納秒級窄脈寬脈沖光檢測及峰值功率校準

吳寅初++孫強++劉磊

摘 要：提出一種納秒級窄脈寬脈沖光檢測方法及峰值功率校準方法，探討了窄脈寬脈沖光檢測及峰值功率校準的研究意義，介紹了窄脈寬脈沖光檢測及峰值功率的校準原理、校準方法及步驟。實驗表明，該方法在僅有平均光功率測試平臺，無峰值光功率計的情況下，可以進行脈沖光峰值功率的校準。

關鍵詞：脈沖光 峰值功率 校準

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0007-02

隨著我國國民經濟建設的持續、快速發展，通信業務的種類越來越多，信息傳送的需求量也越來越大。光纖通信作為一項高新技術產業，具有通信容量大、傳輸距離遠、信號干擾小、保密性能好、傳輸過程損耗小等特點[1]，其產品結構覆蓋了光纖傳輸設備、光纖與光纜、光器件以及各類施工、測試儀表與專用工具，應用領域相當廣闊。典型的光纖通信產品有：光功率計、光回波損耗測量儀、光時域反射儀等。隨著光纖通信的迅速發展，這些產品的市場需求量越來越大。

實現光通信離不開光功率這個重要的參數，而光功率計就是測量光功率的儀表，所以它是光通信科研、生產、施工維護中必備的儀表之一[2]。在峰值光功率計的研制過程中，如何進行脈沖光的檢測，及如何在僅有平均光功率測試平臺無峰值光功率計的情況下進行脈沖光峰值功率的校準，是需要解決的技術難題之一。而在光回波損耗測量儀的研制過程中，需要對納秒級窄脈寬脈沖光進行檢測及峰值功率校準。因此，窄脈寬脈沖光的檢測及其峰值功率的校準在光纖通信測試儀器的研究與生產過程中起到至關重要的作用。

1 檢測與校準原理

1.1 檢測原理

光輻射按振幅與時間的關系可劃分為連續光和脈沖光等。連續光的平均功率與其光功率相等，即光源在單位時間里連續輻射出的能量。脈沖光的平均功率指每個單脈沖的輸出能量E與脈沖周期T的比值。脈沖光峰值功率指每個單脈沖的輸出能量E與脈沖寬度τ的比值，是光脈沖輸出功率的最大值[3]。

一般來說，納秒級窄脈寬脈沖光若直接用ADC進行獲取，必須使用采樣速率1Gbps以上的高速ADC。但超過1Gbps的高速ADC，芯片功耗一般在2W以上，發熱嚴重。且后續數字電路速率也要超過1GHz。雖然可以采用多路并行的處理電路進行降速，但大大提高了設計規模和復雜性，設計成本增加。該文采用精密延時順序采樣合成法來實現納秒級窄脈沖信號的檢測。精密延時采樣示意圖如圖1所示。

對于一幅波形曲線，先按一定間隔周期采樣一幀數據（第一幀），然后準確控制對下一幀（即第二幀）波形信號采樣的開始時間，設延時Δt，同樣，采樣完畢后，再控制對第三幀波形信號采樣的開始時間，設延時2Δt，如此采樣，由多幀波形數據合成一幅高分辨率采樣的波形。

由于延時Δt很小并且可控，需設計精密延時電路。精密延時電路采用“斜坡比較法”延時電路，原理框圖如圖2所示。當觸發脈沖到來時，線性斜坡發生器開始產生斜坡電壓信號，送入比較器與預定的電平值比較。當某一時刻斜坡電壓值達到預定值時，比較器產生輸出脈沖作為延時后的觸發脈沖。調節預定的電平值即可設定觸發脈沖的延時。預定的電平值可由微處理器送入D/A變換器產生，這樣，延時時間便可由微處理器控制。

根據以上檢測原理，由APD探測器將接收到的脈沖光轉換成電信號，再通過控制延時觸發時間、多周期順序延時采樣合成實現高分辨率采樣，這樣，就可以捕獲到納秒級窄脈沖信號。在待校準儀器中，可將檢測到的窄脈沖作為觸發信號來測量其平均功率，然后進行峰值功率的校準。

1.2 峰值功率校準原理

校準時所需的測試平臺包括：標準光源、光衰減器、光功率計和示波器，均為已校準設備，是校準的依據。用已校準的測試平臺為標準，可以直接測量及校準連續光功率。若輸入光為脈沖光，且峰值光功率小于探測器的飽和光功率時，可用光功率計測出脈沖光的平均功率，再用示波器觀測脈沖光的脈沖周期及脈沖寬度，用公式（1）計算脈沖光的峰值功率。

（1）

其中：Ppeak為脈沖光的峰值功率，單位mw；Pavg為脈沖光的平均功率，單位mw；T為脈沖光的脈沖周期；為脈沖光的脈沖寬度。公式（1）兩邊取對數并乘以10，可得：

，

即： （2）

其中：Pp為脈沖光的峰值功率，單位dBm；為脈沖光的平均功率，單位dBm。公式（2）對矩形脈沖光和三角形脈沖光均適用。

當輸入脈沖光的脈寬很窄，占空比很小，峰值功率較大時，即使平均功率并不大，光功率計探測器也可能接近飽和，此時測得的平均功率可能是不準的。所以需要接入光衰減器，調整衰減值，尋找光功率計測量脈沖光平均功率的線性區。

2 實驗步驟及結果分析

下面以波長1310nm，脈寬約3ns，周期約10μs的脈沖光為例，詳細介紹校準方法及步驟。校準連接示意圖如圖4所示。

2.1 準備工作

打開測試平臺進行預熱。將所需光纖跳線端面清潔干凈。

2.2 尋找光功率計測量脈沖光平均功率的線性區

連接光路。將脈沖光源、光衰減器、光功率計用光纖跳線連接，衰減值設為0，記錄當前光功率計顯示的平均功率。然后按照1dB/次增大衰減，記錄衰減值及其對應的平均功率。直到找到明顯的線性區為止。測試數據見表1。

由表1數據可以看出，衰減值在20dB以后測得的平均功率具有很好的線性。

2.3 擬合衰減值與平均功率的線性關系

根據線性區內的測試數據擬合衰減值與平均功率的曲線，其中y1為平均功率，為衰減值，k1為系數，b1為截距。

將標準光衰減器的輸出端與待校準儀器連接，參照2.2，2.3尋找待校準儀器測量脈沖光平均功率的線性區，并擬合衰減值與平均功率的線性關系，得到擬合曲線。在線性區內有。調整待校準儀器的系統校準因子，使。

2.4 測標準光衰減器的插入損耗

用光纖跳線連接標準光源至標準光功率計，測得光功率為P1。光源接光衰減器輸入，光衰減器輸出接光功率計，設置衰減值為0，測得當前光功率為P2，則光衰減器的插入損耗。

2.5 計算脈沖光峰值功率

脈沖光的平均功率。用示波器測出脈沖光的脈沖周期T及脈沖寬度。由公式（2）可得脈沖光峰值功率的計算公式：

（3）

2.6 不確定度評定與結果分析

本例中，dBm，dBm，μs，ns，由公式（3）算出峰值功率dBm。按此方法連續測量5次并進行不確定度評定，見表2。

該方法在僅有平均光功率測試平臺，無峰值光功率計的情況下，進行脈沖光峰值功率的校準，關鍵在于尋找標準光功率計和待校準儀器測量脈沖光平均功率的線性區，擬合出衰減值與平均功率的兩個線性方程，使兩者截距相等，從而得出待校準儀器的校準因子，最終計算出脈沖光的峰值功率。

3 結語

該文介紹了納米級窄脈寬脈沖光檢測及峰值功率校準的研究意義，探討了檢測納秒級窄脈沖信號的原理及納米級脈沖光峰值功率校準原理，詳細介紹了峰值功率校準的方法及步驟，并進行了實驗驗證，結果表明該方法在僅有平均光功率測試平臺，無峰值光功率計的情況下，可進行納米級窄脈寬脈沖光峰值功率的校準。所以，本文提出的方法對納米級脈沖光的檢測及峰值功率校準提供了一定的理論與實驗依據，具有良好的應用前景。

參考文獻

[1] 陳霄.光纖通信工程技術傳輸在通信領域中的應用與發展[J].信息通信，2013（9）：206.

[2] 楊志斌.淺談光纖通信[J].新聚焦，2014（10）：14.

[3] 徐松濤，武文遠，儲浩玉，等.脈沖光峰值功率計的原理[J].光電子技術與信息，1995（8）：21-26.