Измеритель оптической мощности - Optical power meter
An измеритель оптической мощности (OPM) - устройство, используемое для измерения мощности в оптический сигнал. Термин обычно относится к устройству для проверки средней мощности в оптоволокно системы. Другие устройства для измерения силы света общего назначения обычно называют радиометры, фотометры, лазер измерители мощности (можно фотодиод датчики или лазерные датчики на термобатареях ), световые метры или люксметры.
Типичный измеритель оптической мощности состоит из откалиброванный датчик, измерение усилитель мощности и дисплей. Датчик в основном состоит из фотодиод выбран для соответствующего диапазона длины волн и уровни мощности. На дисплее отображается измеренная оптическая мощность и установленная длина волны. Измерители мощности калибруются с использованием прослеживаемого калибровочного стандарта.
Традиционный измеритель оптической мощности реагирует на Широкий спектр света, однако калибровка зависит от длины волны. Обычно это не проблема, поскольку длина волны тестирования обычно известна, однако у нее есть несколько недостатков. Во-первых, пользователь должен установить измеритель на правильную длину волны тестирования, а во-вторых, если присутствуют другие паразитные длины волн, то результатом будут неправильные показания.
Измерители оптической мощности доступны в виде автономных настольных или портативных приборов или в сочетании с другими функциями тестирования, такими как оптический источник света (OLS), визуальный локатор неисправностей (VFL), или в качестве подсистемы в более крупном или модульном приборе. Обычно измеритель мощности сам по себе используется для измерения абсолютной оптической мощности или используется с согласованным источником света для измерения потерь.
В сочетании с источником света прибор называется набором для тестирования оптических потерь или OLTS, который обычно используется для измерения оптической мощности и сквозных оптических потерь. Более продвинутые OLTS могут включать два или более измерителя мощности и, таким образом, могут измерять оптические возвратные потери. GR-198, Общие требования к переносным стабилизированным источникам света, измерителям оптической мощности, измерителям отражения и комплектам для проверки оптических потерьподробно описывает оборудование OLTS.
В качестве альтернативы Оптический рефлектометр (OTDR) может измерять потери в оптическом канале, если его маркеры установлены в конечных точках, для которых требуются потери в оптоволокне. Однако это косвенное измерение. Однонаправленное измерение может быть неточным, если в линии имеется несколько волокон, поскольку коэффициент обратного рассеяния варьируется между волокнами. Точность можно повысить, если рассчитать двунаправленное усреднение. GR-196, Общие требования к оборудованию типа оптического рефлектометра (OTDR), подробно обсуждает оборудование OTDR.
Датчики
Основным полупроводник датчик типы Кремний (Si), Германий (Ge) и Индий Арсенид галлия (InGaAs). Кроме того, они могут использоваться с элементами ослабления для испытаний с высокой оптической мощностью или элементами, селективными по длине волны, чтобы они реагировали только на определенные длины волн. Все они работают в одном типе схема однако, помимо основных характеристик отклика на длину волны, каждая из них имеет некоторые другие особенности:
- Детекторы Si имеют тенденцию насыщать при относительно низких уровнях мощности, и они полезны только в видимом диапазоне и диапазоне 850 нм, где в целом обеспечивают хорошую производительность.
- Детекторы Ge насыщаются при самых высоких уровнях мощности, но имеют плохие характеристики при низкой мощности, плохую общую линейность во всем диапазоне мощностей и, как правило, чувствительны к температуре. Они лишь незначительно точны для тестирования «1550 нм» из-за комбинации температуры и длины волны, влияющей на чувствительность, например, при 1580 нм, однако они обеспечивают полезную производительность в обычно используемых диапазонах длин волн 850/1300/1550 нм, поэтому они широко используются там, где приемлема более низкая точность. К другим ограничениям относятся: нелинейность при низких уровнях мощности и плохая однородность чувствительности по всей области детектора.
- Детекторы InGaAs насыщаются на промежуточных уровнях. В целом они предлагают хорошие характеристики, но часто очень чувствительны к длине волны около 850 нм. Поэтому они в основном используются для тестирования одномодового волокна на длине волны 1270–1650 нм.
Важной частью датчика измерителя оптической мощности является интерфейс волоконно-оптического разъема. Требуется тщательная оптическая конструкция, чтобы избежать серьезных проблем с точностью при использовании с широким спектром типов волокон и обычно встречающихся соединителей.
Другой важный компонент - входной усилитель датчика. Это требует очень тщательного проектирования, чтобы избежать значительного снижения производительности в широком диапазоне условий.
Диапазон измерения мощности
Типичный OPM является линейным от примерно 0 дБм (1 мВт) до примерно -50 дБм (10 нановатт), хотя диапазон отображения может быть больше. Выше 0 дБмВт считается «высокой мощностью», а специально адаптированные устройства могут измерять почти до + 30 дБмВт (1 Вт). Ниже -50 дБмВт означает «низкое энергопотребление», а специально адаптированные единицы измерения могут достигать -110 дБмВт. Независимо от технических характеристик измерителя мощности, тестирование ниже -50 дБмВт имеет тенденцию быть чувствительным к рассеянному окружающему свету, проникающему в волокна или разъемы. Поэтому при тестировании на «малой мощности» рекомендуется какая-то проверка диапазона / линейности (легко выполняется с помощью аттенюаторов). На низких уровнях мощности измерения оптического сигнала имеют тенденцию становиться шумными, поэтому измерители могут работать очень медленно из-за использования значительного усреднения сигнала.
Чтобы рассчитать дБм по выходному сигналу измерителя мощности: Метод расчета линейного отношения к дБм: дБ = 10 log (P1 / P2), где P1 = измеренный уровень мощности (например, в мВт), P2 = опорный уровень мощности, который составляет 1 мВт.
Калибровка и точность
Измеритель оптической мощности калибровка а точность - спорный вопрос. Точность большинства первичных эталонов (например, Вес, Время, Длина, Вольт и т. д.) известен с высокой точностью, обычно порядка 1 части на миллиард. Однако стандарты оптической мощности, поддерживаемые различными национальными лабораториями стандартов, определены только для одной части из тысячи. К тому времени, когда эта точность еще больше ухудшится из-за последовательных соединений, точность калибровки прибора обычно составляет всего несколько%. Самые точные полевые измерители оптической мощности требуют точности калибровки 1%. Это на несколько порядков меньше точности, чем у сопоставимого электросчетчика.
Процедуры калибровки измерителей оптической мощности приведены в IEC 61315 Ed. 3.0 б: 2019 - Калибровка волоконно-оптических измерителей мощности.
Кроме того, достигаемая точность при использовании обычно значительно ниже заявленной точности калибровки, если учитывать дополнительные факторы. В типичных полевых условиях факторы могут включать в себя: температуру окружающей среды, тип оптического разъема, вариации длины волны, линейность вариации, луч геометрия вариации, насыщение детектора.
Следовательно, достижение хорошего уровня практической точности и линейности прибора требует значительных навыков проектирования и осторожности при производстве.
В связи с возрастающим глобальным значением надежности передачи данных и оптического волокна, а также резким снижением запаса оптических потерь этих систем в центрах обработки данных, повышенное внимание уделяется точности измерителей оптической мощности, а также надлежащему соблюдению прослеживаемости через Международное сотрудничество по аккредитации лабораторий (ILAC) аккредитованная калибровка, которая включает метрологическую прослеживаемость к национальным стандартам и аккредитацию внешней лаборатории ISO / IEC 17025 для повышения уверенности в общей точности требований.
Измерители повышенной чувствительности
Класс лабораторных измерителей мощности имеет расширенную чувствительность порядка -110 дБмВт. Это достигается за счет использования очень маленькой комбинации детектора и линзы, а также механического прерывателя света с частотой обычно 270 Гц, поэтому измеритель фактически измеряет свет переменного тока. Это устраняет неизбежные эффекты электрического дрейфа постоянного тока. Если прерывание света синхронизировано с соответствующим синхронным (или «синхронным») усилителем, достигается дополнительный выигрыш в чувствительности. На практике такие инструменты обычно достигают более низкой абсолютной точности из-за небольшого размера детекторного диода, и по той же причине могут быть точными только в сочетании с одномодовым волокном. Иногда такой прибор может иметь охлаждаемый детектор, хотя с современным отказом от германиевых сенсоров и введением сенсоров InGaAs это становится все более редкостью.
Измерение импульсной мощности
Измерители оптической мощности обычно отображают усредненную по времени мощность. Таким образом, для импульсных измерений необходимо знать рабочий цикл сигнала, чтобы вычислить пиковое значение мощности. Однако мгновенная пиковая мощность должна быть меньше максимального показания измерителя, иначе детектор может насыщаться, что приведет к неправильным средним показаниям. Кроме того, при низкой частоте повторения импульсов некоторые измерители с обнаружением данных или тонов могут давать неправильные показания или вообще не показывать их. Измерители класса "большой мощности" имеют перед детектором оптический ослабляющий элемент определенного типа, обычно позволяющий увеличить примерно на 20 дБ. в максимальной мощности чтения. Выше этого уровня используется совершенно другой класс приборов «измеритель мощности лазера», обычно основанный на тепловом обнаружении.
Общие приложения для тестирования оптоволокна
- Измерение абсолютной мощности оптоволоконного сигнала. Для этого приложения измеритель мощности должен быть правильно откалиброван на проверяемой длине волны и настроен на эту длину волны.
- Измерение оптических потерь в волокне в сочетании с подходящим стабильным источником света. Поскольку это относительный тест, точная калибровка не является особым требованием, если только два или более метров не используются из-за проблем с расстоянием. Если выполняется более сложный двухсторонний тест потерь, калибровку измерителя мощности можно игнорировать, даже если используются два измерителя.
- Некоторые инструменты оснащены оптическим детектором тестового сигнала, чтобы помочь в быстрой проверке целостности кабеля. Стандартные тестовые сигналы обычно составляют 270 Гц, 1 кГц, 2 кГц. Некоторые устройства также могут определять один из 12 тонов,[1] для проверки целостности ленточного волокна.
Автоматизация тестирования
Типичные функции автоматизации тестирования обычно применяются к приложениям для тестирования потерь и включают:
- Возможность настроить устройство на показание 0 дБ на эталонном уровне мощности, обычно это тестовый источник.
- Возможность сохранять показания во внутренней памяти для последующего вызова и загрузки в компьютер.
- Возможность синхронизировать длину волны с тестовым источником, чтобы измеритель настраивался на длину волны источника. Для этого требуется специально подобранный источник. Самый простой способ добиться этого - распознать тестовый сигнал, но лучший способ - передать данные. Метод данных имеет преимущества в том, что источник может отправлять дополнительные полезные данные, такие как номинальный уровень мощности источника, серийный номер и т. Д.
Измерители с избирательной длиной волны
Все более распространенный специализированный OPM, обычно называемый «измерителем мощности PON», предназначен для подключения к действующей цепи PON (пассивной оптической сети) и одновременного тестирования оптической мощности в разных направлениях и на разных длинах волн. Это устройство представляет собой тройной измеритель мощности с набором фильтров длины волны и оптических элементов связи. Правильная калибровка затруднена из-за изменяющегося рабочего цикла измеряемых оптических сигналов. Он может иметь простой дисплей типа «годен / не годен», чтобы облегчить использование операторами с небольшим опытом.
Чувствительность волоконно-оптического измерителя мощности к длине волны является проблемой при использовании фотодиода для измерения тока напряжения. Если измерение, чувствительное к температуре, заменяет измерение напряжения-тока фотодиодом, чувствительность OPM по длине волны может быть уменьшена. Таким образом, если на фотодиод подается обратное смещение от источника постоянного напряжения и на него подается постоянный ток, при срабатывании светового перехода переход рассеивает мощность. Температура перехода повышается, и повышение температуры, измеренное термистором, прямо пропорционально оптической мощности. Благодаря постоянному току отражение энергии на фотодиод практически равно нулю, а переход электронов между валентной зоной и зоной проводимости стабильный.