3 光功率计的分析 - Read.PDF

3 光功率计的分析 3 光功率计的分析 3.1引言 光功率计适用于光通信工程的光功率测量，光传输测量，是一种在高新技术 领域中测试光功率、光衰减量必不可少的最常用的测量仪表。随着我国光纤应用 技术的迅速发展，光功率计的需求量与日俱增。 目前，随着光纤通信技术的飞速发展，光纤测试设备也同步发展起来，光纤 通信本身对于传输光的监测与测量显得尤为重要[761。在光纤系统中，测量光功率 是最基本的。光功率计是在光纤系统施工和维护中检测系统的功率、衰减、损耗 等技术指标的常用仪器。非常像电子学中的万用表，在光纤测量中，光功率计是 重负荷常用表，光纤技术人员应该人手一个。通过测量发射端机或光网络的绝对 功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使 用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。若与其 他仪器配合使用，则可以对光纤的其他各种主要参数进行测量，如单模光纤的模 场直径等等，可以说在光纤的各项测试中都要用到它。正因为光功率计的用途广 泛，所以除了作检测计量用的精度较高的光功率计外，还有供光纤工程现场测试 和维护用的便携式光功率计，就像小型数字式万用表一样，这种光功率计己经成 为光纤传输系统维护用的必不可少工具。在光纤自动监测系统中，正是利用光功 率计测的结果来判断光纤的好坏等参数的，实现实时监测的[771。因此光功率计有 着重要的作用。本章主要阐述了光功率计的硬件电路设计及软件设计。 3.2系统原理介绍 在设计智能微光功率计时，本文主要考虑了以下几个方面:实现键盘选择光 波波长并自动进行光谱响应校正;根据待测光信号的强弱自动进行量程转换，使 仪器能够满足从1mw-1nW的光功率测量的要求;数据的自动采集与处理，并 将测量结果用LCD液晶来显示等。 光功率计的电路设计[[7s〕主要包括光电转换、模拟信号处理、模数转换、单片 机数据处理、程控量程变换器、键盘控制以及光功率液晶显示等部分。微光信号 入射到光电探测器PIN上之后，通过光电转换将光功率转换为相应的光电流，经 IN转换、功率放大及去噪处理后，也就是模拟信号处理以后，由人心转换为相应 大小的数字信号，经单片机处理后将结果根据要求分别送寄存器和LCD显示器。 其间，键盘可对单片机进行控制，同时单片机对A/D的输出信号自动判别，控制 程控量程变换器来选择不同的放大增益，以选择合适的量程，实现自动换档，得 重庆大学硕士学位论文 到合适的电压值，该电压值送入A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，以便单 片机进行处理。智能光功率计的原理框图如图3.1所示。 图3.1光功率计的原理框图 Fig3.工Principleschematicsofopticalpowermeter 在该系统中，单片机采用了P80C552，由于内部带有8通道10位的A/D转换 器。这大大的节省了单片机的口线，而且节约了系统的硬件开销。下面就来逐一 介绍各个功能模块的硬件电路以及软件实现。 3.3系统硬件电路设计 3.3.1光探测器 光探测器感受入射于其上的光功率，并把这种光功率的变化转换成作相应变 化的电流。目前，适合于光纤通信系统使用的半导体光探测器主要有具有本征层 的光电二极管((PNI),雪崩光电二极管 A〔PD)、光电晶体管等，其中前两种应用最 为广泛。尽管APD管具有很高的内部倍增因子，但由于PNI光电二极管受温度影 响比较小，而且工作偏压低，不需要任何控制等优点，而有广泛的应用。在该设 计中采用的是PNI光电二极管。下面简要介绍PNI的工作原理及主要工作特性[79] 在高掺杂P型和N型半导体材料之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导 体材料，称为I层，高掺杂的P区和P区非常薄。这种结构使得光子在耗尽区内 能够被充分吸收，以利于提高量子效率和响应速度。对于InGaAs材料制作的PNI 光电二极管，还往往采用异质结构，从而进一步提高器件的量子效率。PNI光电二 极管的特性参数: ① 电流响应度和量子效率 响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。当光照PNI器件时， 单位入射光功率所产生的光电流，叫做PNI 光电二极管的响应度。它是反映光电 探测器能量转换效率的一