一種高分辨率光柵光譜儀的光路設(shè)計(jì)

陳 凱, 龐亞軍, 周克燕

(1.天津市德力電子儀器有限公司, 天津 300380;2.天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072)

引 言

在光纖通信領(lǐng)域，各種半導(dǎo)體激光光源、光纖放大器、濾波器等有源或無(wú)源器件的應(yīng)用日益廣泛，而波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展使得光信道間隔越來(lái)越密集，這就導(dǎo)致光信號(hào)在信道中傳輸?shù)那闆r更加復(fù)雜[1-3]。因此，無(wú)論是光纖通信系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)、器件生產(chǎn)廠家還是運(yùn)營(yíng)維護(hù)機(jī)構(gòu)，都需要對(duì)光信號(hào)的光譜進(jìn)行探測(cè)，充分了解光源質(zhì)量和經(jīng)過(guò)光纖通信系統(tǒng)后的光信號(hào)品質(zhì)，以保證光纖通信系統(tǒng)的性能[4-5]。測(cè)量光譜最理想的儀器是光譜儀[6-8]，但是，目前國(guó)內(nèi)光纖通信系統(tǒng)領(lǐng)域使用的光譜儀被國(guó)外壟斷，其主要廠家有美國(guó)EXFO、安捷倫、日本橫河等，無(wú)國(guó)產(chǎn)商業(yè)化產(chǎn)品。

光柵光譜儀是光纖通信系統(tǒng)測(cè)試的主流光譜儀，其光柵分光在波長(zhǎng)范圍、分辨率和成本等方面能夠滿(mǎn)足光纖通信系統(tǒng)波段的測(cè)試需求。目前光纖通信所用光柵光譜儀主要采用雙通結(jié)構(gòu)，即兩次衍射分光系統(tǒng)來(lái)達(dá)到較高的分辨率，通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，典型的如安捷倫公司的雙通光路結(jié)構(gòu)和中國(guó)電子科技集團(tuán)41所的準(zhǔn)Littrow光路系統(tǒng)等[9-12]，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外光纖通信光柵光譜儀現(xiàn)狀

從表1可知，目前國(guó)內(nèi)外光纖通信光柵光譜儀的光譜分辨率(FWHM)在60 pm～20 pm之間，光路中準(zhǔn)直系統(tǒng)采用焦距為百毫米級(jí)別的球面鏡，因此設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，成本高，對(duì)調(diào)試要求很高[13-14]。另外，大焦距的準(zhǔn)直系統(tǒng)會(huì)因振動(dòng)或者溫度變化而引起接收光斑位置漂移，使得接收狹縫需要有機(jī)械對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，這再次增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種新型光柵光譜儀結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是使用直角棱鏡和平面鏡對(duì)衍射光束進(jìn)行多次反射，使光束四次達(dá)到光柵表面進(jìn)行衍射，得到了高于雙通光路的分辨率效果。該光路設(shè)計(jì)采用了常見(jiàn)的光學(xué)器件，準(zhǔn)直器件的焦距更短，調(diào)試部件少，得到了性能優(yōu)良、成本低的良好效果。新設(shè)計(jì)為國(guó)內(nèi)高分辨率光柵光譜儀的發(fā)展提供了重要的發(fā)展思路。

1 光路基本原理

根據(jù)光柵衍射理論，光柵的色分辨效果正比于光譜級(jí)次和光柵線數(shù)[15]。受多種因素限制，光譜儀光路中不宜采用高級(jí)次或增加光柵線數(shù)的辦法來(lái)提高分辨率。本文提出的思路是通過(guò)增加衍射次數(shù)的辦法(等效于提高了光柵線數(shù))，來(lái)達(dá)到提高分辨率的目的，光路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 高分辨率光譜儀的光路原理示意圖

圖1中，F(xiàn)A為兩芯單模光纖陣列(Fiber Array)，兩光纖端面作為出射與代表入射狹縫，狹縫寬度是單模光纖芯層直徑，約9 μm；LEN為消色差透鏡(Achromatic Len)，焦距50 mm；AD為消色差消偏器(Achromatic Depolarizer)，可消除偏振對(duì)光柵衍射效率的影響；G為全息平面光柵(Grating)，光柵常數(shù)為900 g/mm；P為直角棱鏡(Right Angle Prism)，系統(tǒng)設(shè)置1700 nm時(shí)入射角為75°，此時(shí)衍射光寬度最寬，因此直角棱鏡應(yīng)固定于長(zhǎng)邊垂直于1700 nm衍射光的位置；M為平面反射鏡(Mirror)。

新型光路的工作原理是：待測(cè)信號(hào)通過(guò)FA的一根纖芯(入射狹縫)導(dǎo)入，經(jīng)過(guò)消色差透鏡變?yōu)槠叫泄猓沟霉庑盘?hào)偏振度降低，同時(shí)光束第一次入射到光柵上，被衍射分光；垂直入射棱鏡的衍射光被棱鏡折反后第二次入射到光柵上，第二次衍射光照射到平面反射鏡后被垂直反射回光柵，形成第三次衍射；第三次衍射光被棱鏡再次折返后第四次照射到光柵上，第四次衍射光又透過(guò)消色差消偏器被透鏡聚焦至FA的另一個(gè)光纖端面(出射狹縫)，完成分光過(guò)程。通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵，使得不同波長(zhǎng)衍射光依次垂直入射到直接棱鏡上，而只有垂直入射的光才能聚焦到出射狹縫中，從而完成光譜掃描過(guò)程。

2 光學(xué)系統(tǒng)分析

2.1 衍射理論

光柵四次衍射的等效衍射光路如圖2所示。

圖2 四次衍射的等效衍射光路

假設(shè)λ0為二面角反射棱鏡處于當(dāng)前位置時(shí)被選擇的波長(zhǎng)，λ0+Δλ為另外一個(gè)與其相差Δλ的波長(zhǎng)。當(dāng)待測(cè)光被光柵第一次衍射時(shí)，兩個(gè)光束分別滿(mǎn)足下面的光柵衍射方程：

d(sinα1+sinβ1)=mλ0

(1)

d[sinα1+sin(β1+Δβ1)]=m(λ0+Δλ)

(2)

式中，α1為待測(cè)光的入射角；β1和β1+Δβ1分別為波長(zhǎng)λ0和波長(zhǎng)λ0+Δλ的第一次衍射角；Δβ1為兩波長(zhǎng)第一次衍射光的夾角；m為衍射級(jí)次，值為1。

待測(cè)光經(jīng)過(guò)第一次光柵衍射后，λ0會(huì)垂直入射二面角反射棱鏡，并被原路反射回來(lái)。而λ0+Δλ的光束在被第二次衍射前始終與λ0有Δβ1的夾角，再次入射光柵進(jìn)行第二次衍射時(shí)，波長(zhǎng)λ0和λ0+Δλ分別滿(mǎn)足以下光柵方程：

d(sinβ1+sinα1)=λ0

(3)

d[sin(β1-Δβ1)+sin(α1+Δβ2)]=

(λ0+Δλ)

(4)

式中，Δβ2為兩個(gè)波長(zhǎng)第二次衍射光之間的夾角。

之后，波長(zhǎng)為λ0的光束被平面反射鏡原路返回，再次以入射角α1入射光柵發(fā)生第三次衍射，而波長(zhǎng)為λ0+Δλ的光束則以入射角α1-Δβ2發(fā)生衍射，因此第三次衍射中兩束光分別滿(mǎn)足從下光柵方程：

d(sinα1+sinβ1)=λ0

(5)

d[sin(α1-Δβ2)+sin(β1+Δβ3)]=

λ0+Δλ

(6)

式中，Δβ3為兩個(gè)波長(zhǎng)第三次衍射光之間的夾角。

第三次衍射后，波長(zhǎng)λ0再次被二面角反射棱鏡原路反射回，以入射角β1入射光柵進(jìn)行第四次衍射，而波長(zhǎng)λ0+Δλ則以入射角β1-Δβ3入射。之后，波長(zhǎng)λ0將會(huì)按原來(lái)的入射角α1衍射，然后被雙膠合透鏡聚焦到出射光線端面。因此，第四次衍射中兩束光分別滿(mǎn)足光柵方程：

d(sinβ1+sinα1)=λ0

(7)

d[sin(β1-Δβ3)+sin(α1+Δβ4)]=

λ0+Δλ

(8)

式中Δβ4為兩波長(zhǎng)第三次衍射后衍射光之間的夾角。

對(duì)于小角度Δβ1、Δβ2、Δβ3和Δβ4，可做如下近似：sinΔβ1=Δβ1,cosΔβ1=1；sinΔβ2=Δβ2,cosΔβ2=1；sinΔβ3=Δβ3，cosΔβ3=1；sinΔβ4=Δβ4，cosΔβ4=1。聯(lián)立式(1)、(2)、(4)、(6)和(8)可得四次色散公式(9)與(10)：

(9)

(10)

式中f為消色差透鏡焦距。

2.2 波長(zhǎng)與入射角關(guān)系

新系統(tǒng)設(shè)置1700 nm時(shí)的入射角為75°，根據(jù)式(1)得衍射角為34.338°，此時(shí)入射光與該衍射角的差值為A=75°-34.33°=40.662°，因此只有當(dāng)經(jīng)過(guò)透鏡準(zhǔn)直的平行光與某一波長(zhǎng)的衍射光夾角為A時(shí)，該衍射光才能垂直入射到棱鏡中，最終聚焦到出射狹縫，因此：

α1-β1=A

(11)

與光柵方程式(1)聯(lián)立得：

(12)

由此得到了旋轉(zhuǎn)光柵的波長(zhǎng)與入射角的關(guān)系。

3 仿真分析

使用Zemax軟件對(duì)四次衍射光路進(jìn)行仿真模擬，如圖3所示。

圖3 Zemax光路仿真

繪制了與中心波長(zhǎng)600 nm，1310 nm，1550 nm和1700 nm相距20 pm的點(diǎn)列圖，如圖4所示，圖中圓圈為艾里斑直徑。

圖4 點(diǎn)列圖

聯(lián)立式(10) 與(12)，得到600 nm-1700 nm范圍與20 pm波長(zhǎng)的間隔距離，如圖5所示。

圖5 20 pm波長(zhǎng)間隔距離

從圖4和圖5可知，新光路設(shè)計(jì)可將20 pm波長(zhǎng)間隔很好地分離，且波長(zhǎng)越長(zhǎng)線色散越大，波長(zhǎng)分離距離也就越大，由此說(shuō)明仿真結(jié)果與理論計(jì)算符合。

4 分辨力分析

光譜儀光路分辨力由多種因素決定，最主要限制因素是艾里斑直徑與接收狹縫寬度。從圖3可知，從600 nm～1700 nm，艾里斑直徑均小于20 pm波長(zhǎng)間距。由于接收狹縫為兩芯單模光纖陣列中的一根光纖端面芯層，直徑D約為9 um，代入(10)式，則該光路的光譜分辨力為[16-17]：

(13)

與(12)式聯(lián)立得波長(zhǎng)與分辨力關(guān)系，由此繪制的分辨力曲線如圖6所示。

圖6 分辨力曲線

從圖6可知，新光路設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足600 nm～1700 nm波段的分光，分辨力隨波長(zhǎng)變化，波長(zhǎng)越大分辨力越小，波長(zhǎng)大于1510 nm時(shí)分辨力大于20 pm，而在1700 nm處時(shí)達(dá)到的最大分辨力為13 pm。

5 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)了基于光柵四次衍射的光纖通信用光譜儀光路，采用光纖陣列作為出射和入射狹縫、消色差透鏡與消色差消偏器作為準(zhǔn)直和消偏器件、光柵分光、直角棱鏡與平面鏡進(jìn)行反射和衍射光。新光路設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)現(xiàn)四次衍射來(lái)提高分辨率，同時(shí)減小光路體積，降低調(diào)試難度。

(2)通過(guò)理論分析得到了新光路光柵進(jìn)行四次衍射的分辨率方程，同時(shí)進(jìn)行了仿真模擬，理論計(jì)算與仿真結(jié)果相符，均表明新光路設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用于光纖通信600 nm～1700 nm波段的分光，分辨力達(dá)到了C波段的20 pm，1700 nm處的分辨力為13 pm，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的高分辨率探測(cè)。