專利名稱：一種基于波導陣列光柵的多路波長光功率與光頻率監測的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及波導陣列光柵型波分復用/解復用器件，具體地說涉及其多路波長光功率與光頻率監測的裝置。
背景技術：
隨著光傳輸研究的發展，波分復用技術已經成為一種增大通信信息容量的有效手段。所謂“波分復用”是指將多個不同波長的光合到同一根波導或光纖中傳輸，“解復用”是將同一根波導或光纖中的不同波長的光按照波長分開的技術。在實際操作中常常需要對各波分復用光信號進行監測，監測的內容主要包括光頻率和光功率。
通常由于波分復用系統中的激光器老化或者其它因素導致發射的光波長偏離標準波長，這種波長偏離不僅影響信號的傳輸質量，同時也影響不同波長通道之間的串擾特性，所以對光波長進行監測是必要的。而且在波分復用系統中通常要用到光放大器，由于不同波長的光放大特性不一樣，所以導致各個波長的光功率不相同，所以需要采用光功率監測系統。
為了能對多個波長的光信號同時監測，需要采用解復用器將各個波長的光信號分開，波導陣列光柵(Arrayed Waveguide Grating，簡稱AWG)型波分復用/解復用(DWDM)器件具有信道間隔小、易于同其它器件集成、體積小、性能穩定、易于批量生產、以及成本低的特點，而得到了快速的發展。
圖1所示的是一個AWG型波長解復用器的原理圖，平板波導2將波導1和波導陣列3連接起來，平板波導4將波導5和波導陣列3連接起來。波導1可以是1根或多根，陣列波導3可以有很多根，通常超過100根，輸出波導5一般超過兩根，根據設計要求選取。波導陣列中任意相鄰的兩個波導長度差恒定。它的波長解復用原理是一組間隔恒定的波長分別為λ1，λ2，λ3，...，λi-1，λi的光從同一根輸入波導中輸入，它們在波導2中會發散，能量會分布到各個陣列波導5中，由于相鄰陣列波導有一個固定的長度差，所以各個陣列波導中光在經過陣列波導到達波導4時，相鄰陣列波導中的光會有一個確定的光程差，這樣在通過波導4以后，在波導4和波導5連接端會形成干涉圖樣，不同波長的光干涉的最強點位置不同，將輸出波導與平板波導5連接的位置設置在這些干涉最強點，這樣不同波長的光就會從不同輸出波導輸出，從而實現了解復用。反之，根據可逆性原理，如果不同波長的光從相應的輸出波導輸入，在經過AWG結構后，會從同一根波導1輸出，從而也可以實現波長復用功能。
具體原理是，假設光入射到輸入波導中的中心波導中，可以得到光柵方程為nslabdsinθ+ng·ΔL＝mλ， (1)其中，nslab表示平板波導2和3的有效折射率，ng是陣列波導的有效折射率，ΔL是相鄰陣列波導的長度差，λ是入射光的波長，θ是光在3中的衍射角，m是衍射級數，為整數，而d為AWG的柵距。
式1中θ為零時波長對應的值λ0是中心波長，其定義為λ0=ngΔLm.---(2)]]>根據表達式(1)，在中心波長附近對波長λ微分就可以得到色散公式dθdλ=m(ng-λdng/dλ)dnslabng.---(3)]]>根據表達式(3)，可以看到不同的波長的入射光會有不同的波前方向，那么在平板波導4上輸出圓上聚焦的位置也就不同。
從上面看出利用AWG型器件可以將同一根波導中的不同波長的光分開，這樣就可以對各個波長的光進行監測。
授權給Koga，Masafumi等人的美國專利US5617234，該專利利用AWG器件和探測器陣列設計了一種可以對多路波長光的頻率進行同時監測的模塊。這種方法的好處是可以對波長進行監測，但是不能監測光功率。
授權給Jeong-mee Kim和Yong-hoon Kang的專利GB2346024采用的方案聲稱可以同時監測不同波長的光功率和頻率。該方案也是使用一個AWG型解復用器和一個探測器陣列實現信號監測功能。他采用的AWG型解復用器與圖1基本相同，只是沒有輸出波導，在輸出波導5與輸出平板波導4的連接處的位置放上了探測器陣列。利用探測器陣列探測的輸出波導5與輸出平板波導4的連接處的光強分布分析頻率、光強和光信號噪聲比。在實際的AWG設計中，頻率臨近的兩個波長的光在輸出波導5與輸出平板波導4的連接處成像的位置間隔很小，一般只有20μm左右，如果想利用輸出波導5與輸出平板波導4的連接處的光強分布較高精度地獲得頻率和各個波長的光強，要求探測器陣列中的各個探測器足夠小，這樣實現起來比較困難。
發明內容
本實用新型的目的是克服現有技術存在的問題和不足，而提供一種基于波導陣列光柵的多路波長光功率與光頻率監測的裝置。
本實用新型的目的是這樣實現的。
由圖2可知，本監測模塊由下列部件組成，其連接關系是輸出波導5m在與平板波導4輸出端的連接位置與AWG波分復用器的標準波長主衍射級(m)成像位置重合；輸出波導5m-1在與平板波導4輸出端的連接位置與AWG波分復用器的標準波長次衍射級(m-1)成像位置橫向偏移一個位移ΔS；輸出波導5m+1在與平板波導4輸出端的連接位置與AWG波分復用器的標準波長次衍射級(m+1)成像位置橫向偏移一個位移-ΔS；一組對應AWG7的主衍射級(m級)的輸出波導5m分別與光強探測器12連接，光強探測器12再與計算機11連接；兩組分別對應AWG7的兩個次衍射級(m-1級、m+1級)的輸出波導5m-1、5m+1分別與兩組光強探測器12連接；其中兩組光強探測器12，兩組放大器8a和8b，一組除法器9，一組對數器10，計算機11依次對應連接；或者兩組光強探測器12直接與計算機11連接。
本監測模塊工作過程如下光波長分別為λ1，λ2，...，λn-1，λn的各路光從波導1輸入到AWG器件7，通過AWG器件7后每個波長的光都有m、m-1和m+1級三個像，其中各個波長m級的像按波長從輸出波導5輸出到光強探測器陣列12；而各個波長m-1級和m+1級的像則按波長分別從輸出波導5m-1和5m+1分別輸出到光強探測器陣列12。以上的通過光強探測器陣列12的光轉換為電信號，這些電信號再通過不同的放大電路8。由同一個波長的在m-1和m+1級像的光轉換的電信號輸入到除法器電路9進行信號的除法處理，對同一個波長光信號的m-1和m+1級的像轉換的電信號做除法運算，通過除法運算的電信號再通過對數運算電路10進行對數運算。經過對數運算的信號和從探測器陣列12輸出的信號都輸入計算機進行處理。這樣就可以實現對不同波長信號的頻率和光強進行監測的目的。
由圖3可知，本AWG器件結構由下列部件組成至少有一根輸入波導1，一個輸入平板波導2，一個具有會聚作用的輸出平板波導4，一個連接輸入平板波導2的輸出端和輸出平板波導4的輸入端相鄰波導長度差恒定的波導陣列3，三組輸出波導5m、6m-1、6m+1，該三組輸出波導與輸出平板波導4連接。
其中1是與圖1中相同的輸入波導1；2和4是與圖1中相同的平板波導2和4；3是與圖1中相同的一組陣列波導3；5m-1是輸出m-1級各個波長像的波導；5m+1是輸出m+1級各個波長像的波導；5m是輸出m級各個波長像的波導。
上述部件從左至右依次連接輸入波導1，平板波導2，陣列波導3，平板波導4，輸出波導5m-1、5m、5m+1。
下面對上述監測模塊的結構和功能進一步說明。
A、功率監測在本AWG的設計中，輸入波導1是單模波導，而輸出波導5m的設計可以是單模的，也可以是其它形狀。如果輸出波導5m為單模的，那么輸出譜特性為高斯型。本實用新型也可以采用其它形狀的輸出波導5m以實現其具有平坦光譜響應的輸出特性，為實現輸出光譜是平坦的方法有很多種，如輸出波導5m采用比較寬的多模輸出波導或在輸出波導5m與平板波導4之間加入一個多模干涉結構。本實用新型采用了另外一種方法實現輸出光譜響應的平坦性，即在單模輸出波導5m與平板波導4之間加入一個梯形耦合器13，其結構如圖4所示。這種結構可以獲得很寬的1dB通帶帶寬。梯形耦合器13的具體結構如圖5所示。
由圖5可知，梯形耦合器13由居于兩側的兩個梯形波導14和居于中間的一個梯形波導15組成，梯形波導14與梯形波導15之間留有間隙；梯形波導15的大小兩端分別連接輸出波導5m和平板波導4，梯形波導14的大端與平板波導4連接。
梯形耦合器13的設計要求，當光波從波導5m輸入，在耦合器13與平板波導4的連接端輸出時，輸出的光強度具有雙峰結構；在耦合器13與平板波導4的連接端，不同波長的光成像的位置不同，而且這些像的場成高斯型。不同波長的像與這種雙峰結構的場重疊積分將會出現平坦的光譜響應。將輸出光譜響應設計為平坦型的目的是在較寬的波長范圍內，它們的插入損耗都是一樣的，這樣就可以在較寬的波長范圍內進行光功率監測。用梯形耦合器13波導結構實現光譜響應的平坦性有幾個好處第一，在各種耦合器件中梯形耦合器對波長不敏感，也就是說，在很大的一個波長范圍內，梯形耦合器13的輸出場型可以保持不變，這樣可以保證設計的AWG各個輸出波導中光譜響應具有相同的帶寬；第二，設計的光譜響應的帶寬比較寬。
B、頻率監測輸出波導5m-1和5m+1都是單模波導，所以它們輸出光譜響應都是高斯型，不同波長的光除了在波導5m中成像(m級)，同時還會在波導5m-1(m-1級)和波導5m+1(m+1級)成像，不同波長光耦合同一個輸出波導5m-1或5m+1中的光強(也被稱作傳輸函數)為H(v)=ηiexp[-4ln2·(v-viΔv)2],---(4)]]>其中i是輸出波導的序號，ηi是衰減常數，v是光波的頻率，Vi是該通道的中心頻率，Δv是通道傳輸譜的半寬度，為常數。本設計的輸出波導5m-1中的各個通道中心頻率與波導5中相應通道中心頻率相差ΔV0；而輸出波導5m+1中的各個通道中心頻率與輸出波導5中相應通道中心頻率相差-ΔV0。為了實現這個目的，在設計輸出波導位置時，輸出波導5m的位置選擇在標準波長(是ITU-T波長)的m級像的位置，而輸出波導5m-1的位置則與相應標準波長(是ITU-T波長)的m-1級像的位置之間有一個偏移ΔS，而而輸出波導5m+1的位置則與相應準波長(是ITU-T波長)的m+1級像的位置之間有一個偏移-ΔS，輸出波導位置的設計安排如圖6所示。
這樣波導5m-1和波導5m+1中的傳輸函數分別為H6a(v)=ηiexp[-4ln2(v-vi-Δv0Δv)2],---(5a)]]>H6b(v)=ηiexp[-4ln2(v-vi+Δv0Δv)2].---(5b)]]>對它們進行除法和對數運算有P=lnH6a(v)H6b(v)=-4ln2·(v-vi-Δv0Δv)2+4ln2·(v-vi-Δv0Δv)2]]>≈8ln2×(Δv0Δv)δvΔv,---(6)]]>其中δv是傳播的光波的實際頻率與標準頻率的偏差。如(6)式中所描述的，信號P與波導5m-1和波導5m+1中的光強大小無關，也就是說如果輸入的光波有變化也不會影響信號P的大小。而且信號P幾乎與δv成正比，這樣就可以根據測得的信號P的大小來監測光波的實際頻率與標準頻率的偏差大小。
實際的設計如圖2所示，波導5m-1和5m+1分別與探測器陣列耦合，波導5m-1中的各個通道中的光在經過相應探測器之后轉換為電信號，波導5m+1中的各個通道中的光在經過相應探測器之后轉換為電信號，波導5m-1和5m+1中由相同波長光信號轉換的電信號在經過放大電路8a和8b之后輸出到同一個除法電路9進行除法運算，經過除法運算的信號再經過對數電路10進行對數運算，這樣就可以得到信號P，根據P值的大小就可以判斷該光頻率偏離標準頻率的大小。將信號P輸入計算機進行處理就可以進行相應的控制。由其它波長光信號轉換的電信號也經過同樣的處理之后就可以監測這些波長偏離標準波長的大小。
設計中采用放大電路8a和8b的目的是為了保證當輸入光波長為標準波長時輸出的信號P為零。因為設計或者工藝的原因會導致波導5m-1和5m+1中的損耗常數ηi不相等，調節放大電路8a和8b的放大系數就可以達到調節波導5m-1和5m+1中的損耗常數ηi的目的，使得它們相等，從而實現當輸入光波長為標準波長時輸出的信號P為零的目的。
當然，在設計這種光功率光頻率同時監測系統時，可以在輸入信號中耦合進一個參考光頻率，這個參考光的頻率是穩定的。通過監測與這個參考光頻率對應的輸出信號P就可以監測AWG本身工作狀態，如果此時與這個參考光頻率對應的輸出信號P偏離了零，那么通過測得的偏離量對AWG進行溫度控制，調節AWG的溫度使得與這個參考光頻率對應的輸出信號P回到零，這樣可以保證AWG處于正常工作狀態。
本實用新型具有以下優點和積極效果①可以同時監測不同波長光的頻率和光強。
②實現起來比較簡單，而且適合于集成。
③本監測模塊集成度高，工藝技術成熟，體積小，性能可靠。
圖1-AWG型波分解復用工作原理圖；圖2-本實用新型監測模塊框圖；圖3-用于本實用新型的AWG波分復用器；圖4-與本實用新型的AWG波分復用器主衍射級對應的輸出通道結構圖；圖5-單個與本實用新型的AWG波分復用器主衍射級對應的輸出通道結構圖；其中1-輸入波導，用來傳播輸入光；2-平板波導，光在其中可以自由傳播，具有光發散的作用；3-陣列波導，即由許多波導并排排列組成的陣列波導；4-平板波導，光在其中可以自由傳播，具有光發散的作用；5-輸出波導，即AWG波分復用器的并排排列的輸出波導；5m-一些與AWG波分復用器主衍射級m對應的并排排列的輸出波導；5m-1-一些與AWG波分復用器次衍射級m-1對應的并排排列的輸出波導；5m+1-一些與AWG波分復用器次衍射級m+1對應的并排排列的輸出波導；7-AWG器件；8a-放大電路，公知器件；
8b-放大電路，公知器件；9-除法器，公知器件；10-對數器，公知器件；11-計算機，本實施例選用PC；12-光強探測器，本實施例選用光電二極管；13-梯形耦合器；14-梯形波導，居于梯形耦合器的兩側；15-梯形波導，居于梯形耦合器的中間。
圖6-與AWG波分復用器各個衍射級對應的輸出波導位置示意圖；圖7-具有除法和對數運算的電路原理圖，其中U1、U2-輸入信號，U3-輸出信號，G-三極管，R-電阻，F-集成放大器，C1、C2、C3-常數。
具體實施方式
圖2表示的僅僅是一個原理圖，在實際設計時，不一定采用圖2所示先除法后對數的電路系統，只要能完成式(6)式表示的除法和對數運算即可，在實施例中采用先對各個信號進行對數運算，然后對運算后的相應信號進行差動求和的電路，如圖7所示。
在實際的設計中信號的除法和對數運算也可以采用軟件完成。也就是說將放大電路8a和8b輸出的信號直接輸入計算機，通過計算機的軟件程序進行除法和對數運算，當然這樣在處理速度上比硬件(除法和對數運算電路)要慢。
綜合以上設計便構成了圖2所表示的光功率光頻率同時監測系統。這種設計有效地利用了AWG型波分復用器的m，m-1，m+1級的光信號，而且可以實現集成，這樣可以大大降低光性能監測模塊的體積和成本。
作為實施例，在本設計中，梯形耦合器13采用芯層折射率與覆層折射率差為0.75％；波導截面尺寸為6×6μm2；梯形波導15小端的寬度為3μm；梯形波導14與梯形波導15之間的間隙為2μm；
梯形波導14大端的寬度為5μm，小端的寬度為2μm；梯形波導15和梯形波導14的長度都為800μm。
當然，上述參數只是一個實施例，本專業的技術人員可以容易地根據本實用新型專利的精神選取其它參數。
權利要求1.一種基于波導陣列光柵的多路波長光功率與光頻率監測的裝置，包括AWG波分復用器(7)，AWG波分復用器(7)至少有一根輸入波導(1)，一個輸入平板波導(2)，一個具有會聚作用的輸出平板波導(4)，一個連接輸入平板波導(2)的輸出端和輸出平板波導(4)的輸入端且相鄰波導長度差恒定的波導陣列(3)，三組輸出波導(5m)、(5m-1)、(5m+1)，該三組輸出波導與輸出平板波導(4)連接；其特征在于由下列部件組成，其連接關系是輸出波導(5m)在與平板波導(4)輸出端的連接位置與AWG波分復用器的標準波長主衍射級(m級)成像位置重合；輸出波導(5m-1)在與平板波導(4)輸出端的連接位置與AWG波分復用器的標準波長次衍射級(m-1)成像位置橫向偏移一個位移ΔS；輸出波導(5m+1)在與平板波導(4)輸出端的連接位置與AWG波分復用器的標準波長次衍射級(m+1)成像位置橫向偏移一個位移-ΔS；一組對應AWG7的主衍射級(m級)的輸出波導(5m)分別與光強探測器(12)連接，光強探測器(12)再與計算機(11)連接；兩組分別對應AWG7的兩個次衍射級(m-1級、m+1級)的輸出波導(5m-1)、(5m+1)分別與兩組光強探測器(12)連接；其中兩組光強探測器(12)，兩組放大器(8a)和(8b)，一組除法器(9)，一組對數器(10)，計算機(11)依次對應連接；或者兩組光強探測器(12)直接與計算機(11)連接。
2.按權利1所述的一種基于波導陣列光柵的多路波長光功率與光頻率監測的裝置，其特征在于在單模輸出波導(5m)與平板波導(4)之間或加入一個具有得到平坦光譜響應的功能的梯形耦合器(13)時，梯形耦合器(13)由居于兩側的兩個梯形波導(14)和居于中間的一個梯形波導(15)組成，梯形波導(14)與梯形波導(15)之間留有間隙；梯形波導(15)的大小兩端分別連接輸出波導(5)和平板波導(4)，梯形波導(14)的大端與平板波導(4)連接。
3.按權利1所述的一種基于波導陣列光柵的多路波長光功率與光頻率監測的裝置，其特征在于直接將單模輸出波導(5m)與平板波導(4)連接。
專利摘要本實用新型公開了一種基于波導陣列光柵的多路波長光功率與光頻率監測的裝置，涉及波導陣列光柵型波分復用/解復用器件。本實用新型是通過監測AWG型波分復用器的主衍射級(m級)的光強同時監測多路波長的光功率大小，同時監測AWG型波分復用器的兩個次衍射級(m－1級和m+1級)的光強監測多路波長的光頻率大小，從而實現同時監測光功率和光頻率的目的。本實用新型由AWG波分復用器、梯形耦合器、光強探測器、放大器、除法器、對數器、計算機組成。本實用新型可以同時監測多路波長光功率與光頻率，結構簡單，體積小，適合于集成，性能可靠。
文檔編號H04B10/08GK2583887SQ0228452
公開日2003年10月29日 申請日期2002年12月5日 優先權日2002年12月5日
發明者王文敏, 許遠忠, 馬衛東, 楊濤, 陳 光 申請人:武漢光迅科技有限責任公司