光功率计课程设计.docx

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光功率计课程设计

光功率计测试仪改良设计

摘要:

光功率检测是光的最基本测量技术之一，广泛应用于光通信设备、光电武器装备的测试和光器件的生产中。

所谓光功率计（PM——opticalpowermeter），即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，由光电探测器、电子设备和显示器构成。

其在光纤领域内的重要性就像数字万用表在电子工业中一样。

本次课程设计即围绕光纤通信中功率的测试工具——光功率计作一定探究。

关键词:

光功率计；功率测量；PIN光电二极管

第1章概述

1.1引言

目前光功率测量方法有两种，一种是热转换型方式，利用黑体吸收光功率后温度的升高来计算光功率的大小，这种光功率计的优点是光谱响应曲线平坦、准确度高，缺点是成本高，响应时间长，因此，一般被用来作为标准光功率计；另一种是半导体光电检测方式，利用半导体PN结的光电效应，目前，适合于光纤通信系统应用的光检测器有PIN光电二极管和雪崩光电二极管。

ADP具有雪崩放大作用、响应度高，但附加噪声大、偏置电压高、温度稳定性差、结构复杂且价格高，因此光功率检测的仪器一般采用PIN光电二极管作为光电转换器件，所以通用光功率计一般是采用PIN光电二极管作为光探测器件的。

光功率计的基本工作原理是被测光投射到PIN光探测器上变为电流，再经I/V变换电路和程控放大电路得到电压信号。

这个信号送到程控低通滤波器及响应度补偿放大电路，得到与功率值相对应的直流电压，经A/D转换得到表示功率大小的数字量，控制处理部分进行数据处理和判断后，送至显示器进行功率显示或给出超量程或欠量程指示并发出量程转换命令进行量程的自动控制。

在实验中，光功率计以测量不同情况下的光功率来确定相关值。

例如在半导体激光器P-I特性测量中，利用光功率计和可变电流的激光器，从而进行多次测量，画出相关P-I曲线，从而可找出半导体激光器的电流阈值。

在测半导体激光器发散角和偏振特性时，可利用光功率计记录旋转台处于不同角度时的功率输出值取曲线的半高宽为激光器的发散角。

也可利用激光器与可旋转的偏振片测量计算出其偏振度。

图1.1.1半导体激光器的光谱图1.1.2半导体激光器P-I曲线

光功率计在光通信和光纤传感等新技术领域中是必不可少的仪器。

国内所需的光功率计大多依靠进口，国外光功率计价格普遍偏高，所需配件品种多，使用操作也比较复杂。

本次讨论的是我系使用的北京杏林睿光科技有限公司生的RL-PM02型三波长光功率计。

图1.1.3光功率计原理框图

第2章光功率计的基本原理

2.1光功率计键位及功能

图2.1.1PL-PM02型光功率计实物图

各键的功能说明如下：

（1）LED显示屏

LED显示屏示所测得的光功率值，以dB、dBm、mW、uW、nW的形式显示。

在设定波长时会显示设定值，即532nm、633nm、650nm。

（2）λ键

λ波长选择键，按此键可以选择不同的波长。

可供选择的波长有三种：

532nm、633nm、650nm每选择一种波长，LED显示屏会有相应的显示。

（3）HOLD键

按HOLD键一次，即可将当前测量的光功率值存储，作为当前参考功率REF值。

（4）ON/OFF键

按ON/OFF键，就可以启动功率计，当启动超过10分钟后，而没有任何键盘被操作，即会关机；在开机状态下，按下该键，即可关机。

（5）mW键

进行量程选择

（6）ZERO键

对功率计进行置零。

（7）背光开关

打开、关闭LED显示器背光。

（光纤接口

在光功率计上方，通过光纤与要测端连接，图中未标出。

2.2光功率探头结构

图2.2.1光功率计探头实物图

光探头就是光敏感面面积较大（直径为1.10mm）的半导体PIN光电二极管。

光电二极管（PD）把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。

在PN结的界面上，由于电子和空穴的扩散运动，形成内部电场。

内部电场使电子和空穴与扩散运动方向相反的漂移运动，最终使能带发生倾斜，在PN结界面附近形成耗尽层。

当入射光作用在PN结时，如果光子的能量大于或等于带隙（hf≥Eg），便发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子－空穴对。

在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。

在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。

漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。

当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。

当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。

同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。

当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。

这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子—空穴对的运动，在闭合电路中形成了光生电流。

图2.2.2PIN结示意图

PN管接收光输入后，由于价带中电子吸收了光子而跃迁到导带，产生一个电子－空穴对，若在耗尽区产生，那么在自建电场（PIN管一般采用零偏压）的作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，产生了与输入光功率成正比的电流信号。

由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。

为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体，这种结构便是常用的PIN光电二极管。

加上I层的PN结二极管可以提高探测灵敏度和响应速度，明显增大了p+区的耗尽层的厚度，这有利于缩短载流子的扩散过程。

耗尽层的加宽，也可以明显减少结电容,从而使电路常数减小，同时耗尽加宽还有利于对长波区的吸收。

被测光通过光纤接口投射到光探头的光敏面上时，半导体中的价带电子激发到导带，偏置电路中便会出现光电流，通过负载电阻实现I/V变换，此电压信号再经滤波放大后，最后由数字式显示器显示。

2.3A/D转换器及89S52单片机在光功率计中应用

将一定功率的光信号经过光电二极管转化为电流信号，再经过滤波通过一个变阻器转化为电压信号，再经过运放变为符合数模转化的电压信号。

其电路图如下：

图2.3.1数字光功率计的光电转换电路图

其中ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

本功率计是基于AT89S52单片机的光功率计设计，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

图2.3.189S52单片机连接图

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，其具有低功耗，速度快，程序擦写方便等优点，完全满足本系统设计需要。

单片机P0口作为ADC0804转换数据的输入端，P3.0接ADC0809的EOC端检测数据转换是否结束。

P0.0～P0.3则作为4个数码管的位选信号控制。

P3口有特殊的功能，P3.1用于控制ADC0804的启动，P2用于控制读取ADC0804的转换结果。

本次设计中使用八通道的IN0，将A,B,C（252423）管脚直接接地固定选择IN0，ALE与ST管脚连通，接单片机P3.4（14）脚，EOC接P3.3（13）脚，OE接P3.5，CLK时钟为1MHZ，由单片机ALE二分频得到，二分频电路详见后文讲解。

VREF+接VCC，VREF-接GND，引出八根数据脚接P1口，由此完成硬件连接。

第3章设计结果

3.1分析工作过程

LED激光发光管发射稳定激光->光电接收管->到电阻网络进行电流电压转换，并且进行电压放大->模数转换->CPU进行数据处理->显示出数数据。

利用光电转换器件能够将光能量转换成电流或电压等电参量，通过后续电路对电参量的大小进行测量，采用标准光功率计对系统的测量进行标定，使得系统能够完成对光功率的测量。

图3.1.1光功率计原理框图

由于PIN光电二极管产生的光电流很小，不能直接用于测量，需要通过适当的低噪声放大后，再进行数据处理。

光电探测器件一般都要紧密连接一个低噪声的前置放大器，用于对微弱信号的放大。

这里先采用PNP三极管对光电二极管的输出电流进行电流放大和电压电流转换。

再利用A/D转换电路将一定功率的光信号经过光电二极管转化为电流信号，再经过滤波通过一个变阻器转化为电压信号，再经过运放变为符合数模转化的电压信号。

单片机部分上节已经介绍，这里不再赘述。

3.2改进方法

根据实验对光功率计的要求，可以采用以下几种改进方法：

（1）更换具有更灵敏的PIN结构的光探头。

（2）采用滤波放大电路抑制接收电路的噪声，提高信噪比。

（3）在具体实验中,由于激光器供电电源不稳定也会影响光功率计的探测，也可以从激光器的电源着手，更换稳定的激光供电电源。

（4）本次设计可以实现直流光功率的测试，在数码管可以显示0~5V的电压值，可以精确到0.01，如果在设计一个交流光功率计，可以在I/V变换电路前加一个交直流转换电路，从而实现交流光功率计的制作。

第4章心得体会

整个课程设计的过程原则上是设计，其实就是一次大的作业，是让我对课本知识的巩固和对基本公式的熟悉和应用，使我做事的耐心和仔细程度得以提高，整个过程中既有对已有知识和技能的巩固，又有对新知识的理解和掌握，同时也提高了我的动脑和动手能力，使我了解了课程设计的步骤，明白了如何收集相关资料。

以下为我自己的几点总结：

（1）课程设计是一个重要的教学环节，通过课程设计使我了解到一些实际与理论之间的差异。

（2）通过课程设计不仅可以巩固专业知识，还可以培养和熟练使用资料，运用工具书，查找相关资料的能力，为明年的论文的制作打下了基础。

（3）这次课程设计，端正了我的学习态度，使我更深刻的认识到团结协作和虚心求教的重要性，这是完成一份工作所必需的，也是做好一份工作的前提。

（4）团队精神固然很重要，但我觉得往往还是要靠自己的努力，自己亲身去经历，这样自己的心里才会踏实，学到的东西才会更多，需要有自己的独立思考，同时结合团队的力量才能使事情办的更好。

参考文献

[1]周秀云,张涛.光电检测技术及应用[M].电子工业出版社

[2]方强,梁猛.光纤通信[M].西安电子科技大学出版社

[3]夏路易.单片机技术基础与实践[M].电子工业出版社

[4]康华光,陈大钦.电子技术基础[M].高等教育出版社

[5]安毓英,刘继芳.光电子技术[M].电子工业出版社