光信号的精准波长检测及其研究进展*

吕 辉

(湖北工业大学理学院，湖北武汉430068)

0 引言

光信号的精准波长检测技术广泛用于光通信领域密集波分复用(DWDM)系统的波长监测和光纤传感系统的波长信息提取[1-3]。对于DWDM系统，随着其相邻信道间隔不断减小(目前已达到12.5 GHz)，要求对其各信道波长实施精确的波长监测和波长控制，否则会引起不同信道之间的相互串扰，影响光网络信号的传输[4-5]。而对于基于光纤布拉格光栅(FBG)的光纤传感系统而言，为了有效实现光传感技术，需要对FBG反射光信号的波长偏移量进行精确的测量[6]。在上述2种应用系统中，可以通过光学边沿滤波器将被测信号的中心波长进行区分，同时引入比率制测量原理将波长信息转化成光强信息进行测量。鉴于这个思路，国内外相关研究团队利用多种方法实现了光信号的精准波长检测[7-12]。近年来，由于国际上众多著名大学、研究机构的积极参与以及光通信、光纤传感市场需求的驱动，使得高精度波长检测技术的研究和商用化进展十分迅速。本文将介绍光信号的比率制波长检测原理，并结合该领域目前的研究进展，重点讨论比率制波长检测系统核心部件——光学边沿滤波器的不同实现方案，分析影响最终波长检测精度的各方面因素，并探讨相关发展趋势和应用前景。

1 比率制波长检测原理

所谓比率制波长检测，是指将被测光信号按功率平均分为2路，一路作为参考信号，另一路经光学边沿滤波器处理后作为测量信号，2路信号比值仅与被测信号波长相关，而与被测信号光强无关。因此采用比率制方法对信号波长进行测量可以有效地消除信号光强波动对测量结果的影响。图1为比率制波长检测系统的原理框图，对于上述的参考信号和测量信号，一般采用光探测器(PD)将其转换为电流信号，然后通过跨导放大器(TIA)和模数转换器(ADC)将其转换为数字电压信号，再通过微处理单元(MCU)对2路信号的比值进行计算，根据比值得到被测信号的波长信息，最终显示测量结果。

图1 比率制波长检测系统的原理框图

对于比率制波长检测系统而言，需要同时满足波长测量范围和波长测量精度的要求。如图1所示，在比率制波长检测系统中，有效波长测量范围由边沿滤波器的线性传输谱宽决定，而其波长分辨率则由边沿滤波器的传输斜率决定。一般要求边沿滤波器具有足够低的插入损耗，并在整个波长测量范围内其传输损耗具有足够大的区分度[13]。但考虑到被测信号有限的信噪比，同时为了保证光探测器对功率信息的正确提取，要求边沿滤波器传输损耗的动态范围不能过大。

2 光学边沿滤波器的实现方案

通过上面的介绍可知，光学边沿滤波器作为比率制波长检测系统的核心部件，其性能的优劣将在很大程度上影响最终波长测量结果，因此有必要对其进行优化设计。目前，该领域的研究者采用多种方案实现了边沿滤波器，如多模干涉耦合器[1]、光纤光栅[2]、体材料薄膜滤波器[7]、双锥光纤滤波器[9]、宏弯曲光纤滤波器[12]、定向耦合器[14]等。在众多实现方案中，全光纤的解决方案无疑具有更大的优势，它不仅容易实现测量系统的内部连接，并且能够减少系统内的机械活动部件，提高系统机械稳定性，最重要的是能够有效降低系统的偏振相关损耗(PDL)。

宏弯曲光纤滤波器是一种典型的全光纤边沿滤波器解决方案。如图2所示，将标准SMF28单模光纤缠绕在同心轴上即可构成边沿滤波器，通过设置光纤的弯曲半径和弯曲长度，可以得到期望的光纤弯曲损耗随波长的变化曲线，如图3所示。爱尔兰都柏林理工学院的相关研究团队在此方面进行了大量的研究，并取得了很好的成果，他们研制的宏弯曲光纤滤波器有效波长范围覆盖1 500～1 600 nm，光纤弯曲损耗动态范围达到20 dB，将其应用于比率制波长检测系统可实现10 pm的波长区分精度[12，15]。

图2 宏弯曲光纤滤波器示意图

图3 弯曲损耗与波长的关系曲线

3 影响波长测量精度的因素

3.1 系统PDL的影响

比率制波长检测系统中用到的3 dB耦合器和宏弯曲光纤滤波器都属于偏振敏感器件，在测量过程中这些器件的PDL会随机起伏，从而导致比率制测量的传输比值随机起伏，最终造成较大的波长测量误差[16]。宏弯曲光纤滤波器中存在的PDL主要是由于光纤的弯曲部分对TE模和TM模引入的弯曲损耗不同所导致，一个最直接的解决办法就是对TE模和TM模的弯曲损耗差异进行反向补偿。基于这个思想，爱尔兰都柏林理工学院的研究者将宏弯曲光纤的弯曲部分分为等长度的2个部分，并在2部分中间引入一个90°的扭转，如图4所示[17]。利用这种方法可以改变第2段弯曲光纤中的偏振态，第1段弯曲光纤中的TE(TM)模和第2段弯曲光纤中的TM(TE)模进行了转换，恰好使得TE模和TM模之间的损耗差被抵消，从而有效地降低比率制波长检测系统中边沿滤波器引入的PDL。另外，通过在测量系统中采用非偏振相关的3 dB耦合器来进一步降低系统的PDL。

图4 引入90°扭转的宏弯曲光纤滤波器结构

3.2 温度的影响

环境温度也是影响比率制波长检测系统性能的一个非常重要的因素。由于全光纤边沿滤波器具有很强的温度相关特性，环境温度的变化会导致边沿滤波器传输谱的改变，最终影响波长测量结果[18-19]。一方面，在环境温度变化较大的应用场合必须在波长检测系统中引入温度补偿机制，使得波长检测系统工作在目标温度附件。另一方面，全光纤边沿滤波器的这种温度相关特性在光纤温度传感领域恰好能得到有效的利用，光纤温度传感系统正是利用光纤边沿滤波器传输比值的漂移量来提取温度的变化信息。

3.3 被测光信号信噪比的影响

当被测光信号的噪声不容忽视，即其具有有限信噪比，此时该信噪比的变化会导致比率制波长检测系统的传输比值改变，最终影响波长测量精度。国外的研究结果表明，当边沿滤波器的传输斜率为0.15 dB/nm时，被测信号信噪比下降5 dB会导致波长测量结果漂移0.055 nm[20]。由此可见，在比率制波长检测方案中，要获得高的波长分辨率，必须将被测信号的信噪比保持在一定水平。

3.4 被测光信号带宽的影响

在比率制测量方案中，理想情况要求被测光信号具有线状光谱，而实际光信号一般具有一定带宽，即使是单纵模窄线宽光信号，同样具有一定的线宽，因此比率制系统得到的是被测光信号整个谱型的平均测量结果，即信号中心波长。当比率制波长检测系统中的光探测器噪声和被测光信号噪声不可忽略时，被测信号带宽也会成为影响波长测量分辨率的一个重要因素。国外的最新研究表明，当光探测器噪声和被测光信号噪声足够大时，比率制波长检测系统的传输比值将偏离边沿滤波器的传输谱线，被测信号带宽越小，偏离程度越大，波长分辨率越差[21]。因此，在对 DWDM光源和FBG反射光等单纵模窄线宽信号进行比率制波长测量时，必须保证其信噪比高于一定水平。

3.5 边沿滤波器位置的影响

当比率制波长检测系统应用于光纤传感领域时，其中的边沿滤波器可以放置在测量系统的不同位置。图5[22]给出了比率制系统中边沿滤波器的3种不同摆放位置，在图5(a)中，FBG反射信号同时进入边沿滤波器和参考臂;在图5(b)中，FBG反射信号通过环形器进入边沿滤波器，而不进入参考臂;在图5(c)中，边沿滤波器位于FBG之前，宽谱光源信号在到达FBG之前先经过边沿滤波器滤波。

爱尔兰都柏林理工学院的研究者分别对上述3种情况进行了理论和实验研究，结果表明图5(a)和(b)所示的比率制系统结构具有相似的波长检测性能，而图5(c)所示的结构则具有更佳的波长分辨率[22]。由此可见，针对不同的应用场合，可以通过变化边沿滤波器的位置来优化比率制测量系统的结构，从而获得最佳的系统性能。

图5 比率制波长检测系统中边沿滤波器的3种不同放置位置

4 结束语

DWDM通信技术和各种光纤传感技术的快速发展，对系统波长监测及波长解调提出了更高的要求。比率制波长检测方案能够针对目前的相关应用实现精确的波长测量，相比于有源波长扫描方案，它具有结构简单、测量速度快等特点。比率制波长测量精度与系统PDL、环境温度、被测光信号质量及边沿滤波器的位置均密切相关，通过系统结构的合理优化设计和被测信号质量的改善可以有效提高波长测量精度。

目前，全光纤解决方案是实现比率制波长检测的主流方案，爱尔兰都柏林理工学院的相关研究团队在这方面做了大量的研究工作，并取得了很好的研究成果。可以预见，随着众多企业、研究机构的积极参与，相关产品的实用化工作会得到快速推进，全光纤比率制波长检测技术必然会在DWDM通信系统和光纤传感系统中得到广泛应用，发挥至关重要的作用。

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