專利名稱：啁啾光纖光柵群時延的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于光通信中用于光信道色散補(bǔ)償?shù)倪惫饫w光柵的群時延的測量方法。
隨著密集波分復(fù)用(D-DWDM)光通信技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)傳輸容量已達(dá)1012位/秒數(shù)量級，單波長光信號的傳輸速率達(dá)到1010位/秒以上，光脈沖寬度降到了皮秒量級。這樣的超短脈沖在光纖的色散、非線性等效應(yīng)作用下容易發(fā)生脈沖展寬、畸變，使得光信號質(zhì)量劣化，增加誤碼率。為了保證光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量必須進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)刃盘柼幚磉^程。啁啾光纖光柵就是對高速、大容量、長距離光纖通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)墓庑盘栠M(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵器件。
啁啾光纖光柵是一種光纖光柵周期或光纖光柵有效折射率沿光纖軸向呈線性或近似線性變化的光纖光柵。由于光纖光柵反射光波波長與光柵周期和光纖光柵有效折射率的乘積成正比，因而啁啾光纖光柵在沿光纖軸向的不同部位將有不同波長光波反射回來。利用啁啾光纖光柵這一特性制成的色散補(bǔ)償器件具有色散補(bǔ)償量大、濾波特性良好、與光纖天然兼容、無源、損耗低、非線性效應(yīng)小等特點，是一種很有發(fā)展前景的光子通信器件。
衡量啁啾光纖光柵色散補(bǔ)償性能的一個重要依據(jù)是啁啾光纖光柵群時延譜。啁啾光纖光柵群時延譜并非理想線性曲線，而是一條圍繞著理想線性曲線存在上下起伏抖動小峰的近似線性曲線。這些抖動小峰造成啁啾光纖光柵在對系統(tǒng)光信號進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)耐瑫r又產(chǎn)生光信號畸變，造成誤碼、串碼。抖動小峰對通信系統(tǒng)的影響與抖動小峰的周期和幅度有關(guān)。因此精確測量啁啾光纖光柵群時延譜具有重要的意義。精確測量啁啾光纖光柵群時延譜需要時間高分辨率技術(shù)和波長高分辨技術(shù)。自從啁啾光纖光柵應(yīng)用于高速傳輸系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償以來，多種精確測量啁啾光纖光柵群時延譜的技術(shù)已經(jīng)被采用，在先技術(shù)有1．調(diào)制相移法，這是最常見的測量方法[見文獻(xiàn)報道OFC’2000TuG8-1,pp107-109；Optics Letters,Vol.23,No.12,15th June 1998,pp939-941；Electronics Letters,Vol.33,NO.1,2nd Jan 1997,pp74-75]。窄帶可調(diào)諧激光器作為波長掃描光源。光源經(jīng)過射頻調(diào)制后入射到啁啾光纖光柵內(nèi)，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測量射頻調(diào)制后經(jīng)啁啾光纖光柵反射的輸出光信號和透過啁啾光纖光柵的輸出光信號的位相之差，從而測得啁啾光纖光柵的群時延譜。采用這一種方法，可以獲得較高的分辨率。但是窄帶可調(diào)光源和網(wǎng)絡(luò)分析儀相當(dāng)昂貴。窄帶激光經(jīng)過整個系統(tǒng)后，能量損失大，通常還要插入光放大單元，使得測量系統(tǒng)復(fù)雜。
2．低相干光干涉測量法[見文獻(xiàn)報道Electronic Letter,Vol.32,No.8,11thApril 1996,pp757-758；Electronics Letter,Vol.31,No.15,20th July1995,pp1280-1282]。這種方法利用邁克爾遜干涉原理干涉臂接入啁啾光纖光柵，參考臂接入窄帶濾波器件。在窄帶濾波器的某一工作波長上，精細(xì)調(diào)整兩臂臂長，當(dāng)兩臂的光程差小于低相干光源的相干長度時，能探測到邁克爾遜干涉儀輸出端口的干涉信號加強(qiáng)。改變窄帶濾波器的工作波長，重復(fù)上述過程，并記錄下參考臂和干涉臂的長度相對于給定初始長度的改變量，通過計算公式可獲得群時延差的數(shù)值。當(dāng)窄帶濾波器的工作波長掃過啁啾光纖光柵的整個帶寬，就可作出啁啾光纖光柵群時延曲線。這種測量方法的精確度與濾波器帶寬有關(guān)，要求波長分辨率高，濾波器譜線寬度越窄越好；但另一方面濾波器譜線寬度窄，光源的相干長度變長，導(dǎo)致時間分辨率降低。
3．光纖光柵端面反射法[見文獻(xiàn)報道Optics Letters,Vol.24,No.15,August1，1999,pp1020-1022]。將被測啁啾光纖光柵與其尾纖的一個經(jīng)處理的光纖端面構(gòu)成一個法布里-柏羅腔。窄帶可調(diào)諧光源使不同波長的光通過這個法布里-柏羅腔，測量啁啾光纖光柵背反射光強(qiáng)，通過計算處理測量數(shù)據(jù)后獲得啁啾光纖光柵群時延值。這種方法的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理時采用計算方法較為復(fù)雜，而且計算中窗函數(shù)的選擇直接影響處理后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。
本發(fā)明的目的是為了克服上述在先技術(shù)的缺點，提出一種利用激光器主動鎖模效應(yīng)測量啁啾光纖光柵群時延曲線的方法。本發(fā)明測量方法的測量精度和時間分辯率都將比上述在先技術(shù)有所提高，而且所使用的測量裝置簡單、測量操作方便。
本發(fā)明的測量方法是利用激光器主動鎖模效應(yīng)的測量方法。具體測量步驟是<1>首先選取帶有調(diào)制信號源的外腔式主動鎖模激光器，將被測啁啾光纖光柵作為外腔式主動鎖模激光器的激光諧振腔的輸出腔面；<2>測定上述激光諧振腔的最大有效腔長leff,max和最小有效腔長leff,min，選定置于上述激光諧振腔內(nèi)的激光工作物質(zhì)產(chǎn)生高次諧波振蕩的最佳階數(shù)m值；<3>依據(jù)上述第二步給出最大激射頻率fmax(λ)=mc2nleff,min(λ)]]>和最小激射頻率fmin(λ)=mc2nleff,max(λ),]]>式中c為光速，n為被測啁啾光纖光柵的光纖纖芯的折射率；<4>在上述第三步中所獲得的最大激射頻率fmax(λ)至最小激射頻率fmin(λ)的范圍內(nèi)選取激射頻率f(λ)，由調(diào)制信號源給出所選取的激射頻率f(λ)的激頻信號激勵置于激光諧振腔內(nèi)的激光工作物質(zhì)；<5>測定波長λ，用光譜儀在作為上述激光諧振腔的輸出腔面的被測啁啾光纖光柵的尾端測量輸出激光束的波長λ，由上述第四步選取一個激射頻率f(λ)，就測出一個相應(yīng)的激光波長λ；<6>由上述第二步和第五步求得激光波長λ的激射光波在激光諧振腔內(nèi)往返一周所需要的時間τ(λ)=mf(λ);]]><7>選定參考激光波長λB，求得參考激光波長λB的激射光波在激光諧振腔內(nèi)往返一周所需要的時間τ(λB)=mf(λB);]]><8>由上述第六步和第七步求得群時延Δτ=τ(λ)-τ(λB)，繪出群時延曲線。
本發(fā)明的測量方法的測量步驟如上所述，本發(fā)明的被測啁啾光纖光柵是一種分布波長反饋器件，不同波長的光波在被測啁啾光纖光柵沿軸向的不同位置被反射。當(dāng)它作為激光諧振腔的輸出腔面與另一個激光諧振腔反射腔面組成外腔激光器時，外腔激光器的激光諧振腔腔長隨著激射光波的波長變化而變化。激射光波λ在激光諧振腔內(nèi)往返一周所需要的時間表示為τ(λ)=2nleff(λ)c-------(1)]]>其中l(wèi)eff為激光諧振腔激射光波波長λ的等效諧振腔腔長，c為光速，n為被測啁啾光纖光柵的光纖纖芯折射率。當(dāng)調(diào)制信號源的激頻信號激勵外腔激光器穩(wěn)定工作在調(diào)制信號源給定的頻率f(λ)上時，由于主動鎖模效應(yīng)使得外腔激光器的輸出波長鎖定在某一特定波長上。這一特定波長滿足以下條件調(diào)制信號源給定的頻率f(λ)為這一激射光波波長λ在激光諧振腔內(nèi)往返一周所需要的時間倒數(shù)的m倍(也稱m階)，f(λ)=mc2nleff(λ)---------(2)]]>此時調(diào)制信號源給定的頻率f(λ)為m階諧振頻率。m值與激光諧振腔內(nèi)的激光工作物質(zhì)有關(guān)，上述本發(fā)明在測量過程中，是選取當(dāng)激光工作物質(zhì)產(chǎn)生高次諧波振蕩時，最佳振蕩階數(shù)m值。(2)式代入(1)式得τ(λ)=mf(λ)]]>。激射光波λ的群時延Δτ與光波在諧振腔內(nèi)往返一周所需要的時間τ(λ)的關(guān)系表示為Δτ=τ(λ)-τ(λB)=2nΔleff(λ)c=mΔffm2--(3)]]>其中λB為選定的參考激光波長，Δleff為諧振腔激射光波波長λ對應(yīng)激光諧振腔腔長leff(λ)相對于選定的參考光波波長λB對應(yīng)激光諧振腔腔長leff(λB)的改變值即為Δleff=leff(λ)-leff(λB)，Δf為射頻信號頻率變化；光波在激光諧振腔內(nèi)的往返一周所需的時間可通過公式(1)計算得出，激射光波的群時延可從公式(3)得出。逐步改變調(diào)制信號源的激勵頻率，同時在外腔激光器的輸出端即被測啁啾光纖光柵的尾端用光譜儀掃描輸出光波的光譜，獲得相應(yīng)激射光波波長λ值。不斷的重復(fù)上述過程，就可以獲得一系列激射光波波長和這一波長群時延值Δτ，依此數(shù)據(jù)可繪出被測啁啾光纖光柵群時延隨光波波長變化的群時延曲線。
本發(fā)明的測量方法所采用的測量裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。被測啁啾光纖光柵4作為外腔激光器5激光諧振腔的輸出腔面，與激光工作物質(zhì)3同軸放置，在激光工作物質(zhì)3相對于被測啁啾光纖光柵4的另一端有同軸放置的激光諧振腔反射腔面1，至此在激光工作物質(zhì)3的兩端由激光諧振腔反射腔面1和被測啁啾光纖光柵4作為輸出腔面構(gòu)成一個外腔激光器5的外腔式激光諧振腔。由調(diào)制信號源2產(chǎn)生的與選定頻率f(λ)相應(yīng)的激射信號加于激光工作物質(zhì)3上，激勵外腔激光器5在這一選定頻率f(λ)上實現(xiàn)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。同時，在被測啁啾光纖光柵4的光纖尾端用高分辨光譜儀6掃描外腔激光器5的激光光譜，通過激光光譜讀出激射光波的波長值。逐步改變調(diào)制信號源的激勵頻率f(λ)，重復(fù)上述過程，就可獲得被測啁啾光纖光柵的群時延隨著光波波長的變化值。
所說的激光工作物質(zhì)3是帶溫度控制和光強(qiáng)監(jiān)控的法布里-柏羅腔型半導(dǎo)體激光器管芯，或者是固體激光介質(zhì)，或者是氣體激光介質(zhì)，或是其他能在調(diào)制信號源的選定頻率f(λ)上實現(xiàn)高次諧波振蕩的激光激勵介質(zhì)。
所說的調(diào)制信號源2是能提供穩(wěn)定在某一選定激勵頻率f(λ)上輸出激頻信號激勵激光工作物質(zhì)3產(chǎn)生諧波振蕩，它輸出的振蕩頻率f(λ)值，由頻譜儀或頻率計監(jiān)測。如在下面的實施例中所說的調(diào)制信號源2包括由射頻信號發(fā)生器203、直流電源201及微帶匹配電路201組成的驅(qū)動電路和用于監(jiān)測射頻信號發(fā)生器203輸出的射頻頻率的頻譜儀或頻率計204。其中微帶匹配電路201由微帶電容和電感組成微波波導(dǎo)，使微波功率能夠高效地注入作為激光工作物質(zhì)3的半導(dǎo)體激光介質(zhì)等。
本發(fā)明的優(yōu)點是由于本發(fā)明提供的啁啾光纖光柵群時延的測量方法是利用激光器主動鎖模效應(yīng)，直接將被測啁啾光纖光柵作為激光諧振腔的輸出腔面，由被測啁啾光纖光柵的尾端輸出激光，輸出的激光單色性好，使得測量波長的準(zhǔn)確度高；光功率較高，使得測量系統(tǒng)中無需光放大單元。其次，調(diào)制信號源的激勵頻率通過選定頻率f(x)給出相應(yīng)的激頻信號，這就較容易精確控制鎖定和測量，因此群時延時間分辨率較高，不受光源線寬影響。此外，本發(fā)明的測量方法所用的裝置簡單，容易操作，測量步驟清楚，測量精度高，所需的費(fèi)用較低，適用范圍較廣。


圖1為本發(fā)明啁啾光纖光柵群時延的測量方法中所用裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明啁啾光纖光柵群時延測量方法在實施例中所用裝置的示意圖；圖3為本發(fā)明測量方法在實施例中被測啁啾光纖光柵輸出端的輸出激光的特性曲線；圖4為本發(fā)明測量方法在實施例中所獲得的被測啁啾光纖光柵群時延曲線。
實施例采用上述本發(fā)明的測量方法和圖2所示的裝置。其中，激光工作物質(zhì)3為激光二極管，其工作波段為1.55μm波段，是具有溫度控制和光強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的法布里-柏羅腔型的雙溝掩埋平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。激光工作物質(zhì)3為銦鎵砷磷。激光工作物質(zhì)3的一個端面作為激光諧振腔反射腔面1，另一個端與被測啁啾光纖光柵4相對的端面鍍有反射率小于0.5％的增透膜301。被測啁啾光纖光柵4為采用193nm紫外光輻照啁啾相位版技術(shù)制作的線性啁啾光纖光柵，其啁啾系數(shù)為10nm/cm，長度為5mm，反射波段在1550nm的通信波段。
首先直接用尺測定上述外腔激光器的激光諧振腔的最大有效腔長leff,max=2.505m和最小有效腔長leff,min=2.50m。對于激光工作物質(zhì)3為銦鎵砷磷的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生高次諧波振蕩的最佳振蕩階數(shù)m=52，得出最大激射頻率fmax(λ)=2046Mhz，最小激射頻率fmin(λ)=2040Mhz。
在fmax(λ)至fmin(λ)內(nèi)的范圍內(nèi)選取激射頻率f1(λ1)=2046Mhz,f2(λ2)=2044.4Mhz,f3(λ3)=2043.3Mhz,f4(λ4)=2042.3Mhz用光譜儀6測得相應(yīng)的波長λλ1=1549.3nm,λ2=1551.15nm,λ3=1552.85nm,λ4=1554.55nm進(jìn)行上述第六步求得τ(λ1)=24926.686ps,τ(λ2)=24946.194ps,τ(λ3)=24958.403ps,τ(λ4)=24971.845ps,進(jìn)行上述第七步選取λ1=1549.3nm為參考激光波長λB，得出τ(λB)=τ(λ1)=24926.686ps，進(jìn)行上述第八步得出Δτ1=τ(λ1)-τ(λB)=19.508ps，Δτ2=τ(λ2)-τ(λB)=31.717ps，Δτ3=τ(λ3)-τ(λB)=45.159ps最后由上述數(shù)據(jù)繪出被測啁啾光纖光柵的群時延曲線如圖4所示。圖4中橫坐標(biāo)為波長λ，單位為納米，縱坐標(biāo)為群時延Δτ，單位為皮秒。本實施例中，調(diào)制信號源2中包括的射頻信號發(fā)生器203的射頻信號和直流電源201的直流偏置通過微帶匹配電路202加到作為激光工作物質(zhì)3的激光二極管的銦鎵砷磷上。實施例中改變射頻信號源203的射頻頻率如f1(λ1)、f2(λ2)、f3(λ3)、f4(λ4)等，用高分辨光譜儀6在被測啁啾光纖光柵4的尾端即輸出端測量輸出激光波中心波長λ1、λ2、λ3、λ4等。通過上述步驟繪出的群時延時間分辯率為Δτ′=mΔffm2=12ps,]]>此結(jié)果比在先技術(shù)精確，說明了本測量方法測量精度較高，時間分辯率也比較高。
權(quán)利要求
1．一種啁啾光纖光柵群時延的測量方法，其特征在于是利用激光器主動鎖模效應(yīng)的測量方法，具體測量步驟是<1>選取帶有調(diào)制信號源的外腔式主動鎖模激光器，將被測啁啾光纖光柵作為外腔式主動鎖模激光器的激光諧振腔的輸出腔面；<2>測定激光諧振腔的最大有效腔長leff，max和最小有效腔長leff，min，選定置于上述激光諧振腔內(nèi)的激光工作物質(zhì)產(chǎn)生高次諧波振蕩的最佳階數(shù)m值；<3>依據(jù)上述第二步給出最大激射頻率fmax(λ)=mc2nleff,min(λ)]]>和最小激射頻率fmin(λ)=mc2nleff,max(λ),]]>式中c為光速，n為被測啁啾光纖光柵的光纖纖芯的折射率；<4>在上述第三步中所獲得的最大激射頻率fmax(λ)至最小激射頻率fmin(λ)的范圍內(nèi)選取激射頻率f(λ)，由調(diào)制信號源給出所選取的激射頻率f(λ)的激頻信號激勵置于激光諧振腔內(nèi)的激光工作物質(zhì)；<5>測定波長λ，用光譜儀在作為上述激光諧振腔的輸出腔面的被測啁啾光纖光柵的尾端測量輸出激光束的波長λ，由上述第四步選取一個激射頻率f(λ)，就測出一個相應(yīng)的激光波長λ；<6>由上述第二步和第五步求得激光波長λ的激射光波在激光諧振腔內(nèi)往返一周所需的時間τ(λ)=mf(λ);]]><7>選定參考激光波長λB，求得參考激光波長λB的激射光波在激光諧振腔內(nèi)往返一周所需的時間τ(λB)=mf(λB);]]><8>由上述第六步和第七步求得群時延Δτ=τ(λ)-τ(λB)，繪出群時延曲線。
全文摘要
一種啁啾光纖光柵群時延的測量方法,是利用激光器主動鎖模效應(yīng)的測量方法。將被測啁啾光纖光柵作為帶調(diào)制信號源的外腔式主動鎖模激光器的激光諧振腔的輸出腔面。由調(diào)制信號源給出選定的激射頻率的激射信號激勵激光工作物質(zhì)。在被測啁啾光纖光柵尾端測得與給定激射頻率相應(yīng)的激光波長。求出激光波長和參考激光波長的激射波長在激光諧振腔內(nèi)往返一周所需時間,以獲得群時延,繪出群時延曲線。具有時間分辨率和測量精度高的特點。
文檔編號G01J9/00GK1299067SQ0012795
公開日2001年6月13日 申請日期2000年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月20日
發(fā)明者方祖捷, 李琳, 瞿榮輝, 蔡海文 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所