综合性实验指导书
实验名称: 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、 实验原理、内容及步骤
使用的光谱分析仪(OSA – Optical Spectrum Analyzer)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。
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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。
2 AQ6317C光谱分析仪的性能特点
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? 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)。
3 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;PEAK SEARCH: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。
4 实验内容
4.1 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〈MORE 1/3〉键,显示一级软控键子菜单。<OPTICAL ALIGNMENT>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<EXECUTE>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<WL CAL>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<BUILT-IN SOURCE>键,设定要进行波长校准的光源为内部光源;然后,按下<EXECUTE>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<WL CAL>键前的波形。
4.2 测量LD光源
在不知道波长和输入光的能级时,使用<AUTO>键进行测量。
(1)将待测量光源连到[OPTICAL INPUT]连接器上。
(2)按下[SWEEP]功能键,显示软控键菜单。按下<AUTO>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<REPEAT>(重复)键,进行重复扫描。
(3)停止扫描,按下<STOP>键。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。
?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。
(4)按下[ANALYSIS]功能键,显示软控键菜单。按下<SPEC WD ENVELOPE>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。
分别记录下三种不同测量方法的谱宽阈值、对应的谱宽△λ和中心波长λc。
4.3 用FBG温度传感器测量温度
4.3.1 FBG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:
?B?2neff?
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。
4.3.2 FBG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。
1 FBG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。
3 ASE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。
6 2?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。
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[PEAK SEARCH]功能键,显示软控件菜单→按下<PEAK SEARCH>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。
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、 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。
六、 实验报告要求
1 实验目的。
2 光谱分析仪的基本原理。
3 实验仪器设备和材料清单。
4 实验内容、过程及结果。
(1)写出测量1310nmLD光源自动扫描实验步骤,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;
(2)写出测量LD谱宽实验步骤,并分别记录1310nm和1550nmLD光源三种不同测量方法(包络法ENVELOPE、阈值法THRESH、均方根法RMS)的谱宽阈值、对应的谱宽△λ和中心波长λc。
(3)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。
5 思考题。
七、 思考题
1 FBG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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