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【技术分享】基于扫描光源的相干光谱分析仪
来源: | 作者:hltoptical | 发布时间: 2018-12-29 | 2707 次浏览 | 分享到:

众所周知,电磁波有四个基本参量:幅值、频率、相位和偏振态。那么对于光信号,它的幅值代表了亮度,频率代表了颜色。其中亮度很容易通过光功率计来测量,简单的波长值可以通过光谱仪或者波长计来检测。市面上光谱仪基于光纤光栅原理其分辨率一般是20pm2GHz),即使是波长计也只有1pm100MHz)。随着科学研究的发展,光谱仪更高精细度的检测越来越受到大家的欢迎。下面简单介绍一款基于高速扫描光源的相干光谱分析仪,其分辨率理论值可以到KHz级别,而且由于相干接收机的高灵敏度,该方案也可以直观检测微弱光信号的精细光谱。

由于光通信技术的高速发展,波长连续可调谐光源和相干接收机技术已十分成熟。可调谐光源的线宽常规100KHz级别(特殊的20KHz),外腔激光器的扫描速度一般62.5GHz/s,后面根据这些参数会估算其光谱分辨率。相干光谱分析仪结构图如下:

 

 备注:扫描光源可工作在感兴趣的波长范围;平衡相干探测可尽大可能减小探测噪声,提高测量信噪比。

首先假设输入光信号如下:

  


Ast)为输入光信号强度,υs为光频率,Фst)为光相位

本征光信号如下:


ALot)为输入光信号强度,υLo为光频率,ФLot)为光相位

假定低通滤波器的瞬态响应为高斯形态,则差分探测光电流如下:

    R为光电探测器灵敏度,ψ为输入光和本征光的耦合相位,γ是频率扫描速率

    根据此可很容易分析出待测输入光光谱。

那么相干光谱分析仪的光谱分辨率如何来估算呢,首先其主要取决于本振光线宽和低通滤波器的带宽,具体关系如下:

       


若低通滤波器带宽是500kHzγ是62.5GHz,那么光谱分辨率接近125KHz

实验条件:

本征光:波长范围C段,保偏输出功率20mw,线宽100KHz,扫描速度62.5GHz/s,相对强度噪声<-155dB/Hz

待测光:1550nm单频激光

低通滤波器:带宽500KHz

ADC:采样速率5MHz,采样精度12位,对应采样间隔31.25KHz(高于光谱分辨率)

测试结果:

光电流响应曲线:


输入光谱:

很显然,光电流的响应曲线和理论值很接近,其强度正比于cos(πγt²+ψ)

另外如果输入光的相位变化是线性变化,那么该方法还可以一起将其提取出来。但是实际情况由于本征光在扫描时其相位并不连续,特别是在大范围扫描。

下面是调制后RZ和NRZ光谱对比图:

普通光谱仪测试图:


   10Gb/s RZ                                                    10Gb/s NRZ


      相干光谱分析仪:
2.5Gb/s RZ                                                2.5Gb/sNRZ






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