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1、光 纤与 电缆及其应 用技 术 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 年第?期 ? ? 光损耗?回损测试仪表的研究 徐团胜 魏亚昆吴华 摘 要 本文对光损耗?回损测试仪表进 行了研究 , 同时讨论了提高测量 精度 的几个 关键技 术问题 , 最后给出了科研 样机的参数 指标 。 关被词 光损耗回波损耗测试仪表 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 姗 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?加? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?哪 , ?
2、? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ! ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?呢? ? ? ? ? 呢 ? ? ? ?, ? ? ? ? ? ! ? ? ? ? ? ? ? ? ! ? ? ? ? ? ? ? 油? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 前言 光损耗? 回损测试仪又称光多用表 , 它是 集光功率计 、 光源 、 光回波损耗测试系统为一 体的光仪表 , 它的作用不仅可以测量光功率 , 还可测试光纤损耗 、 光回波损耗 , 或作 为一台 稳定化光源使用 。 它广泛应 用于光通信工 程
3、, 光纤 、 光器件的制造以及光传感 、 光纤数 据传输等众多光纤技术应用领域 。 光损耗?回损测试仪 由三个模块组成 ? 光 源模块 、 光功率测试模块 、 光回损测试模块 , 如图 ? 所示 。 率 , 光源模块 可驱动并控制发光器件输出稳 定的光信号 , 光回损测试系统可在光源模块 以及光功率测试模块的协同工作下 , 测试光 纤终端 、 光器件的回波损耗 。 下面是对这三 种模块工作情况的详细叙述 。 ? 光功率测试模块 一勺户于二 匡互巫团? 二 亘 卜洲亘巫 巫 亘 光源 模块 光光功率测试模块块 光光回损测试系统统 面板按键 图 ? 光 损耗?回损测试仪的原理框图 光功率测试模块可
4、测量输入光信号的功 男 , ? ? 年出生 , 助理工程师 , 武汉邮电科学研究院器 件所 ? 武汉市洪山区邮科 院路? ?号? ? ? ? ? 收稿日期 ? ? 一?一? ? 图? 光功率测试模块原理框图 ? ? 光电二极管接收光信号 , 实现? ? ? 变换 , 再经前置放大器 , 即? ? ? 变换器进 行 放大 , 实现了 ? ? ? 变换 , ? ? ? 控制光电转换 的放大部分 , 根据输入信号 的大 小选 择不同 的放大 电阻 , 实现自动换档 。 定标部分对输 入信号进行定标 , 同时 ? ? 对定标部分进行 档位控制 , 可实现多波长光信号 的定标 。 模 数转换部分将输入的
5、模拟信号转换成数字信 号 , 以便 ? ? ? 进行处理 , ? ? ? 能对信号进行 处理及对各部分进行控制 。 ? ? 驱动部分实 现对液晶显示的驱动 , 面板按键实现功能选 光纤与 电缆及其应用技术 ? ? 年第?期 ? ? “? ? 沐 追哥 杯妇娜 择 。 以下为光电转换及放大部分的计算 ? ? ? ? ? ? 。 ? 朴为光生电流 , 尸为探测功 率 , 乓 为探测器 的光 电响应度 。 光电二极管 的输 出光电流与 探测光功率成正比是在输出 短路的情况下 , 这要 求光探测器的下一级即 ? ? ? 变换级 的 输入 阻抗极低 , 我们采取如图?的电路 ? ? ? 为 光探测器 ,
6、 ? ? 为模拟 开关 , ? 了 为放大 电阻 , ? ? 为运算放 大器 。 ? ? 我 们采 用斩波稳零 ? ? ? 运算放大器 , 它具有高输入阻抗 、 高 共模抑制比 、低 功耗 、 极低的输入失调电压和 温度漂移等特点 , 它比通 常使用的斩波稳零 运算放大器?节省电流 ? , 同时还不需 要外接电容 。 ? ? ? 的输入偏置电流为 ? , 开 环 增益 ? ? ? 。 由? ? ? 变 换电路 知 ? ? 。? 一 ? 。? ? ? 当输入偏流为? ?时 , ? , 寿 , 故 ? , 可忽略不 计 。 ? ? ? ? ? 一 ? 。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
7、, ? ? ? ? ? ? ? ? , ? 由此可得等效输入电阻 ? 、? ? ? ? , ? ? , ? ? ? ? ? ? ? 光源驱动模块 区卜画蔽丽卜陌 丽露间 回? ? 功率驱动 州 差值放大 ? 温度补偿 面面板按键 键 图 ? 光源驱动模块原理框图 光源驱 动模块中 ? 、 ? 为一发光器件 的两个部分 , ? 为探测部分 , ? 为发光部 分 。 光电转换部分是将 ? 接收的光信号监 测光功率 , 经互阻抗放大器? ? ? 转换 , 将所 检测到的光 电流转换成与此成线性关系的电 压输出 , 低通滤波电路将内调制信号作滤波 处理 , 经温度特性修正 , 差值放大驱动激光器 工作
8、 。 ? ? ? 提 供内部调制及工 作状态控制 ? 、 ? ? , 面板按键可进行工作状态的选 择 , 图 ? 为一激光器的参数 曲线 。 探测电流?必 ? ? ? ? 州州? ? , , , ? ? ? ? ? ? 尸? 一一 ? ? ? ? ? ? ? , , , ? ? ? ? 一一 ,? ? ? ? ? 刀刀 ? ? ? ? ? ? ? ? 驱动电流加? 图? ? ?运放电原理图 当 ? 。 很大? ? ? ? ?时 , ? 、? ? , 满足探测器需 要负载极低的要求 。 图 ? 为光电转换及放大 部分的电原理图 。 图? ? 激光器指标参数曲线 图 ? 中曲线 ? 为激光器在?
9、? 时的出 光功率曲线 , 曲线? 为激 光器在? ? 时的出 光功率曲线 , 曲线 ? 为激光器在? ? 时的探 测电流曲线 , 曲线? 为激光器在? ?时的探 测电流曲线 。 从图中可以看出曲线 ?和曲线 徐团胜等 ? 光损耗?回损测试仪 表的研究 ? 近似平行 , 它们之 间的横坐标距离为? ? ? ? ? ! , 如 果要使激光器从 2 5 至 6 5 保持 lmw 的光输出 , 则驱动电流要有1 0 .4n1 A 的 变化 , 1 0 . 4 mA 的变化单靠监测电流的作用是 很难办到的 , 因此我们加了一级温度补偿以 实现大温度范 围内的光功率输出恒定 。 温度 补偿电路原理是 :
10、 该电路的从随温度的变化 而变化 , 当温度升高时V t随之 下降 , 当温度 下降时 V t也随之升高 。 由式(8 )知温度升高 时V o增大驱动 电流增加 , 这样就补偿了因温 度升高而造成的输出光功率的下降 , 同理 由 式(8 )可知温度降低 V o减小 , 驱动电流下降 , 这样就补偿了 因温度下降造成的输出光功率 的上升 。 温度补偿 电路这种特性正好补偿了 LD 发光器件因温度变化而造成 的输出功率 的波动 。 图6为驱动部分电原理 图 。 度校 正电压及参考 电压共同作用得到 , 其中 温度校正电压可使光源输 出的光功率在O 一 50的变化范 围内保持相对 稳定 , 即变 化
11、 范围不超过0 .4 d B 。 4 回损测试系统模块 在回波测试 系统中核心为一光藕 合器 , 光祸合器为一光学器件 , 它能将光信号定 向 传输和分路 。 它分为一对多 、 多对多等品种 。 我们采用2 x 2 的SM光纤藕 合器 。 在我们 设计的回波测试系统里我们采用如图 7 所示 的光路 。 建接.泪目 妾县 料面角连接协 光光光 汀汀汀 料面角连接. 图6驱动原理图 V X R , /(R l+ R , ) + V o X R l / (R l+ R , ) = V R 厂/ (R l + R r ) ( 5 ) V = (巧 + V t )(6) V i , = v 可( 7 )
12、 巧为 PD 的监测电压 , V t 为温度校正电压 , R 了为反馈 电阻 , 从 , 为参考电压 。 由式(5) 、 (6) 、(7 )可得式(8) V o = 从 , ( R厂/(R l , + R厂) ) 一 (巧 + V t ) (R , / (R l+ 、 R 了) ) / (R l/ ( R ;+ R , ) )(8) 由式(8 )可知 , 差动输出电压由监控电压 、 温 图7回损测试系统的光路图 根据下式计算器件回波损耗R : R :=一 1 0馆(P ;一 P l , )/ P o + 10 l gT 4 、 Z R d B ( 9 ) 尸1为C端与被测回损 的器件或系统相连
13、接 时在 B 端所测的光功率值 , P o为光纤藕合器 2的1端入射的光功率值 , P l 为 C 端涂覆匹 配液并不与任何器件相连时B端所测的光功 率值 , T 4 、 2 为藕合器 2 的传输系数 。 测试回 波时将B端与光探测器相连 , 同时接通光源 , 这样就可测试回波损耗 。 在本测试系统中要 提高测试精度有以下几个问题应注意 。 1 ) 光功率计的探测灵敏度 光功率计的探测灵敏度即光功率计的最 小探测功率 , 它取决于光 功率计的光探测器 指标参数及前置 I / V 运放的设计 , 我们采用 转换效率高 , 暗电流小的 P I N 光探测器 , 我们 的电路设计也能满足测 0 .I
14、 n w 光功率的要 求 。 由式( 1 )可得朴 = 尸x乓 光电响应度 几 光纤与电缆及其应用技术 1996 年第6期 取0 .sr L A/nw , 探测光 功率 尸取0 .Inw , 则 0 .In w的光信号产生的光电流 8 0 pA 远大于 I /v运放 的偏置 电流 S PA , 所以我们设计的 I / V 运放可满足测0 .I n w 光信号 。 2 ) 光源稳定性 光源稳定性包括输出功率稳定性和中心 波长的稳定性 。 光源稳定性是提高测试光纤 损耗和光回损精度的基础 。 在我们设计的光 源模块中加入 了温度补偿 , 光源 可在 0一 50温度 范 围保 持稳 定 的 光输出
15、, 稳 定度 ) O .4 d B 。 由于光源具有较高的稳定度 , 我们 在设计光回损测试模块时就采用如图7的光 路 , 即设 P o为一稳定值 , 这样就简化了测试 环节 , 使较繁杂的测试变得简单 , 同时也减少 了一外接测试插头 , 使整机的外形结构变得 更简洁 。 中心波长的稳定性对整个测试系统 也是很重要 的一个 指标 , 我们要求中心波长 的波动在 士2 0nm 以内 , 这是因为我们仪表内 采用了光纤藕合器 , 光纤藕 合器是一光无源 器件 , 它的指标参数中分光比这一参数对波 长比较敏感 , 如图8所示 。 参数指标 。 试验结 果表明 , 光藕合器 的方向 性越好 , 测出的光回波损耗值也越精确 , 同时 藕合器的方向性也决定了所测回波 的最 小 值 , 因为所测回波 的最小值决不可能 小于光 纤祸合器的方 向性 。 下表为几个方向性不同 的光纤藕合器测试同一器件的回波损耗值的 数据表 。 回波损耗测试数据 1234 方向性/d B 回损/d B 一 5 3 一 5 8 4 85 1 该器件的回波损耗/d B 粼/ 厂/ “一. 而亩一下节一- 丁务 刀脚m 图8 光纤祸合 器的分 光比与波长关系的曲线 中心波长的稳定性
