CN104792497B - 一种采用可调谐激光光源的光谱测试*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，包括：可调谐激光源、光路部分、硬件部分、上位机；在光路部分设置由带通滤波器和标准具组成的光学同步装置，可调谐激光源分别经过1×2功率耦合器分配功率后分为两路，一路作为同步用，另一路经过1×N功率耦合器连接各测试通道中的待测无源光电子器件，采样电路并行采集同步通道以及各测试通道光电探测器的响应信号并通过网络发送至上位机进行处理，上位机采用服务器/客户端架构，服务器端程序负责各通道采样数据的同步处理，客户端程序负责还原1～N通道待测无源光电子器件的真实光谱数据，本发明可以实现多通道复用一台TLS光源进行多通道光谱分析，极大限度的降低了***成本。

Description

一种采用可调谐激光光源的光谱测试***

技术领域

本发明涉及一种用于无源光电子器件光谱特性测试的***，尤其涉及一种TLS+PD光谱测试***，属于光通信领域。

背景技术

无源光电子器件作为光纤通信***中的重要组成部分，在光纤通信网络向大容量、高速率发展的趋势下，无源光电子器件便显得尤为重要。近年来，新材料、新工艺和新产品在不断涌现，无源光电子器件正迎来一个迅速发展的时期，随着需求量的增大，如何在批量生产过程中以一种低成本、高精度的方式快速测试无源光电子器件的光谱特性便显得尤为重要。

现有无源光电子器件的光谱特性的常见测试方式为采用光谱分析仪OSA(OpticalSpectrum Analyzer)来进行扫描测试，即利用衍射光栅作为分光元件，利用衍射光栅的色散作用使入射光中不同频率分量的光在空间中分离开来，配合高灵敏度光电探测器PIN管对不同位置处的频谱分量进行探测扫描，最终得到无源光电子器件的光谱特性曲线。

这种采用光谱分析仪的测试方式由于受衍射光栅色散能力的限制，波长分辨率一般只能达到20～50pm，扫描测试速率较慢(测试时间一般2秒以上)，灵敏度不足，成本很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有光谱分析仪在测试无源光电子器件时分辨率偏低，测试速率较慢，灵敏度不足、成本高昂等缺点，提供一种新的测试方案，能够以一种低成本的方式在一定波长范围内实现同时对多个无源光电子器件光谱特性的高灵敏度快速测试。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

采用高精度可调谐激光光源TLS(Tunable Laser Source)和高灵敏度光电探测器PIN管的方式进行扫描测试，***主要包括TLS扫描光源、硬件部分、光路部分以及上位机处理程序四部分组成。TLS作为输入光源。TLS输出光进入同步光路后通过1×2功率耦合器分为两路，一路接带通滤波器和标准具作为同步通道，用于标识起始波长点，另一路经过1×N功率耦合器以及待测无源光电子器件进入各自对应的PIN管，作为光谱特性测试通道。采样电路利用ADC采样芯片对同步通道和各测试通道PIN管电压值进行同步采样。在可调谐激光光源TLS的一个完整扫描周期内，采样电路通过定时器以一定周期对同步通道及测试通道PIN管响应进行一次中断采样，采样数量覆盖TLS的一个完整扫描周期后对完成采样数据组包，再通过网口发送数据给服务器端程序(采用UDP协议)，服务器端程序再通过TCP/IP协议将对应通道的采样数据转发给连接的客户端程序，客户端程序每接收完TLS一个完整扫描周期的采样数据后则开始解析协议，将采样数据还原成对应通道待测无源光电子器件的光谱特性曲线。

所述TLS为同步通道和各测试通道提供光源信号，在一定波长范围内，其波长以一定波长间隔从起始波长开始扫描，到终止波长结束扫描，然后再次从起始波长开始扫描，形成一个循环扫描过程。所采用的TLS一般需要具备高隔离度、高速率以及高精度等特点。

所述光路部分包括有：1×2功率耦合器、1×N功率耦合器，带通滤波器、标准具。其中带通滤波器和标准具组成了本***的同步装置，负责标识可调谐激光光源TLS一个完整扫描周期内某几个特征波长点。

所述硬件部分包括有：同步通道光电探测器PINZ、各测试通道光电探测器PIN1～N、采样芯片ADC，缓存BUFFER，ADC负责对各通道PIN管响应进行同步采样，缓存用于存贮各通道PIN管响应的单次采样数据。

所述上位机处理程序包括有服务器端程序和客户端程序，服务器端程序通过网口接收光谱测试仪发送的各通道采样数据，通过分析同步通道采样数据中的标识波长点完成与各测试通道采样数据的同步功能，同时将同步后的各通道采样数据转发给各连接客户端程序，客户端程序通过网口与服务器端程序建立连接，并将采样数据还原为真实的光谱特性曲线。

本发明提供了一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，包括：可调谐激光源、光路部分、硬件部分、上位机；所述光路部分包括1×2功率耦合器、带通滤波器、标准具、1×N功率耦合器；所述1×2功率耦合器的输入端连接到所述可调谐激光源的输出端，所述1×2功率耦合器的两个输出端分别与带通滤波器的输入端和1×N功率耦合器的输入端相连，所述带通滤波器的输出端与标准具的输入端相连，所述1×N功率耦合器的输出端与N个待测无源光电子器件的输入端相连，N为大于等于1的正整数；所述硬件部分包括同步通道光电探测器、1～N测试通道光电探测器、模数转换器、缓存和同步时钟，所述同步通道光电探测器的输入端与所述标准具的输出端相连，1～N测试通道光电探测器的输入端分别与N个待测无源光电子器件的输出端相连，同步通道光电探测器的输出端和1～N测试通道光电探测器的输出端与所述模数转换器的输入端相连，所述模数转换器的输出端与所述缓存的输入端相连，所述缓存的输出端通过网络连接到所述上位机。

在上述技术方案中，所述可调谐激光源为窄带高隔离度高速可调谐激光源；所述可调谐激光源在一定波长范围内循环扫描。

在上述技术方案中，所述上位机包括至少一台服务器计算机和至少一台客户端计算机，所述服务器计算机和至少一台客户端计算机之间通过网络进行通信连接。

在上述技术方案中，所述客户端计算机运行客户端程序来处理所述待测无源光电子器件的光谱数据，所述客户端程序的数量与待测无源光电子器件的数量相对应，每个客户端程序处理对应待测无源光电子器件的光谱数据，各个客户端程序可以分布在不同的客户端计算机上，也可以多个客户端程序放置在同一客户端计算机上。

在上述技术方案中，所述服务器计算机接收来自硬件部分的同步通道采样数据和各测试通道采样数据，通过对同步通道光电探测器响应的同步通道采样数据进行分析，找出某几个特征峰值波长点作为同步处理的基准波长，然后对各测试通道中待测无源光电子器件响应的各测试通道采样数据进行同步处理以获得对应待测无源光电子器件的真实光谱数据。

在上述技术方案中，所述服务器计算机根据标准具的滤波峰值波长作为同步处理的基准波长。

在上述技术方案中，所述服务器计算机将各测试通道中待测无源光电子器件的真实光谱数据发送给所述客户端计算机，所述客户端计算机将接收到的真实光谱数据还原为光谱曲线并实时显示。

在上述技术方案中，波长分辨率大于10pm。

在上述技术方案中，所述模数转换器为高速多通道模数转换器，其通道数量大于等于N+1。

本发明取得了以下技术效果：

1、本发明可以实现多个测试通道复用一台光源，极大限度的节约了使用成本。

2、本发明采用服务器/客户端架构，可以同时测试监控多个通道的光谱特性。同步功能由服务器端处理完成，简化了硬件设计的复杂程度。客户端与服务器彼此独立，可以灵活修改客户端程序以满足各种产品测试分析的需求。

3、本发明较光谱分析仪(OSA)相比，测试速度快、灵敏度高、波长分辨率高(可以达到10pm以上)，结构简单。

附图说明

图1是本发明的光谱特性测试***的总体结构示意图。

图2是本发明的光谱特性测试***的同步原理示意图。

图3是本发明的光谱特性测试***的上位机程序原理示意图。

图中标记：

TLS：可调谐激光光源

DUT-1～N：各通道被测无源光电子器件

PINZ：同步通道光电探测器

PIN-1～N：1～N测试通道光电探测器

1：带通滤波器

2：1×2功率耦合器

3：标准具

4：1×N功率耦合器

5：光路部分

6：硬件部分

7：网口

8：上位机

Server：服务器

Client-1～N：各通道客户端

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明的光谱特性测试***的总体结构示意图，光谱特性测试***包括光路部分5、硬件部分6、可调谐激光源TLS和上位机，可调谐激光光源TLS输出端与光路部分5中的1×2功率耦合器2的输入端连接，将TLS输出的光信号分为测试光和参考光。所述TLS为窄带高隔离度高速可调谐激光源，在一定波长范围内循环扫描，能够用来替代传统光谱分析仪(OSA)中的分光元件——衍射光栅。

对于参考光信道，1×2功率耦合器2的其中一个输出端与带通滤波器1的输入端连接，带通滤波器1的输出端与标准具3的输入端连接，标准具3的输出端与硬件部分6中的同步通道光电探测器PINZ连接。

对于测试光信道，1×2功率耦合器2的另一输出端与1×N功率耦合器4输入端连接，1×N功率耦合器4的1～N通道的输出端分别连接1～N通道待测无源光电子器件DUT-1～N的输入端。

所述硬件部分6包括有同步通道光电探测器PINZ、1～N测试通道光电探测器PIN-1～N、模数转换器ADC、缓存BUFFER、同步时钟(图中未示出)，ADC负责对同步通道和各测试通道的光电探测器PIN响应进行同步采样，缓存BUFFER用于存贮同步通道和各测试通道光电探测器PIN响应的单次采样数据。同步通道光电探测器PINZ和1～N测试通道光电探测器PIN-1～N实现高速光电转换，1～N测试通道光电探测器PIN-1～N将所有待测无源光电子器件DUT-1～N的输出光信号转换为模拟电信号；由于TLS在一定波长范围内循环扫描，从而能够得到所有待测无源光电子器件DUT-1～N在连续变化不同波长输入光信号的光学响应，从而获得其光谱响应。所述模数转换器ADC是高速多通道模数转换器，其通道数量大于等于N+1，以同时对所有光电探测器(PINZ和PIN-1～N)输出的模拟电信号进行模数转换。

具体来说，1～N通道待测无源光电子器件DUT-1～N的输出端分别与硬件部分中6的1～N测试通道光电探测器PIN-1～N连接，1～N测试通道光电探测器PIN-1～N的输出端与模数转换器ADC相连接，模数转换器ADC通过缓存BUFFER将转换得到的数字信号传输到网口7，网口7通过UDP协议将数据发送到上位机8进行处理。

当TLS在一定波长范围内循环扫描时，同步通道光电探测器PINZ以及1～N测试通道光电探测器PIN-1～N快速进行光电变换；硬件部分6利用ADC芯片按照等时间间隔采集1～N测试通道光电探测器PIN-1～N的响应，每一个采样时间点完成同步通道光电探测器PINZ和1～N测试通道光电探测器PIN-1～N响应数据的并行采集，以跟踪TLS扫描过程中各个频谱分量经过带通滤波器1、标准具3以及1～N通道待测无源光电子器件DUT-1～N衰减后的光谱数据。

当采集数据量达到缓存BUFFER存贮上限时，采样数据通过网口7发送给上位机8的处理程序，上位机8的处理程序在判断采样数据覆盖一个完整扫描周期(该周期指TLS光源从起始波长到终止波长的扫描过程)后开始进行各通道数据同步处理和光谱数据还原工作，等到下一个扫描周期完成后继续重复上述步骤。由于上位机8的处理程序在处理过程中进行各个测试通道和同步通道的数据同步，因此硬件部分6不包括同步模块，极大地降低了光谱特性测试***的硬件复杂度。

图2是本发明的光谱特性测试***的同步原理图，光谱特性测试***依靠经过带通滤波器1和标准具3滤波后的光谱谱形来同步各测试通道的波长，由于标准具的各个滤波峰值波长是确定的，并且同步通道光电探测器PINZ和1～N测试通道光电探测器PIN-1～N采用并行同步采样方式，所以各测试通道每一采样点对应的实际波长也可以通过与进行同步通道对应采样点的对比来确定。

为方便示例性说明起见，设TLS循环扫描设定波长的周期为T，将该周期分为若干时点，如图2中示例性地将扫描周期T分为了7个时点，则对于每个固定的时点可以确定TLS输出的对应的光波长，即时点t1～t7时TLS输出的光波长对应为λ1～λ7，由此将进入待测无源光电子器件DUT-1～N的入射光中不同波长(频率)分量的光在时间上分离开来。

图2中示意性地示出了TLS输出的测试光信号在经过带通滤波器1后输出的光谱曲线，经过标准具3后输出的光谱曲线，以及同步通道光电探测器PINZ和某一测试通道光电探测器PIN输出的功率曲线。通过将同步通道光电探测器PINZ和某一测试通道光电探测器PIN输出的功率曲线在时间上进行对齐，即可通过标准具上相应波长通道所对应的特定波长值来确定相应待测无源光电子器件的光谱曲线上相应点的波长值。因此可以通过在光路部分5由带通滤波器和标准具来构造同步通道的波长标识，进而可以替代硬件部分6中原本所需的复杂的时钟同步电路，从而简化整个光谱测试***的复杂度并降低***成本，提高可靠性。

图3是本发明的光谱特性测试***的上位机处理程序的原理示意图，为了提升数据处理能力和数据展现能力，上位机8的处理程序可以采用服务器/客户端架构，即上位机处理程序可由服务器端Server程序和客户端Client程序两部分组成，服务器端Server程序运行于1台或多台服务器计算机上，客户端Client程序运行于1台或多台客户端计算机上，客户端计算机的数量优选与测试通道数量保持一致，即一个客户端计算机上运行的客户端程序对应处理一个测试通道上的采样数据。

服务器端程序通过第一网口11接收来自硬件部分6发送来的同步通道采样数据SYNC和各测试通道采样数据1～N CH-Data，通过对同步通道光电探测器PINZ响应的采样数据进行分析，找出某几个特征峰值波长点作为同步的基准波长，例如可以根据标准具3的滤波峰值波长作为同步的基准波长，然后对各测试通道光谱数据进行同步处理后通过第二网口12将各测试通道数据1～N CH-Data发送给对应通道的客户端程序，客户端程序再将接收到的各测试通道数据1～N CH-Data还原为本通道无源光电子器件DUT-1～N的真实光谱数据，并实时在客户端程序的用户界面上呈现无源光电子器件DUT-1～N的光谱特性曲线。

虽然本发明已经详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上做出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，其特征在于包括：可调谐激光源、光路部分、硬件部分、上位机；

所述光路部分包括1×2功率耦合器、带通滤波器、标准具、1×N功率耦合器；所述1×2功率耦合器的输入端连接到所述可调谐激光源的输出端，所述1×2功率耦合器的两个输出端分别与带通滤波器的输入端和1×N功率耦合器的输入端相连，所述带通滤波器的输出端与标准具的输入端相连，所述1×N功率耦合器的输出端与N个待测无源光电子器件的输入端相连，N为大于等于1的正整数；

所述硬件部分包括同步通道光电探测器、1～N测试通道光电探测器、模数转换器、缓存和同步时钟，所述同步通道光电探测器的输入端与所述标准具的输出端相连，1～N测试通道光电探测器的输入端分别与N个待测无源光电子器件的输出端相连，同步通道光电探测器的输出端和1～N测试通道光电探测器的输出端与所述模数转换器的输入端相连，所述模数转换器的输出端与所述缓存的输入端相连，所述缓存的输出端通过网络连接到所述上位机。

2.如权利要求1所述的一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，其特征在于：所述可调谐激光源为窄带高隔离度高速可调谐激光源；所述可调谐激光源在一定波长范围内循环扫描。

3.如权利要求2所述的一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，其特征在于：所述上位机包括至少一台服务器计算机和至少一台客户端计算机，所述服务器计算机和至少一台客户端计算机之间通过网络进行通信连接。

4.如权利要求3所述的一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，其特征在于：所述客户端计算机运行客户端程序来处理所述待测无源光电子器件的光谱数据，所述客户端程序的数量与待测无源光电子器件的数量相对应，每个客户端程序处理对应待测无源光电子器件的光谱数据，各个客户端程序分布在同一个或者不同的客户端计算机上。

5.如权利要求4所述的一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，其特征在于：所述服务器计算机接收来自硬件部分的同步通道采样数据和各测试通道采样数据，通过对同步通道光电探测器响应的同步通道采样数据进行分析，找出某几个特征峰值波长点作为同步处理的基准波长，然后对各测试通道中待测无源光电子器件响应的各测试通道采样数据进行同步处理以获得对应待测无源光电子器件的真实光谱数据。

6.如权利要求5所述的一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，其特征在于：所述服务器计算机根据标准具的滤波峰值波长作为同步处理的基准波长。

7.如权利要求5所述的一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，其特征在于：所述服务器计算机将各测试通道中待测无源光电子器件的真实光谱数据发送给所述客户端计算机，所述客户端计算机将接收到的真实光谱数据还原为光谱曲线并实时显示。

8.如权利要求1-7中任一项所述的一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，其特征在于：波长分辨率大于10pm。

9.如权利要求1-7中任一项所述的一种采用可调谐激光光源的光谱测试***，其特征在于：所述模数转换器为高速多通道模数转换器，其通道数量大于等于N+1。