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光功率计

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发表于 2007-12-4 22:36:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
图一所示为基本的光功率计构造图。从光纤出来的光照射到光检测器上,而光检测器再将此侦测到的光功率转换为一个等比例的电流,此电流再经过一个转阻放大器(将电流转换成电压后),再经过ADC(Analog to Digital Converter,转换为数字信号),最后经过数字处理后,将光功率大小显示在屏幕上。在光检测器中,输入光功率与输出电流之间的转换效率,我们称之为反应度(responsivity),单位是Amps/Watt。


图一 光功率计构造图

依照检测输入光的方法,光功率计可以分为以下两种:
热检测器(Thermal detector):藉由吸收输入的光能量,而造成温度差的原理,来量测光功率。
光电检测器(Photodetector):藉由吸收输入光子的能量,而产生的电子电洞对,来量测光功率。

表一 两种光检测器的比较:
类别
特性        用热检测器原理制成的Power Meter        用光电检测器原理制成的Power Meter
波长相依性        与波长无关        与波长有关
自行校准        可        不可
灵敏度        很低(典型值约10m W)        很高(最低可达1pW以下)
精确度        ± 1%(依量测方法而定)        ± 2%(依量测方法而定)
 
一、热检测器(Thermal detector)
如图二所示,输入光照射到一个吸收物质(例如由黑色涂料制成)上,而此吸收物质与一个热电阻非常紧密地黏合在一起。为了使热电阻上的热量均匀分布,热电阻背后须再黏合一个绝缘的银金属片,而此银金属片也涂上黑色涂料。由于光照射后,吸收层和参考面之间会产生温度差,因此热电堆(由很多的热电偶连接而成,且与银金属片距离非常近)就会输出一个电压值,而此电压值又与温度差成比例,所以从输出电压值就得知输入的光功率值。在图中,我们将一个很大的热块(thermal mass)当作参考面,此热块必须足够大以维持恒温,才能做量测的动作。

图二 热检测器构造图

二、光电检测器(Photodetector)
图三为使用光电检测器原理制成之光功率计的横切面。在连接器上的抗反射涂料、针孔(Pinhole)及检测器的角度位置等处理,都是为了避免多重的反射。而使用一个热电冷却器(thermoelectric cooler)来保持温度稳定是为了确保量测结果能够稳定。此光电检测器操作在零偏压的状态,则是为了消除任何的补偿电流(offset current)。

图三 光电检测器之横切面图
光电检测器最大的优点是可以量测到低于1pW (-90dBm)的功率,而最大的缺点是反应度与输入光波长有关,如图四所示为各种材质的光电检测器对不同输入光波长的反应度关系图,所以为了要得到精确的光功率测量,输入光的波长必须事先知道。但是由于光电检测器有极佳的灵敏度、甚短的量测时间及容易使用等优点,使得这种检测器成为现今最重要的光功率量测器。

图四 光电检测器之反应度与波长的关系图

设计光功率计时,其接收功率必须与光输入讯号的偏振状态(Polarization state)无关,因为光纤的任何移动都会改变输入光的偏振状态,而影响检测器侦测的准确度。
另外要考虑的是光检测器所造成的反射现象。因为反射会使得讯号回授到光输入源,而改变其输出的功率值及频谱特性,所以反射量当然越低越好。
此外,一个良好的光功率计,还要具备以下几个条件:
1.很高的温度稳定度;
2.宽线性的功率范围;
3.与各种种类光纤的兼容性佳。

在光功率的单位方面,可用mW、m W或dBm等单位表示,其中dBm与mW的关系为:X dBm = 10×log(X/1mW)。一般光电检测器可量测的光功率范围在-110 dBm到+10 dBm之间。最高的量测功率,是受限于检测器中会引起反应度减少的饱和效应(Saturation effect),在做高功率的量测时可用光衰减器来辅助。最低的量测功率,是由检测器中的暗电流(dark current)所限制(暗电流是没有光讯号输入时,检测器输出的电流量),而最低的量测功率将受限于光的粒子特性。在最灵敏的量测中,入射光的光子数可以被计算出来。
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