Измеритель оптической мощности ( OPM ) — это устройство, используемое для измерения мощности оптического сигнала . Этот термин обычно относится к устройству для тестирования средней мощности в оптоволоконных системах. Другие устройства измерения мощности света общего назначения обычно называются радиометрами , фотометрами , измерителями мощности лазера (могут быть фотодиодными датчиками или термобатарейными лазерными датчиками ), люксметрами или люксметрами.
Типичный измеритель оптической мощности состоит из калиброванного датчика , измерительного усилителя и дисплея. Датчик в основном состоит из фотодиода , подобранного для соответствующего диапазона длин волн и уровней мощности. На блоке индикации отображается измеренная оптическая мощность и установленная длина волны. Измерители мощности калибруются с использованием отслеживаемого калибровочного стандарта.
Традиционный измеритель оптической мощности реагирует на широкий спектр света, однако калибровка зависит от длины волны. Обычно это не проблема, поскольку обычно известна тестовая длина волны, однако у нее есть несколько недостатков. Во-первых, пользователь должен настроить измеритель на правильную тестовую длину волны, а во-вторых, если присутствуют другие паразитные длины волн, это приведет к неверным показаниям.
Измерители оптической мощности доступны в виде автономных настольных или портативных приборов или в сочетании с другими функциями тестирования, такими как оптический источник света (OLS), визуальный локатор повреждений (VFL), или в качестве подсистемы в более крупном или модульном приборе. Обычно измеритель мощности сам по себе используется для измерения абсолютной оптической мощности или используется с согласованным источником света для измерения потерь.
В сочетании с источником света этот прибор называется набором для тестирования оптических потерь или OLTS и обычно используется для измерения оптической мощности и сквозных оптических потерь. Более продвинутые OLTS могут включать в себя два или более измерителя мощности и, таким образом, могут измерять оптические возвратные потери. В GR-198 « Общие требования к ручным стабилизированным источникам света, измерителям оптической мощности, измерителям отражения и наборам для тестирования оптических потерь» подробно обсуждается оборудование OLTS.
Альтернативно, оптический рефлектометр во временной области (OTDR) может измерять потери в оптическом канале, если его маркеры установлены в конечных точках, для которых желательны потери в оптоволокне. Однако это косвенное измерение. Измерение в одном направлении может быть весьма неточным, если в линии имеется несколько волокон, поскольку коэффициент обратного рассеяния варьируется между волокнами. Точность можно повысить, если провести двунаправленное среднее. В документе GR-196 « Общие требования к оборудованию оптического рефлектометра во временной области (OTDR)» подробно рассматривается оборудование OTDR.
Основными типами полупроводниковых датчиков являются кремний (Si), германий (Ge) и арсенид индия- галлия (InGaAs). Кроме того, их можно использовать с ослабляющими элементами для тестирования высокой оптической мощности или с элементами, селективными по длине волны, чтобы они реагировали только на определенные длины волн. Все они работают по схожему типу схемы , однако, в дополнение к своим основным характеристикам отклика на длину волны, каждый из них имеет некоторые другие характеристики:
Важной частью датчика измерителя оптической мощности является интерфейс оптоволоконного разъема. Требуется тщательная оптическая конструкция, чтобы избежать значительных проблем с точностью при использовании с широким спектром типичных типов волокон и разъемов.
Еще одним важным компонентом является входной усилитель датчика. Это требует очень тщательного проектирования, чтобы избежать значительного снижения производительности в широком диапазоне условий.
Типичный OPM является линейным в пределах от примерно 0 дБм (1 милливатт) до примерно -50 дБм (10 нановатт), хотя диапазон отображения может быть больше. Уровень выше 0 дБм считается «высокой мощностью», а специально адаптированные устройства могут измерять мощность почти до + 30 дБм (1 Вт). Ниже -50 дБм соответствует «низкой мощности», а специально адаптированные устройства могут измерять до -110 дБм. Независимо от характеристик измерителя мощности, тестирование при температуре ниже -50 дБм обычно чувствительно к рассеянному окружающему свету, просачивающемуся в волокна или разъемы. Поэтому при тестировании на «малой мощности» рекомендуется какая-то проверка диапазона тестирования/линейности (легко выполняемая с помощью аттенюаторов). При низких уровнях мощности измерения оптического сигнала имеют тенденцию становиться зашумленными, поэтому измерители могут работать очень медленно из-за использования значительного усреднения сигнала.
Чтобы рассчитать дБм по выходному сигналу измерителя мощности: Метод расчета линейного преобразования в дБм: дБ = 10 log (P1/P2), где P1 = измеренный уровень мощности (например, в мВт), P2 = опорный уровень мощности, который составляет 1 мВт.
Калибровка и точность измерителя оптической мощности являются спорным вопросом. Точность большинства первичных эталонных эталонов (например , веса , времени , длины, напряжения и т. д.) известна с высокой точностью, обычно порядка 1 миллиардной доли. Однако стандарты оптической мощности, поддерживаемые различными национальными лабораториями стандартов, определены только с точностью до одной тысячной. К тому времени, когда эта точность еще больше ухудшится из-за последовательных связей, точность калибровки прибора обычно составляет всего несколько процентов. Самые точные полевые измерители оптической мощности утверждают, что точность калибровки составляет 1%. Это на несколько порядков менее точно, чем аналогичный электросчетчик.
Процесс калибровки измерителей оптической мощности описан в стандарте IEC 61315 Ed. 3.0 б:2019 - Калибровка волоконно-оптических измерителей мощности.
Кроме того, достигаемая точность при использовании обычно значительно ниже заявленной точности калибровки к моменту принятия во внимание дополнительных факторов. В типичных полевых условиях факторы могут включать в себя: температуру окружающей среды, тип оптического разъема, изменения длины волны, изменения линейности , изменения геометрии луча , насыщение детектора.
Таким образом, достижение хорошего уровня практической точности и линейности прибора требует значительных навыков проектирования и внимательности при производстве.
В связи с растущим глобальным значением надежности передачи данных и оптоволокна, а также резким снижением запаса оптических потерь этих систем в центрах обработки данных, повышенное внимание уделяется точности измерителей оптической мощности, а также надлежащему соблюдению требований по отслеживанию через Международную лабораторию. Калибровка, аккредитованная в рамках сотрудничества по аккредитации (ILAC), которая включает метрологическую прослеживаемость в соответствии с национальными стандартами и аккредитацию внешней лаборатории в соответствии с ISO/IEC 17025 для повышения уверенности в общих заявлениях о точности.
Класс лабораторных измерителей мощности имеет расширенную чувствительность порядка -110 дБм. Это достигается за счет использования очень маленькой комбинации детектора и линзы, а также механического прерывателя света обычно с частотой 270 Гц, поэтому измеритель фактически измеряет свет переменного тока. Это устраняет неизбежные эффекты электрического дрейфа постоянного тока. Если прерывание света синхронизировано с соответствующим синхронным (или «синхронным») усилителем, достигается дальнейшее повышение чувствительности. На практике такие приборы обычно достигают более низкой абсолютной точности из-за небольшого детекторного диода и по той же причине могут быть точными только в сочетании с одномодовым оптоволокном. Иногда такой прибор может иметь охлаждаемый детектор, хотя с современным отказом от германиевых датчиков и появлением датчиков InGaAs это становится все более редким явлением.
Оптические измерители мощности обычно отображают усредненную по времени мощность. Таким образом, для измерения импульсов необходимо знать рабочий цикл сигнала, чтобы рассчитать значение пиковой мощности. Однако мгновенная пиковая мощность должна быть меньше максимального показания счетчика, иначе детектор может выйти в режим насыщения, что приведет к неверным средним показаниям. Кроме того, при низкой частоте повторения импульсов некоторые счетчики с функцией обнаружения данных или тонов могут давать неправильные показания или вообще не показывать их. В классе измерителей «высокой мощности» перед детектором имеется какой-либо оптический ослабляющий элемент, который обычно позволяет увеличить показания максимальной мощности примерно на 20 дБ. Выше этого уровня используется прибор совершенно другого класса «измеритель мощности лазера», обычно основанный на тепловом обнаружении.
Типичные функции автоматизации тестирования обычно применяются к приложениям тестирования на потери и включают в себя:
Все более распространенный OPM специального назначения, обычно называемый «измерителем мощности PON», предназначен для подключения к активной цепи PON (пассивной оптической сети) и одновременного тестирования оптической мощности в разных направлениях и на разных длинах волн. По сути, это устройство представляет собой тройной измеритель мощности с набором фильтров длины волны и оптических соединителей. Правильная калибровка осложняется изменяющимся рабочим циклом измеряемых оптических сигналов. Он может иметь простую индикацию «пройден/не пройден», чтобы облегчить его использование операторами с небольшим опытом.
Чувствительность оптоволоконного измерителя мощности к длине волны является проблемой при использовании фотодиода для измерения тока напряжения. Если термочувствительное измерение заменяет измерение напряжения-тока фотодиодом, чувствительность OPM к длине волны может быть уменьшена. Таким образом, если фотодиод смещен в обратном направлении источником постоянного напряжения и на него подается постоянный ток, при срабатывании света переход рассеивает мощность. Температура перехода повышается, и повышение температуры, измеряемое термистором, прямо пропорционально оптической мощности. Благодаря постоянной подаче тока отражение мощности на фотодиод практически равно нулю, а переход электронов туда и обратно между валентной зоной и зоной проводимости является стабильным.