纳秒级窄脉宽脉冲光检测及峰值功率校准

吴寅初++孙强++刘磊

摘 要：提出一种纳秒级窄脉宽脉冲光检测方法及峰值功率校准方法，探讨了窄脉宽脉冲光检测及峰值功率校准的研究意义，介绍了窄脉宽脉冲光检测及峰值功率的校准原理、校准方法及步骤。实验表明，该方法在仅有平均光功率测试平台，无峰值光功率计的情况下，可以进行脉冲光峰值功率的校准。

关键词：脉冲光 峰值功率 校准

中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（c）-0007-02

随着我国国民经济建设的持续、快速发展，通信业务的种类越来越多，信息传送的需求量也越来越大。光纤通信作为一项高新技术产业，具有通信容量大、传输距离远、信号干扰小、保密性能好、传输过程损耗小等特点[1]，其产品结构覆盖了光纤传输设备、光纤与光缆、光器件以及各类施工、测试仪表与专用工具，应用领域相当广阔。典型的光纤通信产品有：光功率计、光回波损耗测量仪、光时域反射仪等。随着光纤通信的迅速发展，这些产品的市场需求量越来越大。

实现光通信离不开光功率这个重要的参数，而光功率计就是测量光功率的仪表，所以它是光通信科研、生产、施工维护中必备的仪表之一[2]。在峰值光功率计的研制过程中，如何进行脉冲光的检测，及如何在仅有平均光功率测试平台无峰值光功率计的情况下进行脉冲光峰值功率的校准，是需要解决的技术难题之一。而在光回波损耗测量仪的研制过程中，需要对纳秒级窄脉宽脉冲光进行检测及峰值功率校准。因此，窄脉宽脉冲光的检测及其峰值功率的校准在光纤通信测试仪器的研究与生产过程中起到至关重要的作用。

1 检测与校准原理

1.1 检测原理

光辐射按振幅与时间的关系可划分为连续光和脉冲光等。连续光的平均功率与其光功率相等，即光源在单位时间里连续辐射出的能量。脉冲光的平均功率指每个单脉冲的输出能量E与脉冲周期T的比值。脉冲光峰值功率指每个单脉冲的输出能量E与脉冲宽度τ的比值，是光脉冲输出功率的最大值[3]。

一般来说，纳秒级窄脉宽脉冲光若直接用ADC进行获取，必须使用采样速率1Gbps以上的高速ADC。但超过1Gbps的高速ADC，芯片功耗一般在2W以上，发热严重。且后续数字电路速率也要超过1GHz。虽然可以采用多路并行的处理电路进行降速，但大大提高了设计规模和复杂性，设计成本增加。该文采用精密延时顺序采样合成法来实现纳秒级窄脉冲信号的检测。精密延时采样示意图如图1所示。

对于一幅波形曲线，先按一定间隔周期采样一帧数据（第一帧），然后准确控制对下一帧（即第二帧）波形信号采样的开始时间，设延时Δt，同样，采样完毕后，再控制对第三帧波形信号采样的开始时间，设延时2Δt，如此采样，由多帧波形数据合成一幅高分辨率采样的波形。

由于延时Δt很小并且可控，需设计精密延时电路。精密延时电路采用“斜坡比较法”延时电路，原理框图如图2所示。当触发脉冲到来时，线性斜坡发生器开始产生斜坡电压信号，送入比较器与预定的电平值比较。当某一时刻斜坡电压值达到预定值时，比较器产生输出脉冲作为延时后的触发脉冲。调节预定的电平值即可设定触发脉冲的延时。预定的电平值可由微处理器送入D/A变换器产生，这样，延时时间便可由微处理器控制。

根据以上检测原理，由APD探测器将接收到的脉冲光转换成电信号，再通过控制延时触发时间、多周期顺序延时采样合成实现高分辨率采样，这样，就可以捕获到纳秒级窄脉冲信号。在待校准仪器中，可将检测到的窄脉冲作为触发信号来测量其平均功率，然后进行峰值功率的校准。

1.2 峰值功率校准原理

校准时所需的测试平台包括：标准光源、光衰减器、光功率计和示波器，均为已校准设备，是校准的依据。用已校准的测试平台为标准，可以直接测量及校准连续光功率。若输入光为脉冲光，且峰值光功率小于探测器的饱和光功率时，可用光功率计测出脉冲光的平均功率，再用示波器观测脉冲光的脉冲周期及脉冲宽度，用公式（1）计算脉冲光的峰值功率。

（1）

其中：Ppeak为脉冲光的峰值功率，单位mw；Pavg为脉冲光的平均功率，单位mw；T为脉冲光的脉冲周期；为脉冲光的脉冲宽度。公式（1）两边取对数并乘以10，可得：

，

即： （2）

其中：Pp为脉冲光的峰值功率，单位dBm；为脉冲光的平均功率，单位dBm。公式（2）对矩形脉冲光和三角形脉冲光均适用。

当输入脉冲光的脉宽很窄，占空比很小，峰值功率较大时，即使平均功率并不大，光功率计探测器也可能接近饱和，此时测得的平均功率可能是不准的。所以需要接入光衰减器，调整衰减值，寻找光功率计测量脉冲光平均功率的线性区。

2 实验步骤及结果分析

下面以波长1310nm，脉宽约3ns，周期约10μs的脉冲光为例，详细介绍校准方法及步骤。校准连接示意图如图4所示。

2.1 准备工作

打开测试平台进行预热。将所需光纤跳线端面清洁干净。

2.2 寻找光功率计测量脉冲光平均功率的线性区

连接光路。将脉冲光源、光衰减器、光功率计用光纤跳线连接，衰减值设为0，记录当前光功率计显示的平均功率。然后按照1dB/次增大衰减，记录衰减值及其对应的平均功率。直到找到明显的线性区为止。测试数据见表1。

由表1数据可以看出，衰减值在20dB以后测得的平均功率具有很好的线性。

2.3 拟合衰减值与平均功率的线性关系

根据线性区内的测试数据拟合衰减值与平均功率的曲线，其中y1为平均功率，为衰减值，k1为系数，b1为截距。

将标准光衰减器的输出端与待校准仪器连接，参照2.2，2.3寻找待校准仪器测量脉冲光平均功率的线性区，并拟合衰减值与平均功率的线性关系，得到拟合曲线。在线性区内有。调整待校准仪器的系统校准因子，使。

2.4 测标准光衰减器的插入损耗

用光纤跳线连接标准光源至标准光功率计，测得光功率为P1。光源接光衰减器输入，光衰减器输出接光功率计，设置衰减值为0，测得当前光功率为P2，则光衰减器的插入损耗。

2.5 计算脉冲光峰值功率

脉冲光的平均功率。用示波器测出脉冲光的脉冲周期T及脉冲宽度。由公式（2）可得脉冲光峰值功率的计算公式：

（3）

2.6 不确定度评定与结果分析

本例中，dBm，dBm，μs，ns，由公式（3）算出峰值功率dBm。按此方法连续测量5次并进行不确定度评定，见表2。

该方法在仅有平均光功率测试平台，无峰值光功率计的情况下，进行脉冲光峰值功率的校准，关键在于寻找标准光功率计和待校准仪器测量脉冲光平均功率的线性区，拟合出衰减值与平均功率的两个线性方程，使两者截距相等，从而得出待校准仪器的校准因子，最终计算出脉冲光的峰值功率。

3 结语

该文介绍了纳米级窄脉宽脉冲光检测及峰值功率校准的研究意义，探讨了检测纳秒级窄脉冲信号的原理及纳米级脉冲光峰值功率校准原理，详细介绍了峰值功率校准的方法及步骤，并进行了实验验证，结果表明该方法在仅有平均光功率测试平台，无峰值光功率计的情况下，可进行纳米级窄脉宽脉冲光峰值功率的校准。所以，本文提出的方法对纳米级脉冲光的检测及峰值功率校准提供了一定的理论与实验依据，具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 陈霄.光纤通信工程技术传输在通信领域中的应用与发展[J].信息通信，2013（9）：206.

[2] 杨志斌.浅谈光纤通信[J].新聚焦，2014（10）：14.

[3] 徐松涛，武文远，储浩玉，等.脉冲光峰值功率计的原理[J].光电子技术与信息，1995（8）：21-26.