CN101299638B - 一种光功率检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光功率检测装置及方法，属于光通信领域。本发明方法，包括：待测光经过光电转换后，将其输出的电压值与一已知电压值进行减法运算，得到一差值，对该差值进行放大，并结合所述已知电压值，运算得到所述待测光功率。本发明技术方案使得采样精度大大提高，同时电路的构成相对简单，便于调试及定位故障；另外，本发明技术方案显著提高了功率检测的精度，并保证了光功率检测的可靠性。

Description

一种光功率检测装置及方法

技术领域

本发明属于光通信领域，特别涉及一种光功率检测装置及方法。

背景技术

在光通信领域内，由于光功率的指标是很重要的一个指标，因此光功率的检测在整个传输系统中占有不可或缺的重要低位。目前主要采用的方法是使用耦合器将被监测的光分出一部分到APD(avalanche photon detector，雪崩光电二极管)或者PIN管，实现光电转换，放大后的电压经过采样，最终计算出待检测的光功率值。其中电压放大过程，最常用的放大器包括有线性放大器和对数放大器，当然，还有一些集成的光功率检测器件，但由于其使用的通用性和价格等方面的原因，远没有上述两种放大器常见。

线性放大器检测量程范围有限，一般在30dB左右，且在量程范围内不同阶段的精度范围不一致，在靠近量程上限的地方，检测精度较高，在靠近量程下限的地方，则检测精度较低，容易受到各种干扰源的干扰。

对数放大器则具有较大的量程范围，一般可以达到60dB以上，且在量程范围内具有均匀的分辨率。但是由于其分辨率均匀，受制于目前的ADC一般只有2.5V的输入检测范围，因此导致其每dB对应的电压分辨率过低，影响了对光功率的检测精度，从而导致了对于一些具有高精度检测要求的应用无法很好利用对数放大器的优点。

从上述介绍可从看出，目前常用的光功率检测装置中存在：检测分辨率不平衡，如线性放大器对于量程两端具有不同的检测分辨率；检测范围过窄；检测精度不够高等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种光功率检测装置及方法，从而在满足大检测范围的基础上，提高光功率检测精度。

为了解决上述问题，本发明公开了一种光功率检测方法，包括：

待测光经过光电转换后，将其输出的电压值与一已知电压值进行减法运算，得到一差值，对该差值进行放大，并结合所述已知电压值，运算得到所述待测光功率。

进一步地，上述方法中，所述待测光经过光电转换后，先对其输出的电压值进行放大，再与所述已知电压值进行减法运算，此时，对所述减法运算得到的差值进行的放大过程为二次放大过程。

上述方法具体分为以下步骤：

待测光依次通过光电转换，并对其输出电压值进行对数放大后，根据该放大后的电压值以及事先确定的检测分辨率，计算得到二次放大增益值和所述已知电压值；

再将所述待测光依次经过所述光电转换、对数放大后，先与所述已知电压值进行减法运算得到所述差值，再按照所述二次放大增益值对所述差值进行二次放大，根据该放大后的差值和所述已知电压值，运算得到所述待测光功率。

本发明还公开了一种光功率检测方法，包括：

待测光经过光电转换后，根据一已知电流值将所述光电转换输出的电流进行分流，并对分流后的输出电压值进行放大，然后将该放大后的电压值结合所述已知电流所对应的电压值，运算得到所述待测光功率。

进一步地，上述方法中，将所述分流后的输出电压放大的过程包括对数放大和二次放大过程。

上述方法具体分为以下步骤：

待测光依次通过光电转换，并对其输出电压值进行对数放大后，根据该放大后的电压值以及事先确定的检测分辨率，计算得到二次放大增益值和所述已知电流值；

再将所述待测光经过所述光电转换后，根据所述已知电流值对其输出电流进行分流操作，并对分流后的光电转换输出电压值进行对数放大，按照所述二次放大的增益值将对数放大后的电压值进行二次放大，根据该二次放大后的电压值和所述已知电流值所对应的电压值，运算得到所述待测光功率。

本发明公开了一种光功率检测装置，包括光电转换单元和放大单元，该装置进一步包括一与所述光电转换单元和所述放大单元均相连的减法运算单元，以及与所述减法运算单元、所述放大单元均相连的控制单元，其中

所述减法运算单元，用于接收所述控制单元的控制，将所述光电转换单元的输出电压值与一已知电压值进行减法运算，得到一差值，并将该差值发送到所述放大单元；

所述控制单元，用于对所述放大后的差值，结合所述已知电压值，运算得到所述待测光功率。

进一步地，上述装置还包括一对数放大单元，该对数单元，用于对光电转换单元的输出结果进行对数放大并将放大结果发送到所述减法运算单元，此时，接收所述减法运算单元输出结果的放大单元为二次放大单元。

其中，该装置进一步包括一模数转换单元，此时，所述控制单元通过该模数转换单元与所述二次放大单元相连；

所述模数转换单元用于将所述二次放大单元的输出结果进行采样，并将采样结果发送到所述控制单元；

所述控制单元，还用于根据所述模数转换单元的初次采样结果以及事先确定的检测分辨率，计算得到所述二次放大的增益值和所述已知电压值。

本发明还公开了一种光功率检测装置，包括相互连接的光电转换单元和放大单元，该装置进一步包括一与所述光电转换单元相连的减法运算单元，以及与所述减法运算单元、所述放大单元均相连的控制单元，其中

所述减法运算单元，用于接收所述控制单元的控制，按照一已知电流值对所述光电转换单元输出的电流值进行分流；

所述控制单元，用于对所述放大单元的输出结果，结合所述已知电流所对应的电压值，运算得到所述待测光功率。

进一步地，上述装置中，所述放大单元包括一对数放大单元，以及一二次放大单元，此时，所述二次放大单元与所述控制单元相连。

上述装置还包括一模数转换单元，此时，所述控制单元通过该模数转换单元与所述二次放大单元相连；

所述模数转换单元，用于对所述二次放大单元的输出结果进行采样，并将采样结果发送到所述控制单元；

所述控制单元，还用于根据所述模数转换单元的初次采样结果以及事先确定的检测分辨率，计算得到所述二次放大的增益值和所述已知电流值。

本发明技术方案的光功率采样电路引入了减法电路部分，从而使得采样精度大大提高，同时电路的构成相对简单，便于调试及定位故障；另外，本发明技术方案显著提高了功率检测的精度，并保证了光功率检测的可靠性，使得采用PIN、APD等通用采样电路的装置可以适应更高精度要求的场合，如光功率测量及定标设备等场合。

附图说明

图1为实施例1高精度光功率检测装置示意图；

图2为图1所示装置检测光功率的流程图；

图3为实施例2高精度光功率检测装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

实施例1

一种高精度光功率检测装置，如图1所示，包括依次连接的光电转换单元(10)、对数放大单元(20)、减法运算单元(30)以及二次放大单元(40)，其中减法运算单元(30)还与控制单元(60)相连，二次放大单元(40)与AD(模数)转换单元(50)相连，控制单元(60)与AD转换单元(50)相连。下面是对各单元功能的详细介绍。

光电转换单元(10)，用于光电转换，可以采用APD或者PIN转换电路；

对数放大单元(20)，用于将光电转换的电压输出结果进行对数放大；

减法运算单元(30)，根据控制单元(60)的控制对对数放大单元(20)的电压输出结果做减法运算，可以采用集成运算电路实现，在本实施例中，该减法运算单元还内置有一AD转换功能模块，以及一数字接口，控制单元通过该数据接口将一动态减法量N值发送到减法运算单元，减法单元对该N值进行AD转换后，实现对电压输出结果的减法运算；

在其它实施例中，也可以将该AD转换功能模块置于减法运算单元的外部或者利用本装置中的AD转换单元(50)，此时，控制单元将动态减法量N值先进行AD转换，再发送到所述减法运算单元。

二次放大单元(40)，对减法运算单元(30)的输出结果执行二次放大，可以采用集成运放实现；

AD转换单元(50)，对二次放大单元(40)的电压输出结果执行AD采样，可以通过ADC芯片实现；

控制单元(60)，控制执行AD采样、反馈运算以及光功率计算，其中，通过反馈运算得到动态减法量N以及二次放大增益值，通过再次采样值、动态减法量N以及定标系数计算光功率，该单元可以基于MCU(Micro ControllerUnit，微控制器单元)或者FPGA(现场可编程门阵列)等方式加以实现。

上述装置正常工作过程中，用户按照需要确定检测分辨率M(单位可以为dB)后，进行AD采样，并根据采样结果计算得到合适的二次放大的增益值A以及动态减法量N，将N设置到减法单元，A设置到二次放大单元后，再次进行AD采样，之后通过计算得到光功率，其具体过程，如图2所示，包括以下步骤：

步骤201、控制单元将减法运算单元置零，将二次放大单元增益设为1；

步骤202、控制单元控制AD转换单元，对光电转换后通过对数放大的电压进行初次AD采样，换算出当前的采样电压值后，根据需要设定的检测分辨率M计算出相应的动态减法量N(单位可以为mV或者uA)，以及二次放大单元的增益值A；

该步骤中，控制单元按如下公式计算N与A值：

二次放大增益值A≥(V_ref/Nda)/(M×K)公式(1)

其中，M为检测分辨率，本实施例中，M＝0.01dBm；K为对数放大器输出斜率，本实施例中K＝40mV/dB；Vref为AD转换单元的参考源，常见的是2.5V，即2500mV；Nda为AD转换单元的满量程，10位AD转换单元的满量程是2¹⁰＝1024；

将上述各参数数值代入公式(1)进行计算后，

A≥(2500/1024)/(0.01×40)＝6.1，因此在本实施例中将A设置为7。

由于经过二次放大后，进入AD转换单元的电压不能超过其参考电压V_ref，因此有：

(V_in-N)×A≤V_ref，即，N≥V_in-V_ref/A  公式(2)

其中V_in为二次放大增益值为1时AD采样的电压值，因此N≥V_in-357mV。

步骤203、控制单元将上述动态减法量N设置到减法运算单元的输入端，将二次放大单元的增益设置为A；

在其它实施例中，控制单元也可以先通过一AD转换功能模块将动态减法量N转换为模拟量后，再发送到减法运算单元。

步骤204、控制单元再次控制AD转换单元，对光电转换后依次通过对数放大、减法运算以及二次放大的电压值进行AD采样，并根据定标系数和动态减法量N，计算出光功率。

在其它实施例中，在初次采样完成后，可以实时检测光功率，即可以进行多次AD采样从而实时计算光功率，其中，在每次检测光功率过程中，控制单元需要根据前一次AD采样的结果重新确定动态减法量值N。

实施例2

本实施例所提供的光功率检测装置如图3所示，该装置包括依次连接的光电转换单元(10)、对数放大单元(20)、二次放大单元(40)、AD转换单元(50)、控制单元(80)以及减法运算单元(70)，其中，光电转换单元(10)还与减法运算单元(70)相连。下面是对各单元功能的详细介绍。

光电转换单元(10)，用于光电转换，可以采用APD或者PIN转换电路；

对数放大单元(20)，用于将经过分流的电路电压进行对数放大；

减法运算单元(70)，可使用可控电流源实现，从PD电路中分流出部分电流，此部分电流可以对应转换为一电压值，本实施例中，该减法运算单元还内置有一AD转换功能模块，以及一数字接口，控制单元通过该数据接口将一动态减法量N值发送到减法运算单元，减法单元对该N值进行AD转换后，实现对光电转换的电流输出结果进行减法运算；

在其它实施例中，也可以将该AD转换功能模块置于减法运算单元的外部或者利用本装置中的AD转换单元(50)，此时，控制单元将动态减法量N值先进行AD转换，再发送到所述减法运算单元。

二次放大单元(40)，实现对前级输出电压的调整放大，可以采用集成运放实现；

在其它实施例中，也可以将对数放大单元和二次放大单元合为一个放大单元，即PD电路经过分流后，经过一次放大即可。

AD转换单元(50)，对二次放大单元(40)的输出结果执行AD采样，并发送到控制单元，可以通过ADC芯片实现；

控制单元(80)，控制执行AD采样、反馈运算以及光功率计算，其中，通过反馈运算得到动态减法量N以及二次放大增益值，通过再次采样值、动态减法量N所对应的电压、定标系数计算光功率，该单元可以基于MCU或者FPGA等方式加以实现。

上述装置实现光功率检测的过程与实施例1的不同之处在于，所采用的计算公式将用于计算电流而不是电压，计算结果将改变受控电流源的分流电流，从而对经过分流操作的输出电压进行放大进而实现对预定区域的放大检测。具体实现过程中，用户首先按照需要确定检测分辨率M，然后控制单元将减法运算单元置零，将二次放大单元增益设为1，进行初次AD采样，计算得到二次放大的增益值A以及动态减法量N，其中A值计算方法与实施例1相同，而N值计算过程如下：

由于经过二次放大后，进入AD转换单元的电压不能超过其参考电压V_ref，因此有：A×10×log(I_in-N)≤V_ref  公式(3)

在本实施例中，A为7；V_ref为2500mV；I_in为二次放大增益值为1时采样到的电压值转换的电流值(关系式A×10×log(I_in)＝V_in)；

由上得出， $N\≥I_{\mathrm{in}}-{10}^{(V_{\mathrm{ref}}/(10\×A))}$ 公式(4)

当A值与N值确定后，控制单元再次控制AD转换单元，对光电转换后的电路进行分流(即电流减法运算)，然后再对分流后的输出电压进行对数放大、以及二次放大，最后进行AD采样，并根据定标系数和与动态减法量N对应的电压值(即将分流出的电流量转换为相应的电压量)，计算出光功率。

从上述实施例可以看出，由于本发明技术方案采用了对数放大器，因而保证了检测范围大，解决了在整个检测范围内检测分辨率不平衡的问题，同时，本技术方案的光功率采样电路引入了减法电路部分，从而使得采样精度大大提高，同时电路的构成相对简单，便于调试及定位故障；另外，本发明技术方案显著提高了功率检测的精度，并保证了光功率检测的可靠性，使得采用PIN、APD等通用采样电路的装置可以适应更高精度要求的场合，如光功率测量及定标设备等场合。其中，实施例1，能够很容易地实现0.01dBm甚至更高的分辨力，但此控制实现与线性放大器的分段式算法相比，大大减小了工作量，并在保证可靠性的前提下，大幅提高了系统的性能指标。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种光功率检测方法，其特征在于，包括：

待测光经过光电转换后，对其输出的电压值进行对数放大，根据对数放大后的电压值以及事先确定的检测分辨率，计算二次放大增益和已知电压值，将经对数放大后的电压值与所述已知电压值进行减法运算，得到一差值，按照所述二次放大增益对该差值进行二次放大，根据该放大后的差值和所述已知电压值，运算得到所述待测光功率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述待测光经过光电转换后，先对其输出的电压值进行放大，再与所述已知电压值进行减法运算，此时，对所述减法运算得到的差值进行的放大过程为二次放大过程。

3.一种光功率检测方法，其特征在于，包括：

待测光依次经过光电转换后，并对其输出电压值进行对数放大，根据该放大后的电压值以及事先确定的检测分辨率，计算得到二次放大增益值和一已知电流值；

再将所述待测光经过所述光电转换后，根据所述已知电流值对经该光电转换输出的电流进行分流，并对分流后的光电转换输出电压值进行对数放大，按照所述二次放大增益值将对数放大后的电压值进行二次放大，根据该二次放大后的电压值和所述已知电流值所对应的电压值，运算得到所述待测光功率。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

将所述分流后的输出电压放大的过程包括对数放大和二次放大过程。

5.一种光功率检测装置，包括光电转换单元和二次放大单元，其特征在于，该装置进一步包括一与所述光电转换单元相连的对数放大单元，与所述对数放大单元和所述二次放大单元均相连的减法运算单元，以及与所述减法运算单元、所述二次放大单元均相连的控制单元，其中

所述减法运算单元，用于接收所述控制单元的控制，将所述光电转换单元的输出电压值与一已知电压值进行减法运算，得到一差值，并将该差值发送到所述二次放大单元；

所述控制单元，用于对所述二次放大后的差值，结合所述已知电压值，运算得到待测光功率；

所述对数放大单元，用于对光电转换单元的输出结果进行对数放大并将放大结果发送到所述减法运算单元，此时，接收所述减法运算单元输出结果的放大单元为二次放大单元；

其中，已知电压值和二次放大增益根据对数放大后的电压值以及事先确定的检测分辨率计算得到。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括一模数转换单元，此时，所述控制单元通过该模数转换单元与所述二次放大单元相连；

所述模数转换单元用于将所述二次放大单元的输出结果进行采样，并将采样结果发送到所述控制单元；

所述控制单元，还用于根据所述模数转换单元的初次采样结果以及事先确定的检测分辨率，计算得到所述二次放大的增益值和所述已知电压值。

7.一种光功率检测装置，包括相互连接的光电转换单元和放大单元，其特征在于，该装置进一步包括一与所述光电转换单元相连的减法运算单元，以及与所述减法运算单元、所述放大单元均相连的控制单元，其中

所述减法运算单元，用于接收所述控制单元的控制，按照一已知电流值对所述光电转换单元输出的电流值进行分流；

所述控制单元，用于对所述放大单元的输出结果，结合所述已知电流所对应的电压值，运算得到待测光功率；

所述放大单元包括一对数放大单元，以及一二次放大单元，此时，所述二次放大单元与所述控制单元相连；

其中，已知电流值和二次放大增益根据对数放大后的电压值以及事先确定的检测分辨率计算得到。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置还包括一模数转换单元，此时，所述控制单元通过该模数转换单元与所述二次放大单元相连；

所述模数转换单元，用于对所述二次放大单元的输出结果进行采样，并将采样结果发送到所述控制单元；

所述控制单元，还用于根据所述模数转换单元的初次采样结果以及事先确定的检测分辨率，计算得到所述二次放大的增益值和所述已知电流值。

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