CN103438995A

CN103438995A - 多通道光功率自动监测仪及其测试方法

Info

Publication number: CN103438995A
Application number: CN2013103513832A
Authority: CN
Inventors: 袁燕飞; 陈国庆; 朱荣华; 汤钧; 马磊; 熊婷婷; 王莲萍; 李彦明
Original assignee: CETC 23 Research Institute
Current assignee: CETC 23 Research Institute
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-08-13
Also published as: CN103438995B

Abstract

本发明涉及光功率测试设备。所要解决的技术问题是弥补现有技术的空白，提供一种多通道光功率自动监测仪及其测试方法。其特征在于：所述监测仪包括多路光电二极管、多路跨阻抗程控放大器、温度传感器、I/V变换器、电子开关组、模数转换器、单片机；多路光电二极管将多路光信号变成多路电流信号，再通过多路程控跨阻抗放大器变成多路电压信号经过电子开关组输入至模数转换器得到多路数字信号，然后单片机将处理好的多路各通道的实时光功率数据和单路温度数据通过计算机进行实时显示。本发明有效地解决了多芯光缆以及多路分支器件的机械和环境试验的自动监测问题，系统的稳定度在短时间优于0.01dB，长时间优于0.02dB。

Description

多通道光功率自动监测仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及光功率测试设备。

技术背景

近年来，随着光纤通信的迅猛发展，光纤测试设备也同步发展起来。光纤通信本身对传输光的测量非常重要，传输光损耗的大小直接影响光纤通信系统的好坏，因此光纤测试设备的精度和稳定度显得尤为重要。光功率计作为常见的光纤测试设备，常用于测量光功率比的大小，它与稳定化激光光源的配合可以用来测试光纤光缆的传输损耗和光分支器件的插入损耗。随着生产工艺的进步，大芯数光缆的出现以及光分支器件特别是光分路器通道的增多，再加上IEC和YD/T标准严格要求对光纤光缆光器件在机械和环境试验过程中的损耗变化量进行监测，因此多路带自动监测功能的光功率计的需求就迫在眉睫。现有技术中这种多路带自动监测功能的光功率计尚属空白。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补现有技术的空白，提供一种多通道光功率自动监测仪及其测试方法，可以实现对大芯数光缆、多通道光纤器件的自动监测功能。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

多通道光功率自动监测仪，其特征在于：所述监测仪包括多路光电二极管、多路跨阻抗程控放大器、温度传感器、I/V变换器、电子开关组、模数转换器、单片机；

所述多路光电二极管即PIN管，进行光电转换，将经过待测样品后输入的多路光信号转换成电流信号输出；

所述多路跨阻抗程控放大器用于将光电转换后的输入的多路电流信号转换为多路电压信号，并同时对电压信号进行斩波、检相、放大、滤波处理，并通过电子开关组将其送模数转换器进行A/D转换；

所述安装在待测样品处的温度传感器，将探测到的被测环境温度信号转换成电流信号，通过I/V变换器转换成电压模拟信号，经过电子开关组输入至模数转换器进行A/D转换；

所述模数转换器用于将多路跨阻抗程控放大器处理后得到的多路电压模拟信号转换成串行数字信号，同时也将I/V变换器转换成的电压模拟信号转换成数字信号，输入单片机；

所述单片机对接收到的数字电压信号进行数值滤波、浮点运算、对数运算后将得到的当前采集到的每一路的实时光功率数据以及温度数据输入计算机进行监测结果显示。

优选的，所述多通道光功率自动监测仪还包括光开关，所述光开关设置有两路光源输入和一路光源输出，两个不同波长的激光光源分别接入光开关的两路光源输入，光开关的一路光源输出接光耦合器后再接入待测样品；所述通过光开关对两个激光光源进行切换，可实现待测样品在两个不同波长下的监测。

多通道光功率自动监测仪的测试方法，其特征在于：将测试所需的波长的光源发射的光接入光耦合器，分成多路发射光，其中一路直接连到多通道光功率自动监测仪，形成参考路，剩余的多路光路通过被测样品的多路光通道进入多通道光功率自动监测仪；

多路光电二极管即PIN管，将通过待测样品后获得的多路光信号变成多路电流信号，再通过多路程控跨阻抗放大器变成多路电压信号经过电子开关组输入至模数转换器进行A/D转换，得到和多路光信号成正比的多路数字信号，然后经单片机进行数值滤波、浮点运算、对数运算处理，得到光功率的对数（dBm）形式，同时单片机发送控制信号设定各程控放大器的量程并控制模数转换器的A/D转换过程；同时，所述温度传感器将测试环境的温度信号转换成电流信号，通过I/V变换器转换成电压，经过电子开关组输入至模数转换器进行A/D转换后输入单片机处理；单片机将处理好的多路各通道的实时光功率数据和单路温度数据通过RS232接口送至计算机进行后续处理，再用软件实时显示出来。

优选的，在光耦合器前再设置一个光开关作为前置单元，通过光开关同时连接两个不同波长的激光光源，所述光开关的一路输出至光耦合器，通过光开关的切换可以实现对激光光源的输入波长进行选择转换。

本发明可带来以下有益效果：

本发明的多通道光功率自动监测仪，有效地解决了多芯光缆以及多路分支器件的机械和环境试验的自动监测问题，同时增加了光开关和温度传感器，实现了双波长实时切换以及温度实时显示的功能。系统的稳定度在短时间优于0.01dB，长时间优于0.02dB。

且，与现有技术相比较，本发明通过参考光路的引入，稳定性和精度更高，是一种能做到实时显示的高效高精度监测仪。

附图说明

图1：本发明的测试系统组成框图

图2：本发明一个优选实施例的多路光功率自动监测仪原理框图

图3：系统在短时间（15min）稳定度实测图

图4：系统在长时间（>8h）稳定度实测图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的多通道光功率自动监测仪通过外加激光光源和光耦合器组成完整的测试系统，激光光源发射的光通过光耦合器，分成多路发射光，其中一路直接连到多通道光功率自动监测仪，形成参考路，剩余的光路通过被测样品的多路光通道进入多通道光功率自动监测仪，多通道光功率自动监测仪将处多路各通道的实时光功率数据和单路温度数据通过RS232接口送至计算机进行后续处理，再用软件实时显示出来。见图1——测试系统组成框图。

本实施例采用16位模数转换器，最多可实现对15路光功率的实时自动监测。可通过采集高分光比的分路器将激光光源分出一小部分光进行光功率分析，从而达到在不间断光通信的情况下，监控工作线路的光功率传输的目的。

我们发现系统的稳定度主要由引入的光源和光耦合器决定的。光源一般主要有两种：发光二级管（LED)和半导体激光器（LD)。在实际调试过程中，我们采用EXFO的半导体激光器光源，该光源虽然有自动功率控制电路和自动温度控制电路，但在实际使用过程中，特别是长时间使用过程中，我们发现还会有小范围的波动，这主要可能是光源接口和光纤耦合时产生的。为此，我们设计了光源的参考路，通过实时监测光源波动的状况，把因为波动引入的功率值的偏差在其它路里进行消除，这在一般的光功率计产品中是没有的。

我们同时发现光耦合器的PDL、TDL和接头端面类型对系统的稳定度有很大的影响。PDL(偏振相关损耗）是表征输入光信号在所有偏振状态下光耦合器插入损耗的最大变化量，而且在测试过程中，我们发现它随环境的应力的敏感性特别大，当耦合器本体或连接跳线受到环境应力（触碰、压迫、弯曲等）会产生明显的损耗变化量，而且这个变化量会严重影响系统的稳定度，因此，我们在试验过程中在保证耦合器不受到环境应力的前提下，还将挑选PDL值偏小的耦合器，这样来保证系统的稳定度。在调试过程中，我们还发现，当测试环境温度变化较明显的时候，系统的稳定度有所下降，究其原因，是耦合器的TDL(温度相关损耗）比较敏感而带来的损耗变化，因此，我们挑选了TDL值相对较稳定的耦合器。除此之外，我们还发现分路器接头端面类型对系统的稳定性有一定的影响，当采用FC/APC时，明显比采用FC/PC时稳定度要好，因为APC采用带倾角的斜面，即使光纤折射率分布不均匀，反射光不会从原路返回耦合面。

本优选实施例的多通道光功率自动监测仪硬件组成如图2所示，主要由光开关、温度传感器、多路光电二极管、多路跨阻抗程控放大器、模数转换器、单片机组成。工作原理如下：两路光源输出进入光开关输入端，光开关一路输出至光耦合器分成多路发射光，其中一路直接连到多通道光功率自动监测仪，形成参考路，剩余的多路光路通过被测样品的多路光通道进入多通道光功率自动监测仪。多路光电二极管采用InGaAs PIN管，将多路光信号变成多路电流信号，再通过多路程控跨阻抗放大器将多路电流信号变成多路电压信号经过电子开关组输入至16位A/D变换器，得到和多路光信号成正比的数字信号，经单片机处理计算转换，得到光功率的对数（dBm）形式，同时单片机输出控制信号设定各程控放大器的量程。安装在待测样品附近的温度传感器（AD590）将待测样品的所处环境温度信号转换电流信号，通过I/V变换器转换成电压信号，经过电子开关组输入至16位模数变换器进行A/D转换后输入单片机。单片机将处理好的16路各通道的实时光功率数据和温度数据通过RS232 送至计算机进行后续处理，再用软件实时显示出来。

以下对主要元器件的工作原理逐一说明：

1、光开关

光开关是光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的光学器件。作为多通道光功率计的前置模块，通过切换光开关可实现对双波长光源的转换，无需重新拆接线路就能实现待测样品在不同波长的输入光下的监测要求。由于光开关响应非常迅速（ps)，因此在测试过程中，我们可以快速实现双波长输入光下的监测。

2、多路光电二极管

光电转换的基本原理是利用光电二极管InGaAs PIN管，将光信号转换成电信号，该二极管有1.5GHZ的响应速度，超低的暗电流，高灵敏度等特性，从而确保光电转换的可靠性。光电转换的基本原理是当被测光照射到光探测器上时，产生响应的光电流，即将光信号转换成电信号。

3、多路跨阻抗程控放大器

光电转换后的电信号经模拟信号处理送到模数转换器，由于光电转换后得到的是电流信号，而且电流非常弱小，模拟信号处理中用程控跨阻抗放大器将其转换成电压信号，同时实现对信号斩波、检相、放大、滤波等处理，使信号电压值达到+5V左右，并将其送模数转换器进行A/D转换。

4、模数转换器

模拟信号处理后得到的+5V左右的电压信号送入模数转换器进行A/D转换将模拟信号转换成串行数字信号，16位模数转换器本身具有自身的校准和自校准等功能保证了模数转换的可靠性，并可使用单片机控制模数转换的过程，提高转换精度。

5、单片机数据处理

单片机数据处理是实现多路光功率测量的完成输入的数字电压信号进行数值滤波、浮点运算、对数运算、经过上述一系列数值运算后将得到的当前采集到的每一路的实时光功率数据和温度数据输入计算机，通过软件实时显示出来。

在实际使用过程中，我们对系统的稳定度要求比较高，由于IEC标准严格规定，在机械试验过程中，当光纤损耗变化≤0.03dB，可以判为无明显变化，因此我们要求在短时间（15min)里系统的稳定度要优于0.01dB。同时，在长时间的环境试验过程中（>8h),我们要求系统稳定度要优于0.02dB。在本实施例中，当我们测试超过30min时，系统的稳定度达到0.005dB，见图3，优于设定的0.01dB。当我们测试时间超过16h时，系统最大稳定度达到0.016dB，见图4，优于设定的0.02dB。

具体的测试例的测试过程如下：

在广播电视入网产品检测过程中，光缆的芯数达到12芯以上，我们用该仪器实现了机械试验的自动监测。我们将被测光缆安放在机械试验装置上，同时将其接入光耦合器和多通道光功率自动监测仪之间。

开启光源、光耦合器以及多通道光功率自动监测仪，设置参考光路。打开计算机上操作软件，可以实时观测到每一路的光功率数值。设置参数信息、通道数目以及采样时间。

机械试验装置开始试验的同时点击软件上开始按钮，每一路光功率变化瞬时清零，并对整个机械试验过程中的光透射性能变化进行实时监测。在过程中被测光缆由于经受机械外力而产生的衰减变化会反应在多通道光功率自动监测仪的每一路的光功率上，产生光功率变化值。

当机械试验结束后，我们点击软件上停止按钮，就把整个过程中的光功率变化数据采集下来，每一路通道都有光功率的变化值，针对所有通道还有一个变化最值。按照IEC标准的要求，我们还对软件的光功率变化值做了分析，产生附加衰减和衰减变化两个定义。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.多通道光功率自动监测仪，其特征在于：所述监测仪包括多路光电二极管、多路跨阻抗程控放大器、温度传感器、I/V变换器、电子开关组、模数转换器、单片机；

2.按照权利要求1所述的多通道光功率自动监测仪，其特征在于：所述多通道光功率自动监测仪还包括光开关，所述光开关设置有两路光源输入和一路光源输出，两个不同波长的激光光源分别接入光开关的两路光源输入，光开关的一路光源输出接光耦合器后再接入待测样品；通过光开关对两个激光光源进行切换，可实现待测样品在两个不同波长下的监测。

3.多通道光功率自动监测仪的测试方法，其特征在于：选择将需测试波长的光源发射的光接入光耦合器，分成多路发射光，其中一路直接连到多通道光功率自动监测仪，形成参考路，剩余的多路光路通过被测样品的多路光通道进入多通道光功率自动监测仪；

多路光电二极管即PIN管，将通过待测样品后获得的多路光信号变成多路电流信号，再通过多路程控跨阻抗放大器变成多路电压信号经过电子开关组输入至模数转换器进行A/D转换，得到和多路光信号成正比的多路数字信号，然后经单片机进行数值滤波、浮点运算、对数运算处理，得到光功率的对数形式，同时单片机发送控制信号设定各程控放大器的量程并控制模数转换器的A/D转换过程；同时，所述温度传感器将测试环境的温度信号转换成电流信号，通过I/V变换器转换成电压，经过电子开关组输入至模数转换器进行A/D转换后输入单片机处理；单片机将处理好的多路各通道的实时光功率数据和单路温度数据通过RS232接口送至计算机进行后续处理，再用软件实时显示出来。

4.按照权利要求3所述的多通道光功率自动监测仪，其特征在于：在光耦合器前再设置一个光开关作为前置单元，通过光开关同时连接两个不同波长的激光光源，所述光开关的一路输出至光耦合器，通过光开关的切换可以实现对激光光源的输入波长进行选择转换。