北大光纤测量：光波长计

18
下面简述该光谱分析仪的工作原理。平行入射光束经光栅衍射后，光束 2 经孔径可调的细缝，再经半波片，光束 3 再经光栅衍射，光束 4 入光纤， 再经光检测器、互阻放大器，将光信号变为电压信号，再经数模转换、屏 幕显示。 孔径可调的细缝相当于带宽可调滤波器， 其孔径大小决定光谱分析仪的 分辨带宽。 光束 4 入射到光纤， 光纤相当于第二个孔径， 也起到滤波作用。 半波片使光的偏振方向旋转 900 减少光谱仪的偏振敏感性，提高灵敏度。 光栅的旋转速度决定光谱分析仪的扫描速度。 表Ⅳ是 HP71450B 的主要性能指标。
5
表Ⅰ是 Burleigh 公司生产的光波长计的主要性能指标。
型 号 波长范围 600-1800nm 绝对精度 ±0.1ppm (±0.0001nm 在 1000nm) ±0.2ppm (±0.0003nm 在 1500nm) ±1.0ppm (±0.0015nm 在 1500nm)
*
显示分辨率 0.0001nm
23
如果以非单色光平行入射，则此时 i 固定，位相差δ主要是光波长λ的 函数。由于多光束干涉，使得在很宽的光谱范围内只有在某些特定的波长 λk 附近出现极大，当 i=0 时，λk 满足下式：
2 nh = k λ k
用频率表示：
（6 ）
c kc νk = = λk 2nh
（7 ）
式中，c 是光速。每条谱线λk 或νk 称为一个纵模。两相邻纵模之间的频 率间隔是等间距的，称为自由光谱区 FSR 与腔长 h 成反比。
I γ = I
M M
（ 1）
式中，I0=I1+I2 为两光束强度 I1 和 I2 之和，γ为干涉Байду номын сангаас纹的反衬度
− Im + Im
（2 ）
2π δ= ⋅ ∆L λ
其中，k=0,±1,±2,±3⋯⋯
（3 ）
当光程差∆L=kλ时， 相干相长； 当光程差∆L=(k+1/2)λ时， 相干相消。
4
1. 单波长计 对图 1(b)的两个相干图形进行比较就可得出被测光信号的波长， 计算公式如下：
26
以 F-P 腔为基础的光谱仪方框图如图 14 所示。调节锯齿波发生器的输 出电压，使其在示波器上看到两个清晰的纵模谱线，在 x 轴上两纵模之间 的距离Δx1 对应 FSR。 单个纵模谱线的半高全宽Δx2 对应线宽， 由下式可 求出用频率单位表示的线宽：
∆f = ∆x 2 ⋅ FSR ∆x1
(12)
（4）
7
当光源为具有一定线宽的单色光时，其反衬度公式为
sin( ∆ k∆ L / 2 ) γ ( ∆L ) = ∆k∆L / 2 （5）
上式表明，当Δl 由 0 增到下列最大值时反衬度单调下降到 0
∆L M 2π λ2 = = ∆k ∆λ
（6）
8
日本 ADVANTEST 公司生产的 Q8347 光谱分析仪的原理框图。
λu=(Nr/Nu)(nu/nr)λr
（7）
其中 : λ u= 未知 波长 , λ r= 参考 波长 , nr= 在 参考 波长 处 的 折 射 系数 , nu=在未知波长处的折射系数,Nr=可移动平面镜移动距离 L 的参考 条纹数,Nu=可移动平面镜移动距离 L 的未知波长条纹数。 该类波长计的测量精度与参考波长和空气折射系数的精度密切 相关，空气的折射系数与波长、温度、气压和湿度有关。该类波长 计最高精度可达±0.1ppm（±0.0001nm 在 1000nm） 。
9
可移动反射镜组由马达带动，扫描速度为 v ,则可得到相干强度 I 与扫 描时间 t 的关系曲线.。由时域函数 I(t) 经快速傅立叶变换（FFT）得到频 域函数 P(f)。图 5(a)显示的是幅值相等的三个波长信号产生的干涉图形， 图 5(b)是经 FFT 后得到的光功率（相对值）与频率的关系。
波长范围 波长精度（在校准 最小分辨带宽 灵敏度 (1100-1600nm) 信号的 40nm 内） 600-1700nm ±1nm(±0.3nm) 0.08nm -90dBm 动态范围 (1250-1600nm） --55dB
19
该类仪器的波长精度较低，为满足光通信的需求，可通过波长校准来提 高波长精度。现较通用的校准方法有两种：①用波长稳定的窄线宽激光器 和精密波长计作校准。②用气体吸收井校准。目前，在 1550nm 波段，乙 炔（12H2C2）和氢氰化物（H13CN）气是较优的选择。
灵敏度 20μW
WA-1500
WA-1600
700-1700nm
0.0001nm
10μW
WA-1000
700-1700nm
0.001nm
10μW
*注：绝对精度与激光器谱宽有关，下面以 WA-1500 为例。 激光器线宽
Δν≤1GHz 1GHz<Δν≤10GHz 10GHz<Δν≤100GHz 100GHz<Δν≤1THz
HP86120 B型 C型 100 200 700-1650nm 1270-1650nm ±3ppm ±2ppm 20GHz 10GHz 0.001nm ±0.5dB -40dBm
13
二、以衍射光栅为基础的光谱分析仪
1． 衍射光栅单色仪
14
在单色仪上使用的光栅是反射式光栅，是在光学玻璃上度一层金属模， 再在金属模上刻画出很密的平行细槽（每毫米几百条或上千条） 。细槽间 隔可与光波长相比。当波长为λ的平行光以θ0 角入射到光栅时，光栅中 每一个细槽都要产生衍射，这些衍射光波彼此之间又要相互干涉，则产生 衍射图形。 当相邻两细槽的衍射光束的光程差为 mλ,即满足光栅方程 (sin θ 0 − sin θ m ) d =m m=±1,±2,.. (2) λ 时，则在衍射角θm 方向上光强极大，m 称为衍射级数。 在光栅单色仪中，入射光、光电检测器和孔径的位置都固定不动，而光 栅平面的方位是可调节的，通过光栅平面的旋转，把不同波长谱线调节到 出射孔径上去。
20
三、以 F-P 腔为基础的光谱分析仪 图 11 是平面镜 F-P 腔干涉仪。其中，G1 和 G2 是两块精密的平面玻璃 板，它们相对的平面平行，上面都镀有强反射膜，形成谐振腔。透镜 L ' 将入射光变成平行光，透镜 L 将平行光会聚到幕上。由于 G1 和 G2 之间 空气层薄膜表面的反射率较大， 光线入射后将在它的两个表面之间反复反
12
表Ⅲ是 HP 公司和 Burleigh 公司生产的多波长计的主要性能指 标。 表 Ⅲ
MA-7000 正常方式 高分辨率方式 128 1270-1650nm 1490-1580nm ±1.0pm 50pm 30pm 1pm ±0.5dB -30dBm
可同时测量光信道数 波长 测量范围 绝对精度 最小可分辨谱间隔 显示分辨率 电平 绝对精度 灵敏度
精度
±0.1ppm ±1ppm ±10ppm ±100ppm
显示分辨率
0.0001nm 0.001nm 0.01nm 0.1nm
6
2. 傅里叶(Fourier)变换光谱分析仪 例如，当光源为频率很靠近的双线光时，其反衬度公式为 ∆k γ ( ∆ L ) = cos ⋅ ∆L 2
FSR = ∆ν =ν k =1 −ν k =
c 2nh
（8 ）
24
干涉条纹的半高全宽(FWHM),由式(3)和图 10 看出,在
δ = 2kπ 处
IT / I0 的峰值为 1, 半高全宽(FWHM)就是峰值两侧 IT / I0 的值降到 一半(IT / I0 = 1/2)的两点间的距离,又称为光谱仪的分辨带宽。用 频率表示
射，多次反射的过程中强度递减得很慢，因而从 G2 透射出来的是一系列 强度递减很慢的光束。它们相干叠加后在幕上形成干涉条纹。
21
传输光强为：
IT = I0 1 4R 2 δ sin 1+ 2 2 (1 − R )
（ 3）
式中，IT 是传输光强度，I0 是入射光强度，R 是每个平面镜的光强反射率， δ是两相邻传输光束之间的相位差。
令细度 则
分辨带宽 ∆ ν = 自由光谱区 FSR 细度 ℑ
c 1− R 1− R ∆ν = FWHM = ⋅ = FSR ⋅ 2nh π R π R
ℑ = π R 1 − R
（10）
（11）
提高分辨带宽的主要途径是增加镜面的反射率。
25
实际上用于光谱分析仪的 F-P 腔如图 13 所示。待测光束耦合入光纤， 经会聚透镜成平行光束，射入谐振腔。谐振腔的长度可通过调节加在腔体 压电陶瓷上的电压进行微调。透射光会聚到光电检测器，将光信号变为电 信号。
15
2. 双单色仪和双通单色仪
16
双单色仪与单单色仪相比，其优点是增加了动态范围。动态范围表征能 观测幅度相差较大的相邻谱线的能力。动态范围不仅与滤波带宽有关，而 且与滤波形状系数密切相关。动态范围大，则要求滤波曲线陡。
17
图 9 是美国 HP 公司生产的 71450A 光谱分析仪方框图。采用的是双通单 色仪结构，即被测光两次通过同一个单色仪。除具有双单色仪动态范围大 的优点外，还有灵敏度高和体积小的优点。
图 14
F-P 腔光谱仪方框图
27
表Ⅴ Newport 公司和 Burleigh 公司生产的以 F-P 腔为基础的光谱分析 仪的主要参量指标： 型 号 SR-170 SR-270 SA TL CFT/CF RC 波长范围 (nm) 1520-1580 1520-1580 450-2200 450-3500 450-3500 450-3500 自由光谱区 细 度 GHz 6 5000 8000 5000 2 or 8 200 or 300 15-1500 150 .150-.750 100 1-1500 150 线宽分辨率 1.2MHz 1.6GHz 7MHz 100MHz 1.5MHz 50MHz