CN112461363A - 光功率计的偏移归零 - Google Patents
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Abstract
提供了光功率测量方法、偏移校准方法和适于应用所述偏移校准方法的光功率计。光功率测量方法、偏移校准方法和光功率计的特征在于两个温度传感器用于更准确地预测光功率偏移。第一温度传感器被定位成读取光电二极管的温度，并且第二温度传感器被定位成读取PCB接地平面的温度。
Description
技术领域
本说明书总体上涉及光功率计，并且更具体地涉及偏移归零(offset nulling)。
背景技术
通常使用光电二极管来测量光的光功率，该光电二极管将在光电二极管的表面上接收到的光功率转换为光电流。
即使没有光入射在光电探测器上，光电二极管通常也会生成电噪声，称为“暗电流”。因此，从光电二极管流出的总电流为光电流与暗电流之和。如果不考虑，则暗电流会在光功率测量中引入偏移，这会影响测量的线性度或隐含不确定性。已知暗电流随光电二极管的温度而显著变化。
当使用光电二极管测量光功率时，在本领域中已知要执行偏移归零的在先步骤以消除由暗电流和其他电路部件引起的光功率偏移。由于偏移的温度变化，这种偏移归零仅对于执行偏移归零的时刻有效，并且通常建议每次使用光功率计都重复偏移归零步骤。这种偏移归零还对光功率计预热敏感，且在建议的预热时间之后应注意执行偏移归零步骤。可以通过阻止输入光或切换输入电子电路来自动进行偏移归零。这种偏移归零(手动的或自动的)的一些缺点是执行此操作需要中断测量过程，这必须被非常小心地执行并且需要一些附加时间和附加硬件。
一种替代解决方案是在给定的预热时间后，在给定的室温(23℃±1℃)下执行工厂偏移归零校准。只要接近该给定的室温使用光功率计，这种工厂偏移归零校准就允许避免针对每次新的光功率测量在现场重复进行偏移归零步骤。在狭窄的温度范围之外进行的任何测量都将经受偏移归零误差。
但是，手持式光功率计用于在高湿度和温度范围下在室外使用。当手持式光功率计密闭时，它们可能需要数小时的预热时间。在没有这样的预热时间的情况下，不能使工厂偏移归零校准可靠，并且这种预热时间在工业上是不可接受的。
因此，仍然需要一种偏移归零校准方法，该方法允许在变化的环境温度下进行光功率测量，而无需长预热时间。
发明内容
提供了光功率测量方法、偏移校准方法和适于应用所述偏移校准方法的光功率计。光功率测量方法、偏移校准方法和光功率计的特征在于两个温度传感器用于更准确地预测光功率偏移。第一温度传感器被定位成读取光电二极管的温度，并且第二温度传感器被定位成读取PCB接地平面的温度。
从针对两个不同温度点获得的光功率偏移值，可以导出数值模型，该模型考虑了光电二极管、跨阻抗放大器和整个电子放大电路的热定律。然后，可以基于导出的数值模型，将该数值模型稍后应用于预测通过不同光电探测器和接地平面温度值获得的后续光功率测量的光功率偏移。
使用所提出的数值模型，可以通过仅在两个不同温度点处测量光功率偏移测量来校准光功率计。在一个实施例中，可以在预热程序期间在工厂校准或现场自校准时读取这些测量。有利地，偏移校准步骤不需要任何特定的或稳定的温度设定点。
有利地，一旦偏移校准过程完成，与现有技术方法相比，光功率计可以在接近零的预热时间的情况下使用。在一些实现方式中，除了例如进行波长校准已经需要的那些步骤之外，所提出的校准方法可能不需要任何附加步骤，从而减少了校准时间。
根据一个方面，提供了一种光功率测量方法，其包括：
在测量温度点处，
从包括光电探测器和放大电路的光功率计读取原始光功率值；
读取与所述光电探测器相关联的测量光电探测器温度值(Tpd)；以及
读取与所述放大电路的接地平面相关联的测量接地平面温度值(Tgnd)；
根据与所述光功率计的所述光电探测器和所述放大电路相关联的预定参数、所述测量光电探测器温度值(Tpd)和所述测量接地平面温度值(Tgnd)，确定测量光功率偏移值；
从所述原始光功率值和所确定的测量光功率偏移值导出光功率测量值。
预定参数可以从以下各项的在先步骤获得：
在第一温度点处：
读取与所述光功率计的所述光电探测器相关联的第一光电探测器温度值(Tpd0)；以及
读取与所述光功率计的所述放大电路的所述接地平面相关联的第一接地平面温度值(Tgnd0)；
针对第一放大增益设定并且针对第二放大增益设定：
读取光功率偏移值(A0,B0)；
在与所述第一温度点不同的第二温度点处：
读取与所述光功率计的所述光电探测器相关联的第二光电探测器温度值(Tpd1)；以及
读取与所述光功率计的所述放大电路的所述接地平面相关联的第二接地平面温度值(Tgnd1)；
针对所述第一放大增益设定并且针对所述第二放大增益设定：
读取光功率偏移值(A1,B1)；
从所读取的光功率偏移值(A0,B0；A1,B1)、光电探测器温度值(Tpd0,Tpd1)以及接地平面温度值(Tgnd0,Tgnd1)导出与所述光功率计的所述光电探测器和所述放大电路相关联的所述预定参数。
根据另一个方面，提供了一种偏移校准方法，其包括：
在第一温度点处：
读取与所述光功率计的光电探测器相关联的第一光电探测器温度值(Tpd0)；以及
读取与所述光功率计的放大电路的接地平面相关联的第一接地平面温度值(Tgnd0)；
针对第一放大增益设定并且针对第二放大增益设定：
读取光功率偏移值(A0,B0)；
在与所述第一温度点不同的第二温度点处：
读取与所述光功率计的光电探测器相关联的第二光电探测器温度值(Tpd1)；以及
读取与所述光功率计的所述放大电路的接地平面相关联的第二接地平面温度值(Tgnd1)；
针对所述第一放大增益设定并且针对所述第二放大增益设定：
读取光功率偏移值(A1,B1)；
从所读取的光电探测器温度值(Tpd0,Tpd1)、接地平面温度值(Tgnd0,Tgnd1)以及光功率偏移值(A0,B0；A1,B1)导出与所述光功率计的所述光电探测器和所述放大电路相关联的参数。
根据另一个方面，提供了一种光功率计，其包括：
光电探测器、放大电路和用于读取原始光功率值的模数转换器；
用于测量光电探测器温度值(Tpd)的与所述光电探测器相关联的第一温度传感器；
用于测量接地平面温度值(Tgnd)的与所述放大电路的接地平面相关联的第二温度传感器；以及
处理单元，所述处理单元被配置用于：
根据与所述光电探测器和所述放大电路相关联的预定参数、所述光电探测器温度值(Tpd)和所述接地平面温度值(Tgnd)，确定测量光功率偏移值；以及
从所述原始光功率值和所确定的测量光功率偏移值导出光功率测量值。
需要注意，所述测量温度点可不同于所述第一温度点和所述第二温度点两者。
此外，可以使用与第一温度点和第二温度点都不同的第一放大增益设定、第二放大增益设定或第三放大增益设定来读取原始光功率值。
在本说明书中，除非另有说明，否则修饰实施例的一个或多个特征的值、条件、关系或特性的修饰词(诸如“基本上”和“大约”)应理解为表示该值、条件、关系或特性被定义为在实施例的预期应用背景下对于该实施例的正确操作可接受的公差内。
在本描述中，术语“光”和“光学”用于指电磁谱的任何适当区域中的辐射。更具体地，术语“光”和“光学”不限于可见光，而是可以包括例如红外波长范围。例如，在一些实施例中，由光功率计测量的光信号的波长可以在从大约800nm到大约1650nm的范围内。
通过阅读结合附图进行的以下描述，本发明的另外的特征和优点对本领域的普通技术人员来说将变得明显。
附图说明
图1(现有技术)是示出根据现有技术实施例的光功率计的电路的示意图。
图2是示出根据一个实施例的光功率计的示意图。
图3是示出根据一个实施例的用于表征光功率计的光功率偏移的校准方法的流程图；
图4是示出根据一个实施例的光功率测量方法的流程图；
图5是示出现有技术中已知的光电二极管等效电路模型的示意图；
图6是与图5的光电二极管等效电路相对应的方程。
图7是示出控制光电二极管反向饱和电流的热定律的图形表示的曲线图。
图8是示出控制分流电阻的热定律的曲线图。
图9是示出光电探测器暗电流随反向电压的变化的曲线图。
将注意的是，在所有附图中，相似的特征由相似的附图标记标识。为了不过度妨碍附图，如果某些元素在先前的附图中已经被标识，则在一些附图中可能不指示出。在本文中应当理解，附图的元素不必按比例绘制。为了不妨碍附图，也可以省略一些机械或其他物理部件。
提供以下描述以获得对本文所述的方法、装置和/或系统的全面理解。本文描述的方法、装置和/或系统的各种变化、修改和等同物将向本领域普通技术人员建议自己。还可以省略对公知功能和结构的描述，以增强清晰度和简洁性。
尽管可以针对各个示例性实施例描述一些特征，但是各方面不必限于此，使得来自一个或多个示例性实施例的特征可以与来自一个或多个示例性实施例的其他特征组合。
具体实施方式
图1示出了用于光功率计10的常规电路。光功率计10包括实现为光电二极管(诸如PIN光电二极管或任何其他类型的p-n结光电二极管，对半导体材料没有限制)的光电探测器12、放大电路14和模数(A/D)转换器16。在理想情况下，模数转换器16的输出处的数字计数与入射在光电探测器12上的光功率线性相关。放大电路12包括具有多个可选择的线性放大增益设定G_low和G_high的跨阻抗放大器TZ放大器，可选择的线性放大增益设定在本文中也称为标度编号i、通过放大增益设定电阻器实现，所述电阻器可以是通过开关Sw_low和Sw_high以软件或固件可选择的。当然，放大增益设定的数量可以变化。
当使用光功率计10测量光功率时，在本领域中已知要执行偏移归零的在先步骤以消除由暗电流和其他电路部件引起的光功率偏移。这通过在将归零盖放置在光电探测器上(以便阻挡任何入射光)时读取A/D转换器16的输出来执行。可以对每个标度编号i重复该过程。通过该过程获得的值可以被称为偏移值offseti。
然后通过从稍后由光功率计10读取的原始光功率值raw减去偏移值offseti来获得光功率测量neti：
neti＝raw-offseti (1)
其中i是针对测量所采用的标度编号，neti是通过标度i获得的光功率测量值，raw是对于给定的光功率在A/D转换器16上读取的实际值并且offseti是针对标度i的偏移值。
由于光功率偏移的温度依赖性，这种偏移归零仅对于偏移归零的时刻有效，且通常建议每次使用光功率计都重复偏移归零步骤。这种偏移归零还对光功率计预热敏感，且在建议的预热时间之后应注意执行偏移归零步骤。
当然，用于表示光功率偏移值offseti、原始光功率值raw和光功率测量值net的单位可以变化。例如，这些值可以用表示物理量的测量单位(诸如瓦特(包括毫瓦、微瓦等)或分贝-毫瓦(dBm))表示，或可以用直接在A/D转换器的输出处读取的读数计数(此后将被转换成测量单位)来表示。
现在参考图2和图3，本文提供了光功率计和校准方法，其允许预测在除用于校准的那些温度点之外的温度点处将由光功率计读取的光功率偏移。
图2示出了光功率计11，其包括实现为光电二极管(诸如PIN光电二极管或任何其他类型的p-n结光电二极管(包括但不限于平面扩散、低电容平面扩散、肖特基和雪崩光电二极管)，对半导体材料(包括但不限于Si、Ge、InGaAs等)没有限制)的光电探测器12、放大电路14、A/D转换器16、处理器18和数据存储区20。光功率计11包括与光功率计10的特征相似的特征，并且相似的特征将不被重复描述。除了可选择的线性放大增益设定G_low和G_high——在本文中也称为标度编号i，该放大电路可以可选地包括偏置设定Vbias，该偏置设定也是通过致动器Sw_bias以软件或固件可控制的，以将反向偏置电压Vbias施加到光电探测器12。如本领域中已知的，反向偏置电压可以用于改善高信号线性度。
在光功率计11中，第一温度传感器22和第二温度传感器24被分别定位成测量光电探测器的实际温度Tpd和PCB接地平面的实际温度Tgnd，以更准确地预测光功率偏移。需要注意，PCB接地平面的温度Tgnd表示包括跨阻抗放大器和放大增益设定电阻器在内的放大电路的实际温度。
校准程序被应用于光功率计11，以便根据从温度传感器22、24读取的实际光电探测器温度Tpd和接地平面温度Tgnd导出光功率偏移的数值表示。有利的是，校准程序可以在工厂执行一次，并且其结果随后可用来根据在温度传感器处读取的温度值(Tpd,Tgnd)预测光功率偏移。当然，它也可以在光功率计11的使用寿命中的任何其他时间被重复。它也可以以预定的时间间隔被周期性地重复，或者以请求的重新校准被重复以考虑老化。
校准程序不排除使用现有技术的偏移归零和其遗留应用(符合性证书等)，它们可以随时替换本文提出的校准方法。
然而，应当理解，光功率偏移的热变化特定于每个光电探测器，并且因此特定于每个单独的光功率计11，其因此被单独地校准。
使用所提出的数值模型，所提出的校准程序测量两个不同温度点处的实际光功率偏移值。例如，可以在预热程序期间读取这些测量，其中光功率计11的温度通常从室温变化到更高的稳态操作温度。有利地，这样的程序不需要任何额外的或受控的温度设定点。当然，可以替代地使用附加的和/或稳定的温度点，因为其适合实际实现方式。
然后，根据与光功率计的光电探测器和放大电路相关联的参数的数值表示，使用校准程序来导出与光功率计的光电探测器和放大电路相关联的参数，包括其热定律。
在一个实施例中，光功率偏移offseti的数值表示如下：
neti＝raw-Keli*(Ib(Tgnd)+Id(Tpd))-Vo(Tgnd) (2)其中i是针对测量所采用的标度编号，neti是通过标度i获得的光功率测量值，raw是对于给定的光功率在A/D转换器16上读取的实际值，Tgnd是可以在温度传感器24上读取的PCB接地平面的实际温度，Tpd是可以在温度传感器22上读取的光电探测器的实际温度，Keli是针对标度i的放大增益(以计数/A表示)，Ib是作为温度Tgnd的函数的跨阻抗放大器输入偏置，Id是作为温度Tpd的函数的光电探测器暗电流，Vo是作为温度Tgnd的函数的放大电路偏移。
光电探测器暗电流可以表示为：
Id(Tpd)＝Id0*10m*Tpd (3a)
其中，Id0是Tpd＝0℃处的光电探测器暗电流，并且m为光电探测器暗电流指数斜率和热定律。
或者等效地，使用指数e基函数：
或更一般地：
Id(Tpd)＝Id0*10m*(Tpd-T0) (3c)
其中T0是对应于Id0的基准温度。
如将在下文所述，以数值表示来表示的光功率偏移的一般行为可以基于光电探测器和跨阻抗放大器数据表信息，而各个光功率计的特定参数(诸如Ib、Id0和Vo)可以从校准程序导出。
对于针对每个可能的标度i的放大增益Keli的值，例如，可以从放大电路的设计参数或通过放大电路的在先的电校准来获得这些值。
需要注意，图2的光功率计11具有两个放大增益设定，这两个放大增益设定都在校准方法中使用。当然，光功率计可以使用两个以上的放大增益设定。在这种情况下，可以在校准方法中使用放大增益设定中的任何两个，但是发现使用最高增益和最低增益可以提供更可靠的结果。
处理器18可以实现光功率测量方法的处理步骤，诸如根据保存在数据存储区20中的预定参数确定光功率偏移值，和从由A/D转换器16读取的原始光功率值导出光功率测量值。
此外，在一些实施例中，可以通过嵌入在光功率计11中并由处理器18执行的软件来实现校准方法。在这种情况下，处理器可以进一步实施校准方法的处理步骤。在可能适用于例如工厂校准的其他实施例中，校准方法可以通过在校准过程期间暂时连接到光功率计11的外部计算设备(诸如个人计算机、膝上型计算机、平板计算机、智能手机等)来实现。在任何情况下，将从校准方法导出的参数存储在数据存储区20中，以供稍后在光功率测量方法中使用。
数据存储区20可以进一步保存例如软件或固件形式的计算机指令，以供处理器18执行以执行光功率测量方法的处理步骤以及可选地执行校准方法的处理步骤。这样，数据存储区20可以包括例如EPROM、EEPROM、闪存或非易失性存储器的任何其他技术，无论是读-写的还是只读的。
校准方法：
图3示出根据一个实施例的用于表征光功率计的光功率偏移的校准方法。为了更容易地理解，在此参照图2的光功率计11描述校准方法。
偏移测量是通过步骤102、103、104和105在第一温度点处进行的，并通过步骤106、107、108和109在第二温度点处被重复。
当没有光入射在光电探测器上时，通过记录实际值raw来读取光功率偏移值。可以例如通过在光电探测器容座(receptacle)上放置归零帽(如本领域中已知的)来阻挡光到达光电探测器。
在第一温度点处，使用与光电探测器12相关联的温度传感器22读取第一光电探测器温度值Tpd0(步骤102)，并使用与放大电路的接地平面即放大电路14的接地平面相关联的温度传感器24读取第一接地平面温度值Tgnd0(步骤103)。仍在第一温度点处，针对第一放大增益设定(例如，G_high)读取光功率偏移值A0(步骤104)，并针对第二放大增益设定(例如，G_low)读取光功率偏移值B0(步骤105)。
然后，在第二温度点处，使用与光电探测器12相关联的温度传感器22读取第二光电探测器温度值Tpd1(步骤106)，并使用与放大电路的接地平面即放大电路14的接地平面相关联的温度传感器24读取第二接地平面温度值Tgnd1(步骤107)。仍在第二温度点处，针对第一放大增益设定(例如，G_high)读取光功率偏移值A1(步骤108)，并针对第二放大增益设定(例如，G_low)读取光功率偏移值B1(步骤109)。
需要注意，只要在一个相同的温度点处读取步骤102、103、104、105的测量并且在另一相同的温度点处读取步骤106、107、108、109的测量，读取这些测量的顺序就无关紧要。
在一个实施例中，可以在预热程序期间获得第一温度点和第二温度点，其中光功率计11的温度通常从室温变化到更高的稳态操作温度。例如，可以在开启光功率计11时(当光功率计的内部温度是环境温度时)或在经过某个小时间段之后获得第一温度点，并且可以在经过某个更长的时间(并且内部温度已达到不同的水平)后获得第二温度点。例如，第二温度点可以在给定的预热时间之后获得，诸如在单元被开启之后的例如15分钟、30分钟或甚至几个小时。
此程序对环境温度或环境温度稳定性不是非常敏感，但如果环境温度是约23℃或更高，且变化低于±1℃，则可能仍然更加准确。为了更好的结果，可以在第一温度点和第二温度点之间设定最小温差(诸如，大于2℃)(例如，|Tpd1–Tpd0|>2℃或|Tgnd1–Tgnd0|>2℃)。
然后，在步骤110中，从在步骤102、103、104、105、106、107、108、109中读取的光功率偏移值、光电探测器温度值和接地平面温度值导出参数，这些参数与光功率计11的光电探测器12和放大电路14相关联，以用于稍后在作为光电探测器温度Tpd和接地平面温度Tgnd的函数的光功率偏移的数值表示中使用。
在一个实施例中，导出的参数包括放大器的输入偏置电流Ib、基准温度下光电探测器的暗电流Id0以及作为温度的函数的放大电路偏移Vo(Tgnd)。下文描述了用于导出数值表示参数的实现细节。
在步骤112中，由此导出的参数然后可以被保存以供稍后使用，例如，保存在数据存储区20中。
该计算方法可以以由嵌入在光功率计11中的处理器18执行的光功率计软件或固件或由外部计算机(诸如个人计算机或膝上型计算机)执行的软件来实现。除了导出参数之外，软件或固件还可通过触发光功率偏移值和温度值的读取来控制步骤102至109的执行。
光功率测量方法：
图4示出根据一个实施例的光功率测量方法，并且可以使用从上述校准方法导出的数值表示在考虑光功率计的光功率偏移的同时从该光功率测量方法导出光功率测量值。为了更容易地理解，在此参照图2的光功率计11描述该光功率测量方法。
现在在可以不同于所述第一温度点和所述第二温度点两者的测量温度点处执行光功率测量。但是，可以使用从图3的校准方法导出的数值表示以及其参数来检索在光电探测器上没有入射光时读取的光功率偏移offseti，而无需在此温度下实际执行偏移测量。
因此，在该测量温度点处，使用与光电探测器12相关联的温度传感器22读取光电探测器温度值Tpd(步骤202)，并使用与放大电路14的接地平面相关联的温度传感器24读取接地平面温度值Tgnd(步骤204)。仍在该测量温度点处，针对给定放大增益设定(例如，G_high、G_low或任何其他)读取原始光功率值raw(步骤206)。
然后，使用例如方程2结合方程3a、3b或3c或其任何等效物根据预定参数(Ib,Id0,Vo(Tgnd))(208)、所读取的光电探测器温度值Tpd和所读取的接地平面温度值Tgnd来确定光功率偏移值offseti(步骤210)，并且从原始光功率值raw和所确定的光功率偏移值offseti导出光功率测量值neti：
neti＝raw-Keli*(Ib(Tgnd)+Id0*10m*Tpd)-Vo(Tgnd) (2a)
数值表示：
如从方程2可以注意到，光功率偏移offseti的所提出的数值表示考虑了两个不同的偏移源：第一项考虑了输入电流的总和，如按所选择的标度增益Kel放大的；并且第二项考虑了对来自放大电路的部件的偏移(Vo)的其他贡献。
放大电路偏移Vo考虑了电路偏移，包括放大器输出偏移、电阻分压器偏移、基准偏移和A/D转换器偏移。可以将放大电路偏移Vo的热定律假设为线性地随温度而变。放大电路偏移Vo与标度无关。Vo值及其热定律可以通过校准程序确定。
Keli是表示针对标度i的放大增益(以计数/A表示)的常数，其表示放大电路的传递函数。
Ib是跨阻抗放大器的输入偏置电流。输入偏置电流Ib的热定律也可以被假设为线性地随温度而变。Ib值以及其热定律可以通过校准程序确定。
Id是可以用温度的指数函数表示的光电探测器暗电流，其可以通过校准程序确定。
由跨阻抗放大器放大并且在没有入射光的情况下导致光功率偏移的电流I被定义为：
其中Vio是跨阻抗放大器的输入偏移电压，并且Rsh是光电二极管分流电阻。
根据光电二极管制造商和光学行业的定义：
对于精密放大器，Vio非常小(小于μV)，并且随温度非常稳定(nV/℃)，并且方程4的该第二项变成与Id成正比。
图5示出了本领域已知的光电二极管等效电路模型(参见Hamamatsu数据表)。根据该模型和基本的肖克莱(Shockley)二极管方程(方程6)，可以根据图6的方程找到光电探测器的输出电流IO，并且二极管电流ID被表示如下：
其中：
Id是二极管电流，
Is是光电二极管反向偏置饱和电流(或标度电流)，
Vd是二极管两端的电压，
e是电子电荷
k是玻尔兹曼常数
T是光电二极管的绝对温度
η是理想因子，也称为品质因子，或有时称为发射系数。
需要注意，肖克莱方程适用于任何类型的p-n结光电二极管。将理解的是，如果本文描述的方法被应用于包括PIN光电二极管的其他类型的光电探测器，则本文描述的用以表示光电二极管的行为的示例数值模型可以被修改和/或调适以将这种其他类型的光电探测器的行为的差异考虑在内。
需要注意，饱和电流Is不是恒定的，而是随温度变化的。这种变化是光电二极管的温度系数的主项。
Is的热定律揭示自加州理工大学-固态物理实验室中进行的实验15：结型二极管的饱和电流的温度依赖性：
其中：
Idiff是扩散电流，
Igen是生成电流，
ni是半导体材料中的固有载流子浓度，
Eg是价带和导带之间的隙能，
k是玻尔兹曼常数，
T是二极管结的绝对温度。
等效地：
如果扩散电流主导饱和电流，则x＝1。如果生成电流主导，则x＝2。再次等效地，通过应用对数：
图7示出了方程10的图形表示。
根据加州理工大学的该实验的结果，可以示出控制Id的热定律如下：
Id＝expmT+常数＝Id0*expm*Tpd (11)
其中：
Tpd是光电探测器的温度；
Id0是竖直截距图(其表示0℃时的暗电流)；并且
m表示对数电流的斜率。
该指数表达式是方便的，因为光电二极管制造商经常按以10为底的对数格式提供Rsh的数据表图，如图所示，例如在图8中。
根据方程5：
其中Rsh0是基准温度0℃时的分流电阻(图8中的竖直截距图)：
同样地，可以使用图表值来计算斜率m：
然后发现光电二极管暗电流为：
Id＝Id0*10m*Tpd (14)
并且在方程3a、3b和2a中使用该热定律。
对于给定的光电探测器系列，已证明斜率m表示可靠的值。光电探测器系列由半导体的类型、其技术、封装及其直径或表面积定义(例如，参见图8，该图示出了随环境温度而变的分流电阻的示例(摘自Hamamatsu数据表))。
可以使用校准程序确定特定于单个光电探测器的Id0。
校准方法：
下面描述根据具体实施例的图2的校准方法的示例实现方式。提供以下详细的计算方法仅作为示例，并且应当理解，本领域技术人员可以容易地设计出其他计算细节，这些计算细节将等效地导出与光功率计的光电探测器和放大电路相关联的所有必要参数。
校准方法示例1：
在该示例中，针对两个以上的放大增益设定(包括低标度偏置、低标度、高标度和高标度偏置)读取光功率偏移值A0、A1、B0、B1、C0、C1和A0偏置。
表1示出了将根据此示例读取的值：
表1
在表1中，读数A0偏置、A0、B0和C0表示在第一温度点T0处读取的原始光功率值raw；读数A1、B1和C1表示在第二温度点T1处读取的原始光功率值raw；Tpd0和Tgnd0分别表示在第一温度点T0处在温度传感器22和温度传感器24上读取的温度值；并且Tpd1和Tgnd1分别表示在第二温度点T1处在温度传感器22和温度传感器24上读取的温度值。
然后，处理器18或另一个外部处理器导出与光功率计11的光电探测器12和放大电路14相关联的数值模型参数，以获得光功率偏移的数值表示。这可以通过使用在两个温度点处读取的值求解方程2或3来执行。
例如，通过将方程2应用于A0、B0、A1和B1，我们获得：
通过使方程15和16相减，可以得出：
同样地，从方程17和18得出：
在该实施例中，假设跨阻抗放大器输入偏置Ib是恒定值或温度的线性函数(温度漂移以A/℃表示)。当然，如有必要，还可以考虑其他与温度有关的行为(可以在跨阻抗放大器数据表中进行验证)。在T0和T1之间的温差小(例如，实际上小于约2℃)的情况下，可以假设跨阻抗放大器输入偏置Ib为恒定的：
Ib(Tgnd0)＝Ib(Tgnd1) (21)
然后，通过使方程19和20相减，获得Id0，可以将其保存为数值表示参数之一：
Id0在方程19中替换得出Ib值：
根据该值，可以例如从跨阻抗放大器数据表中提供的热定律规范中检索出随温度Tgnd而变的Ib的值。Ib(Tgnd0)的该值可以被保存为数值表示参数之一。
假设Vo的线性热定律：
Vo(Tgnd)＝Vo(Tgnd0)+δV*(Tgnd-Tgnd0) (24)
放大电路偏移Vo可以被推导为：
Vo(Tgnd0)＝A0-Kel高*(Ib(Tgnd0)+Id(Tpd0)) (25a)
或
Vo(Tgnd0)＝B0-Kel低*(Ib(Tgnd0)+Id(Tpd0)) (25b)
并且
或
Vo(Tgnd0)和δVo的这些值可以被保存为数值表示参数。
验证：
为了提高可靠性，还可以针对典型值和/或最小和最大期望值(例如，可在跨阻抗放大器数据表中找到)验证Ib的导出值。
同样地，Id的导出值可以从光电探测器数据表得到验证：
此外，根据光电二极管制造商和光学行业的定义：
分流电阻值Rsh(其可以从Id的值导出)也应满足如从光电探测器数据表值获得的最小分流电阻值(参见图8)。
在一个实施例中，可以通过在高增益标度上施加Vbias(读取A0偏置值)来导出光电探测器饱和电流Is：
其中τ是光电探测器制造商提供的Is和对应于Vbias值的Ibias之间的除法结果(参见例如图9，该图示出了暗电流随反向电压而变的示例(摘自Hamamatsu数据表))。
可以使用方程6计算光电二极管上的电压降Vd：
从图2的电路，导出跨阻抗放大器处的输入电压：
Vio＝Vd+ΔVs＝Vd+Vs2-Vs1
＝Vd+S*(Tgnd1-Tpd1-Tgnd0+Tpd0) (31)
其中Vs2和Vs1分别是响应于光电探测器端子材料两端的温差的塞贝克感应热电压，S是塞贝克绝对系数(表通常提供相对于铂的材料系数，从其可以导出塞贝克绝对系数)。塞贝克电压是光电探测器组装程序(焊接、连接器、安装等)的结果。对于理想的组件，跨光电探测器端子的温降最小并且对于允许理论假设ΔVs＝0的两个端子相等。方程31表示最坏的情况，其中Vs1＝0并且Vs2为最大值。对于金、银和铜，塞贝克系数相对于铂为6.5μV/K。铂本身的S在室温下是近似-5μV/K。在室温下我们可以应用S＝1.5μV/K进行计算(在符号规约表示温度较高的一端处具有较低电压之后)。
方程31的最后一项可以提供被比较的两个温度传感器之间的温度校准。
为了进行验证，Vio应该在针对给定温度的有效值范围内，这可以从跨阻抗放大器数据表导出。如果发现Vio与跨阻抗放大器数据表不一致(不在有效值范围内)，则可以使用以下替代方法。
校准方法示例2：
在实际的实现方式中，示例1和2的方法中的任一个可以用来导出数值表示参数。在一些实施例中，它们也可以被组合，使得在某些条件下，进行示例1的计算，而在某些其他条件下，进行示例2的计算。例如，如果光电探测器暗电流Id的绝对值导出值大于光电探测器反向偏置饱和电流Is(|Id|>Is)，则可以进行示例2的计算。否则，进行示例1的计算。
在以下计算中，针对Vio和ΔVs使用典型值，如可以分别从跨阻抗放大器数据表和光电探测器数据表导出的。
然后可以导出光电二极管上的电压降Vd为：
Vd＝max|Vio|+ΔVs (32)
光电二极管暗电流Id可以从方程6导出：
并且
Id0的此值可以被保存为数值表示参数之一。
Vo(Tgnd0)和δVo的值可以从上文的方程25a、25b、26a和26b导出，并且被保存为数值表示参数。
Ib(Tgnd0)的值可以从上文的方程23导出，并且被保存为数值表示参数。
可选地，线性热定律可用于Ib：
Ib(Tgnd)＝Ib(Tgnd0)+δIb*(Tgnd-Tgnd0) (35)
并且
如果使用的话，则δIb的该值也可以被保存为数值表示参数。
在一些实施例中，可以以最低放大增益设定(低偏置增益设定)将反向偏置电压Vbias可选地施加到光电探测器上。在这种情况下，光电探测器暗电流Id0bias将与没有反向偏置电压的暗电流不同(如上文针对低标度和高标度所计算的)。但是，可以假设斜率m相同。
在采用反向偏置电压的实施例中，Id0bias的值可以如下导出。
通过将方程2应用于C0和C1，我们获得：
通过使方程37和38相减并假设Ib(Tgnd0)＝Ib(Tgnd1)：
当计算针对低偏置增益设定的光功率偏移offseti和光功率值neti时，可在方程2或2a中使用该值代替Id0。其他数值表示参数(即Is、Vo和δVo)适用于所有放大器增益设定，包括偏置设定。
同样地，如果在偏置电压下正导出光电探测器反向偏置饱和电流Is，则可以使用光电探测器暗电流Id0bias的该值：
技术优势：改善了线性度规范，改善了无归零温度范围，减少了预热时间，改善了热稳定性，可能实现了自动偏移归零和/或工厂归零。
制造优势：可用于对每个光电探测器、跨阻抗放大器和组装的光功率计执行完整的表征；可以从其建立统计数据库，并及时更新零件质量信息；减少预热时间和/或自动偏移归零减少了制造时间，从而降低了制造成本。
用户利益：在光功率计可以工作的宽温度范围内，较短的测量时间和改善的测量不确定性。
科学(实验室)：改善测量不确定性。
在一些实施例中，可以在采集后处理中实施所提出的校准程序，以使其不干扰连续采集采样，这使其适合于高速或协议检测功率计。
上述实施例旨在仅为示例性的。因此，本发明的范围旨在仅由所附权利要求来限制。
Claims (16)
1.一种光功率测量方法，其包括：
在测量温度点处，
从包括光电探测器和放大电路的光功率计读取原始光功率值；
读取与所述光电探测器相关联的测量光电探测器温度值(Tpd)；以及
读取与所述放大电路的接地平面相关联的测量接地平面温度值(Tgnd)；
根据与所述光功率计的所述光电探测器和所述放大电路相关联的预定参数、所述测量光电探测器温度值(Tpd)和所述测量接地平面温度值(Tgnd)，确定测量光功率偏移值；
从所述原始光功率值和所确定的测量光功率偏移值导出光功率测量值。
2.根据权利要求1所述的光功率测量方法，其还包括以下各项的在先步骤：
在第一温度点处：
读取与所述光功率计的所述光电探测器相关联的第一光电探测器温度值(Tpd0)；以及
读取与所述光功率计的所述放大电路的所述接地平面相关联的第一接地平面温度值(Tgnd0)；
针对第一放大增益设定并且针对第二放大增益设定：
读取光功率偏移值(A0,B0)；
在与所述第一温度点不同的第二温度点处：
读取与所述光功率计的所述光电探测器相关联的第二光电探测器温度值(Tpd1)；以及
读取与所述光功率计的所述放大电路的所述接地平面相关联的第二接地平面温度值(Tgnd1)；
针对所述第一放大增益设定并且针对所述第二放大增益设定：
读取光功率偏移值(A1,B1)；
从所读取的光功率偏移值(A0,B0；A1,B1)、光电探测器温度值(Tpd0,Tpd1)以及接地平面温度值(Tgnd0,Tgnd1)导出与所述光功率计的所述光电探测器和所述放大电路相关联的所述预定参数。
3.根据权利要求1或2所述的光功率测量方法，其中所述预定参数包括：所述放大电路的输入偏置电流、在基准温度下所述光电探测器的暗电流、作为所述接地平面温度的函数的放大电路偏移。
4.根据权利要求2所述的光功率测量方法，其中所述测量温度点不同于所述第一温度点和所述第二温度点两者。
5.根据权利要求2所述的光功率测量方法，其中使用测量放大增益设定来读取所述原始光功率值，所述测量放大增益设定不同于所述第一放大增益设定和所述第二放大增益设定两者。
6.一种用于表征光功率计的光功率偏移的校准方法，所述方法包括：
在第一温度点处：
读取与所述光功率计的光电探测器相关联的第一光电探测器温度值(Tpd0)；以及
读取与所述光功率计的放大电路的接地平面相关联的第一接地平面温度值(Tgnd0)；
针对第一放大增益设定并且针对第二放大增益设定：
读取光功率偏移值(A0,B0)；
在与所述第一温度点不同的第二温度点处：
读取与所述光功率计的光电探测器相关联的第二光电探测器温度值(Tpd1)；以及
读取与所述光功率计的所述放大电路的接地平面相关联的第二接地平面温度值(Tgnd1)；
针对所述第一放大增益设定并且针对所述第二放大增益设定：
读取光功率偏移值(A1,B1)；
从所读取的光电探测器温度值(Tpd0,Tpd1)、接地平面温度值(Tgnd0,Tgnd1)以及光功率偏移值(A0,B0；A1,B1)导出与所述光功率计的所述光电探测器和所述放大电路相关联的参数。
7.根据权利要求6所述的校准方法，其还包括：
在测量温度点处，
读取与所述光功率计的光电探测器相关联的测量光电探测器温度值(Tpd)；以及
读取与所述光功率计的所述放大电路的接地平面相关联的测量接地平面温度值(Tgnd)；
根据导出的所述参数、所述测量光电探测器温度值(Tpd)和所述测量接地平面温度值(Tgnd)，确定测量光功率偏移值。
8.根据权利要求7所述的校准方法，其还包括：
在所述测量温度点处，
读取原始光功率值；
从所述光功率值和所确定的测量光功率偏移值导出光功率测量值。
9.根据权利要求6、7或8所述的校准方法，其中导出的所述参数包括：所述放大电路的输入偏置电流、在基准温度下所述光电探测器的暗电流、作为所述接地平面温度的函数的放大电路偏移。
10.根据权利要求7或8所述的校准方法，其中所述测量温度点不同于所述第一温度点和所述第二温度点两者。
11.根据权利要求8所述的校准方法，其中使用测量放大增益设定来读取所述原始光功率值，所述测量放大增益设定不同于所述第一放大增益设定和所述第二放大增益设定两者。
12.一种光功率计，其包括：
光电探测器、放大电路和用于读取原始光功率值的模数转换器；
用于测量光电探测器温度值(Tpd)的与所述光电探测器相关联的第一温度传感器；
用于测量接地平面温度值(Tgnd)的与所述放大电路的接地平面相关联的第二温度传感器；以及
处理单元，所述处理单元被配置用于：
根据与所述光电探测器和所述放大电路相关联的预定参数、所述光电探测器温度值(Tpd)和所述接地平面温度值(Tgnd)，确定测量光功率偏移值；以及
从所述原始光功率值和所确定的测量光功率偏移值导出光功率测量值。
13.根据权利要求12所述的光功率计，其中所述处理单元还被配置用于：
接收：
与所述光功率计的所述光电探测器相关联的并且在第一温度点处读取的第一光电探测器温度值(Tpd0)；
与所述光功率计的所述放大电路的所述接地平面相关联的并且在所述第一温度点处读取的第一接地平面温度值(Tgnd0)；
在所述第一温度点处、针对第一放大增益设定并且针对第二放大增益设定读取的光功率偏移值(A0,B0)；
与所述光功率计的所述光电探测器相关联的并且在第二温度点处读取的第二光电探测器温度值(Tpd1)；
与所述光功率计的所述放大电路的所述接地平面相关联的并且在所述第二温度点处读取的第二接地平面温度值(Tgnd1)；以及
在所述第二温度点处、针对所述第一放大增益设定并且针对所述第二放大增益设定读取的光功率偏移值(A1,B1)；以及
从光电探测器温度值(Tpd0,Tpd1)、接地平面温度值(Tgnd0,Tgnd1)以及光功率偏移值(A0,B0；A1,B1)导出与所述光功率计的所述光电探测器和所述放大电路相关联的所述预定参数。
14.根据权利要求12或13所述的光功率计，其中所述预定参数包括：所述放大电路的输入偏置电流、在基准温度下所述光电探测器的暗电流、作为所述接地平面温度的函数的放大电路偏移。
15.根据权利要求14所述的光功率计，其中所述测量温度点不同于所述第一温度点和所述第二温度点两者。
16.根据权利要求14所述的光功率计，其中使用测量放大增益设定来读取所述原始光功率值，所述测量放大增益设定不同于所述第一放大增益设定和所述第二放大增益设定两者。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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