Измеритель оптической мощности
Измеритель оптической мощности ( OPM ) — это устройство, используемое для измерения мощности оптического сигнала. Этот термин обычно относится к устройству для тестирования средней мощности в оптоволоконных системах. Другие устройства измерения мощности света общего назначения обычно называются радиометрами , фотометрами , измерителями мощности лазера (могут быть фотодиодными датчиками или термобатарейными лазерными датчиками ), люксметрами или люксметрами.
Типичный измеритель оптической мощности состоит из калиброванного датчика , измерительного усилителя и дисплея.Датчик в основном состоит из фотодиода , подобранного для соответствующего диапазона длин волн и уровней мощности.На блоке индикации отображается измеренная оптическая мощность и установленная длина волны. Измерители мощности калибруются с использованием отслеживаемого калибровочного стандарта.
Традиционный измеритель оптической мощности реагирует на широкий спектр света, однако калибровка зависит от длины волны. Обычно это не проблема, поскольку обычно известна тестовая длина волны, однако у нее есть несколько недостатков. Во-первых, пользователь должен настроить измеритель на правильную тестовую длину волны, а во-вторых, если присутствуют другие паразитные длины волн, это приведет к неверным показаниям.
Оптические измерители мощности доступны в виде автономных настольных или портативных приборов или в сочетании с другими функциями тестирования, такими как оптический источник света (OLS), визуальный локатор повреждений (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 этот прибор называется набором для тестирования оптических потерь или OLTS и обычно используется для измерения оптической мощности и сквозных оптических потерь. Более продвинутые OLTS могут включать в себя два или более измерителя мощности и, таким образом, могут измерять оптические возвратные потери. В GR-198 « Общие требования к ручным стабилизированным источникам света, измерителям оптической мощности, измерителям отражения и наборам для тестирования оптических потерь » подробно обсуждается оборудование OLTS.
Альтернативно, оптический рефлектометр во временной области (OTDR) может измерять потери в оптическом канале, если его маркеры установлены в конечных точках, для которых желательны потери в оптоволокне. Однако это косвенное измерение. Измерение в одном направлении может быть весьма неточным, если в линии имеется несколько волокон, поскольку коэффициент обратного рассеяния варьируется между волокнами. Точность можно повысить, если провести двунаправленное среднее. В документе GR-196 « Общие требования к оборудованию типа оптического рефлектометра во временной области (OTDR)» подробно рассматривается оборудование OTDR.
Датчики
[ редактировать ]Основными типами полупроводниковых датчиков являются кремний (Si), германий (Ge) и индия- арсенид галлия (InGaAs). Кроме того, их можно использовать с ослабляющими элементами для тестирования высокой оптической мощности или с элементами, селективными по длине волны, чтобы они реагировали только на определенные длины волн. Все они работают по схожему типу схемы , однако, в дополнение к своим основным характеристикам отклика на длину волны, каждый из них имеет некоторые другие характеристики:
- Кремниевые детекторы имеют тенденцию к насыщению при относительно низких уровнях мощности, и они полезны только в видимом диапазоне и диапазоне 850 нм, где они обычно обеспечивают хорошие характеристики.
- Ge детекторы насыщаются при самых высоких уровнях мощности, но имеют плохие характеристики при малой мощности, плохую общую линейность во всем диапазоне мощности и, как правило, чувствительны к температуре. Они лишь незначительно точны для испытаний «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. где допустима более низкая точность. Другие ограничения включают в себя: нелинейность на низких уровнях мощности и плохую однородность чувствительности по всей площади детектора.
- Детекторы InGaAs насыщаются на промежуточных уровнях. В целом они обеспечивают хорошие характеристики, но часто очень чувствительны к длине волны около 850 нм. Поэтому они в основном используются для тестирования одномодовых волокон на длине волны 1270–1650 нм.
Важной частью датчика измерителя оптической мощности является интерфейс оптоволоконного разъема. Требуется тщательная оптическая конструкция, чтобы избежать значительных проблем с точностью при использовании с широким спектром типичных типов волокон и разъемов.
Еще одним важным компонентом является входной усилитель датчика. Это требует очень тщательного проектирования, чтобы избежать значительного снижения производительности в широком диапазоне условий.
Диапазон измерения мощности
[ редактировать ]Типичный OPM является линейным в пределах от примерно 0 дБм (1 милливатт) до примерно -50 дБм (10 нановатт), хотя диапазон отображения может быть больше. Уровень выше 0 дБм считается «высокой мощностью», а специально адаптированные устройства могут измерять мощность почти до + 30 дБм (1 Вт). Ниже -50 дБм соответствует «низкой мощности», а специально адаптированные устройства могут измерять до -110 дБм. Независимо от характеристик измерителя мощности, тестирование при температуре ниже -50 дБм, как правило, чувствительно к рассеянному окружающему свету, просачивающемуся в волокна или разъемы. Поэтому при тестировании на «малой мощности» рекомендуется какая-то проверка диапазона тестирования/линейности (легко выполняемая с помощью аттенюаторов). При низких уровнях мощности измерения оптического сигнала имеют тенденцию становиться зашумленными, поэтому измерители могут работать очень медленно из-за использования значительного усреднения сигнала.
Чтобы рассчитать дБм по выходному сигналу измерителя мощности:Метод расчета линейного значения в дБм:дБ = 10 журналов (P1/P2)где P1 = измеренный уровень мощности (например, в мВт), P2 = эталонный уровень мощности, который составляет 1 мВт.
Калибровка и точность
[ редактировать ]и точность измерителя оптической мощности Калибровка являются спорным вопросом. Точность большинства первичных эталонов (например , веса , времени , длины, напряжения и т. д.) известна с высокой точностью, обычно порядка 1 миллиардной доли. Однако стандарты оптической мощности, поддерживаемые различными национальными лабораториями стандартов, определены только с точностью до одной тысячной. К тому времени, когда эта точность еще больше ухудшится из-за последовательных связей, точность калибровки прибора обычно составляет всего несколько процентов. Самые точные полевые измерители оптической мощности утверждают, что точность калибровки составляет 1%. Это на несколько порядков менее точно, чем аналогичный электросчетчик.
Процесс калибровки измерителей оптической мощности описан в стандарте IEC 61315 Ed. 3.0 б:2019 - Калибровка волоконно-оптических измерителей мощности.
Кроме того, достигаемая точность при использовании обычно значительно ниже заявленной точности калибровки к моменту принятия во внимание дополнительных факторов. В типичных полевых условиях факторы могут включать: температуру окружающей среды, тип оптического разъема, вариации длины волны, вариации линейности луча , вариации геометрии , насыщение детектора.
Таким образом, достижение хорошего уровня практической точности и линейности прибора требует значительных навыков проектирования и внимательности при производстве.
В связи с растущим глобальным значением надежности передачи данных и оптоволокна, а также с резким снижением запаса оптических потерь этих систем в центрах обработки данных, повышенное внимание уделяется точности измерителей оптической мощности, а также надлежащему соблюдению требований по отслеживанию через Международную лабораторию. Калибровка, аккредитованная Сотрудничеством по аккредитации (ILAC), которая включает метрологическую прослеживаемость в соответствии с национальными стандартами и аккредитацию внешней лаборатории в соответствии с ISO/IEC 17025 для повышения уверенности в общих заявлениях о точности.
Расширенные измерители чувствительности
[ редактировать ]Класс лабораторных измерителей мощности имеет расширенную чувствительность порядка -110 дБм. Это достигается за счет использования очень маленькой комбинации детектора и линзы, а также механического прерывателя света обычно с частотой 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 дальнейшее повышение чувствительности. На практике такие приборы обычно достигают более низкой абсолютной точности из-за небольшого детекторного диода и по той же причине могут быть точными только в сочетании с одномодовым оптоволокном. Иногда такой прибор может иметь охлаждаемый детектор, хотя с современным отказом от германиевых датчиков и появлением датчиков InGaAs это становится все более редким явлением.
Измерение мощности импульса
[ редактировать ]Оптические измерители мощности обычно отображают усредненную по времени мощность. Таким образом, для измерения импульсов необходимо знать рабочий цикл сигнала, чтобы рассчитать значение пиковой мощности. Однако мгновенная пиковая мощность должна быть меньше максимального показания счетчика, иначе детектор может выйти в режим насыщения, что приведет к неверным средним показаниям. Кроме того, при низкой частоте повторения импульсов некоторые счетчики с функцией обнаружения данных или тонов могут давать неправильные показания или вообще не показывать их.В классе измерителей «высокой мощности» перед детектором имеется какой-либо оптический ослабляющий элемент, который обычно позволяет увеличить показания максимальной мощности примерно на 20 дБ. Выше этого уровня используется прибор совершенно другого класса «измеритель мощности лазера», обычно основанный на тепловом обнаружении.
Распространенные приложения для тестирования оптоволокна
[ редактировать ]- Измерение абсолютной мощности оптоволоконного сигнала. Для этого применения измеритель мощности необходимо правильно откалибровать на тестируемой длине волны и настроить 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, за исключением случаев, когда из-за проблем с расстоянием используются два или более измерителя. Если выполняется более сложное испытание двусторонних потерь, то калибровку измерителя мощности можно игнорировать, даже если используются два измерителя.
- Некоторые приборы оснащены оптическим детектором тестового сигнала, позволяющим быстро проверить целостность кабеля. Стандартные тестовые сигналы обычно имеют частоту 270 Гц, 1 кГц, 2 кГц. Некоторые устройства также могут определять один из 12 тонов, [1] для проверки непрерывности ленточного волокна.
Автоматизация тестирования
[ редактировать ]Типичные функции автоматизации тестирования обычно применяются к приложениям тестирования на потери и включают в себя:
- Возможность настроить прибор на считывание 0 дБ при опорном уровне мощности, обычно это тестовый источник.
- Возможность сохранения показаний во внутреннюю память, для последующего вызова и загрузки на компьютер.
- Возможность синхронизации длины волны с тестовым источником, чтобы измеритель настроился на длину волны источника. Для этого требуется специально подобранный источник. Самый простой способ добиться этого — распознать тестовый тон, но лучший способ — передать данные. Преимущество метода данных заключается в том, что источник может отправлять дополнительные полезные данные, такие как номинальный уровень мощности источника, серийный номер и т. д.
Измерители длины волны
[ редактировать ]Все более распространенный OPM специального назначения, обычно называемый «измерителем мощности PON», предназначен для подключения к активной цепи PON (пассивной оптической сети) и одновременного тестирования оптической мощности в разных направлениях и на разных длинах волн. По сути, это устройство представляет собой тройной измеритель мощности с набором фильтров длины волны и оптических соединителей. Правильная калибровка осложняется изменяющимся рабочим циклом измеряемых оптических сигналов. Он может иметь простую индикацию «прошел/не прошел», чтобы облегчить его использование операторами с небольшим опытом.
Чувствительность оптоволоконного измерителя мощности к длине волны является проблемой при использовании фотодиода для измерения тока напряжения. Если термочувствительное измерение заменяет измерение напряжения-тока фотодиодом, чувствительность OPM к длине волны может быть уменьшена. Таким образом, если фотодиод смещен в обратном направлении источником постоянного напряжения и на него подается постоянный ток, при срабатывании света переход рассеивает мощность. Температура перехода повышается, и повышение температуры, измеряемое термистором, прямо пропорционально оптической мощности. Благодаря постоянной подаче тока отражение мощности на фотодиод практически равно нулю, а переход электронов туда и обратно между валентной зоной и зоной проводимости является стабильным.