Измерители оптической мощности

Мощность оптического излучения P может измеряться в единицах мощности (Вт) или в логарифмических единицах p (дБм) по отношению к мощности 1 мВт. Для измерения мощности излучения используют специальные приборы – измерители оптической мощности или оптические ваттметры.

Измерители оптической мощности используются для определения мгновенных, средних и максимальных значений мощности на выходах излучателя P_из или ВТ (входе ФПУ) P_Ф.

Измеритель оптической мощности (рис. 3.1) состоит из:

· фотоприемника (ФП), который преобразует мощность оптического излучения в электрический сигнал (обычно фототок);

· усилителя фототока (УФТ), на выходе которого с помощью осциллографа можно наблюдать сигнал, пропорциональный мгновенному значению мощности;

· логарифматора (ЛОГ);

· аналого-цифрового преобразователя (АЦП);

· устройства отображения (УО).

Рис. 3.1 - Структурная схема измерителя оптической мощности

При измерении средних значений мощности после УФТ устанавливают усредняющий фильтр нижних частот (ФНЧ), а при измерении максимальных значений – амплитудный детектор.

В качестве ФП в измерителях оптической мощности могут использоваться фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, тепловые и сегнетоэлектрические приемники, однако чаще всего применяют PIN фотодиоды. К ФП предъявляется ряд требований.

ФП должен иметь фоточувствительную площадку, достаточную для регистрации всего потока излучения, выходящего из источника излучения или ВС.

Чувствительность ФП должна быть однородна по площади, а характеристика преобразования – линейной во всем диапазоне измеряемых мощностей. Чувствительность должна мало зависеть от температуры.

ФП должен обладать малым уровнем шума, низким порогом реагирования. Для этого он должен иметь малый уровень темнового тока.

Для длины волны λ = 0,85 мкм обычно используют кремниевые PIN фотодиоды, для длин волн λ = 1,3 и 1,55 мкм используют либо германиевые PIN фотодиоды, либо PIN фотодиоды на основе арсенида галлия, легированного индием. Наилучшими параметрами: высокой линейностью, температурной стабильностью, широким динамическим диапазоном по линейности и по шумам (малый темновой ток) – обладают кремниевые PIN фотодиоды. К сожалению, они могут использоваться для измерений только с λ = 0,85 мкм. На больших λ используют германиевые фотодиоды или фотодиоды на основе арсенида галлия, легированного индием.

УФТ имеет автоматически или вручную переключаемый коэффициент передачи для выбора диапазона измерения. Для получения результата измерения на УО в цифровой форме используется АЦП. Для вывода результата в логарифмических единицах перед АЦП устанавливается ЛОГ.

Основной характеристикой прибора является характеристика зависимости выходного сигнала фотодиода от мощности входного оптического сигнала на разных длинах волн, точнее равномерность этой характеристики. В зависимости от этого аналого-цифровой преобразователь в большей или меньшей степени должен компенсировать возможную нелинейность характеристики. В результате, если характеристика фотодиода сильно неравномерна, для ее компенсации АЦП должен иметь более сложную структуру. С другой стороны, более высокотехнологичный фотоприемник будет иметь более равномерную характеристику, при этом сигнальный АЦП может быть довольно простым.

Другой важной характеристикой фотодиодов является спектральная характеристика, т.е. зависимость эффективности работы фотодиода от длины волны передаваемого сигнала, где эффективность работы фотодиода определяется отношением тока на выходе к мощности принимаемого сигнала. Эта характеристика определяет диапазон использования различных фотодиодов в приборах. На рисунке 3.2 представлены характеристики для трех основных типов фотодиодов: кремниевого (Si), германиевого (Ge) и на основе сплава арсенида галлия (InGaAs).

Из рисунка видно, что кремниевый фотодиод может с успехом использоваться при измерениях оптического сигнала от 800 до 900 нм. На практике, оптические измерители мощности, использующие этот тип детектора калиброваны на более широкий диапазон – от 400-450 до 1000 нм.

Рисунок 3.2 - Характеристики зависимости выходного сигнала фотодиода от длины волны принимаемого сигнала

Для измерений в одномодовых волоконных кабелях 1310 и 1550 нм, получивших наибольшее распространение в современных системах связи, обычно используются германиевые детекторы или фотодиоды на основе сплава InGaAs. Соответственно, ОРМ, использующие эти фотодиоды, калиброваны в диапазонах от 780 до 1600 нм для Ge и от 800 до 1700 нм для InGaAs. Учитывая, что детекторы на основе Ge и InGaAs имеют сходную полосу пропускания, возникает закономерный вопрос о преимуществах и недостатках того или другого фотодиода. Из рисунка видно, что детекторы на основе InGaAs имеют более широкий спектр измерения по длинам волн, что позволяет создавать универсальные ОРМ, калиброванные на все три длины волны: 850, 1310и1550нм.

Измерители оптической мощности в сочетании с другими приборами могут использоваться для определения параметров ФПУ: чувствительности ФПУ p_фмин, уровня перегрузки ФПУ p_фмакс, динамического диапазона ФПУ D_ф и параметров регенерационного участка ВОСП:

- вносимого затухания a_вн,

- энергетического запаса Э_зап.

Методы измерения вносимого затухания будут изложены в п. 3.2.3.