摘 要:由M-Z干涉仪组成自准直干涉装置是一种抗干扰很强的干涉法测光纤非线性科尔系数γ的装置。由于测试脉冲强度受光纤的衰减和耦合器的分流,输入段和输出段脉冲强度不一样,势必要引入系统相移扰动,造成测试相移并非完全是测试光纤SPM效应引入的相移,对准确测量光纤非线性科尔系数γ值形成误差。理论分析了这种扰动的形成机理,引入扰动相移误差量。模拟分析了影响相移误差量的参数,优化这些参数,并且找到最优参数值,使相移误差量最小,且不受输入脉冲强度变化的影响。大大地改善了该系统的性能。最后试验测试了SMF光纤,和已有测试方法比较,波动范围明显减小。
0 引 言
在光纤通信中,光波在光纤中传播通常受到光纤的吸收、群速度色散(GVD)及非线性的影响。尤其在波分复用(WDM)系统中,由于光波能量的增加,非线性影响显著增强,诸如自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM)等非线性效应。这些现象都与克尔系数γ有关,对不同光纤,有不同的γ值。能准确的测量出γ值,就能有效地优化WDM系统,避免由于非线性效应而引起的信道间窜扰。利用自相位调制和交叉相位调制[1],测出非线性效应引起的相移,可很容易的算出γ值。但所有有关测相移的方法都是利用光的相干原理,这种原理存在一个缺陷就是受环境的干扰比较大,测量稳定性比较差,测量数据波动较大,误差较大。文献[2]中提出一种利用M-Z干涉仪,并用法拉第镜作反射镜,使干涉光都经过相同的路径,从而避免了干涉测量易受环境影响的问题。这是此装置最奇特的优点,测出的相移仅与光纤的非线性效应有关。本文分析了这种测试原理,发现这种测量原理并非完全不受环境影响,只有选择优化的参数,才能实现高稳定性的测量目的,本文就该装置的参数优化作了严格的理论分析,并给出优化后的结果。我们利用优化的参数,对标准单模光纤(SMF)进行了测量,测量数据和文献数据进行对照,发现偏差进一步减小。表明这种优化方法的可行性。
1 光学原理
1.1 测试原理
光纤中随着信号能量的增加,极易发生非线性效应:SPM效应和XPM效应。在SPM效应中,假设一段传输光纤的长度为L,则强度为P的光通过这段光纤后引起的相移为[3]
其中Leff= [1-exp(-αsL)]/αs为光纤的有效长度,αs,k分别为光的吸收系数和传播常数;m反映了光的偏振对相移的影响,在保偏光纤中,光的偏振态不变则m取1,如果光的偏振态被扰乱则m取8/9。(1)式表示,如果测出光的相移,就很容易算出光纤的克尔系数γ值。
测量装置如图1所示,激光器产生一脉冲激光,经EDFA放大后,穿过一环行器,再经耦合器(耦合比α/(1-α))把光能分在M-Z干涉仪的两个臂上。M-Z干涉仪的两臂由长光纤L和短光纤S组成。长光纤起到延迟线的作用,由于延迟的作用,两臂的光脉冲到达第二个耦合器(耦合比β/(1-β))时,不在重合。前后两脉冲经第二个耦合器分别到达探测器D1和进入测试光纤,由于强度不同,由SPM效应,发生的相移也不同。两脉冲再经法拉第镜M的两臂,同样由于延迟线的作用,前面的脉冲分成前后两个脉冲,后面的脉冲也分成前后两个脉冲。在四个脉冲中,中间两个脉冲是重合的。第一个脉冲经过两次短臂S-S和两次测试光纤2TF,中间两脉冲分别经过S-L、2TF和L-S、2TF,最后一脉冲经过L-L、2TF,在探测器D2上可收到三个脉冲,中间的脉冲由于干涉的结果,其强度随着激光器输出脉冲的强度增强而减小。它含有相移信息,也正是我们须测量的。环行器是把返回的光能分流出去。
在图1装置中,要使发生干涉的两脉冲不受环境的影响,只受测试光纤的影响,即TF光纤引起的SPM产生的相移影响。这两脉冲必须通过相同通道,图一基本可达到要求。其中一脉冲路径为:L-TF-TF-S-D2,另一脉冲路径为:S-TF-TF-L-D2。因此,此装置具有抵抗环境扰动的功能。
但精确分析时,发现脉冲先经过M-Z干涉仪的长臂L和后经过L是有差异的,这种差异用图2可以形象地解释,图二是光脉冲传输的展开图。一个脉冲通过的路径如图2中(a)所示,强脉冲先通过L,衰减后的弱脉冲再通过S。另一个脉冲通过的路径如图2中(b)所示,强脉冲先通过S,衰减后弱脉冲再通过L。所以,两脉冲都经过相同的通道,但顺序不一样,由先L后S和先S后L产生的SPM相移不一样。这种相移的引入是一种扰动,不利于准确测量,只有由TF光纤的SPM效应引入的相移才能真正反映γ值。
因此,所谓的完全对称是不可能的,但引入的误差和那些参数有关,怎么优化?下面进行理论分析。
1.2 理论基础
设M-Z干涉仪的长臂光纤长度为L,短臂光纤长度为S,被测光纤长度为X,干涉仪两臂为同种光纤,吸收系数为αs,克尔系数γ1。被测光纤吸收系数为αx,克尔系数γx。假设光纤的熔接损耗忽略不计。经EDFA后的脉冲功率为P,考虑到两脉冲经过了相同的通道,由光纤长度、耦合、反射等引起的相移最后被相互减掉,所以不写入表达式中。根据耦合器的传输矩阵[4],光脉冲经过传输到达D2时,两个脉冲的复振幅为
其中,11,12,13,14是脉冲路径为L-TF-TF-S-D2各段SPM效应引入的相位;21,22,23,24是另一脉冲路径S-TF-TF-L-D2各段SPM效应引入的相位。在D2探测器上的光强分布为
(4)式表示随着Δ的变化,探测器D2处的光强由于干涉而变化,并且在Δ=π时达到最小。如果α=1/2时,使(2)、(3)式中的E1,E2相等,探测器D2处的光强为零。(5)式右边的两项,前一项是由于被测光纤的SPM效应引入的相移变化,后一项Δ则是测量系统引入的误差,它和M-Z两臂的光纤长度及光纤性质有关,也随脉冲光功率的变化而变化,因此,对测量有扰动作用,如果太大,这种测量系统是不稳定的。只有在Δ很小时,才能起到准确测量的目的。
为了达到干涉反衬度最大,当α=1/2,也就是要求M-Z干涉仪的第一个耦合器是3-dB耦合器。在这种情况下,(6)式可简化为
1.3 计算模拟
在分析(5)式时,从右边的第一项可明确地看出,增加α-β的值,可加大测试光纤的SPM相移,对测量灵敏度有很好的改善,在α一定时,可行的办法就是减小β,也就是要求M-Z干涉仪的第二个耦合器的耦合比要大(或小)。图3绘制了光脉冲功率P和M-Z干涉仪短臂S一定时,在不同的耦合比β下,M-Z干涉仪长臂L对干扰项Δ的影响。可以看出,耦合比β越小,L越小,扰动相移也越小。图4绘制了M-Z干涉仪短臂S和长臂L一定时,在不同的耦合比β下,光脉冲功率P对干扰项Δ的影响。可以看出,耦合比β越小,脉冲功率越小,扰动相移也越小。
最有意义是图5和图6,绘制了M-Z干涉仪短臂S和耦合比β一定时,不同的L下,光脉冲功率P对干扰项Δ的影响。两图的β=0.1,图5中S=30m,图6中S=60m,可以看出,两图中都有一交点,说明当L取一个合适的值时,无论脉冲光功率怎样变化,系统引入的误差相移Δ趋近于零。这一点是一个非常重要的点,即选择一定关系的S、L。系统引入的扰动相移就可有效剔除。比较两图,可计算出L/S=2.2。这对设计自准直干涉仪测量光纤非线性克尔系数γ非常有意义,这组优化参数克服了这种装置的不对称效果带来的误差。
2 试验结果
利用模拟分析得到的优化参数,选取两耦合器的耦合比分别为1/2,1/10。组成M-Z干涉仪,干涉仪的两臂长分别用60m和135m的标准单模光纤组成。不用图5的参数是考虑了延时线要足够长,以拉开脉冲的间隔,有利于测量。脉冲发生器是一个直接调制的DFB激光二极管,脉宽为20ns,采用EDFA对光脉冲进行功率放大,使用上面参数可使到达探测器D2的三个脉冲间隔达到大约12个脉宽。测试光纤是1100m SMF光纤。图7是文献[2]上的理论曲线和试验点,实线为理论值,十字线为试验测试值,可以看出在脉冲功率加大到3.4W时,非线性相移达到π,探测器接受到的光强为零。但随着功率加大,测试的波动范围也愈来愈大(十字线伸长),这一点理论上解释就是干扰相移项也是随着脉冲强度的加强而增大,导致环境干扰加大。实验点对理论曲线有右移的趋势,理论分析是L/S<2.2。图8是使用优化参数得到试验结果。脉冲功率的增加,实验点与理论曲线较吻合,在强脉冲功率时,也没有测试数据显著波动的趋势。说明使用自准直干涉仪测量光纤的非线性克尔系数,对系统参数进行优化可显著改变系统的性能。
3 结 论
干涉法测相移是一种非常有效且常用的方法,但其问题就在于易受环境的影响。给测量结果到来误差,文献[2]提出的试验装置结构大大消减了环境的干扰,但由于系统自身的缺陷,只有优化系统的参数,才能真正消除环境的干扰,本文在理论上找到一种优化的方法并在试验上论证了优化的正确性。
参考文献:
[1] Omae T,Nakajima K,Ohashi M. UNIversal conditions for nonlinearrefractive index n2 estimation of dispersion compensating fibers bycw-SPM method [A].OFC′[C].13(6).2001.571—573
[2] Vinegoni C,Wegmuller M,Gisin N. Determination of nonlinear co-efficient n2/Aeff using self-aligned interferometer and faraday mir-ror[J].Electronics Letters,2000,36(10):886—887.
[3] Chernikov S V, Taylor J R. Measurement of normalization factor ofn for random polarization in optical fibers[J] Opt.Lett.,1996,21(6):1559—1561.
[4] Agrawal G P.Nonlinear fiber optics, third edition & applications ofnonlinear fiber optics[M]. Publishing house of electronics industry,2002. 318—322.
作者简介:刘兵(1965-),男,北京邮电大学副教授,在职博士研究生,从事光纤通信研究。
E-mail:lb19650205@163.com
