程 康，孔 煒，郭 波

（山東省計(jì)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(jì)

程 康，孔 煒，郭 波

（山東省計(jì)量科學(xué)研究院，濟(jì)南250014）

針對(duì)傳統(tǒng)光功率計(jì)存在的一些問(wèn)題，介紹了一種基于電加熱原理的量熱型光功率計(jì)。簡(jiǎn)要介紹了電加熱式量熱型光功率計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，著重描述了光功率計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理。測(cè)試了光功率計(jì)對(duì)850nm、1310nm、1490nm和1550nm這4個(gè)波長(zhǎng)光源的光功率測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

電加熱；量熱型；光功率計(jì)

0 引言

通信用光功率計(jì)的主要用途是測(cè)量光功率的大小和變化，它一般是由探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理和顯示部分組成。光功率計(jì)的核心器件是探測(cè)器，光功率計(jì)按探測(cè)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(zhǎng)和功率有嚴(yán)格要求，這就要求光功率計(jì)能精確測(cè)量各種波長(zhǎng)的光功率。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，目前常見的探測(cè)器多為光電型，但光電型光功率計(jì)一般只能測(cè)量單一波長(zhǎng)的光功率[4]，需要通過(guò)更換探測(cè)器、濾光片或手動(dòng)換擋的方式來(lái)測(cè)量多種波長(zhǎng)的光功率，測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，且具有測(cè)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(jì)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(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于電加熱式的寬光譜量熱型光功率計(jì)。

1 電加熱式量熱型光功率計(jì)的原理與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.1 量熱型光功率計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理

與光電型探測(cè)器相比，量熱型探測(cè)器具有測(cè)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(cè)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(jì)了一款量熱型探測(cè)器并將其應(yīng)用于光功率計(jì)中。該探測(cè)器采用絕對(duì)輻射計(jì)的測(cè)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(duì)光功率進(jìn)行測(cè)量，可以有效提高響應(yīng)速度和靈敏度。

量熱型探測(cè)器主要由吸收層、加熱層、基板、熱電堆、熱電式測(cè)量裝置、電功率測(cè)量裝置和可變電阻等部件組成，通過(guò)傳輸線與高精度功率計(jì)相連，組成了電加熱式的量熱型光功率計(jì)。量熱型光功率計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示?？扉T可手動(dòng)控制，用于保護(hù)探測(cè)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(cè)器后被吸收層吸收，熱電勢(shì)測(cè)量裝置通過(guò)加熱層、基板和錐形腔對(duì)熱電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量。電功率測(cè)量裝置用于對(duì)量熱型探測(cè)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(cè)器與高精度功率計(jì)連接可測(cè)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(jì)的結(jié)構(gòu)原理示意圖

1.2 量熱型光功率計(jì)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

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

本文按JJG965-2013《通信用光功率計(jì)》國(guó)家檢定規(guī)程中的要求使用EXFO標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定光源對(duì)該光功率計(jì)進(jìn)行光功率測(cè)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(gè)波長(zhǎng)的光源進(jìn)行測(cè)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(jì)的光功率測(cè)量準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，本文設(shè)計(jì)的電加熱式量熱型光功率計(jì)測(cè)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(gè)波長(zhǎng)的光源進(jìn)行測(cè)試，以-10dBm為參考點(diǎn)，30s為間隔，共測(cè)量10次。在此過(guò)程中，光源和衰減器本身的功率變化可忽略不計(jì)，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(jì)的光功率測(cè)量穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)偏差能反映一個(gè)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(cè)試得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用貝塞爾公式計(jì)算光功率計(jì)測(cè)量850nm、1310nm、1490nm和1550nm這4個(gè)波長(zhǎng)光源光功率時(shí)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(jì)的電加熱式量熱型光功率計(jì)具有良好的穩(wěn)定性。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文將電加熱式量熱型探測(cè)器與高精度功率計(jì)連接使用，實(shí)現(xiàn)了電加熱式量熱型光功率計(jì)，該光功率計(jì)可對(duì)紫外到近紅外的光功率進(jìn)行準(zhǔn)確和快速地測(cè)量，解決了傳統(tǒng)量熱型光功率計(jì)響應(yīng)時(shí)間慢和靈敏度差的問(wèn)題。但是與光電型光功率計(jì)相比，本文設(shè)計(jì)的光功率計(jì)在響應(yīng)時(shí)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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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(jì)量與測(cè)試方面的工作。