原子發(fā)射光譜分析是根據(jù)原子所發(fā)射的光譜來(lái)測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)組分的。在正常的情況下，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)，它的能量是最低的，這種狀態(tài)稱(chēng)為基態(tài)。但當(dāng)原子受到能量（如熱能、電能等）的作用時(shí)，原子由于與高速運(yùn)動(dòng)的氣態(tài)粒子和電子相互碰撞而獲得了能量，使原子中外層的電子從基態(tài)躍遷到更高的能級(jí)上，處在這種狀態(tài)的原子稱(chēng)激發(fā)態(tài)。電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)所需的能量稱(chēng)為激發(fā)電位，當(dāng)外加的能量足夠大時(shí)，原子中的電子脫離原子核的束縛力，使原子成為離子，這種過(guò)程稱(chēng)為電離。

原子失去一個(gè)電子成為離子時(shí)所需要的能量稱(chēng)為一級(jí)電離電位。離子中的外層電子也能被激發(fā)，其所需的能量即為相應(yīng)離子的激發(fā)電位。處于激發(fā)態(tài)的原子是十分不穩(wěn)定的，在極短的時(shí)間內(nèi)便躍遷至基態(tài)或其它較低的能級(jí)上。 當(dāng)原子從較高能級(jí)躍遷到基態(tài)或其它較低的能級(jí)的過(guò)程中，將釋放出多余的能量，這種能量是以一定波長(zhǎng)的電磁波的形式輻射出去的。 每一條所發(fā)射的譜線(xiàn)的波長(zhǎng)，取決于躍遷前后兩個(gè)能級(jí)之差。

由于原子的能級(jí)很多，原子在被激發(fā)后，其外層電子可有不同的躍遷，但這些躍遷應(yīng)遵循一定的規(guī)則（即“光譜選律”），因此對(duì)特定元素的原子可產(chǎn)生一系列不同波長(zhǎng)的特征光譜線(xiàn)，這些譜線(xiàn)按一定的順序排列，并保持一定的強(qiáng)度比例。光譜分析就是從識(shí)別這些元素的特征光譜來(lái)鑒別元素的存在（定性分析），而這些光譜線(xiàn)的強(qiáng)度又與試樣中該元素的含量有關(guān)，因此又可利用這些譜線(xiàn)的強(qiáng)度來(lái)測(cè)定元素的含量（定量分析）。

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。

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(chēng)顯示如下：

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(guān)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。

在觀(guān)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、邊模抑制比的測(cè)量

邊模抑制比（Side-Mode Suppression RaTIo，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。

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outP 與 輸入信號(hào)功率 inP之比。增益的一般表達(dá)式如式（1）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。

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。

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(chēng)噪聲系數(shù)。

首先，光放大器噪聲系數(shù)的一般公式如式（2）所示：

其中右邊第一項(xiàng)是ASE噪聲功率，wB為測(cè)量譜寬；h為普朗克常數(shù)；?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(xiàn)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(xiàn)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ASEP和放大的源噪聲ASEGP?。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。

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。

表1為用光譜分析儀橫河AQ6370，選擇EDFA_NF子選項(xiàng)得到的分析結(jié)果，儀表分辨率設(shè)置為0.1nm，靈敏度選擇MID。共有4個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)。

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：iP是第i個(gè)通路內(nèi)的信號(hào)功率；rB是參考光帶寬，通常取0.1 nm；mB是噪聲等效帶寬；iN是等效噪聲帶寬mB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rB范圍內(nèi)的功率為信號(hào)功率，信道中間mB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。

1）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1P。

2）關(guān)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2P。 3）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3P。為了方便，工程測(cè)試也可以將P2值換算到mB范圍的3P。 4）計(jì)算OSNR。

實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行了TST3板的OSNR的測(cè)試得到以下的測(cè)試結(jié)果。

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。