一、概述

光譜分析儀是在平時(shí)的光通信波分復(fù)用產(chǎn)品中較常使用到的儀表，當(dāng) WDM 系統(tǒng)剛出現(xiàn)時(shí)，多用它測(cè)試信號(hào)波長(zhǎng)和光信噪比。其主要特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍大，一般可達(dá) 70dB；靈敏度好，可達(dá) -90dBm；分辨率帶寬小，一般小于 0.1nm；比較適合于測(cè)試光信噪比。另外測(cè)量波長(zhǎng)范圍大，一般在 600~1700nm.，但是測(cè)試波長(zhǎng)精度時(shí)卻不如多波長(zhǎng)計(jì)準(zhǔn)確。

Yokogawa AQ6376 光譜儀

安立 MS9740A 光譜儀

在光譜的測(cè)量、各參考點(diǎn)通路信號(hào)光功率、各參考點(diǎn)光信噪比、光放大器各個(gè)波長(zhǎng)的增益系數(shù)和增益平坦度的測(cè)試都可以使用光譜分析儀。光譜分析儀現(xiàn)在也集成了 WDM 的分析軟件，可以很方便地把 WDM 的各個(gè)波長(zhǎng)的中心頻率、功率、光信噪比等參數(shù)用菜單的方式顯示出來(lái)。

二、常用參數(shù)的測(cè)試

光譜分析儀的屏幕顯示測(cè)量條件、標(biāo)記值、其它數(shù)據(jù)以及測(cè)量波形。屏幕各部分的名稱顯示如下：

圖 1：屏幕各部分的名稱

2.1 光譜譜寬的測(cè)量

譜寬即光譜的帶寬，使用光譜分析儀可以測(cè)量 LD、發(fā)光二極管的譜寬。在光譜的譜寬測(cè)量時(shí)，要特別注意光譜分析儀系統(tǒng)分辨率的選擇，即原理上光譜分析儀的分辨率應(yīng)當(dāng)小于被測(cè)信號(hào)譜寬的 1/10.，一般推薦設(shè)置為至少小于被測(cè)信號(hào)譜寬的 1/5。

在實(shí)際的測(cè)量中，為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)據(jù)，一般選擇分辨率帶寬為 0.1nm 以下。分辨率帶寬 RES 位于 SETUP 菜單中的第一項(xiàng)，直接輸入所要設(shè)定的分辨率帶寬的大小即可。如下圖 2、3、4 所示（圖中只為區(qū)別光譜形狀的不同），當(dāng)選擇的分辨率帶寬不同時(shí)，從光譜分析儀觀察到的光譜形狀有很大的不同，并且所測(cè)量得到的譜寬大小的不同。

圖 2：分辨率帶寬 RES=0.5nm 時(shí)的光譜形狀

圖 3：分辨率帶寬 RES=0.1nm 時(shí)的光譜形狀

圖 4：分辨率帶寬 RES=0.02nm 時(shí)的光譜形狀

在觀察光譜譜寬的同時(shí)，也可以通過(guò)光譜分析儀讀出光譜的中心頻率、帶寬、峰值功率和邊模抑制比等參數(shù)。同時(shí)可以啟動(dòng) MARKER 菜單，進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，以方便量取所需要測(cè)試的參數(shù)值。

2.2 邊模抑制比的測(cè)量

邊模抑制比（Side-Mode SuppressionRatio，縮寫(xiě)為 SMSR），SMSR 表示峰值能級(jí)與橫模能級(jí)之間的能級(jí)差值。

一般測(cè)量邊模抑制比時(shí)，需要配合使用 MARKER 菜單和 ANALYSIS 菜單中相應(yīng)的鍵。用 MARKER 菜單對(duì)主波峰值和最高的副波峰進(jìn)行標(biāo)識(shí)，讀取兩者的峰值功率值。邊模抑制比為最高峰與次高峰之間的能級(jí)差?？梢酝ㄟ^(guò) ANALYSIS 菜單中相應(yīng)的子選項(xiàng)計(jì)算得到最后的值。

圖 5：邊模抑制比測(cè)量示意圖

2.3 增益的測(cè)量

在進(jìn)行 OA 板或光放大器模塊測(cè)試的時(shí)候，需要測(cè)試增益參數(shù)（Gain）。增益定義為輸出信號(hào)功率 Pout 與輸入信號(hào)功率 Pin 之比。增益的一般表達(dá)式所示：

以上的公式使用于以 mw 為單位的情況。若兩者單位為 dBm，則 G 的值為兩者之差。

在進(jìn)行增益的測(cè)量時(shí)，需要用到 TRACE 菜單中的相關(guān)選項(xiàng)。首先將 Trace A 設(shè)置為未接放大器之前的輸入光，按下 Fix A；再將 Trace B 設(shè)置為經(jīng)過(guò)光纖放大器之后的輸出光，按下 Fix B;取兩者的峰值功率，即可計(jì)算出。

圖 6：增益測(cè)量示意圖

在多波的情況下，還可以測(cè)試增益平坦度和增益斜率。其中，增益平坦度為增益的最大值和最小值之間的差值；增益斜率為兩個(gè)波長(zhǎng)在光放大器工作在兩個(gè)增益狀態(tài)變化值的比值。增益斜率主要用來(lái)衡量光放大器的不同波長(zhǎng)增益的相對(duì)變化值，增益斜率越小，說(shuō)明光放大器增益變化時(shí)各波長(zhǎng)的一致性越好，越容易實(shí)現(xiàn)各波長(zhǎng)的增益均衡。

應(yīng)用光譜分析儀進(jìn)行增益斜率的測(cè)量時(shí)，需要假設(shè)光放大器工作在兩種增益狀態(tài)（假如為 20dB 和 25dB)，然后分別在不同的波長(zhǎng)點(diǎn)如 1550nm、1551nm、1552nm、1553nm 波長(zhǎng)下進(jìn)行增益點(diǎn)的測(cè)量，記錄各波長(zhǎng)點(diǎn)測(cè)試得到的增益值，可以計(jì)算出增益斜率。

2.4 噪聲系數(shù)的測(cè)量

光譜分析儀的一項(xiàng)重要功能是測(cè)量 EDFA 的等效噪聲噪聲系數(shù)（NF），簡(jiǎn)稱噪聲系數(shù)。

首先，光放大器噪聲系數(shù)的一般公式如式所示：

其中右邊第一項(xiàng)是 ASE 噪聲功率，Bw 為測(cè)量譜寬；h 為普朗克常數(shù)；v 為中心頻率，即找到軌跡 B 波形的峰值波長(zhǎng)值接著又進(jìn)行了頻率轉(zhuǎn)換后所獲得的值；G 為增益。

目前所有的光譜分析儀一般都采用內(nèi)插減源法、時(shí)域消光法、偏振消光法等光放大器噪聲系數(shù)測(cè)量方法，不同的測(cè)量方法得到不同的噪聲系數(shù)的測(cè)量精度。內(nèi)插減源法采用了曲線擬合的算法。在信號(hào)的波長(zhǎng)中插入 ASE，并采用四點(diǎn)兩次或者更精確的曲線擬合法來(lái)計(jì)算噪聲的大小。

噪聲包含放大過(guò)程中產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲 PASE 和放大的源噪聲 Gx PASE。其中光譜分析儀多采用的內(nèi)插減源法原理圖如圖 7 所示。

圖 7：光放大器噪聲計(jì)算內(nèi)插減源法原理圖

在利用光譜分析儀進(jìn)行 NF 的測(cè)量時(shí)，需要用到 TRACE 菜單和 ANALYSIS 菜單。首先將輸入光纖放大器的輸入光設(shè)置為可寫(xiě)狀態(tài)，點(diǎn)擊 writeA，然后固定該軌跡 Fix A；再將從光纖放大器輸出的光的光譜設(shè)置為可寫(xiě)狀態(tài)，點(diǎn)擊 writeB，然后固定該軌跡 Fix B；之后再按 ANALYSIS 菜單中選擇 EDFA NF 子選項(xiàng)，即可得到光譜分析儀計(jì)算 NF 的結(jié)果。

2.5 系統(tǒng) OSNR 的測(cè)量

在 DWDM 系統(tǒng)中，光信噪比（OSNR）能夠比較準(zhǔn)確地反映信號(hào)質(zhì)量，成為最常用的性能指標(biāo)。

OSNR 的定義如下：

其中：Pi 是第 i 個(gè)通路內(nèi)的信號(hào)功率；Br 是參考光帶寬，通常取 0.1 nm；Bm 是噪聲等效帶寬；Ni 是等效噪聲帶寬 Bm 范圍內(nèi)竄入的噪聲功率。

一般常用的 OSNR 的計(jì)算公式為：

使用光譜分析儀測(cè)量 OSNR 常用的方法是積分法。通常采用光譜分析儀所能提供的最小分辨率帶寬（RBW）掃描待測(cè)光譜，用積分的方法計(jì)算中心頻率左右 Br 范圍內(nèi)的功率為信號(hào)功率，信道中間 Bm 范圍內(nèi)的功率為噪聲功率，兩者相比得到 OSNR。信號(hào)光功率的積分范圍一般取 0.4 nm 的帶寬范圍；噪聲功率的積分范圍要取 0.4 nm 和 0.1 nm 的帶寬范圍內(nèi)的功率。一般用 0.4nm 帶寬范圍內(nèi)的信號(hào)光功率減去 0.4nm 帶寬范圍內(nèi)的噪聲光功率，再用其差值除以 0.1nm 帶寬范圍內(nèi)的噪聲光功率，之后再取 10 倍的對(duì)數(shù)值，可計(jì)算出 OSNR 的大小。

采用積分法測(cè)試信號(hào)和噪聲功率，具體步驟如下：

打開(kāi)測(cè)試波道 OTU，用積分法測(cè)試整個(gè)信號(hào)光譜范圍內(nèi)的功率，記作 P1。

閉測(cè)試波道 OTU，用積分法測(cè)試整個(gè)信號(hào)光譜范圍內(nèi)的功率，記作 P2。

保持 OTU 的關(guān)閉狀態(tài)，用積分法測(cè)試等效噪聲帶寬 Br 范圍內(nèi)的功率，記作 P3。為了方便，工程測(cè)試也可以將 P2 值換算到 Bm 范圍的 P3。

計(jì)算 OSNR。

三、總結(jié)

以上所舉的例子都是在平時(shí)使用光譜分析儀時(shí)常用到的一些操作，文中結(jié)合平時(shí)的測(cè)試工作只挑了比較常用的參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明，還有很多其他的參數(shù)如何使用光譜分析儀進(jìn)行測(cè)量沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的闡述，例如在進(jìn)行梳狀濾波器（Interlever）的測(cè)試時(shí)通道隔離度的測(cè)量也可以采用光譜分析儀直接分析得到測(cè)試結(jié)果。

光譜分析儀中的各項(xiàng)菜單的詳細(xì)功能描述需要先閱讀該光譜分析儀的詳細(xì)手冊(cè)。在實(shí)際的測(cè)試中，需要根據(jù)要求來(lái)設(shè)置測(cè)試條件。若能夠熟練使用光譜分析儀將能更加快捷準(zhǔn)確地進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)量。