Меню

Измерители мощности с фотодиодом

Оптические измерители мощности

Оптические измерители мощности (Optical Power Meter — ОРМ) используются для измерения оптической мощности сигнала, а также для измерения затухания в кабеле. Эти измерители являются столь же распространенным прибором для инженеров, связанных с оптоволоконными системами, как мультиметр для инженеров-электронщиков.

Оптические измерители мощности обеспечивают как измерение кабельных линий, так и анализ работы терминального оборудования, передающего сигнал в оптическую линию. В паре со стабилизированным источником сигнала OPM обеспечивает измерение затухания — основного параметра качества оптической линии. Особенно важным классом измерений для OPM является измерение параметров узлов оптической линии (участков кабеля, интерфейсов, сварочных узлов, аттенюаторов и т.д.).

Основными параметрами OPM являются:
тип детектора
линейность усилителя
точность и график необходимой калибровки
динамический диапазон
точность и линейность работы
возможность поддержки различных оптических интерфейсов

Оптический детектор
Наиболее важным элементом оптического измерителя мощности является оптический детектор, который определяет характеристики самого прибора.

Оптический детектор представляет собой твердотельный фотодиод, который принимает входной оптический сигнал и преобразует его в электрический сигнал заданной интенсивности. Полученный электрический сигнал идет через АЦП на сигнальный процессор, где производится пересчет полученного электрического сигнала в соответствии с характеристикой твердотельного фотодиода в единицы измерений (дБм или Вт), представляемые затем на экране прибора (рис. 1). Для обеспечения стабильной работы твердотельного фотодиода используется термостабилизирование. Основной характеристикой прибора является характеристика зависимости выходного сигнала фотодиода от мощности входного оптического сигнала на разных длинах волн, точнее равномерность этой характеристики. В зависимости от этого сигнальный процессор в большей или меньшей степени должен компенсировать возможную нелинейность характеристики. В результате, если характеристика фотодиода сильно неравномерна, для ее компенсации сигнальный процессор должен иметь более сложную структуру. С другой стороны, более высокотехнологичный фотодиод будет иметь более равномерную характеристику, при этом сигнальный процессор может быть довольно простым. При разработке OPM основным вопросом является выбор «золотой середины» между стоимостью высокотехнологичного фотодиода и сложностью/стоимостью сигнального процессора. Необходимо также учитывать, что некачественный фотодиод может иметь низкую стабильность характеристики по времени, что потребует регулярной калибровки прибора. Другой важной характеристикой фотодиодов является спектральная характеристика, т.е. зависимость эффективности работы фотодиода от длины волны передаваемого сигнала, где эффективность работы фотодиода определяется отношением тока на выходе к мощности принимаемого сигнала. Эта характеристика определяет диапазон использования различных фотодиодов в приборах. На рис. 2. представлены характеристики для трех основных типов фотодиодов: кремниевого (Si), германиевого (Ge) и на основе сплава арсенида галлия (InGaAs).

Из рисунка видно, что кремниевый фотодиод может с успехом использоваться при измерениях оптического сигнала от 800 до 900 нм. На практике, оптические измерители мощности, использующие этот тип детектора калиброваны на более широкий диапазон — от 400-450 до 1000 нм. Для измерений в одномодовых волоконных кабелях 1310 и 1550 нм, получивших наибольшее распространение в современных системах связи, обычно используются германиевые детекторы или фотодиоды на основе сплава InGaAs (табл. 1). Соответственно, OPM , использующие эти фотодиоды, калиброваны в диапазонах от 780 до 1600 нм для Ge и от 800 до 1700 нм для InGaAs. Учитывая, что детекторы на основе Ge и InGaAs имеют сходную полосу пропускания, возникает закономерный вопрос о преимуществах и недостатках того или другого фотодиода. Из рисунка видно, что детекторы на основе InGaAs имеют более широкий спектр измерения по длинам волн, что позволяет создавать универсальные OPM , калиброванные на все три длины волны: 850, 1310 и 1550нм.

Таблица 1. Типы детекторов OPM в зависимости от длины волны в ВОСП Рабочая длина волны Оптимальный тип детектора
850 нм Si (кремний)
850/1300 нм Ge (германий) и InGaAs
1300/1550 нмнм InGaAs
850/1300/1550 нм InGaAs

Важным параметром ОРМ является устойчивость его работы при различных уровнях шумов. Основные источники шумов в оптических детекторах — квантовый шум, остаточный ток и поверхностный ток утечки. Квантовый шум обусловлен статистической конверсией фотонов в электроны на поверхности детектора. Остаточным током называется поток заряженных частиц при отсутствии светового сигнала. Ток утечки зависит от наличия дефектов на поверхности детектора, чистоты поверхности и напряжения смещения. У детекторов на основе сплава InGaAs остаточный ток намного меньше, чем у детекторов на основе Ge.

Дополнительным фактором увеличения уровня шумов является температура (температурный шум). Так, например, остаточный ток детекторов на основе Ge значительно зависит от температуры, в то время как для детекторов InGaAs он практически не зависит от нее. Таким образом, OPM на основе детекторов InGaAs могут устойчиво работать в широком диапазоне температур без необходимости дополнительной стабилизации. В то же время детекторы на основе InGaAs являются довольно дорогими, что обеспечило высокое распространение OPM на основе Ge при прокладке и эксплуатации оптических кабелей в полевых условиях, поскольку такие OPM имеют эффективное соотношение цена/качество. OPM на основе InGaAs используются в основном в лабораториях для проведения измерений с высокой точностью, но могут успешно использоваться и при эксплуатации.
Другим важным параметром OPM является принцип работы усилителя электрического сигнала детектора, который оказывает влияние на линейность работы OPM, его чувствительность и функциональность.

Читайте также:  Определить реактивную мощность потребляемую заданной схемой если

В практике современной техники усиления используются два основных принципа усиления:

  • логарифмическое
  • линейное

Использование логарифмического усиления не обеспечивает должной точности измерений и характеризуется рядом недостатков. Обычно OPM представляет результаты измерений в дБм или в Вт, приборы с логарифмическим усилителем не позволяют представлять результаты измерений в Вт, а технология логарифмического усиления, использующая обычно транзисторный р-n переход, приводит к дополнительной зависимости работы усилителя от температуры. Для проведения измерений на нескольких длинах волн логарифмические усилители требуют до 4-6 потенциометров, что также приводит к нежелательным последствиям в результате окисления потенциометров. Таким образом, использование принципов логарифмического усилителя приводит к низкой точности ОРМ и необходимости частой калибровки прибора.

Всех перечисленных недостатков практически лишены усилители, построенные на основе линейного усиления. Обычно они хорошо стабилизированы, что дает возможность компенсировать как ошибки начального сдвига, так и сдвиг сигнала в процессе измерений из-за климатических и прочих причин. Современные OPM содержат специально калиброванные данные в EEPROM, которые используются в режиме автокалибровки линейных усилителей в процессе измерений.

Точность измерений и график калибровки
Точность измерений и график калибровки для оптических измерителей мощности является еще одним важным параметром, поскольку в зависимости от точности изготовления детектора и параметров работы усилителя его характеристики могут изменяться. Этот параметр определяет стабильность работы прибора в процессе эксплуатации. Как уже отмечалось выше, приборы имеющие линейный усилитель и систему автокалибровки, являются предпочтительными еще и потому, что не требуют частой поверки.

Динамический диапазон
Наиболее существенными характеристиками OPM , которые необходимо учитывать при выборе приборов, являются динамический диапазон, разрешающая способность и линейность работы. Все перечисленные параметры напрямую связаны с описанными выше параметрами элементов OPM и особенно важны при выборе оборудования.

Линейность и точность
Самым важным критерием выбора ОРМ являются линейность его работы и точность. Под точностью понимается метрологическая точность, т.е. соответствие между измеренным значением параметра и значением, измеренным эталонным калиброванным прибором. Линейность прибора определяется стабильностью результатов измерений в зависимости от уровня сигнала, температуры, разрешения по длине волны и т.д.

Источник



Измерители мощности с фотодиодами

Большим преимуществом ФД является то, что они способны измерять модулируемую высокочастотную мощность уровня менее 1 пВт (-90 дБм), однако из-за значительной зависимости от длины волны их полоса пропускания обычно не превышает одной октавы. Тем не менее, на сегодняшний день вследствие высокой чувствительности, малой инерционности и простоты использования ФД является наиболее распространенным фоточувствительным элементом. Эти элементы широко используются в большинстве измерительных средств, применяемых в телекоммуникациях.

Исходя из функционального назначения ФД, при их рассмотрении пользуются понятием чувствительности, так как в результате воздействия оптического излучения на ФД он создает фототок, интенсивность (оптическая мощность) которого пропорционально числу фотонов. Согласно, чувствительность ФД определяется отношением фототока к оптической мощности:

а при наличии усиления M выражением:.

Используя выражение для оптической мощности фотона за время Dt при частоте световой волны n, вместо (1-1) получим:

где h – постоянная Планка, c – скорость света, e – заряд электрона; h- квантовая эффективность, равная 1 для PIN-диода, l – длина волны.

Мгновенное значение тока фотодиода определяется выражением:

где E(t)-напряженность поля излучения.

На практике ФД отклоняются от этой зависимости, так как:

  • существует верхняя критическая длина волны, за пределами которой энергия фотона становится ниже энергии запрещенной зоны п/п материала, что приводит к резкому снижению чувствительности;
  • при короткой длине волны некоторые фотоны поглощаются за пределами i-области фотодиода;
  • происходит снижение чувствительности вследствие промежуточной рекомбинации;
  • любые отражения от поверхности или внутри фотодиода уменьшают чувствительность.

Последний фактор очень важен, так как отражения могут создавать значительные погрешности при измерении оптической мощности и вносимых потерь. Так, чистый InGaAs имеет показатель преломления, равный 3,5, что приводит к 31% отражений, для уменьшения которых обычно используются антиотражательные, например, четвертьволновые однослойные покрытия. Они уменьшают уровень отражений до 1% в пределах ограниченного диапазона длин волн. Если такой уровень отражений необходим в более широком диапазоне длин волн, используют многослойные покрытия. Следует отметить, что в некоторых случаях наблюдается периодическая структура отражений, что приводит к возникновению трудно устранимых оптических помех.

Спектральная чувствительность

Чувствительность на единицу интервала длин волн на данной длине волны называется спектральной чувствительностью ФД. На рис. 1-1 и 1-2 показаны нормализованные типовые чувствительности для различных типов ФД, откуда видно, что кремниевые ФД эффективны в диапазоне коротких волн 500-1000 нм, а в области длинных волн эффективны германиевые и InGaAs ФД. Германий можно рекомендовать для измерения мощности в относительно узком спектре в диапазоне длин волн 1300-1550 нм. Так в диапазоне длин волн 1550 нм германиевый ФД имеет погрешность 1%/нм. В отличие от них InGaAs ФД существенно меньше зависят от длины волны в районе 1550 нм (погрешностью менее 0,1%/нм), что важно при измерениях на ОУ типа EDFA (в диапазоне 1525-1570 нм).

Читайте также:  Как найти входную мощность усилителя 1


Рис. 1-1. Зависимость чувствительности PIN-диодов от длины волны.


Рис. 1-2. Зависимость чувствительности APD-диодов от длины волны.

Термостабилизация

Чувствительность германиевого ФД имеет относительно небольшую температурную зависимость для большей части диапазона длин волн, в то время как выше 1550 нм, наблюдается значительная температурная зависимость. Ее можно описать, как смещение верхней критической длины волны с коэффициентом приблизительно 1 нм/К. Примерно такое же смещение можно наблюдать в InGaAs ФД в районе 1650 нм. По этой причине измерители мощности с термостабилизированными фотодиодами имеют лучшую воспроизводимость результатов измерений.

Прокрутить вверх

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Источник

Оптические измерители мощности

Оптические измерители мощности (Optical Power Meter — ОРМ) используются для измерения оптической мощности сигнала, а также для измерения затухания в кабеле. Эти измерители являются столь же распространенным прибором для инженеров, связанных с оптоволоконными системами, как мультиметр для инженеров-электронщиков.

Рис. 1. Оптический измеритель мощности «GN 6000»

Оптический детектор

Наиболее важным элементом оптического измерителя мощности является оптический детектор, который определяет характеристики самого прибора.

Рис. 2. Схема устройства оптического измерителя мощности

Рис. 3. Характеристики зависимости выходного сигнала фотодиода от длины волны принимаемого сигнала

Из рисунка видно, что кремниевый фотодиод может с успехом использоваться при измерениях оптического сигнала от 800 до 900 нм. На практике, оптические измерители мощности, использующие этот тип детектора калиброваны на более широкий диапазон — от 400-450 до 1000 нм. Для измерений в одномодовых волоконных кабелях 1310 и 1550 нм, получивших наибольшее распространение в современных системах связи, обычно используются германиевые детекторы или фотодиоды на основе сплава InGaAs (табл. 1). Соответственно, OPM , использующие эти фотодиоды, калиброваны в диапазонах от 780 до 1600 нм для Ge и от 800 до 1700 нм для InGaAs. Учитывая, что детекторы на основе Ge и InGaAs имеют сходную полосу пропускания, возникает закономерный вопрос о преимуществах и недостатках того или другого фотодиода. Из рисунка видно, что детекторы на основе InGaAs имеют более широкий спектр измерения по длинам волн, что позволяет создавать универсальные OPM , калиброванные на все три длины волны: 850, 1310 и 1550нм.

Таблица 1. Типы детекторов OPM в зависимости от длины волны в ВОСП
Рабочая длина волны Оптимальный тип детектора
850 нм Si (кремний)
850/1300 нм Ge (германий) и InGaAs
1300/1550 нм InGaAs
850/1300/1550 нм InGaAs

Важным параметром ОРМ является устойчивость его работы при различных уровнях шумов. Основные источники шумов в оптических детекторах — квантовый шум, остаточный ток и поверхностный ток утечки. Квантовый шум обусловлен статистической конверсией фотонов в электроны на поверхности детектора. Остаточным током называется поток заряженных частиц при отсутствии светового сигнала. Ток утечки зависит от наличия дефектов на поверхности детектора, чистоты поверхности и напряжения смещения. У детекторов на основе сплава InGaAs остаточный ток намного меньше, чем у детекторов на основе Ge.

Рис. 4. Оптический измеритель мощности FOD 1202

Рис. 5. Оптический измеритель мощности FOD 1204

В практике современной техники усиления используются два основных принципа усиления:

  • логарифмическое
  • линейное

Рис. 6. Оптический измеритель мощности «LP 5000»

Всех перечисленных недостатков практически лишены усилители, построенные на основе линейного усиления . Обычно они хорошо стабилизированы, что дает возможность компенсировать как ошибки начального сдвига, так и сдвиг сигнала в процессе измерений из-за климатических и прочих причин. Современные OPM содержат специально калиброванные данные в EEPROM, которые используются в режиме автокалибровки линейных усилителей в процессе измерений.

Рис. 7. Оптический измеритель мощности «PM 1100»

Точность измерений и график калибровки

Точность измерений и график калибровки для оптических измерителей мощности является еще одним важным параметром, поскольку в зависимости от точности изготовления детектора и параметров работы усилителя его характеристики могут изменяться. Этот параметр определяет стабильность работы прибора в процессе эксплуатации. Как уже отмечалось выше, приборы имеющие линейный усилитель и систему автокалибровки, являются предпочтительными еще и потому, что не требуют частой поверки.

Рис. 8. Оптический измеритель мощности «АЛМАЗ 21»

Динамический диапазон


Линейность и точность

Самым важным критерием выбора ОРМ являются линейность его работы и точность. Под точностью понимается метрологическая точность, т.е. соответствие между измеренным значением параметра и значением, измеренным эталонным калиброванным прибором. Линейность прибора определяется стабильностью результатов измерений в зависимости от уровня сигнала, температуры, разрешения по длине волны и т.д.

Возможность поддержки различных оптических интерфейсов

Возможность поддержки различных оптических интерфейсов в современных оптических системах передачи также является важным условием выбора прибора. Современные оптоволоконные сети используют различные оптические интерфейсы. Наиболее распространенные типы оптических интерфейсов представлены на рис. 9.

Рис. 9. Наиболее распространенные типы оптических интерфейсов

Все перечисленные параметры определяют характеристики оптических измерителей мощности, представленных на отечественном рынке.

Таблица 2. Основные характеристики оптических измерителей мощности
Модель
(Производитель)
Тип детектора Диапазон,
дБм
Длина
волны, нм
Точность,
Дб
Габариты,
мм
Вес,
г
Алмаз 21
(н/д)
н/д -70. +3 850/1310/1550 0.5 200x100x40 280
GN 6000(C)
(Nettest)
InGaAs -70. +5
(-60. +20)
850/1300/1310/1550 0.25 160x83x33 220
GN 6025(C)
(Nettest)
InGaAs -70. +3
(-60. +20)
850/1300/1310/1550 0.2 150x85x40 500
LP 5000
(Nettest)
Ge -55. +10
-60. +10
850/1300
1310/1550
0.3 146x76x38 295
LP 5000(C)
(Nettest)
Ge -40. +20
-45. +20
850/1300
1310/1550
0.3 146x76x38 295
PM 1101
(Exfo)
Si -100. +10 450-1100 0.2 38x262x120 630
PM 1102
(Exfo)
Ge -75. +25 750-1700 0.2 38x262x120 630
PM 1103
(Exfo)
InGaAs -100. +10 800-1700 0.2 38x262x120 630
ОТ-30
(Оптел)
н/д -60. +3 850/1300/1550 н/д 160х85х30 400
OLP-6
(Wavetek)
н/д -60. +5 780/850/1300/1310/1550 н/д 140х73×28 200
OLP-8
(Wavetek)
н/д -50. +23 980/1300/1310/1480/1550 н/д 140х73×28 200
1202
(FOD)
InGaAs -60. +3 850/1310/1550 н/д 150х90×30 300
1202Si
(FOD)
Si -60. +3 660/780/850 н/д 150х90×30 300

Стабилизированные источники оптического сигнала

Стабилизированные источники оптического сигнала (Stabilized Light Source — SLS) выполняют роль ввода в оптическую линию сигнала заданной мощности и длины волны. Оптический измеритель мощности принимает этот сигнал и, таким образом, оценивается уровень затухания, вносимого оптическим кабелем. Иногда в качестве стабилизированных источников оптического сигнала используются источники сигнала линейного оборудования. Это имеет место в уже развернутой работающей сети.

Рис. 10. Источник оптического сигнала «Алмаз 11»

Рис. 11. Схема устройства стабилизированные источники оптического сигнала

Эти источники отличаются, главным образом, характеристикой добротности источника — шириной полосы излучения. Лазерные источники имеют самую высокую добротность, источники белого света — самую низкую.

Ниже подробно рассматриваются характеристики источников перечисленных типов. На рис. 10. показана сравнительная характеристика добротности лазерного и светодиодного источника сигнала.

Рис. 12. Спектральная характеристика лазерного и светодиодного источников

Лазерные источники оптического сигнала

Эти источники имеют узкую полосу излучения и генерируют практически монохроматический сигнал. В отличие от светодиодных источников сигнала, лазерные источники не имеют постоянной характеристики в излучаемом диапазоне. Характеристика лазерного источника имеет несколько дискретных частот излучения по краям основной частоты. Таким образом, спектральная характеристика лазерных источников характеризуется значительной неравномерностью, что может приводить к искажениям при измерениях (см. об этом ниже). Эти источники являются самыми мощными, однако самыми дорогими. Они используются для измерения оптических потерь в одномодовом кабеле на большом расстоянии (уровень потерь более 10 дБ). Для измерения многомодовых кабелей обычно не рекомендуются лазерные источники из-за дисперсии в кабеле.

Рис. 13. Источник оптического сигнала «GN 6150»

Светодиодные оптические источники


Источники белого света с использованием вольфрамовой лампы

Источники белого света могут использоваться для измерений, не требующих особой точности, а также для визуального обнаружения обрывов или деградации кабеля без опасности повреждения глаз, которая имеется при использовании лазерных источников.

В настоящее время источники белого света практически вытеснены с телекоммуникационного рынка в связи со значительным снижением цены на лазерные и светодиодные источники.

Основными техническими характеристиками стабилизированных источников являются:

  • стабильность работы
  • выходная мощность
  • частота модуляции

Предельная частота модуляции определяется временем нарастания и спада сигнала. Если время нарастания сигнала связана с работой цепей питания, то время спада определяется характеристиками источника. Наиболее высокую частоту модуляции сигнала обеспечивают лазерные источники.

Анализаторы затухания в оптическом кабеле

Рис. 14. Тестр ОТ-2-1

Анализатор затухания, вносимого оптическим кабелем (Optical Loss Test Set — OLTS), представляет собой комбинацию оптического измерителя мощности и источника оптического сигнала. Различают интегрированные и раздельные измерители потерь. Интегрированные имеют источник сигнала и измеритель мощности в одном устройстве, а разделенные измерители представляют собой набор из источника сигнала и ОРМ. Соответственно, технические параметры анализаторов потерь содержат все перечисленные параметры для источников сигнала и оптических измерителей мощности.

Анализаторы потерь оптической мощности обеспечивают пошаговый анализ оптической линии передачи, включая участки кабеля, места соединений и сварок. Это в первую очередь касается раздельных эксплуатационных анализаторов потерь оптической мощности. В то же время интегрированные анализаторы потерь, которые обычно применяются для промышленного анализа, обладают повышенной функциональностью и точностью измерений. Например, многие двух-частотные анализаторы могут выполнять измерения на длинах волн 1310 и 1550 нм автоматически.

Источник