光纤光功率计校准系统的建立.pdf

光纤光功率计校准系统的建立刘天宇（部队计量测试研究所）摘要：为解决光纤光功率计准确度溯源的问题，本文提出一种便携式光纤光功率计校准装置，并对其进行不确定度分析与评定。实验证明：该校准装置不仅可对光纤光功率计、通信用光功率计进行计量校准，而且可实现功率测量范围（），波长点 、的光纤光功率计修正因子的校准，扩展不确定度 （）。同时为光功率计计量标准的建立提供了参考。关键词：光学计量；光纤光功率计；校准；不确定度 ：，（），（），：；引言光纤光功率计是测量光功率大小的仪器，既可用于光功率的直接测量，也可用于光衰减量的相对测量，是光纤通信系统中研究、开发和生产及施工、维修等部门必备的基本测试仪器 。随着我国光通信行业和光电子产业的迅猛发展，特别是光纤激光器等各种新型光纤光源广泛应用，对基于光纤传输的各种设备与器件的性能与质量提出了更高的要求 。光功率是光纤通信系统中最基本的测量参数，是评价光端设备性能、评估光纤传输质量最重要的参数之一 。光纤光功率计具有极大的市场保有量，广泛应用于光通信仪器仪表生产、光有源 无源器件生产、光通信运营网络检测维护、医疗、机加工以及质监部门的相关检测中。对其进行检定校准，有利于提高相关产品的质量，加强对光通信网络维护，提供对网络通信事故分析判断的手段 。鉴于光纤系统（尤其是光纤通信）的大规模普及应用，国内外主要计量技术机构均建立了相应的光纤功率标准 校准装置。如中国计量科学研究院作为国内的最高计量机构，已建立了光纤功率标准装置；国防科技工业光电子一级计量站建立了光纤功率标准装置，并作为光纤功率国防最高标准运行；以美国标准技术研究院（）、德国联邦物理技术研究院（）、英国国家物理实验室（）为代表的计量机构均已建立相应的光纤功率标准装置 。各计量机构所建立的标准装置虽不尽相同，但量值传递链路基本一致，最终溯源至光功率测量基准 低温辐射计，将次级标准（如陷阱探测器、电定标热释电 计量与测试技术 年第 卷第 期辐射计）传递至光功率测量标准探测器后，通过对光纤功率计的线性进行测量，实现大动态功率范围内的高精度校准。传统的光纤光功率计校准装置分别由不同波长的激光光源、标准光功率计、光衰减器等各个单台仪器搭建测试系统。本文根据 光纤光功率计检定规程、通信用光功率计检定规程，采用模块化设计，在主机箱中分别插入 和 激光器模块、光功率计模块、光衰减器模块等，组成单台仪器的光纤光功率计校准装置，实现对修正因子和非线性的校准。系统组成及工作原理 系统组成光纤功率校准系统组成如图 所示，主要由稳定光源、光衰减器以及标准光纤光功率计组成。校准系统框架图如图 所示。?图 光纤光功率计系统组成图?图 光纤光功率计系统组成图稳定光源发射已知功率和波长的光后，由光衰减器将光源发出的光信号能量按用户要求进行预期衰减，并将标准光纤光功率计作为光功率值的标准。工作原理光纤光功率计通常由探测器、信号处理系统和显示器构成。其根据探测器不同，可分为量热型和光电型，且均可通过显示器或计算机读取光功率值。其中，量热型光纤光功率计具有工作波长范围宽、光谱响应平坦、可承受较高功率等特点，但对环境条件要求较高，且测量范围较窄、灵敏度较低；光电型光纤光功率计具有环境条件适应性强、测量范围宽、灵敏度高等特点，但工作波长范围窄、有波长选择性。采用替代法测量，对光纤光功率计的检定或校准。分别使用标准光纤功率计与被检光纤光功率计，对稳定光源的光功率或经不同衰减量后的光纤功率值进行测量，并对被检光纤光功率计的读数进行修正，修正因子为：（）式中：修正因子；被检光纤光功率计的示值，；标准光纤光功率计的测量值，。系统建立实验室使用传统的光纤光功率计校准系统时，采用由各个单台仪器组成测试系统，但其运输、携带不方便，无法满足快速、便捷的现场计量保障要求 。本文系统在满足技术指标要求的前提下，采用模块化设计，在一个主机箱中插入光功率计模块，激光源模块，衰减器模块等，具有体积小、质量轻、携带方面、界面友好、操作简单、使用范围较大等特点。系统总体指标功率测量范围：（）；校准波长：、，；光功率计修正因子测量不确定度：（，）。组成设备技术指标（）光功率计模块波长范围为：（）；功率范围为：（）；准确度为：（）；线性度：（）。（）激光源模块光源波长为：（）；光源输出功率为：；输出功率稳定度：；光谱宽度：。（）激光源模块刘天宇：光纤光功率计校准系统的建立光源波 长：（）；光 源 输 出 功 率：；输出功率稳定度：；光谱宽度：。（）光衰减器模块衰减器衰减范围：（）；波长范围：（）；分辨力：；准确度：；插损：；回损：。（）光功率计测量系统主机光功率计测量系统的主机是光学元件测试的基础平台，包括 个用于容纳可调谐激光源的插槽和个插槽，可用于安装光功率计模块、激光源模块、衰减器模块；内置应用程序可控制各模块进行测试，并带有用于远程控制的 和 接口。系统不确定度来源与评定 测量重复性引入的不确定度 经多次测量，采用贝塞尔公式计算，测量不确定度分量控制在 以内。标准光功率计不准引入的不确定度 根据溯源时检定证书的测量不确定度计算。由于光功率计计量时，是以溯源的数值作为依据。因此，由上级证书可得 （），服从正态分布，则：激光源功率不稳定引入的不确定度 根据激光源的技术指标，输出功率稳定度为 ，在实际校准过程中，每个点光功率测量的时间较短（仅有几秒），激光源输出功率的变化量远小于 ，因此，可忽略不计。光纤插拔引入的不确定度 由于每个测量点都需交替插拔光纤，导致重复性影响测得值，因此，按该分量估算为 。合成标准不确定度 槡 扩展不确定度 （）结束语综上所述，本文建立了一套光纤光功率计校准系统，实现了功率测量范围（），波长点 、的光纤光功率计修正因子的校准，扩展不确定度为 （）。通过对系统不确定度分析，验证了其技术指标及性能，可作为光纤光功率计的计量标准使用。该系统体积小、携带方便、操作简单、使用范围广，解决了目前测试中需多台测试仪器，携带、使用不方便，无法快速计量保障的问题。参考文献 徐桂城，张志辉，陈晓峰 基于 的多通道光功率计自动校准系统设计 光通信技术，（）：史晋，王元东，袁峻，等 基于 文件自适应的 设备光功率自动测试技术研究 通信电源技术，（）：张金玉 基于温度自补偿的光功率检测系统设计 仪表技术，（）：陈挺，周闻青，茅振华 基于虚拟仪器的光纤多参数自动校准测试平台 中国测试，（）：林燮佳 手持式激光测距仪校准装置及方法的研究 计量与测试技术，（）：崔磊，贾亚青，张建亮，等 一种新型光功率计校准方法的研究 计量技术，（）：（上接第 页）刘海涛，许伦，郝思鹏，等 含大规模屋顶光伏电站接入农村配电网多目标优化配置方法 电测与仪表，（）：王康达，张保会 远方集中式与就地分布式光伏供电经济性比较 电力系统自动化，（）：赵永强，王春芳，周钊正，等 小型光伏电站成本回收问题的研究 太阳能学报，（）：刘皓明，陆丹，杨波，等 可平抑高渗透分布式光伏发电功率波动的储能电站调度策略 高电压技术，（）：张欣莉，莫丽丽 基于组件输出功率估算的光伏电站经济效益研究 水电能源科学，（）：叶任时，刘海波，李德，等 光伏组件倾角和阵列间距的多因素综合计算方法 人民长江，（）：苏毅，刘海波，汪建，等 光伏发电单元布置及容量优化设计 人民长江，（）：于洋，黄亚峰，严干贵，等 光伏电站内的逆变器无功调节能力分析与控制策略研究 电测与仪表，（）：计量与测试技术 年第 卷第 期