光通信设备发送光功率测量不确定度的评定

吴斌

中国电子科技集团公司第三十四研究所 广西 桂林 541004

引言

光功率是光在单位时间内所做的功，单位常用毫瓦(mw)和分贝毫瓦(dBm)表示，是光通信设备重要的性能指标之一，它表征了光信号的输出强度，对光通信设备的传输性能有重要的参考意义[1]，其测量结果的准确度至关重要，是判别产品性能特性的主要依据，因此，开展发送光功率测量不确定度的研究有现实价值及应用意义。

本文所作的不确定度分析评定依据JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，使用GB/T 16814 测试方法，结合我单位实验室实际情况，详细分析了测量发送光功率时不确定度的各个因素，并进行了定量分析，建立了测量不确定度的数学模型，最终给出了测量不确定度的结果。

1 测量依据及方法

本文采用GB/T 16814中3.1章节平均发送光功率测试方法，使用奥普维尔公司生产的OLP-55型光功率计，1.2米测试光纤，测量某车载光通信设备（工作波长：1550nm）的发送光功率，测试配置图如下[2]：

图1 发送光功率测试配置图

2 测量不确定的来源分析及数学模型的建立

2.1 测试环境

在发送光功率测试过程中，实验室内测试环境要求为15℃至35℃之间，在该温度区间范围内，温度对激光器的工作性能几乎无影响，因此，可以认为本次测量的测试环境对测试结果的不确定度可忽略不计。

2.2 测量人员及方法

本次测量采用GB/T 16814标准测试方法，测试流程及操作过程较为简单，且仪器读数为数字读数，不存在人为因素导致的偏差，可以认为测量人员及方法对测试结果的不确定度可以忽略，但需要注意的是，如果因为人为操作不当，如未能正确连接光纤与法兰盘，导致衰减过大，则可能导致测量结果出现较大偏差，此时应属于操作失误，不应计入不确定来源。

2.3 测量仪器

本次测量使用的仪器为光功率计，光功率计的工作原理如下图所示：

图2 光功率计工作原理框图

当被测光照射到光电检测器上，即产生相应的光电流，可编程放大器将检测到的电信号放大，经过模/数变换后进入CPU，经CPU处理后的数字信号，最后以光功率或相应的功率电平形式显示出来。而光电检测器在相应速度、响应效率、引入噪声等方面的性能均会对测试结果产生一定影响，此类影响产生的不确定度可通过查询使用仪器的计量报告获得参考数据。

2.4 测试光纤及连接器产生的衰减值

在测试中，测试光纤及连接器会产生一定的衰减，而该衰减值可作为测试结果的修正值，因此，其产生的不确定度会对测试结果产生直接影响，产生的不确定度可通过日常工作经验或查询相关技术指标获得参考数据。

2.5 被测设备的不稳定性

根据测量经验，一般情况下，设备的光功率测试结果具有一定的离散性，因此也会引入测量不确定度分量，实际测试时，通常采用单次测试的方式，如需要获得更为精确的测量结果，可以通过多次测量取平均值的方式获得。

据此，建立发送光功率P的数学模型为：

随着社会主义现代化建设的不断发展，我国城市化进程也在不断加速，而公路工程行业作为城市规模发展的核心行业，其施工管理工作也要不断进行革新和发展。公路工程施工管理中尤其要做好目标管理工作，多层次、全方面的落实管理方法，从而让施工管理中的目标管理辅佐施工管理人员作为参考依据，并快速适应公路工程施工，保证公路工程施工的效果和质量。为此，必须对目标管理的原则进行分析，并掌握其基本方法。

式中：Po为光功率计读数，dBm；

Pr1为光功率计计量修正值，dBm；

Pr2为测试光纤及连接器的衰减值dB。

3 测量不确定度的评定

通常我们评定测量不确定度主要包括A类评定和B类评定[4]：A类不确定度评定为在规定的测量条件下，由重复观测得到的量值，通过统计分析的方法得到测量不确定度的分量，B类不确定度评定通过分析各不确定分量的有关信息进行评定，根据A类、B类不确定度的评定结果，合成标准不确定度，并计算出扩展不确定度。根据本次测量不确定度的来源分析及评定方式的特点，可以判定，因被测设备的不稳定性引入的不确定度应采用A类评定，因测量仪器的计量性能引入的不确定度应采用B类评定，因测试光纤及连接器产生的衰减值引入的不确定度应采用B类评定。

3.1 A类测量不确定分量评定

本次测试的样品为某车载光端机设备，根据GB/T 16814的标准测量配置，使用OLP-55型光功率计（1550nm），对其平均光发送功率进行10次测量，其测量结果用于评定，具体测量数据如表1所示。

表1 光功率计读数的A类评定计算

根据JJF 1059.1-2012中4.3.2.2 贝塞尔公式法计算A类标准不确定度u（PA），其中：

计算算术平均值：

计算实验标准偏差：

经计算，s（Pk）=0.16dB。

计算被测量估计值的A类不确定u（PA）：

3.2 B类测量不确定分量评定

3.2.1 光功率计计量修正值，Pr1。

通过不确定度来源的分析可知，在测试中，光功率计的读数及修正值，会引入B类测量不确定度。

通过查看中国电子科技集团公司第三十四研究所计量站出具的的计量报告可知，本次使用光功率计的扩展测量不确定度为0.14dB，K=2。通过计算得出：

该因素直接作用于测试结果，可以判定敏感系数C（Pr1）=1。

3.2.2 测试光纤及连接器的衰减值，Pr2。

通过不确定度来源的分析可知，在测试中，测试光纤和连接器产生的衰减值，会引入B类测量不确定度。

根据光纤及连接器的衰减经验值，引入的测量不确定度为0.02dB，服从均匀分布，包含因子为√3。通过计算得出：

该因素直接作用于测试结果，可以判定敏感系数C（Pr2）=1。

4 合成标准不确定度

通过合成标准不确定度计算公式得出：

则标准不确定度为：

5 扩展不确定度U

取置信概率p=95%，包含因子k=2。

则扩展不确定度为：

6 结束语

从本次测试结果的数据看，同时结合多年的实际工作经验，同一样品多次测量的平均发送光功率的测量值具有一定的离散性，通过多次测量取算术平均值，可在一定程度上提升测试结果的可信度，但仍有一定的局限性。在实际应用中，设备的设计指标通常会高于技术要求，当测量结果优于指标要求且有较大余量时，可以判定设备性能符合要求。同时需要注意的是，很多设备的平均发送光功率的指标要求为范围要求，强度过高的发送光功率会导致对端设备激光器损毁，强度过低的发送光功率会导致长距离传输时对端设备无法接收到有效信号，造成光接收告警，因此，当测试结果接近于指标要求时，应结合不确定度评定结果谨慎判断设备性能的符合性。

本文结合日常的检验测试工作，通过分析测量不确定度的来源，建立了测量发送光功率的不确定度模型，并对各不确定度的分量做出不确定度评定，给出了测量的标准不确定度及扩展不确定度，希望能给检验和设计人员提供一些参考和借鉴。