（光学工程专业论文）高性能光波参数综合测试仪的研究.pdf

摘要 光波参数综合测试仪作为现代光通信测试仪器，在光通信领域中发挥 着重要作用。在经过对目前国内外技术的分析与比较后，本文就采用连续 光波测试技术深入探讨了光波参数综合测试仪的研制方法。针对提高稳定 化光源的光功率稳定度与光接收机的接收灵敏度和信噪比，采取了一系列 的措施。首先从理论上对带制冷的半导体激光器组件建立了数学模型，将 其看作一阶惯性环节，分别在s 域和时域里详细分析了采用p i d 控制技术 后的阶跃响应：同时也对光接收机放大电路等效噪声模型进行分析。在设 计与制作中采用了带p i d 补偿网络的高精度温度控制芯片，对激光器温度 进行跟踪和控制，并通过a p c 电路对其功率进行控制，使激光器输出高稳 度激光；同时采用低噪声放大器和低暗电流、高响应度p i n 光电探测器， 设计了高灵敏度的光接收机，通过对光接收机进行优化和抗干扰设计以及 使用数字平均的信号处理方法，最大限度的抑制接收机的噪声，并采用y 型光纤分路器，以降低光路的前端反射，来提高接收机的信噪比，使光波 参数综合测试仪获得大的动态范围。该仪器在测试中提供了高稳定化激光 光源的同时，还可以通过功能选择分别对光功率，光器件的回波损耗和插 入损耗进行测试，可适用于光纤通信器件生产，现场测试以及实验室测试 系统。 本文对设计和制作的光波参数综合测试仪进行了测试与分析。通过实 验证明：光波参数综合测试仪输出光功率为1 m w ，其功率的短期稳定度为 o 0 0 1 9d b 15 m i n ，长期稳定度为o 0 0 9 6 d b 5 h ；光接收机的接收灵敏度 为7 3 6 d b m 。据此，光波参数综合测试仪的光功率测试动态范围为 3 - - 7 3 6 d b m ；回波损耗动态范围为3 7 0 d b ；插入损耗动态范围为3 7 0 d b 。 其性能指标可达到同类产品中较高水平。 关键词：光波参数综合测试仪，稳定化光源，p i d 控制，接收灵敏度，动 态范围 a b s t r a g t a sa no p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni n s t r u m e n t ，t h eo p t i c a lp a r a m e t e rm u l t i p l e m e t e ri s i m p o r t a n ti n t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d a f t e ra n a l y z i n ga n d c o m p a r i n gt h et e c h n i q u e st h r o u g h o u tt h ew o r d ，t h ew a yo fr e s e a r c h i n ga n d d e s i g n i n gt h eo p t i c a lp a r a m e t e rm u l t i p l e m e t e ri sd i s c u s s e dc l e a r l y b y a d o p t i n g t h eo c w rt e c h n i q u e a i ma ti m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo ft h e h i g h s t a b i l i z e dl i g h ts o u r c e ，t h es e n s i b i l i t ya n dt h es no ft h eo p t i c r e c e i v e r ， as e r i e so ft e c h n i q u e si sa d o p t e d f i r s t ，am a t h e m a t i cm o d e lf o rl a s e rd i o d e w i t hac o o li se s t a b l i s h e d ，w h i c hi sl o o k e da s af i r s to r d e rs e g m e n to fi n e r t i a i nt h e o r y i ta n a l y z e st h es t e pr e s p o n s ei nt h esf i e l da n dt h et i m ef i e l d s e p a r a t e l ya f t e ra d o p t i n gp i dc o n t r o lt e c h n i q u e ，a n di t a l s oa n a l y z e st h e e q u i v a l e n tn o i s em o d e lo ft h ea m p l i f y i n gc i r c u i t o no n eh a n d ，i tu s e st h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lc h i pw i t hp i dc o m p e n s a t i o nn e t w o r kt ot r a c ea n dc o n t r o l t h el a s e rd i o d e st e m p e r a t u r ea n dd e s i g n sa p cc i r c u i tt oc o n t r o lt h ep o w e ro f t h el a s e rd i o d ei nd e s i g n ，s od o e st h el a s e rd i o d eh a v eah i g h s t a b i l i z e do u t p u t o nt h eo t h e rh a n d ，i ta d o p t sl o wn o i s ea m p l i f i e ra n dp i nd e t e c t o rw i t hl o w d a r kc u r r e n ta n dh i g hr e s p o n s i b i l i t y t o d e s i g nt h eh i g hs e n s i b i l i t y o p t i c r e c e i v e r i ti m p r o v e st h es no ft h eo p t i c r e c e i v e ra n dt h ed y n a m i cr a n g o ft h em e i e rb yo p t i m i z a t i o na n da n t i j a m m i n gd e s i g n i n go ft h er e c e i v e r ， u s i n gt h en u m e r i c a la v e r a g em e t h o do fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，r e s t r a i n i n g t h er e c e i v e rn o i s ew i t h i nt h el i m i ta n du s i n gt h eyf o r mc o u p l e rt or e d u c et h e r e f l e c t i o no ft h ef r o n tp o r to ft h ef i b e r t h em e t e rn o to n l ys u p p l i e sah i g h - s t a b i l i z e dl a s e rs o u r c e ，b u ti tc a nm e a s u r et h el i g h tp o w e r ，t h er e t u r nl o s sa n d t h ei n s e r tl o s so fo p t i cc o m p o n e n t sb yc h o o s i n gt h ef u n c t i o ni ne x p e r i m e n t s o i tcanb ea p p l i e di np r o d u c t i o no fo p t i cc o m p o n e n t s ，l o c a lm e a s u r e m e n ta n di n l a b o r a t o r y f i n a l l y , t h em e t e ri st e s t e di nt h ee x p e r i m e n t i ti sp r o v e dt h a tt h ep o w e r o fl a s e ro u t p u ti sl mw ，a n dl i g h t ss h o r t t e r ms t a b i l i t yis 0 0 0 19d b 15 m i n ， l o n g t e r ms t a b i l i t yi s o 0 0 9 6 d b 5 h t h es e n s i b i l i t yo ft h eo p t i c r e c e i v e ris 一7 3 6 d b m i tc o n c l u d e st h a tt h ed y n a m i cr a n go fl i g h tp o w e rm e a s u r e m e n t ， r e t u r nl os sm e a s u r e m e n ta n di n s e r tl o s sm e a s u r e m e n to ft h eo p t i c a lp a r a m e t e r m u l t i p l e - m e t e r i s s e p a r a t e l y3 - 7 3 6 d b m ，3 7 0 d b ，a n d 3 - 7 0 d b t h e c a p a b i l i t y a n dt h ep a r a m e t e rb o t hr e a c ht h el e v e lo ft h es a r e es t y l et e s t i n s t r u m e n t k e y w o r d s ：o p t i c a lp a r a m e t e rm u l t i p l e m e t e r ，s t a b i l i z e dl i g h ts o u r c e ，p i d c o n t r o l ，r e c e i v e rs e n s i b i l i t y ，d y n a m i cr a n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：堡垒芏日期：跏吖年，月移日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：垦坚聋导师签名：童1 主垒 日期： 吖年，月邓日 电子科技大学硕士学位论文 1 1 论文研究目的及意义 第一章绪论 光纤通信技术的发展，随之而来需要各种测试仪器的支撑。计算机技 术的发展，使得通信测试仪器也向智能化，小型化方向发展。专家们指出， 越来越复杂的测试条件和高度自动化的大生产环境迫切需要仪器制造商开 发功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的通用测试仪器，从技术角度出 发，电子测试仪器从模拟技术向数字技术过渡，从单台仪器向多种功能仪 器组合过渡，从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向过渡，从简单 的功能组合向以个人计算机为核心构成通用测试平台过渡，从硬件模块向 软件包形式过渡是今后电子类测试仪器的发展新动向。 随着通信技术水平的提高，我国通信网规模的不断扩大，光纤通信迅 速发展，其设备的研制开发，工程安装、调测和运行维护，离不开先进的 检测仪器和仪表，以保证通信网的顺利开通和正常运行。近几年来，通讯 测试仪器需求销量迅速上升，进口了大量仪器。目前国产仪器品种比较少， 但通信网络的发展，对仪器仪表的需求将会增加，因此开发通信测试仪器 市场前景好，能取得较好的经济、社会效益【。引。 在近几年，光纤技术和光通信技术高速发展，光纤通信网大量铺设， 光传输已成为现代信息传输最为重要的方式，因此如何保证快速、稳定、 可靠的信息传输也变得日益重要。在大容量和长距离光纤通信系统中，影 响通信质量的因素也越来越多【6 。7 。其中，当光沿着光纤纤芯向前传播中遇 到媒介折射率变化时会产生后向反射或称菲涅尔反射；当光路中两个机械 连接头之间存在间隙，气隙会产生反射；另外，光纤中会产生由原子、微 粒、材料密度不均匀也会引起弱反射光，称为后向散射或瑞利散射。因此 由光纤无源器件产生的反射和吸收对通信系统的影响日益引起人们的重 视。在光纤通信系统中目前应用较为广泛的d f b 激光器，其具有很窄的调 制线宽和单纯光谱，所以是一种特性良好的单纵模激光器，适用于图象传 输和高速通信传输系统，但同时具有对反射波非常敏感的缺陷。光纤线路 电子科技大学硕士学位论文 中的各种光纤无源器件的反射信号过大，都会使发射端机的激光器产生光 谱漂移、振幅变化及相位噪声等现象。随着各种器件的增多和光纤长度的 增加，必将导致光信号的大幅度损耗，使达到接收机的信号太弱，影响接 收机探测，导致数据丢失，误码率上升，信息吞吐量减少，从而影响整个 系统的性能指标和工作稳定性。在实际应用中，光接收机( 光检测器) 、光 开关等设备的反射损耗指标要求一般均在3 5 4 0 d b 以上【8 。所以，克服和 降低光纤无源器件反射信号以及其在系统中的插入损耗的研究己得到充分 的重视，并已有许多技术和工艺在光无源器件的研究开发和生产中得到了 应用。这样对光纤无源器件反射损耗的测量技术研究也就显得更加重要。 能有效的对系统和器件的回波损耗、插入损耗和信号光功率的测量对保证 光纤通信网的正常运行有着重要的意义。光波参数综合测试仪就是用来测 量光纤传输系统以及光纤通信无源器件以上一些参数的仪器。其在对整个 系统或器件( 耦合器，连接器，隔离器等) 的反射损耗，插入损耗以及绝 对光功率进行测量的同时还提供高稳定化的激光光源。综合测试仪具有设 计和使用简单、智能化、测量速度快、具有非破坏性、信噪比高、功耗小、 体积小便于携带、可靠性高、成本低，适于批量生产等一系列优点，是光 纤与光通信技术中必不可少的测量仪器。因而广泛地应用于光纤、光缆， 光通信器件的生产与工程测试以及实验室系统的测试中。 1 2 国内外研究动态 由于回波损耗和插入损耗的危害，激光器的制造商和光纤系统的设计 者必须仔细测量回波损耗和插入损耗，以保证在其正常范围内，而不至于 扰乱发射机激光器( 扰乱通信的回波损耗实际值是随不同的产品而变的) 和光接收机的工作。假设器件中传输光的总功率为p o ，沿着传输光相反方 向传输的反射光的总功率为p ，器件的反射损耗( 回波损耗) 则定义为o 】： p 心( 扭) = 一1 0 1 9 ( 1 1 ) 厂0 其数值越大，性能越好。器件的插入损耗则定义为：通过器件后的功率p 】 与输入器件功率p o 比值的负分贝数，其数值越小，性能越好 1 0 1 。 2 电子科技大学硕士学位论文 r ，( d b ) = 一1 0 1 9 ( 1 2 ) 对于光纤通信系统中回损的最低要求，有几个组织已经制定了标准。 由电信工业协会和电子工业协会联合制定的t i a e i a 一5 6 8 a 系列标准规定 了室内光纤网络的系统回损大于2 6 d b 。修定版本和新标准很可能提高这一 数值。开发欧洲客户产品的工程师须参照c e n e l e ce n5 0 1 7 3 标准，该标 准确定了光纤网络回损测量的实行方法【6 。 目前国内外主要有三种测量方法供我们选择来测量光纤系统的回损 【6 矗1 】：连续光测试法、光时域反射计法、光反射鉴别测试法。其中前两种 方法也可以测量插损，连续光测试法还可以测量光功率。 1 连续光波测试法 测量回损最广泛使用的方法是连续光反射计法( o c w r ) ：在这一方法 中，将已知功率的单波长光注入光纤系统和被测件中。光波长要与通信系 统所用的光波长相近，定向耦合器将反射光导向光功率计的探测器。其原 理图如图1 1 所示，虽然可以用校准过的光源，但不必如此，测量系统可 以使用一个从光纤端面到空气的抛光标准接头的菲涅尔反射来校准。然后， 将接头换成被测件，测定返回功率( 回损) 的差值 6 - 8 】。但一般为了方便起见， 我们在测试过程中都采用标准的稳定化激光源 1 0 ，】。 先墨 图1 1 连续光反射测试原理 连续光反射计测量法在测量回波损耗时，光功率计接收的是光纤中所 有的反射光，而不仅仅是被测件的反射光，非被测件反射光可能超过被测 件的反射光，而限制功率计的灵敏度；还需要在光纤末端进行“圈式缠绕” 或终端处理以消除被测件之外的反射。 用连续光波测试法只要改变一下光路，将被测器件的输出端引向光功 率计，我们就可以测量插入损耗。利用连续光波测试法测试损耗只能测量 系统的总损耗，不能分辨系统中连有多个器件单独的损耗。 电子科技大学硕士学位论文 对于连续光测量法在光源的选择上，使用l e d 作为光源会有问题，因 为l e d 光谱宽( 比激光器宽) ，而且l e d 的光谱与通信实际用于产生信号的 激光器的光谱不匹配。l e d 输出的功率也比较低。这样，使用l e d 作为光 源将影响测量准确度。为了得到精确的测量结果，我们应选择高输出功率， 低相干长度的光源，而且要求输出功率在时间上非常稳定。 2 光时域反射计法 光时域反射计法也可测量光回波损耗和插入损耗。光时域反射计 ( o t d r ) 发射光脉冲注入被测器件，然后采集后向散射信号和叠加在其中的 菲涅尔反射信号。o t d r 依据其接收的后向散射信号计算且显示每单位长 度( m ) 的损耗( d b ) ，在显示图形上画点，纵轴表示反射光能量的相对值，横 轴表示产生反射的器件的位置，实际上横轴代表时间，预置了光在测试光 纤中的传播速度，o t d r 将时间转换为距离在横轴上显示出来。在直观的 曲线上，通过软件既可分析器件的反射损耗，同时也可以分析它的插入损 耗。t i a e i a 一4 5 5 8 系列文件包括了使用o t d r 测量熔接损耗、连接损耗 和反射损耗的方法。用o t d r 测试回损和插损的原理图如图1 2 所示： 输h ，辅 垲纤 d j 暮- i n - 。 懈- 柏 埘蚋 一 i ，-l 2l b 饵 o t d r 距膏f k - ) 图1 2o t d r 测试原理 要使o t d r 测量回损和插损得到准确的结果，接入的被测件必须在仪 器的“盲区”之外。o t d r 的盲区宽度随不同的厂家型号而异，一般为几 米。盲区宽度表示o t d r 因为反射导致“盲点”或者饱和而不能进行测量 的区域。这样，发生在o t d r 盲区之内的反射就不能被o t d r 检测出来， 或者在曲线上看不到反射脉冲而模糊不清。 o t d r 内部放大器可能限制其用作回损测试设备。强的后向散射光可 能“淹没”较弱的被测件的反射光，o t d r 的放大器削减了被测信号导致 错误的或者受噪声影响的读数。为避免产生这种效应，必须在光路中插入 电子科技大学硕士学位论文 外部衰减器使得反射光在o t d r 放大器的线性范围之内。 测量中o t d r 采取多次测量之后进行平均以降低随机噪声( 实际采样 测量次数取决于使用的o t d r ) 。之后，o t d r 分析采集的数据、计算损耗、 显示结果，这些处理都需花费较长的时间6 ，8 ，16 。2 1 1 。 3 光反射鉴别法 第三种测量方法采用光反射鉴别法( o r d ) ，测量时系统自动将反射信 号从后向散射信号中分离出来。光反射鉴别法测试原理与光时域反射法极 为相似，稳定激光光源发射脉冲光注入光纤进入被测器件。但该技术采用 一定宽度的脉冲以尽力减小后向散射。简而言之，1 0 n s 或更窄的脉冲产生 足够强度的信号同时不至于导致后向散射的影响。 脉坤激光器 图1 3 光反射鉴别法测试原理 同o t d r 一样，光反射鉴别测量仪通过定向耦合器将反射光导入接收 器。但与o t d r 不同的是，光反射鉴别测量仪通过硬件和软件上的时间区 分处理方法仅仅捕获特定的信号。区分装置捕获升到最小电平之上并且具 有“陕速上升沿”的信号。用这种方法，区分装置滤掉后向散射信号而只 捕获反射信号。接收机将光信号转变为电信号，进行放大和测量( 见图1 3 1 。 光反射鉴别测量仪记录下时基并能显示出反射光的幅度和它到达的时间 ( 见图1 3 ) ，机内的软件分析反射光信号并给出被测器件的回损。这样，与 高线性度的光接收机结合，光反射鉴别测量仪测得的反射光强度直接与回 损成反比。鉴于光反射鉴别法的特殊性，用这种方法却不能测量系统的插 入损耗。它不具有o t d r 能反映延光传播方向的变化趋势，而仅仅反映了 在被测器件位置的反射特性。但光反射鉴别法具有比o t d r 更高的空间分 辨率和准确度，且没有盲区，因此可以测量短距离系统的回波损耗 ”。 三种测试方法的优缺点如下1 6 ： 电子科技大学硕士学位论文 测量方法优点缺点 连续光波测量法组建容易，设备校准简功率计响应所有反射 单，测量方便，实时性光，测回波损耗时需要 强，成本低。在光缆末端作圈式缠绕 或类似的端头处理。 光时域反射计法不但能测量长光缆的回由于盲区的存在，不能 波损耗、插入损耗，还对短光纤进行测量，信 能测量光缆的长度和故号的处理复杂，测量的 障定位。时间较长，一般大于3 0 秒。 光反射鉴别法 此方法提供了更好的准 只能测量回波损耗，且 确度，能够测量短距离信号处理复杂，测量时 系统的回波损耗。间也较长。 表1 1 三种测量方法的优缺点 除了上述三种测量方法外，对测量反射损耗还有光频域反射计法 ( o f d r ) 2 2 , 2 3 】，相干光技术 2 4j 。据安捷伦公司报道，采用相干光技术可 将反射测量空间分辨率提高到l u m 。但是这两种测量方法并不常用，而且 技术难度大，制作成本高。 对于任何测量来说都必须考虑重复性，回波损耗和插入损耗的测量也 不例外。实验发现，采用上述任一种测量技术与另一种测量技术相比， 2 d b 的偏差是常见的。这其中当然有许多因素影响重复性，如所用接头的 类型、测量方法、测量时系统的信噪比等。但总而言之，用这三种方法能 很好地进行测量。 1 3 本文研究主要内容 光波参数综合测试仪作为一种高智能化的综合测试仪器，在目前国内 能生产光通信测试仪器的单位并不多，其来源主要是靠进口，因此价格昂 贵，且数量有限，难以满足日益增长的需求。自行开发和研制光波参数综 合测试仪，设计简单、开发周期短、易形成产品，并且在性能指标上可以 达到甚至超过同行的水平，这样不但可以缓解国内市场的需求问题，同时 电子科技大学硕士学位论文 在经济上也可以获得一定的收益，因此具有良好的发展前景。 鉴于上述情况，本文将设计大动态范围，高精度、高分辨率，高灵敏 度光波参数综合测试仪，主要研究内容如下： ( 1 ) 理论分析温度对激光器输出功率的影响并着重分析采用p i d 控 制技术进行温度控制的模型和数值仿真，设计具有p i d 和a p c 控制能力的 高稳定化激光源，以满足仪器高测试精度的要求。 ( 2 ) 对影响仪器动态范围的因素进行分析，并提出改善系统动态范围 的方法和实现途径。 ( 3 ) 建立光接收机放大电路的噪声模型，通过理论分析，得到其接收 灵敏度，并在设计中进行优化来提高接收灵敏度，达到提高仪器动态范围 的目的。 ( 4 ) 对系统软件进行模块设计，通过软件改善接收机噪声，并设计多 种可供用户选择的功能，使软硬件有机的结合、协调工作。 ( 5 ) 对系统进行抗干扰设计，从而提高系统的稳定性和可靠性。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章光波参数综合测试仪总体结构 2 1 光波参数综合测试仪的方案及其结构组成 目前国内外测量回波损耗和插入损耗主要有三种方法：连续光波测量 法；光时域反射计法；光反射鉴别法。对于这三种方法，在第一章中都作 了详细的阐述和比较，因为连续光波测试技术作为是一种比较简单、实用， 而且经济的技术，易形成产品，所以我们在本文的设计与制作时采用这种 技术。 2 1 1 连续光波法测量回波损耗的基本原理 将已知功率的单波长激光注入光纤系统和被测器件中，定向耦合器将 反射光导向光功率计的探测器，通过软件进行一系列的数据处理，然后得 出回波损耗，其原理如图2 1 所示。其与图1 1 相似，这里我们在激光器 的输出端加入了隔离器。 图2 1 回波损耗测试原理 根据原理图可得： r ( d 8 ) = p o 只 p i + p l + 1 0 1 9 2 = p r r ( d b ) = p o 一( 只+ 只+ 1 0 1 9 2 ) 其中p ，是耦合器的插入损耗，功率的单位均为d b m 。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 2 1 2 测量插入损耗的基本原理 将已知功率的光注入光纤系统和被测器件中，然后将被测器件的另一 端导向光功率计，测量其输出光功率，然后通过计算得到器件的插入损耗， 其原理图如下。 8 电子科技大学硕士学位论文 田l d 霁堡凸当网 j 卜_ 日蔓竺卜剖m l 图2 2 插入损耗测试原理 i ( d b ) = e o b( 2 4 ) 式中的p ，是通过被测器件后的输出功率，功率的单位均为d b m 。 2 1 3 光波参数综合测试仪总体结构 通过以上的分析，采用连续光波测试技术设计的光波参数综合测试仪 系统应包括下面三大部分： a 稳定化光源 b 光功率探测单元 c 数据处理系统 其系统结构原理图如图2 3 所示： - - - _ - - - - - - - ，。，一- _ _ _ _ _ - j 图2 - 3 光波参数综合测试仪结构图 其中，稳定化光源为器件回波损耗和插入损耗的测试提供稳定的参考 光源，其输出功率的大小将影响系统回损和插损测试的动态范围，而输出 功率的稳定性将影响测试的精度与准确度。 光功率探测单元对于光电探测仪器来说是必不可少的，它是由光到电 的转换接口。无论是测试器件的回损、插损还是外界光功率，其性能都是 至关重要的。光功率探测单元的探测灵敏度直接决定了系统可测试的最小 光功率，同时也影响系统的动态范围。作为一个微弱信号的探测单元，很 电子科技大学硕士学位论文 容易受到外界的干扰和影响，因此在设计的时候要特别考虑采取保护措施， 尽量提高它的转换效率和接收性能。 数据处理系统是一个智能化系统的灵魂，是现代自动化仪器不可缺少 的一部分，它为人机对话提供了途径和措施。光波参数综合测试仪中的数 据处理系统不仅要对光功率探测单元得到的信号进行采集、运算、分析以 及处理外，还能为用户提供根据测试需要进行功能的选择。 以上三部分都是采用连续光测试技术设计的光波参数综合测试仪的核 心，缺一不可。只有通过合理的设计和搭配，将它们有机的结合在一起， 才能构成一台真正的测试仪器。在运行时，各个部分之间相互配合、协调 工作，以顺利完成测试并得到准确的测试结果。 2 2 光波参数综合测试仪的技术指标 为满足光纤通信和光纤通信网的发展，光波参数综合测试仪不仅应具 有大动态范围、高分辨率以及高灵敏度等高性能，还必须与计算机有较强 的数据交换能力，具有符合多种测试要求的能力。通过跟踪了解国内外关 于对光纤通信系统以及光通信无源器件回波损耗，插入损耗以及绝对光功 率测量仪器的参数与技术指标，将在开发和设计时用作参考。为此我们自 行研制和开发的光波参数综合测试仪在具有设计与操作简单、成本低廉等 优点的基础上，还应该具备良好的稳定性、可靠性和优良的测试性能，本 设计将努力达到如下参数指标： 波长：15 5 0 n m 输出光功率：1 m w 光稳定度：o 0 0 1 d b 15 r a i n 0 0 1 d b 1 2 h 动态范围： 回损：3 7 0 d b 插损：3 7 0 d b 功率测量：+ 3 一7 0 d b m 通信接口：r s 一2 3 2 电子科技大学硕士学位论文 2 3 光波参数综合测试仪的关键技术 光波参数综合测试仪作为一台智能化和高精度的测试仪器，其技术要 求非常高。为保证仪器的测试精度和可靠性，在设计与制作上我们采用了 以下一些关键技术： 1 高稳定化光源设计与制作技术。 在测试回波损耗和插入损耗的过程中，光源的稳定性对测量准确度和 测量精度的影响是不容忽视的。如何提高光源输出功率的稳定度是该仪器 设计与制作的关键也是一个难点。目前国内外报道的稳定化光源的短期稳 定度一般都在o 0 0 1 o 0 0 4 d b 15 r a i n 之间，长期稳定度在o 0 2 o 0 5 d b 1 2 h 之间。为了达到本文要求的技术指标，我们采用了p i d 控制技 术，自动对半导体激光器温度进行跟踪、补偿和精确的控制，确保激光器 在恒定的温度条件下工作，并采用a p c 电路对激光器的输出功率进行反馈 控制，保证了激光器的高稳定化输出。 2 高灵敏度的光功率探测技术 测量回波损耗和插入损耗的时候，当遇到回波损耗和插入损耗都比较 大的器件时，由器件反射回来或通过器件后的光信号比较微弱，要得到比 较准确的测试结果，必须要完成对微弱光信号的检测。因此，光接收机的 探测灵敏度将直接影响系统的指标和性能。我们采用了高响应度、低暗电 流的光电探测器和低噪声、低偏置自校准放大器来设计高增益、高线性电 路以制作高灵敏度光接收机。从而提高了系统的测量精度，同时也提高了 系统的动态范围。 3 数字信号处理技术 现代化智能测试仪器一般都是数字化产品，光波参数综合测试仪也不 例外，因此离不开数字信号处理。在本设计中使用的数字信号处理主要是 针对a d 转换结果，采用了较为传统和经典的数值平均技术，其目的是通 过降低光接收机的随机噪声，提来高探测灵敏度、系统动态范围和测试准 确度。 4 系统抗干扰技术 光波参数综合测试仪是一个复杂的测试系统，在仪器的内部既包含有 数字处理部分，也包括了模拟处理部分。因此在设计和制作时不得不考虑 电子科技大学硕士学位论文 数字部分对模拟部分的影响，尽最大努力抑制数字信号对模拟信号的干扰， 减小附加噪声源。实际中，从硬软两方面着手，增强系统的抗干扰能力。 硬件上采取改善电源纹波、减少电源噪声，设计多组电源对数字部分和模 拟部分实行单独供电，对模拟部分加屏蔽来抑制外部干扰等措施。在软件 上，通过多次测量取数值平均和设置软件看门狗的方式，以减小随机噪声 和防止系统死机，提高系统的稳定性和可靠性。 2 4 本章小结 本章通过比较选择了光波参数综合测试仪系统设计方案，据此确定了 系统结构，并提出了本设计的技术指标。针对其结构和技术指标分析了解 决的方法与措施，即在设计中将要采用的4 种关键技术。通过解决这些关 键技术来实现本文所要达到的目标。以后几章将围绕这几个关键技术详细 阐述实施过程和得到相应的结果。 屯子科技大学硕士学位论文 第三章光波参数综合测试仪稳定化光源的研究 3 1 获得稳定化光源的方法与技术途径 众所周知高稳定化激光光源就象电子线路测试中的信号源一样，广泛 应用在光电测试系统中，而且在测试过程中发挥着重要作用。作为一个基 准，其性能的好坏将直接影响测试结果。稳定化光源一般包括：输出光波 长稳定的激光光源、功率稳定的激光光源和波长功率皆稳定的激光光源。 在很多重要的应用中都要求半导体激光器的波长比较稳定。比如在光 纤通信的波分复用技术中，频率漂移会引起“串扰”和增加系统的误码率。 而影响半导体激光器发射波长的因素有：腔长、温度、能隙、增益、载流 子浓度、折射率等。要稳定半导体激光器的输出光波长一般可以通过控制 工作温度和注入电流的稳定性来实现一定程度的稳定，且控制注入电流速 度较快，但是对光强的影响较大。要获得更高的稳定度，则要在此基础上 进一步采用l d 的锁定稳频技术。通常采用以下几种技术来实现锁频 25 , 2 6 。 1 利用原子或分子吸收谱线实现波长稳定。通常找一个合适的原子或 者分子的吸收谱线作为参考频率来实现锁频。首先使半导体激光器的工作 温度和注入电流经精密控制后，再使其注入电流有一个小的调幅，从而半 导体激光器的频率有一个小的调频，用锁相放大器的输出信号作为负反馈 信号，经过电子自动调节加到l d 电流驱动电路上，控制注入电流的大小， 从而实现把l d 的频率锁定到吸收谱线上。 2 外腔反馈稳定波长。利用反射光栅等器件的光反馈增加受激辐射而 抑制自发辐射，使反馈光满足振荡条件，这样起到波长锁定作用，也使线 宽能得到有效的压缩，同时光栅反射镜与半导体激光器端面形成外腔结构， 既相当于增长腔长也起到压窄激光器线宽的作用。在外注入锁定的调整过 程中，激光束的准直和反馈光的准直调节是极为重要的。同时外腔反馈激 光器的腔长稳定性十分重要，因此必须对腔体进行精度较高的温控。 3 内腔稳定波长。其用于多级半导体激光器，多级半导体激光器具有 平坦的频率调谐特性和波长稳定特性。多级半导体激光器包括有增益区、 电子科技大学硕士学位论文 相位控制区、布喇格光栅反馈区。可以通过控制三个区的电流，实现波长 调谐或波长稳定。控制增益区的电流使半导体激光器的输出功率保持恒定， 控制相位控制区和布喇格光栅反馈区的电流可以使输出波长唯一，实现波 长稳定。 当然很多应用场合，诸如在光通信和测试中，也要求半导体激光器的 输出功率恒定。特别是在一些测试中需要利用光功率作为测试基准源时要 求是很严格的。要获得输出功率稳定的激光光源，可采用以下的几种措施 和技术。 1 温度与注入电流控制技术 2 7 - 3 0 1 。由于影响半导体激光器输出功率的 因素主要是注入电流的大小和温度的变化，因此稳定激光器功率一般从这 两方面着手，对激光器的温度进行严格的控制和采用电流负反馈来控制激 光器的注入电流，使其输出功率得到稳定。这种技术实用、方便而且效果 很好，因而应用比较广泛。 2 采用量子阱调制器稳定功率】。这种方法是采用一只带f p 腔的 多量子阱反射电子吸收调制器，对其进行稳定化操作时，调制器在控制电 流和光吸收之间会产生一种线型关系，这种关系将会实现非干涉光减少和 执行一个负反馈结构，从而稳定输出功率。这种技术不同于传统的采取稳 定激光器腔长和激光器工作电流来稳定功率输出的方式。其控制过程比较 复杂，应用也较少。 3 2 稳定化光源的温度控制与设计方法 以上分别对稳波长系统和稳功率的光源系统所采用的技术作了描述。 一般而言稳波长系统在波分复用的光通信与传输系统中的应用较为广泛。 然而在本文设计的光波参数综合测试仪中，稳定的光源相当于一个测试基 准，其输出光功率的稳定度将直接影响测试的精度和准确度。因此整个测 试系统对波长的稳定性要求并不很严格，而希望得到高稳定的输出功率。 当然如能在功率恒定的基础上得到恒定的输出波长，对仪器的性能来说肯 定是更好的。仪器在工作时，影响其测试性能最主要的还是激光器输出的 功率，设计稳定化光源的时候我们忽略了对波长稳定的控制，采用了温度 与注入电流控制技术对该光功率稳定系统进行了设计，实际中温度控制对 4 电子科技大学硕士学位论文 于波长的稳定也起了很大的作用，在此不作讨论。本设计的光源结构主要 分为以下几个部分：激光器的驱动电路、激光器自动功率控制( a p c ) 电路、 自动温度控制( a t c ) 电路以及过流保护电路等。其原理图如图3 1 所示： 图3 - 1 稳定化光源原理图 3 2 1 温度对半导体激光器的影响分析 半导体激光器是一个热功耗器件，输出特性受温度影响很大。当温度 发生变化时，l d 的p 一1 特性和光谱特性都要发生变化，对于长波长的 i n g a a s p 器件，这种输出特性对温度的依赖关系更为严重1 3 2 】。 ( 1 ) l d 在连续工作情况下结区温度升高，其阈值电流也要升高。闽 值电流与温度的关系为： ，n ( 丁) = i 。e x p ( t 兀)( 3 1 ) 式中t o 为激光器的特征温度，i o 为t = t o 时闽值电流的1 e 。 ( 2 ) 温度的变化影响发射波长，见下式： = 2 n l m ( 3 2 ) 式中n 为折射率；m 为模数。波长 随折射率n 和腔长l 变化。对于那些 由导带底到价带顶的跃迁产生的激光辐射( 即光子能量接近能隙) ，温度的 变化会对折射率n 和腔长l 产生较大的影响。 实验证明，当温度升高时，自发发射峰向长波长方向移动；当温度降 低时，自发发射峰向短波长方向移动。 ( 3 ) 温度影响输出功率 正常工作条件下，半导体激光器在通过一定电流的情况时，其输出功 率与温度有密切的关系。如图3 2 所示，l d 型大功率半导体激光器随着其 温度增加时，输出功率明显下降。 通过上述的详细分析，在设计稳定化光源时，必须对半导体激光器进 行自动温度控制，以保证激光器能够在恒定温度下工作，得到稳定的输出 特性。 电子科技大学硕士学位论文 苎1 帅 蓉8 0 肆 嚣 霉柏 富 霉 3 ，2 2p i d 控制原理 激光器在工作时产生的热量将使其本身工作温度升高，最后达到很高 的基本稳定的温度。较高的温度将严重影响激光器的各种性能参数，也很 可能导致激光器不能正常工作，甚至损坏。温度控制的目的就是将器件的 工作温度以一定的精度稳定在一个较低的水平上，这样一来就要求根据器 件工作时的实际情况( 如产生热量大小等) 采取一定的措施，将产生的热 量即时散掉，并且要求器件在单位时间里产生的热量等于控制器在单位时 间里吸收的热量，若两者达到动态平衡，则可以保持器件工作温度的稳定。 在一定的控制系统中，首先是将需要控制的被测参数( 如温度) 由传感器 转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号 经过一定规律的计算后得到相应的控制值，将控制量送给控制系统进行相 应的控制，不停地进行上述工作，从而达到自动调节的目的。当控制对象 的精确数学模型难以建立时，比较成熟且广泛使用的控制方法是采用p i d 控制法 33 - 3 7 。 p i d 控制原理主要是按照误差信号的比例、积分和微分值计算相应控 制量，并将其作为输入量传递到控制系统从而实现自动控制的，其控制模 型为 3 6 1 ： 阶卟f ) + 三t - if e ( r ) d z + r d 刮 ( 3 - 3 ) 其中：k 。为比例系数：f ，为积分系数；乃为微分系数；e ( f ) 为误差信号量， e ( t ) = s y ( t ) ，s 为受控量的设定值；y ( t ) 为受控量的输出值；v ( t ) 为控制信 号量。 电子科技大学硕士学位论文 控制结构如图3 3 所示。p i d 控制器把设定值s 与受控系统的受控量 的实际值y ( t ) 相减，得到了一个误差量e ( f ) ，误差量p ( r ) 经比例、积分、微 分运算后通过线性的组合而得到受控系统的控制输入量矿( f ) ，实现对受控 系统进行自动控制的目的，它是一种线性调节器。在p i d 控制器中各校正 环节起的作用如下： ( 1 ) 比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号8 ( f ) ，偏差一旦产 生，控制器就立即产生控制作用，以减少偏差； ( 2 ) 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的 强弱取决于积分时间常数瓦，o 越大，积分作用越弱，反之则越强； ( 3 ) 微分环节：反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差 信号变得太大之前在系统中引入一个有效的早期修正信号从而加快系统的 动作速度，减少调节时间。 这种控制原理的优点是不要求知道受控系统的精确数学模型，因此， 在自动控制领域中得到了广泛的应用。 由上分析可知，要构成一个p i d 控制器，需要确定k 。，q ，三个参 数；确定这三个参数的过程称为p i d 参数整定；并且这三个参数直接影响 系统的控制性能。 图3 3p i d 控制原理 1 p i d 温度控制的s 域分析 由于整个系统涉及的环节较多，不便在时域直接分析。我们在s 域建 立系统的数学模型，计算反拉氏变换可以得到系统在时域的阶跃响应。在 激光器的温度控制过程中由于热敏电阻和t e c 等器件具有热惯性，因此可 以将温度控制部分作为一阶惯性环节建立数学模型【” 。其传递函数为 1 c ( s ) = 毛，f 是温度控制部分的惯性时间常数，p i d 调节器的传递函数为 口十1 1 g 。( s ) = 世+ 土+ 乃j 。结合图3 3 ，根据自动控制原理可知，系统的传递函 电子科技大学硕士学位论文 数为： 那，= 羔1 等1 t 熹t a 觜器 b 4 ， 。7 + ( +：j +j 1 l ( 口+ 1 h 、7 式中k 是p i d 的线型增益系数，f ，为积分时间常数，钆为微分时间常数。 若令 。k + 1 c = ，：去( 3 - 5 ) 听2 而 s 2 + 2 知。s + = 0( 3 6 ) 其中孝是阻尼系数，( - o n 是自然振荡角频率，则传递函数可表示成： 耶) = 再t 丽i f d o j 2 n $ 2 + 再精k2 + 万南( ”) 2 p i d 温度控制的时域分析 若输入阶跃函数( s )