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几种光功率测量方法的介绍

来源：阅读：3821 发布时间：2023-03-09 11:17:20

1光功率计基本基本介绍

光功率计(optical power meter )是指用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器。在光纤系统中，测量光功率是基本的，非常像电子学中的万用表;在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。

2光功率计测量原理

测量光功率有热学法和光电法。

热学法在波长特性、测量精度等方面较好，但响应速度慢，灵敏度低，设备体积大。这种方法探测器一般输出的是uV、mV级别的电压量。

光电法有较快的响应速度、良好的线性特性而且灵敏度高，测量范围大但其波长特性和测量精度方面不如热学法。这种方法一般输出的是nA、uA级别的电流量。

2.1 热学法测量光功率

热学法就是先将光能被探测器表面吸收，转换为热量，然后再通过热电探测器将热量转换为电量，最后通过电量指标确定功率大小的方法。

热学法测量功率的探测器一般设计为如图2.1.1结构（我们称之为圆盘式热电堆激光功率探测器）：

图2.1.1 圆盘式热电堆功率探头结构原理

圆盘式热电堆激光功率探头由几十个热电偶串联起来，整个热电堆固定在环形云母架上，通过测量两端电势差来反映激光功率的大小。当激光光源照射在热电堆探测器靶心时，产生热量，热量通过探测器转换为电势由中心沿着无源区向边缘扩散，在热电偶的热端和冷端形成电势差，最终输出电压，这种工作原理被称之为热电效应（也称之为塞贝克效应）。

图2.1.2所示为圆盘式热电堆功率探测器。

图2.1.2 圆盘式热电堆功率探测器

理论上，热电偶对光波长不敏感，只是将热量转化为电压。但是，由于热电功率计探头表面附带的热吸收膜层的材料特性，会反射一小部分入射光，而反射光的过程与波长稍有关系，因此热电功率探头对波长稍有依赖。

热电功率探头对波长的依赖性曲线如图2.1.3和图2.1.4所示。

图2.1.3 大功率热电探头波长吸收曲线

其中SHC、HPB、BBF为热吸收膜层材料，功率计探头GCI-080220所用膜层材料为BBF，GCI-080250和GCI-0802200所用材料为HPB。

由于热吸收膜层的材料不同，所以不同的探头的损伤阈值是不一样的。一般用作热吸收膜层的材料都具有较高的损伤阈值（具有承受较高的光功率密度的能力），并且具有相对较强的光热转换效率。

因为热电探测器输出电压一般较小，均为uV、mV级别的电压量，所以后续一般都会涉及相应信号处理电路，热学法测量光功率原理框图如图2.1.4所示。

图2.1.4 热学法测量光功率原理框图

2.2 光电法测量光功率

光电法指的是通过光电探测器直接将光转换为电量，然后通过电量指标确定功率大小的方法，实质上是测量光电检测器在受光辐射后产生的微弱电流，该电流与入射到光敏面上的光功率成正比。

光电法测量功率一般都使用光敏面积较大的光电二极管探测器。光电二极管可以在光伏模式或光导模式下工作（如图2.2.1）。在光伏模式下，光电二极管的阳极和阴极与一个负载电路相连接，这样一来光电二极管就可以传导电流。在光导模式下，光电二极管的两端被施加一个反向的偏压，反向电流的大小取决于入射光功率的大小。反向偏压将会大幅度减小光电二极管对入射光子的响应时间。因此，光导模式常用于高速光电探测器

图2.2.1 光电二极管工作模式

在功率测量的应用中，光电二极管要工作于光伏模式下，这时，光电二极管的阳极和阴极与一个互阻放大器的输入端相连接，该放大器可以将光电流转化为输出电压。一个光电二极管最大可以传导几毫安的光电流。光电二极管的响应率是传导电流与入射光功率的比值，通常以“安培/瓦”为单位。响应率与制造光电二极管的材料以及入射光的波长极其相关。

光电二极管根据制作材料的不同，其光谱响应度也是不一样的，且不同波长的光的响应度差异较大。不同材料制成的光电二极管的光谱响应度如图2.2.2所示

图2.2.2 典型材料的光电二极管的光谱响应曲线

一般情况下，使用光电二极管测量光功率，所测最大功率均不会很大（最大约3-5mW），若想测量更大的激光功率（最大测量功率扩展到几十甚至几百毫瓦），需要在探测器前放置衰减片。例如大恒光电的功率计探头GCI-080101就是通过在探测器前增加衰减片的方式，将光电探测器的最大测量功率扩大到1W。

探测器前放置衰减片的方式虽然可以扩大功率计测量量程，但是衰减片的光透过率一般也与波长有关，这将增加功率计标定的难度。

光电法测量光功率原理框图如图2.2.3所示

图2.2.3 光电法测量光功率原理框图

3光功率计使用注意事项

激光安全

任何情况下不要让眼睛直视光功率计的激光输出口，对端接入光传输设备同样不要用眼睛直视光源。这样做会造成永久性视觉烧伤。

背向反光

光电二极管、中性密度（ND）滤光片的表面以及热探头的黑色镀膜都会导致入射光的一些背向反射。如果这种背向反射进入设备的孔径中，比如激光二极管或氦氖激光器，它可能会影响激光器的功率稳定性。所以在使用光功率计测量光功率的时候，建议相对于激光光束略微倾斜照射到光功率计探头有效探测面积上。

环境光和杂散光

环境光或杂散光可以强烈影响自由空间应用中的测量精确性（特别是对光电探头的影响）。通过重置探测器的零电平来减去恒定背景光。功率计无法补偿变化的环境光，比如日光或室内光的开/关。在这些情况下，探头需适当遮蔽以免受到环境光和杂散光的照射。比如为探头设置遮光筒等方法。

光源的线宽

使用热电探头的时候，光源线宽可以忽略（因为热电探头对波长响应度基本一致）。然而对于光电探头，探头的响应度非常依赖于光源的工作波长，如果光源的线宽大于10nm，那么光功率计可能显示不完全正确的功率读数。这时，就要选择光源的中心波长作为功率计的工作波长，才能测量到近似正确的结果。

含电池功率计的存放

如果所使用的光功率计含有电池，那么在不使用的时候，请给光功率计充满电然后存放。如果长期不用，请每个月给电池充电一次，以保护电池。

功率计的校准

随着时间的增长，探测器的响应度会由于老化而发生改变，所以功率计使用要定期标定。

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