納秒級(jí)窄脈寬脈沖光檢測(cè)及峰值功率校準(zhǔn)

吳寅初++孫強(qiáng)++劉磊

摘 要：提出一種納秒級(jí)窄脈寬脈沖光檢測(cè)方法及峰值功率校準(zhǔn)方法，探討了窄脈寬脈沖光檢測(cè)及峰值功率校準(zhǔn)的研究意義，介紹了窄脈寬脈沖光檢測(cè)及峰值功率的校準(zhǔn)原理、校準(zhǔn)方法及步驟。實(shí)驗(yàn)表明，該方法在僅有平均光功率測(cè)試平臺(tái)，無峰值光功率計(jì)的情況下，可以進(jìn)行脈沖光峰值功率的校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：脈沖光 峰值功率 校準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（c）-0007-02

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)、快速發(fā)展，通信業(yè)務(wù)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(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)干擾小、保密性能好、傳輸過程損耗小等特點(diǎn)[1]，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)覆蓋了光纖傳輸設(shè)備、光纖與光纜、光器件以及各類施工、測(cè)試儀表與專用工具，應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣闊。典型的光纖通信產(chǎn)品有：光功率計(jì)、光回波損耗測(cè)量?jī)x、光時(shí)域反射儀等。隨著光纖通信的迅速發(fā)展，這些產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量越來越大。

實(shí)現(xiàn)光通信離不開光功率這個(gè)重要的參數(shù)，而光功率計(jì)就是測(cè)量光功率的儀表，所以它是光通信科研、生產(chǎn)、施工維護(hù)中必備的儀表之一[2]。在峰值光功率計(jì)的研制過程中，如何進(jìn)行脈沖光的檢測(cè)，及如何在僅有平均光功率測(cè)試平臺(tái)無峰值光功率計(jì)的情況下進(jìn)行脈沖光峰值功率的校準(zhǔn)，是需要解決的技術(shù)難題之一。而在光回波損耗測(cè)量?jī)x的研制過程中，需要對(duì)納秒級(jí)窄脈寬脈沖光進(jìn)行檢測(cè)及峰值功率校準(zhǔn)。因此，窄脈寬脈沖光的檢測(cè)及其峰值功率的校準(zhǔn)在光纖通信測(cè)試儀器的研究與生產(chǎn)過程中起到至關(guān)重要的作用。

1 檢測(cè)與校準(zhǔn)原理

1.1 檢測(cè)原理

光輻射按振幅與時(shí)間的關(guān)系可劃分為連續(xù)光和脈沖光等。連續(xù)光的平均功率與其光功率相等，即光源在單位時(shí)間里連續(xù)輻射出的能量。脈沖光的平均功率指每個(gè)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(gè)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(jí)窄脈寬脈沖光若直接用ADC進(jìn)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(fā)熱嚴(yán)重。且后續(xù)數(shù)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(jìn)行降速，但大大提高了設(shè)計(jì)規(guī)模和復(fù)雜性，設(shè)計(jì)成本增加。該文采用精密延時(shí)順序采樣合成法來實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)的檢測(cè)。精密延時(shí)采樣示意圖如圖1所示。

對(duì)于一幅波形曲線，先按一定間隔周期采樣一幀數(shù)據(jù)（第一幀），然后準(zhǔn)確控制對(duì)下一幀（即第二幀）波形信號(hào)采樣的開始時(shí)間，設(shè)延時(shí)Δt，同樣，采樣完畢后，再控制對(duì)第三幀波形信號(hào)采樣的開始時(shí)間，設(shè)延時(shí)2Δt，如此采樣，由多幀波形數(shù)據(jù)合成一幅高分辨率采樣的波形。

由于延時(shí)Δt很小并且可控，需設(shè)計(jì)精密延時(shí)電路。精密延時(shí)電路采用“斜坡比較法”延時(shí)電路，原理框圖如圖2所示。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時(shí)，線性斜坡發(fā)生器開始產(chǎn)生斜坡電壓信號(hào)，送入比較器與預(yù)定的電平值比較。當(dāng)某一時(shí)刻斜坡電壓值達(dá)到預(yù)定值時(shí)，比較器產(chǎn)生輸出脈沖作為延時(shí)后的觸發(fā)脈沖。調(diào)節(jié)預(yù)定的電平值即可設(shè)定觸發(fā)脈沖的延時(shí)。預(yù)定的電平值可由微處理器送入D/A變換器產(chǎn)生，這樣，延時(shí)時(shí)間便可由微處理器控制。

根據(jù)以上檢測(cè)原理，由APD探測(cè)器將接收到的脈沖光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過控制延時(shí)觸發(fā)時(shí)間、多周期順序延時(shí)采樣合成實(shí)現(xiàn)高分辨率采樣，這樣，就可以捕獲到納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)。在待校準(zhǔn)儀器中，可將檢測(cè)到的窄脈沖作為觸發(fā)信號(hào)來測(cè)量其平均功率，然后進(jìn)行峰值功率的校準(zhǔn)。

1.2 峰值功率校準(zhǔn)原理

校準(zhǔn)時(shí)所需的測(cè)試平臺(tái)包括：標(biāo)準(zhǔn)光源、光衰減器、光功率計(jì)和示波器，均為已校準(zhǔn)設(shè)備，是校準(zhǔn)的依據(jù)。用已校準(zhǔn)的測(cè)試平臺(tái)為標(biāo)準(zhǔn)，可以直接測(cè)量及校準(zhǔn)連續(xù)光功率。若輸入光為脈沖光，且峰值光功率小于探測(cè)器的飽和光功率時(shí)，可用光功率計(jì)測(cè)出脈沖光的平均功率，再用示波器觀測(cè)脈沖光的脈沖周期及脈沖寬度，用公式（1）計(jì)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(duì)數(shù)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(duì)矩形脈沖光和三角形脈沖光均適用。

當(dāng)輸入脈沖光的脈寬很窄，占空比很小，峰值功率較大時(shí)，即使平均功率并不大，光功率計(jì)探測(cè)器也可能接近飽和，此時(shí)測(cè)得的平均功率可能是不準(zhǔn)的。所以需要接入光衰減器，調(diào)整衰減值，尋找光功率計(jì)測(cè)量脈沖光平均功率的線性區(qū)。

2 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果分析

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

2.1 準(zhǔn)備工作

打開測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行預(yù)熱。將所需光纖跳線端面清潔干凈。

2.2 尋找光功率計(jì)測(cè)量脈沖光平均功率的線性區(qū)

連接光路。將脈沖光源、光衰減器、光功率計(jì)用光纖跳線連接，衰減值設(shè)為0，記錄當(dāng)前光功率計(jì)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(duì)應(yīng)的平均功率。直到找到明顯的線性區(qū)為止。測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，衰減值在20dB以后測(cè)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(guān)系

根據(jù)線性區(qū)內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)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(shù)，b1為截距。

將標(biāo)準(zhǔn)光衰減器的輸出端與待校準(zhǔn)儀器連接，參照2.2，2.3尋找待校準(zhǔn)儀器測(cè)量脈沖光平均功率的線性區(qū)，并擬合衰減值與平均功率的線性關(guān)系，得到擬合曲線。在線性區(qū)內(nèi)有。調(diào)整待校準(zhǔn)儀器的系統(tǒng)校準(zhǔn)因子，使。

2.4 測(cè)標(biāo)準(zhǔn)光衰減器的插入損耗

用光纖跳線連接標(biāo)準(zhǔn)光源至標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)，測(cè)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(jì)，設(shè)置衰減值為0，測(cè)得當(dāng)前光功率為P2，則光衰減器的插入損耗。

2.5 計(jì)算脈沖光峰值功率

脈沖光的平均功率。用示波器測(cè)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(jì)算公式：

（3）

2.6 不確定度評(píng)定與結(jié)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(xù)測(cè)量5次并進(jìn)行不確定度評(píng)定，見表2。

該方法在僅有平均光功率測(cè)試平臺(tái)，無峰值光功率計(jì)的情況下，進(jìn)行脈沖光峰值功率的校準(zhǔn)，關(guān)鍵在于尋找標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)和待校準(zhǔn)儀器測(cè)量脈沖光平均功率的線性區(qū)，擬合出衰減值與平均功率的兩個(gè)線性方程，使兩者截距相等，從而得出待校準(zhǔn)儀器的校準(zhǔn)因子，最終計(jì)算出脈沖光的峰值功率。

3 結(jié)語

該文介紹了納米級(jí)窄脈寬脈沖光檢測(cè)及峰值功率校準(zhǔn)的研究意義，探討了檢測(cè)納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)的原理及納米級(jí)脈沖光峰值功率校準(zhǔn)原理，詳細(xì)介紹了峰值功率校準(zhǔn)的方法及步驟，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法在僅有平均光功率測(cè)試平臺(tái)，無峰值光功率計(jì)的情況下，可進(jìn)行納米級(jí)窄脈寬脈沖光峰值功率的校準(zhǔn)。所以，本文提出的方法對(duì)納米級(jí)脈沖光的檢測(cè)及峰值功率校準(zhǔn)提供了一定的理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳霄.光纖通信工程技術(shù)傳輸在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)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(yuǎn)，儲(chǔ)浩玉，等.脈沖光峰值功率計(jì)的原理[J].光電子技術(shù)與信息，1995（8）：21-26.