CN109932057A - 基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光功率检测领域，提供基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置及方法，用以克服传统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的问题。本发明光功率检测装置中，采用场强集中、品质因数较高的准光学谐振腔作为光功率信号传感器装置，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，再利用微波器件检测技术实现对光信号的宽量程、高精度检测；同时，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。

Description

基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置及方法

技术领域

本发明属于光功率检测领域，具体提供一种基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置及方法。

背景技术

随着光纤网络技术和光通信技术的快速发展，光功率检测的要求越来越高。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。

当前光功率检测方法主要是基于AD转换，通过放大器对所测得的光敏器件(APD(avalanche photon detector，雪崩光电二极管或者PIN管)在光辐照信号下的电压信号进行放大与取样，实现对光功率信号的检测。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；并且，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。

传统光电检测技术依赖于光敏材料光辐照下其电性能变化特性实现的，然而光敏材料电性能检测下限受材料暗电流限制，而微波谐振腔微扰法检测技术则直接针对材料内部介电常数、介电损耗和电导率等电磁特性进行检测，外界影响小，检测灵敏度高。

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。而基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置及方法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，提供一种基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置及方法极具意义。

发明内容

本发明的目的在于针对传统的光功率检测技术检测幅值范围较小、且技术和成本限制其使用条件和应用范围的缺陷，提供一种基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置及方法，本发明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，再利用微波检测技术实现对光信号的宽量程、高精度检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置，包括：矢量网络分析仪、准光学谐振腔、光源、光敏材料InP、平面反射镜样品台及一维移动平台；其特征在于，所述矢量网络分析仪通过微波线缆与准光学谐振腔相连；所述光敏材料InP水平放置于平面反射镜样品台中心位置处；所述光源斜入射到光敏材料InP上、且采用光辐射功率可调光源。

优选的，所述一维移动平台的调节方向为竖直方向。

优选的，所述准光学谐振腔工作频段为20～40GHz，品质因数1万以上，且具有8个以上的可用谐振频率。

优选的，所述准光学谐振腔的球面反射镜和平面反射镜样品台均采用黄铜制作，且表面依次涂覆有银、金金属膜层。

优选的，所述光学谐振腔由同轴耦合环进行馈电。

基于准光腔微波谐振原理的光功率检测方法，包括以下步骤：

步骤1：将光敏材料InP水平放置于平面反射镜样品台中心位置处，调节一维移动平台，选取准光学谐振腔内品质因数最高的谐振模式作为工作检测模式；

步骤2：通过矢量网络分析仪将所选工作检测模式对应的频率f₀进行标记，并记录此状态下谐振峰幅值A₀；

步骤3：打开光源，入射到光敏材料InP上，记录入射角度θ及光源光辐射功率P₁，并测量准光学谐振腔的谐振峰幅值A₁；

步骤4：计算打开光源前后谐振峰幅值偏移量ΔA₁：ΔA₁＝A₁–A₀；

步骤5：依次调节光源的光辐射功率为P₂、P₃、...、P_N，进而获得光辐射功率条件下的谐振峰幅值偏移量ΔA₂、ΔA₃、...、ΔA_N；得到P-ΔA数据统计表；

步骤6：将待测光按照角度θ入射到光敏材料InP上，经过测量、计算得谐振峰幅值偏移量ΔA，查阅P-ΔA数据统计表，即得到待测光的光辐射功率P。

需要说明的是，本发明中，P-ΔA数据统计表中，光辐射功率(P₁、P₂、P₃、...、P_N)取值越密集，测量精度越高。

从工作原理上讲：

(1)本发明提供的基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置中，采用场强集中、品质因数较高的准光学谐振腔作为光功率信号传感器装置，适用于片状光敏材料检测，有效减小了光辐照下光面材料由热效应所产生的非线性效应，提高了测试系统的响应灵敏度和测试精度。

(2)与传统AD转换光功率检测装置相比，准光学谐振腔将检测困难的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，而准光学谐振腔通过对光敏材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高灵敏检测；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)传统光电检测技术依赖于光敏材料光辐照下其电性能变化特性实现的，然而光敏材料电性能检测下限受材料暗电流限制，而本发明基于微波谐振原理直接对光敏材料内部电磁特性进行检测，不受暗电流等因素限制，且外界影响小，检测灵敏度高。

综上所述，本发明的有益效果在于：提供一种基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置及方法，

(1)准光学谐振腔具有品质因数高、电磁场高度集中的特性，其对材料内部微波特性具有高灵敏响应特性，可实现对InP光敏材料在光辐照下其微波性能的实时、高灵敏检测，即将检测困难的光功率信号转化为易检测的微波信号；

(2)现今微波器件检测技术成熟，通过SOLT、TRL等校准方法可将噪声降低至-100dBm以下，实现对光信号的宽量程、高精度检测；

(3)由于本发明检测方法仅需一个谐振频率(工作检测模式)即可实现对光功率信号的检测，因此可将准光学谐振腔进行小型化、便携化设计，此外准光学谐振腔结构简单、易加工，其设计和加工成本低。

附图说明

图1为本发明实施例中基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的准光学谐振腔结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的光敏材料InP示意图；

图4为本发明实施例中提供的滤波片结构示意图；

其中，1为矢量网络分析仪，2为准光学谐振腔，3为单色光源，4为滤光片，5为光敏材料InP，6为球面反射镜，7为平面反射镜样品台，8为一维移动平台，9为微波线缆，10为微波接头，11为馈源耦合环，12为透光率连续可调的中性减光片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置及方法，利用光敏材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、品质因数较高的准光学谐振腔对微小片状光敏材料微波性能的响应特性进行检测，将光辐照功率信号向微波信号转化，实现光功率宽量程检测。

本实施例中基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置的结构如图1、图2所示，包括：矢量网络分析仪1、准光学谐振腔2、单色光源3、滤光片4、光敏材料InP 5、平面反射镜样品台7及一维移动平台8；所述光敏材料InP 5水平放置于平面反射镜样品台7中心位置处；所述单色光源3通过滤光片4斜入射到光敏材料InP 5上；所述平面反射镜样品台7水平固定于一维移动平台8上；所述矢量网络分析仪1通过微波线缆9与准光学谐振腔1相连；所述一维移动平台8的调节方向为竖直方向。

本实施例中，所述滤光片透光率从0.1％～100％连续可调，单色光源3与滤光片4共同构成光辐射功率可调的光源，但需要说明的是，光辐射功率可调光源并不限于该方式实现；所述准光学谐振腔2工作频段为20～40GHz，品质因数1万以上，且具有8个以上的可用谐振频率；所述准光学谐振腔2的球面反射镜6和平面反射镜样品台7均采用黄铜制作，且表面依次涂覆有银、金金属膜层；所述光学谐振腔2由同轴耦合环11进行馈电；；更具体的，所述光敏材料InP 5呈边长为5mm的正方形、厚度为0.62mm，如图3所示，其禁带宽度为1.25eV、截止波长为990nm；所述单色光源为波长680nm、功率为200mW的红色光源；所述滤光片4透光率从0.1％～100％连续可调，如图4所示。

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：选取厚度为0.62mm的InP整板样品，并进行切割制样，制作边长为5mm的正方形测试样品；

步骤2：连接准光学谐振腔和矢量网络分析仪，将制作好的光学敏化材料InP放置于水平反射镜样品台中心位置；

步骤3：打开矢量网络分析仪，设置起止频率、扫描点数、中频带宽，调节准光学谐振腔内一维移动平台，选取准光学谐振腔内品质因数最高的谐振模式作为工作检测模式；

步骤4：通过矢量网络分析仪的Mark Search和Mark Function功能将所选工作模式对应的频率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，记录此状态下谐振峰幅值A₀；

步骤5：固定并调节单色光源与滤光片，确保光线能顺利通过滤光片辐照到平面反射镜样品台上的InP上；

步骤6：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；

步骤7：通过步骤4和步骤6计算打开光源前后谐振峰幅值偏移量ΔA₁：

ΔA₁＝A₁–A₀

步骤8：通过调节滤波片以改变光敏材料InP的光辐射功率P，获得不同辐射功率下的谐振峰幅值偏移量ΔA；通过对记录数据的统计与整理，得P-ΔA的数据统计表；

步骤9：对辐射功率未知的待测光进行检测，计算该辐射功率下的ΔA，并查阅通过步骤7所得到的P-ΔA数据统计表，即得到待测光源的辐射功率P的大小。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置，包括：矢量网络分析仪、准光学谐振腔、光源、光敏材料InP、平面反射镜样品台及一维移动平台；其特征在于，所述矢量网络分析仪通过微波线缆与准光学谐振腔相连，所述平面反射镜样品台水平固定于一维移动平台上；所述光敏材料InP水平放置于平面反射镜样品台中心位置处；所述光源斜入射到光敏材料InP上、且采用光辐射功率可调光源。

2.按权利要求1所述基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置，其特征在于，所述一维移动平台的调节方向为竖直方向。

3.按权利要求1所述基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置，其特征在于，所述准光学谐振腔工作频段为20～40GHz，品质因数1万以上，且具有8个以上的可用谐振频率。

4.按权利要求1所述基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置，其特征在于，所述准光学谐振腔的球面反射镜和平面反射镜样品台均采用黄铜制作，且表面依次涂覆有银、金金属膜层。

5.按权利要求1所述基于准光腔微波谐振原理的光功率检测装置，其特征在于，所述光学谐振腔由同轴耦合环进行馈电。

6.基于准光腔微波谐振原理的光功率检测方法，包括以下步骤：

步骤1：将光敏材料InP水平放置于平面反射镜样品台中心位置处，调节一维移动平台，选取准光学谐振腔内品质因数最高的谐振模式作为工作检测模式；

步骤2：通过矢量网络分析仪将所选工作检测模式对应的频率f₀进行标记，并记录此状态下谐振峰幅值A₀；

步骤3：打开光源，入射到光敏材料InP上，记录入射角度θ及光源光辐射功率P₁，并测量准光学谐振腔的谐振峰幅值A₁；

步骤4：计算打开光源前后谐振峰幅值偏移量ΔA₁：ΔA₁＝A₁–A₀；

步骤5：依次调节光源的光辐射功率为P₂、P₃、...、P_N，进而获得光辐射功率条件下的谐振峰幅值偏移量ΔA₂、ΔA₃、...、ΔA_N；得到P-ΔA数据统计表；

步骤6：将待测光按照角度θ入射到光敏材料InP上，经过测量、计算得谐振峰幅值偏移量ΔA，查阅P-ΔA数据统计表，即得到待测光的光辐射功率P。