一種基于電加熱式的量熱型光功率計

程 康，孔 煒，郭 波

（山東省計量科學研究院，濟南250014）

一種基于電加熱式的量熱型光功率計

程 康，孔 煒，郭 波

（山東省計量科學研究院，濟南250014）

針對傳統光功率計存在的一些問題，介紹了一種基于電加熱原理的量熱型光功率計。簡要介紹了電加熱式量熱型光功率計的優點，著重描述了光功率計的結構和工作原理。測試了光功率計對850nm、1310nm、1490nm和1550nm這4個波長光源的光功率測量準確度和穩定性。

電加熱；量熱型；光功率計

0 引言

通信用光功率計的主要用途是測量光功率的大小和變化，它一般是由探測器、數據處理和顯示部分組成。光功率計的核心器件是探測器，光功率計按探測器的不同分為光電型和量熱型兩種[1～3]。一些生產應用領域對所需激光的波長和功率有嚴格要求，這就要求光功率計能精確測量各種波長的光功率。隨著光電技術的發展，目前常見的探測器多為光電型，但光電型光功率計一般只能測量單一波長的光功率[4]，需要通過更換探測器、濾光片或手動換擋的方式來測量多種波長的光功率，測量過程復雜，且具有測量準確度低和穩定性差的缺點，不能滿足寬光譜高準確度的要求。量熱型光功率計具有光譜響應曲線平坦和準確性高的優點，但其響應速度慢、靈敏度低。為解決以上問題，本文設計并實現一種基于電加熱式的寬光譜量熱型光功率計。

1 電加熱式量熱型光功率計的原理與實驗測試

1.1 量熱型光功率計的結構和工作原理

與光電型探測器相比，量熱型探測器具有測量準確度高和穩定性好的優點，然而傳統的量熱型探測器又有響應速度慢和靈敏度低的缺點。因此，本文設計了一款量熱型探測器并將其應用于光功率計中。該探測器采用絕對輻射計的測量原理[5,6]，利用較快的電加熱方式代替傳統的輻射加熱方式對光功率進行測量，可以有效提高響應速度和靈敏度。

量熱型探測器主要由吸收層、加熱層、基板、熱電堆、熱電式測量裝置、電功率測量裝置和可變電阻等部件組成，通過傳輸線與高精度功率計相連，組成了電加熱式的量熱型光功率計。量熱型光功率計的結構示意圖如圖1所示?？扉T可手動控制，用于保護探測器的清潔。在光闌處設置光纖接口，可連接多種常用單多模光纖和轉換接頭。光源進入探測器后被吸收層吸收，熱電勢測量裝置通過加熱層、基板和錐形腔對熱電勢進行測量。電功率測量裝置用于對量熱型探測器進行電校準和各光譜的響應度校準。量熱型探測器與高精度功率計連接可測量紫外到近紅外光譜范圍內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的結構原理示意圖

1.2 量熱型光功率計的實驗測試

量熱型光功率計在首次使用或長時間未使用后，應對量熱型探測器進行電校準：①將探測器輸出引線連接到指示儀器的輸入端，并將探測器移入光路，測出探測器的暗電勢。②打開快門，光源束進入探測器內，探測器輸出信號。③關閉快門，遮斷光源束，探測器輸出暗電勢，經計算可得出相應的光源有效輸出電勢。④閉上開關，調節可調電阻，使探測器輸出近似于光源束進入探測器時的輸出電勢。⑤拉開開關，使電路斷開，讀出探測器的輸出信號，得出電加熱引起的輸出電勢。電校準完畢后即可連接量熱型探測器與高精度功率計進行光功率的測量。

本文按JJG965-2013《通信用光功率計》國家檢定規程中的要求使用EXFO標準穩定光源對該光功率計進行光功率測量準確度和穩定性實驗。在準確度實驗中，分別選用850nm、1310nm、1490nm和1550nm共4個波長的光源進行測試，得到的結果如表1所示。

表1 電加熱式量熱型光功率計的光功率測量準確度實驗結果

從表1可以看出，本文設計的電加熱式量熱型光功率計測量準確度和線性參數優良。

在穩定性實驗中，同樣選用 850nm、1310nm、1490nm和1550nm這4個波長的光源進行測試，以-10dBm為參考點，30s為間隔，共測量10次。在此過程中，光源和衰減器本身的功率變化可忽略不計，得到的實驗結果如圖2所示。

圖2 電加熱式量熱型光功率計的光功率測量穩定性實驗結果

標準偏差能反映一個數據集的離散程度，標準偏差越小，這些值偏離平均值就越少。我們根據穩定性測試得到的實驗數據，利用貝塞爾公式計算光功率計測量850nm、1310nm、1490nm和1550nm這4個波長光源光功率時的標準偏差，得到的結果分別為0.003dBm、0.003dBm、0.002dBm和0.002dBm，可以看出本文設計的電加熱式量熱型光功率計具有良好的穩定性。

2 結束語

本文將電加熱式量熱型探測器與高精度功率計連接使用，實現了電加熱式量熱型光功率計，該光功率計可對紫外到近紅外的光功率進行準確和快速地測量，解決了傳統量熱型光功率計響應時間慢和靈敏度差的問題。但是與光電型光功率計相比，本文設計的光功率計在響應時間方面還有所欠缺，可在今后的實驗中進行重點研究。

[1]李然，李莉，傅棟博，等.光功率計計量現狀及分析[J].現代電信科技，2015，45（3）：44-46.

[2]PALAIS J C.光纖通信[M].王江平，劉杰，聞傳花，等譯.北京：電子工業出版社，2006.

[3]HECHT J，賈東方，余震虹，等.光纖光學[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4]郭恒，周波，唐繼烈，等.光通信用1.3μm激光功率標準裝置[J].計量學報，1996，17（3）：167-172.

[5]楊東軍，方偉，葉新，等.絕對輻射計參數測量的實現[J].計算機測量與控制，2009，17（10）：1892-1894.

[6]王玉鵬，方偉，弓成虎，等.雙錐腔互補償型絕對輻射計[J].光學精密工程，2007，15（11）：1663-1667.

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，主要從事光學計量與測試方面的工作。