专利名称：光学分插复用器设备,其控制方法以及光通讯系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于波分复用(WDM)光通讯系统的一种光学分插复用器(optical add/drop multiplexer)设备(以下称为OADM设备)，它从具有分别被指定为彼此独立且适当隔开的波长的多个信道的波分复用信号光(以下称为WDM信号光)中分出具有指定为特定波长的信道的信号光，或向其中添加具有指定为特定波长的信道的信号光。本发明也涉及OADM设备的控制方法以及采用该OADM设备的WDM光通讯系统。
背景技术：
采用单模石英光纤的光通讯具有大容量传输的特点。WDM光通讯系统采用在1.55微米波长附近的波长，这是单模光纤中损耗最小的波长区域，该系统已经作为利用大容量传输优点的技术投入实际应用。
因为WDM光通讯系统具有多个点互联成网的网络结构，取代了在特定两点之间的传输，因此必须在网络节点处分出或添加具有指定为特定波长的信道的信号光。例如在H.Kanamori“Fiber Grating”(’Kogaku Gijutsu Kontakuto’optical technology contact，vol.35，No.6，343-348，1997)中披露了具有这种特征的OADM设备的具体结构。
图5中显示了在前述文献中描述的OADM设备的原理。在图5中，具有多个信道的WDM信号光从光纤53的光纤端部53a传输至光纤54的光纤端部54a，其中每个信道被指定为特定波长。OADM设备包括光环行器51，52、带有沿着芯形成的周期折射率(cyclic refractive Index)型光栅56的光纤光栅部分55、连接至光环行器51的用于分出信号光的光纤57、以及连接至光环行器52的用于添加信号光的光纤58。
以下描述图5所示的OADM设备的工作原理。假设在光纤光栅部分55上形成的周期折射率型光栅56具有只反射WDM信号光中的具有指定为特定波长λk的信道的信号光的特征。假设从光纤53的光纤端部53a入射的WDM信号光包括具有分别指定为λ1到λn的波长的信道的信号光，则在光纤光栅部分55的周期折射率型光栅56上只反射具有指定为λk波长的信道的信号光，并通过光环行器51输出(分出)至光纤端部57a。
根据类似的原理，从光纤58的光纤端部58a入射(添加)的具有指定为λk波长的信道的信号光在光纤光栅部分55的周期折射率型光栅56上反射，并通过光环行器52输出至光纤54的光纤端部54a。即，由两个光环行器51，52以及光纤光栅部分55构成的OADM设备具有这样的功能添加/分出具有指定为λk波长的信道的光信号，其中该波长λk和光纤光栅部分55上形成的周期折射率型光栅56的光栅间距相对应。
由于不希望周期折射率型光栅56的反射波长随环境温度的变化而变化，并且已经知道光纤光栅自身的反射波长的温度依赖性为0.01nm/℃，因此光纤光栅部分55一般装在温度补偿包装或温度独立包装(temperature independent package)内，从而即使当环境温度变化时，光纤光栅部分55的特征也不会受到影响。采用温度补偿包装会将光纤光栅的温度依赖性减小至约0.001nm/℃。但是，当WDM光通讯系统中相邻信道之间的间隙变得比现在的约0.8nm的值更窄时，这种温度补偿特性是不够的。
当因为通讯量的持续增长而在光网络中发生变化时，重新指定光网络的传输线路，从而可能必须改变特定节点上添加的/分出的信号光的信道或添加的/分出的信号光的信道数量。在这种情况下，OADM设备必须具有添加/分出具有指定为不同波长的不同信道的信号光的功能，并且优选提供具有可调反射波长的光纤光栅。
由于光纤光栅的反射波长由沿着芯形成的周期折射率型光栅的光栅间距所确定，因此通过在光纤光栅的纵向施加张力来改变周期折射率型光栅的光栅间距，可以改变所反射的波长。InA.Iocco等人的“Bragg grating fast tunable filter”(ELECTRONICS LETTERSvol.33，No.25，1997年12月)披露了一种用于改变反射波长的技术。在该技术中，通过在压电致动器上施加DC电压来伸展/压缩压电致动器，由压电致动器的张力/压力而改变沿着芯形成的周期折射率型光栅的光栅间距，从而可以改变光纤光栅的反射波长。
图6表示压电致动器位移和波长偏移之间的关系，如所述文献所示。它表示出波长可以有约15nm的改变。在用于改变波长的功能加至光纤光栅的情况下，压电致动器和附带的电路加至OADM设备。这使得该设备变得复杂，并难以进行高精度的温度补偿。结果，OADM设备不能实现作为OADM系统元件的包括光纤光栅在内的反射滤光器反射波长的稳定。同时，因为相邻通讯信道之间的间隙变得更窄以提供大容量WDM光通讯系统，作为OADM设备元件的反射滤光器的稳定特性更难以实现。
发明概述本发明的一个目的是提供一种光学分插复用器设备，作为实现WDM光通讯系统的基本元件，尤其是提供一种选择光纤光栅的反射波长的信道并稳定其添加/分出波长即反射波长的光学分插复用器设备。本发明的再一个目的是提供一种控制OADM设备的方法以及采用该OADM设备的波分复用光通讯系统，它选择光纤光栅的反射波长的信道并稳定其添加/分出波长。在添加/分出波长已经因为环境温度的变化而改变的情况下，OADM设备将其添加/分出波长，即作为OADM设备元件的光纤光栅的反射波长，校正为预设的波长。
根据本发明，具有带调节机构的反射滤光器的OADM设备具有稳定的特性，其中在反射滤光器处的反射光波长不会随环境温度的变化而变化。在OADM设备中，划出并提取作为监控光的部分添加或分出的信号光，将该监控光进一步分成两束光，在分开之后，这两束中的一束穿过一个具有波长依赖性的滤光器。将穿过该滤光器的监控光和没有穿过该滤光器的监控光引导至监测单元的检测器，在检测单元中获得两束监控光的光功率比值。通过控制调节机构，稳定反射滤光器的反射光谱特性，从而使该比值可以是预定值。
附图的简要说明
图1表示本发明第一实施方案的OADM设备的结构；图2A表示滤光器的特性曲线；图2B表示在使用图2A中的滤光器的情况下，光纤光栅的反射波长变化量以及检测器1检测的光功率与检测器2检测的光功率之间的比值；图3A表示另一个滤光器的特性曲线；图3B表示在使用图3A中的滤光器的情况下，光纤光栅的反射波长变化量以及检测器1检测的光功率与检测器2检测的光功率之间的比值；图4表示根据本发明第二实施方案的OADM设备的结构；图5表示现有技术的OADM设备的原理；图6表示压电致动器位移和波长偏移之间的关系。
优选实施方案的详细说明图1表示本发明OADM设备的第一实施方案。该OADM设备包括光环行器11、12、光纤13、14、光纤光栅部分16、耦合器18、19、滤光器20、用于分出信号光的光纤25、用于添加信号光的光纤26以及控制器29。光纤13在其端部具有光纤端部13a，光纤14在其端部具有光纤端部14a。光纤光栅部分16具有沿着芯形成的周期折射率型光栅15。光纤光栅部分16的反射光谱的半宽一般为0.2nm。光纤25在其端部具有光纤端部25a，光纤26在其端部具有光纤端部26a。光环行器11将从光纤13的光纤端部13a入射的WDM信号光引导至光纤光栅部分16。具有指定为特定波长的信道的信号光在周期折射率型光栅15上反射，并通过光环行器11输出至光纤27a。即可以从光纤25的光纤端部25a分出具有指定为特定波长的信道的信号光。
光纤光栅部分16的形成有周期折射率型光栅15的中间部分被固定在一个调节机构17上。例如，该调节机构17由压电致动器构成。通过施加预定的DC电压而伸展/压缩压电致动器，通过伸展/压缩压电致动器，拉伸和压缩形成有光纤光栅部分16的周期折射率型光栅15的所述部分，该光纤光栅部分16的周期折射率型光栅15与压电致动器机械耦合。结果，改变了周期折射率型光栅的光栅间距。该功能允许选择指定为在光纤光栅部分16反射的特定波长的信道。
作为光学分路设备的光耦合器18将部分信号光从光纤27a划出，将划出的光作为监控光引导至光纤27b。由光耦合器18划出至光纤27b的监控光必须基本不会减少从光纤端部25a抽取的所分出的信号光的功率。优选的是，将信号光的20dB(1％)或以下的光功率作为监控光划出至光纤27b。
光耦合器19对光耦合器18划出的监控光进行进一步的分路。考虑到后面所述的除法过程，分路比例优选约为1∶1。由光耦合器19以1∶1比例分路的监控光进入光纤28a和28b。
光纤28b连接至滤光器20。滤光器20具有轻微的传输光谱特性的损耗依赖性。作为一个示例，滤光器20可以利用长周期光栅构成。
进入光纤28b并穿过滤光器20的监控光进入光检测回路21的检测器2，该光检测器回路是控制器29的元件。另一方面，进入光纤28a的监控光不经滤光器20而进入光检测器回路21的检测器1。与光检测器回路所检测的监控光的光功率相对应的模拟信号通过A/D转换器22输入微型计算机23。该微型计算机23获得经过光纤28a的监控光与经过光纤28b和滤光器20的监控光的功率比。
因为光纤光栅部分16的反射光谱特性受光纤光栅部分16的周期折射率型光栅15的光栅间距因为环境温度变化而变化的影响，因此即使从光纤端部13a入射的信号光的光谱是稳定的，在光纤光栅部分16的周期折射率型光栅15上反射的信号光也会产生中心波长和其光功率的变化。
根据计算，因为环境温度在0-70℃之间变化而导致的光纤光栅部分16的周期折射率型光栅15的反射光谱特性变化约为0.7nm。光耦合器18基本不表现出对信号光光谱变化的波长依赖性。因此，通过光纤27b入射在光耦合器19上的监控光具有与在光纤端部25a检测的信号光一样的波长光谱。即通过光纤27b入射在光耦合器19上的监控光可实现光纤端部25a的信号光光谱的高保真监控。
光耦合器19也基本不表现出对信号光或监控光光谱变化的波长依赖性。因此从光耦合器19入射在光纤28a、28b上的监控光具有同样的光谱。通过采用典型的1.5-μm带波长独立的熔融型光纤耦合器，可以容易的满足每个光耦合器18、19在监控光波长范围内不具有波长依赖性的条件。
如前所述，光检测电路21的检测器1和检测器2所检测的信号光通过控制器29的A/D转换器单独进行A/D转换，然后通过微型计算机23对检测器1和检测器2所检测的信号光进行除法运算，以获得检测器1检测的光功率与检测器2检测的光功率之间的比值。在这种实践中，监控光因滤光器而衰减的百分比取决于监控光的光谱。因此，在光纤光栅部分16的反射光谱特性受到影响的情况下，检测器1检测的光功率与检测器2检测的光功率之间的比值发生变化。因此，通过获取前述关系，可以检测光纤光栅部分16的反射光谱特性的变化量。
当从光纤端部13a入射的信号光的光谱变化时，经过滤光器20的监控光的光功率随着监控光的波长因为环境温度改变而发生的变化以及入射信号光光谱的变化而变化。不经过滤光器20的监控光的光功率也因为入射信号光的光谱变化而变化。如上所述，因为微型计算机23获得了检测器1检测的光功率与检测器2检测的光功率之间的比值，因此可以稳定的获得光纤光栅部分16的反射光谱特性的变化量，而与入射信号光的光谱变化无关。
根据如前所述检测的波长变化量，微型计算机23通过D/A转换器24输出用于调节机构17的控制信号。根据构成将在后面描述的调节机构17的促动器类型，该控制信号表现为电压或电流。
在OADM设备中，当反射波长的信道设置变化时，中止对前述反射波长的监控，同时施加预定控制信号，然后再次开始对反射波长的监控。
图2A表示实现本发明OADM设备的滤光器的特征曲线示例。图2A所示的滤光器具有这样的线性衰减特性在中心波长处比距离该中心波长5nm处高5dB。此处，中心波长是由信号光的工作波长范围确定的参考波长，距离该中心波长的差表示距离该参考波长的差。
图2B表示在监控光进入具有如图2A所示波长特性的滤光器的情况下，由检测器1检测的光功率和由检测器2检测的光功率之间的比值。在图2B中，水平轴表示距离该滤光器的中心波长的差。竖直轴表示由检测器1检测的光功率和由检测器2检测的光功率之间的比。
如图2A所示，可以理解，穿过滤光器20的监控光波长的变化导致了检测器1检测的没有穿过该滤光器20的监控光光功率与检测器2检测的穿过所述滤光器20的监控光的光功率之间的比值的变化，因为监控光的衰减随着滤光器20的使用而变化。在图2B中，尽管计算时假设光耦合器19的分路比例是1∶1，但是该光耦合器19的分路比例不限于1∶1。
图3A表示实现本发明OADM设备的另一滤光器的特征曲线示例。图3A中的滤光器其监控光衰减相对于中心波长与监控波长之间的差来说是非线性变化的。图3B表示在监控光进入具有这种波长特性的光学滤光器的情况下，由检测器1检测的光功率和由检测器2检测的光功率之间的比。如图3B所示，由检测器1检测的光功率和由检测器2检测的光功率之间的比相对于中心波长与监控波长之间的差来说是线性变化的。因此，如果使用具有图3A所示特性的滤光器，则可以恒定地控制调节机构，而不考虑距离中心波长的差值，同时减少了控制系统的负担。
图4是本发明的再一实施方案，监控入射在用于从图1的光纤26a输入信号的光纤26上的信号光。在图4中，通过监控从光纤端部46a入射至周期折射率型光栅35的信号光的反射光谱变化，来获得如图1所示的同样的效果。在图4中，30表示OADM设备，31、32表示光环行器，33、34表示光纤，36表示光纤光栅部分，37表示调节机构，38、39表示光耦合器，40表示滤光器，41表示光检测电路，47、48a、48b表示光纤，42表示A/D转换器，43表示微型计算机，44表示D/A转换器，45表示用于分出信号光的光纤，46表示用于添加信号光的光纤，49表示控制器。工作原理与图1所示OADM设备的相同。从光纤端部46a添加具有指定为特定波长的信道的信号光，并在光纤光栅部分36的周期折射率型光栅35上反射，通过光环行器32输出至光纤34。作为光分路设备的光耦合器38设置在光纤光栅部分36和环行器32之间，划出从光纤光栅部分36反射的部分信号光，并将划出的光作为监控光引导至光纤47。光耦合器39还将光耦合器38划出的光进一步分路，由光耦合器39划出的监控光进入光纤48a和48b。进入光纤48b的监控光穿过滤光器40进入光检测电路41的检测器2。另一方面，进入光纤48a的监控光进入光检测电路41的检测器1，而不穿过滤光器40。微型计算机43获得穿过光纤48a的监控光与穿过光纤48b和滤光器40的监控光之间的比值。
沿着光纤光栅的芯形成的周期折射率型光栅15、35的反射光谱特性一般是无方向性的。因此图1中的监控方法和图4中的监控方法具有相同的效果。可以采用任何一种方法来控制调节机构17、37。当周期折射率型光栅15、35的反射光谱特性是定向的时候，优选一起采用图1和图4中的监控方法，以分别控制调节机构17、37。
调节机构17、37可以由能够改变光纤光栅部分16、36的周期折射率型光栅15、35的光栅间距的任何手段来构成。由于在周期折射率型光栅15，35上反射的波长的瞬时变化是因为光纤光栅环境温度的变化，即周期折射率型光栅15、35的光栅间距的变化或玻璃折射率的变化，导致的。因此，调节机构17、37不必需要高速响应。所以，用于施加应力以伸展/压缩光纤光栅部分16、36的部件不限于压电致动器。可以是电磁促动器，其中，控制电流以改变电磁力大小，从而在光纤光栅部分16、36上施加可变的力。另一种方法可以是热膨胀设备，其中，通过使用加热器或Pertier设备改变环境温度，以在光纤光栅部分16、36上产生热膨胀或热压缩，因此改变沿着光纤光栅部分16、36的芯形成的周期折射率光栅15、35的光栅间距。另一种方法也可以是利用加热设备，利用它改变因为温度导致的折射率变化，以控制反射光谱。
尽管光纤光栅部分16、36一般是布拉格光栅，但是可以使用具有更宽反射带宽的线性调频脉冲光栅，来通过单模添加/分出分别指定为不同波长的多个信道的信号光。可以使用绝缘多层滤光器作为滤光器20、40。考虑到与光纤28b、48b的兼容性，优选长周期的光栅。
当使用布拉格光栅作为光纤光栅部分16、36，并且在WDM光信号中只有一个具有指定为特定波长的信道的光信号被添加或分出的情况下，可能必须根据光学网络的扩展或改进而改变在特定节点添加或分出的信号光的波长设定，在采用压电致动器的调节机构的情况下，可允许约15nm的波长偏移，如图6所示。这样允许在比WDM光通讯系统中相邻信道之间的间隔0.8nm充分大的范围内进行波长调整，因此满足光网络中的前述要求。在这种情况下，可以改变或重新确定检测器1对检测器2的目标比例值，并且微型计算机23、43控制调节机构17、37，从而使测得的检测器1对检测器2的比值与检测器1对检测器2的目标比值相一致。
尽管在上述实施方案中采用周期折射率型光栅15、35，但是可以使用绝缘多层滤光器代替周期折射率型光栅15、35。在这种情况下，可以使用压电致动器或电磁铁，以在滤光器上施加机械力，来改变反射光谱。或者，优选使用光纤光栅而使调节机构的结构简化。
工业实用性通过使用本发明的OADM设备，在反射光谱特性已经因为环境温度变化而变化时，通过将作为OADM设备的元件的光纤光栅的添加/分出波长校正为预设波长，可以稳定OADM设备的添加/分出特性。
本发明提供一种具有稳定的添加/分出特性的OADM设备，它不受例如环境温度变化的影响。该OADM设备采用具有调节机构的反射滤光器，其中反射滤光器的反射波长不会因为环境温度变化而变化，其方式是划出部分添加或分出的信号光并抽取其作为监控光，该监控光被进一步分为两束光，分路后的两束光中的一束经过具有波长依赖性的滤光器，而穿过该滤光器的监控光以及没有穿过该滤光器的另一束监控光被引导至检测电路的检测器，获得两束监控光的光功率的比例，并控制调节机构从而使该比例值为预定值。
根据本发明，划出监控光，并获得经过滤光器的监控光与没有经过滤光器的另一束监控光的比例，以控制调节机构。因此控制不会受被检测的监控光的光功率变化的影响，其中该光功率变化伴随着反射滤光器的反射光谱特性中的变化。
图1中的滤光器20和图4中的滤光器40与光纤光栅部分16、36相比显示出轻微的光谱波长依赖性。因为波长变化导致传输比发生缓和的变化，从而，因为环境温度变化导致的特性变化是小的，因此可以稳定地控制。特别地，在使用长周期光栅的情况下假设的温度依赖性小至约0.001nm/℃，它符合本发明的目的。尽管滤光器20、40不具有调节机构，但是利用包装，很容易提供温度补偿。因为传输比的变化对滤光器20、40的波长变化是缓和的，因此微型计算机检测的监控光光功率的变化比光纤光栅部分16、36的反射光谱中的变化更小。光纤光栅的反射光谱变化主要是由于环境温度变化导致的。因此过程控制不一定需要高速响应。通过微型计算机中的适当的时间平均处理，可以高精度地控制所述调节机构。
权利要求
1.一种光学分插复用器设备，包括具有波长调节机构的反射滤光器，用于反射具有预定波长的信号光；第一光学分路元件，用于划出反射滤光器处反射的部分信号光，作为第一监控光；控制单元，用于根据第一监控光控制所述波长调节机构。
2.如权利要求1的光学分插复用器设备，包括第二光学分路元件，用于将第一监控光分成为第二监控光和第三监控光；具有波长依赖性的滤光器，用于从其中通过第二监控光；检测单元，用于获得通过滤光器的第二监控光与没有通过该滤光器的第三监控光之间的光功率比；其中所述控制单元根据所述光功率比而控制所述波长调节机构。
3.如权利要求2的光学分插复用器设备，其中滤光器的传输光谱的半宽大于反射滤光器的反射光谱的半宽。
4.如权利要求3的光学分插复用器设备，其中滤光器具有长周期光栅。
5.如权利要求3的光学分插复用器设备，其中所述反射滤光器具有布拉格光栅或线性调频脉冲光栅。
6.如权利要求2的光学分插复用器设备，其中滤光器具有所述光功率比相对于距中心波长的差值来说线性变化的波长依赖性。
7.一种波分复用光通讯系统，采用光学分插复用器，该光学分插复用器包括具有波长调节机构的反射滤光器，用于反射具有预定波长的信号光；第一光学分路元件，用于划出反射滤光器处反射的部分信号光，作为第一监控光；控制单元，用于根据第一监控光控制所述波长调节机构。
8.如权利要求7的波分复用光通讯系统，其中光学分插复用器包括第二光学分路元件，用于将第一监控光分成为第二监控光和第三监控光；具有波长依赖性滤光器，用于从其中通过第二监控光；检测单元，用于获得通过滤光器的第二监控光与没有通过该滤光器的第三监控光之间的光功率比；其中所述控制单元根据所述光功率比而控制所述波长调节机构。
9.如权利要求8的波分复用光通讯系统，其中滤光器的传输光谱的半宽大于反射滤光器的反射光谱的半宽。
10.如权利要求9的波分复用光通讯系统，其中滤光器具有长周期光栅。
11.如权利要求9的波分复用光通讯系统，其中所述反射滤光器具有布拉格光栅或线性调频脉冲光栅。
12.如权利要求8的波分复用光通讯系统，其中滤光器具有所述光功率比相对于距离中心波长的差值来说线性变化的波长依赖性。
13.一种控制光学添加/分出多路复用设备的方法，该设备包括具有波长调节机构的反射滤光器和具有波长依赖性的滤光器，该方法包括如下步骤将在反射滤光器反射的部分信号光划出作为第一监控光；根据第一监控光控制波长调节机构。
14.如权利要求13的控制光学分插复用器设备的方法，包括将第一监控光分成为第二监控光和第三监控光；使第二监控光通过滤光器；以及检测通过滤光器的第二监控光与没有通过该滤光器的第三监控光之间的光功率比；其中在控制步骤，根据光功率比而控制波长调节机构。
15.如权利要求14的控制光学分插复用器设备的方法，其中滤光器具有所述光功率比相对于距离中心波长的差值来说线性变化的波长依赖性。
全文摘要
在OADM设备中采用了具有调节机构的反射滤光器，划出部分添加或分出的信号光，并抽取作为监控光，将该监控光再次分为两束光。分路后的两束光中的一束经过具有波长依赖性的滤光器。经过滤光器的监控光以及没有经过该滤光器的另一束监控光被引导至检测电路的检测器。获得两束光的光功率比，并控制调节机构从而使该比值为预定值。
文档编号G02B6/00GK1422470SQ01807963
公开日2003年6月4日 申请日期2001年4月11日 优先权日2000年4月12日
发明者高桥健一郎, 佐野知己, 菅沼宽 申请人:住友电气工业株式会社