几种光功率测量方法的介绍
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发布时间：2023-03-09 11:17:20
光功率计(optical power meter )是指用(yòng)于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。在光纤系统中，测量光功率是基本的，非常像電(diàn)子學(xué)中的万用(yòng)表;在光纤测量中，光功率计是重负荷常用(yòng)表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能(néng)够评价光端设备的性能(néng)。用(yòng)光功率计与稳定光源组合使用(yòng)，则能(néng)够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。
测量光功率有(yǒu)热學(xué)法和光電(diàn)法。
热學(xué)法在波長(cháng)特性、测量精度等方面较好，但响应速度慢，灵敏度低，设备體(tǐ)积大。这种方法探测器一般输出的是uV、mV级别的電(diàn)压量。
光電(diàn)法有(yǒu)较快的响应速度、良好的線(xiàn)性特性而且灵敏度高，测量范围大但其波長(cháng)特性和测量精度方面不如热學(xué)法。这种方法一般输出的是nA、uA级别的電(diàn)流量。
热學(xué)法就是先将光能(néng)被探测器表面吸收，转换為(wèi)热量，然后再通过热電(diàn)探测器将热量转换為(wèi)電(diàn)量，最后通过電(diàn)量指标确定功率大小(xiǎo)的方法。
热學(xué)法测量功率的探测器一般设计為(wèi)如图2.1.1结构（我们称之為(wèi)圆盘式热電(diàn)堆激光功率探测器）：
图2.1.1 圆盘式热電(diàn)堆功率探头结构原理(lǐ)
圆盘式热電(diàn)堆激光功率探头由几十个热電(diàn)偶串联起来，整个热電(diàn)堆固定在环形云母架上，通过测量两端電(diàn)势差来反映激光功率的大小(xiǎo)。当激光光源照射在热電(diàn)堆探测器靶心时，产生热量，热量通过探测器转换為(wèi)電(diàn)势由中心沿着无源區(qū)向边缘扩散，在热電(diàn)偶的热端和冷端形成電(diàn)势差，最终输出電(diàn)压，这种工作原理(lǐ)被称之為(wèi)热電(diàn)效应（也称之為(wèi)塞贝克效应）。
图2.1.2所示為(wèi)圆盘式热電(diàn)堆功率探测器。
理(lǐ)论上，热電(diàn)偶对光波長(cháng)不敏感，只是将热量转化為(wèi)電(diàn)压。但是，由于热電(diàn)功率计探头表面附带的热吸收膜层的材料特性，会反射一小(xiǎo)部分(fēn)入射光，而反射光的过程与波長(cháng)稍有(yǒu)关系，因此热電(diàn)功率探头对波長(cháng)稍有(yǒu)依赖。
热電(diàn)功率探头对波長(cháng)的依赖性曲線(xiàn)如图2.1.3和图2.1.4所示。
图2.1.3 大功率热電(diàn)探头波長(cháng)吸收曲線(xiàn)
其中SHC、HPB、BBF為(wèi)热吸收膜层材料，功率计探头GCI-080220所用(yòng)膜层材料為(wèi)BBF，GCI-080250和GCI-0802200所用(yòng)材料為(wèi)HPB。
由于热吸收膜层的材料不同，所以不同的探头的损伤阈值是不一样的。一般用(yòng)作热吸收膜层的材料都具有(yǒu)较高的损伤阈值（具有(yǒu)承受较高的光功率密度的能(néng)力），并且具有(yǒu)相对较强的光热转换效率。
因為(wèi)热電(diàn)探测器输出電(diàn)压一般较小(xiǎo)，均為(wèi)uV、mV级别的電(diàn)压量，所以后续一般都会涉及相应信号处理(lǐ)電(diàn)路，热學(xué)法测量光功率原理(lǐ)框图如图2.1.4所示。
图2.1.4 热學(xué)法测量光功率原理(lǐ)框图
光電(diàn)法指的是通过光電(diàn)探测器直接将光转换為(wèi)電(diàn)量，然后通过電(diàn)量指标确定功率大小(xiǎo)的方法，实质上是测量光電(diàn)检测器在受光辐射后产生的微弱電(diàn)流，该電(diàn)流与入射到光敏面上的光功率成正比。
光電(diàn)法测量功率一般都使用(yòng)光敏面积较大的光電(diàn)二极管探测器。光電(diàn)二极管可(kě)以在光伏模式或光导模式下工作（如图2.2.1）。在光伏模式下，光電(diàn)二极管的阳极和阴极与一个负载電(diàn)路相连接，这样一来光電(diàn)二极管就可(kě)以传导電(diàn)流。在光导模式下，光電(diàn)二极管的两端被施加一个反向的偏压，反向電(diàn)流的大小(xiǎo)取决于入射光功率的大小(xiǎo)。反向偏压将会大幅度减小(xiǎo)光電(diàn)二极管对入射光子的响应时间。因此，光导模式常用(yòng)于高速光電(diàn)探测器
在功率测量的应用(yòng)中，光電(diàn)二极管要工作于光伏模式下，这时，光電(diàn)二极管的阳极和阴极与一个互阻放大器的输入端相连接，该放大器可(kě)以将光電(diàn)流转化為(wèi)输出電(diàn)压。一个光電(diàn)二极管最大可(kě)以传导几毫安的光電(diàn)流。光電(diàn)二极管的响应率是传导電(diàn)流与入射光功率的比值，通常以“安培/瓦”為(wèi)单位。响应率与制造光電(diàn)二极管的材料以及入射光的波長(cháng)极其相关。
光電(diàn)二极管根据制作材料的不同，其光谱响应度也是不一样的，且不同波長(cháng)的光的响应度差异较大。不同材料制成的光電(diàn)二极管的光谱响应度如图2.2.2所示
图2.2.2 典型材料的光電(diàn)二极管的光谱响应曲線(xiàn)
一般情况下，使用(yòng)光電(diàn)二极管测量光功率，所测最大功率均不会很(hěn)大（最大约3-5mW），若想测量更大的激光功率（最大测量功率扩展到几十甚至几百毫瓦），需要在探测器前放置衰减片。例如大恒光電(diàn)的功率计探头GCI-080101就是通过在探测器前增加衰减片的方式，将光電(diàn)探测器的最大测量功率扩大到1W。
探测器前放置衰减片的方式虽然可(kě)以扩大功率计测量量程，但是衰减片的光透过率一般也与波長(cháng)有(yǒu)关，这将增加功率计标定的难度。
光電(diàn)法测量光功率原理(lǐ)框图如图2.2.3所示
图2.2.3 光電(diàn)法测量光功率原理(lǐ)框图
任何情况下不要让眼睛直视光功率计的激光输出口，对端接入光传输设备同样不要用(yòng)眼睛直视光源。这样做会造成永久性视觉烧伤。
光電(diàn)二极管、中性密度（ND）滤光片的表面以及热探头的黑色镀膜都会导致入射光的一些背向反射。如果这种背向反射进入设备的孔径中，比如激光二极管或氦氖激光器，它可(kě)能(néng)会影响激光器的功率稳定性。所以在使用(yòng)光功率计测量光功率的时候，建议相对于激光光束略微倾斜照射到光功率计探头有(yǒu)效探测面积上。
环境光或杂散光可(kě)以强烈影响自由空间应用(yòng)中的测量精确性（特别是对光電(diàn)探头的影响）。通过重置探测器的零電(diàn)平来减去恒定背景光。功率计无法补偿变化的环境光，比如日光或室内光的开/关。在这些情况下，探头需适当遮蔽以免受到环境光和杂散光的照射。比如為(wèi)探头设置遮光筒等方法。
使用(yòng)热電(diàn)探头的时候，光源線(xiàn)宽可(kě)以忽略（因為(wèi)热電(diàn)探头对波長(cháng)响应度基本一致）。然而对于光電(diàn)探头，探头的响应度非常依赖于光源的工作波長(cháng)，如果光源的線(xiàn)宽大于10nm，那么光功率计可(kě)能(néng)显示不完全正确的功率读数。这时，就要选择光源的中心波長(cháng)作為(wèi)功率计的工作波長(cháng)，才能(néng)测量到近似正确的结果。
如果所使用(yòng)的光功率计含有(yǒu)電(diàn)池，那么在不使用(yòng)的时候，请给光功率计充满電(diàn)然后存放。如果長(cháng)期不用(yòng)，请每个月给電(diàn)池充電(diàn)一次，以保护電(diàn)池。
随着时间的增長(cháng)，探测器的响应度会由于老化而发生改变，所以功率计使用(yòng)要定期标定。
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