波长的选择，或者还可以固定入射光波 的角度，通过调谐器件的腔长也可以达到选波的目的。 f p 干涉仪的调谐方法主要有两种，压电调谐法【z 3 j 和机械调谐法l z 4 。，分别 对应f p 腔的调谐和入射光波的角度调谐。压电调谐法它主要利用材料的压电效 应改变f p 腔的长度，从而达到滤波的目的。在法布里一珀罗o p m 中，每个波长的 光波分别对应一个特定的谐振腔长，而加在谐振腔上的扫描电压与谐振腔的长度 又是一一对应的，所以通过连续的扫描电压信号就可以选出需要的工作波长进行 监测。采用压电调谐的o p m ，调谐速度较快，可以达到几十毫秒，但是要达到 o 0 8 n m 的调谐精度比较困难，工艺制作难度较大。机械调谐一般是通过步进电机 改变入射光波的角度实现调谐的功能。在利用步进电机进行调谐时，它的精度主 要由步进电机的步距角或步距增量决定的。可以通过对电机驱动电流的调节实现 对电机步距角的控制。当采用三相的步进电机，对步进电机进行2 0 细分，则步进 9 天津大学硕士学位论文第一章光波长检测的理论与技术 电机的最小步距角可以达到00 1 8 度，对应的步距增量为o0 8 n m ，能够满足对 1 0 0 g h z 的w d m 系统进行调谐的要求。虽然采用步进电机进行机械调谐的方法简单 容易实现，但是其测量精度不高，而且速度较慢所以一般应用较少。 2 光纤布拉格光栅型分光元件 图卜7 光纤布拉格光栅型分光元件 光纤布拉格光栅( 如图1 7 ) 是一种光纤折射率受到周期调制的光纤器件， 这种折射率的调制可使光纤内传输的光信号的不同模式进行耦合。对于短周期光 纤光栅，满足b r a g g 条件的人射光被光纤光栅耦合到反射模中，可得 ：坐( 1 - 3 ) n 式中，a 为光栅中心波长：n 为纤芯有效折射率；a 为纤芯折射率的调制周期。 光纤布拉格光栅的中心波长灵敏性由光纤弹性、弹光和熟光及加载的应力特性决 定。取一阶光栅衍射，并忽略高阶项，对式卜3 作微分，则中心波长的变化量可 由下式决定： “_ 2 ( a 象+ n 瓦a a 灿+ 2 ( a 鲁+ n 筹) ( 1 _ 4 ) 扎扎。、订计 式中，l 为光纤光栅长度；t 为光纤光栅温度。由式1 - 4 可知，令l = 0 时，通过温 度变化可实现光纤光栅波长调谐，目前已有应用其特性进行温度测量的研究1 2 5 ， 反之亦可通过温度调谐波长；而令a t = 0 ，即保持恒温，通过机械装置调谐光纤 光栅 2 6 ，也可实现光纤光栅的波长调谐。经过实验证明采用温度控制的方法 对光纤光栅进行调谐速度较慢，而机械调谐方法需要有忘好的机械稳定性和可重 复性 3 阵列波导光栅型分光元件 天津大学硕士学位论文“1 + 第一章光波长检测的理论与技术 图卜8 阵列波导光栅结构图 阵列波导光栅又称相位阵列( p h a s a r ) 或波导光栅路由器( w g r ) ，它最先 由m k s m i t 于1 9 8 8 年提出1 2 7 】，d r a g o n e 将a w g 从l x n 推广至i j n x n e 2 8 】。 a w g 具有低损耗、低串扰、尺寸小、灵活性高、可实现多种功能等优点。 a w g 的结构如图1 8 所示，它由输入波导、输出波导、波导阵列和两个平板 波导( 自由传播区) 组成，集成在同一块基底上。a w g 分光的原理为：输入光经第 一个平板波导的散射后，以相同的相位耦合入阵列波导( 因为阵列波导端部位于 光栅圆周上) ，在多个波导中传播产生相移，并在第二个平板波导端部汇聚。由 于各波导间的传播光程差等于中心波长的整数倍，经阵列波导之后，同一波长的 光产生了相同的相移( 只相差2 兀整数倍) ，而不同波长的光则产生不同的相移， 因此，波前发生了倾斜，汇聚点也不同，即各波长的光分别在特定的位置成像， 在空间上分开了。根据互易性，也可利用a w g 把不同输入波导中的多个不同波 长的光信号汇集到同一输出波导，实现复用功能。 a w g 的特点是信道间隔小、插入损耗低、均匀性好、复用信道数多、体积 小和易于与其它器件集成等：并且由于是波导集成器件，易于批量、自动化生产， 在成本上有一定的优势。阵列波导光栅o p m 一般使用热调谐法，它主要是利用 热光效应实现波长调谐的目的。通过对晶体进行局部加热，使阵列波导温度发生 变化，从而引起波导折射率的改变，而波导折射率的改变会使通过的光波相位发 生变化，进而实现波长调谐。其最大优点是在宽的波长调谐过程中，不会出现线 宽扩展现象，但热调谐的响应速度较慢，只适合相干光通信和光测试等要求较窄 线宽系统应用，不适合光交换等高速系统应用。同时如何精确控制a w g 中各个 光臂的长度差以消除不同路径之间的串扰是进行大规模集成的最大限制因素。 4 介质薄膜型分光元件 介质薄膜型分光元件是由介质薄膜( d t f ) 构成的一类芯交互型干涉器件， 它由几十层不同材料、不同折射率和不同厚度的介质膜，按照设计要求组合起来， 每层的厚度为1 4 波长，一层为高折射率，一层为低折射率，交替叠合而成。 天津大学硕士学位论文第一章光波长检测的理论与技术 当光入射到高折射层时，反射光没有相移；当光入射到低折射层时，反射光经历 1 8 0 0 相移。由于介质层厚为1 4 波长，因而经过低折射率介质层反射的光波经历 3 6 0 0 相移后与经过高折射率层的反射光波同相叠加。这样在中心波长附近各层反 射光叠加，在分光元件的前端面形成很强的反射光。但在这高反射区之外，反射 光突然降低，大部分光成为透射光。据此可以使薄膜干涉型分光元件对一定波长 范围呈通带，而对另外波长范围呈阻带，形成所要求的分光特性。薄膜干涉型分 光元件的结构原理如图1 - 9 所示。 波器 1 波器 图l - 9 介质薄膜型分光元件 介质薄膜分光元件的主要特点是；设计上可以实现结构稳定的小型化器件， 信号通带平坦且与极化无关，插入损耗低，通路间隔度好。缺点是通路数不会很 多。具体特点还与结构有关，例如薄膜型分光元件在采用软型材料的时候，由于 分光元件容易吸潮，会受环境的影响而改变波长；当采用硬介质薄膜时，材料的 温度稳定性优于0 0 0 0 5 n m ? c 。另外，这种器件的设计和制造过程较长，产量较 低，光路中使用环氧树脂作为介质材料时，隔离度不是很高，带宽也不容易压得 很窄。在w d m 系统中，当只有4 至1 6 个波长c w d m 时，使用该型分光元件 是比较理想的。 5 a o t f 分光元件 声光可调谐滤波器是一种利用声光作用原理研制成的一种分光元件【z 9 。其 基本原理可描述如下：控制电信号经换能器后产生一定频率的声表面波，声表面 波在声光介质中传播，与光波相互作用，改变光波的偏振状态。当满足一定的条 件时会使光波完全由t e 模转换成t m 模( 反之亦然) 透射出去。 相比于其他分光元件，a o t f 有着很突出的优点，例如它结构简单、无移动 部件，调谐范围宽( 可覆盖整个1 2 1 6 n n 波段) ，而可以多波长同时选择等。 最吸引人之处在于它的波长调谐过程具有快速、多模式等非常独特的优点，根据 需要可以方便地与计算机接口，通过程序控制选取波长的线性扫描输出、随机输 出、或多波长混合输出，并进行数据处理。， 1 2 天津大学硕士学位论文第二章声光可调谐滤波器的基本原理 第二章声光可调谐滤波器的基本原理 2 1 声光模式转换原理 在集成共线型a o t f 中，光波长的选择是通过声光模转换而实现的，这可以 用耦合模理论来对声光模转换过程加以分析。下面用耦合模理论描述波导中的 t e t m 模式偏振转换。 如图2 1 所示，沿x 切y 传铌酸锂晶体钛扩散单模光波导传播的光波有两 y 图2 1 声光耦合t i ：l i n b 0 3 波导滤波器位相匹配情况 个偏振模式，准t e o 模和准t m o 模。设它们的光波电矢量分别为e t e 和e t m 。若 沿光波传播方向的折射率受到周期性扰动，则介电张量可以分解为： 占( z ，z ，y ) = 占( o ( x ，z ) + a 6 ( x ，z ，y ) ( 2 - 1 ) 其中占( o 是介电张量的主要部分，占是微扰部分，它沿y 轴方向周期性变化。 不含微扰的波动方程为： 2 v 2 茁一胪 仁柳 l 训y 咖( 咖一( 等) ， 卜7 丁= i f s ：2s i n 2 ( 砂) = ：= = - 兰；吃i 歹f s m 2 ( y 耳= 丽) ( 2 一t 4 )r l r l 2 + f 钳_ 一 天津大学硕士学位论文第二章声光可调谐滤波器的基本原理 在位相匹配条件下，s 。能够使一种偏振模式完全转变为另一种偏振模式。 2 2a o t f 的结构和滤波特性 集成光学声光可调谐滤波器认o t f 可以分为共线型和非共线型a o t f 。共 线型a o t f 是目前实验室已经研制成的器件【3 1 1 ，其基本结构如图2 - 2 所示：t m t e 模转换器和t e 通偏振器( t e - - p a s sp o l a r i z e r ) 集成于同一块基片上构成，其中 t m t e 模转换器【3 2 j 由光波导( o w g ) 、声波导( a w g ) 、叉指换能器( i d t ) 和声吸收 带( a b s o r b e r ) 构成。整个器件结构紧凑，其各项指标比如驱动功率、通道带宽、 可调谐波长范围、插入损耗等数方面均达到国外同类器件的先进水平。 图2 2 共线型a o t f 不意图 如图2 2 所示，假设在l i n 胁0 3 晶体上用钛扩散制成的光波导。光波入射到 波导中，若没有声表面波调制，此时的t e 和t m 模相互独立。如果给器件加上 声表面波，由于弹光效应，有声波传播的媒质可以近似看成周期性媒质，则当 t e 模和t m 模相位匹配时引起之间的强烈相互作用，当入射光以偏振态t e 入 射时，且光波波长满足位相匹配条件 i 风一眦| _ i k i ( 2 1 8 ) 时，t e 模完全转化为t m 模，式中陆、b t m 、l c a c 分别为t e 模、t m 模和声波 的波数。只有波长满足位相匹配条件的光波才能够完全转化，通过检偏器后得到 所需波长的光信号，从而达到滤波的目的。， 根据量子理论的观点，声光作用是光子与声子之间的相互作用，应满足以下 能量和动量的守恒关系： 壳髓k = 壳壳应k ( 2 - 1 9 ) 嘞= + k ( 2 2 0 ) o ) t e 和诩为转换前后光子的角频率，和云掰为光波波矢量， 1 6 天津大学硕士学位论文第二章声光可调谐滤波器的基本原理 疋- 2 么= 2 r t ( 2 - 2 1 ) 为声波的传播常数，么为声波波长，圪是声表面波传播速度( 在实验室制作的声 波导材料中，室温下= 3 6 5 1 m j - 1 ) ，壳为普朗克常数。显然，转换后的光子频 率增加或者减少了一个声子的频率。 式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 右边的正负符号取决于声波相对于光波的传播方向及k r e 和k t m 的相对大小。例如，若输入光波为t m 模且k r m k a 陋，则对于从左向右 传播的光波要求式( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 的符号为正。 因为后疆= 2 _ n - 刀疆，尼删= 竿玎，因此式( 2 2 0 ) 可以化简为： 见= a i 腰一y l t m i = a a n ( 2 - 2 2 ) 对于单一的s a w 波长人，只有一个特定的光波波长满足上述底相位匹配条件， 从而产生完全的模式转换作用，而其余波长的光波则不能通过声光作用区之后的 t e 通偏振器，因此具有波长选择性。 式中，a n = l y i t m l 是为波导的双折射率，哆( 江t e ，t m ) 为模式有效折射 率，声波波长人= d 。无，所以有五：丝竽 ( 2 2 3 ) j 。 即声光可调谐滤波器的滤出波中心波长仅仅取决于声波的频率疋和波导的双折 射率以。 t m 与t e 模之间的模式转换效率与波长的理论计算和实验结果分别如图 2 3 a 和2 3 b 所示，图b 中的q 为声波的频率。 1 5 1 5 诉1 5 1 5 笛1 5 入( a m ) q ( m h 勾 ( a ) 理论结果( b ) 实测结果 图2 - 3 偏振相关的单级a o t f 的模式转换曲线 从图中可以看出，对这种依赖于偏振的单级a o t f ，实验测得的滤波曲线与 进行理论计算得到的s i n e 2 函数非常接近，其滤波通带的半波带宽为1 6 r i m ，最 高侧瓣为一9 d b ，达到了同期国内同类器件的领先水平。然而，滤波曲线两端不仅 存在侧瓣，且侧瓣高度不对称，这主要是因为沿光波导方向传播的光波的折射率 1 7 伯 明 啦 们 蛊ois魄h量竹寿-ih 佃 明 眩 置。喘聃h着讷l：刁-h 天津大学硕士学位论文第二章声光可调谐滤波器的基本原理 分布是不均匀的。 如果输入的信号光为t m 偏振态，则相应地只需将图2 2 所示的a o t f 中的 t e 通偏振器改成t m 通偏振器【3 3 1 ，其余组成部分结构不变，但各参数会有所不 同，而且滤出的光波转化成了t e 偏振光。 2 3a o t f 的温度特性 当声光可调谐滤波器在工作时，造成其温 度变化的因素主要有两个，其一就是插指换能 器( t o t ) 工作时激起的高频震动产生热。叉指换 能器( i d t ) 是一个电极交错相互联结的两端器 件( 图2 - 4 ) ，它沉积在x 切y 传l i n b 0 3 单轴 晶体基片上。叉指换能器激发声表面波的物理 本质是：当交变电压加载到器件的两个电极上 图2 - 4 叉指换能器结构示 意图 时，在基片内就建立起交变电场。因为基片x 切y 传l i n b 0 3 单轴晶体是压电体， 此交变电场经过压电效应在基片内激起相应的弹性振动。此弹性振动在基片内的 传播就形成弹性波。由于叉指电极周期排列，并且极性正负交替，所以各对电极 激发的弹性表面波可以相互加强。由此可见，在声光可调谐滤波器工作时，由于 叉指换能器激起的高频振动将产生热，造成l i n b 0 3 基片的温度上升。造成a o t f 温度上升的第二个原因是声吸收带吸收多余的声表面波造成的温度上升。在声光 可调谐滤波器工作时，声表面波在钛扩散形成的声波导中传播。当传播到基片的 端面，一部分能量辐射到基片外，一部分反射回来，影响叉指换能器产生的信号， 在通带内形成波纹。消除的方法一般是在基片靠近端面部分涂上波吸收物质，如 蜡、吸声橡胶、环氧树脂、胶带等，涂层宽度约为声波波长的1 0 倍。可见，声 吸收带在器件工作时也会因吸收多余的声表面波而引起器件温度的上升。 由于叉指换能器激起的高频振动、环境温度变化和声吸收带吸收多余的声表 面波等因素，使得铌酸锂晶体温度变化，引起a n 随温度发生变化，导致器件滤 出波中心波长发生漂移。 前面已经得出滤出波的中心波长五与波导的双折射率a n = i 玎呢一拧聊i 相关。 而模式有效折射率刀宿和，主要取决l i n b 0 3 晶体的主折射率吃，吃，也与光波 导的工艺参数相关。 天津大学硕士学位论文。第二章声光可调谐滤波器的基本原理 为了得到温度改变与频率漂移之间的关系，我们做了一组实验，实验装置如 图2 5 所示，通过改变射频发生器的输出频率，测得不同温度时的与五= 1 5 7 4 n m 匹 配的中心频率。 图2 - 5a o t f 温度特性采集系统示意图 由d f b 激光器输出的光经由p c ，得到t m 线偏振光。若这个t m 线偏振光 与声波满足相位匹配条件( 式2 2 3 ) ，则转化成名= 1 5 7 4 n m 的t e 偏振光。利用p i d 智能温度控制器使得置于恒温箱中的a o t f 器件处于不同的温度状态，同时利用 g p i b 卡控制射频信号发生器，逐渐改变加载在a o t f 上的射频频率，可以发现 a o t f 的滤波曲线发生平移，如图2 - 6 所示。即随着器件温度的升高，波导的双 折射率减小，与五= 1 5 7 4 n m 匹配的射频中心频率值减小( 左移) 。为了得到精确 的温度特性，在0 。c - - 4 0 范