光通訊光譜分析儀之設計 強化設計以達最佳量測效果

2004-11-01
光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer)為工程及研究用之重要儀器,主要用途為量測待測光源之光譜能量分布(Spectral Power Distribution, SPD)...
光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer)為工程及研究用之重要儀器,主要用途為量測待測光源之光譜能量分布(Spectral Power Distribution, SPD)。  

本文將解析光通訊光譜分析儀的設計原理,期能建立良好的量測技術。  

目前市場上可將光譜儀分為兩大類,一為分光輻射計(Spectroradiometer),一為分光亮度計(Spectrophotometer)。分光輻射計可應用於各種主動光源之量測,如LCD、LED、雷射、照明燈具等,如圖1。分光亮度計為量測樣品(被動元件)之吸光度或反射率,在生化領域是極為重要之儀器。分光輻射計(以下稱光譜分析儀)在可見光波長範圍通常被當作色彩量測之工具,但如要使用在光通訊波長範圍(800nm~1650nm),光譜分析儀就必須再重新設計,而非替換個近紅外波段之光電元件就可以了。光通訊所要量測的光源幾乎都是雷射,因此需從雷射的特殊性去設計光譜分析儀。  

光通訊光譜分析儀之性能要求  

光通訊光譜儀與可見光譜儀之設計差異,主要可從光譜範圍、解析度、動態範圍、極化靈敏度、波長精確度等參數探討。  

加強特定波段掃描  

可見光之範圍從380nm~780nm,待測光源通常為連續光譜(如白光LED及鹵素燈)。光通訊領域之使用光源大部分為雷射,波長集中在850nm、1310nm和1550nm。因此,雖然光譜儀掃描是從800nm~1650nm,但真正有意義的量測範圍只集中在這些波段。在光學(鏡片、光柵、鍍膜) 及光電元件之選擇上必須針對這些波段作最佳化設計以求最佳效率。  

增加解析度  

在可見光的應用中,1nm之光譜解析度已經是很好的規格了,且對大部分的應用都夠用。但光通訊領域中,以100GHz的DWDM系統為例,其通道間距為 0.8nm。因此,光譜儀之解析度必須小於0.05nm,目前的主流規格可做到0.01nm。光柵光譜儀要增加解析度,無非是從光柵密度(groove density)、聚焦長度(focal length)及狹縫寬度(slit width)來著手。雖然光柵密度增加可提升角色散(angular dispersion),但它也不能無條件的增加,還要配合繞射波長範圍。除非是WDM多工器模組專用之光柵,否則600lp/mm之光柵對波長 1.5μm的應用來說已是極限。反射鏡之聚焦長度越長,線色散(Reciprocal linear dispersion,nm/mm)越小,但焦長增加也會增加體積與減弱光效率。而狹縫寬度與光譜通帶(bandpass)成正比,但狹縫寬度減小,進入偵測器之光減弱,將會降低靈敏度之表現。  

目前的做法是以multi-pass(多次繞射)來等效增加聚焦長度,常用的有double-pass(圖2)及quad-pass。光束每多經過繞射光柵一次,等效焦長將增加一倍。因此,quad-pass將具備4倍的等效焦距。在體積不增加的條件下,解析度提昇4倍。但每經過光柵一次,損失也多一次,靈敏度將降低。  

提升動態範圍  

multi-pass光譜儀除了能提昇解析度外,對雜散光(stray-light)的抑制更有效果,因此動態範圍也提昇。在光通訊之應用中,動態範圍之定義與一般大家所熟知之定義不同,它的定義為在距離中心波長±0.2nm(或±0.4nm)之波長處,其功率值與峰值(中心波長)功率值之比率。這個特殊定義是因為100GHz/50GHz之DWDM系統,每個DFB雷射頻道間距為為0.8nm/ 0.4nm,在距離中心波長±0.4nm(或±0.2nm)剛好是波谷(Noise)位置,因此在兩個波道間之波谷去觀察OSNR(Optical signal-to-noise ratio)。由於光譜儀內部之雜散光與光譜解析度無法太小,使得量測DFB雷射時,因雜散光造成BASELINE上升及光譜變寬之結果,使得儀器之動態範圍亦因此降低(圖3)。  

當一部光譜分析儀之動態範圍比待測系統之OSNR小時,其量測結果充其量只是呈現此光譜儀之動態範圍,而無法得到真正之OSNR。目前之光譜儀之動態範圍,在中心波長±0.2nm處已能達到60dB,在中心波長±0.4nm已能達到70dB(在解析度為0.01nm之條件下)。  

降低極化靈敏度  

光譜儀之元件中,繞射光柵(Diffraction grating)是具有強烈極化敏感度(Polarization sensitivity)之元件。當入射光柵之光束極化態不相同時,光柵所反應之繞射效率亦不同,因此最後計算功率時將造成誤差。除了雷射外,大部分之可見光光源皆無偏振性,而光通訊所用之光源大多具有強烈偏振(Polarized)。而理想的光譜分析儀,其量測結果應與入射光之極化狀態無關 (Polarization independent)。  

若繞射光柵之刻紋(groove)方向定義為P方向(垂直方向),而色散(dispersion)方向為S方向(水平方向),z軸為光行進之方向(圖 5)。在波長λ下,若入射光為P方向之線偏振光,則此入射光照射此繞射光柵所獲得的反射率為f(λ);反之,若入射光為S方向之線偏振光,則此入射光照射此繞射光柵所獲得的反射率為g(λ)。圖6為一繞射光柵之效率圖,在波長λ0下,此光柵效率與極化態無關。在f(λ)與g(λ)中間之效率線為非極化光源 (如鹵素燈、LED燈)所獲之繞射效率。  

積分球是一個極佳的消極化器(depolarizer),但是同時積分球也會衰減光強度,因此在光譜分析儀上並不適用。較常使用的方法是在光路中插入波片或depolarizer等極化相關元件,使極化靈敏度降至最低。  

提高波長精確度  

光譜分析儀之精確度主要由校正光源之譜線密集程度來決定,可見光常用之線性光譜光源有汞燈、氫燈、和重氫燈或Didymium製成的濾鏡 (Wavelength Calibration filter)來校正波長。目前一般可見光單光儀最佳之波常精確度為±0.2nm,已足夠所有的應用了。但對光通訊測試來說,小於±0.1nm才能被接受,因此光通訊波長校正光源必須有更小之譜線間距才能達成這個規格。目前光通訊光譜儀使用Acetylene C2H2吸收參考氣體來當作內部校正光源,其吸收譜線範圍介於1510nm~1540nm(圖7)。由於該氣體為被動元件,因此必須搭配寬頻主動光源(通常為EE-LED或ASE source,如圖8)。由於此校正氣體之譜線間距小於0.4nm,因此在這個波段,光譜儀之精確度可達±0.02nm。  

舉設計實例說明  

我們舉HP公司之光譜分析儀來分析其運作原理。此光譜儀為一典型之double-pass光譜儀,圖9為其美國專利說明圖。它利用一片半波片(Half waveplate)再搭配上雙通型光譜儀來消除極化靈敏度。在第1次(20)與第2次繞射(30)中間置入一半波片,將第1次繞射光之極化態旋轉90度後,再進行第2次繞射。因此對光柵來說,不管最初入射光之極化態為何,在經過光柵2次後,已提供光柵經歷了所有的極化態,而達成光柵反射率為常數 f(λ)g(λ)的目標。  

Pm(λ)=P(λ,P)+P(λ,S)  

first-pass Pout(λ)=f(λ) × P(λ,P)+g(λ).P(λ,S)  

    Pout(λ)=g(λ).〔f(λ).P(λ,P)〕+f(λ).〔g(λ).P(λ,S)〕  

        =f(λ).g(λ).〔P(λ,P)+P(λ,S)〕  

second-pass =f(λ).g(λ).Pm(λ)  

K(λ).Pm(λ)  

光通訊光譜分析儀可說是世上最精密之光譜儀之一。其光譜解析度需小於0.05nm,動態範圍需大於40dB以上,同時要考慮極化靈敏度 (Polarization dependence <0.1dB)。在訊號處理方面,由於解析度小,因此微弱信號之擷取更形重要,電路設計更困難。量測中心執行93年科專案計劃,與國內光通訊測試領導廠商宜捷威合作,開發光通訊光譜分析儀,期能使國內廠商能建立光通訊光譜量測技術,取代國外產品,降低售價,以增加國內元件製造廠商之競爭力,並提昇國內光機電整合技術能力。  

(本文作者目前任職於工研院 量測中心儀器發展組)  

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