波長鎖定與光譜實時監控的方法及裝置的製作方法
2023-05-30 18:53:06
專利名稱：波長鎖定與光譜實時監控的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於光纖通訊領域中的波長鎖定與光譜監控的方法及裝置，尤其涉及一種運用衍射組件以在標準具濾波組件內部產生不同光程差的波長鎖定與光譜實時監控的方法及裝置。
背景技術：
在光纖通訊領域中，可調式光學組件的應用相當廣泛。例如可調式濾波器(Tunable Filter)可依照國際電信聯盟光纖通訊標準信道(ITU Grid)的規格調整出所需的特定波長，以取代固定波長多任務分光器(DWDM)，又如可調波長雷射光源(Tunable Laser)可取代固定波長雷射光源，大幅提高光纖通訊系統的應用靈活性。
然而，上述的可調式光學組件都需要遵守相同的光纖通訊標準信道規格，以確保其波長兼容性。因此，為滿足該波長兼容性，上述的可調式光學組件均需要具有鎖定特定中心波長的機制。
圖1為現有的波長鎖定裝置示意圖。如圖1所示，該波長鎖定裝置100包含一個聚焦透鏡102、多元光柵(multi-element grating)104、光感應器106A與106B及一個服務系統108所構成。現有的光譜監控方法，是先將部分輸入光信號經由聚焦透鏡102準直後進入多元光柵104，而該多元光柵104具有一個反射波長為λ1的輸入光的光柵104A，及反射波長為λ2的輸入光的光柵104B。該方法就是使不同光柵反射的特定波長λ1及λ2分別與所需的中心波長λ0具有一個微小偏移量(λ1＝λ0-Δλ；λ2＝λ0+Δλ)，當光柵104A及104B分別反射特定波長的輸入光，經由光感應器106A及106B接收後(即光感應器106A接收波長λ1的輸入光，光感應器106B接收波長λ2的輸入光)，再通過一個服務系統108計算兩者測得信號的差值，並將此信號的差值轉換為誤差信號回饋至發光源(未圖示)而可鎖定發光源輸出的中心波長。
然而，現有方法所使用的多元光柵104，在設計上必須針對所需的某一中心波長固定配置成對的不同光柵，工藝較為複雜且成本昂貴，且該多元光柵104內所能配置的成對光柵數量也會受到限制而無法滿足各個不同的標準信道規格，而在實際運用上缺乏靈活性。
發明內容
為克服現有技術的上述缺陷，本發明的目的在於提供一種以簡單構件就可將輸入光信號精確鎖定於符合光纖通訊標準信道的波長鎖定與光譜實時監控的方法及裝置。
本發明提供了一種用於光纖通訊領域的波長鎖定方法，該方法包含提供部分輸入光信號作為輸入光束，利用一個衍射組件將該輸入光束分為多道子光束，使各該子光束通過一個標準具濾波組件以形成不同的連續光譜，將各該連續光譜轉換為電信號，以及比較各該電信號以鎖定該輸入光信號的中心波長。
本發明還提供了一種用於光纖通訊領域的波長鎖定裝置，用以鎖定該輸入光信號的中心波長，該波長鎖定裝置包含一個衍射組件，用以將部分該輸入光信號分為多道子光束；一個標準具濾波組件，接收該多道子光束以形成不同的連續光譜；多個光感應組件，用以將各該連續光譜轉換為電信號；及一個服務系統，用以比較各該電信號以鎖定該輸入光信號的中心波長。
本發明通過衍射組件與標準具濾波組件的搭配，衍射組件的功能如同一個光功率分光器可以設計不同的衍射角度將入射光束分成多道具有一定光功率比例的子光束，多道子光束再以此入射角度穿透標準具濾波組件，而在標準具濾波組件內部產生不同的光程差，以形成不同的連續光譜，以作為鎖定波長的上下限參考光譜值之用。接著以光感應組件將該不同入射角度的光信號轉換為電信號後，取其差值當成回饋信號，利用這一回饋信號就能輕易達到利用衍射組件分光後的光束，將輸入光信號的中心波長精確鎖定在符合光纖通訊的標準信道的規格。
通過本發明的上述設計，只需要較低成本的一般衍射元件，就可以以簡單的構件，並利用不同的光程差精確鎖定入射光源的中心波長，並實時監控入射光譜的半最大值全寬。
圖1為現有波長鎖定裝置示意圖。
圖2A及圖2B為本發明的波長鎖定方法的一個較佳實施例的示意圖。
圖3為根據本發明的波長鎖定方法的一個較佳實施例，顯示標準具濾波組件未旋轉一定角度前，光束P、光束Q與ITU Grid標準信道的光譜圖。
圖4為根據本發明的波長鎖定方法的一個較佳實施例，顯示標準具濾波組件旋轉一定角度後，光束P、光束Q與ITU Grid標準信道的光譜圖。
圖5為根據本發明的波長鎖定方法的一個較佳實施例，顯示回饋信號FB對應波長的關係圖。
圖6為顯示本發明判斷回饋信號FB零點是否為所要鎖定的中心波長的一個較佳做法的示意圖。
圖7為標誌信號A與回饋信號FB零點的對應關係圖。
圖8顯示本發明光感應組件16C的另一配置方式的示意9顯示實施本發明的光譜實時監控方法的一個較佳實施例的裝置。
圖10為根據本發明的光譜實時監控方法的一個較佳實施例，顯示分光後的光束通過標準具濾波組件後的光譜圖。
圖中的符號說明10、30 波長鎖定裝置12、32 衍射光柵14、34 標準具濾波組件16A、16B、16C、36A、36B、36C光感應器18、38 服務系統39 分光組件
40 可調式法布裡-珀羅濾波組件100波長鎖定裝置102聚焦透鏡104多元光柵104A、104B 光柵106A、106B 光感應器108服務系統P、Q、R、M、N、O光束A、E、F、W、X、Y電信號I 輸入光束L 法布裡-珀羅濾波組件濾出光譜FB、FB′ 回饋信號具體實施方式
以下配合附圖，說明本發明的較佳實施例。
圖2A及圖2B為顯示本發明的波長鎖定方法的一個較佳實施例的示意圖。如圖2A所示，實施本發明的波長鎖定方法的波長鎖定裝置10是由衍射光柵12、標準具濾波組件14、光感應組件16A與16B及服務系統18所構成。首先，從一個分光組件(未圖示)引入部分輸入光信號作為波長鎖定裝置10的輸入光束I。接著，利用衍射光柵12以相同的衍射角度(Diffraction Angle)θ，將輸入光束分成光功率相同且斜向入射穿透標準具濾波組件14的兩道光束P及Q。
本實施例為達到將波長準確鎖定在國際電信聯盟光纖通訊標準信道(以下簡稱為ITU Grid)的目的，需先將標準具濾波組件14設計為具有特定的光學厚度d′，從而使光束P及光束Q通過具有特定光學厚度的標準濾波組件的連續光譜後均可符合ITU Grid的標準信道規格。該特定光學厚度由如下的計算決定首先，假設d為符合ITU Grid規格的已知標準具濾波組件光學厚度，d′為本實施例所需的特定光學厚度，且θ為前述的衍射角度，可知ITUGrid的自由頻譜範圍(Free Spectrum Ratio)為FSR1＝λ2/2d………(式1)
斜向入射的光束P及光束Q的自由頻譜範圍為FSR2＝λ2/(2d′cosθ)………(式2)要使光束P及光束Q均符合ITU Grid的標準信道規格，需要使FSR1＝FSR2，則由(式1)及(式2)可得該特定的光學厚度的值d′＝d/cosθ………(式3)當本實施例的標準具濾波組件14光學厚度值滿足(式3)時，則如圖3所示，光束P及光束Q通過標準具濾波組件14所得的連續光譜都符合ITU Grid的標準信道規格(光束P及光束Q的光譜波形都與ITU Grid的標準信道吻合)。
接著，如圖2B所示，將標準具濾波組件14旋轉一個小角度α，使光束P及光束Q在標準具濾波組件14內的光程差產生差異，如此光束P及光束Q通過標準具濾波組件14所得的連續光譜，就可如圖4的光譜圖所示，光束P及光束Q的中心波長分別以一前一後的相位分布略微偏離標準信道的中心波長，而可利用其為鎖定波長為標準信道的中心波長的上下限參考值。當光感應組件16A與16B分別將光束P及光束Q的光信號轉換為電信號E及F後，此時將電信號E及F相減運算後取其差值當成回饋信號FB，經過服務系統(Servo)依據該回饋信號FB微調入射光源(未圖示)的中心波長，此時回饋信號FB的差值為零(E-F＝0)，表示已將輸入光信號的中心波長鎖定在ITU Grid的標準信道上。
因此，本發明通過衍射組件12與標準具濾波組件14的搭配，先設計使分光後的成對光束進入標準具濾波組件14後均能濾出符合ITUGrid規格的光譜，這樣只需要通過轉動標準具濾波組件14，就可以改變入射至標準濾波組件14的角度以產生不同的內部光程差，使該成對光束剛好能成為鎖定波長的上下限參考光譜值。因此，通過這種簡易的設計，只需要調整具有特定光學厚度的標準具濾波組件14的旋轉角度，就可達到利用不同光程差以精確鎖定入射光源的中心波長符合ITUGrid的標準信道規格的目的。
再者，由圖5顯示的回饋信號FB對波長的關係圖中，可知當信號E與信號F的差值FB為零時對應的波長，不一定是所要鎖定的中心波長值。舉例而言，如圖5所示的差值均為零的i點與j點，i點對應的波長才是欲鎖定的中心波長。因此也可如圖6的做法，在衍射光柵12進行分光時將輸入光束分成三道光束，除前述功率相同的兩道較強光束P及Q外，另外分出一道較弱的光束R，再另配置一個光感應組件16C以將光束R轉換成電信號A。因信號A有最大值AMAX及最小值AMIN兩種可能性，剛好對應到圖5中差值均為零的i點與j點，而當信號A為最大值的條件下所對應的i點就是所要鎖定的波長值。上述的對應關係可由圖7的光譜圖清楚地看出，所以信號A可提供作為服務系統18的判斷標誌(Flag)，以準確分辨出哪一個信號E與信號F的差值為零所對應的中心波長才是要鎖定的中心波長值。
圖8是光感應組件16C的另一配置方式的示意圖。如圖8所示，光感應組件16C可置於標準具濾波組件14之前，當入射光穿透衍射組件12之後，經過設計的衍射角度將光分成3束光強度為一定比例的P、Q和R光束。其中P光束和Q光束分別以斜向入射的方式穿透標準具濾波組件14，光感應組件16A及16B接收光能量之後轉換成對應的電信號E及F，再由服務(Servo)系統運算過後產生回饋信號FB(其值為E-F)用來調整入射光源的中心波長，以符合ITU Grid標準信道規格；R光束則經過光感應組件16C將光信號轉換為一個電信號A。因為光感應組件對不同波長的入射光能量反應有所差異，導致回饋信號FB會有不規則的分布情形，服務系統將無法穩定的控制回饋信號。因此，通過將光感應組件16C配置於標準具濾波組件14前的這一設計，可將R光束轉換成的電信號A當作入射光源能量的一個參考基準(Reference)，用以對回饋信號FB進行規範化(Normalized)處理，從而將其值轉換為(E-F)/A的新回饋信號FB′，如此回饋信號FB′將會呈現比較規則分布的狀態，服務系統可以更準確地控制回饋信號，鎖定入射光源的中心波長。
圖9是一個波長鎖定裝置示意圖，用以說明根據本發明的光譜實時監控方法的一個較佳實施例。如圖9所示，該波長鎖定裝置30由一個衍射光柵32、標準具濾波組件34、光感應組件36A、36B與36C、服務系統38及可調式法布裡-珀羅濾波組件40所構成。
本實施例首先將經過可調式法布裡-珀羅濾波組件40的光信號通過一個分光組件(Splitter)39將含5％光功率的光信號引導進入衍射光柵32，再經過標準具濾波組件34之後，獲得如圖10所示的光譜半最大值全寬較大的連續光譜L，衍射光柵32會將通過法布裡-珀羅濾波組件40的輸入光束，以不同的衍射角度分為三道光強度有一定能量比例之光束，使其分別以不同入射角度進入標準具濾波組件34。這樣，當這三道光束分別以不同入射角進入標準具濾波組件34時，因不同入射角產生的光程差而可獲得圖10所示的三道不同連續光譜M、N及O。
在詳述接續的光譜實時監控機制前，在此先說明本實施例採用的可調式法布裡-珀羅濾波組件40的濾出光譜的光學特性。首先，影響其光學特性的參數如下式定義1.自由頻譜範圍(Free Spectrum Ratio；FSR)FSR＝(λ2)/2nDop………(式4)其中λ為中心波長，n為介質折射率(optical index)，Dop為兩反射平面鏡40A與40B間的距離；2.精細度(Finesse；F)1/F＝1/FR+1/F0(FR＝π√R/1-R；F0＝λ/2Dθ)………(式5)其中R為兩反射平面鏡40A與40B的反射率，D為標準具濾波組件34的通光孔徑，θ為平面鏡的傾角。
3.半最大值全寬(FWHM)FWHM＝FSR/F…………(式6)在一般光纖通訊系統的應用上，光譜的半最大值全寬是設計者首要的設計參數。舉例而言，依照光纖通訊ITU100GHZ的規定，使通過上述可調式法布裡-珀羅濾波組件後的出射光的特定波長λi相同于波長範圍為1525nm～1565nm的C頻帶(C band)的中心波長λ，即1550nm，出射光的光波頻譜特性必須滿足半最大值全寬為0.37nm且自由頻譜範圍FSR至少為40nm的條件。
因此，本實施例的接續做法就在控制光信號在傳輸時系統能實時監控輸入光源的半最大值全寬。如圖10所示，因三道光束分別以不同入射角度進入標準具濾波組件34所產生的光程差，可獲得三道相位依序變化的連續光譜M、N及O。在這裡，當光感應組件36A、36B與36C要將前述的三道連續光譜轉換為三個不同的電信號W、X及Y時，本實施例將電信號W及信號Y分別設定為轉換光譜M及O的半高寬位置(圖10的光譜圖穿透率為0.5的位置)光功率的值；而將電信號X設定為轉換位於中間相位的光譜N的波峰位置光功率值。這樣，當信號X和信號W的比值及信號X和信號Y的比值為2時，表示信號A對應到穿透可調式法布裡-珀羅濾波組件40的光譜L的半最大值全寬沒有在光信號傳輸時變寬或變窄，此時信號的比值回饋給服務系統用來調整光信號的半最大值全寬；若信號X和信號W的比值及信號X和信號Y的比值不等於2時，表示通過法布裡-珀羅濾波組件40的光譜L的中心波長，因溫度或其它系統變量產生變化，使其光譜的半高寬值變寬或變窄。
由前述(式6)半最大值全寬FWHM＝FSR/F可知，半最大值全寬可通過調整精細度F作補償，且由(式5)得知可通過調整反射鏡40A或40B的傾角θ改變精細度F。因此，當服務系統38比較電信號X和信號W的比值及信號X和信號Y的比值若不為2時，會回饋一個誤差信號實時調整40A或40B的傾角θ，從而改變精細度F以將光譜精確地調整到所需的半高寬值。
再者，本實施例在進行信號W及信號Y與光譜M及O的轉換時，也不限定於選擇光譜M及O的半高寬位置，而可任選一個適當位置，舉例而言，如光譜M及O峰值的1/3處，當電信號X設定為轉換光譜N的波峰位置光功率的值時，再以信號X和信號W的比值及信號X和信號Y的比值是否為3來回饋一個誤差信號，也就是說，只需滿足一個特定比例關係，此時服務系統再依照該信號比值，調整光信號的半最大值全寬。
由本發明前述的不同實施例可知，本發明利用衍射組件搭配標準具濾波組件的設計，讓分光後的光束因為不同的入射角度穿透標準具濾波組件形成不同的光程差，不同的連續光譜經過運算處理之後產生不同信號的差值或是比值，這一誤差信號可以提供服務系統作為一個回饋信號，達到鎖定入射光源的中心波長並實時監控光信號的半最大值全寬的目的。
以上所述只是舉例，而不構成對本發明的限制。任何未脫離本發明的精神與範疇，而對其進行的等效修改或變更，均應包含在本發明的權利要求書中，而不限定於上述的實施例。
權利要求
1.一種用於光纖通訊領域的波長鎖定方法，其特徵在於，該方法包含如下步驟提供部分輸入光信號作為輸入光束；利用一個衍射組件將該輸入光束分為多道子光束；使各該子光束通過一個標準具濾波組件以形成不同的連續光譜；將各該連續光譜轉換為電信號；及比較各該電信號以鎖定該輸入光信號的中心波長。
2.如權利要求1所述的波長鎖定方法，其特徵在於，該衍射組件為衍射光柵，且該連續光譜通過光感應組件轉換為電信號。
3.如權利要求1所述的波長鎖定方法，其特徵在於，進一步包含利用一個服務系統比較各該電信號以獲得一個回饋信號。
4.如權利要求3所述的波長鎖定方法，其特徵在於，進一步包含利用一道該子光束作為比較各該電信號時的判斷標誌或規範化處理該回饋信號的參考基準值。
5.如權利要求1所述的波長鎖定方法，其特徵在於，該衍射組件以相同的衍射角度將該輸入光束分為成對的子光束，而該標準具濾波組件轉動一定角度形成不同的連續光譜，其特徵在於當該標準具濾波組件未轉動該角度前，該成對子光束通過該標準具濾波組件所形成的連續光譜均為符合國際電信聯盟的標準信道規格的連續光譜。
6.如權利要求1所述的波長鎖定方法，其特徵在於，進一步包含下列光譜實時監控的步驟在該衍射組件分光前先將該輸入光束通過一個波長可調式濾波組件；及調整該波長可調式濾波組件的鏡面傾角以實時監控入射光源光譜的半最大值全寬；其中該衍射組件以不同的衍射角度將該輸入光束分為多道子光束。
7.如權利要求6所述的波長鎖定方法，其特徵在於，該波長可調式濾波組件是一個法布裡-帕羅濾波器。
8.如權利要求6所述的波長鎖定方法，其特徵在於，進一步包含利用一個服務系統運算處理各該電信號以獲得一個回饋信號，且依據該回饋信號調整該波長可調濾波組件的該鏡面傾角。
9.如權利要求6所述的波長鎖定方法，其特徵在於，轉換各該連續光譜為電信號並比較各該電信號為如下步驟將第一子光束其光譜峰值的光功率值轉換為第一電信號；將與該第一子光束具有一光程差的第二子光束，在與其光譜峰值呈一個特定比例的光譜位置處的光功率值轉換為第二電信號；及判斷各該第二電信號與該第一電信號的比值是否等於該特定比例。
10.一種用於光纖通訊領域的波長鎖定裝置，用以鎖定該輸入光信號的中心波長，其特徵在於，該波長鎖定裝置包含一個衍射組件，用以將部分該輸入光信號分為多道子光束；一個標準具濾波組件，接收該多道子光束以形成不同的連續光譜；多個光感應組件，用以將各該連續光譜轉換為電信號；及一個服務系統，用以比較各該電信號以鎖定該輸入光信號的中心波長。
11.如權利要求10所述的波長鎖定裝置，其特徵在於，進一步包含一個波長可調式濾波組件，使該部分輸入光信號進入該衍射組件前先通過該波長可調式濾波組件。
12.如權利要求10所述的波長鎖定裝置，其特徵在於，該服務系統在比較各該電信號後會產生一個回饋信號以調整該波長可調式濾波組件的精細度，並實時監控該輸入光信號的半最大值全寬。
全文摘要
一種用於光纖通訊的波長鎖定與光譜實時監控的方法及裝置，其利用衍射組件將部分輸入光信號分成多道含有一定光功率比例的子光束，再使各道子光束通過一個標準具濾波組件時能具有不同的內部光程差而形成不同的連續光譜。接著利用光感應組件將光信號轉換為電信號，並將電信號處理之後得到一個誤差信號(Error Signal)，以此誤差信號為回饋信號(Feedback Signal)回饋給服務(Servo)系統，用來鎖定該輸入光信號的中心波長及實時監控輸入光信號的全半高寬值。
文檔編號H04B10/02GK1512206SQ02159608
公開日2004年7月14日 申請日期2002年12月27日 優先權日2002年12月27日
發明者阮競揚, 張紹雄 申請人:臺達電子工業股份有限公司