NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA VIỆC HIỆU CHUẨN MÁY ĐO CÔNG SUẤT QUANG
Máy đo công suất quang Optical Power Meter là loại thiết bị đo kiểm phổ biến nhất được sử dụng để hỗ trợ hệ thống cáp quang. NIST đã phát triển một hệ thống thử nghiệm để cung cấp hiệu chuẩn công suất tuyệt đối cho máy đo công suất quang.
Các phép đo này được thực hiện bằng cách sử dụng cấu hình chùm tia chuẩn trực hoặc sợi quang kết nối tại ba vùng bước sóng chính được ngành viễn thông sợi cáp quang sử dụng: 850nm, 1310nm và 1550nm.
Hầu hết các máy đo công suất quang Optical Power Meter đang được sử dụng ngày nay đều dựa trên cảm biến diode được làm bằng silicon, germani hoặc indium gali arsenide. Đáp ứng đầu ra của các cảm biến này phụ thuộc nhiều vào bước sóng của bức xạ điện từ tới.
Như đã chỉ ra trong một nghiên cứu của NIST, máy đo công suất quang Optical Power Meter đã được hiệu chuẩn bằng chùm chuẩn trực có thể có sai số đáng kể khi sử dụng với sợi quang được kết nối. Hiệu ứng này chủ yếu là do bức xạ được phản xạ từ bề mặt máy dò (hoặc cửa sổ) trở lại cụm sợi quang / đầu nối và sau đó quay trở lại máy dò. Công suất phản xạ này làm cho đồng hồ đo công suất đọc cao hơn đồng hồ đo điện mà không có đầu nối đi kèm. Độ lớn của lỗi này là một chức năng của cả bước sóng và loại đầu nối, và do đó, đồng hồ đo điện phải được hiệu chuẩn với cùng một sợi quang và đầu nối mà nó sẽ được sử dụng.
Khả năng xác định nguồn gốc của phép đo công suất quang NIST dựa trên nhiệt lượng kế dòng C, một tiêu chuẩn tham chiếu năng lượng laser. Đến lượt mình, nhiệt lượng kế được sử dụng để hiệu chỉnh chuẩn chuyển đổi bằng cách sử dụng hệ thống tách chùm đã hiệu chuẩn và các nguồn laser khác nhau. Chuẩn chuyển giao sau đó được sử dụng để hiệu chuẩn máy đo công suất quang.
Chuẩn chuyển giao là một máy dò nhiệt có lớp phủ màu đen, hấp thụ cao và do đó không nhạy cảm về mặt phổ đối với các vùng bước sóng quan tâm đối với việc hiệu chuẩn máy đo công suất quang. Bề mặt phản xạ thấp của tiêu chuẩn chuyển giao cho phép nó được sử dụng cho cả phép đo chùm song song và sợi quang liên kết. Chuẩn chuyển này được sử dụng với một hệ thống bao gồm điốt laze, sợi quang, đầu nối, bộ tách sợi quang, bộ dò màn hình và thấu kính để hiệu chuẩn máy đo công suất quang. Hệ thống đo lường được thiết kế để phù hợp với hầu hết các loại đầu nối và sợi quang được sử dụng phổ biến.
TIÊU CHUẨN THAM CHIẾU CHÍNH
Nhiệt lượng kế dòng C được thiết kế để đo bức xạ điện từ được tạo ra bởi các nguồn laser CW (sóng liên tục) trong dải công suất từ 1 mW đến 1 W ở các bước sóng từ cực tím đến hồng ngoại gần. Nhiệt lượng kế được chế tạo để phù hợp với các đặc tính độc đáo của bức xạ laze (ví dụ, các cấu hình không đồng đều, sự gắn kết theo thời gian và không gian). Nhiệt lượng kế có cấu trúc hình học tương đối đơn giản, do đó hành vi của nó có thể được phân tích một cách đơn giản từ nguyên lý đầu tiên của nhiệt động lực học và phân tích hệ thống tuyến tính.
Cơ chế cơ bản của nhiệt lượng kế là sự hấp thụ hoàn toàn bức xạ laser sau đó chuyển đổi năng lượng điện từ thành nhiệt năng. Sự gia tăng nhiệt độ do sự hấp thụ năng lượng này sau đó được sử dụng để xác định năng lượng điện từ trong chùm tia laze.
Sự hấp thụ năng lượng diễn ra trong một khoang hình trụ được bao quanh bởi một chiếc áo khoác lớn được kiểm soát nhiệt độ. Các cặp nhiệt điện có các mối nối được liên kết với cả khoang hấp thụ và vỏ bọc xung quanh tạo ra điện áp nhiệt điện tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai cấu trúc này. Một dây nóng điện được đặt trong khoang hấp thụ để cung cấp một phương tiện để hiệu chỉnh khoang bằng điện. Nhiệt lượng kế được thiết kế để tối đa hóa sự tương đương giữa năng lượng điện và laser.
CHUYỂN KHOẢN TIÊU CHUẨN
Thiết bị hiện được sử dụng làm tiêu chuẩn chuyển giao hoặc phòng thí nghiệm để hiệu chuẩn công suất quang là một máy đo bức xạ nhiệt điện (ECPR) đã được hiệu chuẩn bằng điện, có bán trên thị trường.
Thiết bị này ban đầu được thiết kế và chế tạo bởi các nhà khoa học NIST. Cảm biến nhiệt điện được làm bằng liti tantali phủ màu đen vàng . Lớp phủ vàng đen (dày khoảng 1µm) là vàng nguyên chất được lắng đọng dưới nhiệt độ và áp suất cụ thể lên bề mặt liti tantali.
Khi được lắng đọng một cách chính xác theo cách này, vàng sẽ tạo thành các sợi nhỏ đan xen, bẫy ánh sáng tới và do đó làm cho bề mặt vàng có màu đen. Vàng-đen là vật liệu hấp thụ phổ biến và có khả năng hấp thụ xấp xỉ 99% ở vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại gần.
Cảm biến nhiệt điện tạo ra một điện áp tỷ lệ với tốc độ thay đổi nhiệt độ; do đó, sự cố năng lượng laser trên máy dò phải được điều chế hoặc tạo xung để sử dụng loại máy dò này để đo bức xạ CW.
Máy dò được sử dụng ở đây có một bánh xe cắt nhỏ được đặt phía trước cảm biến nhiệt điện và được sử dụng để “cắt” chùm tia thành xung với tốc độ 15 Hz. Vì vật liệu nhiệt điện cũng có tính áp điện nên bánh xe trực thăng phải được đặt cách cảm biến ít nhất 30 cm để loại bỏ các ảnh hưởng do dao động âm thanh do bánh xe quay tạo ra trong không khí. Ngoài ra, cần loại bỏ bất kỳ nguồn rung động nào khác, hoặc ít nhất là ảnh hưởng của chúng phải được giảm thiểu.
ECPR được sử dụng làm tiêu chuẩn phòng thí nghiệm trong nhiều phòng thí nghiệm hiệu chuẩn công suất quang vì
Nó nhạy cảm với bức xạ công suất thấp
Nó tương đối phẳng về mặt quang phổ
Nó có bề mặt phản xạ thấp trong vùng bước sóng 600 – 1600 nm
Loại ECPR này thường được sử dụng trong dải công suất 10 – 1000 µW, nằm trong dải quan trọng hàng đầu trong việc hiệu chuẩn công suất quang. Dưới 10 µW, đầu ra trở nên quá ồn để sử dụng một cách đáng tin cậy.
Tuy nhiên, ECPR có hai nhược điểm lớn:
Phản ứng không đồng nhất trên bề mặt máy dò
Sự mỏng manh của lớp phủ vàng đen
Nguồn lỗi tiềm ẩn liên quan đến ECPR là sự thay đổi phản ứng của máy dò từ bức xạ chạm vào các điểm khác nhau trên bề mặt máy dò.
Sự không đồng nhất này là điển hình của máy dò nhiệt điện và có lẽ là do độ dày vật liệu nhiệt điện không đồng nhất. Các nhà khoa học tại NIST kể từ đó đã phát triển một máy dò nhiệt điện đồng nhất hơn, cung cấp các phép đo chính xác hơn.
Trước khi ECPR được sử dụng làm tiêu chuẩn truyền, đầu tiên nó được hiệu chuẩn dựa trên nhiệt lượng kế dòng C ở các bước sóng 632,8, 825, 1064, 1319 và 1523 nm bằng cách sử dụng hệ thống bộ tách chùm dòng C.
Bộ tách chùm được làm bằng sapphire và không có lớp phủ quang học. Một góc tới nhỏ (≈1 °) của chùm tia tới so với bộ tách chùm sẽ giảm thiểu ảnh hưởng của sự thay đổi phân cực và những thay đổi nhỏ trong chính góc tới.
ECPR được đặt trong chùm tia phản xạ đầu tiên và nhiệt lượng kế dòng C được đặt trong chùm tia truyền chính. Bộ tách chùm được hiệu chuẩn ở mỗi bước sóng mà nó được sử dụng. Các hiệu chuẩn này được thực hiện bằng cách sử dụng hai nhiệt lượng kế dòng C để đo tỷ số công suất của hai chùm tia. Ngoài ra, tỷ lệ bộ tách chùm được kiểm tra (một hoặc hai lần chạy) trước khi sử dụng mỗi nguồn laser cho các phép đo hiệu chuẩn đồng hồ đo điện.
Màn trập điều khiển bằng máy tính được sử dụng để điều chỉnh thời gian phơi sáng của hai thiết bị (nhiệt lượng kế dòng C và ECPR) trong quá trình đo. Khi màn trập mở và năng lượng laser tới trên hai máy dò, các số đọc điện áp từ cả hai thiết bị sẽ được ghi lại. Thông tin về điện áp dòng C được sử dụng để xác định sự cố năng lượng trên nhiệt lượng kế; sau đó đưa ra tỷ lệ bộ tách chùm, năng lượng tới trên ECPR có thể được tính toán. Công suất trung bình được tìm thấy bằng cách chia năng lượng cho thời gian tiếp xúc. Hệ số hiệu chuẩn sau đó được tính bằng cách chia số đọc ECPR cho công suất tới.
Các lỗi do sự không đồng nhất của cảm biến ECPR có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng cùng một đường kính chùm tia cho cả phép đo dòng C và hiệu chuẩn đồng hồ đo điện. dụng cụ định hình để đo đường kính chùm tia tại máy dò. Đường kính chùm tia là 3 mm (ở bề mặt cảm biến ECPR) thường được sử dụng cho các phép đo này.
DIODE LASER CÓ THỂ ĐIỀU CHỈNH ĐƯỢC
Để giảm thiểu sai số đo liên quan đến bước sóng nguồn và đáp ứng phổ của máy dò, các nguồn laser có thể điều chỉnh được lắp đặt trong hệ thống đo lường.
Môi trường khuếch đại của laser có thể điều chỉnh là một diode laser thông thường nhưng bộ cộng hưởng Fabry-Perot bên trong bị vô hiệu hóa bởi một lớp phủ chống phản xạ trên một trong các khía cạnh. Một khoang bên ngoài được tạo ra bằng cách thêm một cách tử nhiễu xạ bên ngoài hoạt động như một tấm gương và một phần tử chọn lọc bước sóng. Công suất đầu ra, hoạt động đơn chế độ và độ ổn định bước sóng phụ thuộc nhiều vào độ ổn định nhiệt độ. Thấu kính chuẩn trực, thể hiện trong Hình 2, được sử dụng để thu chùm tia laze phân kỳ. Vì chùm tia phân kỳ tới 45 °, nên thấu kính phải có khẩu độ số (NA) là 0,4 và có bề mặt có quang sai mặt sóng nhỏ hơn λ / 4, trong đó λ là bước sóng của bức xạ laser.
Thiết kế khoang bao gồm một bộ lọc chế độ bên giúp loại bỏ các chế độ bên không mong muốn. Bộ lọc là bộ lọc bước sóng băng hẹp có độ chọn lọc bước sóng tốt hơn cách tử nhiễu xạ.
Việc điều chỉnh khoang ngoài để đạt được bước sóng cụ thể bao gồm việc chọn vị trí góc của cách tử và vị trí góc của etalon. Đây là mối quan hệ đơn giản giữa góc của cách tử so với chùm tia tới và bước sóng sẽ bị phản xạ trở lại chip laser:
- λ = 2a * sin (a)
trong đó α là góc giữa chùm tia tới và pháp tuyến cách tử, a là khoảng cách giữa các rãnh và λ là bước sóng tới.
HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG CÔNG SUẤT QUANG
Hệ thống chứa một số tấm nguồn laser, tầng chuyển đổi đầu nối (đối với các phép đo được kết nối), thấu kính (đối với phép đo chùm song song) và tầng định vị để so sánh ECPR và đồng hồ đang được hiệu chuẩn.
Tất cả các sợi cáp quang trong hệ thống là singlemode, trong khi sợi cáp quang của khách hàng có thể là singlemode hoặc multimode.
Mỗi tấm chứa một diode laser mà đầu ra của nó được truyền tới bộ tách sợi quang, từ đó khoảng 5% công suất được chuyển hướng tới màn hình và khoảng 1% công suất tới máy phân tích quang phổ. Công suất còn lại được truyền qua một sợi quang đến đồng hồ đang được hiệu chuẩn.
Tất cả các sợi được cố định chắc chắn để chúng không bị xê dịch trong quá trình đo. Như trong hình, một ống chuẩn trực hình chữ “U” được định vị trong đường truyền theo sau mỗi laser diode. Bộ chuẩn trực này chứa hai thấu kính cung cấp chùm tia chuẩn trực cho bánh xe trực thăng ECPR. Khi bánh xe cắt nhỏ được lắp vào không gian được cung cấp bởi thiết bị cố định này, một chùm tia cắt nhỏ sau đó sẽ tới các máy dò (màn hình và ECPR).
Một bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp mẫu và mẫu giữ đặc biệt được sử dụng cho đầu ra của màn hình. Bộ chuyển đổi này lưu trữ số đọc điện áp từ tín hiệu được cắt cho đến khi vôn kế kỹ thuật số đọc.
Mỗi lần ECPR được sử dụng cho các phép đo trong hệ thống này, bánh xe cắt trực thăng sẽ được lắp vào lỗ chuẩn trực và được tháo ra khi ECPR không được sử dụng.
Đối với phép đo chùm tia chuẩn trực, một thấu kính ở cuối đường dẫn sợi quang cung cấp chùm tia song song tới ECPR và máy đo thử nghiệm. Đối với các phép đo được kết nối, sợi quang của khách hàng được ghép nối với sợi hệ thống đo lường bằng cách sử dụng một dây nối sợi quang được đặt trên một giai đoạn chuyển đổi đầu nối.
Bước đầu tiên trong phép đo hiệu chuẩn là xác định công suất trong chùm chuẩn trực hoặc từ cuối sợi quang, tùy theo giá trị nào thích hợp. Đối với phép đo này, ECPR được đặt trong đường đi của chùm tia song song hoặc nếu không thì sợi quang của khách hàng được kết nối với ECPR bằng các bộ điều hợp thích hợp.
Trong cả hai trường hợp, cả số đọc ECPR và điện áp màn hình đều được ghi lại. Sau đó, ECPR được di chuyển và thay thế bằng đồng hồ thử nghiệm. Đối với các phép đo sợi quang được kết nối, đầu nối sợi quang được di chuyển từ ECPR sang máy đo thử nghiệm. Sau đó, các số đọc của đồng hồ đo thử nghiệm và điện áp màn hình được ghi lại.
Công suất tuyệt đối của đồng hồ đo thử nghiệm được thiết lập bằng số đọc công suất ECPR trung bình. Các thay đổi công suất (do sự không ổn định của laser diode) được tính đến bởi các kết quả đọc trên màn hình. Do đó, phương pháp này dựa trên sự ổn định của tỷ lệ bộ chia, không dựa vào giá trị thực của nó (không giống như nhiệt lượng kế dòng C).
Kết luận
Đây là hệ thống hiệu chuẩn dựa trên các điốt laser có thể điều chỉnh được. Với hệ thống này, máy đo công suất quang Optical Power Meter có thể được hiệu chuẩn cả ở bước sóng nguồn cụ thể hoặc trên phạm vi bước sóng của diode laser có thể điều chỉnh được. Hệ thống này là một bổ sung hữu ích cho hệ thống hiệu chuẩn hiện có bị hạn chế ở các bước sóng laser cố định.