一种基于电加热式的量热型光功率计

程 康，孔 炜，郭 波

（山东省计量科学研究院，济南250014）

一种基于电加热式的量热型光功率计

程 康，孔 炜，郭 波

（山东省计量科学研究院，济南250014）

针对传统光功率计存在的一些问题，介绍了一种基于电加热原理的量热型光功率计。简要介绍了电加热式量热型光功率计的优点，着重描述了光功率计的结构和工作原理。测试了光功率计对850nm、1310nm、1490nm和1550nm这4个波长光源的光功率测量准确度和稳定性。

电加热；量热型；光功率计

0 引言

通信用光功率计的主要用途是测量光功率的大小和变化，它一般是由探测器、数据处理和显示部分组成。光功率计的核心器件是探测器，光功率计按探测器的不同分为光电型和量热型两种[1～3]。一些生产应用领域对所需激光的波长和功率有严格要求，这就要求光功率计能精确测量各种波长的光功率。随着光电技术的发展，目前常见的探测器多为光电型，但光电型光功率计一般只能测量单一波长的光功率[4]，需要通过更换探测器、滤光片或手动换挡的方式来测量多种波长的光功率，测量过程复杂，且具有测量准确度低和稳定性差的缺点，不能满足宽光谱高准确度的要求。量热型光功率计具有光谱响应曲线平坦和准确性高的优点，但其响应速度慢、灵敏度低。为解决以上问题，本文设计并实现一种基于电加热式的宽光谱量热型光功率计。

1 电加热式量热型光功率计的原理与实验测试

1.1 量热型光功率计的结构和工作原理

与光电型探测器相比，量热型探测器具有测量准确度高和稳定性好的优点，然而传统的量热型探测器又有响应速度慢和灵敏度低的缺点。因此，本文设计了一款量热型探测器并将其应用于光功率计中。该探测器采用绝对辐射计的测量原理[5,6]，利用较快的电加热方式代替传统的辐射加热方式对光功率进行测量，可以有效提高响应速度和灵敏度。

量热型探测器主要由吸收层、加热层、基板、热电堆、热电式测量装置、电功率测量装置和可变电阻等部件组成，通过传输线与高精度功率计相连，组成了电加热式的量热型光功率计。量热型光功率计的结构示意图如图1所示。快门可手动控制，用于保护探测器的清洁。在光阑处设置光纤接口，可连接多种常用单多模光纤和转换接头。光源进入探测器后被吸收层吸收，热电势测量装置通过加热层、基板和锥形腔对热电势进行测量。电功率测量装置用于对量热型探测器进行电校准和各光谱的响应度校准。量热型探测器与高精度功率计连接可测量紫外到近红外光谱范围内裸光或光纤耦合的光源光功率。

图1 电加热式量热型光功率计的结构原理示意图

1.2 量热型光功率计的实验测试

量热型光功率计在首次使用或长时间未使用后，应对量热型探测器进行电校准：①将探测器输出引线连接到指示仪器的输入端，并将探测器移入光路，测出探测器的暗电势。②打开快门，光源束进入探测器内，探测器输出信号。③关闭快门，遮断光源束，探测器输出暗电势，经计算可得出相应的光源有效输出电势。④闭上开关，调节可调电阻，使探测器输出近似于光源束进入探测器时的输出电势。⑤拉开开关，使电路断开，读出探测器的输出信号，得出电加热引起的输出电势。电校准完毕后即可连接量热型探测器与高精度功率计进行光功率的测量。

本文按JJG965-2013《通信用光功率计》国家检定规程中的要求使用EXFO标准稳定光源对该光功率计进行光功率测量准确度和稳定性实验。在准确度实验中，分别选用850nm、1310nm、1490nm和1550nm共4个波长的光源进行测试，得到的结果如表1所示。

表1 电加热式量热型光功率计的光功率测量准确度实验结果

从表1可以看出，本文设计的电加热式量热型光功率计测量准确度和线性参数优良。

在稳定性实验中，同样选用 850nm、1310nm、1490nm和1550nm这4个波长的光源进行测试，以-10dBm为参考点，30s为间隔，共测量10次。在此过程中，光源和衰减器本身的功率变化可忽略不计，得到的实验结果如图2所示。

图2 电加热式量热型光功率计的光功率测量稳定性实验结果

标准偏差能反映一个数据集的离散程度，标准偏差越小，这些值偏离平均值就越少。我们根据稳定性测试得到的实验数据，利用贝塞尔公式计算光功率计测量850nm、1310nm、1490nm和1550nm这4个波长光源光功率时的标准偏差，得到的结果分别为0.003dBm、0.003dBm、0.002dBm和0.002dBm，可以看出本文设计的电加热式量热型光功率计具有良好的稳定性。

2 结束语

本文将电加热式量热型探测器与高精度功率计连接使用，实现了电加热式量热型光功率计，该光功率计可对紫外到近红外的光功率进行准确和快速地测量，解决了传统量热型光功率计响应时间慢和灵敏度差的问题。但是与光电型光功率计相比，本文设计的光功率计在响应时间方面还有所欠缺，可在今后的实验中进行重点研究。

[1]李然，李莉，傅栋博，等.光功率计计量现状及分析[J].现代电信科技，2015，45（3）：44-46.

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[3]HECHT J，贾东方，余震虹，等.光纤光学[M].北京：人民邮电出版社，2004.

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[5]杨东军，方伟，叶新，等.绝对辐射计参数测量的实现[J].计算机测量与控制，2009，17（10）：1892-1894.

[6]王玉鹏，方伟，弓成虎，等.双锥腔互补偿型绝对辐射计[J].光学精密工程，2007，15（11）：1663-1667.

Heat exchanger optical power meter based on electric heating

CHENG Kang,KONG Wei,GUO Bo
(Shandong Institute of Metrology,Jinan 250014,China)

In order to resolve the problem of traditional optical power meter,the paper introduces a heat exchanger optical power meter based on electric heating.It introduces the advantages of the electric heating type optical power meter,describes the structure and working principle of the optical power meter.The paper respectively tests the optical power measurement accuracy and stability of the optical power meter for light sources in 850nm,1310nm,1490nm and 1550nm.

electric heating,heat exchanger,optical power meter

TN201

A

1002-5561（2016）04-0036-02

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.012

2015-12-10。

程康（1986-），男，工程师，博士研究生，主要从事光学计量与测试方面的工作。