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(lái)給科技和社會(huì)領(lǐng)域帶來(lái)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(cè)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(hào)的性能在很大程度上決定了輸出光信號(hào)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(duì)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(jí)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?yàn)槿绱耍脖厝唤o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(duì)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(kāi)始就提出相關(guān)的性能指標(biāo)要求，從而達(dá)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(lái)越重要的測(cè)試儀表。自光芯片開(kāi)始就需要利用光譜儀檢測(cè)光芯片的發(fā)射波長(zhǎng)、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(cè)器件(如TOSA、BOSA等)尾纖輸出的光波長(zhǎng)、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(cè)試光模塊的最終發(fā)射相關(guān)特性(波長(zhǎng)、ndB譜寬、次峰值波長(zhǎng)、SMSR等);構(gòu)建成光通信設(shè)備/系統(tǒng)后，相關(guān)的系統(tǒng)測(cè)試規(guī)范同樣要求利用光譜儀測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)射與接收光信號(hào)的相關(guān)特性(波長(zhǎng)、ndB譜寬、次峰值波長(zhǎng)、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(duì)光譜儀進(jìn)行分類時(shí),既涉及到多學(xué)科知識(shí),又高度依賴行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)。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(gè)角度來(lái)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(jiàn)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(shí)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(wèn)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(zhǎng)范圍必須可以完全覆蓋這個(gè)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(gè)近紅外波段，而衍射光柵( DiffractionGrating )法以其覆蓋波長(zhǎng)范圍寬、波長(zhǎng)精度高、調(diào)諧方便和相對(duì)不太復(fù)雜的實(shí)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(cè)光信號(hào)由光纖通過(guò)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(hào)照射到一個(gè)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(hào)再照射到一個(gè)可以電控調(diào)節(jié)的光柵之上，通過(guò)光柵衍射/反射的光信號(hào)，再由另一面凹透鏡實(shí)現(xiàn)被測(cè)光信號(hào)的聚焦，聚焦后的光信號(hào)在光路的焦點(diǎn)處通過(guò)一個(gè)孔隙可調(diào)的微孔輸出到實(shí)現(xiàn)光信號(hào)檢測(cè)的PD管，由PD管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于此時(shí)電信號(hào)非常微弱，所以，首先對(duì)電信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，然后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理等，同時(shí)使之與光柵的電調(diào)控制信號(hào)聯(lián)動(dòng)(同步)，這樣就可以得到輸入光信號(hào)隨著波長(zhǎng)變化的光信號(hào)幅度曲線，即被測(cè)光信號(hào)的光譜曲線。

  從以上光譜分析儀的簡(jiǎn)單工作原理描述可以看出，一臺(tái)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(duì)其進(jìn)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(lái)看，選擇一臺(tái)合適的光譜分析儀，主要要關(guān)注一下幾個(gè)參數(shù)：一是波長(zhǎng)范圍;它決定了該光譜分析儀覆蓋的測(cè)試波長(zhǎng)范圍。二是分辨率;它決定了該光譜分析儀對(duì)光信號(hào)分析時(shí)的最小波長(zhǎng)間隔;三是動(dòng)態(tài)范圍;它決定了該光譜分析儀同屏測(cè)試信號(hào)的顯示范圍;四是靈敏度，它決定了該光譜分析儀對(duì)小信號(hào)的檢測(cè)能力。

  光譜分析儀設(shè)置參數(shù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

  我們?cè)谑褂霉庾V分析儀時(shí)，可能聽(tīng)到一些使用者抱怨，同一個(gè)被測(cè)件，使用不同廠家的光譜分析儀，測(cè)試結(jié)果/曲線可能有明顯的差別，無(wú)法判定哪種測(cè)試結(jié)果是準(zhǔn)確的，哪種測(cè)試結(jié)果是有問(wèn)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(shí)，在被測(cè)件是穩(wěn)定的情況下，只要是選擇滿足測(cè)試指標(biāo)要求的光譜分析儀，在正常的操作步驟下，測(cè)試結(jié)果應(yīng)該都是準(zhǔn)確的，如果出現(xiàn)明顯的差異，無(wú)一例外都是由于兩種測(cè)試儀表設(shè)置的測(cè)試條件不同所導(dǎo)致的。

  通常影響測(cè)試曲線顯示效果或測(cè)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(lái)對(duì)被測(cè)件進(jìn)行測(cè)試，這本來(lái)是無(wú)可厚非的，但是，請(qǐng)務(wù)必注意各個(gè)廠家儀表的默認(rèn)/初始化設(shè)置后的測(cè)試條件可能各不相同，如RES、SPAN、采樣點(diǎn)數(shù)、VBW/模式、波長(zhǎng)顯示條件(真空/空氣)等，只有在這些基本的測(cè)試條件相同/一致的情況下，才能得到相同的測(cè)試曲線或結(jié)果。

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

  3、縱軸/電平設(shè)置縱軸的設(shè)置可以信號(hào)顯示幅度做縮放處理，比較兩種儀表的顯示時(shí)請(qǐng)保持參考電平和刻度(dB/格)相同，否則會(huì)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(cè)試同一被測(cè)件時(shí)RES設(shè)置必須相同。通常情況下，RES選擇越小，波長(zhǎng)分辨率越高，掃描速度越慢。所以不一定說(shuō)RES越小就越好，滿足被測(cè)件的測(cè)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(shí)間相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，VBW越小，高頻噪聲濾除越徹底，曲線越光滑，但同時(shí)掃描時(shí)間越長(zhǎng)，這個(gè)需要用戶根據(jù)自己的需要來(lái)折中選擇。

  6、平均與平滑平均和平滑有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是可以改善顯示曲線的顯示光滑度，不同的是平均會(huì)改變標(biāo)記的讀數(shù)值，而平滑只會(huì)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(jī)構(gòu)做研究實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常為了得到比較美觀的測(cè)試曲線顯示，可能會(huì)對(duì)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(shí)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(lái)越高的情形之下，必須對(duì)發(fā)射、傳輸和接收光信號(hào)利用光譜分析儀來(lái)進(jìn)行光譜性能檢測(cè)和分析，以期滿足相關(guān)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，從而為實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的無(wú)障礙流動(dòng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。