专利名称：一种阵列波导光栅与信道监控集成系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光通信波分复用解复用及固定路由交换领域中的阵列波导光栅，以及密集波分复用系统信道监控领域。
背景技术：
为了提高长途干线的通信容量，密集波分复用系统得到大力的发展，多波长光源、宽带光放大器、密集波分复用器以及光分叉复用器等是密集波分复用系统的关键器件。密集波分复用系统中，光源波长的温度漂移及密集波分复用器温度敏感性会引起信道中心波长的变化与插损的变化；宽带光放大器增益不平坦及增益变化会引起各信道光功率的变化；系统中心波长漂移引起各信道信噪比的变化。因此，密集波分复用系统中各信道中心波长、光功率、信噪比等必须实时监控。
除了申请号为00100262.7的中国专利所述方案外，在使用阵列波导光栅进行密集波分复用信道监控的现有技术中，当信道中心波长、光功率、信噪比三个测量项中任意两个被测量时，剩余项不能被测量。美国专利No.5617234利用了阵列波导光栅和光电二极管阵列，每个信道的波长都可以被监视，但阵列波导光栅的温度必须实时控制，同时每个信道需要提供分离的用作参考波长的光信号，并且光信号的光功率与光学信噪比不能被精确监控。
申请号为00100262.7的中国专利所述方案能够实现各信道中心波长、光功率、信噪比的同时监控，用作光功率测量的阵列光功率测量器直接耦合到阵列波导光栅输出平板波导端面，见图1阵列光探测器与输出平板波导直接耦合，其中100、110、120、130、140分别为输入波导、输入平板波导、光栅区、输出平板波导、阵列光功率测量器，135为各输出光的光聚焦面(130的端面)，140与135耦合(阵列波导光栅是用阵列输出波导代替140，将各波长信号经输出波导耦合到输出光纤)，如图2阵列光探测器与输出光谱，各波长的光谱310在水平轴320上处于不同位置，同一波长光谱由若干个光功率测量器探测的电流值经数值处理方法后得到，140将130中各输出波长的光功率转换为模拟电流信号，该模拟电信号被数模转换器220为数字信号，实现对各信道的监控。该技术方案能很好的实现对密集波分复用系统的信道监控，不足之处在于，它需要利用抽头(TAP)从多波长光波中耦合出一部分光进行在线监控，整个监控系统成本比较高(包括阵列波导光栅、阵列光功率测量器、信息处理系统等)。
发明内容
本发明的目的在于，在实现多波长光波密集波分复用的同时，既要实现密集波分复用系统中各信道中心波长、光功率、信噪比的实时监控，又要大幅降低密集波分复用系统信道监控成本，同时实现对整个光信号波带光谱的测量监控。
本发明是这样实现的含有多波长的光输入阵列波导光栅输入波导，经输入平板波导、阵列波导光栅区、输出平板波导后，相干聚焦并耦合进输出波导，完成解复用功能，反过来，可以实现多波长的复用功能，这是传统阵列波导光栅的基本功能，对于折叠式阵列波导光栅，输入平板波导与输出平板波导是同一个平板波导，复用解复用功能是一致的；本发明在输出平板波导与输出阵列波导之间的楔形过渡波导上包层减薄，在减薄区设置折射率匹配片，由于波导芯层与阵列光功率测量器距离很小(小于5微米)，同时采取了折射率匹配措施，以至部分导波光耦合进折射率匹配片；折射率匹配片上装有光功率探测器，光功率探测器与耦合片端面成一定角度(耦合光的传输方向与波导轴线几乎平行，光功率探测器倾斜放置便于探测耦合光)，这样阵列光功率测量器便可监控信道光了。不同波长的光相干聚焦耦合进不同的楔形过渡波导，每个楔形过渡波导都有若干个光功率测量器对应，这样将波导中的导波光按比例的变为模拟电信号，再利用数字逻辑电路对这些信号采用数值分析算法对各数值进行处理，同时获得各信道的光谱图。
为了监控各信道的中心波长，必须对每一个信道分别预先输入对应波长的参考光信号，相应的电信号将从对应的光功率测量器上输出，这样每个光功率测量器都有了相应的参考功率值、参考中心波长和参考光谱，实际信号输入时，各光功率测量器测得的功率值经数字信号处理器处理后，即可获得对应信道的光波中心波长和光功率。此外，光信号的光学信噪比可以通过同一信道的各光功率测量器的测量值的比较获得。这样在实现复用解复用功能的同时可实现对密集波分复用系统中的信道监控——信道功率、中心波长、信噪比，还可以获得整个窗口的光信号光谱。
本发明，一种阵列波导光栅与信道监控集成系统，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果1.本发明通过利用阵列波导光栅实现复用解复用功能的同时，在输出自由耦合区各波长光波聚焦处波导(输出波导与自由耦合区楔形过渡波导)的上包层减薄，设置折射率匹配片，并将阵列光功率测量器与折射率匹配片耦合，每个楔形过渡波导都有若干个光功率测量器对应，产生的光电流经逻辑电路处理，可实现对密集波分复用系统中各信道的中心波长、光功率、信噪比的监控，整个器件集成度高，体积小，可靠性好，省去了传统密集波分复用信道监控系统的光波色散器件，监控系统成本大大降低。
2.本发明采用的阵列光功率测量器，对应每个信道，都有三个以上的光功率测量器与之对应，每个信道对应的光功率测量器越多，其探测精度越高，从而获得较高的监控质量；3.本发明适合于传统阵列波导光栅、温度不敏感阵列波导光栅、折叠式阵列波导光栅等。
通过参照附图对一个优选实施例的详细描述，将本发明的上述目的与优点阐述得更加明显。
通过以下对本发明一种阵列波导光栅与信道监控集成系统的若干实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为图1是阵列光功率测量器与输出平板波导直接耦合的结构示意2是阵列光功率测量器与测试光谱示意3是本发明技术发明案俯视图方案图4是本发明输出波导锥形区与阵列光功率测量器局部放大5是本发明波导轴向剖面结构示意图具体实施方式
请见图3，1为输出自由耦合区，2为阵列光功率测量器，3为各信道的楔形过渡波导区，4为阵列输出波导，5为硅V形槽，6为带状光纤，当相干相长的多波长光波在1中干涉，不同波长的光分别聚焦耦合进4，继而耦合进输出光纤6。一般阵列波导光栅输出波导与输出自由耦合区之间设计了一段过渡楔形波导，目的在于减少温度敏感性，且各楔形过渡波导区分别是对应波长的光波相干聚焦的位置。请见图4，12为楔形过渡波导区，11为阵列光功率测量器，以12的对称线呈对称分布，13为波导包层，14为输出波导，15为12中光波的光谱。请见图5，21为芯片基底，22为波长为λ的相干光波，23为平板波导区，24为波导上包层，25为楔形过渡波导区，26为折射率匹配胶层，27为光功率测量器(倾斜放置)，28为输出波导，29为波导下包层，30为输出光纤。波长为λ的光在23中相干相长耦合进楔形过渡波导25，25的上包层减薄，经折射率匹配层26作用下25中部分波导光耦合进阵列光功率测量器27，25中其余波导光继续传播耦合进输出波导28。
在DWDM系统中的光谱监测就特别适合于采用这种光电检测阵列来进行光电能量的转换，它有以下几个优势·使光学器件结构紧凑，有效地减小设备的体积；·没有可动部件，可以在稳定性不是很好的现场使用；·不需要现场波长校准，易于维护；·这种器件集成度更高，噪声很低；·可以获得很大的动态范围。
光谱信号被采样后送入数字信号处理器(DSP)中进行处理并得出结果。DSP特别适合于做运算方面的处理，它采用高效的算法，能够以很快的速度对原始数据进行处理，并把结果保存下来。以C波段(1530.28nm～1562.68nm)为例，如果采用有511个像素的光电检测阵列，则每个像素检测0.0633nm波长宽度的光能量。这些检测数值经A/D变换后送入到数字信号处理器中进行处理，得到如下的一组原始数据yi＝f(xi)，i＝0，±1，±2......±255，其中yi代表光功率；xi＝x0+h×i为等间距点，代表光波长点；x0为中心波长；h＝0.0633nm。数字信号处理器对这些离散数据进行高斯插值运算，寻找出一个连续函数P(x)来逼近f(x)，使得公式y＝f(x)＝P(x)+R(x)成立，其中R(x)为余式。这样就可以由少数的一些样点(511个点)经yi＝f(xi)运算得出任意点的光谱数值(P(x)在相应波长x处的取值)。在实际计算中，光谱函数只能由P(x)的前几项来近似取得，所产生的误差叫做截断误差，其误差可以用余式来估计。截断误差与近似式中所截取的项数有关。根据余式来看，似乎插值公式中所截取的项数越多，所产生的截断误差就越小，实际上并不尽然，由于光电器件的老化及其固有的非线性等因素的影响，所测得的原始数据本身就有测量误差存在，这种测量误差可能会在插值的过程中逐级累积、扩散和放大，导致误差的增大。当然，误差也有被削弱、抵消的可能性。在实际运算中，应综合考虑系统的测量精度要求、计算量等因素合理选取保留项数。一般取插值公式中的前四项左右作为近似值比较合适。
这种方式可以在波分复用层(DWDM)上在线检测线路中传输的光信号中各通道的光功率、光波长以及光信噪比，从而实现系统性能的监测和故障的自动定位，而不需要通过SDH开销的处理来实现这一功能，真正体现了DWDM系统的透明性(通信质量的监测与接入的业务无关)，同时极大地方便了维护人员的工作。
权利要求
1.本发明是一种阵列波导光栅与信道监控集成系统，其特征在于通过利用阵列波导光栅实现多波长光波解复用功能的同时，在输出自由空间耦合区各波长光波聚焦处的楔形过渡波导的上包层减薄，减薄区内设置折射率匹配片，使得部分波导光从上包层被折射率匹配片匹配出来，耦合进阵列光功率测量器，每个信道均有三个以上的光功率测量器与楔形过渡波导耦合；
2.如权利要求1所述的一种器件，其特征在于阵列光功率测量器在减薄区内通过折射率匹配胶与芯片耦合并粘接，阵列光功率探测器与折射率匹配片倾斜耦合，每个楔形过渡波导上包层减薄区内有多个光功率测量器对应，且每个楔形过渡波导对称线上均有一个光功率探测器对应；
3.如权利要求2所述的一种器件，其特征在于每个楔形过渡波导对应的各光功率探测器由于偏离楔形过渡波导对称线距离不同，因此测得的光功率不同，经逻辑电路处理，可实时获得各信道光谱图，实现对密集波分复用系统中各信道的中心波长、光功率、信噪比的监控；
4.如权利要求3所述的一种器件，其特征在于以光电二极管阵列或电荷耦合器件为光功率测量器；
5.如权利要求4所述的一种器件，其特征在于减薄区可以通过湿法刻蚀或干法刻蚀形成；
6.如权利要求5所述的一种器件，其特征在于阵列波导光栅有两个自由耦合区或只有一个自由耦合区(折叠式阵列波导光栅)。
全文摘要
本发明是一种阵列波导光栅与信道监控集成系统，属于光通信领域，尤其涉及波分复用及固定路由交换领域中的阵列波导光栅，以及密集波分复用系统信道监控领域。本发明是这样实现的在输出平板波导与输出阵列波导耦合部位的楔形过渡波导上包层减薄，在减薄了波导上包层上设置折射率匹配片，阵列光功率测量器倾斜放置与折射率匹配片耦合，由于波导芯层与阵列波导探测器折射率匹配片间距很小，以至部分导波光耦合进折射率匹配片进而耦合进阵列光功率测量器，每个信道的楔形过渡波导都有若干个光功率测量器对应(对光谱的不同位置进行取值采样)，这样将楔形波导中的导波光按比例的变为模拟电信号，再利用数字逻辑电路对这些信号采用数值分析算法对各数值进行处理，获得各信道的光谱图，这样在实现复用解复用功能的同时可实现对密集波分复用系统中的信道监控——信道功率、中心波长、信噪比。本发明，一种阵列波导光栅与信道监控集成系统，在实现多波长光波密集波分复用的同时，实现对密集波分复用系统中各信道的中心波长、光功率、信噪比的实时监控和对整个光信号波带光谱的实时测量，整个器件集成度高，体积小，精度高，可靠性好，省去了传统密集波分复用信道监控系统的光波色散器件，监控系统成本大大降低。
文档编号H04B10/08GK1530678SQ0311876
公开日2004年9月22日 申请日期2003年3月12日 优先权日2003年3月12日
发明者张立国 申请人:张立国