Методы измерения параметров оптических компонентов, ВОЛС и ВОСП. Часть 3.

При измерении оптической мощности на выходе стандартного одномодового ОВ с небольшой апертурой NA=0.1 обычно не возникает проблем, однако при тех же измерениях на одномодовом ОВ с тонкой сердцевиной и большой апертурой порядка 0.4 (используемом в ОУ) может возникнуть ряд сложностей. В некоторых случаях для уменьшения оптических отражений конец волокна может быть изогнут под углом, что приводит к увеличению эффективной апертуры. Учитывая, что в современных ВОСП используются различные типы ВОК, рассмотрим особенности измерения мощности на их выходе.

Как правило, апертура ОВ для гауссовского пучка определяется углом, при котором фотодиод теряет 5% мощности излучения. Существует понятие эффективность соединения, которую можно представить в виде одноименного коэффициента (ниже rd – радиус ФД):

Заменив в предыдущей формулеrz на z (расстояние между концом ОВ и ФД), что соответствует апертуре ОВ при 5%-ных потерях мощности, можно получить эффективность соединения, выраженную через апертуру:

Так, если радиус ФД равен 2,5 мм, расстояние z = 8 мм, а NA одномодового ОВ равна 0,3, то эффективность соединения составит 96%, что определяет ограничения, накладываемые апертурой.

Измерение мощности на выходе многомодовых оптических волокон.
Так как апертура многомодового ОВ варьируется от 0,2 до 0,5, в зависимости от диаметра сердцевины и показателя преломления, проблемы, возникающие при его использовании, те же, что и при использовании одномодового ОВ с тонкой сердцевиной. Кроме этого многомодовое ОВ, и особенно ОВ с плавно изменяющимся показателем преломления, генерирует неравномерное оптическое излучение в отдаленной зоне, так называемые спекл-структуры, которые обусловлены взаимным влиянием мод.
Эта проблема возникает только в том случае, если источником излучения является лазерный диод, так как ширина спектра LED слишком велика для наблюдения данного эффекта. Спекл-структуры создают дополнительные погрешности, связанные с неоднородностью поверхности ФД, при которой положение и диаметр светового луча не могут точно контролироваться.

Измерение абсолютной мощности.
Измерение абсолютной мощности, с точки зрения техники измерений, представляет собой простейшую процедуру, при которой источник излучения подключается непосредственно к измерителю оптической мощности, а показания снимаются в соответствии с рекомендациями руководства пользователя. Нередко для получения достоверных результатов данной процедуре предшествует этап автоматической или ручной самокалибровки.
В качестве примера рассмотрим измерение мощности излучения LED, имеющих широкий спектр излучения, что приводит к дополнительной погрешности, учитывая зависимость чувствительности ФД от длины волны измеряемой мощности. В то же время, когда спектральное распределение мощности излучения LED и указанная зависимость спектральной чувствительности ФД известны, данную погрешность можно значительно снизить введением соответствующей коррекции.
Так, на рис. ниже приведен пример измерения с помощью германиевого ФД мощности излучения LED с центральной длиной волны 1550 нм. Здесь l 0 – выбранная (обычно в районе максимума) центральная длина волны излучения LED, на которой проводится коррекция измерителя мощности; gD(l) – чувствительность ФД, равная 1 на выбранной длине волны; P0– уровень мощности LED на этой длине волны, Вт/нм; f(l) – функция, описывающая спектральное распределение мощности излучения LED, также равная 1 для этой длины волны.

Учитывая, что истинное Pn и измеренное Pд, значения мощности равны:

коэффициент коррекции K можно определить, как Pu /Pд. Анализ K показывает, что погрешность будет отсутствовать в случае симметричного спектра излучения LED и линейной зависимости чувствительности ФД от длины волны. Однако на практике данные условия выполняются редко. Поэтому предлагается следующая процедура измерения:

• Вначале определяется центральная длина волны LED, например, по паспортным данным;
• Затем измеритель мощности настраивается на длину волны l 0 LED и измеряется мощность излучения;
• Если спектр излучения LED симметричен и зависимость чувствительности ФД от длины волны почти линейна в пределах спектра LED, результат измерения мощности будет точным. Если одно из этих условий не выполняется, для получения точного значения мощности, в соответствии с вышеизложенным, определяется поправочный коэффициент K, на который затем умножается полученное значение мощности.

При необходимости измерений оптической мощности в ограниченном спектре излучения может использоваться оптический фильтр и аттенюатор (рис. 6.1-5). Такая схема измерения позволяет определить также спектральную плотность мощности излучения в заданном диапазоне длин волн.

Погрешности измерения абсолютной мощности. 

При определении среднеквадратичного значения погрешности измерения абсолютной мощности следует учитывать следующие составляющие:

• Случайную погрешность вследствие нестабильности мощности источника излучения, либо из-за влияния отраженного излучения, которая определяется конкретной реализацией измерительной схемы и колеблется от 0,1% до нескольких процентов;
• Систематическую погрешность, определяемую точностью калибровки измерителя мощности и составляющую порядка ±2%;

Если реальные условия измерения совпадают с заданными условиями, анализ погрешностей на этом заканчивается, в противном случае необходимо дополнительно определить:

• Систематическую погрешность, обусловленную зависимостью показаний от длины волны излучения, от ширины спектра источника излучения, а также от геометрии луча;
• Систематическую погрешность, определяемую уровнем измеряемой мощности. Измерители оптической мощности, как правило, имеют очень широкий динамический диапазон (100 дБ и более), поэтому данный вид погрешностей возникает при значениях измеряемой мощности близких к уровню шумов или к максимально допустимым значениям;
• Систематическую (или случайную) погрешность, обусловленную отражениями.