技術(shù)文章 | 光譜分析儀初探

  在光通信系統(tǒng)中使用光譜分析儀的必要性

  光纖通信技術(shù)一直以來給科技和社會領(lǐng)域帶來重大變革。作為激光技術(shù)的重要應(yīng)用，以光通信技術(shù)為主要代表的激光信息技術(shù)搭建了現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的框架，成為信息傳遞的重要組成部分。光纖通信技術(shù)是當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的重要承載力量，其基本要素是光源、光纖和光電檢測器。其中應(yīng)用最為廣泛的光源就是激光器，激光器輸出的光信號的性能在很大程度上決定了輸出光信號的質(zhì)量。隨著各種新型技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、VR&AI、5G等技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，對信息交流與傳遞提出了更高的要求，光纖通信技術(shù)作為通信網(wǎng)中最骨干的部分，承受著巨大的升級壓力，高速、大容量的光纖通信系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)是光通信技術(shù)的主流發(fā)展方向。

  正因為如此，也必然給光纖通信系統(tǒng)中的發(fā)送設(shè)備提出更為嚴(yán)格的要求，依次傳導(dǎo)對各種光器件/模塊以及光/電、電/光芯片也同樣提出更為格的要求。為了最終保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量，必將從芯片、元器件開始就提出相關(guān)的性能指標(biāo)要求，從而達到光纖通信系統(tǒng)最終的指標(biāo)要求。隨著光通信系統(tǒng)速率的不斷升高，光譜分析儀成為越來越重要的測試儀表。自光芯片開始就需要利用光譜儀檢測光芯片的發(fā)射波長、波譜特性以及發(fā)射光功率;芯片組合成為相關(guān)器件后，同樣需要利用光譜儀檢測器件(如TOSA、BOSA等)尾纖輸出的光波長、光功率以及SMSR等參數(shù);由器件組裝成光模塊后，更需要光譜儀測試光模塊的最終發(fā)射相關(guān)特性(波長、ndB譜寬、次峰值波長、SMSR等);構(gòu)建成光通信設(shè)備/系統(tǒng)后，相關(guān)的系統(tǒng)測試規(guī)范同樣要求利用光譜儀測試系統(tǒng)的發(fā)射與接收光信號的相關(guān)特性(波長、ndB譜寬、次峰值波長、SMSR、OSNR、光功率等)，使之滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

  光譜分析儀的種類和工作原理

  光譜儀類別眾多、用途廣泛。在對光譜儀進行分類時,既涉及到多學(xué)科知識,又高度依賴行業(yè)工作經(jīng)驗。由于光譜儀具有工作波段和分光技術(shù)原理的專業(yè)特性,我們就從這兩個角度來劃分。

  1、按工作波段劃分電磁頻譜有其固有的頻段,從光學(xué)角度看就是工作波段。因此,根據(jù)工作波段劃分光譜儀類別,可將光譜儀分為射線光譜儀(<10nm)、紫外光譜儀(10~380nm)、可見光光譜儀(380~760nm)、近紅外光譜儀(760nm~2.5 m)、紅外光譜儀(2.5~30 m)以及太赫茲光譜儀(30~3000 m)，如圖1所示。

圖1 按工作波段劃分的光譜儀類別

  2、按分光技術(shù)原理劃分由于研發(fā)各種光譜儀時都面臨著一些共性的關(guān)鍵技術(shù),而分光技術(shù)恰恰是光譜儀要解決的核心問題。因此,根據(jù)分光技術(shù)原理的不同,可將其分為衍射型光譜儀、干涉型光譜儀、散射型光譜儀、熒光型光譜儀、濾光片型光譜儀和棱鏡色散型光譜儀,如圖2所示。

圖2 按分光原理劃分的光譜儀類別

  目前光通信行業(yè)大量采用的是屬于近紅外波段的衍射光柵型光譜儀。

  3、衍射光柵型光譜儀的工作原理當(dāng)前光纖通信所使用的波段全部是在780nm到1650nm這一近紅外波段范圍之內(nèi)，這就要求采用的光譜儀掃描波長范圍必須可以完全覆蓋這個波段。目前光譜調(diào)諧選擇主要有法布里-泊羅干涉法、邁克遜干涉法和衍射光柵( Diffraction Grating )法，這三種完全可以方便地覆蓋整個近紅外波段，而衍射光柵( DiffractionGrating )法以其覆蓋波長范圍寬、波長精度高、調(diào)諧方便和相對不太復(fù)雜的實現(xiàn)技術(shù)成為當(dāng)今光通信用光譜分析儀的首選技術(shù)。圖三為衍射光柵( Diffraction Grating )型光譜儀的構(gòu)成原理圖。它的核心部件就是用于調(diào)諧的衍射光柵，基于衍射光柵光譜儀的示意圖如下圖四。

圖三 光譜儀的構(gòu)成原理圖

圖四 基于衍射光柵光譜儀示意圖

  當(dāng)被測光信號由光纖通過光譜分析儀的光輸入接口連接到光譜以后，光纖出射的光信號照射到一個用于聚光的凹透鏡，將有一定發(fā)散角度的光轉(zhuǎn)變成平行光，這些平行光信號再照射到一個可以電控調(diào)節(jié)的光柵之上，通過光柵衍射/反射的光信號，再由另一面凹透鏡實現(xiàn)被測光信號的聚焦，聚焦后的光信號在光路的焦點處通過一個孔隙可調(diào)的微孔輸出到實現(xiàn)光信號檢測的PD管，由PD管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由于此時電信號非常微弱，所以，首先對電信號進行低噪聲放大，然后進行數(shù)字信號處理等，同時使之與光柵的電調(diào)控制信號聯(lián)動(同步)，這樣就可以得到輸入光信號隨著波長變化的光信號幅度曲線，即被測光信號的光譜曲線。

  從以上光譜分析儀的簡單工作原理描述可以看出，一臺光譜分析儀的品質(zhì)優(yōu)劣，在很大的程度上取決于其核心部件--衍射光柵以及對其進行控制的精度和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法。從目前市面上光譜儀通常給出的參數(shù)來看，選擇一臺合適的光譜分析儀，主要要關(guān)注一下幾個參數(shù)：一是波長范圍;它決定了該光譜分析儀覆蓋的測試波長范圍。二是分辨率;它決定了該光譜分析儀對光信號分析時的最小波長間隔;三是動態(tài)范圍;它決定了該光譜分析儀同屏測試信號的顯示范圍;四是靈敏度，它決定了該光譜分析儀對小信號的檢測能力。

  光譜分析儀設(shè)置參數(shù)對測試結(jié)果的影響

  我們在使用光譜分析儀時，可能聽到一些使用者抱怨，同一個被測件，使用不同廠家的光譜分析儀，測試結(jié)果/曲線可能有明顯的差別，無法判定哪種測試結(jié)果是準(zhǔn)確的，哪種測試結(jié)果是有問題的，最后只能按照甲方的要求，采用某某廠家的光譜分析儀。其實，在被測件是穩(wěn)定的情況下，只要是選擇滿足測試指標(biāo)要求的光譜分析儀，在正常的操作步驟下，測試結(jié)果應(yīng)該都是準(zhǔn)確的，如果出現(xiàn)明顯的差異，無一例外都是由于兩種測試儀表設(shè)置的測試條件不同所導(dǎo)致的。

  通常影響測試曲線顯示效果或測試結(jié)果的參數(shù)設(shè)置可以從以下參數(shù)設(shè)置去考慮：1、儀表默認(rèn)設(shè)置大多數(shù)光譜分析儀的使用者習(xí)慣采用儀表的默認(rèn)設(shè)置來對被測件進行測試，這本來是無可厚非的，但是，請務(wù)必注意各個廠家儀表的默認(rèn)/初始化設(shè)置后的測試條件可能各不相同，如RES、SPAN、采樣點數(shù)、VBW/模式、波長顯示條件(真空/空氣)等，只有在這些基本的測試條件相同/一致的情況下，才能得到相同的測試曲線或結(jié)果。

  2、橫軸設(shè)置 起始/截止波長或者中心波長/SPAN橫軸的設(shè)置確定了儀表的波長掃描范圍，如果兩種儀表掃描的波長范圍不同，在屏幕上的顯示曲線位置或形狀自然會有差別。

  3、縱軸/電平設(shè)置縱軸的設(shè)置可以信號顯示幅度做縮放處理，比較兩種儀表的顯示時請保持參考電平和刻度(dB/格)相同，否則會讓觀察者有不同的直觀感受。

  4、分辨率RES設(shè)置光譜分析儀的RES設(shè)置，直接與儀表顯示的標(biāo)記讀數(shù)值相關(guān)，所以，不同廠家的儀表測試同一被測件時RES設(shè)置必須相同。通常情況下，RES選擇越小，波長分辨率越高，掃描速度越慢。所以不一定說RES越小就越好，滿足被測件的測試要求就夠了。

  5、VBW/模式設(shè)置VBW/模式選擇與顯示曲線的噪聲和掃描時間相關(guān)，一般來說，VBW越小，高頻噪聲濾除越徹底，曲線越光滑，但同時掃描時間越長，這個需要用戶根據(jù)自己的需要來折中選擇。

  6、平均與平滑平均和平滑有一個共同的特點就是可以改善顯示曲線的顯示光滑度，不同的是平均會改變標(biāo)記的讀數(shù)值，而平滑只會改變顯示曲線的平滑度，不影響標(biāo)記的讀數(shù)值。所以，在研究機構(gòu)做研究實驗時，通常為了得到比較美觀的測試曲線顯示，可能會對曲線做平滑處理。

  綜上所述，在當(dāng)今數(shù)據(jù)大爆發(fā)的時代，光纖通信技術(shù)日益成為人們工作、生活的必須，在產(chǎn)生、傳輸和終端利用數(shù)據(jù)的速率越來越高的情形之下，必須對發(fā)射、傳輸和接收光信號利用光譜分析儀來進行光譜性能檢測和分析，以期滿足相關(guān)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從而為實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的無障礙流動打下堅實的基礎(chǔ)。