CN113686433B - 一种基于暗电流补偿的光电探测器与掺铒光纤放大器 - Google Patents

一种基于暗电流补偿的光电探测器与掺铒光纤放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于暗电流补偿的光电探测器与掺铒光纤放大器。所述光电探测器包括光电探测电路、温度传感器、以及补偿模块；所述光电探测电路的输出量输出给所述补偿模块，所述补偿模块根据温度传感器获得的工作温度，对光电探测电路输出量拟合获得光功率值进行暗电流功率补偿，获得探测光功率。所述掺铒光纤放大器包括一个或多个光电探测器，所述一个或多个光电探测器中至少一个为所述的基于暗电流补偿的光电探测器。本发明能精准、方便、低成本的实现暗电流功率补偿，提高光电探测器在低探测功率范围的探测精度。本发明实现一个高精度的、全温的、超宽光电探测范围的光信号放大器，应用于核心网、骨干网的长距离通信。

Description

一种基于暗电流补偿的光电探测器与掺铒光纤放大器
技术领域
本发明属于光电技术领域，更具体地，涉及一种基于暗电流补偿的光电探测器与掺铒光纤放大器。
背景技术
随着光通信技术的飞速发展，光网络上应用的高速通信及数据通信的光网络器件、模块和子系统产品也逐渐发展起来。掺铒光纤放大器(EDFA)的诞生是光纤通信领域革命性的突破，它使长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能，也是DWDM系统及未来高速系统、全光网络不可缺少的重要器件。
尤其是在核心网、骨干网的构建中，掺铒光纤放大器(EDFA)的相关技术深入研究和应用，对光纤通信的发展有着重要的意义。高性能的掺铒光纤放大器(EDFA)，有赖于高精度的光电探测技术，然而目前在低功率范围，光电探测精度不高。
其高精度、超宽范围的光电探测技术对于数据传输的稳定性、传输速率、误码率等性能皆有重要影响。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于暗电流补偿的光电探测器与掺铒光纤放大器，其目的在于发现低功率下光电探测器探测误差主要来自于光电探测器固有、无法消除的暗电流现象，通过对暗电流进行随光电探测器温度变化的功率补偿，来提高光电探测精度，尤其是在掺铒光纤放大器工作温度明显影响暗电流功率的前提下，进行通过暗电流补偿实现高精度、超宽范围的光电探测，保证EDFA的工作状态，从而提高数据传输稳定性、传输速率、降低误码率，由此解决现有技术在包括低功率范围(-50dBm以下的区间)的超宽范围光功率探测精度有待进一步提高，导致无法保证EDFA在超宽范围内的信号放大效果的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于暗电流补偿的光电探测器，其包括光电探测电路、温度传感器、以及补偿模块；
所述光电探测电路的输出量输出给所述补偿模块，所述补偿模块根据温度传感器获得的工作温度，对光电探测电路输出量拟合获得光功率值进行暗电流功率补偿，获得探测光功率。
优选地，所述基于暗电流补偿的光电探测器，其当光电探测装置的特定的线性工作区段下，以dBm为单位的暗电流补偿功率Pdark随工作温度T进行二阶多项式函数变化，暗电流补偿功率Pdark采用二阶多项式函数进行回归拟合，计算方法如下：
Pdark＝α*T2+β*T+γ
其中，α、β、γ为二阶多项式函数的参数。
优选地，所述基于暗电流补偿的光电探测器，其所述补偿模块对光电探测电路输出量进行线性拟合及暗电流功率补偿，获得探测光功率PdBm按照如下方法计算：
PdBm＝mw2dB(dB2mw(K*OUTPUT+C)-dB2mw(Pdark))
其中，输出量OUTPUT为接口采样ADC数据或ADC数据的对数值，K为斜率，C为截距；dB2mw()为将dBm值转化为mW值的转换函数
Figure BDA0003224423690000021
Figure BDA0003224423690000022
mw2dB()为将mW值转化为dBm值的转换函数
Figure BDA0003224423690000023
Figure BDA0003224423690000024
优选地，所述基于暗电流补偿的光电探测器，其所述补偿模块对光电探测电路输出量进行线性拟合进行温度补偿，所述补偿模块对光功率值与输出量对数值线性关系的斜率K、以及截距C分别采用温度的二阶多项式函数进行拟合，具体如下：
K＝a1*T2+b1*T+c1
C＝a2*T2+b2*T+c2
其中，T为工作温度，a1、b1、c1、a2、b2、c2为二阶多项式函数的参数，通过数据拟合确定。
优选地，所述基于暗电流补偿的光电探测器，其所述光电探测电路，包括光电二极管，以及功率探测电路；所述光电二极管的输出端与所述探测电路的输入端相连；所述功率探测电路包括控制模块和信号放大模块；所述信号放大模块为线性信号放大模块或对数信号放大模块，优选所述信号放大模块具有多个线性工作区段。
优选地，所述基于暗电流补偿的光电探测器，其当所述信号放大模块为线性信号放大模块时，所述线性放大模块包括多个级联的放大器，具体可采用级联的第一与第二放大器；所述多个级联的放大器中优选包括至少一个跨阻放大器，所述跨阻放大器与可变的分压电阻并联；所述多个放大器的输出端、以及跨阻放大器的分压电阻阻值决定所述光电探测电路的线性工作区段。
当所述信号放大模块为对数信号放大模块时，所述对数信号放大模块包括多个级联的放大器，所述多个级联的放大器中优选包括对数互阻放大器，所述对数互阻放大器，具有多个线性工作区段，决定所述光电探测电路的线性工作区段。
按照本发明的另一个方面，提供了一种掺铒光纤放大器，其包括一个或多个光电探测器，所述一个或多个光电探测器中至少一个为本发明提供的基于暗电流补偿的光电探测器。
优选地，所述掺铒光纤放大器，其包括一个或多个光电探测器、掺铒光纤、泵浦源以及一个或多个光耦合器；所述泵浦源与所述掺铒光纤相连，所述泵浦源产生泵浦光进入所述掺铒光纤；所述光电探测器通过光耦合器接入光路，用于检测接入位置的光信号强度。
优选地，所述掺铒光纤放大器，其所述掺铒光纤放大器包括输入光电探测器和输出光电探测器；所述输入光电探测器和输出光电探测器为本发明提供的基于暗电流补偿的光电探测器；所述输入光电探测器通过光耦合器接入光信号的输入端，用于检测输入的光信号强度；所述输入光电探测器通过光耦合器接入掺铒光纤放大器的光信号输入端，用于检测输出的光信号强度；所述输入光电探测器和输出光电探测器其信号放大模块为线性信号放大模块。
优选地，所述掺铒光纤放大器，其所述掺铒光纤放大器的掺铒光纤与光衰减器相连；所述光衰减器的输入和/或输出端分别通过光耦合器接入本发明提供的光电探测器，用于检测光衰减器的工作状态；所述光电探测器其信号放大模块优选为对数信号放大模块。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明首先发现低功率下光电探测器探测误差主要来自于光电探测器固有、无法消除的暗电流现象，进而通过大量工程实验数据证明了，当以dBm作为度量单位，而非mW作为度量单位时，暗电流补偿功率随工作温度进行二阶多项式函数变化，多次实验显示用二阶多项式函数进行回归拟合的R2接近或超过0.99，通过以dBm为单位的暗电流补偿功率Pdark，以工作温度T进行二阶多项式函数回归拟合，能精准、方便、低成本的实现暗电流功率补偿，提高光电探测器在低探测功率范围(-50dBm以下)的探测精度。
优选方案，一方面通过多区段线性拟合，实现超宽范围的光电探测(≥75dB)，一方面对各区段线性拟合的斜率和截距进行温度补偿，进一步提高光电探测器在全温范围(-5℃至65℃)的光电探测精度，误差精度小于0.5dB。
本发明通过精确的暗电流补偿技术，调节高性能的泵浦激光器的自身辐射，掺铒光纤温度补偿，电路滤波以及功率控制方式，实现一个高精度的、全温的、超宽光电探测范围(探测范围大于75dB，精度小于0.5dB)的光信号放大器，应用于核心网、骨干网的长距离光通信，有效补偿尤其是低功率信号的信号衰减，提高数据传输的稳定性、传输速率、降低误码率；优选本发明在超宽范围的光电探测具有高精度的信号放大能力，提高低功率下(-50dBm以下)的光电探测精度，同时大大减少了对于光纤放大器的校准标定工作量，降低了高精度、超宽探测范围光纤放大器模块的研制、生产成本。
附图说明
图1是暗电补偿功率流功率(dBm)随温度变化示意图；
图2是实施例1提供的掺铒光纤放大器功率控制光路系统示意图；
图3是实施例1提供的输入及输出光电探测器的光电探测电路结构示意图；
图4是实施例1提供的输入及输出光电探测器分段覆盖工作范围示意图；
图5是实施例1提供的输入及输出光电探测器第一区段(LV1)K与温度T从-5℃到75℃变化曲线；
图6是实施例1提供的输入及输出光电探测器第一区段(LV1)C与温度T从-5℃到75℃变化曲线；
图7是实施例1提供的掺铒光纤放大器功率控制电路系统示意图；
图8是实施例1提供的掺铒光纤放大器功率控制整体系统示意图；
图9是实施例2提供的掺铒光纤放大器功率控制光路系统示意图；
图10是实施例2提供的VOA可调衰减器两端光电探测器软、硬件实现结构示意图；
图11是实施例2提供的VOA可调衰减器两端光电探测器的光电探测电路结构示意图；
图12是本发明实施例2提供的VOA可调衰减器两端光电探测器分段覆盖工作范围示意图
图13是本发明实施例2提供的VOA可调衰减器两端光电探测器分段线性拟合示意图；
图14是本发明实施例2提供的VOA可调衰减器出光光电探测器第一区段(LV1)K与温度T从-5℃到75℃变化曲线；
图15是本发明实施例2提供的VOA可调衰减器出光光电探测器第一区段(LV1)C与温度T从-5℃到75℃变化曲线；
图16是本发明实施例2提供的VOA可调衰减器出光光电探测器第一区段(LV1)暗电流功率(dBm)与温度T从-5℃到75℃变化曲线。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-输入光电探测器；2，15，18，19-1％耦合器(Coupler)；3，10，14-隔离器，4-一级泵浦驱动模块；5-泵浦保护器；6，9，12-WDM波分复用器；7-增益平坦滤波器GFF；8，13-掺铒光纤；11-二级泵浦电路驱动模块；16-输出光电探测器；17-VOA可调衰减器；20，21-VOA可调衰减器两端的光电探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的基于暗电流补偿的光电探测器，包括光电探测电路、温度传感器、以及补偿模块；
所述光电探测电路的输出量输出给所述补偿模块，所述补偿模块根据温度传感器获得的工作温度，对光电探测电路输出量拟合获得光功率值进行暗电流功率补偿，获得探测光功率。优选所述补偿模块对光电探测电路输出量进行线性拟合及暗电流功率补偿，获得探测光功率PdBm。
我们发现在探测的光功率较低时，具体而言光功率大小≤-50dBm时，暗电流引起的功率偏差值不可被忽略，需要针对暗电流引起的光功率值进行补偿，才能提供光电探测器检测精度到小于0.5dB。反复实验证实，对于低光功率探测情形，光电二极管(包括PD和APD)的暗电流受到温度影响明显，在EDFA的工作温度下，使得光电探测器的探测功率与光电探测电路输出量数据之间的线性关系恶化。
因此在较低的探测功率下，需要对暗电流干扰导致的暗电流功率进行补偿，同时需要考虑到工作温度对于暗电流功率的影响。经过大量工程温度数据实验，当光电探测装置的特定的线性工作区段下，暗电流补偿功率Pdark(dBm)会随工作温度T进行二阶多项式函数变化，暗电流补偿功率Pdark采用二阶多项式函数进行回归拟合，计算方法如下：
Pdark＝α*T2+β*T+γ
其中，α、β、γ为二阶多项式函数的参数；校准拟合温度优选分别为25℃、45℃和65℃。
光电探测器的核心元件光电二极管，不可避免的存在暗电流现象，暗电流并非来自外界的光子产生，而是来自元件内部的热噪声；任何二极管理论特性是正向导通、反向截止，但实际上的光电二极管元器件，反向不可能做到真正的截止(反向饱和电流为0)，暗电流无法完全消除。一般来说暗电流都很小，基本都在uA和nA量级，而在光通信领域，常用的光电二极管(Photodiode)暗电流都小于≤10nA，是光电二极管的固有性能，因此暗电流的大小可用于判断二极管元件是否被击穿以及晶圆工艺是否存在问题的技术指标。
由于暗电流无法被消除，因此只能通过有效的补偿技术减小暗电流的影响(特别是在光信号比较弱时，光功率大小≤-50dBm时表现明显)。另外，由于掺铒光纤放大器(EDFA)在应用中，会有温度的变化，光电二极管(Photodiode)的暗电流也会随温度进行变化，对于暗电流引起的光功率变化，也会随温度变化，导致暗电流功率补偿难度进一步提高。经过大量工程温度数据实验，发现每一级暗电流补偿功率Pdark会随温度T进行二阶多项式函数变化，R2超过0.99，如图1所示。
通当光电探测装置的处于特定的线性工作区段下，输出量OUTPUT为接口采样ADC数据或ADC数据的对数值，与探测功率PdBm的线性关系一般表示为：
PdBm＝K*OUTPUT+C
其中，K为斜率，C为截距。
过实验数据拟合最佳暗电流补偿功率Pdark与工作温度T变化的公式，对探测功率进行补偿，如下：
PdBm＝mw2dB(dB2mw(K*OUTPUT+C)-dB2mw(Pdark))
优选方案，所述补偿模块对光电探测电路输出量进行线性拟合进行温度补偿，掺铒光纤放大器(EDFA)在应用中温度的变化范围较大，在-5℃～+65℃之下，光电探测器的采用线性关系拟合探测光功率与实际光功率之间存在偏差，尤其是当温度超过25℃时，采用线性关系拟合探测光功率与实际光功率之间偏差明显，需要补偿。
所述补偿模块对光功率值与输出量对数值线性关系的斜率K、以及截距C分别采用温度的二阶多项式函数进行拟合，具体如下：
K＝a1*T2+b1*T+c1
C＝a2*T2+b2*T+c2
其中，T为工作温度，a1、b1、c1、a2、b2、c2为二阶多项式函数的参数，通过数据拟合确定。经过大量工程温度数据实验，观察到测试用光功率值与输出量之间，如果采用线性关系表示，其斜率以及截距随温度变化而变化，而非常数，导致当温度变化时，测试用光功率值与输出量对数值之间的线性关系恶化。进一步的，当采用二阶函数对测试工程温度数据进行拟合时，相关系数R2均接近或超过0.99，回归拟合结果显示温度的二阶函数能准确的模拟光功率值与输出量线性关系的斜率和截距。理论上仅需要3个标定温度即可获得光功率值与输出量对数值的线性关系，大大减少了对于光电探测装置进行温度补偿的标定工作，降低了高精度光电探测装置的成本。
所述光电探测电路，包括光电二极管，以及功率探测电路；所述光电二极管的输出端与所述探测电路的输入端相连；所述功率探测电路包括控制模块和信号放大模块；所述信号放大模块为线性信号放大模块或对数信号放大模块，优选所述信号放大模块具有多个线性工作区段。
当所述信号放大模块为线性信号放大模块时，优选所述线性放大模块包括多个级联的放大器，具体可采用级联的第一与第二放大器；所述多个级联的放大器中优选包括至少一个跨阻放大器，所述跨阻放大器与可变的分压电阻并联；所述多个放大器的输出端、以及跨阻放大器的分压电阻阻值决定所述光电探测电路的线性工作区段。
当所述信号放大模块为对数信号放大模块时，优选所述对数信号放大模块包括多个级联的放大器，所述多个级联的放大器中优选包括对数互阻放大器，所述对数互阻放大器，具有多个线性工作区段，决定所述光电探测电路的线性工作区段。
本发明提供的掺铒光纤放大器，包括一个或多个光电探测器，所述一个或多个光电探测器中至少一个为本发明提供的基于暗电流补偿的光电探测器。
所述掺铒光纤放大器，包括一个或多个光电探测器、掺铒光纤、泵浦源以及一个或多个光耦合器；所述泵浦源与所述掺铒光纤相连，所述泵浦源产生泵浦光进入所述掺铒光纤；所述光电探测器通过光耦合器接入光路，用于检测接入位置的光信号强度。
优选方案，所述掺铒光纤放大器包括输入光电探测器和输出光电探测器；所述输入光电探测器和输出光电探测器为本发明提供的基于暗电流补偿的光电探测器；所述输入光电探测器通过光耦合器接入光信号的输入端，用于检测输入的光信号强度；所述输入光电探测器通过光耦合器接入掺铒光纤放大器的光信号输入端，用于检测输出的光信号强度；所述输入光电探测器和输出光电探测器其信号放大模块为线性信号放大模块，探测范围优选达到-60dBm～20dBm。线性放大器响应速度更快，能更为及时的探测输入信号和输出信号的光功率，有效的控制EDFA的工作状态。
优选方案，所述掺铒光纤放大器的掺铒光纤与光衰减器相连；所述光衰减器的输入和/或输出端分别通过光耦合器接入本发明提供的光电探测器，用于检测光衰减器的工作状态；所述光电探测器其信号放大模块优选为对数信号放大模块，所述对数信号放大模块响应速度能够光衰减器变化需求并且成本更低。
所述掺铒光纤放大器，还包括核心控制及状态检测模块，用于根据光电探测器测定的光功率值，确定所述掺铒光纤放大器的工作状态，并根据目标状态产生控制信号，调整泵浦源功率、掺铒光纤工作温度、以及光衰减器的衰减值。所述核心控制及状态检测模块，包括中央处理器及外设电路。
以下为实施例：
实施例1
本实施例提供的掺铒光纤放大器，光路系统如图2所示，输入光功率经1％耦合器处理后到输入光电探测器，经隔离器，由一级泵驱动光路模块经一级泵浦保护器分别进入两个波分复用器WDM的两端后合成一束信号，再经两段放大掺铒光纤(8，13)和增益平坦滤波器GFF处理后，过隔离器与二级泵驱动光路模块进入合束器后合为一束信号，再经过放大掺铒光纤，过隔离器后进入1％的耦合器处理，到输出光电探测器上。
输入及输出光电探测器，结构相同，包括光电探测电路、温度传感器、以及补偿模块；
所述光电探测电路的输出量输出给所述补偿模块，所述补偿模块对光电探测电路输出量进行线性拟合及暗电流功率补偿，获得探测光功率。
所述光电探测电路，结构如图3所示，光电探测电路包括光电二极管，以及功率探测电路，所述光电二极管的输出端与所述探测电路的输入端相连，所述功率探测电路的信号放大模块为线性信号放大模块，包括串联的光电二极管(PD)、跨阻放大器(TIA)和运算放大器(OP)；所述跨阻放大器包括多个控制端以及多个并联的分压电阻，所述跨阻放大器的多个控制端通过使不同的分压电阻处于接入或非接入状态，改变光电探测装置的电气性能，使该线性光电探测器处于不同的特定的线性工作区段下；
所述功率探测电路的控制模块，包括3级光电TIA(跨阻放大器)+OP(运算放大器)线性放大探测控制电路和控制开关选择单元，两个控制选择开关的输入端通过第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3连接至第一级放大器的输出端TIA和过第二级运算放大器输出端OP。当两个开关选择第一种状态输出时(也就是1级光电探测TIA+OP线性放大打开)，连接光电二极管(Photodiode)放大电路通过第一个电阻R1的输出端TIA，同时过第二级放大电路的输出端OP，此时可以得到两级采样的数据(LV1.K/C和LV2.K/C)；当两个开关选择第二种状态输出时，连接光电二极管(Photodiode)放大电路通过第二个电阻R2的输出端TIA，同时过第二级放大电路的输出端OP，此时可以得到两级采样的数据(LV3.K/C和LV4.K/C)；当两个开关选择第三种状态输出时，连接光电二极管(Photodiode)放大电路通过第三个电阻R3的输出端TIA，同时过第二级放大电路的输出端OP，此时可以得到两级采样的数据(LV5.K/C和LV6.K/C)。
在不考虑光电二极管(Photodiode)温度变化的情况下，可得到6级的线性放大探测数据(6级分别表示：LV1.K/C、LV2.K/C、LV3.K/C、LV4.K/C、LV5.K/C和LV6.K/C)及暗电流(mW)，示意图情况如图4所示。
运行方式如下：当开关控制单元CTL1和开关控制单元CTL2组合时将会产生四种状态，分别是00、01、10和11(保留未用)。①当开关控制单(CTL1和CTL2)状态为00时，连接光电二极管(Photodiode)放大电路的电压信号将通过第一个电阻R1(510)输出TIA Out端，采样第1级线性放大数据，同时过第二级放大电路AMP(31)输出OP Out端，采样第2级线性放大数据。②当开关控制单(CTL1和CTL2)状态为01时，连接光电二极管(Photodiode)放大电路的电压信号将通过第二个电阻R2(330K)输出TIA Out端，采样第3级线性放大数据，同时过第二级放大电路AMP(31)输出OP Out端，采样第4级线性放大数据。③当开关控制单(CTL1和CTL2)状态为10时，连接光电二极管(Photodiode)放大电路的电压信号将通过第三个电阻R3(10M)输出TIA Out端，采样第5级线性放大数据，同时过第二级放大电路AMP(31)输出OPOut端，采样第6级线性放大数据。这样，可以得到6级的线性放大探测采样数据，满足超宽范围探测最大可以达到≥75dB的要求。
补偿模块，硬件采用中央处理器及外设电路由高速微控制处理器(MCU)、处理器最小供电电路单元、及高速DA、AD、PWM和处理器IO口组成，是控制、检测和采集电路模块的核心部分。
所述补偿模块，通过读取接入端口以及跨阻放大器控制端信号，确定所述光电探测装置的电气性能。对于特定级别的线性放大探测数据采用相应光电探测装置的电气性能下的斜率K、截距C、和/或暗电流补偿功率Pdark的二阶函数的参数计算线性拟合采用的斜率K、截距C、和/或暗电流补偿功率Pdark，对光电探测器输出量进行线性拟合获得探测光功率。具体如下：
通过高速微控制处理器(MCU)的高速AD接口采样ADC数据与探测功率的线性关系，最终每一级的拟合功率公式即为：
PdBm＝K*Log10(ADC)*10+C
而每一级的探测范围都在14dB之内，这样顺序的6级功率探测即可满足超宽范围探测要求，最大可以达到≥75dB。由于光电二极管(Photodiode)在掺铒光纤放大器(EDFA)应用过程中，会随环境温度的变化而变化。经过大量工程温度数据实验，可以看到式中的K、C值会随温度T进行二阶多项式函数变化。
以第一级为例：K值随温度T变化曲线情况如图5所示，R2＝0.9946；C值随温度T曲线情况如图6所示，R2＝0.9903。
通过上面K、C值随温度T变化情况，可以看出在低于25℃以下时均可不做温度相关的补偿；但温度变化高于25℃需要进行温度相关的补偿。可以通过大量实验数据拟合得出K、C值随温度T变化的公式如下(校准拟合温度分别为25℃、45℃和65℃)：
K＝a1*T2+b1*T+c1
C＝a2*T2+b2*T+c2
其中，T为工作温度，a1、b1、c1、a2、b2、c2为二阶多项式函数的参数，针对每一段通过数据拟合确定。
在环境温度变化下，光电二极管(Photodiode)在工作中生产的暗电流进行有效的补偿。随温度变化，光电二极管(Photodiode)的暗电流也会随温度进行变化。经过大量工程温度数据实验，可以看到每一级暗电流补偿功率Pdark会随温度T进行二阶多项式函数变化，其中图1为第一级LV1.K/C暗电流功率(dBm)随温度的变化曲线，其中R2＝0.9983。
可以通过实验数据拟合最佳暗电流补偿功率Pdark与温度T变化的公式如下(校准拟合温度分别为25℃、45℃和65℃)：
Pdark＝α*T2+β*T+γ
其中，α、β、γ为二阶多项式函数的参数。
经温度补偿的探测功率PdBm按照如下方法计算：
PdBm＝mw2dB(dB2mw((a1*T2+b1*T+c1)*Log10(ADC)*10+(a2*T2+b2*T+c2))-dB2mw(α*T2+β*T+γ))
本实施例提供的补偿模块，按照如下方法计算光功率：
当工作温度T≤25℃，且处于第一级或第二级时，对暗电流功率进行补偿，有：
PdBm＝mw2dB(dB2mw(K*Log10(ADC)*10+C)-dB2mw(a3*T2+b3*T+c3))
当工作温度T≤25℃，且处于第三级至第六级时，无需补偿：
PdBm＝K*Log10(ADC)*10+C
当工作温度T＞25℃，且处于第一级或第二级时，对温度及暗电流功率进行补偿：
PdBm＝mw2dB(dB2mw((a1*T2+b1*T+c1)*Log10(ADC)*10+(a2*T2+b2*T+c2))-dB2mw(α*T2+β*T+γ))
当工作温度T＞25℃，且处于第三级至第六级时，对温度进行补偿：
PdBm＝(a1*T2+b1*T+c1)*Log10(ADC)*10+(a2*T2+b2*T+c2)
其中a1、b1、c1、a2、b2、c2，根据电气性能决定的下线性工作区段(LV1.K/C、LV2.K/C、LV3.K/C、LV4.K/C、LV5.K/C和LV6.K/C)分区段拟合获取，a3、b3、c3亦可根据工作区段(LV1.K/C、LV2.K/C)分段拟合获取。
经测定：在环境温度-5℃～+65℃之下，光电探测器功率的超宽探测范围在-60dBm～20dBm之外，超过75dB探测范围；在环境温度-5℃～+65℃之下，光电二极管(Photodiode)探测75dB功率的范围内，误差精度小于0.5dB(探测功率小于-50dBm时，通过暗电流、温度补偿技术，精度仍然满足这一要求)。
本实施例提供的掺铒光纤放大器，电路系统如图7所示，包括核心控制及状态检测模块、掺铒光纤加热器控制及状态检测模块、一级泵控制及状态检测模块、二级泵控制及状态检测模块、输入光电探测器检测及控制模块、输出光电探测器检测及控制模块、温度传感器组、状态指示电路、以及计算机通信接口；其中：
掺铒光纤加热器控制及状态检测模块、一级泵控制及状态检测模块、二级泵控制及状态检测模块、输入光电探测器和输出光电探测器检测及控制模块、输出光电探测器和输出光电探测器检测及控制模块与所述核心控制及状态检测模块信号相连，双工工作，状态检测信号输入到核心控制及状态检测模块，控制信号输出自核心控制及状态检测模块；
所述温度传感器组与所述核心控制及状态检测模块相连，用于将检测到的掺铒光纤工作温度、输入光电探测器工作温度、输出光电探测器工作温度输入到核心控制及状态检测模块；
所述核心控制及状态检测模块与状态指示电路相连，用于将状态信息通过状态指示电路输出；
所述计算机通信接口与所述核心控制及状态检测模块相连，双工工作，用于按照用户需求对EDFA进行控制，并将时时监控得到的输入和输出光电探测器数据输出。
本实施例提供的掺铒光纤放大器，光路系统和电路系统设之间的电气连接如图8所示。掺铒光纤加热器控制及状态检测模块分别于两段放大掺铒光纤及其加热装置相连；一级泵控制及状态检测模块与一级泵浦光源相连，二级泵控制及状态检测模块与二级泵浦光源相连；输入光电探测器检测及控制模块与输入光电探测器相连，输出光电探测器检测及控制模块与输出光电探测器相连。
图8为本实施例掺铒光纤放大器(EDFA)功率控制整体系统示意图，实现EDFA超宽探测范围高精度放大：首先，上电自检，系统自动检测各泵浦模块初始状态、恒流源驱动电路状态、输入光电探测器光功率状态、输出光电探测器光功率状态，并控制工作状态指示电路显示自检结果，如果自检没有通过(包括输入光电探测器光功率探测是否有输入光信号)，则不允许计算机对控制电路系统进行操作，自检通过后允许计算机对控制系统进行操作；然后通过计算机设置用户需要的掺铒光纤放大器(EDFA)功率控制值，控制开泵后自动触发输入光电探测器功率探测电路、输出光电探测器功率探测电路进行信号采集。通过调整光源的输入功率范围-60dBm～20dBm，将时时监控的输入、输出光电二极管(Photodiode)探测功率数据传送到计算机和测量仪器上；计算机对输入、输出光电二极管(Photodiode)探测功率值进行数据处理得出最终的测试结果，并以曲线方式显示出来，同时保存于特定的格式文档中。具体而言：
设置环境温度(高低温箱系统)的不同值(-5℃、25℃、45℃和65℃)，固定光源恒定功率值，将光源功率值接入掺铒光纤放大器(EDFA)的输入光电二极管(Photodiode)的探测电路，同时驱动电流的一级泵浦激光器输出的泵浦光经WDM合成一束光后，经过预放大掺铒光纤，然后经过隔离器与软件算法控制设置好驱动电流的二级泵浦激光器输出的泵浦光分别经过光纤合束器的信号端和泵浦端，经由合束后输出；再经1％Coupler分光后，触发输出光电二极管(Photodiode)电路功率信号采集传输出来；掺铒光纤放大器(EDFA)由高速微控制处理器(MCU)的软件控制算法进行闭环控制，将时时监控将输入和输出光电二极管(Photodiode)数据传送到计算机和光功率计仪器进行数据处理，最终得出测试结果(温度不同，功率相同进行比较)。
设置环境温度的固定值(25℃)，配置光源恒定功率的不同值(-60dBm、-40dBm、-20dBm、0dBm和20dBm)，将光源功率值接入掺铒光纤放大器(EDFA)的输入光电二极管(Photodiode)的探测电路，同时驱动电流的一级泵浦激光器输出的泵浦光经WDM合成一束光后，经过预放大掺铒光纤，然后经过隔离器与软件算法控制设置好驱动电流的二级泵浦激光器输出的泵浦光分别经过光纤合束器的信号端和泵浦端，经由合束后输出；再经1％Coupler分光后，触发输出光电二极管(Photodiode)电路功率信号采集传输出来；掺铒光纤放大器(EDFA)由MCU的软件控制算法进行闭环控制，将时时监控将输入和输出光电二极管(Photodiode)数据传送到计算机和光功率计仪器进行数据处理，最终得出测试结果(温度相同，功率不同进行比较)。
通过计算机保存数据与光功率计的采样数据进行对比处理可以确定：①在环境温度-5℃～+65℃之下，光电探测器功率的超宽探测范围可以满足-60dBm～20dBm的范围之内，超过75dB探测范围；②在环境温度-5℃～+65℃之下，光电二极管(Photodiode)探测75dB功率的范围内，误差精度小于0.5dB(探测功率小于-50dBm时，通过暗电流温度相关补偿技术，精度仍然满足这一要求)。
实施例2
本实施例提供的掺铒光纤放大器，光路系统如图9所示，输入光功率经1％耦合器处理后到输入光电探测器，经隔离器，由一级泵驱动光路模块经一级泵浦保护器分别进入两个波分复用器WDM的两端后合成一束信号，再经两段放大掺铒光纤和增益平坦滤波器GFF处理后，过隔离器进入VOA可调衰减器，VOA可调衰减器的两端分别通过1％耦合器接入可调衰减器的输入和输光光电探测器，与二级泵驱动光路模块进入合束器后合为一束信号，再经过放大掺铒光纤，过隔离器后进入1％的耦合器处理，到输出光电探测器上。
输入及输出光电探测器结构及工作原理同实施例1的输入及输出光电探测器。
VOA可调衰减器的输入及输出光电探测器，如图10所示，包括光电探测电路、以及补偿模块。
如图11所示，光电探测电路包括光电二极管，以及功率探测电路，所述光电二极管的输出端与所述探测电路的输入端相连；所述功率探测电路的信号放大模块为对数信号放大模块，包括串联的对数互阻放大器(AD8304芯片)、以及运算放大器电路(AMP(2))。对数放大器一般取其线性关系良好的中间区段作为工作区段，两端的输出量与光功率之间的线性关系恶化，弃之不用。为了拓宽光电探测电路的工作范围，对线性工作范围以外的低功率段或高功率段进行温度补偿和/或暗电流补偿。对于工作范围亦可通过温度补偿和暗电流补偿提高探测精度。总体而言可低成本的实现工作范围拓宽和精度提高，响应速度较线性光电探测器为慢，但满足衰减器的探测响应速度要求。
补偿模块，硬件采用中央处理器及外设电路由高速微控制处理器(MCU)、处理器最小供电电路单元、及高速DA、AD、PWM和处理器IO口组成，是控制、检测和采集电路模块的核心部分。
所述补偿模块，通过高速微控制处理器(MCU)读取光电探测电路的接口采样ADC数据作为输出量。根据接口采样ADC数据确定其所在的线性段，并采用相应线性段的斜率K、截距C、和/或暗电流补偿功率Pdark的二阶函数的参数计算线性拟合采用的斜率K、截距C、和/或暗电流补偿功率Pdark，对光电探测器输出量进行线性拟合获得探测光功率。具体为：
在不考虑光电二极管(Photodiode)温度变化和暗电流影响的情况下，控制模块根据ADC2和ADC3分段，可得到3段的LOG放大探测数据(3段分别表示：LV1-1.K/C、LV1-2.K/C、LV1-3.K/C)，示意图如图12。
对以上三段分别采用线性拟合，其中LV1-2.K/C的线性拟合程度良好，即一般对数光电探测的工作区段，示意图如图13。在最低一级放大电路LV1-1.K/C中(-55dBm～-60dBm)，采样数据呈现非线性特征，经分析是暗电流引起，且随温度变化。
所述补偿模块，获取光电探测电路的输出量，即接口采样ADC数据，根据接口采样ADC数据确定其所在的线性段，并采用相应线性段的斜率K、截距C、和/或暗电流补偿功率Pdark的二阶函数的参数计算线性拟合采用的斜率K、截距C、和/或暗电流补偿功率Pdark，对光电探测器输出量进行线性拟合获得探测光功率。具体如下：
本实施例提供的补偿模块，对光电探测电路其中每一区段的拟合功率公式为：
PdBm＝K*ADC+C
从MCU的AD接口读取对应PD的ADC值，根据ADC值所在的范围，确定区段。根据工作温度对该区段的K、C值进行补偿后，计算光功率：
以第一级(LV1.K/C)为例：K值随温度T曲线情况如图14所示，R2＝0.9902；C值随温度T曲线情况如图15所示，R2＝0.987。
经测定：在环境温度-5℃～+65℃之下，光电二极管(Photodiode)功率的超宽探测范围在-60dBm～20dBm之外，超过75dB探测范围；可以通过大量实验数据拟合得出K、C值随温度T变化的公式如下(校准拟合温度分别为25℃、45℃和65℃)：
K＝a1*T2+b1*T+c1
C＝a2*T2+b2*T+c2
其中，T为工作温度，a1、b1、c1、a2、b2、c2为二阶多项式函数的参数，通过数据拟合确定。
经过大量工程温度数据实验，可以看到每一级暗电流补偿功率Pdark会随温度T进行二阶多项式函数变化，其中图16为第一级LV1.K/C，暗电流功率(dBm)随温度的变化曲线R2＝0.9982。
可以通过实验数据拟合最佳暗电流补偿功率Pdark与温度T变化的公式如下(校准拟合温度分别为25℃、45℃和65℃)：
Pdark＝α*T2+β*T+γ
其中，、β、γ为二阶多项式函数的参数。
经温度补偿的探测功率PdBm按照如下方法计算：
PdBm＝mw2dB(dB2mw((a1*T2+b1*T+c1)*ADC+(a2*T2+b2*T+c2))-dB2mw(α*T2+β*T+γ))
本实施例提供的补偿模块，按照如下方法计算光功率：
从MCU的AD接口读取对应PD的ADC值，判断ADC值与ADC2、ADC3的大小关系：
当ADC＜ADC2时，对暗电流进行补偿，温度工作温度T≤25℃时，无需对温度进行补偿，有：
PdBm＝mw2dB(dB2mw(K*ADC+C)-dB2mw(a3*T2+b3*T+c3))
工作温度T＞25℃对温度进行补偿，有：
PdBm＝mw2dB(dB2mw((a1*T2+b1*T+c1)*ADC+(a2*T2+b2*T+c2))-dB2mw(α*T2+β*T+γ))
当ADC2≤ADC≤ADC3时，处于对数功率探测装置的线性工作区段内，T≤25℃不补偿，有：
PdBm＝K*Log10(ADC)*10+C
工作温度T＞25℃对温度进行补偿，有：
PdBm＝(a1*T2+b1*T+c1)*ADC+(a2*T2+b2*T+c2)
当ADC3＜ADC时，需要对温度进行补偿，有：
PdBm＝(a1*T2+b1*T+c1)*ADC+(a2*T2+b2*T+c2)
其中a1、b1、c1、a2、b2、c2，根据工作区段(LV1-1.K/C、LV1-2.K/C、LV1-3.K/C)分区段拟合获取。
本实施例提供的掺铒光纤放大器，电路系统类似于实施例1，增加与核心控制及状态检测模块相连双工工作的第一与第二可调衰减器光电探测器检测及控制模块；本实施例提供的掺铒光纤放大器，光路系统和电路系统设之间的电气连接类似于实施例1，第一与第二可调衰减器光电探测器检测及控制模块分别于VOA可调衰减器的两端的光电探测器相连，通过VOA可调衰减器两端光电探测器的温度及暗电流补偿技术，大大提搞了探测器的精度，同时实现了VOA可调衰减器精确衰减控制，使掺铒光纤放大器的光学平坦指标明显提高。本实施例掺铒光纤放大器(EDFA)功率控制整体系统亦类似于实施例1。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于暗电流补偿的光电探测器，其特征在于，包括光电探测电路、温度传感器以及补偿模块；
所述光电探测电路的输出量输出给所述补偿模块，所述补偿模块根据温度传感器获得的工作温度，对光电探测电路输出量拟合获得光功率值进行暗电流功率补偿，获得探测光功率；
当光电探测装置的特定的线性工作区段下，以dBm为单位的暗电流补偿功率Pdark随工作温度T进行二阶多项式函数变化，暗电流补偿功率Pdark采用二阶多项式函数进行回归拟合，计算方法如下：
Pdark＝α*T2+β*T+γ
其中，α、β、γ为二阶多项式函数的参数。
2.如权利要求1所述的基于暗电流补偿的光电探测器，其特征在于，所述补偿模块对光电探测电路输出量进行线性拟合及暗电流功率补偿，获得探测光功率PdBm按照如下方法计算：
PdBm＝mw2dB(dB2mw(K*OUTPUT+C)-dB2mw(Pdark))
其中，输出量OUTPUT为接口采样ADC数据或ADC数据的对数值，K为斜率，C为截距；DB2mw()为将dBm值转化为mW值的转换函数
Figure FDA0003856629290000011
mw2dB()为将mW值转化为dBm值的转换函数
Figure FDA0003856629290000012
3.如权利要求1所述的基于暗电流补偿的光电探测器，其特征在于，所述补偿模块对光电探测电路输出量进行线性拟合进行温度补偿，所述补偿模块对光功率值与输出量对数值线性关系的斜率K、以及截距C分别采用温度的二阶多项式函数进行拟合，具体如下：
K＝a1*T2+b1*T+c1
C＝a2*T2+b2*T+c2
其中，T为工作温度，a1、b1、c1、a2、b2、c2为二阶多项式函数的参数，通过数据拟合确定。
4.如权利要求1所述的基于暗电流补偿的光电探测器，其特征在于，所述光电探测电路包括光电二极管以及功率探测电路；所述光电二极管的输出端与所述功率探测电路的输入端相连；所述功率探测电路包括控制模块和信号放大模块；所述信号放大模块为线性信号放大模块或对数信号放大模块，所述线性信号放大模块具有多个线性工作区段。
5.如权利要求4所述的基于暗电流补偿的光电探测器，其特征在于，当所述信号放大模块为线性信号放大模块时，所述线性信号放大模块包括多个级联的放大器，具体采用级联的第一放大器与第二放大器；多个级联的放大器中包括至少一个跨阻放大器，所述跨阻放大器与可变的分压电阻并联；多个放大器的输出端以及跨阻放大器的分压电阻阻值决定所述光电探测电路的线性工作区段；
当所述信号放大模块为对数信号放大模块时，所述对数信号放大模块包括多个级联的放大器，多个级联的放大器中包括对数互阻放大器，所述对数互阻放大器具有多个线性工作区段，决定所述光电探测电路的线性工作区段。
6.一种掺铒光纤放大器，其特征在于，包括一个或多个光电探测器，所述一个或多个光电探测器中至少一个为权利要求1至5中任意一项所述的基于暗电流补偿的光电探测器。
7.如权利要求6所述的掺铒光纤放大器，其特征在于，还包括掺铒光纤、泵浦源以及一个或多个光耦合器；所述泵浦源与所述掺铒光纤相连，所述泵浦源产生泵浦光进入所述掺铒光纤；所述光电探测器通过光耦合器接入光路，用于检测接入位置的光信号强度。
8.如权利要求7所述的掺铒光纤放大器，其特征在于，所述掺铒光纤放大器包括输入光电探测器和输出光电探测器；所述输入光电探测器和输出光电探测器为权利要求1至5任意一项所述的基于暗电流补偿的光电探测器；所述输入光电探测器通过光耦合器接入光信号的输入端，用于检测输入的光信号强度；所述输入光电探测器通过光耦合器接入掺铒光纤放大器的光信号输入端，用于检测输出的光信号强度；所述输入光电探测器和输出光电探测器其信号放大模块为线性信号放大模块。
9.如权利要求7所述的掺铒光纤放大器，其特征在于，所述掺铒光纤放大器的掺铒光纤与光衰减器相连；所述光衰减器的输入和/或输出端分别通过光耦合器接入权利要求1至5中任意一项所述的光电探测器，用于检测光衰减器的工作状态；所述光电探测器其信号放大模块为对数信号放大模块。
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