一种通用光功率计的实现原理_徐波

１～２ －５～－１５
ELECTRON IC S QUA LITY
·２ ０ ０ ６ 第 ０ ５ 期·
测试技术卷 Test Technology
理论与研究
Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
效应管（Ｆ Ｅ Ｔ ）的前置放大器集成 流，经过程控 Ｉ／Ｖ 变换成电压信号。 功率的情况下 Ｉ／Ｖ 变换通道是如何
２ ． 工作原理
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。基本原理框图如图 ２－１ 所示。
univer sal Optical Power Meter realizing pr inciple.
Key words: Photoelectricity transition;I/V tr ansition;A /D tr ansition;A utomatic transition of the Range
·２ ０ ０ ６ 第 ０ ５ 期·
Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，１９９９，ｐｐ．４０７－４１２． ［ １ ０ ］ 胡晨， 许舸夫，张哲，杨军． 一种
基于受控 Ｌ Ｆ Ｓ Ｒ 的内建自测试结构及其测 试矢量生成［Ｎ］． 电路与系统学报， ２ ０ ０ ２ ， ７ （３）：１３－１６．
［１１］ Ｚｈａｎｇ Ｚｈｅ，Ｈｕ Ｃｈｅｎ，Ｘｉａｎｇ Ｗａｎｇ－ｘｕｅ，Ｓｈｉ Ｌｏｎｇ－ｘｉｎｇ．Ａ Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ ＢＩＳＴ Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｔｗｏ－ｍｏｄｅ ＬＦＳＲ［Ｎ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，２００４，２７（４）：７０５－７０９．
在同一基片上，构成 ＰＩＮ－ＦＥＴ 接收 通过对电压的处理来实现功率的测 选择的。由于信号的变化范围较
组件，以进一步提高灵敏度，改善 量。如图 ３－２ 所示电流经过运放以 大，当放大器增益固定时，也会出
器件的性能。这种组件已经得到广 后转变成电压信号：Ｖ 。＝Ｒ × Ｉ
现小信号得不到有效放大而降低
泛应用。新近研究的 ＩｎＧａＡｓ－ＰＩＮ 的
为了提高光功率计的灵敏度 和动态范围，就要设法抑制光探测 器及接收电路的噪声，提高信噪 比。噪声包括 ＰＩＮ 管的散弹噪声和 热噪声，热噪声是由偏置电阻引起 的，而散弹噪声又分为量子噪声和 暗电流噪声，目前使用的 ＰＩＮ 管材 料主要有 Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ 等，覆 盖了从 ７５０ｎｍ 到 １８００ｎｍ 的波长范
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大器，它的作用是提供足够的增
断，从而获得所需的量程。如图 ３－
表 ３ － １ Ｐ Ｉ Ｎ 光电二极管一般性能
Ｓｉ －ＰＩＮ
ＩｎＧａＡｓ－ＰＩＮ
波长响应λ／μｍ
０．４～１．０
１．０～１．６
响应度ρ ／Ａ×Ｗ－１
０．４（０．８５ μ ｍ）
０．６（１．３ μ ｍ）
暗电流Ｉｄ／ｎＡ
０．１～１
２～５
响应时间τ／ｎｓ
２～１０
０．２～１
结电容Ｃ ／ｐＦ ｊ
工作电压／Ｖ
０．５～１ －５～－１５
由图可见，村料的 ＰＩＮ 光电二 极管适用于 １．３～１．６ μ ｍ 波段，响
３．１光电转换（ＰＩＮ）
是低噪声、高响应度的 ＩｎＧａＡｓ 材 应度在 ０．８～０．９（Ａ／Ｗ）。
光检测器是光接收机的关键 料的出现，使得测量的灵敏度得到
光检测器是光功率计实现光 ／
器件，它的功能是把光信号转换为 了迅速提高。
（４） 性能稳定，可靠性高，寿
发生倾斜，在 ＰＮ 结界面附近形成耗 改善器件的特性，在 ＰＮ 结中间设置 命长，功耗和体积小。
尽层。当入射光作用在 ＰＮ 结时，如 一层掺杂浓度很低的本征半导体
表 ３－１ 列出了半导体光电二极
果光子的能量大于或等于带隙（ｈｆ （称为 Ｉ），这种结构便是常用的 ＰＩＮ 管 ＰＩＮ 一般性能。选择 ＰＩＮ 半导体
be controlled by computer
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CLC number:TH74
Document code:A
Arti cl e ID :1003-0107( 2006) 05-0003- 04
１．概述
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。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 Ｐ Ｎ 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（ＡＰＤ）。ＡＰＤ 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。因此作为光功率检 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。
的工作原理和主要特性。
耗尽区产生，那么在自建电场（ＰＩＮ 窗口（０．８５ μ ｍ、１．３１ μ ｍ 和 １．５５
光电二极管（ＰＤ）把光信号转 管一般采用零偏压） 的作用下，电 μ ｍ） 兼容；
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换为电信号的功能，是由半导体 ＰＮ 子向 ｎ 区漂移，空穴向 ｐ 区漂移，产
（２） 响应度要高，在一定的接
Xu bo (The 41st Electronics
Institute of the M.I.I., B engbu 233006,China)
摘 要： 本文以光功率计的工作原理为基础，简要的分析了一种通用光功率计的实现原理。
关键词： 光电转换； 程控 Ｉ ／ Ｖ 转换； Ａ ／ Ｄ 转换； Ｃ Ｐ Ｕ 控制量程自动转换
动态范围（ＤＲ ）的定义是： 在 限定的误码率条件下，光功率计所 能承受的最大平均接收光功率＜ Ｐ ＞ ｍａｘ 和所需最小平均接收光功率的 ＜Ｐ＞ｍｉｎ 的比值，用 ｄＢ 表示。根据 定义ＤＲ＝１０ｌｇ（＜Ｐ＞ｍａｘ／＜Ｐ＞ｍｉｎ）（ｄＢ）
动态范围是光功率计性能的 另一个重要指标，它表示光功率计 接收强光的能力，数字功率计的动 态范围一般应大于 １５ｄＢ。
ＩＥＥＥ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍａｇａｚｉｎｅ， １９８９（５）：１９－２６
［９］ Ｐ．Ｇｉｒａｒｄ，Ｌ．Ｇｕｉｌｌｅｒ，Ｃ． Ｌａｎｄｒａｕｌｔ， ｅｔ ａｌ．Ａ ｔｅｓｔ ｖｅｃｔｏｒ ｉｎｈｉｂｉｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ＢＩＳＴ ｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．ＩＥＥＥ ＶＬＳＩ Ｔｅｓｔ
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一种通用光功率计的实现原理
Ｒｅａｌｉｚｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｗｏｒｋ ａｂｏｕｔ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｍｅｔｅｒ
徐 波 （ 中国电子科技集团公司第
４１ 研究所， 蚌埠 ２ ３ ３ ０ ０ ６ ）
（８ 选 １ 的 ＣＤ４０５１）来实现“７”个
器，它的噪声对光接收机的灵敏度 影响很大。前放的噪声取决于放大
图 ３－２ 运放Fra Baidu bibliotek路
量程档的选择，其对应关系如表 ３－ ２ 所示：
器的类型，目前有三种类型的前放 可供选择。主放大器一般是多级放
Ｃ Ｐ Ｕ 根据采集到的数字信息，
控制量程转换开关（ＣＤ４０５１）的通
电转换的关键器件，其性能特别是
电信号。目前常用的光检测器有
ＰＩＮ 管接收光输入后，由于价 响应度和噪声直接影响接收机的灵
ＰＩＮ 光电二极管和雪崩光电二极管 带中电子吸收了光子而跃迁到导 敏度。对光检测器的要求如下：
（Ａ Ｐ Ｄ ）。下面介绍一下光电二极管 带，产生一个电子 － 空穴对，若在
（１） 波长响应要和光纤低损耗
８～０．９ μ ｍ 波段，Ｇｅ 和 ＩｎＧａＡｓ 适
１．５５ μ ｍ 的长波长测量灵敏度得到
光电二极管把光信号转换为 用于 １．３～１．６ μ ｍ 波段，响应度一
迅速提高。
电信号的功能，是由半导体 ＰＮ 结光 般为 ０．５～０．６（Ａ／Ｗ）。
３ ． 原理分析
电效应实现的。目前使用的 ＰＩＮ 管 材料有 Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ 管，特别
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围，特别是低噪声、高响应度的 器 件 ， 就 是 简 单 的 光 电 二 极 管 光谱特性，由图可见，Ｓｉ 适用于 ０．
ＩｎＧａＡｓ 材料的出现使得 １．３１ μ ｍ、 （ＰＤ）。
结的光电效应实现的。
生了与输入光功率成正比的电流信 收光功率下，能产生最大的光电
在 ＰＮ 结的界面上，由于电子和 号。
流；
空穴的扩散运动，形成内部电场。
由于 ＰＮ 结耗尽层只有几微米，
（３） 噪声要尽可能低，能接收
内部电场使电子和空穴与扩散运动 大部分入射光被中性区吸收，因而 极微弱的光信号；
方向相反的漂移运动，最终使能带 光电转换效率低，响应速度慢。为
Ｎ 区运动，空穴向 Ｐ 区运动，形成 电转化效率用量子效率η或响应度 性能非常稳定，通常把它和使用场
漂移电流。在耗尽层两侧是没有电 ρ表示，下面介绍 ＰＩＮ 光电二极管
场的中性区，由于热运动，部分光 的主要特性——光谱特性，光电转
生电子和空穴通过扩散运动可能进 换效率用响应度ρ表示。响应度的
入耗尽层，然后在电场作用下，形 定义为：一次光生电流 Ｉｐ 和入射光
≥ Ｅｇ ），便发生受激吸收，即价带 光电二极管。
光电二极管时，要注意主要参数。
的电子吸收光子的能量跃迁到导带
ＰＩＮ 光电二极管具有如下主要
Ｓｉ－ＰＩＮ 用于短波长（０．８５ μ ｍ）
形成光生电子－空穴对。在 耗 尽 特征：
光纤通信系统。ＩｎＧａＡｓ－ＰＩＮ 用于长
层，由于内部电场的作用，电子向
（１）量子效率和光谱特征。光 波长（１．３ μ ｍ 和 １．５５ μ ｍ）系统，
Ａ／Ｄ 转换的精度。解决方法就是对
特点是响应速度快，传输速率可达
小信号输入采用高放大倍数，对大
到十几 Ｇｂ／ｓ，适用于高速光纤通信
信号输入采用小放大倍数，即根据
系统。
未知参数量值的范围，自动地选择
合适的增益或衰减，以切换到合适
３．２程控Ｉ／Ｖ变换
的量程。这里使用了多路模拟开关
前置放大器应是低噪声放大
应。当连接的电路闭合时，Ｎ 区过 长波长限制由式λ ｃ＝ｈｃ／Ｅｇ 确定， 图 ３－１ ＰＩＮ 光电二极管响应度ρ 剩的电子通过外部电路流向 Ｐ 区。 如图示出量子效率η和响应度ρ的 与波长 ｌ 的关系
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，在闭合电路中形成光生电流的
中图分类号： Ｔ Ｈ ７ ４ 文献标识码：Ａ
文章编号： １ ０ ０ ３ － ０ １ ０ ７ （ ２ ０ ０ ６ ） ０ ５ － ０ ０ ０ ３ － ０ ４
A bstract: According to the principle of wor k about Optical P ower Meter ,the paper mainly analyse
图 ２－１ 基本原理框图 灵敏度是衡量光功率计性能
的综合指标。灵敏度 Ｐｒ 的定义是在 保证通信质量的条件下，光功率计 所需的最小平均接收光功率＜ Ｐ ＞ ｍ ｉ ｎ，并以 ｄＢｍ 为单位，由定义得
到 Ｐｒ＝１０ｌｇ（＜Ｐ＞ｍｉｎＷ／１０－３）（ｄＢｍ）， 灵敏度表示光功率计调整到最佳状 态时，能够接收微弱光信号的能 力。
成和漂移电流相同方向的扩散电 功率 Ｐ 的比值ρ＝ Ｉｐ／Ｐ。（Ａ／Ｗ）
流。漂移电流分量和扩散电流分量
图 ３－１ 所示为 ＰＩＮ 光电二极管
的总和即为光生电流。当与 Ｐ 层和 的光谱特性：
Ｎ 层连接的电路开路时，便在两端
量子效率的光谱特性取决于
产生电动势，这种效应称为光电效 半导体材料的吸收光谱α（λ），对