【doc】 双通单色仪在高性能光谱分析仪中的应用

【doc】 双通单色仪在高性能光谱仪中的应用 双通单色仪在高性能光谱分析仪中的应用 第24卷第12期 2005年12月 VoI.24,No.12 Dec..2005 双通单色仪在高性能光谱分析 唐子贤吕国强 仪中的应用 (合肥工业大学仪器仪表学院肥233009 摘要:主要讲述了双通单色仪的工作原理,以及它在高性能光谱分析仪中的应用.用它可以买现 对被测先大动态范围和小偏振相关度的测量. 关键词:双通单色仪动态范围偏振相关度 Applicati0n0fdouble—passmonochromatorinhigh performanceopticalspectrumanalyzer Abstract:Thearticleintroducestheprinci . pl z e er ofth a e ch d i o e u v b e le hi p g a h ss dy m n o a n m o i c c hr ran om g a e to a r n a d nd l.w it p a . p l p a licat t i i o . n n inhighperformanceopticalspectrumanalYzertoacn.eVe.gud’川5u… siivitymeasur — ement. r,dmicrange,p.larizati.nsenstivity. Keywords:double—passmonochromator,dynamcrage’pud………… 0引言 随着光电子技术和光纤通信的高速发展?特别 是密集波分复用(DwDM)的迅猛发展,光载波复用 数不断增加,信道间隔越来越小.目前实用的 DWDM水平已达到32×10Gbit/s,信道间隔若采 用25GHz,则对应的波长间隔为0.201nm.如果 DWDM发展到光频分复用(OFDM),信道间隔采用 5GH,则波长间隔只有0.04nm,这就对测量其信 号质量的光谱分析仪提出了更高的要求,即更宽的 动态范围,更小的偏振相关度等.传统的光谱分析 仪使用衍射光栅单色仪作为色散分光元件,其光栅 衍射部分如图1所示.用这种方法实现的光谱仪其 动态范围?40dB/~1nm,最高电平测量灵敏度为 一70dBm,偏振相关度为?0.5dB,这样的指标对于 测量DWDM信号显然是不够的. 1双通单色仪系统’ 1.1反射型光栅和Littrow条件 反射型衍射光栅是由大量等间距等宽度的反射 狭缝组成.当光射到光栅的反射狭缝上,入射光发 (光纤) 图1光栅衍射示意图 牛了衍射,不同波长的光产生的衍射角不一样,这样 就能把不同波长的光分开来.如果衍射光栅方位固 定,光接收器方位固定,则只有单一波长的光被接收 到,而当兀~册刀,I且o-变化时,被接收到的光的波长也相 应变化.这样,光栅的角位置就与光波长之间建立 起一种对应关系,通过检测当前光栅的位置,就可以 知道被测光的波长,从而获得光波长和对应的光电 平特性. 作者简介: 唐子贤(1972一),男,在读硕士研究生,主要从事光电测量仪器,光纤通 信方面的研究. 术 .J 技T .三 量m 测 朗 子M C 电 外 国 ? ? 船 H n? q oT G U” L g+ 国外电子测量技术第24卷 通过反射光栅的光波长入满足光栅方程: 一 (/)?(sina+sin/3)(一0,?1,?2…) (1) 式中:——光栅常数,/zm; a——入射角,Deg; 衍射角,Deg; —— 光波长,/zm; —— 衍射级次. 当入射光和反射光栅处在一个特殊的配置下, 即衍射光的出射方向和入射光的入射方向flJ0好相 反,见图2,这时,a一一0,光栅方程变为: 一 (/)?(sin0+sin0)(2) 满足该条件的配置,就称为满足Iittrow条件. 1 1 图2满足IJttrow条件时的入射光与反射光栅示意图 1.2双通单色仪工作过程 双通单色仪系统主要由衍射光栅,半波片,平面 反射镜和准直透镜组成,见图3. 在系统光路传输中,被测光通过连接器射入准 直棱镜(?见图3).用户端用的连接器应是一个平 面连接器FC,接到光谱仪的法兰盘上,单色仪端则 是一个角度连接器APC.这样,由于APC的回损 很小,单色仪端的反射光对入射光的影响很小.接 着,通过APC的光束?通过棱镜进行准直,射到衍 射型光栅上,这时衍射光栅和待测波长的光几乎满 足Iittrow条件.并且,光栅受马达控制转动,任何 感兴趣波长的光都可因光栅的转动而满足Iittrow 条件.入射光束在衍射光栅上产生色散,满足Iit— trow条件的波长的光(?见图3)以相反的方向从棱 镜返回,并被第一个平面镜反射到一个狭缝上.该 狭缝的宽度可通过旋转狭缝控制轮来控制,这样用 户可通过调整狭缝控制轮来选择光谱的分辨带宽. 一 旦光束离开狭缝,它经过双通单色仪的第一通就 已经完成. 当光束离开狭缝,被第二个平面镜反射后,通过 一 个无色差的半波片(?见图3),双通的第二通就 开始了.对于衍射光栅的狭缝所定义的两个偏振态 S态和P态,半波片能使入射光的偏振态发生旋 输出光纤光电传感器 图3双通单色仪系统 橱 转,即原S偏振态变为P偏振态,而原P偏振态变 为S偏振态.光束?通过同样棱镜的准直,射到同 样的光栅上,光束不再进一步发生色散,而是发生汇 聚,这样光学系统就相当于对输入的光进行了滤波. 该汇聚光再通过棱镜(?见图3)和第三平面镜的反 射,传到光纤上.该光纤是一根多模光纤,被称为输 出光纤,它传送光束到光电探测器上,该光被转换为 光电流,待后端CPU分析和显示. 1.3双通单色仪系统性能分析 双通单色仪系统提供了单通单色仪系统较高的 灵敏度和双通单色仪系统的大动态范围.并且,由 于使用了半波片,它提供了出色的偏振不敏感度. 在前面提到,光束在单色仪的第一通时产生了 色散,不同波长的光以不同的衍射角反射回来,只有 满足Iittrow条件波长的光才能射入单色仪进行第 二通,第二通时,该波长的光不再发生色散,而是汇 聚.因为不同波长的光在第一通时发生了色散,但 对于同一波长的光束,以第一主极大为例,从同一波 阵面入射的光束入1经过反射光栅发生衍射,到达另 一 波阵面,相邻的光线之间有一个波长入1的光程 差,这样,到达这一波阵面的同波长衍射光在时域上 产生了时延,如图4所示.但当入1波长的光从单色 仪二通出来时,其路径刚好和一通时的路径相反,相 当于抵消了一通的时延,起到了光束汇聚的作用. 有了双通单色仪输出的汇聚光,就可以利用一个较 窄的输出狭缝和一个较小面积的光电探测器,该探 测器的表面积越小,其暗电流噪声就越小,这样就实 现了光谱仪的大动态范围测量. 2005年第12期唐子贤等:双通单色仪在高性能光谱分析仪中的应用 反射光栅 若一通时损耗最大,二通时则损耗最小,对于S偏 振光则相反.入射的P和S偏振态光通过双通单 色仪后的损耗分别为: LOSS(P)一L0SS1P+L0SS2S(2) L0SS(S)一LOSS1S+L0SS2P(3) 式中:LOSS1P一一第一通时P偏振态光功率 损失; .,L0SS2S一一第二通时由P态转为S态偏振光 的功率损失; LOSS1S一一第一通时S偏振态光功率损失; L()SS2P——第二通时由S态转为P态偏振 光的功率损失; 则偏振光通过双通单色仪总的损耗为: L0SS—L0SS(P)+L0SS(S)(4) 图4时延原理图由(4)式可知,从理论上讲,不论入射光偏振态 如何变化,其总损耗是不变的,因而极大地减小了光 众所周知,光是一种波?必然存在着偏振.通常谱仪的偏振敏感度. 把偏振角度平行于光栅狭缝的偏振光称作P偏振 ,仕{五 光,垂直于光栅狭缝的偏振光称作S偏振光,这两皇百术喝 种不同偏振态的光在衍射光栅上的反射损耗是不同双通单色高性能光谱分析仪的研制成功解决了 的,并且波长不同,其反射损耗也不同.对于特定波传统光谱分析仪动态范围小,最高电平测量灵敏度 长的偏振光,一个偏振态的光在光栅上的损耗最大,低等问题.它的最高测量电平灵敏度为一90dBm, 另一个偏振态的光在光栅上的损耗最小,对某些波动态范围?70dB(距峰值?1nm处),偏振相关度为 长的光,P向偏振光比S向偏振光的损耗要大得?0.05dB(1550nm).把该双通单色仪应用于光谱 多,而对另外一些波长的偏振光,情况则刚好相反.分析仪中,使光谱分析仪的技术水平上升到一个新 这样,随着入射光偏振态的变化,其在光栅上的损耗台阶,完全满足测量DWDM,EDFA等信号的要求. 也发生变化,光电探测器检测到的光功率也是变化参考文献 的,因而造成了偏振敏感度的问题.在整个光路系 统中,光栅是造成光损耗最大的单元,可以通过在双[1]总装备部司令部通信局?现代通信测量仪器[M],北 通单色仪的光路上加一个半波片来解决此问题,如京:军事科学版社,1999. 图3所示.半波片可以使光的偏振态发生偏转,原[基’等?光纤通信[M]?西安:西安电子科技大学出 P偏振态的光通过半波片偏转为S偏振态,S偏振[3]马声全 . 高速光纤通信ITu—T规范与系统设计[M],北 态偏转为P偏振态.这样,对某波长的P偏振光京:北京邮电版社.2.()2. 第三届嵌入式技术应用高峰论坛闭幕 日前,由研样公司携手国家科技部相关部门, Intel等国际知名企业联合举办的第三届(2005)中 国嵌入式技术应用高峰论坛北京场的分论坛在现场 满座来宾热烈的掌声中徐徐落幕. 来自国家科技部相关部委的领导,北京各大高 等院校的专家,学者,北京地区诸多嵌入式领域优秀 的软/硬件产品供应商,系统集成商,各个科研院所, 以及百余家强势媒体,行业内权威媒体汇聚一堂,共 商中国嵌入式技术应用的美好未来. (研祥公司供稿)