2018年01月17日 | 光谱分析仪指标参数及操作方法

原子发射光谱分析是根据原子所发射的光谱来测定物质的化学组分的。在正常的情况下，原子处于稳定状态，它的能量是最低的，这种状态称为基态。但当原子受到能量（如热能、电能等）的作用时，原子由于与高速运动的气态粒子和电子相互碰撞而获得了能量，使原子中外层的电子从基态跃迁到更高的能级上，处在这种状态的原子称激发态。电子从基态跃迁至激发态所需的能量称为激发电位，当外加的能量足够大时，原子中的电子脱离原子核的束缚力，使原子成为离子，这种过程称为电离。

原子失去一个电子成为离子时所需要的能量称为一级电离电位。离子中的外层电子也能被激发，其所需的能量即为相应离子的激发电位。处于激发态的原子是十分不稳定的，在极短的时间内便跃迁至基态或其它较低的能级上。 当原子从较高能级跃迁到基态或其它较低的能级的过程中，将释放出多余的能量，这种能量是以一定波长的电磁波的形式辐射出去的。 每一条所发射的谱线的波长，取决于跃迁前后两个能级之差。

由于原子的能级很多，原子在被激发后，其外层电子可有不同的跃迁，但这些跃迁应遵循一定的规则（即“光谱选律”），因此对特定元素的原子可产生一系列不同波长的特征光谱线，这些谱线按一定的顺序排列，并保持一定的强度比例。光谱分析就是从识别这些元素的特征光谱来鉴别元素的存在（定性分析），而这些光谱线的强度又与试样中该元素的含量有关，因此又可利用这些谱线的强度来测定元素的含量（定量分析）。

一、概述

光谱分析仪是在平时的光通信波分复用产品中较常使用到的仪表，当WDM系统刚出现时，多用它测试信号波长和光信噪比。其主要特点是动态范围大，一般可达70dB；灵敏度好，可达-90dBm；分辨率带宽小，一般小于0.1nm；比较适合于测试光信噪比。另外测量波长范围大，一般在600~1700nm.，但是测试波长精度时却不如多波长计准确。

在光谱的测量、各参考点通路信号光功率、各参考点光信噪比、光放大器各个波长的增益系数和增益平坦度的测试都可以使用光谱分析仪。光谱分析仪现在也集成了WDM的分析软件，可以很方便地把WDM的各个波长的中心频率、功率、光信噪比等参数用菜单的方式显示出来。

二、常用参数的测试

光谱分析仪的屏幕显示测量条件、标记值、其它数据以及测量波形。屏幕各部分的名称显示如下：

1、光谱谱宽的测量

谱宽即光谱的带宽，使用光谱分析仪可以测量LD、发光二极管的谱宽。在光谱的谱宽测量时，要特别注意光谱分析仪系统分辨率的选择，即原理上光谱分析仪的分辨率应当小于被测信号谱宽的1/10.，一般推荐设置为至少小于被测信号谱宽的1/5。

在实际的测量中，为了能够准确测量数据，一般选择分辨率带宽为0.1nm以下。分辨率带宽RES位于SETUP菜单中的第一项，直接输入所要设定的分辨率带宽的大小即可。当选择的分辨率带宽不同时，从光谱分析仪观察到的光谱形状有很大的不同，并且所测量得到的谱宽大小的不同。

在观察光谱谱宽的同时，也可以通过光谱分析仪读出光谱的中心频率、带宽、峰值功率和边模抑制比等参数。同时可以启动MARKER菜单，进行相应的标识，以方便量取所需要测试的参数值。

2、边模抑制比的测量

边模抑制比（Side-Mode Suppression RaTIo，缩写为SMSR），SMSR表示峰值能级与横模能级之间的能级差值。

一般测量边模抑制比时，需要配合使用MARKER菜单和ANALYSIS菜单中相应的键。用MARKER菜单对主波峰值和最高的副波峰进行标识，读取两者的峰值功率值。边模抑制比为最高峰与次高峰之间的能级差。可以通过ANALYSIS菜单中相应的子选项计算得到最后的值。

3、增益的测量

在进行OA板或光放大器模块测试的时候，需要测试增益参数（Gain）。增益定义为输出信号功率outP 与 输入信号功率 inP之比。增益的一般表达式如式（1）所示：

以上的公式使用于以mw为单位的情况。若两者单位为dBm，则G的值为两者之差。

在进行增益的测量时，需要用到TRACE菜单中的相关选项。首先将Trace A设置为未接放大器之前的输入光，按下 Fix A；再将Trace B设置为经过光纤放大器之后的输出光，按下Fix B;取两者的峰值功率，即可计算出。

在多波的情况下，还可以测试增益平坦度和增益斜率。其中，增益平坦度为增益的最大值和最小值之间的差值；增益斜率为两个波长在光放大器工作在两个增益状态变化值的比值。增益斜率主要用来衡量光放大器的不同波长增益的相对变化值，增益斜率越小，说明光放大器增益变化时各波长的一致性越好，越容易实现各波长的增益均衡。

应用光谱分析仪进行增益斜率的测量时，需要假设光放大器工作在两种增益状态（假如为20dB 和 25dB），然后分别在不同的波长点如1550nm、1551nm、1552nm、1553nm波长下进行增益点的测量，记录各波长点测试得到的增益值，可以计算出增益斜率。

4、噪声系数的测量

光谱分析仪的一项重要功能是测量EDFA的等效噪声噪声系数（NF），简称噪声系数。

首先，光放大器噪声系数。

其中右边第一项是ASE噪声功率，wB为测量谱宽；h为普朗克常数；为中心频率，即找到轨迹B波形的峰值波长值接着又进行了频率转换后所获得的值；G为增益。

目前所有的光谱分析仪一般都采用内插减源法、时域消光法、偏振消光法等光放大器噪声系数测量方法，不同的测量方法得到不同的噪声系数的测量精度。内插减源法采用了曲线拟合的算法。在信号的波长中插入ASE，并采用四点两次或者更精确的曲线拟合法来计算噪声的大小。

噪声包含放大过程中产生的自发辐射噪声ASEP和放大的源噪声ASEGP。其中光谱分析仪多采用的内插减源法原理图。

在利用光谱分析仪进行NF的测量时，需要用到TRACE菜单和ANALYSIS菜单。首先将输入光纤放大器的输入光设置为可写状态，点击writeA，然后固定该轨迹Fix A；再将从光纤放大器输出的光的光谱设置为可写状态，点击writeB，然后固定该轨迹Fix B；之后再按ANALYSIS菜单中选择 EDFA NF子选项，即可得到光谱分析仪计算NF的结果。

表1为用光谱分析仪横河AQ6370，选择EDFA_NF子选项得到的分析结果，仪表分辨率设置为0.1nm，灵敏度选择MID。共有4个波长的信号。

5、系统OSNR的测量

在DWDM系统中，光信噪比（OSNR）能够比较准确地反映信号质量，成为最常用的性能指标。

使用光谱分析仪测量OSNR常用的方法是积分法。通常采用光谱分析仪所能提供的最小分辨率带宽（RBW）扫描待测光谱，用积分的方法计算中心频率左右rB范围内的功率为信号功率，信道中间mB范围内的功率为噪声功率，两者相比得到OSNR。信号光功率的积分范围一般取0.4 nm的带宽范围；噪声功率的积分范围要取0.4 nm和0.1 nm的带宽范围内的功率。一般用0.4nm带宽范围内的信号光功率减去0.4nm带宽范围内的噪声光功率，再用其差值除以0.1nm带宽范围内的噪声光功率，之后再取10倍的对数值，可计算出OSNR的大小。 采用积分法测试信号和噪声功率。具体步骤如下。

1）打开测试波道OTU，用积分法测试整个信号光谱范围内的功率，记作1P。

2）关闭测试波道OTU，用积分法测试整个信号光谱范围内的功率，记作2P。 

3）保持OTU的关闭状态，用积分法测试等效噪声带宽Br范围内的功率，记作3P。为了方便，工程测试也可以将P2值换算到mB范围的3P。 

4）计算OSNR。

三、总结

以上所举的例子都是在平时使用光谱分析仪时常用到的一些操作，文中结合平时的测试工作只挑了比较常用的参数进行说明，还有很多其他的参数如何使用光谱分析仪进行测量没有进行详细的阐述，例如在进行梳状滤波器（Interlever）的测试时通道隔离度的测量也可以采用光谱分析仪直接分析得到测试结果。

光谱分析仪中的各项菜单的详细功能描述需要先阅读该光谱分析仪的详细手册。在实际的测试中，需要根据要求来设置测试条件。若能够熟练使用光谱分析仪将能更加快捷准确地进行相关指标的测量。