光谱分析仪实验指导书用.docx
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光谱分析仪实验指导书用
综合性实验指导书
实验名称：
光谱分析仪的了解及使用
实验项目性质：
综合性实验
涉及课程和知识点：
涉及到《物理光学》课程中光的相关知识，《光纤通信》课程中光纤、有源器件、无源器件等光纤通信的基本理论。
计划学时：
4学时
一、实验目的
1理解光谱分析仪的基本工作原理和性能特点。
2了解光谱分析仪的基本功能操作方法。
3掌握运用光谱分析仪测量LD光源参数的使用方法。
4了解FBG温度传感器的传感特性，并结合光谱分析仪测量温度。
二、实验内容
使用的光谱分析仪（OSA–OpticalSpectrumAnalyzer）购买于上海横河国际贸易有限公司，型号为AQ6317C。
该仪器可用来测量LD、LED等光源的频谱，以及光缆、滤光器等的损耗波长特征及传输特征。
它可以进行近红外线区的光谱分析，测量波长范围为600nm到1750nm。
该仪器不仅具有高分辨率、高灵敏度、高精确度、宽动态范围以及精确的线性等基本性能，而且还拥有许多其它功能，如三维显示、各种数据加工功能及程序测量功能。
在数据输出方面，该仪器能够通过内置的高速打印机将屏幕内容做成硬拷贝，并通过内置软盘读/写波形及程序。
另外，它还装有标准配置GP-IB以进行充分的远程控制。
该仪器的安全运行温度范围为+5°C到+40°C。
1光谱分析仪的基本工作原理
光谱分析仪是基于光分散的基本原理，这主要是通过其内部单色仪来实现的。
光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中得到单色光，并且可以通过光栅一定的偏转角度得到某个波长的光，它的基本结构如右图所示。
从输入光阑进入的光经准直镜反射后变成平行光，然后进入光栅，构成光栅的扁平镜表面有许多凹槽，它使不同波长的光产生不同角度的反射。
因此，我们调整聚焦镜使它只能接收特定角度的反射光。
调整输出光阑到某一确定位置，使聚焦镜的光聚焦到这一位置，这样就只能使某些特定波长成分的光通过输出光阑。
通过旋转光栅（单色仪光栅的角度由一台步进电机控制），可以改变通过光阑的光波波长，同时通过改变输入光阑和输出光阑的宽度可以改变波
长分辨率。
除此之外，该仪器还具有一个特点，即在不使用输入光阑时光纤的纤芯可以起到光阑的功能。
对于准直镜和聚集镜而言，远离轴线的轴线抛物面镜都用来抑制色散。
输入部分的去极化部件将输入光转换成自由偏振状态，因此降低了对偏振的依靠。
光谱分析仪的电路结构如下图所示。
从光输入连接器进入的所有光中，只有处在单色仪测量范围之内的波长成分才能通过，并且被光接收器转换为电信号，然后放大电路将它放大到适合A/D变换的能级，通过A/D变换电路将放大的电信号变换成数字信号。
控制电路由一个32位的CPU和一个16位CPU组成，CPU1对所有部件进行控制，包括键盘输入，GP-IB端口，显示部件和打印机，同时CPU2控制单色仪、光接收机、放大电路和A/D转换电路。
2AQ6317C光谱分析仪的性能特点
◆测量波长范围：
600nm到1750nm；
◆波长分辨率：
最大0.015nm以上；
◆动态范围：
60dB（peak±0.2nm）70dB（peak±0.4nm）；
◆波长精确度：
±0.02nm；
◆偏振相关性：
±0.05dB；
◆功率测量精确度：
±0.3dB；
◆功率线性精确度：
±0.05dB（-50到+10dBm）。
3AQ6317C光谱分析仪面板名称及功能
AQ6317C光谱分析仪前面板和后面板的结构分别如下图所示，功能描述如下表。
面板功能介绍
号码
名称
功能描述
1
LCD显示
显示测量波形、测量条件、测量值等
2
软控键开关
用来执行各开关的功能
3
[FUNCTION]（功能）区
用来对测量的各个方面进行设定（扫描、测量条件、数据分析及各种功能）
4
[DATAENTRY]（数据输入）区
用来输入测量条件参数及标签
5
远程灯
当该仪器处于远程状态时启动
6
[COPY]（打印）
用来执行打印功能
7
[FEED]（添加）
用于添加纪录纸
8
[HELP]（帮助）
用于检查屏幕显示的软控键菜单的内容
9
[POWER]（电源）
电源开关
10
[BRIGHT]（亮度）
LCD亮度调节控制
11
软盘驱动器（3.5英寸）
用于存储波形数据及程序等
12
[OPTICALINPUT]（光输入）
光输入连接器
13
[CALIBRATIONOUTPUT]（校准输出）
用于进行波长校准的标准光源的光输出连接器
14
[GP-IB1]
GP-IP端口，用于该仪器与外部计算机的控制
15
[GP-IB2]
GP-IP端口，当该仪器在GP-IB总线上执行系统控制器功能时，GP-IB端口用于控制外部组件（波长可变光源等）
16
[VIDEOOUT（VGA）]
连接器，用于输出模拟RGB视频信号（遵循VGA）
17
[SWPTRGIN]
连接器，用于输入扫描触发信号
18
[EXTTRGIN]
连接器，用于输入与来自外部的测量光线同步的控制信号，还可用于使波长可变光源与之同步
19
[SMPLTRGOUT]
连接器，用于输出测量启动信号
20
[TLSSYNCOUT]
连接器，用于输出可变波长光源同步扫描的同步信号
21
[ANALOGOUT]
连接器，用于输出与测量能级成比例的电信号
22
AC电源连接器
通过连接的电源线输入交流电
4功能键简介
[FUNCTION]（功能）区进行与测量各个方面（扫描、测量条件、数据分析以及各种功能）相关的设定，如下图。
各功能键描述如下：
CENTER：
设置中心波长；SPAN：
设置扫描波长范围；
LEVEL：
功率相关设置；SWEEP：
设置测量扫描的开始/停止等功能；
SETUP：
进行分辨率及灵敏度等测量条件的设置；DISPLAY：
显示设置；
TRACE：
轨迹A、B、C设置及每个轨迹上的相应设置；
MARKER：
设置标记；PEAKSEARCH：
自动检测峰值或波谷波长；
ANALYSIS：
对波形进行分析；USER：
用户设置键；
MEMORY：
内部存储器中数据存储及恢复；
FLOPPY：
在软盘中存储或从软盘中恢复数据；
PROGRAM：
编程及程序的执行；ADVANCE：
特殊功能键（如光功率计）；
SYSTEM：
系统相关设置。
5实验内容
5.1开机校准
AQ6317C光谱分析仪内部有一个波长为1530nm的标准光源，用于校准波长。
当使用该光源校准时，用一根单模光纤把光输入连接器和标准光源光输出连接器连接起来，使标准光源发出的光进入光输入接口。
（1）打开电源后，进行光路校准。
按下[SYSTEM]（系统）功能键，显示软控键菜单。
按下软控键菜单中的〈MORE1/3〉键，显示一级软控键子菜单。
键用于调整本仪器里使用的单色仪光系统的光轴，使用的光源必须是安装在仪器内部的标准光源。
按下此键，显示二级软控键子菜单。
按下键，自动执行光轴调节。
在执行期间，窗口处于持续打开状态，此键反白显示；波长校准完后，窗口消失，重新显示一级软控键子菜单。
（2）波长校准。
一级软控键子菜单中的键用于校对波长。
按下此键时，屏幕上就会出现一个包含信息的窗口，同时显示二级软控键子菜单。
按键，设定要进行波长校准的光源为内部光源；然后，按下键，执行波长校准。
在校准期间，窗口处于持续打开状态，此键反白显示。
完成波长校准后，窗口消失，重新显示一级软控键子菜单。
此时，屏幕上显示按下键前的波形。
5.2基本测量
5.2.1用[SWEEP]功能键和键测量
在不知道波长和输入光的能级时，使用键进行测量。
（1）将待测量光源连到[OPTICALINPUT]连接器上。
（2）按下[SWEEP]功能键，显示软控键菜单。
按下键，根据输入光自动将测量条件设定到最佳状态。
按下此键，屏幕将反向显示软键，并获得适合测量输入光的最佳条件（中心波长、扫描宽度、参考能级以及分辨率）。
之后，继续反向显示（重复）键，进行重复扫描。
（3）停止扫描，按下键。
5.2.2用手动操作测量
如果用键测量得不到所希望的测量条件，可用[FUNCTION]区的开关手动设定每个测量条件。
以LD（激光二极管）光源（波长：
约1310nm，能级：
约-10dBm）测量为例，步骤如下：
（1）将待测LD光源连到[OPTICALINPUT]连接器上。
（2）按下[CENTER]功能键，显示软控键菜单。
按下
键，在中断区用旋钮或步进键设定光源的中心波长。在本例中，将平均波长设为1310nm。
对于该设置，可以在十键区输入[1][3][1][0][nm/ENTER]。
（3）按下[SPAN]功能键，显示软控键菜单。
按下键，在中断区用旋钮或步进键设置一个比LD光源谱宽更宽的扫描宽度。
在本例中，将扫描宽度设为5nm。
可以在十键区输入[5][nm/ENTER]。
（4）按下[LEVEL]功能键，显示软控键菜单。
按下键，在中断区用旋钮或步进键将光源能级设到参照能级上。
在本例中，在参照能级中设–10dBm。
可以在十键区输入[–][1][0][nm/ENTER]或[mm/ENTER]。
（5）按下[LEVEL]功能键，显示软控键菜单。
按下键，在中断区用旋钮或在十键区将能级标尺设为5dB/VID。
可以在十键区输入[5][nm/ENTER]或[mm/ENTER]。
（6）按下[SETUP]功能键，显示软控键菜单。
按下键，在中断区用旋钮或步进键将分辨率设为0.01nm。
可以用十键区输入[0][.][0][1][nm/ENTER]。
（7）按下[SETUP]功能键，显示软控键菜单。
按下键，在中断区用旋钮或步进键将平均次数的数字设为1。
可以用十键区输入[1][nm/ENTER]或[mm/ENTER]。
（8）按下[SETUP]功能键，显示软控键菜单。
按下键，在中断区用旋钮或步进键将测量灵敏度设为NORMRANGEHOLD。
（9）按下[SWEEP]功能键，显示软控键菜单。
按下键，执行重复扫描操作。
（10）观察测量结果（波形），反复选择步骤（3）到（8）的每一测量条件，直到为合适的值。
（11）若要停止扫描操作，可按下[SWEEP]功能键，再按键。
设置标准如下：
·中心波长设为波形的峰值波长。
·扫描宽度设为整个波形可见的范围。
·参考能级设为波形的峰值能级。
·分辨率设为波形不变化的水平。
5.3测量LD光源谱宽
实验分别测量波长为1310nm和1550nm的LD光源的谱宽。
（1）自动扫描LD谱线。
（2）按下[ANALYSIS]功能键，显示软控键菜单。
按下键，在中断显示区用旋钮或步进键选择三种方法，有ENVELOPE、THRESH、RMS，分别测量屏幕上所显示的波形的谱宽。
同时，数据区显示出谱宽△λ值和谱宽△λ的中心λc值。
（4）设定谱宽测量的阈值。
在软控键菜单中，按下键，阈值将显示在中断显示区，可以通过十键区改变其值。
同时，在当前阈值的基础上测量谱宽，并显示数据区。
5.4用FBG温度传感器测量温度
5.4.1FBG传感原理
光纤Bragg光栅（FBG）是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg光栅效应。
其结构下图所示。
这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，它满足如下光学方程：
式中λB为Bragg波长，即后向反射波长；neff为光纤模式的有效折射率；Λ为光栅栅距或光栅周期。
FBG反射谱主要由其带宽和峰值反射率决定，而这些参数又是光栅长度、折射率调制系数和Bragg波长的函数。
FBG的反射谱特性如下图所示。
由图可见，均匀FBG在其谐振波长较宽的范围内具有较高的反射率，而在远离谐振波长处，反射率急剧下降，因此，均匀Bragg波长具有优良的反射谱特性。
当光栅受到外部物理场（如应力、应变温度等）的作用时，其栅距Λ随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长λB，这就是FBG的传感原理。
5.4.2FBG测温方案
使用以下主要器件，运用FBG温度传感器进行水温测量，并运用回归分析方法总结出回归方程，并进行显著性检验。
1FBG温度传感器：
当光栅周围的温度发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光栅Bragg信号的波长位移，通过监测Bragg波长位移情况，即可获得待测物理量的温度变化情况。
本系统FBG为1550nm，作为水温测量传感元件。
2光谱分析仪：
测量波长范围为600nm~1750nm的光源频谱，以及光缆、滤光器等的损耗波长特征及传输特征。
本系统用于测量FBG温度传感器反射波长。
3ASE宽带光源：
作为FBG传感系统光源，工作波长为1525nm~1565nm，输出功率为12.5dBm。
4光衰减器：
工作波长1310nm和1550nm，衰减范围0~60dB。
5光隔离器：
光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，用于阻止反射光通过光源、光放大器等器件。
62×1光纤耦合器：
光纤耦合器是用于传递和分配光信号的一种无源器件，本系统所用波长为1550nm，将FBG温度传感器的入射光、反射光分离。
7法兰：
法兰是连接两根跳线的接头，本系统采用FC/PC接口。
8加热器：
用水浴法改变FBG温度传感器外围温度。
9水银温度计：
测量水温变化，精度为0.15摄氏度，长度为50cm。
5.4.2求解FBG温度传感器测温回归方程
（1）自动扫描FBG反射谱线。
（2）按下[PEAKSEARCH]（峰值搜索）功能键，显示软控键菜单。
按下软控键菜单中的〈PEAKSEARCH〉键，检测能级最大值并设定移动标志，就可将当前FBG反射波长峰值显示在数据区。
（3）通过温度和FBG反射波长对应关系，画出曲线，利用回归分析求解方程并进行显著性分析。
三、实验仪器设备和材料清单
光谱分析仪一台、双波长台式光源一台（波长为1310nm和1550nm）、FBG温度传感器一根、ASE宽带光源一台、光衰减器一台、光隔离器一根、2×1光纤耦合器一根、法兰一个、加热器一台、水银温度计一根、跳线。
四、实验要求
1预习实验指导书，了解光栅分光原理。
2了解光谱分析基本操作步骤及常用键使用。
3认真记录实验数据，提交实验报告。
五、实验步骤、现象描述及结果分析
1开机校准
AQ6317C光谱分析仪内部有一个波长为1530nm的标准光源，用于校准波长。
当使用该光源校准时，用一根单模光纤跳线把[OPTICALINPUT]（光输入）连接器和[CALIBRATIONOUTPUT]（校准输出）连接器相连接，使标准光源发出的光进入光输入接口。
校准步骤如下：
（1）按下[POWER]开关。
（2）光路校准。
按下[SYSTEM]（系统）功能键，显示软控键菜单→按下〈MORE1/3〉键，显示软控键菜单→按下键，显示软控键菜单→按下键，自动执行光轴调节。
在执行期间，窗口处于持续打开状态，此键反白显示；波长校准完后，窗口消失。
（3）波长校准。
按下[SYSTEM]（系统）功能键，显示软控键菜单→按下〈MORE1/3〉键，显示软控键菜单→按下键，用于校对波长。
屏幕出现一个包含信息的窗口，同时显示软控键菜单→按下键，设定要进行波长校准的光源为内部光源→按下此软控键菜单中键，执行波长校准。
在校准期间，窗口处于持续打开状态，此键反白显示；完成波长校准后，窗口消失，屏幕上显示按下键前的波形。
2基本测量
2.1用[SWEEP]功能键和键测量
在不知道波长和输入光的能级时，使用键。
测量步骤如下：
将待测量光源连到[OPTICALINPUT]连接器→按下[SWEEP]功能键，显示软控件菜单→按下键，仪器分析输入光的光谱，并自动设置平均波长、扫描宽度、参考能级、能级标尺、分辨率和灵敏度参数值。
自动设置完成后，软键选择状态从键转换为键，扫描处理重复进行→按下[SWEEP]功能键中的键，停止扫描。
纪录下待测光源的中心波长、扫描宽度、参考能级、能级标尺、分辨率及灵敏度参数值。
2.2用手动操作测量
如果用键测量得不到所希望的测量条件，可用[FUNCTION]区的开关手动设定每个测量条件。
实验中选用LD光源，波长为1310nm，能级约为-10dBm。
测量步骤如下：
（1）将待测LD光源连到[OPTICALINPUT]连接器。
（2）设定光源的中心波长为1310nm。
按下[CENTER]功能键，显示软控件菜单→按下
键→在十键区输入[1][3][1][0][nm/ENTER]，设定波长。（3）设定扫描宽度为5nm。
按下[SPAN]功能键，显示软控件菜单→按下键→十键区输入[5][nm/ENTER]。
（4）设定参考能级为-10dB。
按下[LEVEL]功能键，显示软控件菜单→按下键，将光源能级设到参照能级上→十键区输入[–][1][0][nm/ENTER]或[mm/ENTER]。
（5）设定能级标尺为5dB/VID。
按下[LEVEL]功能键，显示软控件菜单→按下键→十键区输入[5][nm/ENTER]或[mm/ENTER]。
（6）设定分辨率为0.01nm。
按下[SETUP]功能键，显示软控件菜单→按下键→十键区输入[0][.][0][1][nm/ENTER]。
（7）设定平均次数为1。
按下[SETUP]功能键，显示软控件菜单→按下键→十键区输入[1][nm/ENTER]或[mm/ENTER]。
（8）设定灵敏度为NORMRANGEHOLD。
按下[SETUP]功能键，显示软控件菜单→按下键→用旋钮或步进键将测量灵敏度设为NORMRANGEHOLD。
（9）扫描。
按下[SWEEP]功能键，显示软控件菜单→按下键，执行重复扫描操作。
（10）观察扫描波形，反复调节步骤（3）到（8）测量条件，并进行重复扫描，直到显示比较完整的波形。
（11）停止扫描。
按下[SWEEP]功能键，显示软控件菜单→按下键，扫描停止。
记录下最终设定的各参数值。
3测量LD光源谱线
实验分别测量波长为1310nm和1550nmLD光源的谱宽。
测量步骤如下：
（1）将LD光源连到[OPTICALINPUT]连接器。
（2）自动扫描LD谱线。
按下[SWEEP]功能键，显示软控件菜单→按下键，仪器分析输入光的光谱。
自动设置完成后，软键选择状态从键转换为键，扫描处理重复进行→按下键，停止扫描。
（3）测量LD光源谱宽。
（ⅰ）按下[ANALYSIS]功能键，显示软控件菜单→通过旋钮或步进键选择ENVELOPE法测量谱宽，数据区显示相应的3dB谱宽△λ和谱宽△λ的中心λc；
（ⅱ）按下[ANALYSIS]功能键，显示软控件菜单→通过旋钮或步进键选择THRESH法测量谱宽，数据区显示相应的3dB谱宽△λ和谱宽△λ的中心λc；
（ⅲ）按下[ANALYSIS]功能键，显示软控件菜单→通过旋钮或步进键选择RMS法测量谱宽，数据区显示相应的20dB谱宽△λ和谱宽△λ的中心λc。
分别记录下三种不同测量方法的谱宽阈值，及对应的谱宽△λ和谱宽△λ的中心λc。
4用FBG温度传感器测量温度
实验通过光谱分析仪测量FBG反射波长峰值，再根据温度与FBG反射波长的对应关系得到回归方程，并进行显著性检验。
测量步骤如下：
（1）ASE宽带光源作为系统光源，发出的光功率为12.5dBm，波长为1525nm~1565nm，与调节到示值为7db的光衰减器相连，降低光功率，适合光谱分析仪测量范围。
（2）连接光隔离器，阻止FBG反射光波对ASE光源的影响。
（3）光隔离器送出的光经过2*1的3dB光纤耦合器进入FBG温度传感器。
（4）满足光纤Bragg光栅反射条件的光波，反射回来经过光纤耦合器进入AQ6317C光谱分析仪。
（5）连接好光路，打开电源，对光谱分析仪进行开机校准，即光路校准和波长校准。
（6）将FBG温度传感器放入加热器中，用水浴法通过水银温度计测量实际水温。
（7）当水温发生改变时，FBG温度传感器反射波长会发生相应的变化。
通过光谱分析仪可以读出反射光波的波长峰值，而其余波长的光透射过FBG输出。
A自动扫描FBG反射谱线。
B测量FBG反射波长峰值。
按下[PEAKSEARCH]功能键，显示软控件菜单→按下键，FBG反射谱峰值显示在数据区。
通过加热器，每隔5℃记一次数据。
（8）根据回归分析方法，分别确定升温与降温过程中温度与FBG反射波长关系，得到回归方程，并进行显著性检验。
六、考核形式
1.纪律考核：
学生组织出勤情况和工作态度等；
2.书面考核：
实验报告的完成质量、撰写水平等；
3.现场考核：
实验过程的操作熟练程度。
七、实验报告要求
1实验目的。
2光谱分析仪的基本原理。
3实验内容。
（1）写出用标准光源进行开机校准的实验步骤。
（2）写出自动扫描待测光源的实验步骤，并记录待测光源的中心波长、扫描宽度、参考能级、能级标尺、分辨率及灵敏度参数值。
（3）写出测量波长为1310nm和1550nmLD光源谱宽的实验步骤，并分别记录三种不同测量方法的谱宽阈值，及对应的谱宽△λ和谱宽△λ的中心λc。
（4）写出用FBG温度传感器测量温度的方案，实验步骤，并每5℃记一次FBG反射波长峰值，得出温度与反射波长回归方程，并进行显著性检验。
4思考题。
八、思考题
1FBG温度传感原理是什么？
2除以上实验外，列举出1—2个使用光谱分析仪的例子，并简单加以介绍。
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