【员工撰文】波分测试系列之二：波长的测量

上一期我们讨论了几种不同类型的光谱仪，本期期我们将讨论高速波分系统中波长的精确测量，着重讨论基于迈克耳逊干涉仪原理的光谱仪—多波长计的精度问题。...

波长计在高速信号测试中所面临的挑战

上一期我们讨论了几种不同类型的光谱仪，本期我们将讨论高速波分系统中波长的精确测量，着重讨论基于迈克耳逊干涉仪原理的光谱仪—多波长计的精度问题。

波分系统测试中波长精确测量的再讨论

多年以来人们相信，在波分系统中波长测量的精确性方面，波长计的测试精度远远高于光栅型光谱仪，这一理念深信不疑。然而随着通讯系统速率的提升，以及调制类型的复杂，这一观点必须重新审视！

多波长计的波长测试需要考虑的因素：

多波长计的核心部分是一台迈克尔逊干涉仪。波长的测量可以简单地表述为：

λ=(ΔL/N)

其中ΔL为迈克尔逊干涉仪移动臂所移动的距离，N为干涉条纹的数量。对于一个单色性很高的连续光，测量精度依赖干涉仪的行程（或者称之为可读取的干涉条纹的数量），所以比较容易取得很高的精度。例如目前商用的波长计在1550nm的区域可以达到的波长精度为0.3pm左右。

在波分系统中波长是指光在真空中的波长，而干涉仪直接测量的波长λ的值是干涉仪所处介质中的波长值，即空气中的波长。原因是迈克尔逊干涉仪是置于空气中的，将干涉仪置于真空中对于仪表厂家是一件难以想象的事，到目前为止，还没有制造商去尝试这一个挑战。

由于迈克尔逊干涉仪所测试的是空气中光的波长，要得到真空中光的波长（或光的频率），空气的色散是必须考虑的。例如对于波长为1550nm的光，如果使用波长计在海拔0米和在海拔5000米的不同的地方进行测试，如果不做对空气介质的修正，仅气压一项的因素对波长测量会有近0.2nm的偏差！所以一台高品质的波长计必须考虑空气介质温度、气压和湿度等环境因素的影响。

多波长计在高速信号测试中所面临的挑战：多波长计的精度指标是基于单色性很好的连续（CW）光来标定的。

在（多）波长计的精度定义中，假设被测激光器的相干长度是近乎无限长的（激光器的单色性非常好，激光无调制），波长测试精度受限于干涉仪的臂长（行程），迈克尔逊干涉仪可以用最大行程进行波长计数。而对于高速通信系统，这个假设是不成立的，因为高速调制后，相干长度降低，干涉图案的变化可以用下图形象地表示：

高速调制信号导致信号光谱变宽。例如一个典型的10G速率的系统，其实际3dB谱宽已经在几十pm甚至几百pm(依赖调制方式)量级。在这个量级测试中心波长，实际上已经涉及到被测光信号的波长如何定义的问题，例如是采用信号的峰值波长？3dB波长？还是RMS能量中心？不同的定义结果也会相去甚远，目前行业普遍接受的定义是用信号的能量中心去计算：即信号的RMS中心波长值。由于波长计受到测试原理的限制，其功率谱测试的精确性不高，这种情况下依然要求波长计的波长测试精度在0.2ppm(1550nm区域约0.3pm)之内是不切实际的！




所以在高速通信系统中，波长计所面临的测量挑战表现在如下两个方面：

1,宽的光谱而引起波长测试误差。即波长计只能通过有限的波长计数来计算，而不是在整个干涉仪行程（迈克尔逊干涉仪的臂长）下进行波长计数（干涉图的明暗条纹）。



2,  高速信号中复杂的调制引起的光谱形状对中心波长的影响。对于10G以上高速通信系统，由于调制方式的复杂，信号频谱分布越来越复杂，光谱的形状和分布会影响中心波长的结果。多波长计对于波分系统频谱的测量是通过傅立叶变换来计算的，与光栅型光谱仪相比具有先天劣势。也正是这个原因限制了多波长计在高速通信系统中的使用范围。

既然光栅型光谱仪在能量分布测量方面具有明显的优势，是否可以通过提高光谱仪的波长精度，从而实现高速信号的精确的波长测量？

我们将在下一期讨论如何提高光谱仪的波长精度，如何实现高速信号的精确波长测量。

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