光学相干层析系统色散的在线测量及补偿_孟卓(3)

光电子#激光 2011年 第22卷

5($X )=B ($X )2d =

B (X 0)2d +B c (X 0)2d($X )+12B c (X 0)2d($X )2+16

B "(X 0)2d($X )3+,,(6)把式(6)代入式(5)可得 P($X )=P 0{1+m c os [70(S )+S $X +

A ($X )2+C ($X )3]}(7)

其中:70(S )=B (X 0)2d,代表初始相位;S =B c (X 0)2d,为两臂的

群延迟差;A =12B "(X 0)2d,为二阶色散项;C =16

B "

(X 0)2d,为

三阶色散项。式(7)假设各色散项在测量的频谱范围内保持不变。

A 和C 的值可以通过将实验测得的干涉光谱按式(7)进行曲线拟合得到,对应的符号可以在曲线拟合过程中通过限制S 的符号得到。例如将可变时延线一臂作为样品臂,光纤拉伸器一臂作为参考臂,限制参考臂的长度大于样品臂的长度,即参考臂中的光波晚于样品臂中的光波到达耦合器处,得到两臂的S 符号为负,在曲线拟合过程中进行相应的限制,即可以得到正确的A 和C 的符号。

在干涉仪一臂中加入色散管理光纤,以同时匹配迈克尔逊干涉仪两臂长度和色散,达到对干涉仪两臂色散差进行补偿的

目的。色散管理光纤主要包括NZDSF 、色散补偿光纤以及光子晶体光纤等,其性质各不相同。选择NZDSF 用以完成色散补偿的原因主要有:NZDSF 在1300nm 波段与SMF 的色散差值适中,既可以降低对光纤长度的精确程度的要求,又可以避免使用较长的色散管理光纤;NZDSF 的模场直径和SMF 差别较小,可以降低两种不同光纤在熔接过程中的熔接损耗。加入NZDSF 后的实验系统2如图1(b)所示,与图1(a )相比,AB 两点间的部分SMF 使用NZDSF 替换,加入NZDSF 的长度可以根据测量得到的色散差值计算得到。

4 实验结果

未进行色散补偿时实验系统1如图1(a)所示,系统中使用的SLD 光源的中心波长为1310nm,带宽为36.7nm,理论相干长度为20.64L m 。通过实验得到系统1的干涉信号包络如图3(a)所示,其FWHM 为161L m 。这表明系统1中迈克尔逊干涉仪两臂存在色散差,其造成了干涉信号包络的展宽。考虑到干涉仪每臂光纤长度约为38m,SMF 典型的零色散波长为1

312nm,色散斜率为0.091ps/(nm 2

#km),当零色散波长偏差为?0.32%即可得到图3(a)中所示的干涉信号。对于SMF,这种零色散波长的偏差在制造允许的误差范围之内。

由于干涉仪两臂存在色散差,必须对其进行准

确的测量。

图3 色散补偿前(a)与补偿后(b)的干涉信号包络对比

Fig .3 Interferogram envelope befo re (a )a nd a fter (b)dispersion co mpensation

首先使用光谱仪记录光谱干涉信号,然后将迈克尔逊干涉仪的一臂断开以记录光源的光谱,并将以上两实验值相除得到归一化的光谱干涉信号P($X )。图4(a)为干涉仪一臂连接和断开时的光谱,图4(b)为将图4(a)中两光谱相除得到的归一化的光谱干涉信号和将其按式(7)进行曲线拟合所得的结果。选用光谱仪的分辨率为0.1nm,在1260~1360nm 内采集了1000个数据点,式(7)中有6个参数,完全可以通过曲线拟合来确定。曲线拟合过程中,由于参考臂的长度大于样品臂的长度,设定群延迟差S 为负数,最终拟合得到的二阶色散项A 为

1.323667@10-26s 2

/rad 。通过调节可变时延线,获得了干涉仪两臂不同光程差下的归一化的光谱干涉信号,将其按式(7)进行曲线拟合,发现A 基本相同,最大偏差为0.075%。

实验中,选用长飞公司生产的NZDSF 进行色散补偿,其在1310nm 处的色散值为-10~-15ps/(nm #km),需要对其色散值进行准确的测量以确定加入NZD SF 的长度。在系统2中,使用70cm 长的NZDSF 替换SMF,使用上述方法进行测量,得到归一化的光谱干涉信号如图5所示,拟合得到A 为0.

468675@10-26s 2

/rad 。由以上两实验结果可以得知,加入的NZDSF 造成A 值改变0.854992@10-26s 2/rad,代入色散值计算公式

D =-K c d 2n d K 2=-2P M 2c d 2B d X 2

=-2P M 2

c A

d

(8)得到NZDSF 在1310nm 处的色散值为-13.41ps/(nm #km),与标准值相吻合。

由图4的曲线拟合结果可知,样品臂的色散值小于参考臂,应在参考臂加入具有负色散值的NZDSF 以匹配干涉仪两

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