文章编号:0253-2239(2002)05-0535-04
硫系光纤的色散测量*
施纯峥1) 黎 敏1) 廖延彪1)** 赖淑蓉1) 陈荣声2) 杨克武
2)
1)，清华大学电子工程系，北京100084
2)，北京玻璃研究院，北京100062
摘要: 利用相移测量了单模As 2S 3光纤在1155L m 附近的色散。测量结果显示,As 2S 3光纤的材料色散为-39ps/(km #nm)。特殊的色散特性，预示了硫系光纤及其器件广阔的应用前景。关键词: 硫系光纤；色散；相移法中图分类号:T N 253 文献标识码:A八月未央小说
*国家自然科学基金(69877008)、北京市自然科学基金(2982003)资助课题。
**通讯联系人,E -mail:lyb -dee@mail.tsinghua.edu 收稿日期:2001-03-19；收到修改稿日期:2001-07-23
1 引 言
硫系光纤常见的组份有As x S y 、As x S y Se z 、As x Se y Te z 、Ge a As b Se c Te d ，通常还在光纤中加入一些元素以改善光纤的热性能、机械性能和光学性能。与普通石英光纤相比，硫系光纤主要有下面几个特点：一是折射率高，由于硫系光纤的辐射跃迁速率高，受激发射横截面高，因而它的折射率一般可达214，比普通石英光纤的折射率(1146)高得多；二是传输范围宽，是目前唯一具备光子能量低、非辐射衰落速率低和红外透过区宽的光纤类型，其红外透过谱区可延伸至20L m；三是非线性系数n 2大，比石英光纤大两个数量级；四是色散大，硫系光纤的色散以材料色散为主，在波长113L m~115L m 区域色散特性为负，且有很大的色散值，已有的报道显示，硫系光纤在1155L m 处的色散可达到-410ps/(nm #km)。色散补偿是光通信领域中最重要的问题之一，硫系光纤的这个特点使其在色散补偿领域有着很好的应用前景[1,2]。在国内，目前只有北京玻璃研究院采用双坩埚法成功拉制出硫系单模光纤，损耗为3dB/m 。
若在波长K 下，单位长度的群延时为S (K )，则物质的色散可以写成[3]:
S =
d S (K )
d K [ps/(km #nm)].
(1)
色散的测量按光强度调制的波形来划分有两类方法：相移法(正弦信号调制)和脉冲时延法(脉冲调
制)。相移法是通过测量不同波长下同一正弦调制信号的相移得出群时延与波长的关系，进而算出色散系数的一种方法。脉冲时延法是通过测定不同波长的窄光脉冲经光纤传输后的时延差，直接由(1)式得出光纤色散系数的一种方法。在现有的文献中，还没有见到对测量硫系光纤色散的方法的介绍。
硫系光纤的特殊性质使得对它的测量非常困难，主要的困难有：一是对硫系光纤的处理非常困难，硫系光纤的成份决定了它易碎、易断，无法使用现成的工具进行处理；二是硫系光纤的损耗非常大，能使用的光纤的长度受到限制；三是硫系光纤的耦合非常困难，本文采用的是机械方法直接耦合，这就对光纤端面的处理提出了更高的要求。
本文报道了使用基于干涉的相移法、测量国内拉制的硫系单模光纤色散的具体实验方法和测量结果。实验所使用光纤的损耗约为3dB/m，长度为0177m ，测出的色散值为-39ps/(nm #km )(K =1155L m)。
2 实验原理和装置
实验采用基于干涉的相移法，即利用硫系光纤中的光与参考光纤中的光相干涉所得到的信号来测量硫系光纤的色散，系统结构图如图1所示。图中的可调谐激光器是自制的，分辨率为011nm；所使用的功
率计的型号为FTM -200;3个耦合器均工作在1155L m 处。
可调谐激光器发出的光，经过掺铒光纤放大器放大后，送入耦合器1，由它分束后，分别进入硫系光纤和参考石英光纤中。参考光纤中的光经过1@2的耦
第22卷 第5期
2002年5月
光 学 学 报
ACTA OPT ICA SIN ICA
V ol.22,No.5May ,2002
合器2后分为两路，一路与硫系光纤中的光相干涉后，合光通过2@2的耦合器3，并进入功率计1，另一路光直接进入功率计2，作为参考信号。为了叙述方
便，我们将光经过耦合器1、硫系光纤、耦合器3的这一路光称为光路1，将光经过耦合器1、石英光纤、耦合器2、耦合器3的这一路光称为光路2
。
F ig.1Ex periment tup of dispersion measurement
实验时通过可调谐激光器输出一连串波长不同的光，测量这些光波长下探测器1和探测器2所探测到的光强，由
I =I 1+I 2+2
I 1I 2cos U
(2)
可得到两路光的相位差U ，进而计算出光纤的色散
值。
3 实验要点
结婚30周年实验中需要考虑以下几点:1)光路的相干性
为了使两束光能够相干，除了这两束光之间频率相同、相差恒定外，它们之间的光程差必须小于光源的相干长度。光源的相干长度L 为
L =K 2
$K =c $f
.
(3)
由于所使用的可调谐激光器的线宽$f =60kHz~100kHz，则相干长度L =3km ~5km，因此光程差小于光源相干长度的条件可以满足。
2)光路的对比度
为了得到清晰的干涉条纹，还要求干涉光束的对比度要高，即相干的两束光的光强要基本一样，由于
光路1使用了两组微调架，光的衰减比较大，因而光路2的光强也要作相应的衰减。由于光路2是用活动接头相连接，只要将活动接头不完全拧紧，就可以形成一个简单的衰减器(注意要固定不完全拧紧的活动头，以免造成光路的不稳定)，从而使两路光的光强基本一致。
3)两路光的相位差U 的主值的选取
通过(2)式，可以得到cos U ，进而得到相差U 的主值，但为了得到相差U ，还应知道相邻数据点间相差U 的差值，此值可估算如下:
设光路1中硫系光纤的折射率为n 1，长度为l 1，光路1中也有石英光纤，设石英光纤的折射率为
n 2，长度为l 2；在光路2中，设石英光纤的长度为l 3，则两光路的相位差为:
U =
win8平板2P (n 1l 1+n 2l 2-n 2l 3)
K
=2P $(nl)K ,
(4)
从而相位差的变化为$U =-2P $(nl)
K
2
$K .(5)上式忽略了光程差$(nl)对K 的变化。若光程差$(nl)=1cm,K =1550nm ,$K =0.2nm，则$U =1.66P =5.22rad，即相邻数据点间的U 相差1166P 。由此可见，为了使数据点可信，光程差至少需要在厘米量级。显然实验中用普通的测量尺就可以达到这个要求。注意在测量光程时，不但要测量光路中的石英光纤和硫系光纤的长度，而且要测量光路中耦合器中的光纤长度，我们所用的耦合器是直接拉锥后，经简单封装而得的耦合器，可以直接测量耦合器各臂的长度。
4 实验结果和数据处理
本次实验所用的硫系光纤长度l 1=0.77m 。测量范围为155711nm 至1560nm 间的47个数据点，表1为部分测试数据。
实验数据的处理过程如下:
在表1的计算中，认为I 3=I 2=I ，且利用I 3
对I 进行归一化(这是由于输入光强随着波长有变化，必须将这一因素除去)，即认为I 1=I 2=I ,I =I measure /I 3measure ，将它们代入(2)式得到cos U ，又由相邻数据点间的U 相差1166P 以上，可以得到每个波长下的相位差U 。设在光路1中的相位变化为U 1，在光路2中的相位变化为U 2，则U =U 1-U 2。设硫系光纤和石英光纤在单位长度下的时延分别为S 1和S 2，则它们满足:
S 1l 1+S 2(l 2-l 3)=U X =K
2P c U ,
(6)
536 光 学 学 报 22卷
由光程近似相等条件:n1l1+n2l2=n2l3，可将上式改写成:
S1-n1
n2S2=1
l1
K
2P c
U,(7)
其中l1为硫系光纤的长度，则S1的变化量$S1和S2
的变化量$S2满足
$S1-n1
n2
$S2=1
l1
K
2P c
$U.(8) T able1Partial data of dispersion measurement
w av elength/nm I3/(dBm)I/(dBm)cos U U/r ad S1-(n1/n2)S2 1551.7-41.73-42.62-0.18530 1.75717 1.8786@10-15 1551.9-41.30-43.69-0.42323-4.27539-1.1290@10-14 1552.1-41.49-43.69-0.39744-10.5869-2.4759@10-14 1552.3-41.66-43.14-0.28879-16.9858-3.8326@10-14 1552.5-41.75-42.66-0.18904-23.3718-5.1883@10-14 1552.7-41.65-42.44-0.16632-29.6781-6.5357@10-14 1552.9-41.69-42.96-0.25355-35.8721-7.8715@10-14 1553.1-41.67-42.58-0.18904-42.2214-9.2243@10-14 1553.3-41.62-43.17-0.30016-48.3899-1.0558@10-13 1553.5-41.78-43.07-0.25698-54.7181-1.1909@10-13
注意，从表1可知，本实验中$K/K n$U/U，因而(8)式中忽略了$K项。
根据(1)式，即可得到色散S1-(n1/n2)S2，其中的S1和S2分别为硫系光纤和石英光纤的色散。为了提高计算精度，我们先将$S1-(n1/n2)$S2的数值加上常数项后[变为S1-(n1/n2)S2]作多项式拟合，得到S(K)=f(K)的关系式。然后再根据(1)式求导得到色散值S1-(n1/n2)S2。实际计算时此常数取为零，即在实际计算中，可直接通过(7)式，由U得到S1(见表1最后一列)，再对得到的S1拟合、求导得到S1-(n1/n2)S2。
利用上面的数据处理方法，最终得到在1155L m附近的色散值S1-(n1/n2)S2为-67ps/(nm#km)，根据石英光纤的色散值S2= 17ps/(nm#km)，得到硫系光纤在1155L m附近的色散为-39ps/(nm#km)。
本实验的误差来自3个方面：一是I1、I2、I3不相等引起的误差(系统误差)，二是测量I、I3引起的误差，三是计算色散引起的误差。分析如下:
1)I1、I2、I3不相等引起的误差
在利用(2)式进行计算时，假定了I1=I2= I3，从而利用I3的测量值来代替I1和I2。实际上I1、I2、I3不完全相等，一是由于耦合器的耦合比在1551nm至1561nm间随波长有微小变化，这使得I1和I2有微小误差；另一个原因是在调节光路时不可能将光路1和光路2的光强调节得完全一致，这使得I2有误差。
设I1、I2的误差为D I1、D I2，由(2)式,cos U= I-I1-I2
2I1I2
，求导得:
DU=1+(I-I1-I2)/(2I
2
1I2)
4I1I2-(I-I1-I2)2
D I1+
1+(I-I1-I2)/(2I1I22)今天是母亲节吗
4I1I2-(I-I1-I2)2
D I2,(9)将I1=I2=I代入，且考虑到I=0.92~1.88,U =1.63rad~ 2.14rad，有
DU
U=
I
2U4-(I-2)2
D I1
I1
+
D I2
I2
<
0.3
D I1
I1+
D I2
I2.(10)如果综合考虑两个原因，认为D I1/I1=1%, D I2/I2=3%(对于波长范围10nm而言，光强变化1%是一个上限量，而I2是由实验估出来的结果)，则DU/U<0.3(1%2+3%2)1/2=1%。
2)I、I3测量值引起的误差
同样，设I、I3的误差为D I、D I3(这一段中的I 和I3均指的是测量值)。由(2)式,cos U= I/I3-I1-I2
2I1I2
，原式中的I用I/I3来代替，求导得
DU=-I/I3
4I1I2-(I/I3-I1-I2)2
-
D I
I
+
D I3
I3
,
(11)将I1=I2=1代入，且考虑到I=0.92~1.88,U =1.63rad~ 2.14rad(实验值)，有
537
5期施纯峥等：硫系光纤的色散测量
DU
U=-
I/I3
U4-(I/I3-2)2
-
D I
I+
D I3
喜洲粑粑
人事行政主管I3<
0.58D I
I
-
D I3
I3
.(12)
在实验过程中发现，即使使用玻璃罩，测量值I、I3长时间内也有较大的变化，若取D I/I=D I3/I3 =20%(实验得到)，则DU/U<0.582#20%= 16%，与I1、I2、I3不相等引起的误差相比，这项值大得多，也就是说，这个实验的主要误差来自测量误差。
搜集春节对联
3)色散误差
在以上色散的计算中，我们使用的是先将数据点拟合，再求导的方法，这种方法下误差的估计比较复
杂。我们用一种相对粗糙、但简单得多的方法来估计色散的误差，由(1)式可知,S U$S/$K，而由(7)式可知,$S与$U呈线性关系，则色散S与$U呈线性关系。则
D S
S
U2DU U.(13)由DU/U<16%，得D S/S<23%，由于曲线拟合后误差会进一步减小，因此，总的误差为20%。综上所述，本实验的主要误差来自测量误差，其次是计算色散引起的误差，最后得到的总误差为20%。
结论本文介绍了利用基于干涉的相移法，对国内拉制的单模硫系光纤的色散值进行的测量，最终得到在1155L m附近的色散值为-39ps/(nm#km)。受实验条件的影响，本次实验的色散误差比较大，约为20%，实验的主要误差来自测量误差。梦到手机摔坏了
可以看出，与石英光纤相比，硫系光纤的色散值为负，且比石英光纤要大得多。色散特性是硫系光纤的一项重要特性。硫系光纤的这种特性为硫系光纤在色散补偿方面的应用奠定基础。
参考文献
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Dispersion Measurement of As2S3Fiber
Shi Chunzheng1)Li M in1)Liao Yanbiao1)Lai Shurong1)
Chen Rongsheng2)Yang Kew u2)
1),Dep ar tment of Electronics Engineering,Tsinghua University,Beij ing100084
2),Beijing Glass I nstitute,Beij ing100062
(Received19M arch2001;revid23July2001)
Abstract:The dispersion characteristic of chalcogenide fiber is studied.By using pha shift method the dispersion characteristic of single mode As2S3fiber around1.55L m is measured.The measurement result shows the strong dispersion being about-39ps/(km#nm)at communication w avelength of1.55L m.Chalcogenide fibers have promising market as a dispersion compensation device w ith such good performance.
Key words:chalcogenide fiber;dispersion;pha shift method
538光学学报22卷
