双通单色仪在高性能光谱分析仪中的应用

　　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5GHz,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-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,入射光发生了衍射,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,而当光栅方位变化时,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。

　　通过反射光栅的光波长λ满足光栅方程:

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(①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①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Littrow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Littrow条件。入射光束在衍射光栅上产生色散,满足Lit2trow条件的波长的光(②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(③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③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(④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。