光衰减测试中的误差分析

温丹昊

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

1 光衰减装置的工作原理

光衰减器衰减量检定是通过光功率标准装置产生1310nm/1550nm 波长的高稳定性光信号，再用标准装置的光功率计测量光源的输出功率，并将其数值设置为参考值（相对零值），再将光衰减器的档位都设置在0dB 并接入光功率计中，此时光功率计的数值为光衰减器的插入损耗，同时也是固定光衰减器的衰减量。在确定光衰减器0 档位的参考值后，依次改变光衰减器的衰减档位，在光功率计上显示的数值即为光衰减器各档位的衰减示值。从而实现对光衰减器的衰减动态范围、光衰减示值、插入损耗的检定，光衰减器检定框图如图1 所示。

图1 光衰减检定原理框图

2 光衰减示值误差不确定度分析

选择性能稳定的光衰减器波长为1310nm/1550nm，衰减量为0dB～60dB 范围内进行不确定度评定。

2.1 测量方法

采用直接测量法，首先光源通过光纤跳线经被测光衰减器输出到标准光功率计，调整光衰减器的衰减量为0dB，设置标准光功率计的读数为0dB（参考值），调整被测光衰减器衰减示值，读出标准光功率计测量结果。

2.2 数学模型

2.3 不确定度来源

2.3.1 标准装置中光功率计线性度引入的标准不确定度分量u1。

2.3.2 标准装置中光源稳定度引入的标准不确定度分量u2。

2.3.3 标准光功率计的分辨力引入的标准不确定度分量u3。

2.3.4 重复性引入的标准不确定度分量u4。

2.4 标准不确定度分量评定

2.4.1 标准装置中光功率计线性度引入的不确定度分量u1

根据上级机构出具的溯源证书，光波长为1310nm/1550nm，功率为-50dBm～0dBm 范围内，功率测量线性度扩展不确定度为U=0.03 dB，k=2，则：u1= U/2=0.03/2=0.015dB。

2.4.2 标准装置中光源稳定性引入的不确定度分量u2

2.4.4 重复性引入的标准不确定度u4

标准装置的重复性主要有光纤连接器与光源连接重复性、光纤连接器与标准光功率计连接重复性、光纤连接器与被检衰减器连接重复性。通常采用实验标准偏差来表征，用A 类评定方法评定。

分别在波长为1310nm、1550nm 光衰减量为0～60dB 时连续测量6 次，根据公式（2）计算实验标准偏差。

表1 波长为1310 nm 光衰减示值误差重复性测量结果(单位：dB)

表2 波长为1550 nm 光衰减示值误差重复性测量结果(单位：dB)

波长1310nm/1550nm 光衰减器为0～60dB 范围内u4取1310 nm 和1550 nm 中的数据大者。

u4=0.048dB

由于以上各标准不确定度分量彼此独立，采用公式（3）进行计算。

计算合成标准不确定度为：uc=0.053dB。

3 光衰减器插入损耗不确定度分析

选择性能稳定的光衰减器在波长为1310nm/1550nm，插入损耗小于3 dB 范围内进行不确定度评定。

3.1 测量方法

采用直接测量法，首先光源通过光纤跳线经被测光衰减器输出到标准光功率计，设置标准光功率计的读数为0dB（参考值），读出标准光功率计测量结果。

3.2 数学模型

式中PC- 被检光衰减器示值，dB；

PS- 标准光功率计示值，dB。

3.3 不确定度来源

3.3.1 标准装置中光功率计线性度引入的标准不确定度分量u1。

表3 波长为1310 nm 光衰减器插入损耗重复性测量结果(单位：dB)

表4 波长为1550 nm 光衰减器插入损耗重复性测量结果(单位：dB)

3.3.2 标准装置中光源稳定度引入的标准不确定度分量u2。

3.3.3 标准光功率计的分辨力引入的标准不确定度分量u3。

3.3.4 装置重复性引入的标准不确定度分量u4。

3.4 标准不确定度分量评定

3.4.1 标准装置中光功率计线性度引入的不确定度分量u1

根据上级机构出具的溯源证书，光波长为1310nm/1550nm，功率为-50dBm～0dBm 范围内，功率测量线性度扩展不确定度为U=0.03 dB，k=2，则：u1= U/2=0.03/2=0.015dB。

3.4.2 标准装置中光源稳定性引入的不确定度分量u2

3.4.4 装置重复性引入的标准不确定度u4

标准装置的重复性主要有光纤连接器与光源连接重复性、光纤连接器与标准光功率计连接重复性、光纤连接器与被检衰减器连接重复性。通常采用实验标准偏差来表征，用A 类评定方法评定。

分别对波长为1310nm、1550nm 的插入损耗连续测量6 次，根据公式（2）计算实验标准偏差。

由于以上各标准不确定度分量彼此独立，采用公式（3）进行计算。

计算合成标准不确定度为：uc=0.082dB。

结束语

由于测量误差的存在，被测量自身定义和误差修正不完善等缘故，被测量真值难以准确复现，使得测量结果带有不确定性。日常工作中，还需要不断追求最佳方式估计被测量的值，科学合理地评价测量结果的高低。文章中测量结果不确定度的评定结果不仅可以用于光衰减的校准和检定工作中，还可以用于作业指导书、计量认证、计量确认以及实验室认可等活动中。