光功率计的设计

光功率计的设计 四川九州电子科技股份有限公司技术中心 刘学唐 谢亮 摘要:本文阐述了光功率计的设计和原理框图,通过研究和开发试验,从开发光功率计的几种思路中得到了一种实用的工程方案。关键词:PIN二级管;对数放大器;多路模拟开关 引言随着光纤通讯的成熟和普及,光功率计在电信和广电等领域的应用越来越多。目前在已有的各种开发方案中,存在各种各样的问题,尤其在实际工程化中,存在测试误差大、成本高等问题。如何得到一种低成本又实用的设计方案,在目前光电子技术和DSP技术日趋成熟的今天,实现此目标成为了可能。一、光功率计的原理框图光功率计的设计原理可以用如下框图来表示:图1由PIN二极管产生的光电流很小,不能直接用于测量,所以需要通过适当的低噪声放大后,再进行数据处理。二、PIN二极管根据结构的不同,半导体光电二极管可分为P-N结型、PIN结型、雪崩型以及肖特基结型光电二极管。在光纤通信领域的应用中,为了克服光生载流子扩散时间长的缺点,在P-N结型光电二极管的P型层和N型层中间加入一层本征型的高阻I型层。当管芯加上一定反向电压后,其耗尽区便可在整个I型层展开,亦即扩展了耗尽区,而光生载流子扩散区域则被压缩,这种结构的光电二极管称为PIN光电二极管。光电二极管的输出电流为：I＝IS＋IΦ＝IS＋SΦΦ为光通量,S为光电灵敏度或响应度,IS为二极管的反向饱和电流。若无光照时, I＝IS为光电二极管的暗电流。输出电流(I)和输入光功率(P)大致有如下关系(图3)：图2由曲线可以看出,电流与输入功率的关系并不是线性关系,但可以通过分为若干区间,这样在每个区间里,可以近似地作为线性来处理。这是设计光功率计的一般处理方法。PIN二极管型号的选择主要是根据所做光功率计的测量范围来确定的。常用的PIN二极管(如FU-15PD)都是小信号工作器件,光敏面不合适,能接收的光功率范围很有限,所以一般不用来做光功率计的探测器。笔者做光功率计所选的PIN二极管参数如下表:图3三、放大器设计的几种思路在A/D转换器之前的放大器部分,传统的设计方案有三种:(1)PIN-TIA探测器;(2)PIN管＋运算放大器;(3)PIN管＋对数放大器。下表对三种方案的优缺点进行比较:第一种方案由于动态范围太小,精度也不够高,在实际应用中不多；第三种方案由于采用了对数放大器,可以有很大的动态范围；同时又因为光功率的另一个单位dBmW(dBmW=10lg(mW))的关系,就可以得到PIN二级管的输入光功率(P)和反偏电流(I)的另一个非常线性的关系:这种设计方案集成化高,性能可靠,便于调试和校准。目前可以采用PIN管＋AD8304＋ADцC812来实现,但由于可选的芯片太少、价格较高以及属于模块化设计,本文也不予以讨论。四、一种低成本、实用的光功率计设计方案我们在设计光功率计时采用的是第二种方案。为了解决动态范围小的问题,我们采取了高速高精度的运算放大器＋多路模拟开关的办法。由于所需光功率计是电信使用的测量范围为－60dBm~+5dBm。笔者将该测量范围分为8段,用8路模拟开关分别控制运算放大器的放大倍数,这样就保证了每一段的线性度都比较好(特别是弱光功率时)。采用12位的A/D转换器,程序处理也不复杂,首先判断从A/D转换器传来的数据属于哪一段,再用该段的斜率来进行数据处理,完后送到LCD显示。由于是便携式测量仪表,笔者采用了NEC液晶驱动器来驱动专用大屏幕数码管液晶显示,美观清晰且功耗极低；同时具有自动关机功能。图中min值和max值为选择该通道放大倍数时,电压值与光功率值存在某一线性关系的极限值,当电压值小于min时,单片机控制选择放大倍数较大的下