CN112504457A - 一种应用于dwdm系统的空间外差光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其包括：分束器，用于接收DWDM系统的DWDM信号并将其均分成等光强的两路信号，接收第一干涉模块的反射信号和第二干涉模块的反射信号形成干涉条纹信号；第一干涉模块，用于将两路信号的其中一路进行色散并反射回分束镜；第二干涉模块，用于将两路信号的另一路信号进行色散并反射回分束镜；成像镜头，用于接收干涉条纹信号，以解决现有光谱仪需要重复标定的问题。
Description
技术领域
本发明属于光谱分析技术领域，更具体地，涉及一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪。
背景技术
波分复用(WDM)技术是高速全光通信中增加光纤传输容量的一种多信道复用方式。其基本原理是在发送端将携带有不同信息的多个波长的载波信号耦合到同一根光纤中传输，并在接收端将各波长的载波分开，进一步处理后恢复信号。密集波分复用(DWDM)是WDM技术的一种，其特点在于相邻波长间隔较小，一般为0.1-0.8nm。ITU-T建议G.694.1标准，定义了频率栅格支持从12.5GHz(0.1nm)、25GHz(0.2nm)、50GHz(0.4nm)到100GHz(0.8nm)及更宽(100GHz的整数倍)的各种固定通道间隔范围，以及灵活的栅格，同时允许使用固定栅格的不均匀通道间隔。DWDM通信系统的工作波长范围通常选择在C波段(1530-1565nm),主要是由两个因素所决定：一、位于C波段中的1550nm是光纤的长波长低损耗窗口之一，适用于长距离通信；二、多通道通信系统所使用的光放大器多为掺铒光纤放大器(EDFA),由于其在C波段内有较宽范围的平坦增益曲线，因此其工作波长通常在C波段内。
光谱仪的作用是能够将复合多波长的光信号按波长/频率分解，直观地对信号成分进行分析。由于DWDM波长间隔较小的特点，为保证通信系统的稳定性，针对其信号光谱的监测，各通道之间谱间干扰的分析，显得尤其重要。因此，DWDM通信系统中所用的光谱仪应具有可测量谱段宽、测量光谱精度高、系统整体稳定性高、方便调试使用等特点。
传统的光栅光谱仪通常利用多个光栅级联来提高光谱分辨率，这种做法必然会造成体积的增加，而传统的傅里叶变换光谱仪需要利用电机驱动平面镜，也很难得到紧凑的小体积结构。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其目的在于解决现有光谱仪需要重复标定的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，光谱仪包括：
分束器，用于接收DWDM系统的DWDM信号并将其均分成等光强的两路信号，接收第一干涉模块的反射信号和第二干涉模块的反射信号形成干涉条纹信号；
第一干涉模块，用于将所述两路信号的其中一路进行色散并反射回分束镜；
第二干涉模块，用于将所述两路信号的另一路信号进行色散并反射回分束镜；
成像镜头，用于接收干涉条纹信号。
作为本发明的进一步改进，第一干涉模块包括第一闪耀光栅，第二干涉模块包括第二闪耀光栅，第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的位置调整过程包括：
将第一闪耀光栅和第二闪耀光栅相对于分束器完全对称之后，再将第一闪耀光栅或第二闪耀光栅沿垂直于其光轴和光栅刻线的方向旋转一个预设角度。
作为本发明的进一步改进，第一干涉模块还包括第一光楔棱镜，第一光楔棱镜位于第一闪耀光栅与分束器之间，第一光楔棱镜用于扩大光谱仪的视场角。
作为本发明的进一步改进，第二干涉模块还包括第二光楔棱镜，第二光楔棱镜位于第二闪耀光栅与分束器之间，第二光楔棱镜用于扩大光谱仪的视场角。
作为本发明的进一步改进，光谱仪还包括置于分束器前端的准直透镜，准直透镜用于将来自DWDM系统的DWDM信号变为准平行光信号后，再送入分束器。
作为本发明的进一步改进，准直透镜为消色差透镜或消色差透镜组，其用于修正DWDM信号因波长不同而产生的色差。
作为本发明的进一步改进，准直透镜与分束器之间还设置有带通滤波片，其用于过滤测量谱外的杂散光。
作为本发明的进一步改进，光谱仪还包括傅里叶变换模块，傅里叶变换模块用于将成像镜头接收的干涉条纹信号进行傅里叶变换。
作为本发明的进一步改进，光谱仪还包括多个光学分隔片，光学分隔片用于调整光学器件角度关系并进行粘接组装。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，与传统的光栅衍射光谱仪相比，在相同的光谱分辨率下，空间外差光谱仪的光通量约为光栅式光谱仪的200倍；同时其可以达到高分辨率的同时实现仪器的小型化。
(2)本发明提供的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其基于干涉原理的外差式短波红外傅里叶变换光谱仪，同时其不包含运动部件且光学特性稳定，其光谱仪中心波长可以设置在任意选定的波长，且可做成一体化的结构，胶合制作完成后其光学参数便不再改变，因此不需要重复标定，通过针对密集波分复用通信所用的C波段进行设计定制，满足测量谱段宽，测量精度高的要求，实现C波段光谱全覆盖，光谱分辨率小于DWDM最小频率栅格，同时在结构上可以实现小型化一体化，因此具有强鲁棒性和便携性以及只需一次标定的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的光谱仪中闪耀光栅与光楔棱镜位置关系的示意图；
图3是本发明实施例提供的光谱仪的3D模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下面结合实施例和附图对本发明提供的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪的结构和工作原理进行详细说明。
图1是本发明实施例提供的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪的结构示意图。如图1所示，一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，分束器，用于接收DWDM系统的DWDM信号并将其均分成等光强的两路信号，接收第一干涉模块的反射信号和第二干涉模块的反射信号形成干涉条纹信号；
第一干涉模块，用于将两路信号的其中一路进行色散并反射回分束镜；
第二干涉模块，用于将两路信号的另一路信号进行色散并反射回分束镜；
成像镜头，用于接收干涉条纹信号。
具体地，DWDM通信系统发射端的光源发出不同波长同时携带信息的光载波信号，光源一般为窄线宽光纤激光器，波长谱段为C波段(1530-1565nm)，波长间隔为0.1-0.8nm；经过合波器耦合送入光纤进行传输，再通过光功率放大器将信号放大后到达接收端，送入分波器分解出原来的各路光信号。可以将光谱仪置于传输光纤与接收端接点位置，利用光纤分束器将光信号分为等强度的两路，能够实时监测接收端复合光波信号的波长变化情况。
作为一个优选的方案，第一干涉模块包括第一闪耀光栅，第二干涉模块包括第二闪耀光栅，第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的位置关系调整过程包括：
将第一闪耀光栅和第二闪耀光栅相对于分束器完全对称之后，再将第一闪耀光栅或第二闪耀光栅沿垂直于其光轴和光栅刻线的方向旋转一个预设角度。
如图1所示，为方便描述，首先建立一个三维笛卡尔坐标系，z轴为光轴方向，y轴为平行于光栅刻线方向(垂直于纸面)，x轴垂直于y-z平面。这里将其中一臂的光栅以x轴为中心旋转一个很小的角度α/2，例如这里选取很小的角度的范围为小于10度，当然，这个角度的范围值仅作为一个示例，旋转角度可以依据测试需求进行相应的设定。通过微小的旋转角度破坏光谱仪中两臂的完全对称结构，引入垂直于光栅色散方向上的空间调制频率。当光谱分布为B(σ)的复色光沿光轴入射时，所形成的二维干涉图的表达式为：
其中，σ为波数，当波数为σ0的衍射光线沿入射光方向原路返回时，σ0被称为Littrow波数，θ被称为Littrow角。通过上式可以看出，二维干涉结果不仅在光栅色散方向x上具有外差调制频率ωx＝4(σ-σ0)tanθ，同时在垂直于色散方向y上具有随波数σ变化的纵向空间频率ωy＝σα。
对采集到的干涉图样进行二维傅里叶变换还原光谱信息，可得：
其中，δ(ωx,ωy)为冲击函数，C为背景强度常数。由以上公式可以看出，直流分量只分布于频域的零点δ(0,0)，入射复色光B(σ)的光谱信息分别对称分布在频域内的两条直线
与
上，可以求得：
由于σ>0，α>0，以ωy>0的纵向空间频率所对应的光谱进行还原时，谱线位于频域的第一二象限，以ωy<0的纵向空间频率所对应的光谱进行还原时，谱线位于频域的第三四象限，如图1中所示。
基于上述空间外差光谱仪干涉图与光谱之间的映射关系，结合实际器件参数，可以给出空间外差光谱仪的光谱分辨率、光谱范围和视场等性能参数。
(1)光谱分辨率。在实际应用时，由于器件本身的尺寸限制，相当于用矩形函数将干涉图进行了截断，从而限定了系统的最大光程差。对于空间外差光谱仪来说，光谱能够被分辨的条件是一波数的sinc函数的第一个过零点与另一波数的sinc函数的中心位置重合，即光谱分辨率为——δσ＝1/(2L)。当系统最大光程差是由闪耀光栅使用宽度W所限制时，光栅宽度在x轴上投影xmax＝(Wcosθ)/2,最大光程差L＝4xmaxtanθ＝2Wsinθ；当系统最大光程差是由相机实际探测尺寸宽度D所限制时，最大光程差L＝2Dtanθ。所以系统光谱分辨率可写为：
(2)光谱范围。由于相机本身像元尺寸不可能无限小，干涉图是以CCD的像素间隔大小进行离散采样，根据奈奎斯特采样定理，可以给出光谱范围表达式。当系统分辨极限由相机宽度D限制时，δσ＝1/(4Dtanθ)，可以求得此时系统光谱范围：
(3)视场角。空间外差干涉仪的视场范围的定义，继承了传统傅里叶变换光谱仪的视场范围定义，其表达式为：Ωmax＝2π/R，其中Ω为入射光的立体角，R为光谱分辨能力，表达式为R＝σ/δσ。假设入射光在色散平面上与光轴夹角为β，与色散平面夹角为
有：
以上公式表明，当目标波长与littrow角度确定之后，系统分辨率和视场是由系统有效尺寸所决定，光谱范围由CCD像元尺寸决定。同时可知，由于空间外差光谱仪的光谱分辨力通常很高，因此系统视场很小，对于入射光平行度要求会很高，当分辨率越大时，视场就会越小。
作为一个优选的方案，第一干涉模块还包括第一光楔棱镜，第一光楔棱镜位于第一闪耀光栅与分束器之间，第一光楔棱镜用于扩大光谱仪的视场角；第二干涉模块还包括第二光楔棱镜，第二光楔棱镜位于第二闪耀光栅与分束器之间，第二光楔棱镜用于扩大光谱仪的视场角。图2是本发明实施例提供的光谱仪中闪耀光栅与光楔棱镜位置关系的示意图。如图2所示，由于空间外差光谱仪系统视场很小，对于入射光平行度要求会很高。但是空间外差光谱仪可以进行视场扩展。相对于无扩展的视场，视场角可增大约1-2个量级。视场扩展的基本思路就是要减小轴外光线与轴上光线产生的干涉条纹之间相位差的差异。这里给出以光线在其中一臂的光学路径为例，分为光楔-光栅-光楔，光楔顶角为ρ，入射端面法线与光轴夹角为γ，n为光楔棱镜的折射率,θ为光谱仪Littrow角。这里给出获取最大视场角的条件公式：
光轴与棱镜的夹角γ：
结合图2所示，当入射光沿光轴入射，根据斯涅尔定律有：
sinγ＝nsin(ρ/2)
可得棱镜楔角ρ：
ρ＝2arcsin(sinγ/n)
由以上公式可知，当空间外差光谱仪的Littrow角确定后，其视场扩展棱镜的顶角ρ，棱镜与光轴的夹角γ，棱镜与光栅的夹角(θ-γ)也都随之确定，因此视场扩展空间外差光谱仪非常适合做成没有任何运动部件的一体化结构。这样既没有额外增加系统体积，又可以进一步稳定系统各项参数。
优选的，光谱仪还包括置于分束器前端的准直透镜，准直透镜用于将来自DWDM系统的DWDM信号变为准平行光信号后，再送入分束器。准直透镜为消色差透镜或消色差透镜组，其用于修正DWDM信号因波长不同而产生的色差。准直透镜与分束器之间还设置有带通滤波片，其用于过滤测量谱外的杂散光。
优选的，光谱仪还包括傅里叶变换模块，傅里叶变换模块用于将成像镜头接收的干涉条纹信号进行傅里叶变换。
优选的，光谱仪还包括多个光学分隔片，光学分隔片用于调整光学器件角度关系并进行粘接组装。图3是本发明实施例提供的光谱仪的3D模型示意图。如图3所示，部件1为分束器，用于将光束分为等强度的两路；部件3为光楔棱镜，具有特定的楔角，用于进行光谱仪视场扩展；部件2和4均光学分隔片，可为任意玻璃材料，其垂直于光轴的截面为中心掏空的矩形，部件2和部件4分别具有不同的尺寸与角度参数，用于调整部件1与部件5和部件3与部件5之间的角度关系，以及用于粘接部件1、3、5，粘接方法不限；部件5为闪耀光栅，作为色散元件，其与光轴之间呈特定的角度，分别相对置于光谱仪两臂的末端；部件6为两块同样的长方体，用于尺寸补偿，其与光栅粘接为一块组件，使光栅组件与粘接面尺寸匹配。以图3中所示的空间外差光谱仪为例，给出实际制造设计参数，其中心波长为1550.00nm，光栅衍射级次为3级，对应的Littrow角为44.22°，光栅常数为300lines/mm，可测量光谱范围为1529.70–1570.85nm，光谱带宽约41nm，光谱分辨率约0.04nm，视场扩展光楔棱镜的楔角为52.05°，玻璃材料为H-K9L，短波红外相机的像素为1024*1024，15μm/像素。根据以上参数可知，这台用于密集波分复用通信系统高精度光谱分析的空间外差光谱仪完全可以满足DWDM通信系统的光谱分析要求，实现C波段的光谱全覆盖且达到高精度的光谱分辨率，同时小型一体化的结构使其具有强鲁棒性和便携性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括：
分束器，用于接收DWDM系统的DWDM信号并将其均分成等光强的两路信号，接收第一干涉模块的反射信号和第二干涉模块的反射信号形成干涉条纹信号；
第一干涉模块，用于将所述两路信号的其中一路进行色散并反射回分束镜；
第二干涉模块，用于将所述两路信号的另一路信号进行色散并反射回分束镜；
成像镜头，用于接收干涉条纹信号。
2.如权利要求1所述的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其中，所述第一干涉模块包括第一闪耀光栅，所述第二干涉模块包括第二闪耀光栅，所述第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的位置调整过程包括：
将所述第一闪耀光栅和第二闪耀光栅相对于分束器完全对称之后，再将第一闪耀光栅或第二闪耀光栅沿垂直于其光轴和光栅刻线的方向旋转一个预设角度。
3.如权利要求2所述的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其中，所述第一干涉模块还包括第一光楔棱镜，所述第一光楔棱镜位于第一闪耀光栅与分束器之间，所述第一光楔棱镜用于扩大光谱仪的视场角。
4.如权利要求2所述的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其中，所述第二干涉模块还包括第二光楔棱镜，所述第二光楔棱镜位于第二闪耀光栅与分束器之间，所述第二光楔棱镜用于扩大光谱仪的视场角。
5.如权利要求1所述的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其中，所述光谱仪还包括置于分束器前端的准直透镜，所述准直透镜用于将来自DWDM系统的DWDM信号变为准平行光信号后再送入分束器。
6.如权利要求5所述的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其中，所述准直透镜为消色差透镜或消色差透镜组，其用于修正DWDM信号因波长不同而产生的色差。
7.如权利要求5所述的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其中，所述准直透镜与分束器之间还设置有带通滤波片，其用于过滤测量谱外的杂散光。
8.如权利要求1-7中任一项所述的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其中，所述光谱仪还包括傅里叶变换模块，所述傅里叶变换模块用于将成像镜头接收的干涉条纹信号进行傅里叶变换。
9.如权利要求1-7中任一项所述的一种应用于DWDM系统的空间外差光谱仪，其中，所述光谱仪还包括多个光学分隔片，所述光学分隔片用于调整光学器件角度关系并进行粘接组装。
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|---|---|---|---|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112504457B (zh) | 2023-02-24 |
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