基于温度控制光波导的光学性能监控器

摘要

本发明公开了一种基于温度控制光波导的光学性能监控器，包含外壳、温控系统、光纤阵列、阵列波导光栅芯片、光探测器阵列和电路板，光纤阵列、阵列波导光栅芯片和光探测器阵列耦合对准后固定，温控系统包含加热器和温度探测器，阵列波导光栅芯片安装在加热器上，光探测器阵列、加热器和温度探测器与电路板电连接。本发明通过温度控制实现通道波长变化，通过连续扫描特定频率通带获得光谱数据点，采用反卷积算法将信号波形还原，获得准确的信号谱线。产品可以实现50GHz和100GHz的扫描宽度，并且可以对产品生命周期中的波长漂移进行自校准。本发明的光学性能监控器结构相对紧凑，片上集成使得光损耗明显减小，可靠性也有明显改善。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种基于温度控制光波导的光学性能监控器。

背景技术

为了提高长距离光纤通信的容量，密集波分复用系统得到了大力发展，密集波分复用技术通过尽可能小的信道间隔实现大容量信息传输。在密集波分复用系统中，光源波长的温度漂移以及密集波分复用器的温度敏感性均会引起信道中心波长的变化，并进而导致各信道的信噪比的变化。另外，光放大器的增益不平坦性会引起各信道的功率变化。因此，很有必要对系统中各信道的中心波长、光功率和信噪比等参数进行实时监控。尤其是在信道间距缩小时，监控信道的中心波长对频谱性能漂移的识别、系统故障的隔离等系统功能的检测具有更为重要的意义。例如，波长漂移很容易导致信号从一个信道串到另外一个信道，需对波长漂移进行检测。另外，为了确保通信系统中的光放大器正常工作，也需要将波长参数实时反馈到通信网络元件中。

光通信系统需要工业级的光学性能监视器 (Optical Performance Monitor，OPM)，并且要求价格便宜、结构紧凑，需要与传统的光谱分析仪具有相同的功率与波长精度，能够以较高的波长分辨率和较大的动态范围来监控密集间隔的光通信信道里的信号光。

现有光学性能监视器有多种设计结构，基本上可以分为基于波导光学的光学性能监视器和基于空间光学的光学性能监视器两大类。前者除了平面光波导和光探测器外，通常还需要另外的光学控制器件。后者的集成度较低，且通常需要运动元件，可靠性也比较低。

目前精度较高的光学性能监视器件均使用薄膜滤光片或光栅的形式。对于薄膜滤光片结构，需要移动的机械结构配合使用，及通过转动薄膜滤光片来选择要监控的波长。这种结构的缺点是在短波长部分，由于入射角变大，薄膜投射谱线形状变差，导致光学性能监视器的性能变差。对于光栅形式，需要配合传感器阵列一起工作，系统复杂，成本高，对老化敏感且不易维护，因此商用产品器件都比较昂贵。

发明内容

本发明为了克服以上的不足，提出了一种基于温度控制光波导的光功率监控器。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决： 

一种基于温度控制光波导的光学性能监控器，包含外壳、温控系统、光纤阵列、阵列波导光栅芯片、光探测器阵列和电路板，所述光纤阵列与阵列波导光栅芯片的输入端耦合对准后固定，所述光探测器阵列与阵列波导光栅芯片的输出端耦合对准后固定，所述温控系统包含温度控制器和温度探测器，所述阵列波导光栅芯片安装在所述温度控制器上，所述光探测器阵列的输出电极、温度控制器的电极和温度探测器与电路板电连接，所述电路板读取温度探测器的温度信息和光探测器阵列的光电流，并输出温度控制信号给温度控制器。图1为本发明的基于温度控制光波导的光学性能监控器的示意图。

在本发明的一个实施例中，所述温控系统控制所述阵列波导光栅芯片的温度变化范围为0.4nm/k，其中k为所述阵列波导光栅芯片输出波长的温度相关系数。0.4nm相应于ITU光谱栅隔（ITU Grid）50G通道间隔。典型的，普通硅基阵列波导光栅芯片输出波长的温度相关系数为0.011nm/℃，则阵列波导光栅芯片的温度变化范围?T = (0.4nm)/(0.011nm/℃) = 36.4℃。

在本发明的一个实施例中，所述温度控制器为热电制冷器。

在本发明的一个实施例中，所述温度控制器为电阻丝和片状陶瓷。

在本发明的一个实施例中，所述片状陶瓷和阵列波导光栅芯片之间通过导热油填充，周边用软胶粘接固定。

在本发明的一个实施例中，所述光纤阵列与阵列波导光栅芯片的输入端耦合对准后通过胶水粘接固定，所述光探测器阵列与阵列波导光栅芯片的输出端耦合对准后通过胶水粘接固定。

在本发明的一个实施例中，所述温度探测器为热敏电阻。

在本发明的一个实施例中，所述温度探测器为电阻温度探测器。

在本发明的一个实施例中，还包含薄膜滤波器和光探测器，所述薄膜滤波器和光探测器与阵列波导光栅芯片的工作通道之外的一个通道耦合对准并固定。图2为本实施例的基于温度控制光波导的光学性能监控器的示意图。

在本发明的一个实施例中，还包含固定波长探测器，所述固定波长探测器与阵列波导光栅芯片的工作通道之外的一个通道通过光纤连接，所述固定波长探测器包含自聚焦透镜和光探测器，所述自聚焦透镜与光探测器耦合的端面镀有滤光薄膜。图3为本实施例的基于温度控制光波导的光学性能监控器的示意图。图4为固定波长探测器的示意图。

 

本发明通过对温度的控制实现通道波长变化，通过连续扫描特定频率范围内的通带测得光谱，依此获得光谱数据点，进而采用反卷积算法进行后继的信号处理，将信号波形还原，获得准确的信号谱线。本发明采用成熟工艺，尤其适用于小的通道间隔，例如25GHz或者50GHz通道间隔的扫描。

按照普通硅基波导0.011nm/℃的变化，则36.4℃的温度变化可引起0.4nm的波长变化，这样的变化范围也即50GHz的通道宽度。也就是说，产品可以实现50GHz的扫描宽度。对于一个标准的ITU光谱栅隔（ITU Grid）50G通道间隔的传输信号，本发明可以实现每个通道更为精确的光功率的检测，如图5所示，50G的扫描宽度将整个通道谱线。

对于一个标准的ITU光谱栅隔（ITU Grid）100GHz通道间隔的传输信号，本发明可以实现每个通道光功率的检测，如图6所示，50G的扫描宽度将覆盖通道谱线的一半。作为合理的近似，认为通道谱线是对称的，这样就可以得到整个通道的谱线形状。据此，在电路和固件的帮助下，可以实现每个通道的峰值和光学信噪比（OSNR）的计算。

本发明是基于成熟的、大批量生产的阵列波导光栅（PLC AWG），结构相对紧凑，由于光路上的其它元件可以片上集成，使得光损耗明显减小。对于在产品的生命周期中发生的波长漂移，采用稳定的薄膜滤波器在固定波长上校准。本发明的基于温度控制光波导的光学性能监控器结构简单，且内部没有运动元件，产品的可靠性也有明显改善。成本相对目前市场上的光学性能监控器得到了较大地降低。

 

附图说明

图1是本发明的实施例一的基于温度控制光波导的光学性能监控器的示意图；

图2是本发明的实施例二的基于温度控制光波导的光学性能监控器的示意图；

图3是本发明的实施例三的基于温度控制光波导的光学性能监控器的示意图；

图4是本发明的实施例三中使用的固定波长探测器的示意图；

图5是50GHz扫描宽度示意图；

图6是100GHz扫描宽度示意图。

 

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

 

实施例一：

如图1所示，一种基于温度控制光波导的光学性能监控器，包含外壳、温控系统、光纤阵列103、阵列波导光栅芯片101、光探测器阵列102和电路板105，光纤阵列103与阵列波导光栅芯片101的输入端耦合对准后固定，光探测器阵列102与阵列波导光栅芯片101的输出端耦合对准后固定，温控系统包含加热器104和温度探测器106，阵列波导光栅芯片101安装在加热器104上，光探测器阵列102的输出电极、加热器104的电极和温度探测器106与电路板105电连接，电路板105读取温度探测器106的温度信息和光探测器阵列102的光电流，并输出温度控制信号给加热器104。

本实施例的温控系统控制阵列波导光栅芯片的温度变化范围?T = (0.4nm)/(0.011nm/℃) = 36.4℃，其中0.011nm/℃为普通硅基阵列波导光栅芯片输出波长的温度相关系数。

在本实施例中，外壳和温控系统之间通过软胶固定连接，起到固定和缓冲的作用。温控系统包含电阻丝和片状陶瓷，通过电阻丝实现加热功能，片状陶瓷和阵列波导光栅芯片101之间通过导热油填充，周边用软胶粘接固定，片状陶瓷实现散热功能。光纤阵列103与阵列波导光栅芯片101的输入端耦合对准后通过胶水粘接固定，光探测器阵列102与阵列波导光栅芯片101的输出端耦合对准后通过胶水粘接固定。本实施例的温度探测器106为热敏电阻。

本实施例的工作过程如下：一组波分复用信号从输入光纤传入，通过输入光纤阵列103和阵列波导光栅芯片101之间的耦合进入到阵列波导光栅芯片101。阵列波导光栅芯片101将不同波长的信号分别传输到不同的输出波导，然后通过阵列波导光栅芯片101和光探测器阵列102之间的耦合进入到每个光探测器，进而转化成光电流，由电路板105上的模数转换器（ADC）和数字信号处理器（DSP）处理。本实施例的温控系统控制阵列波导光栅芯片的36.4℃的温度变化可引起0.4nm的波长变化，这样的变化范围也即50GHz的通道宽度。也就是说，产品可以实现50GHz的扫描宽度。对于一个标准的ITU光谱栅隔（ITU Grid）100GHz通道间隔的传输信号，50G的扫描宽度将覆盖通道谱线的一半。作为合理的近似，认为通道谱线是对称的，这样就可以得到100GHz光谱栅隔整个通道的谱线形状。

通过温控系统调节阵列波导光栅芯片101的温度，可以调节每个输出通道的工作波长。通过对温度的控制实现通道波长变化，通过连续扫描特定频率范围内的通带测得光谱，依此获得光谱数据点，进而采用反卷积算法进行后继的信号处理，将信号波形还原，获得准确的信号谱线。

 

实施例二：

如图2所示，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中还包含薄膜滤波器107和光探测器108，薄膜滤波器107和光探测器108与阵列波导光栅芯片101的工作通道之外的一个通道耦合对准并固定。本实施例通过薄膜滤波器选定波长，并通过一个单通道的光探测器实现产品的自校准。

对于阵列波导光栅芯片101，在其生命周期里，会有20pm左右的中心波长漂移，所以会导致光学性能监控器的性能下降。图2说明了本发明如何实现自校准：102_j+1是产品工作通道外的一个通道，其与102j的间隔和其他的J个通道一样（例如，可以为25GHz，或50GHz，100GHz），107是一个薄膜滤波器，108是一个单独的光探测器。

调节阵列波导光栅芯片101的温度，使得最后一个通道的峰值波长和薄膜滤波器107工作波长一致，即光探测器108接收到的光强为最大，将这个温度设为基准温度。在产品生命周期中定期对温度进行校准，校准程序为：在基准温度附近搜寻光探测器108最大光功率对应的温度，这个温度和基准温度的差值即为偏差，将这个偏差加到阵列波导光栅芯片101的工作温度上，可以校正生命周期中阵列波导光栅芯片101的波长出现的漂移。

 

实施例三：

本实施例与实施例二的区别在于，本实施例通过固定波长探测器109实现自校准功能，如图3所示。固定波长探测器109与阵列波导光栅芯片101的工作通道之外的一个通道通过光纤连接。如图4所示，固定波长探测器109包含自聚焦透镜1091、光探测器1092和输入光纤1093，输入光纤1093接入光纤套管1094，自聚焦透镜1091与光探测器1092耦合的端面镀有滤光薄膜1095。

输入光信号入射到自聚焦透镜1091，被自聚焦透镜1091转换为平行光，然后入射到自聚焦透镜1091端面镀的滤光薄膜1095，只有部分固定波长（如1550nm）光信号可以通过，从而被光探测器1092接收，转化为电流信号并经光探测器1092的电极1096输出。其自校准的原理和过程与实施例二相同。

 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。