光谱分析仪

什么是光谱分析仪？

光谱分析仪（OSA）是一种测量和显示不同波长下发射光量的设备。它能够将光信号分解为不同的颜色或波长，从而使用户能够观察到构成信号的不同波长及其各自的强度。获取的信息以图表形式显示，水平轴表示波长，垂直轴表示信号强度。

通过OSA，可以分离通过单一光纤传输的不同调制信号，采用密集波分复用（DWDM）系统，以便对每个信号进行单独分析。这可以提供关于不同波长信号之间相互作用的重要信息。

光谱分析仪的框图

被测的光信号经过一个波长可调滤波器的处理。该专用滤波器能够区分和分离信号的各种光谱成分。随后，光电探测器被用来将光信号转换为其电信号的等效值。所产生的电流大小与入射光功率的强度成正比。

为了进一步分析，电流被转换为等效电压，通过光谱分析仪中的跨阻放大器进行处理。生成的电压信号随后被光谱分析仪内的ADC转换为数字信号。结果数字信号用于在显示单元的垂直部分表示光信号的幅度。

为了调节波长可调滤波器，使用了一个斜坡发生器。该发生器生成一个斜坡信号，用于调节滤波器，使其谐振波长与被测的水平位置相对应。

光谱分析仪的类型

根据不同的工作原理，光谱分析仪（OSA）有几种类型。常见的OSA类型包括：

• 基于光栅的OSA
• 基于法布里-珀罗干涉仪的OSA
• 基于迈克耳孙干涉仪的OSA

基于光栅的光谱分析仪

光谱分析仪的工作主要基于光栅的衍射原理，用于分离光信号中的不同波长。设备通常由光源、衍射光栅和光电探测器组成。当光线照射到光栅上时，它会发生衍射，而衍射后的光被聚焦到光电探测器上。光电探测器测量不同波长下衍射光的强度，从而生成输入信号的光谱。

基于光栅的光谱分析仪通常用于检查激光和LED的光谱。这些设备的分辨率通常在0.1纳米到10纳米之间。在这种类型的光谱分析仪中，通过将单色仪与光栅相结合，可以创建可调光学滤波器。单色仪将光分解为单独的波长，仅允许光谱分析仪所需的特定波长到达光电探测器。这个过程的结果是被分析波长的分辨率得到了提高。

基于法布里-珀罗干涉仪的光谱分析仪

某些光谱分析仪使用法布里-珀罗干涉仪来分析光。在基于法布里-珀罗干涉仪的OSA中，输入信号被引导进入干涉仪，在那里它经历了镜面之间的多次反射。这些多次反射产生了一系列干涉光束。光束之间的干涉创建了对应于信号中不同波长的共振模式。这些共振的强度由光电探测器检测，生成的光谱显示在屏幕上。

它们只能在特定的频率范围内进行测量，所提供的结果细节有限。这些分析仪在测量激光颜色的突变时表现良好，但在分析广泛颜色范围时可能存在局限性。有时，不同颜色的光可以同时通过分析仪，这可能会影响测量的准确性。为了增强对多种颜色的分析，可以在分析仪后添加一种称为单色仪的特殊滤波器。

基于迈克耳孙干涉仪的光谱分析仪

在基于迈克耳孙干涉仪的OSA中，输入信号被引导到干涉仪，在那里它被分成两束光，这两束光在不同的长度上传播后重新组合。两束光之间的干涉产生了一系列条纹，这些条纹对应于信号中存在的不同波长。这些条纹的强度由光电探测器检测，生成的光谱显示在屏幕上。

基于法布里-珀罗干涉仪和迈克耳孙干涉仪的光谱分析仪在分离和测量光波波长的方法上存在主要差异。使用迈克耳孙干涉仪的光谱分析仪用于非常精确地测量光波的相干长度，以及准确测量光的波长。其他类型的光谱分析仪无法直接测量相干长度。

光谱分析仪的应用

光谱分析仪广泛应用于光通信系统、光纤传感和光谱学等领域。它们在光通信系统的测试和开发中尤为重要，发挥着关键作用，表征光信号的光谱特性。这些分析仪可以用于测量光信号的中心波长、光谱宽度和功率，以及检测信号中是否存在任何不必要的噪声或干扰。它们还可以用于生物医学仪器的开发，以分析生物样本，帮助科学家和工程师开发新技术和产品。

在光纤传感应用中，OSA可以用于测量从光纤传感器反射或散射的光的光谱特性。这些信息可以用于确定传感元件的特性，如温度、应变或压力。

OSA还用于光谱学应用，可以用于测量样本的吸收或发射光谱。因此，它可以用于识别样本的化学成分或监测化学反应的进展。