光衰減測試中的誤差分析

溫丹昊

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

1 光衰減裝置的工作原理

光衰減器衰減量檢定是通過光功率標(biāo)準(zhǔn)裝置產(chǎn)生1310nm/1550nm 波長的高穩(wěn)定性光信號，再用標(biāo)準(zhǔn)裝置的光功率計測量光源的輸出功率，并將其數(shù)值設(shè)置為參考值（相對零值），再將光衰減器的檔位都設(shè)置在0dB 并接入光功率計中，此時光功率計的數(shù)值為光衰減器的插入損耗，同時也是固定光衰減器的衰減量。在確定光衰減器0 檔位的參考值后，依次改變光衰減器的衰減檔位，在光功率計上顯示的數(shù)值即為光衰減器各檔位的衰減示值。從而實現(xiàn)對光衰減器的衰減動態(tài)范圍、光衰減示值、插入損耗的檢定，光衰減器檢定框圖如圖1 所示。

圖1 光衰減檢定原理框圖

2 光衰減示值誤差不確定度分析

選擇性能穩(wěn)定的光衰減器波長為1310nm/1550nm，衰減量為0dB～60dB 范圍內(nèi)進行不確定度評定。

2.1 測量方法

采用直接測量法，首先光源通過光纖跳線經(jīng)被測光衰減器輸出到標(biāo)準(zhǔn)光功率計，調(diào)整光衰減器的衰減量為0dB，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)光功率計的讀數(shù)為0dB（參考值），調(diào)整被測光衰減器衰減示值，讀出標(biāo)準(zhǔn)光功率計測量結(jié)果。

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.3 不確定度來源

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置中光功率計線性度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1。

2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置中光源穩(wěn)定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2。

2.3.3 標(biāo)準(zhǔn)光功率計的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3。

2.3.4 重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置中光功率計線性度引入的不確定度分量u1

根據(jù)上級機構(gòu)出具的溯源證書，光波長為1310nm/1550nm，功率為-50dBm～0dBm 范圍內(nèi)，功率測量線性度擴展不確定度為U=0.03 dB，k=2，則：u1= U/2=0.03/2=0.015dB。

2.4.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置中光源穩(wěn)定性引入的不確定度分量u2

2.4.4 重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性主要有光纖連接器與光源連接重復(fù)性、光纖連接器與標(biāo)準(zhǔn)光功率計連接重復(fù)性、光纖連接器與被檢衰減器連接重復(fù)性。通常采用實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征，用A 類評定方法評定。

分別在波長為1310nm、1550nm 光衰減量為0～60dB 時連續(xù)測量6 次，根據(jù)公式（2）計算實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表1 波長為1310 nm 光衰減示值誤差重復(fù)性測量結(jié)果(單位：dB)

表2 波長為1550 nm 光衰減示值誤差重復(fù)性測量結(jié)果(單位：dB)

波長1310nm/1550nm 光衰減器為0～60dB 范圍內(nèi)u4取1310 nm 和1550 nm 中的數(shù)據(jù)大者。

u4=0.048dB

由于以上各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量彼此獨立，采用公式（3）進行計算。

計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：uc=0.053dB。

3 光衰減器插入損耗不確定度分析

選擇性能穩(wěn)定的光衰減器在波長為1310nm/1550nm，插入損耗小于3 dB 范圍內(nèi)進行不確定度評定。

3.1 測量方法

采用直接測量法，首先光源通過光纖跳線經(jīng)被測光衰減器輸出到標(biāo)準(zhǔn)光功率計，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)光功率計的讀數(shù)為0dB（參考值），讀出標(biāo)準(zhǔn)光功率計測量結(jié)果。

3.2 數(shù)學(xué)模型

式中PC- 被檢光衰減器示值，dB；

PS- 標(biāo)準(zhǔn)光功率計示值，dB。

3.3 不確定度來源

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置中光功率計線性度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1。

表3 波長為1310 nm 光衰減器插入損耗重復(fù)性測量結(jié)果(單位：dB)

表4 波長為1550 nm 光衰減器插入損耗重復(fù)性測量結(jié)果(單位：dB)

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置中光源穩(wěn)定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2。

3.3.3 標(biāo)準(zhǔn)光功率計的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3。

3.3.4 裝置重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定

3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置中光功率計線性度引入的不確定度分量u1

根據(jù)上級機構(gòu)出具的溯源證書，光波長為1310nm/1550nm，功率為-50dBm～0dBm 范圍內(nèi)，功率測量線性度擴展不確定度為U=0.03 dB，k=2，則：u1= U/2=0.03/2=0.015dB。

3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)裝置中光源穩(wěn)定性引入的不確定度分量u2

3.4.4 裝置重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4

標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性主要有光纖連接器與光源連接重復(fù)性、光纖連接器與標(biāo)準(zhǔn)光功率計連接重復(fù)性、光纖連接器與被檢衰減器連接重復(fù)性。通常采用實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征，用A 類評定方法評定。

分別對波長為1310nm、1550nm 的插入損耗連續(xù)測量6 次，根據(jù)公式（2）計算實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差。

由于以上各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量彼此獨立，采用公式（3）進行計算。

計算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：uc=0.082dB。

結(jié)束語

由于測量誤差的存在，被測量自身定義和誤差修正不完善等緣故，被測量真值難以準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，使得測量結(jié)果帶有不確定性。日常工作中，還需要不斷追求最佳方式估計被測量的值，科學(xué)合理地評價測量結(jié)果的高低。文章中測量結(jié)果不確定度的評定結(jié)果不僅可以用于光衰減的校準(zhǔn)和檢定工作中，還可以用于作業(yè)指導(dǎo)書、計量認(rèn)證、計量確認(rèn)以及實驗室認(rèn)可等活動中。