干涉仪全参数测量法

          干涉仪全参数测量法
    --Stefan Loeffler, 安捷伦科技

概述
    在确定光和发光元件的光损和散射特性方面，扫频零差干涉测量法（SHI）正日益获得用户更广泛的认可。与已经确立和业经验证的调制相移法（MPS）相比，它可以提供有关设备工作情况的更多信息，如群组延迟绝对值、二阶PMD、脉冲响应和Jones Eigenvectors。但是，用户可能会因为这是一种新方法而对SHI测量和测试解决方案的可靠性产生担忧。本文可帮助用户更真实地认识基于SHI的测试解决方案，并了解该方法的功能和局限。
寻找良好的抗震性能
    传输系统之外，光纤也应用于传感器领域：光纤可以嵌入到桥梁、高层建筑、钻孔、机翼等物体中，用以显示周围材料中的机械压力、热和裂缝。光纤还可铺设于海底，用于对其它船只的机器和推进系统所发出的噪声进行探测、定位和分析。
    所有这些应用情况都利用了光纤的一项基本特性：光纤移动、机械压力、声波和温度都可以影响光在光纤中的传输方式。光传输的变化－－依赖于要求的探测灵敏度－－可通过测量直接的光衰减、高分辨率光损，或者干涉图来辨别。
    扫频零差干涉测量法－－一种光散射分析方法－－包括光纤马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪和波长可调谐激光器。干涉仪的一种类型包含有处于测试中的设备（图1）。
        
    偏振分辨探测支持测量与设备特性有关的偏振性能。
    显而易见，如果机械压力和声波作用施加到光路径中的任何光纤之上，都有可能对偏振和散射测量结果产生影响。某些分析仪中的干涉仪完全与环境影响相隔离，并远离移动部件（如tunable external cavity激光器），而测试中设备却处于条件较差的环境中。在很多情况下，这可能与传输系统部署时的实际状况更接近，高出系统设计者和设备制造商希望的情形。
    在任何情况下，为获得最清晰的可能测量轨迹，我们建议按照以下步骤进行： 
·选择完全针对解决震动问题而设计的测试解决方案。这意味着测试解决方案避免了可对干涉仪造成影响的移动部件，并减少了来自地板的震动。
·为测试架选择适当的地点，不得置于双层地板和机器之上。
·固定设备的接入光纤（launch fiber）和所有跳线（patch cord）。
·避免空气流经测试中设备及其接入光纤上方。
·覆盖您的测试设备，包括接入光纤和跳线，避免噪声影响。
·如果测试要在（包括测试中设备）在几个工作台或机架之上进行，请确保它们固定不动。选用固定结实的基座并避免放置在双层地板上。
·如果您没有对环境条件进行控制，或者别无选择，请采用平均条件进行测量。噪声影响趋向于可以统计，所以采用平均措施能够显著降低它们。
为什么干涉仪十分灵敏而坚固耐用
    在上一节中，我们了解了干涉仪如何能够探测到设备光传输特性的最细微的变化。从中可能会得出这一结论：它们一定是非常精密而容易损坏的仪器，但事实并非这样。虽然采用了移动部件的光学仪器并非是为在艰苦的环境中使用而设计，但与20世纪80年代的研究试验不同，今天的可调谐激光器便于携带，可以装运，并可在烈日下的粗糙岩石平面上操作，而同时仍能保持sub-picometer的精确度。
    干涉仪也经历了类似的改进变化，现在很多产品都可以经受巨大的压力。某些可用产品经过设计可从15英尺的混凝土楼梯上落下，而某些（尤其是不带移动部件的产品）则经过全方位的环境测试，可在发运或操作过程中经受颠簸和震动，之后仍保持完好状态。
为什么与长度有关
    最先考虑色散问题的群体就是光纤制造商们：每个在标准光纤中传输了几千米的脉冲在行程和波长上都要发生群速度的变化，这些变化会阻止波长复用传输系统利用并行多信道传输机制，引起个别脉冲和码型的展宽或消除。了解了光纤的色散（CD）就可以测定中继器间的距离并确定色散补偿机制。
    光纤线圈或已安装光纤的工业标准测试解决方案采用了极大简化了的调制相移法，可以检测到调制光信号的延迟时间。这一方法的显著特点是它具有测量长光纤的能力。另一个特点则是易于实施，因为它充分利用了带有光口的增强型射频网络分析仪。
    假设一卷光纤插入了SHI型全参数测试仪：马赫－泽德干涉仪的两个分支的长度存在着极大差异（图2）。

这会对波长产生极其规则的干涉波形。由于长度差超过了几百米，波长分辨率、波长调谐线性度以及实时数据采集等方面的局限性都会表现出来，这实际上又限制了上述原理的应用。尽管可以给另一个干涉仪分支增加长度补偿，但可靠性和可用性大打折扣。需要注意的是：频域反射计可以使用长度补偿。
唯有干涉仪能够做到
    在光学部件测试中采用扫频零差干涉测量法可为用户带来许多前所未有的功能：
·采用复杂的琼斯矩阵法（Jones Matrix）可以全面表现部件的传输特性。从该数据中可以概括出许多有用的设备属性：
·脉冲响应
·二级PMD
·偏振分辨损耗/GD（也称TE/TM模式显示）
·复杂的琼斯矩阵法可以测得群时延迟绝对值，也可测量长度。
·设备反射图可以从复杂的琼斯矩阵中概括出来，从而实现设备反射定位。
·实现相对于波长轴的群时延迟跟踪的准确定位，且
·波长分辨率不再取决于调制频率：即使在低GD噪声下也可实现皮（10-12）米级分辨率。
·每个长度单位显示出陡曲线相位变化的设备可以标注出来。
虽然对于空间分布光学部件（具有几百米长的光学路径设备）SHI测量方法具有明显的局限性，但是SHI具有诸多新功能，对于设计或制造集成式光电子设备是极有帮助的。可以肯定地说，SHI和MPS方法可以共同应用在测试测量领域。
    安捷伦科技的两种产品各自支持一种方法：Agilent 86038A光色散分析仪支持MPS方法，Agilent 81910A全参数分析仪则支持SHI方法。