技术领域
[0001] 本
发明涉及光通信技术领域，具体为一种光功率自动校准系统及方法。
背景技术
[0002] 随着5G时代的到来，光纤通信网络的得到了长足的发展，
光源、光功率计、光纤
放大器、光模
块等有源光纤通信设备已是光纤通信与测试中不可缺少的仪器设备，在光纤网络的大规模建设与维护、光纤阵列的多输入输出测试、光有源无源器件的大批量测试等领域具有重要的应用。为提高光通信设备的光功率准确度，在出厂时对光通信设备的输入、输出光功率进行校准的工作必不可少。而由于不同光通信设备的工作
波长不确定性，需
覆盖的波长范围广，校准过程复杂繁琐，对校准设备的类型和
精度有很高的要求，导致设备在功率校准方面操作复杂工作繁琐、效率极低。
[0003] 在现有的方案中，一般采用手动校准。即对人工设置光功率值，设定某个功率点位，手动记录功率值和标准光功率，通过与标准光功率计的直接比较，得到此点位的测量误差，依次校准多个点位，实现光功率计的校准。特别是需要针对多波长进行校准的设备，测试的过程就更加繁琐，并且需要多台光源和功率配合使用，对人工测试能
力要求较高。
[0004] 针对现行方案，目前存在的问题有：(1)校准设备长时间使用之后，可能出现光电探测器漂移和失真的情况，需要进行光功率非线性校准；(2)校准标定过程中，人工成本较高，而且校准标定误差容易受人工操作过程影响。(3)校准标定工具需要光源、光功率计、
衰减器等器件，对于精度较高光源和光功率计一般为台式设备，空间占用大，不方便操作；(4)特别是需要针对多波长校准的设备，测试过程更加繁琐，容易出错。
发明内容
[0005] 本发明为了能够很好地克服
现有技术中，校准需要多台设备、不方便操作、测试过程繁琐、需要大量的人工做操的问题，提出了一种新型的光功率自动校准系统及方法，其具体方法为；
[0006] 一种光功率自动校准系统，其特征在于：包括了光源模块1、电调制衰减器2、一入二出光分束器3、微控制单元MCU4、输出光电探测器5、输入光电探测器6、系统串行
接口7、ADC
模数转换模块8、
温度检测控制
电路9、
电流驱动电路10、模拟
电压控制电路14；待测模块的光输出端11与所述输入光电探测器6连接，所述输入光电探测器6通过所述ADC模数转换模块8接入到所述微控制单元MCU4，所述微控制单元MCU4第一端连接所述温度检测控制电路9，所述微控制单元MCU4第二端连接所述电流驱动电路10控制所述光源模块1的波长，所述光源模块1连接电调制衰减器2，所述微控制单元MCU4的第三端连接所述模拟电压控制电路14，通过所述模拟电压控制电路14控制所述电调制衰减器2控制输出光的功率，电调制衰减器2的输出端连接至所述一入二出光分束器3的入口，所述一入二出光分束器3的一个输出口连接至待测模块的光输入端12，另一端连接所述输出光电探测器5，所述输出光电探测器5通过所述ADC模数转换模块8接入所述微控制单元MCU4，所述微控制单元MCU4的第4端连接至所述系统串行接口7，所述系统串行接口7的另一端与待测模块的待测模块串行接口13。
[0007] 进一步的，所述的一种光功率自动校准系统，其特征在于：所述输出光电探测器5与输入光电探测器6的探测范围，应当覆盖掉光源模块1的光的波长范围与电调制衰减器2 的功率衰减范围。
[0008] 一种使用前述的光功率自动校准系统校准光功率的方法，其特征在于：
[0009] 第一步：
[0010] 微控制单元MCU4通过温度检测控制电路9采集当前温度，根据当前检测的温度值，微控制单元MCU4通过电流驱动电路10控制光源模块1输出设定波长的光；
[0011] 第二步：
[0012] 微控制单元MCU4通过模拟电压控制电路14控制电调制衰减器2的衰减值，从而改变电调制衰减器2输出光的功率大小；
[0013] 第三步：
[0014] 电调制衰减器2将光输入到一入二出光分束器3，分束出的光，b路光作为光功率采集、a路光作为主路光输出；分束器的两个输出端口分出来的光功率是根据器件的分光比确定的，其分光的公式为：
[0015]
[0016]
[0017] 其中P1out为分束器a路的出光功率大小，K1为分束器a路的分光率，Pin为分束器入光功率大小，P2out为分束器b路的出光功率大小，K2为分束器b路的分光率；结合上公式可得出：
[0018]
[0019] 从该公式可算出另外一路的输出光功率；
[0020] 第四步：
[0021] 用作光功率采集的b路光通过输出光电探测器5采集，经ADC模数转换模块8转换成数字
信号后进入微控制单元MCU4计算光功率并计算系统输出光功率值；
[0022] 输出光电探测器5的转化函数为fL，ADC模数转换模块8将输出光电探测器5的
模拟信号转换成
数字信号，微控制单元MCU4采集经ADC模数转换模块8转换后的数字信号，并通过下式计算出输入到输出光电探测器5的光功率值，其公式为：
[0023] Pout＝fL(A0)
[0024] 其中Pout为输入到输出光电探测器5的光功率值，fL为光电探测器的转化函数，A0为微控制单元MCU4采集的通过输出光电探测器5采集并经ADC模数转换模块8处理出来的数字信号数值；
[0025] 根据以上公式能够得出
[0026] Pout＝fL(A0)*K2/K1
[0027] 其中Pout为系统输出的光功率值，fL为光电探测器的转化函数，A0为微控制单元MCU4 采集的通过输出光电探测器5采集并经ADC模数转换模块8处理出来的数字信号数值， K2光分束器低b路分束比率，K1为光分束器第a路分束比率；
[0028] 第五步：
[0029] 微控制单元MCU4通过系统串行接口7读取到的待测模块的
采样值，将系统输出光功率值和该采样值进行第一组匹配；
[0030] 第六步：
[0031] 微控制单元MCU4通过多次调节电调制衰减器2改变衰减值，，并多次重复上一步骤，进行多次匹配数据，并将数据进行拟合成公式：
[0032] fout(Pout[N],Kx[N])＝0
[0033] 其中Pout[N]为N个系统光源输出的光功率值，Kx[N]为N个串口读取外部模块采样值，fout为由Pout[N]和Kx[N]拟合出来的函数曲线，并将曲线通过串口传给外部模块，外部模块的输入则校准完成；完成后微控制单元MCU4通过系统串行接口7将标定值写入待测模块的闪存中；
[0034] 第七步：
[0035] 输入光电探测器6把输入光功率转化为电流信号，转化函数为fL，微控制单元MCU4 采集的通过输入光电探测器6采集并经ADC模数转换模块8处理出来的数字信号数值，能得出输入到探测器的光功率值，其公式为：
[0036] Pin＝fL(A1)
[0037] 其中，Pin为系统光功率计的输入的光功率值，fL是输入光电探测器的光电转换函数， A1为输入光电探测器6采集并经ADC模数转换模块8处理出来的值；
[0038] 同时，微控制单元MCU4通过串口读取外部模块的采样值，将系统输入光功率值和该采样值进行第一组匹配；
[0039] 第八步：
[0040] 微控制单元MCU4通过串口多次调节待测模块的驱动电流改变待测模块的输出功率，并通过系统串行接口7获得自动校准系统的探测输入功率，并重复进行上步骤，进行多次匹配数据，并将数据进行拟合成公式：
[0041] fin(Pin[N],Kx[N])＝0
[0042] 其中Pin[N]为N个系统光源输入的光功率值，Kx[N]为N个串口读取外部模块采样值， fin为由Pin[N]和Kx[N]拟合出来的函数曲线，并将曲线通过串口传给外部模块，外部模块的输出则校准完成；比对完成后，微控制单元MCU4通过系统串行接口7将标定值写入待测模块的闪存中。
[0043] 本发明的有益效果在于，本发明所述的一种新型的光功率自动校准系统及方法，其采用内置控制检测的PID系统，使输出光功率不会出现漂移和失真的情况；本发明通过全
自动调节光功率的输出和输入，极大缩短手动调节时间，并且校准只需要插拔一次，就可测出输入和输出；本发明将光源，功率计，衰减器等功能集成于一套系统，并且通过一个微控制单元进行控制，空间占用小，并且只需将待测器件接入设备即可测量；本发明通过使用可调谐光源模块，能够自动输出多波长，测试过程由微
控制器电控。
附图说明
[0044] 图1为光功率自动校准系统结构图；
[0045] 图2为光功率自动校准系统运行
流程图；
[0047] 图4为1540nm的光谱图；
[0048] 图5为1550nm的光谱图；
[0049] 附图标记说明：
[0050] 1、光源模块；2、电调制衰减器；3、一入二出光分束器；4、微控制单元 MCU；5、输出光电探测器；6、输入光电探测器；7、系统串行接口；8、ADC模数转换模块；9、温度检测控制电路；10、电流驱动电路；11、待测模块的光输出端； 12、待测模块的光输入端；13、待测模块串行接口；14、模拟电压控制电路。
具体实施方式
[0051] 本发明提出的一种新型的光功率自动校准系统，其结构如图1所示，由光源模块1、电调制衰减器2、一入二出光分束器3、微控制单元MCU4、输出光电探测器5、输入光电探测器6、系统串行接口7、ADC模数转换模块8、温度检测控制电路9、电流驱动电路10、模拟电压控制电路14组成。
[0052] 待测模块的光输出端11与输入光电探测器6连接，输入光电探测器6通过ADC模数转换模块8接入到微控制单元MCU4，微控制单元MCU4第一端连接温度检测控制电路9，微控制单元MCU4第二端连接电流驱动电路10控制光源模块1的波长，光源模块 1连接电调制衰减器2，微控制单元MCU4的第三端连接模拟电压控制电路14，通过模拟电压控制电路14控制电调制衰减器2控制输出光的功率，电调制衰减器2的输出端连接至一入二出光分束器3的入口，一入二出光分束器3的一个输出口连接至待测模块的光输入端12，另一端连接输出光电探测器5，输出光电探测器5通过ADC模数转换模块 8接入微控制单元MCU4，微控制单元MCU4的第4端连接至系统串行接口7，系统串行接口7的另一端与待测模块的待测模块串行接口13。
[0053] 设计时光源模块1的种类与光源可调范围应当根据实际需要的光的波长范围与功率范围进行选择，电调制衰减器2的衰减范围也可以根据实际需要进行选择，输出光电探测器5与输入光电探测器6的探测范围，应当覆盖掉光源模块1的光的波长范围与功率范围与电调制衰减器2的衰减范围。
[0054] 基于本发明所述的光功率自动校准系统的检测方法其过程如下。
[0055] 测试的流程如下所述，
[0056] 第一步：
[0057] 微控制单元MCU4通过温度检测控制电路9采集当前温度，根据当前检测的温度值，微控制单元MCU4通过电流驱动电路控制光源输出设定波长的光。
[0058] 第二步：
[0059] 微控制单元MCU4通过模拟电压控制电路14控制电调制衰减器2的衰减值，从而改变电调制衰减器输出光功率大小
[0060] 第三步：
[0061] 电调制衰减器2将光输入到一入二出光分束器3，分束出的光，b路光作为光功率采集、a路光作为主路光输出。分束器的两个输出端口分出来的光功率是根据器件的分光比确定的，其分光的公式为：
[0062]
[0063]
[0064] 其中P1out为分束器a路的出光功率大小，K1为分束器a路的分光率，Pin为分束器入光功率大小，P2out为分束器b路的出光功率大小，K2为分束器b路的分光率。结合上公式可得出：
[0065]
[0066] 从该公式可看出知道b路的输出功率，即可算出另外一路的输出光功率[0067] 第四步：
[0068] 用作光功率采集的b路光通过输出光电探测器5采集，经ADC模数转换模块8转换成数字信号后进入微控制单元MCU4计算光功率并计算系统输出光功率值。
[0069] 输出光电探测器5的作用在于把光功率信号转化为电流信号，转化函数为fL，ADC模数转换模块8将输出光电探测器5的模拟信号转换成数字信号，微控制单元MCU4采集经ADC模数转换模块8转换后的数字信号，并通过下式计算出输入到输出光电探测器5 的光功率值，其公式为：
[0070] Pout＝fL(A0)
[0071] 其中Pout为输入到输出光电探测器5的光功率值，fL为光电探测器的转化函数，A0为微控制单元MCU4采集的通过输出光电探测器5采集并经ADC模数转换模块8处理出来的数字信号数值。
[0072] 根据以上公式能够得出
[0073] Pout＝fL(A0)*K2/K1
[0074] 其中Pout为系统输出的光功率值，fL为光电探测器的转化函数，A0为微控制单元MCU4 采集的通过输出光电探测器5采集并经ADC模数转换模块8处理出来的数字信号数值， K2光分束器低2路分束比率，K1为光分束器第1路分束比率。
[0075] 第五步：
[0076] 微控制单元MCU4通过系统串行接口7读取到的待测模块的采样值，将系统输出光功率值和该采样值进行第一组匹配。
[0077] 第六步：
[0078] 微控制单元MCU4通过多次调节电调制衰减器2改变衰减值，，并多次重复上一步骤，进行多次匹配数据，并将数据进行拟合成公式：
[0079] fout(Pout[N],Kx[N])＝0
[0080] 其中Pout[N]为N个系统光源输出的光功率值，Kx[N]为N个串口读取外部模块采样值，fout为由Pout[N]和Kx[N]拟合出来的函数曲线，并将曲线通过串口传给外部模块，外部模块的输入则校准完成。完成后微控制单元MCU4通过系统串行接口7将标定值写入待测模块的闪存中。
[0081] 第七步：
[0082] 输入光电探测器6的把输入光功率转化为电流信号，转化函数为fL，微控制单元MCU4 采集的通过输入光电探测器6采集并经ADC模数转换模块8处理出来的数字信号数值，能得出输入到探测器的光功率值，其公式为：
[0083] Pin＝fL(A1)
[0084] 其中，Pin为系统光功率计的输入的光功率值，fL是输入光电探测器的光电转换函数， A1为输入光电探测器6采集并经ADC模数转换模块8处理出来的值。
[0085] 同时，微控制单元MCU4通过串口读取外部模块的采样值，将系统输入光功率值和该采样值进行第一组匹配。
[0086] 第八步：
[0087] 微控制单元MCU4通过串口多次调节待测模块的驱动电流改变待测模块的输出功率，并通过系统串行接口7获得自动校准系统的探测输入功率，并重复进行上步骤，进行多次匹配数据，并将数据进行拟合成公式：
[0088] fin(Pin[N],Kx[N])＝0
[0089] 其中Pin[N]为N个系统光源输入的光功率值，Kx[N]为N个串口读取外部模块采样值， fin为由Pin[N]和Kx[N]拟合出来的函数曲线，并将曲线通过串口传给外部模块，外部模块的输出则校准完成。比对完成后，微控制单元MCU4通过系统串行接口7将标定值写入待测模块的闪存中。
[0090] 以上过程中，所有步骤只需第一次连接，并等待校准完成，避免的器件的拔插误差和人工读取误差，能自动校准并提高校准的准确度，并集成了光源和光功率计2种功能。
[0091] 下面通过具体
实施例进一步的说明本发明。
[0092] 本系统用以对通信波段(C波段)1525nm-1565nm的光通信设备进行功率校准。为实现自动校准功能，系统中所用光源模块需具备波长可调谐功能，一般的
激光器无法实现40nm范围的波长调谐。
[0093] 本实施例中，光源模块1采用DBR
半导体激光器作为光源，其是通过电流的注入改变载流子的浓度，以此来改变光栅区的有效折射率来完成波长的调谐。本模块选用DS-DBR型激光器，利用前后取样光栅的游标效应，并通过引入
相位光栅，从而实现了几十纳米的波长调谐范围。同时，配合温度检测控制电路9和电流驱动电路10，完成光源波长和功率的调谐。
[0094] 输出光电探测器5和输入光电探测器6选用高精度功率探测模块采用InGaAs型光电探测器为核心，其是一种低噪声、高响应的光电探测器，在800～1700nm波段具有较高的光谱响应度，可达到0.8A/W。相比基于
雪崩光电
二极管(Avalanche Photo Diode，APD) 的探测器，它不需要单独设计高压
偏置电路，能够满足光纤通信波段的测试需求。基于
暗电流、上升时间、偏置电压、带宽等因素，采用InGaAs型光电探测器，能够显著降低系统噪声，提高整机的测量线性度、灵敏度以及光功率测量范围。功率探测模块中光电转换放大电路是保障光功率计测量范围、线性度和测量精度等指标的关键部分。电路中的前置和后置放大器采用低噪声、低偏置电流、宽频带的
运算放大器芯片，采用阻抗变换型放大电路方案；
电阻采用低噪声的金属膜
电阻器，电容采用损耗较小的
云母电容和瓷片电容；另外为屏蔽外电
磁场的干扰，在悬空的浮地端
串联一个小电阻到地端。通过阻抗匹配设计、优化
电信号传输电路等降噪技术，可实现光功率计的高灵敏度检测。
[0095] 电调制衰减器2采用MEMS式VOA，不同于传统的机械式VOA，其具备衰减范围大、功耗低、线性度好等特点，且体积较小、易于多通道集成、响应速度快。
[0096] 本系统要探测的范围是-60dBm～+20dBm，所选VOA电调制衰减器，需要至少达到 80dB的衰减范围。
[0097] 使用上述实施例组成的光功率自动校准系统对光源性能进行测试，通过
液晶屏将光源的输出波长分别设置为1530nm、1540nm和1550nm，再依次接入光谱仪AQ6370D，得到光谱图如图3至图5所示。测试结果表明，本光源能够通过温度检测控制电路9和电流驱动电路10，实现控制输出光波长的目的。并且输出光的边模抑制比SMSR＞50dB，线宽＜1MHz，相对强度噪声低，具有良好的输出
质量。
[0098] 对本自动校准系统的功率性能进行测试，用ThorLabs标准功率计PM400和定标过的 LD激光光源、可调衰减器、50:50分束器作为测试仪器，通过可调衰减器调节输入PM400 和本系统功率计模块的1550nm波长的输入光。以PM400为标准，从-60dBm调节至+20dBm，每隔10dBm记录一次，记录结果如表1所示，结果表明本系统功率计模块的准确度和测量范围，与ThorLabs标准功率计PM400基本一致。
[0099] 表1 1550nm波长准确度测试数据
[0100]
[0101] 对本自动校准系统的自动校准功能进行测试，将待测光纤放大器模块接入校准系统，设置校准流程开始，校准时间大约为60s。校准完成后，使用标准测试设备进行定标，发现最高综合误差不超过0.08dB。
[0102] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述
权利要求的保护范围为准。
