吕 辉，黄龙波 武汉邮电科学研究院
摘要：文章介绍了一种将线性衰减片和F-P标准具配合使用来对光波长进行高精度测量的两级测量方案，并对其在DWDM无源器件中的运用前景作了一定的探讨。
随着人们对光纤带宽利用率的不断提高以及光学器件发展的日新月益，使得目前光波分复用器件的光波长间隔越来越小，因此对于光波长控制及测量手段的要求也越来越高。对于DWDM系统而言，需要在预先确定的几十纳米范围内精确地测出波长，针对这一特点本文提出了一种高精度的波长测量方法，它比传统的利用干涉仪测量光波长的方法要简单和容易实现得多。
1．波长测量原理
由于光强可以通过光电二级管用一种简单、快速、精确的方法测量出来，所以我们可以将波长信息转化成光强信息来进行测量。光强（光功率）测量手段目前已比较成熟，那么问题的关键便在于如何进行两种信息的转化，这势必依赖于某种对光波长敏感的光学器件，薄膜线性衰减片可起到这个作用，其传输特性如图1所示。图1中所示的线性衰减片覆盖了整个C波段，其动态衰减范围为80%，相当于近9.5dB，若用于测量100GHZ（对应于0.8nm的波长间隔）的DWDM无源器件，只需满足条件一（见图1中的附）即可区分出0.8nm的波长间隔。为了进一步精确的测出被复用的80% dynamic range over 1520-1570nm (C-band) Specifications
图1 薄膜线性衰减片的传输曲线图
附：
条件一：整个波长测量系统的PDL＜9.5dB/[(1570-1520)nm/0.8nm]=0.15dB
波长值，则需借助其它的光学器件来辅助实现，具体实施方案参见图2。
图2中所示的是整个波长测量系统的原理框图，被测光信号经过一个1×4的耦合器分为4路功率相同的信号，分别处理这4路光信号后用光电探测器将它们转换成电信号，然后对它们进行相同的电路处理。图中的信号1称为参考信号，信号2经过了线性衰减片的处理，我们把它称为一级测量信号。如前面所述，线性衰减片有依赖于波长的特性，我们定义它的传输比函数为TR1(λ)=-10lg(一级测量信号光功率/参考信号光功率)(dB)。信号3和4经过了两个相同的100GHZ F-P标准具的处理，这里提到的F-P标准具便是前面所说的进行进一步测量所必须用到的光学器件，其传输曲线如图3所示，它的作用也相当于衰减片，只不过是在更小的范围内将波长进一步细分，其区分精度可达到0.01nm。这里之所以用两个F-P标准具是因为在其传输曲线的峰值和谷值附近线性度较差，区分度不高，将两个F-P标准具峰值点对应的波长值错开设置，将它们配合使用，可以避免在上述区域出现测量的盲区。我们将信号3和信号4称为二级测量信号，分别定义两个F-P标准具的传输比函数为TR21(λ)=-10lg(二级测量信号3光功率/参考信号光功率)(dB)及TR22(λ)=-10lg(二级测量信号4光功率/参考信号光功率)(dB)。由图3可以看出，F-P标准具的动态衰减范围大致为7dB，因此要在0.8nm的范围内将被测光信号的波长值以0.01nm的精度区分开，必须满足条件二（见图3中的附）。
综合条件一、二可知整个波长测量系统须满足PDL＜0.15dB，在该条件下，由TR1(λ)、TR21(λ)和TR22(λ)三个函数值可唯一确定被测光信号的波长值。
图2 整个波长测量系统的原理框图
图3 F-P标准具传输曲线图（部分）
附：
条件二：整个波长测量系统的PDL＜7dB/(0.4nm/0.01nm)=0.17dB
2．实验结果
为了论证上述原理的可行性，我们按照图4所示的实验框图进行了实验论证。在实验中，我们没有采用图1所示的线性衰减片，而是采用手头
图4 实验装置框图
上现有的另外一种衰减片，其波长覆盖范围为1565~1595nm。尽管所测的波段不同，但并不会影响实验的本质。
图4中的可调谐激光源的输出光信号波长每隔一定步长自动以0.01nm递增，起始波长和终止波长分别设为1565nm和1595nm。四路光功率循环采样模块只是在光波长测量系统的控制程序中作了一些修改，将采得的四路光功率值分别保存，然后将数据通过串口传给计算机，由计算机对数据进行处理后，再根据处理的结果向光波长测量系统的单片机中写入程序，使其实现波长测量的功能。最后将可调谐激光源的输出光信号直接输入到光波长测量系统中，将后者的显示结果与标准波长值进行比较，两者完全一致。
在实验中，应将整个测量系统的PDL值控制在0.15dB以内，否则难以实现预定的测量精度。另外，由于光电二极 管都存在暗电流，即无光照时的反向漏电流，一般会随着温度的变化而变化，在实验中暗电流的影响不能忽视，特别是在光电二极管响应区边缘信噪比较差，暗电流的影响更大。为了保证精度，必须事先尽量降低并精确测出暗电流的大小，在信号处理的过程中将暗电流的影响消除掉。
3.测量系统的仪表化及其运用前景的展望
这种光波长测量系统很大一个优点在于它结构简单、容易实现，并且能够做成比较小的体积，为其转换为便携式的仪表创造了可能性。目前，国内外市场上象这种便携式的高精度光波长测量仪表还非常少，BTI公司的BTI1000和BTI2000波长/功率计是同类型产品中比较突出的，而它的波长测量精度也只达到0.1nm，而我们这种两级测量方案将精度提高了一个数量级，并且成本较低，因此市场前景非常好。
另外，本测量方案除了可测波长，也可将参考信号1直接提出来进行光功率测量。而且不单可以运用于100GHZ的DWDM器件，还可用于测量其它波长间隔的DWDM器件，只须换作相应峰值间隔的F-P标准具即可。对于测量波段的选择也可通过挑选合适的线性衰减片和标准具来实现，所以该测量方案的可移植性非常强，应用前景非常广阔。
致谢：该方案的实验论证过程得到了光迅科技有限责任公司产品开发二部肖清明、张志刚等同志的大力支持，在此致谢。
摘自《光纤新闻网》
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