CN108801598A - 基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置及方法，包括同轴谐振腔、光纤、光学敏化染料、光源、光源固定支架和矢量网络分析仪，矢量网络分析仪是通过微波线缆连接同轴谐振腔；光纤的表面涂敷有光学敏化染料，光纤涂有染料的一端竖直放置于同轴谐振腔测试孔内；光源由支架固定并竖直照射同轴谐振腔测试孔；本发明具有测试精度高、测试稳定性好、使用和维护成本低、对样品放置要求低的特点；同时本装置由于采用了光学敏化染料，可实现红光到紫光的宽频谱检测；采用场强集中、品质因数较高的同轴谐振腔，可实现测试过程中对光源辐射功率瞬时变化的实时响应，保证测试结果的准确性。

Description

基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置及方法

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，具体涉及一种光功率测试装置与方法。

背景技术

随着光通信技术和无源光纤网络技术的快速发展，光功率检测显得尤为重要。光功率的变化很容易导致通信和网络故障，在光通信领域中，为确保器件之间工作的连续性、稳定性与安全性，通常要对所有的光学设备进行检测。

目前对光功率检测的主要方法是AD转换，它是通过耦合器将待测光耦合到APD(avalanche photon detector，雪崩光电二极管)或者PIN管，然后对所得到的电压，通过放大器进行放大，并进行采样，最终可计算出待检测的光功率值。常用放大器有线性放大器和对数放大器。其中，线性放大器的量程一般在30dB左右，且在不同的工作范围内，具有不同的精度指标，越靠近量程下限其精度值越低，优点是不易受外界环境影响。而对数放大器则具有较大的量程，一般其值可达60dB，并且在整个量程范围内均具有较为均匀的，但受制于现有技术使得量程内分辨率过低，导致光功率检测精度亦随之下降。传统的AD转换器对光功率的采样范围一般是在0～20dBm以内，而实际中光功率通常是高于20dBm，此时，传统的AD转换器将不再满足要求。此外，一些集成化的光功率检测器件也可实现对光辐射功率的简单检测，但由于其加工成本和使用通用性方面的限制，使得其不能推广使用。

综上所述，传统的光功率检测技术检测幅值范围较小，且技术和成本限制了其使用条件和应用范围。而基于染料光学敏化特性的光功率微波检测装置是将检测困难的宽量程待测光功率信号转化为小量程、易观测的微波信号。因此，提供一种基于染料光学敏化特性的光功率微波检测装置及方法是很有意义的。

发明内容

本发明的目的是针对现有光辐射功率检测装置中存在的缺陷，提供一种基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置及方法。利用光学敏化染料在不同光辐射功率下具有不同的响应特性，并采用场强集中、品质因数较高的同轴谐振腔对光学敏化染料的响应特性进行检测，将光辐射功率信号向微波信号转化，实现光功率宽量程检测。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置，包括同轴谐振腔1、光纤2、光源固定支架4、光源5和矢量网络分析仪6，所述光纤2竖直插入同轴谐振腔测试孔8内；所述光纤2其底端表面涂敷有光学敏化染料3；所述光源5由光源固定支架4固定，并竖直照射同轴谐振腔测试孔8；所述矢量网络分析仪6通过微波线缆7与同轴谐振腔1相连。

作为优选方式，所述同轴谐振腔1工作频段为1-8GHz，品质因数1万以上，且具有6个以上的可用谐振频率；在同轴谐振器1顶端中心处开有深度为3.5mm的同轴谐振腔测试孔8，用于放置涂有光学敏化染料3的光纤2。

作为优选方式，所述同轴谐振腔1采用黄铜制作，内外表面先后涂有银、金金属膜层。

作为优选方式，所述光纤2为15～20根直径为1mm、工作范围覆盖可见光的裸光纤，并在其接受光源辐照的顶部用细线捆绑成一圆束状，其另一端则涂敷光学敏化染料3。

作为优选方式，所述光学敏化染料3采用在不同光功率辐射下具有不同敏化响应特性的染料制成。如盐基品蓝和盐基青莲等染料。

作为优选方式，所述光源固定支架4包括多个首尾依次铰接的光源固定支架支节单元11，光源固定支架支节单元11尾部上设有光源固定孔13，光源固定孔13对光源5进行固定。

作为优选方式，所述光源5采用单色光源作为实验光源。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述装置进行光功率微波测试的方法，包括如下步骤：

步骤1：连接同轴谐振腔和矢量网络分析仪，使用光源固定支架对光源进行固定；

步骤2：选取长度为35mm的光纤，并将其底端使用光敏化染料进行涂敷，染料涂敷长度为3.5mm；

步骤3：将光纤涂敷有光学敏化染料的一端插入同轴谐振腔测试孔内，调整光源固定支架使得光源可竖直照射到同轴谐振腔测试孔内；

步骤4：关闭光源，调节矢量网络分析仪，选取同轴谐振腔在工作频段1-8GHz内品质因数最高的谐振峰，其谐振频率记为f₀，并将其作为光功率微波检测频率，通过矢量网络分析仪的Mark Search和Mark Function功能将f₀进行标记并移至矢量网络分析仪屏幕中央，并将Span调至1MHz，记录此状态下谐振频率f₀、谐振峰幅值A₀、品质因数Q₀；

步骤5：打开光源并观察谐振曲线的变化状态，并记录其稳定状态时的谐振频率f₁、谐振峰幅值A₁、品质因数Q₁；

步骤6：通过步骤4和步骤5计算打开光源前后谐振频率偏移量Δf、谐振峰幅值偏移量ΔA、品质因数变化量ΔQ，其计算方法如下：

Δf＝f₁–f₀

ΔA＝A₁–A₀

ΔQ＝Q₁–Q₀

步骤7：通过改变光源的辐射功率P，得不同辐射功率下的Δf、ΔA以及ΔQ；通过对记录数据的统计与整理，得P-Δf、P-ΔA、P–ΔQ的数据统计表；

步骤8：对辐射功率未知的待测光进行检测，计算该辐射功率下的Δf、ΔA以及ΔQ的值，并查阅通过步骤7所得到的P-Δf、P-ΔA、P–ΔQ数据统计表，即得到待测光源的辐射功率P的大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的基于染料光学敏化特性的光功率微波检测装置中，采用光学敏化染料替代了传统的APD、PIN等光信号接收装置。通过光学敏化染料在不同光辐射功率下具有不同的响应特性实现光功率信号的接收与检测。其成本低廉、来源广泛，且易涂敷于石英、玻璃钢板等常见基底材料上，制成具有较高灵敏度的光功率信号接收装置。

(2)本发明采用场强集中、品质因数较高的同轴谐振腔作为光功率信号检测装置，与传统AD转换光功率检测装置相比，该装置将光功率信号向微波信号转化，其优越性在于：由于光信号辐射功率分布范围广，远超出传统光功率检测装置量程范围，尤其是对高功率光信号的检测，而同轴谐振腔通过对光学敏化染料在不同光功率辐射下响应特性的测量，可将高功率光信号转化为变化范围小、易观测的微波信号，实现对高功率光信号的较灵敏检测。此外，该装置亦具有响应速度快、灵敏度高、测试精度高、材料成本低、设计加工简单等优点。

(3)本发明采用高度、位置、角度均可自由调控且稳定不易晃动的支节型可拆分支架进行光源固定，由于同轴谐振腔测试孔直径较小，需要对光源不断进行位置和角度的调节，而支节型可拆分支架具有高自由度和稳定性，为光照的稳定性与测试结果的准确性提供了保证。

附图说明

图1为本发明提供的基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置结构示意图。

图2为本发明提供的同轴谐振腔结构示意图。

图3为本发明提供的底端涂敷有光学敏化染料的光纤结构示意图。

图4为本发明提供的支节型可拆分支架结构示意图。

其中，1为同轴谐振腔、2为光纤，3为光学敏化染料，4为光源固定支架，5为光源，6为矢量网络分析仪，7为微波线缆，8为同轴谐振腔测试孔，9为同轴谐振腔内导体，10为光源固定支架底部支撑杆，11为光源固定支架支节单元，12为支节间连接螺钉，13为光源固定孔，14为光源固定弹片。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。

如图1所示，基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置，基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置，包括同轴谐振腔1、光纤2、光源固定支架4、光源5和矢量网络分析仪6，所述光纤2竖直插入同轴谐振腔测试孔8内；所述光纤2其底端表面涂敷有光学敏化染料3；所述光源5由光源固定支架4固定，并竖直照射同轴谐振腔测试孔8；所述矢量网络分析仪6通过微波线缆7与同轴谐振腔1相连。

所述同轴谐振腔1工作频段为1-8GHz，品质因数1万以上，且具有6个以上的可用谐振频率；在同轴谐振器1顶端中心处开有深度为3.5mm的同轴谐振腔测试孔8，用于放置涂有光学敏化染料3的光纤2。

所述同轴谐振腔1采用黄铜制作，内外表面先后涂有银、金金属膜层。

所述光纤2为15～20根直径为1mm、工作范围覆盖可见光的裸光纤，并在其接受光源辐照的顶部用细线捆绑成一圆束状，其另一端则涂敷光学敏化染料3。

所述光学敏化染料3采用在不同光功率辐射下具有不同敏化响应特性的染料制成。如盐基品蓝和盐基青莲等染料。

所述光源固定支架4包括多个光源固定支架支节单元11，相邻光源固定支架支节单元11首尾通过支节间连接螺钉12依次铰接，光源固定支架支节单元11尾部上设有光源固定孔13，光源固定孔13对光源5进行固定。光源固定支架4为支节型可拆分支架，其高度、位置、角度可自由调控：通过调节支节间连接螺钉12的旋紧力度，可将光源固定支架支节单元11进行不同角度调控，以此可实现对光源不同高度调控；通过调节支节间连接螺钉12的旋紧力度，可将光源固定孔13进行不同角度调控。即通过对支节间连接螺钉12的调节，实现对光源进行高度、位置、角度的自由调控。

所述光源5采用单色光源作为实验光源。其频带宽度窄、方向性良好。

利用上述装置进行光功率微波测试的方法，包括如下步骤：

步骤1：连接同轴谐振腔和矢量网络分析仪，使用光源固定支架对光源进行固定；

步骤2：选取长度为35mm的光纤，并将其底端使用光敏化染料进行涂敷，染料涂敷长度为3.5mm；

步骤3：将光纤涂敷有光学敏化染料的一端插入同轴谐振腔测试孔内，调整光源固定支架使得光源可竖直照射到同轴谐振腔测试孔内；

步骤4：关闭光源，调节矢量网络分析仪，选取同轴谐振腔在工作频段1-8GHz内品质因数最高的谐振峰，其谐振频率记为f₀，并将其作为光功率微波检测频率，通过矢量网络分析仪的Mark Search和Mark Function功能将f₀进行标记并移至矢量网络分析仪屏幕中央，并将Span调至1MHz，记录此状态下谐振频率f₀、谐振峰幅值A₀、品质因数Q₀；

步骤5：打开光源并观察谐振曲线的变化状态，并记录其稳定状态时的谐振频率f₁、谐振峰幅值A₁、品质因数Q₁；

步骤6：通过步骤4和步骤5计算打开光源前后谐振频率偏移量Δf、谐振峰幅值偏移量ΔA、品质因数变化量ΔQ，其计算方法如下：

Δf＝f₁–f₀

ΔA＝A₁–A₀

ΔQ＝Q₁–Q₀

步骤7：通过改变光源的辐射功率P，得不同辐射功率下的Δf、ΔA以及ΔQ；通过对记录数据的统计与整理，得P-Δf、P-ΔA、P–ΔQ的数据统计表；

步骤8：对辐射功率未知的待测光进行检测，计算该辐射功率下的Δf、ΔA以及ΔQ的值，并查阅通过步骤7所得到的P-Δf、P-ΔA、P–ΔQ数据统计表，即得到待测光源的辐射功率P的大小。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置，其特征在于：包括同轴谐振腔(1)、光纤(2)、光源固定支架(4)、光源(5)和矢量网络分析仪(6)，所述光纤(2)竖直插入同轴谐振腔测试孔(8)内；所述光纤(2)其底端表面涂敷有光学敏化染料(3)；所述光源(5)由光源固定支架(4)固定，并竖直照射同轴谐振腔测试孔(8)；所述矢量网络分析仪(6)通过微波线缆(7)与同轴谐振腔(1)相连。

2.根据权利要求1所述的基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置，其特征在于：所述同轴谐振腔(1)工作频段为1-8GHz，品质因数1万以上，且具有6个以上的可用谐振频率；在同轴谐振器(1)顶端中心处开有深度为3.5mm的同轴谐振腔测试孔(8)，用于放置涂有光学敏化染料(3)的光纤(2)。

3.根据权利要求1所述的基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置，其特征在于：所述同轴谐振腔(1)采用黄铜制作，内外表面先后涂有银、金金属膜层。

4.根据权利要求1所述的基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置，其特征在于：所述光纤(2)为15～20根直径为1mm、工作范围覆盖可见光的裸光纤，并在其接受光源辐照的顶部用细线捆绑成一圆束状，其另一端则涂敷光学敏化染料(3)。

5.根据权利要求1所述的基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置，其特征在于：所述光学敏化染料(3)采用在不同光功率辐射下具有不同敏化响应特性的染料制成。

6.根据权利要求1所述的基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置，其特征在于：所述光源固定支架(4)包括多个首尾依次铰接的光源固定支架支节单元(11)，光源固定支架支节单元(11)尾部上设有光源固定孔(13)，光源固定孔(13)对光源(5)进行固定。

7.根据权利要求1所述的基于染料光学敏化特性的光功率微波测试装置，其特征在于：所述光源(5)采用单色光源作为实验光源。

8.根据权利要求1至7任意一项所述装置进行光功率微波测试的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：连接同轴谐振腔和矢量网络分析仪，使用光源固定支架对光源进行固定；

步骤2：选取长度为35mm的光纤，并将其底端使用光敏化染料进行涂敷，染料涂敷长度为3.5mm；

步骤3：将光纤涂敷有光学敏化染料的一端插入同轴谐振腔测试孔内，调整光源固定支架使得光源可竖直照射到同轴谐振腔测试孔内；

步骤4：关闭光源，调节矢量网络分析仪，选取同轴谐振腔在工作频段1-8GHz内品质因数最高的谐振峰，其谐振频率记为f₀，并将其作为光功率微波检测频率，通过矢量网络分析仪的Mark Search和Mark Function功能将f₀进行标记并移至矢量网络分析仪屏幕中央，并将Span调至1MHz，记录此状态下谐振频率f₀、谐振峰幅值A₀、品质因数Q₀；

步骤5：打开光源并观察谐振曲线的变化状态，并记录其稳定状态时的谐振频率f₁、谐振峰幅值A₁、品质因数Q₁；

步骤6：通过步骤4和步骤5计算打开光源前后谐振频率偏移量Δf、谐振峰幅值偏移量ΔA、品质因数变化量ΔQ，其计算方法如下：

Δf＝f₁–f₀

ΔA＝A₁–A₀

ΔQ＝Q₁–Q₀

步骤7：通过改变光源的辐射功率P，得不同辐射功率下的Δf、ΔA以及ΔQ；通过对记录数据的统计与整理，得P-Δf、P-ΔA、P–ΔQ的数据统计表；

步骤8：对辐射功率未知的待测光进行检测，计算该辐射功率下的Δf、ΔA以及ΔQ的值，并查阅通过步骤7所得到的P-Δf、P-ΔA、P–ΔQ数据统计表，即得到待测光源的辐射功率P的大小。