【小知识】光谱仪的种类

光谱分析仪是光通信中最为常用的仪器之一，从内部结构上讲，EXFO公司商用光谱分析仪主要有三种类型：第...



光谱分析仪是光通信中最为常用的仪器之一，从内部结构上讲，EXFO公司商用光谱分析仪主要有三种类型：

第一种是基于衍射光栅型光谱仪，是目前最为常见的类型；

第二种是基于迈克尔逊干涉仪的光谱分析仪，该类型的光谱仪也被称为多波长计；

第三种是基于F-P型干涉的光谱仪。

光栅型光谱仪概述

光栅型光谱仪内部结构如图1和图2所示，其中衍射光栅(DiffractionGrating)起到可调谐光滤波器的作用，其原理与可见光经过三棱镜后出现彩色光的原理近似。



图1. 光经过三棱镜后的色散

由于三棱镜的色散能力（或者讲折射率随波长的变化幅度）有限，所以在光谱仪设计中用光栅来代替，从而取得更高的分辨能力。其中光的波长与光经过光栅反射（或透射，依赖光谱仪的设计，目前以反射型光栅设计居多）后的衍射角度成正比，通过测试不同角度的光的功率，从而得到不同波长的光的光谱分布。光电探测器通过AD转换，数字信号处理并显示得到光谱曲线。



图2 衍射光栅型光谱仪结构图

光栅型光谱仪具有很好的功率参数，即高的动态范围和OSNR测试能力，光栅型光谱仪已成为目前应用最为广泛、商业最为成功的仪表。



图3. EXFO公司光栅型光谱仪FTB-5240S系列

基于迈克尔逊干涉仪的光谱分析仪（多波长计）

内部结构如图4所示：



图4 基于迈克尔逊干涉仪的光谱分析仪（多波长计）结构图

其核心部分是一个迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer）.输入光经过光分束器后分成两路，一路光程固定，另外一路光程可变，这两路光合到一起后，会形成干涉图样。通过快速傅立叶变换，可以将时域的干涉图样转换为光谱图形。

迈克尔逊干涉仪具有很好的波长分辨率，例如2016年2月发布的著名的引力波观察结果，其核心测量部分LIGO是基于干涉的原理。下图LIGO在4KM的臂长上，可以观察1-2个原子直径的长度变化。





图5 位于华盛顿州的LIGOHanford 观察站(来源于网络)

由于基于迈克尔逊干涉仪的光谱仪具有非常好的波长参数，所以也被俗称为多波长计。波长不确定度可以到1ppm，甚至到0.2ppm，折算到1550nm激光，波长不确定度值为±0.0015nm（1ppm）或±0.0003nm (0.2ppm)。


图 6 EXFO
0.2ppm波长参数的多波长计WA-7600（已停产）

基于F-P型干涉的光谱仪

F-P型光谱仪结构是由两个部分透射的反射镜精确准直，从而形成反射型腔而构成



在F-P腔干涉中相加的波长将会被透射，而相消的信号不透射。改变F-P的腔长，可以得到光谱信息。



F-P型光谱仪利用光学的方法可以获得很高的分辨率，被广泛用在诸如激光器线宽的分析应用中。而在波分系统测试中，则一般较少采用。



EXFO公司F-P型光谱仪SA系列(已停产)，光谱分辨率0.05pm

波分系统测试中波长精度的再讨论

多年以来，业界对于波长计的波长测试精度深信不疑，普遍认为波长计的波长测试精度应远高于光栅型光谱仪。然而随着通讯系统速率的提升，这一观点需要重新审视，慎重对待。下一期我们将讨论高速通信系统中波长精确测量的问题。

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