叠加法测量光纤功率计非线性

　　光纤功率计是光的最基本测量仪器之一,广泛应用于光通信设备及光电武器装备的测试。典型的光纤功率计原理为:首先由PIN光探测器将光信号转换为相应的电信号,然后以适当倍数的电放大器进行放大,结果以模拟或数字形式输出和显示。光信号的转化形式主要有两种:一种是热电转换方式,利用黑体吸收光功率后温度的升高来计算光功率的大小,这种光纤功率计的优点是光谱响应曲线平坦、准确度高;缺点是成本高、响应时间较长,通常用于建立计量标准。另一种是半导体光电检测方式,利用的是半导体PN结的光电效应,主要有PIN光电二极管和APD雪崩二极管。APD因具有雪崩放大作用,响应度高,但附加噪声大,偏置电压高,温度稳定性差,结构复杂且价格高,所以很少使用。半导体光电检测具有响应时间快的优点,通常可用来制作工程测量仪器或参考标准。

　　光纤功率计主要技术参数有光功率测量准确度、非线性、波长范围、光功率测量范围四项。在日常使用时,一般只需要对光功率测量准确度和非线性进行校准,本文只介绍光纤功率计的非线性测量系统。

　　1　非线性的定义

　　光纤功率计的非线性定义为:某一点的光谱响应率与参考点光谱响应率的差值与该参考点光谱响应率之比,定义式为

式中:R(P)=V/P为入射光功率为P时光纤功率计的响应率,下标c表示参考点;V表示光纤功率计的输出,可以是电流、电压或功率计的显示值。

　　描述输入光功率与光纤功率计或探测器输出的函数称为响应函数,其表达式为V=V(P),响应函数的描述如图1所示。用响应函数将公式(1)的非线性表达式修改为

　　响应函数的反函数(变量的依赖关系发生转换)称为响应转换函数,如图2所示。转换函数将功率计的输出转换为输入功率的函数,其表达式为P=P(V)响应函数与其反转函数表示的是相同的物理量,通常非线性用响应函数、输入功率P来进行表示和计算。

　　实际上,更方便的方法是用响应函数的反函数来表示非线性,用功率计的输出来定义非线性,其表达式为

　　功率计非线性度的测量方法很多,常见的有直接比较法、衰减法、差分法和功率叠加法等。其中功率叠加法,由于其具有不使用参考标准、原理简单、对测量结果的影响量少、数据准确等优点,虽然测试过程比较复杂,数据采集量大,计算较复杂,但在计算机日益发展的今天,自动测试技术使功率叠加法的缺点变得微乎其微。

　　2　光纤功率计非线性测量系统

　　功率叠加法测量功率计的非线性系统如图3所示。系统为全自动化,通过计算机程序分析测量数据、打印校准数据。系统采用稳定大功率半导体激光器,为保证激光功率和波长的稳定,须对激光器进行温度控制。用于给系统提供测量所需要的不同光功率的光衰减器动态范围优于60 dB,光经过衰减器后,其输出用光纤分路器分成光功率近似相等的两路,分路器的一个臂插入一定长度的光纤(长度为100 m左右,相对于相干长度为几厘米激光器来说已经足够长)以消除激光干涉的影响。计算机控制的光开关用于光路的通断,两路光信号通过光开关后由光耦合器进行合光,耦合器采用FC/APC连接头以减小反射光对激光器和系统光学元件的影响。整个测量系统采用的是单模光纤元件(如分路器和耦合器),系统中光纤弯曲的半径应大于3 cm以减少传输微弯损耗,且在测量的过程中需保持所有的光纤静止不动。