专利名称：在波分多路复用光纤系统中光学性能监测的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在波分多路复用光纤系统中光谱分析的方法和装置。
波分多路复用是一种能够使光纤的带宽和信息容量实质增加的方法。通过应用通常大约在1550纳米的窄谱范围内的几种光学载波实现这种方法，每种载波都在光纤内传输信息。在这种系统中，在每种载波中对信息进行编码。然后通过光学多路复用器将这些载波组合在一起，这样就可以在光纤中同时传输所有的载波了。在接收端，光信号通过光学多路信号分解器，该光学多路信号分解器随后将每种载波路由传输到它们相应的通道中。本发明涉及在波分多路复用光纤系统中的每种载波的光学参数的测量。在这种系统中，对每种载波基础的光学参数的测量很重要，因为它们除了涉及该系统的性能外还能够提供关于这种系统所运行的光学网络状况的重要信息。然后这种信息可以用于诊断和修复或用于性能优化操作。
通常通过以每个载波为基础测量波长、功率以及光信号噪声比来确定光信息。这种参数的测量必需精确、具有较大的范围且必需以及时的方式进行以便能够在最短的时间内提供所需的信息以进行适当的操作。
分析光谱相关系统的光学参数的常规的方法是应用光谱分析器。这些系统通常基于使用一种光学工具，即大家公知的单色光源。基于单色光源的光谱分析器对于大多数嵌入式和野外应用来说通常较慢且尺寸较大，并且易于随着时间漂移以致造成绝对精度较差。事实上对于大多数应用来说通常应用多个仪器来获得关键的光学参数比如上文所描述的参数。
因此，比较有利的是提供一种基于每种载波能够精确地提供波长、功率以及信号噪声比的比率波长和功率检测系统。此外，如果能够在现场使用这种系统来测量这些参数以便能够连续地监测该信息则更加有利。作为一种变型，如果这种系统能够用作独立的诊断工具则也是很有利的。
本发明的一个目的是提供一种在波分多路复用光纤系统中分析光谱的方法和装置，它能够测量每种载波基础的波长、功率以及信号噪声比。
本发明提供一种在波分多路复用光纤系统中分析光谱的装置，包括具有输入和输出的可调通道选择器；光学地连接到可调通道选择器的输出的波长和功率检测系统；以及连接到可调通道选择器以及波长和功率检测系统的控制器。
本发明还提供一种在波分多路复用光纤系统中分析光谱的比率方法，包括将光谱地编码的光学信号接收在可调通道选择器中；将经光谱地编码的光学信号分解成至少两个光信号并使第一光信号通过一滤光器；检测滤光器的输出并将所检测到的光信号转换成第一电信号以及从所分解的光学信号中检测第二信号并将它转换成第二电信号；以及将该电信号中的一个电信号除以另一电信号以得出输入波长的独立的功率表示。
本发明的方法和装置通过控制通道选择元件的光谱位置并应用比率波长和功率测定技术能够快速地分析光谱及其成分以便精确地分析光谱的传输或选择部分。通道选择元件可以是通过控制信号可以调整的透射或反射器件。该系统可以在扫描模式或后处理模式或连续反馈模式中运行，在连续反馈模式中通过比率波长测定系统确定通道选择元件的位置并用其来控制通道选择元件的波长位置。比率波长和功率确定系统通常的方式是基于将光谱地编码的信号分解成两部分。该信号的一部分通过滤光器，该滤光器具有随波长函数连续地增加或降低的透光度，而同时另一部分保持不变。随后通过光电检测器检测这两部分信号，在该光电检测器中电信号与光信号成比例。两信号的比率为一唯一的数值，该数值为输入波长的功率独立表示。本发明的所提供的方法和装置在同时测量几种载波而不是一种载波时比较有利。此外，在本发明中可以通过应用光信号的未过滤的部分来获得功率的测量。
下文仅通过实例并参考附图描述本发明的在波分多路复用光纤系统中光学性能监测的方法和装置，在附图中附
图1所示为本发明的波长性能监测系统的系统方框图；附图2所示为本发明的波长性能监测系统的光路的详图，包括适合于几个输入的n×l光学开关；附图3所示为本发明的波长性能监测系统的变型实施例的光路的详图，包括产生两个绝对波长参考点的方法；附图4所示为本发明的波长性能监测系统的变型实施例的光路的详图，提供的n×l开关、可调滤光器以及波长和功率测定系统的介入损耗波动为零；附图5所示为本发明的波长性能监测系统的变型实施例的光路的详图，包括绝对波长和功率参考而不需要光学开关；附图6所示为系统的典型的输出曲线；附图7所示为本发明的波长性能监测系统的变型实施例的光路的详图，包括比值计中的周期性滤光器；附图8所示为与附图7类似的本发明的波长性能监测系统的变型实施例的光路的详图，但是还包括提供波长参考的布拉格栅状反射体或其它的装置；附图9所示为本发明的波长性能监测系统的变型实施例的光路的详图，包括比值计中波长相关的耦合器；以及附图10所示为本发明的波长性能监测系统的变型实施例的光路的详图，包括波分多路复用器、参考LED光、多路分解器以及周期性波长相关的滤光器。
本发明采用通道选择滤光器以及比率波长和功率测定系统来基于每个载波精确测定波长、功率和信号噪声比。本发明的系统重量较轻并且紧密封装，使得这种系统可以以可嵌入的方式使用在光纤传输系统中。作为一种变型，本发明的系统还可以在野外和实验室中用作独立的诊断工具。
本发明的该方法和装置通过控制通道选择元件的光谱位置并应用比率波长和功率测定技术能够快速地分析光谱及其成分以便精确地分析传输或选择部分的光谱。通道选择元件可以是通过控制信号可以调整的透射或反射器件。该系统可以在扫描模式和后处理模式或连续反馈模式中运行，在连续反馈模式中通过比率波长测定系统确定通道选择元件的位置并用其来控制通道选择元件的波长位置。
参考附图1，本发明的光学性能监测系统(以标号10总体表示)基于将光谱编码的光学信号分解成两部分，此后应用比率波长和功率测量系统。多路光纤11输入到光学开关12并将开关12的单个输出输入到可调通道选择器14，开关12的光谱输出13如图所示。通道选择器14的输出输入到比率波长和功率测量系统16。控制器32连接到开关12、可调通道选择器14、比率波长和功率检测系统16以及模拟接口30。
参考附图2，比率波长和功率检测系统16包括将来自可调通道选择器14的信号分解成两个光信号的信号分解器18。这些信号中的一个信号通过滤光器22，其透光度以波长为函数连续地增加或降低，而另一光信号保持不变。随后通过光电检测器24和26分别检测滤光器22的输出和不变的信号，在该光电检测器中电信号与光信号成比例。在子处理器27中将两个信号相除以得到唯一的比率值，该比率值为输入波长的功率独立表示。本发明所提供的方法和装置比较有利的是同时测量几个载波而不是一个载波。此外，在本发明中，通过应用光信号的未滤光的部分可以获得功率测量值。
在本发明的优选实施例中，应用可调的Fabry-Perot滤光器作为通道选择元件14，在该通道选择元件14中只是扫描调整滤光器的控制信号以使滤光器调过所感兴趣的波长范围而同时采集光谱数据。通过应用比率波长测定技术来进行数据的后处理以得到每个载波的精确的波长、功率以及信号噪声比。更具体地说，从感兴趣的最短的波长到感兴趣的最长的波长扫描通道选择滤光器14并提供比率波长测定系统所需的相邻的通道隔离来测量在每步骤中的光谱的波长和功率。这样，对数据进行后处理以得到载波、其波长和相应的功率。进一步的常规计算还能够提供关于载波强度相对于背景光学噪声的相对测量的信号噪声比的信息。可以进一步应用这种信息来调整整个传输系统参数以使其更加可靠和得到最佳的性能。
在另一个实施例中在可调结构中应用布拉格(Bragg)光栅以及光纤环路器(未示)以形成通道选择滤光器14。在此纤维布拉格光栅为在与所测试的光谱的波长范围相一致的波长范围上可调的应变型(strain)或温度型光栅。纤维布拉格光栅是这样设计的使带宽和隔离符合特定应用所要求的理想的波长分辨率和信号噪声比。还可以理解的是可调通道选择器可以是基于薄膜的滤光器，例如在基片上涂覆并倾斜的半导体或其它类型的薄膜以提供波长选择性。
虽然在理论上应用通道选择滤光器14及其相关的控制信号就可以足够识别滤光器的光谱位置并由此能够重构光谱，但是大多数市场上可购买的滤光器都易于漂移并且光谱位置及其它们的控制信号的绝对精度较差。在此所公开的比率波长测定方法克服了通道选择滤光器14的光谱位置的不确定性的缺陷，并且结构紧凑、成本效率高。
参考附图3，在比率波长和功率测量系统16或通道选择器14随着时间和温度漂移的情况下，可以应用光路34建立绝对波长参考，如附图中所示该光路34包括光发射二极管(LED)36、分光器38以及单个或多个(如这里所示)温度稳定型光栅40。在这种情况下，通过将光开关12移到适合的通道来选择来自光栅40的折射光。然后使该光通过其余的光路并应用检测器进行测量。一旦后处理该信号，就可以建立光栅相对于该系统的相对位置。通过建立光栅的绝对波长先验，在后处理中就能够测定并校正系统相对于波长的相对漂移。这就提供了一种嵌入式校正系统而不需要进行离线校正。
附图4所示为嵌入式自校正部分的一种变型实施例，该变型实施例如上文所作的一般性描述，但是附图5的实施例包括附加的带通滤光器42并应用分光器38的另一个通道。通过将该输出连接到带通滤光器42，只要两个LED 36和分光器38都自身稳定就可以校正该系统的功率损失。
附图5描述了在附图3中所示的方法的一种变型，其参考光通过位于光开关12和可调选择器14之间的耦合器44，而不通过光开关12。这就更加有利于参考光在每次都出现。
参考附图6，所示为典型的输出曲线(以46总体表示)，其中x轴为波长，y轴为功率。
在如附图7中所示的另一个实施例中，在波长和功率测定通路16中的波长相关的滤光器是一种周期性的滤光器48。例如该器件可以是具有预定的周期的Fabry-Perot滤光器以在特定波长范围中形成绝对波长透光度响应。选择滤光器48的周期性以使滤光器的输出响应随着波长单调地变化。这种滤光器48的优点是可以以更高的分辨率进行测量。由于这些滤光器通常是多值的，在周期性滤光器48之前可以使用纤维布拉格栅状反射体50(或其它类型的参考滤光器)以形成如附图8所示的参考。如果滤光器48具有已知的波长周期，则可以通过建立参考并测量通过比率系统所提供的比率来测定输入信号的波长。
在附图9所示的另一个实施例中，通道选择滤光器14的输出通过波长相关的分光器52。耦合器52具有波长相关的并通常彼此为互补的两个输出。在一个支路中的波长相关的滤光器54的透射响应随着波长单调增加，而另一个滤光器56具有随波长单调递减的响应。随后应用适合的光检测器24和26来检测这些输出，得到输入信号的波长的功率独立的测量值。此外，还可以进行功率测量以得到基于每个载波的信号功率。本实施例的优点在于应用更少的部件并且通常在损耗管理中更有效。波长校正光路包括耦合到分光器38的宽带发光二极管(LED)，该校正光路具有反射波长λ1和λ2的光的布拉格反射体40，这些信号耦合在分光器38中并传递回到开关12。
在附图10所示的另一个实施例中，将波分多路复用器60放置在通道选择滤光器14的前面。来自LED 62并在1300纳米范围中光穿过参考光栅64到达多路复用器60。多路复用器60将在1550纳米范围中的输入信号与参考LED光的输入信号相混合。然后通过受控制和处理电子器件独立控制的通道选择滤光器选择输入光。然后通道选择滤光器14的输出通过多路分解器68，多路分解器68将1300纳米波带70和1550纳米波带72分开。多路分解器的1300纳米输出随后通过周期性的波长相关的滤光器74，使其响应与理想的1500纳米的响应对称。通过检测器24和26进行最后的测量并将该输出在处理器中进行比较。通过将该响应与1300纳米的输出进行比较，可以应用相关函数来确定理想的1550纳米范围光的精确波长。
本领域的熟练技术人员可以理解的是，在本发明的方法和装置之前，在多载波系统中在测定每个载波基础的波长、功率和信号噪声比的测量系统中还没有应用比率波长和功率检测系统。在本发明之前比率系统并不能应用在多载波系统中，因为比率系统不能区别载波，因此不能提供有用的测量值。
上文所给出的本发明的优选实施例的描述是为了说明本发明的原理，但是本发明并不限于所示的实施例。因此希望本发明的范围由包含下述的权利要求内的所有的实施例限定。
权利要求
1．一种在波分多路复用光纤系统中分析光谱的装置，包括具有输入和输出的可调通道选择器；光学地连接到可调通道选择器的输出的波长和功率检测系统；以及连接到可调通道选择器以及波长和功率检测系统的控制器。
2．依据权利要求1所述的装置，其中波长和功率检测系统是比率波长和功率检测系统。
3．依据权利要求2所述的装置，其中比率波长和功率检测系统包括光学地连接到可调通道选择器的输出以将光信号分解成至少两个支路的分光器；在至少两个支路中的一支路中的第一滤光器和连接到第一滤光器的输出的第一检测器和位于至少两个支路中的另一支路中的第二检测器，第一和第二检测器各自都有一输出；以及将一个检测器的输出除以另一个检测器的输出的除法电路。
4．依据权利要求3所述的装置，其中第一滤光器是波长相关的滤光器。
5．依据权利要求3所述的装置，其中第一滤光器是周期性的波长相关的滤光器。
6．依据权利要求5所述的装置，进一步包括连接到周期性的波长相关的滤光器的输入的布拉格栅状反射体。
7．依据权利要求1、2、3、4、5或6所述的装置，其中可调通道选择器适合于应用控制信号来调整并从由一透射器件和一反射器件组成的一组中选择。
8．依据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的装置，其中可调通道选择器是Fabry-Perot滤光器。
9．依据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的装置，其中可调通道选择器包括可调的布拉格光栅和光纤环路器。
10．依据权利要求9所述的装置，其中布拉格光栅是在覆盖所扫描的波长范围的有效波长范围中可调的应变型或温度型的。
11．依据权利要求3、4、5、6、7、8、9或10所述的装置，其中第一滤光器适合于提供随波长函数连续地增加或减小的透光度。
12．依据权利要求3、4、5、6、7、8、9、10或11所述的装置，其中第一和第二检测器是每个都具有电输出信号的光电检测器，该电输出信号与由该光电检测器所检测的光信号成比例。
13．依据权利要求3、4、5、6、7、8、9、10、11或12所述的装置，其中除法电路将第一检测器的输出除以第二检测器的输出。
14．依据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或13所述的装置，其中可调通道选择器的输入连接到N×1光开关的输出。
15．依据权利要求1所述的装置，进一步包括连接到具有输入和输出的可调滤光器的输入的波长多路复用器和在该波长多路复用器的输入中的输入信号，其中波长和输入信号功率检测系统包括位于可调通道的输出中以将信号分解成至少两个支路的多路光信号分离和分解器；在至少两个支路中的一支路中的波长周期性滤光器和位于该滤光器的输出端的第一检测器和位于至少两个支路光中的另一支路中的第二检测器，第一和第二检测器每个都具有一输出；以及将一个检测器的输出与其它检测器的输出进行比较的比较器。
16．依据权利要求15所述的装置，其中输入信号是在从发光二极管通过参考光栅的1300纳米的范围中。
17．依据权利要求15或16所述的装置，其中光信号分离和分解器将该信号分解成1300纳米的支路和1550纳米的支路，并且1550纳米的支路通过滤光器。
18．依据权利要求14所述的装置，进一步包括光校正通路。
19．依据权利要求18所述的装置，其中光校正通路包括具有输入和输出并输出的第一支路光学地连接到光开关的输入的分光器、在分光器的输入端的至少一个光栅以及位于该分光器输出的第二支路中的发光二极管。
20．依据权利要求19所述的装置，其中分光器具有输入的第一支路，至少一个光栅位于该输入的第一支路中，以及进一步包括光学连接在分光器和光开关的输入之间的带通滤光器。
21．依据权利要求18所述的装置，其中光校正通路包括位于光开关和可调滤光器之间的耦合器、具有输入和输出并具有位于该耦合器的输出端第一支路的分光器、至少一个位于在分光器的输入端的光栅和位于在分光器的输出的第二支路中的发光二极管。
22．依据权利要求11所述的装置，包括在至少两个支路中的另一个支路中的第二波长相关的滤光器，其中两个波长相关的滤光器中的一个具有随波长函数连续地增加的透光度，而另一个波长相关的滤光器具有随的函数连续地降低的透光度。
23．依据权利要求22所述的装置，其中除法电路将来自第二检测器的输出从第一检测器的输出中减去以得到差值并将该差值除以第一检测器的输出和第二检测器的输出之和。
24．依据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22或23所述的装置，可调通道选择器包括基于薄膜的滤光器。
25．一种在波分多路复用光纤系统中分析光谱的比率方法，包括将光谱地编码的光学信号接收在可调通道选择器中；将经光谱地编码的光学信号分解成至少两个光信号并使第一光信号通过一滤光器；检测滤光器的输出并将所检测到的光信号转换成第一电信号和从所分解的光学信号中检测第二信号并将它转换成第二电信号；以及将该电信号中的一个电信号除以另一电信号以得出输入波长的独立功率表示。
26．依据权利要求25所述的方法，其中进一步包括随滤光器的信号的波长函数连续地增加或降低透光度的步骤。
27．依据权利要求25或26所述的方法，其中进一步包括应用控制信号调整通道选择器的步骤。
28．依据权利要求25、26或27所述的方法，其中第一电信号除以第二电信号。
29．依据权利要求25、26、27或28所述的方法，进一步包括校正该系统的步骤。
全文摘要
本发明的方法和装置通过控制通道选择元件的光谱位置并应用比率波长和功率测定技术能够快速地分析光谱及其成分以便精确地分析光谱的透射或选择部分。通道选择元件可以是通过控制信号可以调整的透射或反射器件。该系统可以在扫描模式或后处理模式或连续反馈模式中运行,在连续反馈模式中通过比率波长测定系统确定通道选择元件的位置并用其来控制通道选择元件的波长位置。比率波长和功率确定系统通常基于将光学地编码的信号分解成两部分的方式。该信号的一部分通过滤光器,该滤光器具有随波长函数连续地增加或降低的透光度,而同时另一部分不变。随后通过光电检测器检测这两部分信号,在该光电检测器中电信号与光信号成比例。两信号的比率为一唯一的数值,该数值为输入波长的功率独立表示。本发明的所提供的方法和装置在同时测量几种载波而不是一种载波时比较有利。此外,在本发明中可以通过应用光信号的未过滤的部分来获得功率的测量。
文档编号H04Q11/00GK1320311SQ99811477
公开日2001年10月31日 申请日期1999年8月27日 优先权日1998年8月28日
发明者蒂诺·A·阿拉维, 徐明刚, 巴兹尔·阿洛斯 申请人:E－Tek光电方案公司