一種基于電加熱式的量熱型光功率計

程 康，孔 煒，郭 波

（山東省計量科學(xué)研究院，濟(jì)南250014）

一種基于電加熱式的量熱型光功率計

程 康，孔 煒，郭 波

（山東省計量科學(xué)研究院，濟(jì)南250014）

針對傳統(tǒng)光功率計存在的一些問題，介紹了一種基于電加熱原理的量熱型光功率計。簡要介紹了電加熱式量熱型光功率計的優(yōu)點(diǎn)，著重描述了光功率計的結(jié)構(gòu)和工作原理。測試了光功率計對850nm、1310nm、1490nm和1550nm這4個波長光源的光功率測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

電加熱；量熱型；光功率計

0 引言

通信用光功率計的主要用途是測量光功率的大小和變化，它一般是由探測器、數(shù)據(jù)處理和顯示部分組成。光功率計的核心器件是探測器，光功率計按探測器的不同分為光電型和量熱型兩種[1～3]。一些生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ杓す獾牟ㄩL和功率有嚴(yán)格要求，這就要求光功率計能精確測量各種波長的光功率。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，目前常見的探測器多為光電型，但光電型光功率計一般只能測量單一波長的光功率[4]，需要通過更換探測器、濾光片或手動換擋的方式來測量多種波長的光功率，測量過程復(fù)雜，且具有測量準(zhǔn)確度低和穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，不能滿足寬光譜高準(zhǔn)確度的要求。量熱型光功率計具有光譜響應(yīng)曲線平坦和準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，但其響應(yīng)速度慢、靈敏度低。為解決以上問題，本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種基于電加熱式的寬光譜量熱型光功率計。

1 電加熱式量熱型光功率計的原理與實(shí)驗(yàn)測試

1.1 量熱型光功率計的結(jié)構(gòu)和工作原理

與光電型探測器相比，量熱型探測器具有測量準(zhǔn)確度高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，然而傳統(tǒng)的量熱型探測器又有響應(yīng)速度慢和靈敏度低的缺點(diǎn)。因此，本文設(shè)計了一款量熱型探測器并將其應(yīng)用于光功率計中。該探測器采用絕對輻射計的測量原理[5,6]，利用較快的電加熱方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的輻射加熱方式對光功率進(jìn)行測量，可以有效提高響應(yīng)速度和靈敏度。

量熱型探測器主要由吸收層、加熱層、基板、熱電堆、熱電式測量裝置、電功率測量裝置和可變電阻等部件組成，通過傳輸線與高精度功率計相連，組成了電加熱式的量熱型光功率計。量熱型光功率計的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示?？扉T可手動控制，用于保護(hù)探測器的清潔。在光闌處設(shè)置光纖接口，可連接多種常用單多模光纖和轉(zhuǎn)換接頭。光源進(jìn)入探測器后被吸收層吸收，熱電勢測量裝置通過加熱層、基板和錐形腔對熱電勢進(jìn)行測量。電功率測量裝置用于對量熱型探測器進(jìn)行電校準(zhǔn)和各光譜的響應(yīng)度校準(zhǔn)。量熱型探測器與高精度功率計連接可測量紫外到近紅外光譜范圍內(nèi)裸光或光纖耦合的光源光功率。

圖1 電加熱式量熱型光功率計的結(jié)構(gòu)原理示意圖

1.2 量熱型光功率計的實(shí)驗(yàn)測試

量熱型光功率計在首次使用或長時間未使用后，應(yīng)對量熱型探測器進(jìn)行電校準(zhǔn)：①將探測器輸出引線連接到指示儀器的輸入端，并將探測器移入光路，測出探測器的暗電勢。②打開快門，光源束進(jìn)入探測器內(nèi)，探測器輸出信號。③關(guān)閉快門，遮斷光源束，探測器輸出暗電勢，經(jīng)計算可得出相應(yīng)的光源有效輸出電勢。④閉上開關(guān)，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，使探測器輸出近似于光源束進(jìn)入探測器時的輸出電勢。⑤拉開開關(guān)，使電路斷開，讀出探測器的輸出信號，得出電加熱引起的輸出電勢。電校準(zhǔn)完畢后即可連接量熱型探測器與高精度功率計進(jìn)行光功率的測量。

本文按JJG965-2013《通信用光功率計》國家檢定規(guī)程中的要求使用EXFO標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定光源對該光功率計進(jìn)行光功率測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。在準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)中，分別選用850nm、1310nm、1490nm和1550nm共4個波長的光源進(jìn)行測試，得到的結(jié)果如表1所示。

表1 電加熱式量熱型光功率計的光功率測量準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，本文設(shè)計的電加熱式量熱型光功率計測量準(zhǔn)確度和線性參數(shù)優(yōu)良。

在穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中，同樣選用 850nm、1310nm、1490nm和1550nm這4個波長的光源進(jìn)行測試，以-10dBm為參考點(diǎn)，30s為間隔，共測量10次。在此過程中，光源和衰減器本身的功率變化可忽略不計，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 電加熱式量熱型光功率計的光功率測量穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)偏差能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，這些值偏離平均值就越少。我們根據(jù)穩(wěn)定性測試得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用貝塞爾公式計算光功率計測量850nm、1310nm、1490nm和1550nm這4個波長光源光功率時的標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到的結(jié)果分別為0.003dBm、0.003dBm、0.002dBm和0.002dBm，可以看出本文設(shè)計的電加熱式量熱型光功率計具有良好的穩(wěn)定性。

2 結(jié)束語

本文將電加熱式量熱型探測器與高精度功率計連接使用，實(shí)現(xiàn)了電加熱式量熱型光功率計，該光功率計可對紫外到近紅外的光功率進(jìn)行準(zhǔn)確和快速地測量，解決了傳統(tǒng)量熱型光功率計響應(yīng)時間慢和靈敏度差的問題。但是與光電型光功率計相比，本文設(shè)計的光功率計在響應(yīng)時間方面還有所欠缺，可在今后的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行重點(diǎn)研究。

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[5]楊東軍，方偉，葉新，等.絕對輻射計參數(shù)測量的實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制，2009，17（10）：1892-1894.

[6]王玉鵬，方偉，弓成虎，等.雙錐腔互補(bǔ)償型絕對輻射計[J].光學(xué)精密工程，2007，15（11）：1663-1667.

Heat exchanger optical power meter based on electric heating

CHENG Kang,KONG Wei,GUO Bo
(Shandong Institute of Metrology,Jinan 250014,China)

In order to resolve the problem of traditional optical power meter,the paper introduces a heat exchanger optical power meter based on electric heating.It introduces the advantages of the electric heating type optical power meter,describes the structure and working principle of the optical power meter.The paper respectively tests the optical power measurement accuracy and stability of the optical power meter for light sources in 850nm,1310nm,1490nm and 1550nm.

electric heating,heat exchanger,optical power meter

TN201

A

1002-5561（2016）04-0036-02

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.012

2015-12-10。

程康（1986-），男，工程師，博士研究生，主要從事光學(xué)計量與測試方面的工作。