专利名称：实现波长和幅值动态独立调节的可调增益均衡器及调节方法
技术领域：
本发明属于光纤通信领域，具体涉及实现一种掺饵光纤放大器(EDFA)增益谱的动态独立调节的可调增益均衡器。
背景技术：
近年来，随着光栅理论研究和写入技术的完善和成熟，周期为几十到几百微米的长周期光纤光栅(Long-period fiber gratingLPFG)得到了人们越来越广泛的重视。由于LPFG具有附加损耗小、无后向反射、不受电磁干扰、全兼容于光纤等优点并且是一种很好的带阻滤波器，因此在光纤通信领域得到了广泛应用。LPFG在光纤通信中最令人瞩目的应用是作为掺铒光纤放大器的增益均衡器，然而实际的LPFG一般不可能恰好满足均衡增益谱的需要，并且EDFA的增益谱可能因外界条件的变化而变化，因此通常需要对LPFG的输出光谱进行动态调节以满足实际需要。近来，人们已提出了多种调谐方法，然而用这些方法对LPFG调谐时，其谐振波长和幅值将同时发生变化，即一个量的调节会影响另一个量，因此很难使谐振波长和幅值同时满足需要，所以寻找一种能对LPFG的谐振波长和幅值进行独立调节以便同时满足EDFA增益均衡需要的器件就极为必要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的可调增益均衡器调节EDFA的增益谱时其谐振波长和幅值将同时发生变化的不足，即一个量的调节会影响另一个量，很难使波长和幅值同时满足需要。我们提出了一种用单个高频CO2激光脉冲写入的LPFG实现增益谱的谐振波长和幅值独立调节的可调增益均衡器及调节方法，其调节速度快，方法简单易行，可解决这一问题。
本发明的技术解决方案如下
LPFG的写入方法很多，不同方法写入的LPFG因其形成机理不同以致其横向负载、弯曲、扭曲、应变等特性可能不同，因此特定方法写入的LPFG可能有特殊的应用。本申请人首次发现高频CO2激光脉冲写入的新型LPFG具有与紫外光写入的LPFG不同的独特特性——谐振波长对特定圆周方向的横向负载不敏感，损耗峰幅值随横向负载而线性变化；谐振波长随温度变化而线性变化，损耗峰幅值对温度变化不敏感。动态负载实验表明这种LPFG的损耗峰幅值对横向负载的响应速度很快。由此申请人提出了一种可实现谐振波长和幅值动态独立调节的可调增益均衡器，及调节方法。
本发明用如图1所示的实验装置测试出高频CO2激光脉冲写入的新型LPFG具有上述特性，通过1*2光开关1-3选择不同的通道，从而分别测量高频CO2激光脉冲在氢载单模光纤中写入的LPFG的横向负载特性和偏振相关损耗(PDL)。宽带光源1-1和光谱分析仪1-7(Hp 86140A)测量长周期光纤光栅1-6(LPFG)的负载特性。可调激光器1-2(HP8164A)、偏振控制仪1-4(HP11896A)和功率计1-9测量LPFG的PDL，8为2*2耦合器。该LPFG在自由状态下的结构如图2所示，周期Λ＝450μm，周期数N＝50，谐振波长1531.23nm，损耗峰幅值-8.322dB，3dB带宽为8nm。LPFG和同种类型的匹配光纤1-10被平行地放置于底座和薄平板之间。实际施加在LPFG上的横向负载1-11为(P+G)/2b，P为施加的砝码重量，G＝150g为薄平板的重量，b＝20mm为被压的LPFG的长度。LPFG两端的光纤分别位于左右两个转盘1-5的轴线上，转动转盘可以带动LPFG沿光纤轴旋转以便测量不同圆周方向上的横向负载特性。实验结果如图3和图4所示。图3表明这种新颖的LPFG的谐振波长对横向负载的灵敏度具有很强的方向相关性。在不同圆周方向上，虽然对LPFG施以同等的负载(80g·mm-1)但其谐振波长的变化量不同；在圆周0°～180°范围内存在一个谐振波长发生‘红’移最敏感的方向和发生‘蓝’移最敏感的方向，以及两个对横向负载不敏感的方向。图中横轴表示圆周的不同方向，即横向负载的方向，纵轴表示谐振波长的漂移量。此实验还发现虽然LPFG谐振波长对横向负载的灵敏度具有明显的方向相关性，但其损耗峰幅值对横向负载的灵敏度却相差不大，即方向相关性较弱。图4表示在LPFG的谐振波长对横向负载不敏感的方向上(对应图3中的0°或100°)，谐振波长和损耗峰幅值与横向负载的关系。由图4可知，这种LPFG的谐振波长对特定圆周方向的横向负载不敏感(最大变化仅为±0.1nm)，而损耗峰幅值随横向负载的增加而线性地减小，灵敏度约为0.03dB·(g·mm-1)-1。
在LPFG静态横向负载实验的基础上利用压电陶瓷做了动态负载实验。压电陶瓷的一个面固定，另一个面紧贴LPFG。改变压电陶瓷的输入电压使其产生不同的变形量从而对LPFG施加不同的横向负载。改变压电陶瓷输入电压的频率可以对LPFG施加不同频率的动态横向负载。实验结果表明当输入电压的频率高达4KHz时LPFG损耗峰幅值仍与输入电压呈同步变化，几乎没有延迟，而且幅值变化的灵敏度与静态实验时相同。
拨动光开关，测量LPFG在自由状态和负载状态的的PDL，实验结果如图5所示。当LPFG处于自由状态时其PDL为0.3dB，而当LPFG在波长对负载不敏感的方向承载120g·mm-1时，其PDL为0.3dB，即PDL对特定方向的横向负载不敏感。偏振控制仪(Agilent 11896A)有四个可以手动调节的旋钮(光纤环)，每个旋钮可调节1000步，图5中的横坐标表示依次调节四个旋钮时的调节步数，即对应调节光纤环时输入光偏振态的变化。(注此处修改了图5的横坐标)温度实验表明这种LPFG的谐振波长随温度变化而线性漂移，其灵敏度为-0.33nm·□-1，远大于其它方法写入的LPFG的温度灵敏度；而损耗峰幅值几乎不变，最大变化仅为±0.1dB，如图6所示。图7(a)表示在谐振波长对横向负载最不敏感的方向上，随着负载量的增加，LPFG的输出光谱的变化，图中的三条谱线分别表示LPFG处于自由状态、负载为60g·mm-1、负载为12g·mm-1时的输出光谱。图7(b)表示温度变化时LPFG输出光谱的变化，图中曲线从左到右依次表示温度分别为120℃，100℃，…，-40℃时的输出光谱。
根据这种新型LPFG独特横向负载和温度特性，可以实现对LPFG的谐振波长和损耗峰幅值的快速动态独立调节，从而形成一种能同时满足谐振波长和幅值需要的可调增益均衡器。该均衡器结构如下以用高频CO2激光脉冲写入的长周期光线光栅作为平坦增益谱的光纤无源器件，用长周期光纤光栅的谐振波长对横向负载不敏感的侧面紧贴压电陶瓷，压电陶瓷由驱动电路驱动；长周期光纤光栅置于恒温装置内，并设置制冷器和热敏电阻，由外部的控制电路控制。恒温装置的设计是为了使LPFG的温度不受外界环境变化的影响而只由温度调节装置调节，一旦调节温度使谐振波长满足需要就使LPFG的温度保持恒定。
本发明方法可以这样实现先用实验装置找到该长周期光线光栅的谐振波长对负载最不敏感的侧面并做上标记，用该侧面承载，然后进行如下调节首先在谐振波长对横向负载不敏感的圆周方向上对长周期光纤光栅施压，从而调节长周期光纤光栅损耗峰的幅值，使损耗峰幅值满足需要；然后调节长周期光栅的环境温度，从而调节长周期光纤光栅损耗峰的谐振波长，使长周期光纤光栅的谐振波长和幅值都满足增益均衡的需要。
由图7可知这种LPFG横向负载前后输出光谱的损耗和3dB带宽无明显变化而且温度调节只是使输出光谱发生平移而形状几乎不变，因此通过这种方法对由CO2激光脉冲写入的LPFG形成的增益均衡器进行分步独立调节是可行的。
本发明具有以下优点本发明利用高频CO2激光脉冲写入的LPFG独特的横向负载和温度特性实现了EDFA增益谱波长和幅值的快速动态独立调节，方法简单易行，能很好地满足均衡增益谱的需要且动态调谐范围大，从而在波分复用系统中有望获得广泛应用。该发明解决了目前EDFA增益谱波长和幅值不能独立调节的不足，且全兼容于光纤，插入损耗低，是全光网络不可缺少的一部分，因此是一种很有发展前景的可调增益均衡器。
图1是本发明使用的长周期光纤光栅横向负载实验装置的结构框图；图2是长周期光纤光栅的结构示意图；图3是长周期光纤光栅负载80g·mm-1时谐振波长变化与负载方向的关系；图4是长周期光纤光栅谐振波长对负载不敏感方向的横向负载特性；图5是LPFG的偏振相关损耗特性(■)自由状态，(□)在波长对负载不敏感方向负载120g·mm-1图6是长周期光纤光栅的温度特性；图7(a)谐振波长对负载不敏感方向的横向负载增加时长周期光纤光栅输出光谱的变化；(b)温度变化时长周期光纤光栅输出光谱的变化；图8实现本发明方法的可调增益均衡器装置示意图；图9用本发明实际平坦EDFA增益谱的结果，(a)EDFA输出的原始光谱；(b)平坦后的光谱。
具体实施方案下面结合图8进一步说明本发明的具体实施方案根据这种新型LPFG的谐振波长对特定圆周方向上的横向负载不敏感而损耗峰幅值随横向负载的增加而线性减小以及谐振波长随温度变化线性漂移而损耗峰幅值对温度变化不敏感的独特特性，可以实现对LPFG的谐振波长和损耗峰幅值的独立调节，从而形成一种能同时满足谐振波长和幅值需要的可调增益均衡器。该均衡器结构参见图8，图8中可调增益均衡器已被放入了由信号源8-1、光纤8-2、EDFA8-3和接收端8-66构成的光通信网络中，可调增益均衡器由长周期光纤光栅8-9、压电陶瓷(PZT)8-8、制冷器8-10、热敏电阻8-7、控制电路8-4和恒温装置8-5构成。长周期光纤光栅8-9的谐振波长对横向负载不敏感的侧面紧贴压电陶瓷8-8。压力陶瓷8-8、制冷器8-10和热敏电阻8-7受控制电路8-4的控制。调节控制电路中压力陶瓷的驱动电压，使压力陶瓷对长周期光纤光栅施加合适的压力，从而调节长周期光纤光栅损耗峰的幅值。制冷器、热敏电阻、控制电路和恒温装置实现对温度的调节。调节控制电路中制冷器的驱动电压，从而调节恒温装置内的温度，即调节长周期光纤光栅的环境温度，进而使损耗峰的谐振波长满足需要。热敏电阻反馈回恒温装置内的温度，并通过控制电路实现对制冷器的闭环控制。
由图7可知这种LPFG横向负载前后输出光谱的损耗和3dB带宽无明显变化而且温度调节只是使输出光谱发生平移而形状几乎不变，因此通过这种方法对由CO2激光脉冲写入的LPFG形成的增益均衡器进行分步独立调节是可行的。一个实际的增益平坦结果如图9所示，EDFA的输出增益谱经平坦后在33nm范围内获得了0.5dB的平坦度。为了使LPFG的温度不受外界环境变化的影响而只由温度调节装置调节，温度调节装置应具有恒温作用，即温度调节装置和恒温装置合为一体。一旦调节温度使谐振波长满足需要就使LPFG的温度保持恒定。动态负载实验表明LPFG损耗峰幅值对负载的响应极快，因此用这种方法可实现对LPFG损耗峰幅值的快速动态调节。
权利要求
1.一种实现波长与幅值快速独立调节的可调增益均衡器，其特征在于以用高频CO2激光脉冲写入的长周期光线光栅作为掺饵光纤放大器的增益均衡器，用长周期光纤光栅的谐振波长对横向负载不敏感的侧面紧贴压电陶瓷，压电陶瓷由控制电路驱动；长周期光纤光栅置于恒温装置内，恒温装置内设置有由外部控制电路控制的制冷器和热敏电阻，从而调节长周期光纤光栅的温度。
2.利用权利要求1的可调增益均衡器实现波长与幅值快速独立调节的方法，其特征在于以用高频CO2激光脉冲写入的长周期光线光栅作为掺饵光纤放大器的增益均衡器，用实验装置找到该长周期光线光栅的谐振波长对负载最不敏感的侧面并做上标记，用该侧面承载，进行如下调节首先在谐振波长对横向负载不敏感的圆周方向上对长周期光纤光栅施压，调节长周期光纤光栅损耗峰的幅值，使损耗峰幅值满足需要；然后调节长周期光栅的环境温度，从而调节长周期光纤光栅损耗峰的谐振波长，使长周期光纤光栅的谐振波长和幅值都满足增益均衡的需要。
全文摘要
本发明公开了一种能动态独立调节谐振波长和幅值的可调增益均衡器及调节方法，该可调增益均衡器是基于高频CO
文档编号G02F1/39GK1479457SQ0313539
公开日2004年3月3日 申请日期2003年7月9日 优先权日2003年7月9日
发明者饶云江, 王义平, 朱涛 申请人:重庆大学