什么是光谱仪,光谱分析仪有什么用?

在光通信系统中使用光谱分析仪的必要性

光纤通信技术一直以来给科技和社会领域带来重大变革。作为激光技术的重要应用,以光通信技术为主要代表的激光信息技术搭建了现代通信网络的框架,成为信息传递的重要组成部分。光纤通信技术是当前互联网的重要承载力量,其基本要素是光源、光纤和光电检测器。其中应用最为广泛的光源就是激光器,激光器输出的光信号的性能在很大程度上决定了输出光信号的质量。随着各种新型技术如物联网、大数据、VR&AI、5G等技术的不断涌现,对信息交流与传递提出了更高的要求,光纤通信技术作为通信网中最骨干的部分,承受着巨大的升级压力,高速、大容量的光纤通信系统及网络是光通信技术的主流发展方向。

正因为如此,也必然给光纤通信系统中的发送设备提出更为严格的要求,依次传导对各种光器件/模块以及光/电、电/光芯片也同样提出更为格的要求。为了最终保证系统的通信质量,必将从芯片、元器件开始就提出相关的性能指标要求,从而达到光纤通信系统最终的指标要求。随着光通信系统速率的不断升高,光谱分析仪成为越来越重要的测试仪表。自光芯片开始就需要利用光谱仪检测光芯片的发射波长、波谱特性以及发射光功率;芯片组合成为相关器件后,同样需要利用光谱仪检测器件(如TOSA、BOSA等)尾纤输出的光波长、光功率以及SMSR等参数;由器件组装成光模块后,更需要光谱仪测试光模块的最终发射相关特性(波长、ndB谱宽、次峰值波长、SMSR等);构建成光通信设备/系统后,相关的系统测试规范同样要求利用光谱仪测试系统的发射与接收光信号的相关特性(波长、ndB谱宽、次峰值波长、SMSR、OSNR、光功率等),使之满足相应的规范要求。

光谱分析仪的种类和工作原理

什么是光谱仪,光谱分析仪有什么用?

光谱仪类别众多、用途广泛。在对光谱仪进行分类时,既涉及到多学科知识,又高度依赖行业工作经验。由于光谱仪具有工作波段和分光技术原理的专业特性,我们就从这两个角度来划分。

1、按工作波段划分电磁频谱有其固有的频段,从光学角度看就是工作波段。因此,根据工作波段划分光谱仪类别,可将光谱仪分为射线光谱仪(<10nm)、紫外光谱仪(10~380nm)、可见光光谱仪(380~760nm)、近红外光谱仪(760nm~2.5 m)、红外光谱仪(2.5~30 m)以及太赫兹光谱仪(30~3000 m),如图1所示。

什么是光谱仪,光谱分析仪有什么用?
图1 按工作波段划分的光谱仪类别

2、按分光技术原理划分由于研发各种光谱仪时都面临着一些共性的关键技术,而分光技术恰恰是光谱仪要解决的核心问题。因此,根据分光技术原理的不同,可将其分为衍射型光谱仪、干涉型光谱仪、散射型光谱仪、荧光型光谱仪、滤光片型光谱仪和棱镜色散型光谱仪,如图2所示。

什么是光谱仪,光谱分析仪有什么用?
图2 按分光原理划分的光谱仪类别

目前光通信行业大量采用的是属于近红外波段的衍射光栅型光谱仪。

3、衍射光栅型光谱仪的工作原理当前光纤通信所使用的波段全部是在780nm到1650nm这一近红外波段范围之内,这就要求采用的光谱仪扫描波长范围必须可以完全覆盖这个波段。目前光谱调谐选择主要有法布里-泊罗干涉法、迈克逊干涉法和衍射光栅( Diffraction Grating )法,这三种完全可以方便地覆盖整个近红外波段,而衍射光栅( DiffractionGrating )法以其覆盖波长范围宽、波长精度高、调谐方便和相对不太复杂的实现技术成为当今光通信用光谱分析仪的首选技术。图三为衍射光栅( Diffraction Grating )型光谱仪的构成原理图。它的核心部件就是用于调谐的衍射光栅,基于衍射光栅光谱仪的示意图如下图四。

什么是光谱仪,光谱分析仪有什么用?
图三 光谱仪的构成原理图
什么是光谱仪,光谱分析仪有什么用?
图四  基于衍射光栅光谱仪示意图

当被测光信号由光纤通过光谱分析仪的光输入接口连接到光谱以后,光纤出射的光信号照射到一个用于聚光的凹透镜,将有一定发散角度的光转变成平行光,这些平行光信号再照射到一个可以电控调节的光栅之上,通过光栅衍射/反射的光信号,再由另一面凹透镜实现被测光信号的聚焦,聚焦后的光信号在光路的焦点处通过一个孔隙可调的微孔输出到实现光信号检测的PD管,由PD管将光信号转换成电信号,由于此时电信号非常微弱,所以,首先对电信号进行低噪声放大,然后进行数字信号处理等,同时使之与光栅的电调控制信号联动(同步),这样就可以得到输入光信号随着波长变化的光信号幅度曲线,即被测光信号的光谱曲线。

从以上光谱分析仪的简单工作原理描述可以看出,一台光谱分析仪的品质优劣,在很大的程度上取决于其核心部件–衍射光栅以及对其进行控制的精度和相关的数据处理算法。从目前市面上光谱仪通常给出的参数来看,选择一台合适的光谱分析仪,主要要关注一下几个参数:一是波长范围;它决定了该光谱分析仪覆盖的测试波长范围。二是分辨率;它决定了该光谱分析仪对光信号分析时的最小波长间隔;三是动态范围;它决定了该光谱分析仪同屏测试信号的显示范围;四是灵敏度,它决定了该光谱分析仪对小信号的检测能力。

光谱分析仪设置参数对测试结果的影响

我们在使用光谱分析仪时,可能听到一些使用者抱怨,同一个被测件,使用不同厂家的光谱分析仪,测试结果/曲线可能有明显的差别,无法判定哪种测试结果是准确的,哪种测试结果是有问题的,最后只能按照甲方的要求,采用某某厂家的光谱分析仪。其实,在被测件是稳定的情况下,只要是选择满足测试指标要求的光谱分析仪,在正常的操作步骤下,测试结果应该都是准确的,如果出现明显的差异,无一例外都是由于两种测试仪表设置的测试条件不同所导致的。

通常影响测试曲线显示效果或测试结果的参数设置可以从以下参数设置去考虑:1、仪表默认设置大多数光谱分析仪的使用者习惯采用仪表的默认设置来对被测件进行测试,这本来是无可厚非的,但是,请务必注意各个厂家仪表的默认/初始化设置后的测试条件可能各不相同,如RES、SPAN、采样点数、VBW/模式、波长显示条件(真空/空气)等,只有在这些基本的测试条件相同/一致的情况下,才能得到相同的测试曲线或结果。

2、横轴设置 起始/截止波长或者中心波长/SPAN横轴的设置确定了仪表的波长扫描范围,如果两种仪表扫描的波长范围不同,在屏幕上的显示曲线位置或形状自然会有差别。

3、纵轴/电平设置纵轴的设置可以信号显示幅度做缩放处理,比较两种仪表的显示时请保持参考电平和刻度(dB/格)相同,否则会让观察者有不同的直观感受。

4、分辨率RES设置光谱分析仪的RES设置,直接与仪表显示的标记读数值相关,所以,不同厂家的仪表测试同一被测件时RES设置必须相同。通常情况下,RES选择越小,波长分辨率越高,扫描速度越慢。所以不一定说RES越小就越好,满足被测件的测试要求就够了。

5、VBW/模式设置VBW/模式选择与显示曲线的噪声和扫描时间相关,一般来说,VBW越小,高频噪声滤除越彻底,曲线越光滑,但同时扫描时间越长,这个需要用户根据自己的需要来折中选择。

6、平均与平滑平均和平滑有一个共同的特点就是可以改善显示曲线的显示光滑度,不同的是平均会改变标记的读数值,而平滑只会改变显示曲线的平滑度,不影响标记的读数值。所以,在研究机构做研究实验时,通常为了得到比较美观的测试曲线显示,可能会对曲线做平滑处理。

综上所述,在当今数据大爆发的时代,光纤通信技术日益成为人们工作、生活的必须,在产生、传输和终端利用数据的速率越来越高的情形之下,必须对发射、传输和接收光信号利用光谱分析仪来进行光谱性能检测和分析,以期满足相关的统一标准,从而为实现全球数据的无障碍流动打下坚实的基础。

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