干涉儀全參數(shù)測(cè)量法

Stefan Loeffler　安捷倫科技


　　概述


　　在確定光和發(fā)光元件的光損和散射特性方面，掃頻零差干涉測(cè)量法（SHI）正日益獲得用戶更廣泛的認(rèn)可。與已經(jīng)確立和業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的調(diào)制相移法（MPS）相比，它可以提供有關(guān)設(shè)備工作情況的更多信息，如群組延遲絕對(duì)值、二階PMD、脈沖響應(yīng)和Jones Eigenvectors。但是，用戶可能會(huì)因?yàn)檫@是一種新方法而對(duì)SHI測(cè)量和測(cè)試解決方案的可靠性產(chǎn)生擔(dān)憂。本文可幫助用戶更真實(shí)地認(rèn)識(shí)基于SHI的測(cè)試解決方案，并了解該方法的功能和局限。


　　尋找良好的抗震性能


　　傳輸系統(tǒng)之外，光纖也應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域：光纖可以嵌入到橋梁、高層建筑、鉆孔、機(jī)翼等物體中，用以顯示周?chē)�材料中的機(jī)械壓力、熱和裂縫。光纖還可鋪設(shè)于海底，用于對(duì)其它船只的機(jī)器和推進(jìn)系統(tǒng)所發(fā)出的噪聲進(jìn)行探測(cè)、定位和分析。


　　所有這些應(yīng)用情況都利用了光纖的一項(xiàng)基本特性：光纖移動(dòng)、機(jī)械壓力、聲波和溫度都可以影響光在光纖中的傳輸方式。光傳輸?shù)淖兓�－－依�?lài)于要求的探測(cè)靈敏度－－可通過(guò)測(cè)量直接的光衰減、高分辨率光損，或者干涉圖來(lái)辨別。


　　掃頻零差干涉測(cè)量法－－一種光散射分析方法－－包括光纖馬赫－澤德（Mach-Zehnder）干涉儀和波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器。干涉儀的一種類(lèi)型包含有處于測(cè)試中的設(shè)備。


　　偏振分辨探測(cè)支持測(cè)量與設(shè)備特性有關(guān)的偏振性能。


　　顯而易見(jiàn)，如果機(jī)械壓力和聲波作用施加到光路徑中的任何光纖之上，都有可能對(duì)偏振和散射測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。某些分析儀中的干涉儀完全與環(huán)境影響相隔離，并遠(yuǎn)離移動(dòng)部件（如tunable external cavity激光器），而測(cè)試中設(shè)備卻處于條件較差的環(huán)境中。在很多情況下，這可能與傳輸系統(tǒng)部署時(shí)的實(shí)際狀況更接近，高出系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和設(shè)備制造商希望的情形。


　　在任何情況下，為獲得最清晰的可能測(cè)量軌跡，我們建議按照以下步驟進(jìn)行：


　　·選擇完全針對(duì)解決震動(dòng)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的測(cè)試解決方案。這意味著測(cè)試解決方案避免了可對(duì)干涉儀造成影響的移動(dòng)部件，并減少了來(lái)自地板的震動(dòng)。


　　·為測(cè)試架選擇適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)，不得置于雙層地板和機(jī)器之上。


　　·固定設(shè)備的接入光纖（launch fiber）和所有跳線（patch cord）。


　　·避免空氣流經(jīng)測(cè)試中設(shè)備及其接入光纖上方。


　　·覆蓋您的測(cè)試設(shè)備，包括接入光纖和跳線，避免噪聲影響。


　　·如果測(cè)試要在（包括測(cè)試中設(shè)備）在幾個(gè)工作臺(tái)或機(jī)架之上進(jìn)行，請(qǐng)確保它們固定不動(dòng)。選用固定結(jié)實(shí)的基座并避免放置在雙層地板上。


　　·如果您沒(méi)有對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行控制，或者別無(wú)選擇，請(qǐng)采用平均條件進(jìn)行測(cè)量。噪聲影響趨向于可以統(tǒng)計(jì)，所以采用平均措施能夠顯著降低它們。


　　為什么干涉儀十分靈敏而堅(jiān)固耐用


　　在上一節(jié)中，我們了解了干涉儀如何能夠探測(cè)到設(shè)備光傳輸特性的最細(xì)微的變化。從中可能會(huì)得出這一結(jié)論：它們一定是非常精密而容易損壞的儀器，但事實(shí)并非這樣。雖然采用了移動(dòng)部件的光學(xué)儀器并非是為在艱苦的環(huán)境中使用而設(shè)計(jì)，但與20世紀(jì)80年代的研究試驗(yàn)不同，今天的可調(diào)諧激光器便于攜帶，可以裝運(yùn)，并可在烈日下的粗糙巖石平面上操作，而同時(shí)仍能保持sub-picometer的精確度。


　　干涉儀也經(jīng)歷了類(lèi)似的改進(jìn)變化，現(xiàn)在很多產(chǎn)品都可以經(jīng)受巨大的壓力。某些可用產(chǎn)品經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)可從15英尺的混凝土樓梯上落下，而某些（尤其是不帶移動(dòng)部件的產(chǎn)品）則經(jīng)過(guò)全方位的環(huán)境測(cè)試，可在發(fā)運(yùn)或操作過(guò)程中經(jīng)受顛簸和震動(dòng)，之后仍保持完好狀態(tài)。


　　為什么與長(zhǎng)度有關(guān)


　　最先考慮色散問(wèn)題的群體就是光纖制造商們：每個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)光纖中傳輸了幾千米的脈沖在行程和波長(zhǎng)上都要發(fā)生群速度的變化，這些變化會(huì)阻止波長(zhǎng)復(fù)用傳輸系統(tǒng)利用并行多信道傳輸機(jī)制，引起個(gè)別脈沖和碼型的展寬或消除。了解了光纖的色散（CD）就可以測(cè)定中繼器間的距離并確定色散補(bǔ)償機(jī)制。


　　光纖線圈或已安裝光纖的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試解決方案采用了極大簡(jiǎn)化了的調(diào)制相移法，可以檢測(cè)到調(diào)制光信號(hào)的延遲時(shí)間。這一方法的顯著特點(diǎn)是它具有測(cè)量長(zhǎng)光纖的能力。另一個(gè)特點(diǎn)則是易于實(shí)施，因?yàn)樗�充分利用了帶有光口的增�?qiáng)型射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀。


　　假設(shè)一卷光纖插入了SHI型全參數(shù)測(cè)試儀：馬赫－澤德干涉儀的兩個(gè)分支的長(zhǎng)度存在著極大差異。


　　這會(huì)對(duì)波長(zhǎng)產(chǎn)生極其規(guī)則的干涉波形。由于長(zhǎng)度差超過(guò)了幾百米，波長(zhǎng)分辨率、波長(zhǎng)調(diào)諧線性度以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集等方面的局限性都會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，這實(shí)際上又限制了上述原理的應(yīng)用。盡管可以給另一個(gè)干涉儀分支增加長(zhǎng)度補(bǔ)償，但可靠性和可用性大打折扣。需要注意的是：頻域反射計(jì)可以使用長(zhǎng)度補(bǔ)償。


　　唯有干涉儀能夠做到


　　在光學(xué)部件測(cè)試中采用掃頻零差干涉測(cè)量法可為用戶帶來(lái)許多前所未有的功能：


　　·采用復(fù)雜的瓊斯矩陣法（Jones Matrix）可以全面表現(xiàn)部件的傳輸特性。從該數(shù)據(jù)中可以概括出許多有用的設(shè)備屬性：


　　·脈沖響應(yīng)


　　·二級(jí)PMD


　　·偏振分辨損耗/GD（也稱(chēng)TE/TM模式顯示）


　　·復(fù)雜的瓊斯矩陣法可以測(cè)得群時(shí)延遲絕對(duì)值，也可測(cè)量長(zhǎng)度。


　　·設(shè)備反射圖可以從復(fù)雜的瓊斯矩陣中概括出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備反射定位。


　　·實(shí)現(xiàn)相對(duì)于波長(zhǎng)軸的群時(shí)延遲跟蹤的準(zhǔn)確定位，且


　　·波長(zhǎng)分辨率不再取決于調(diào)制頻率：即使在低GD噪聲下也可實(shí)現(xiàn)皮（10-12）米級(jí)分辨率。


　　·每個(gè)長(zhǎng)度單位顯示出陡曲線相位變化的設(shè)備可以標(biāo)注出來(lái)。
雖然對(duì)于空間分布光學(xué)部件（具有幾百米長(zhǎng)的光學(xué)路徑設(shè)備）SHI測(cè)量方法具有明顯的局限性，但是SHI具有諸多新功能，對(duì)于設(shè)計(jì)或制造集成式光電子設(shè)備是極有幫助的。可以肯定地說(shuō)，SHI和MPS方法可以共同應(yīng)用在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域。


　　安捷倫科技的兩種產(chǎn)品各自支持一種方法：Agilent 86038A光色散分析儀支持MPS方法，Agilent 81910A全參數(shù)分析儀則支持SHI方法。


　　
摘自　光纖在線網(wǎng)