原子發(fā)射光譜分析是根據(jù)原子所發(fā)射的光譜來測定物質(zhì)的化學組分的。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)稱為基態(tài)。但當原子受到能量（如熱能、電能等）的作用時，原子由于與高速運動的氣態(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)躍遷到更高的能級上，處在這種狀態(tài)的原子稱激發(fā)態(tài)。電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)所需的能量稱為激發(fā)電位，當外加的能量足夠大時，原子中的電子脫離原子核的束縛力，使原子成為離子，這種過程稱為電離。

原子失去一個電子成為離子時所需要的能量稱為一級電離電位。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，在極短的時間內(nèi)便躍遷至基態(tài)或其它較低的能級上。 當原子從較高能級躍遷到基態(tài)或其它較低的能級的過程中，將釋放出多余的能量，這種能量是以一定波長的電磁波的形式輻射出去的。 每一條所發(fā)射的譜線的波長，取決于躍遷前后兩個能級之差。

由于原子的能級很多，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”），因此對特定元素的原子可產(chǎn)生一系列不同波長的特征光譜線，這些譜線按一定的順序排列，并保持一定的強度比例。光譜分析就是從識別這些元素的特征光譜來鑒別元素的存在（定性分析），而這些光譜線的強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的強度來測定元素的含量（定量分析）。

一、概述

光譜分析儀是在平時的光通信波分復(fù)用產(chǎn)品中較常使用到的儀表，當WDM系統(tǒng)剛出現(xiàn)時，多用它測試信號波長和光信噪比。其主要特點是動態(tài)范圍大，一般可達70dB；靈敏度好，可達-90dBm；分辨率帶寬小，一般小于0.1nm；比較適合于測試光信噪比。另外測量波長范圍大，一般在600~1700nm.，但是測試波長精度時卻不如多波長計準確。

在光譜的測量、各參考點通路信號光功率、各參考點光信噪比、光放大器各個波長的增益系數(shù)和增益平坦度的測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的各個波長的中心頻率、功率、光信噪比等參數(shù)用菜單的方式顯示出來。

二、常用參數(shù)的測試

光譜分析儀的屏幕顯示測量條件、標記值、其它數(shù)據(jù)以及測量波形。屏幕各部分的名稱顯示如下：

1、光譜譜寬的測量

譜寬即光譜的帶寬，使用光譜分析儀可以測量LD、發(fā)光二極管的譜寬。在光譜的譜寬測量時，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)當小于被測信號譜寬的1/10.，一般推薦設(shè)置為至少小于被測信號譜寬的1/5。

在實際的測量中，為了能夠準確測量數(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，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），當選擇的分辨率帶寬不同時，從光譜分析儀觀察到的光譜形狀有很大的不同，并且所測量得到的譜寬大小的不同。

在觀察光譜譜寬的同時，也可以通過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)。同時可以啟動MARKER菜單，進行相應(yīng)的標識，以方便量取所需要測試的參數(shù)值。

2、邊模抑制比的測量

邊模抑制比（Side-Mode Suppression Ratio，縮寫為SMSR），SMSR表示峰值能級與橫模能級之間的能級差值。

一般測量邊模抑制比時，需要配合使用MARKER菜單和ANALYSIS菜單中相應(yīng)的鍵。用MARKER菜單對主波峰值和最高的副波峰進行標識，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差?？梢酝ㄟ^ANALYSIS菜單中相應(yīng)的子選項計算得到最后的值。

3、增益的測量

在進行OA板或光放大器模塊測試的時候，需要測試增益參數(shù)（Gain）。增益定義為輸出信號功率outP 與 輸入信號功率 inP之比。增益的一般表達式如式（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。

在進行增益的測量時，需要用到TRACE菜單中的相關(guān)選項。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，即可計算出。

在多波的情況下，還可以測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；增益斜率為兩個波長在光放大器工作在兩個增益狀態(tài)變化值的比值。增益斜率主要用來衡量光放大器的不同波長增益的相對變化值，增益斜率越小，說明光放大器增益變化時各波長的一致性越好，越容易實現(xiàn)各波長的增益均衡。

應(yīng)用光譜分析儀進行增益斜率的測量時，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點如1550nm、1551nm、1552nm、1553nm波長下進行增益點的測量，記錄各波長點測試得到的增益值，可以計算出增益斜率。

4、噪聲系數(shù)的測量

光譜分析儀的一項重要功能是測量EDFA的等效噪聲噪聲系數(shù)（NF），簡稱噪聲系數(shù)。

首先，光放大器噪聲系數(shù)的一般公式如式（2）所示：

其中右邊第一項是ASE噪聲功率，wB為測量譜寬；h為普朗克常數(shù)；?為中心頻率，即找到軌跡B波形的峰值波長值接著又進行了頻率轉(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、時域消光法、偏振消光法等光放大器噪聲系數(shù)測量方法，不同的測量方法得到不同的噪聲系數(shù)的測量精度。內(nèi)插減源法采用了曲線擬合的算法。在信號的波長中插入ASE，并采用四點兩次或者更精確的曲線擬合法來計算噪聲的大小。

噪聲包含放大過程中產(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行NF的測量時，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)置為可寫狀態(tài)，點擊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)置為可寫狀態(tài)，點擊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，即可得到光譜分析儀計算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個波長的信號。

5、系統(tǒng)OSNR的測量

在DWDM系統(tǒng)中，光信噪比（OSNR）能夠比較準確地反映信號質(zhì)量，成為最常用的性能指標。

OSNR的定義如下：

其中：iP是第i個通路內(nèi)的信號功率；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的計算公式為：

使用光譜分析儀測量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）掃描待測光譜，用積分的方法計算中心頻率左右rB范圍內(nèi)的功率為信號功率，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倍的對數(shù)值，可計算出OSNR的大小。 采用積分法測試信號和噪聲功率。具體步驟如下。

1）打開測試波道OTU，用積分法測試整個信號光譜范圍內(nèi)的功率，記作1P。

2）關(guān)閉測試波道OTU，用積分法測試整個信號光譜范圍內(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，工程測試也可以將P2值換算到mB范圍的3P。 4）計算OSNR。

實驗時進行了TST3板的OSNR的測試得到以下的測試結(jié)果。

三、總結(jié)

以上所舉的例子都是在平時使用光譜分析儀時常用到的一些操作，文中結(jié)合平時的測試工作只挑了比較常用的參數(shù)進行說明，還有很多其他的參數(shù)如何使用光譜分析儀進行測量沒有進行詳細的闡述，例如在進行梳狀濾波器（Interlever）的測試時通道隔離度的測量也可以采用光譜分析儀直接分析得到測試結(jié)果。

光譜分析儀中的各項菜單的詳細功能描述需要先閱讀該光譜分析儀的詳細手冊。在實際的測試中，需要根據(jù)要求來設(shè)置測試條件。若能夠熟練使用光譜分析儀將能更加快捷準確地進行相關(guān)指標的測量。