MÉRÉSI SEGÉDLET PIN DIÓDÁS OPTIKAI VEVİ MÉRÉSE. V2 épület VI.emelet 602. Optikai és Mikrohullámú Távközlés Labor

Átírás

1 MÉRÉSI SEGÉDLET PIN DIÓDÁS OPTIKAI VEVİ MÉRÉSE V2 épület VI.emelet 602. Optikai és Mikrohullámú Távközlés Labor Járó Gábor és Kovács Gábor anyagai alapján a mérési utasítást összeállította: Gerhátné Dr. Udvary Eszter 2010 augusztus 27. BUDAPESTI MŐSZAKI és GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék H-1111 Budapest, Goldmann György tér 3. V2 épület VI. emelet tel.: (+36 1) , fax : (+36 1)

2 A mérés célja a fénytávközlés egyszerőbb alkalmazásaiban leginkább elterjedt PIN diódás vevı megismerése. A mérésben felhasznált vevı modul kialakítása lehetıvé teszi, hogy a mérés során közvetlenül megfigyelhetı legyen annak mőködése, befolyásolhatók legyenek a mőködést maghatározó paraméterek, érzékelhetık a vevık kialakításával kapcsolatos legfontosabb problémák. 1. Fotodetektorok ismertetése, tervezési megfontolások Optikai jelek elektromos jelekké konvertálására fotodetektorokat alkalmaznak. Egy ilyen fotodetektor fekete dobozos helyettesítı képét mutatja a következı ábra. Az optikaielektromos (O/E) konverter bemenete optikai jel, amely a rajz bal oldalán helyezkedik el és kimenete elektromos jel, amely a jobb oldalon helyezkedik el. Ha optikai-elektromos átalakítóként aktív eszközt alkalmazunk pl. pin diódát vagy a már átalakított elektromos jelet erısíteni szeretnénk, akkor a fotodetektornak egyenáramú (DC) elıfeszítésre van szükség. A fotodetektor be és kimeneteinek különbözı tulajdonságoknak kell megfelelni: Az optikai bemenetrıl az O/E átalakító eszközbe minél nagyobb optikai teljesítményt kell becsatolni a minél nagyobb hatásfok érdekében, valamint minél kisebb optikai reflexió elérése a cél. Ezeknek a követelményeknek a manapság kereskedelmi forgalomban elérhetı tokozott fotodiódák jól megfelelnek, ennek optimalizálása nem a mi feladatunk. A DC elıfeszítı bementrıl minél nagyobb arányú egyenáramú elıfeszítést kell eljuttatni az aktív eszközre, valamint a nagyobb hatásfok érdekében, a már elektromos jellé konvertált optikai váltakozó (AC) jel minél kisebb része jusson ki a DC elıfeszítésen keresztül. Az elektromos kimeneten az átkonvertált jel váltakozó részének minél nagyobb része jusson ki. Mivel a fotodetektort egy másik elektromos eszköz elé csatlakoztatjuk pl. erısítı, igényként jelentkezhet, hogy a kimeneten megjelenı jelnek ne legyen egyenáramú komponense, valamint a kimeneten mérhetı bemeneti impedancia megegyezzen a rendszer karakterisztikus impedanciájával (kábeltelevíziós esetben 75 Ω, mikrohullámú alkalmazás esetén 50 Ω). A fenti feltételeknek megfelelı fotodetektor egy lehetséges belsı blokkvázlatát mutatja a következı ábra. Az elıfeszítı bemenet nagyfrekvenciás leválasztását az elıfeszítéssel sorba kapcsolódó aluláteresztı szőrı valósítja meg. A kimenet egyenáramú leválasztását a kimenetre csatlakozó felüláteresztı szőrı oldja meg. A szükséges bemeneti impedanciát, a fotodiódát az áramkör többi részével összekötı szélessávú impedancia illesztı áramkör valósítja meg. Az alul ill. felüláteresztı szőrık töréspontjának megfelelı megválasztásával elérhetı, hogy a bemenı optikai jel egyen és kisfrekvenciás komponensébıl átkonvertált 2

3 elektromos jel az elıfeszítı ponton keresztül, míg a nagyfrekvenciás komponens az elektromos kimeneten jelenik meg. A fenti blokkvázlat egy lehetséges áramköri megvalósítását mutatja a következı ábra. Az áramkörben a felüláteresztı szőrı szerepét egy soros kondenzátor (C b ) valósítja meg, amely a Z 0 karakterisztikus impedanciájú vonalon helyezkedik el. Az aluláteresztı szőrı egy soros leválasztó induktivitásból (L e ), egy hidegítı kondenzátorból (C e ) és egy soros ellenállásból (R e ) áll. Impedancia illesztıként az áramkör egy T-tagos impedancia illesztıt tartalmaz. Vizsgáljuk meg az áramkör egyenáramú és nagyfrekvenciás viselkedését. Egyenáramú szempontból a kapacitások (C e, C i, C b ) szakadással, az induktivitások (L, L e ) rövidzárral helyettesíthetık. Nagyfrekvencián a kapacitások rövidzárral (C e, C i, C b ), az elıfeszítı ági induktivitás szakadással helyettesíthetı (az L értékő illesztı induktivitások értéke általában kicsi ezért a vizsgált mőködési frekvencia tartományban még nem helyettesíthetık szakadással). A helyettesítésekkel megrajzolható a fotodetektor egyenáramú és nagyfrekvenciás helyettesítı képe. Nagyfrekvencián a tápvonalak összevonhatók a lezáró R 0 ellenállással. 3

4 Egyenáram Nagyfrekvencia Az egyenáramú helyettesítı képbıl látszik, hogy a fotodiódát az R e értékő soros ellenálláson keresztül feszítjük elı. Az ellenállás korlátozza a diódán átfolyó maximális áramot és így védelmi szerepet is betölt. Nem szabad megfeledkezni azonban a fotoáram következtében az ellenálláson esı feszültségrıl, ami csökkenti a diódára jutó elıfeszítı feszültséget. Ezen effektus korlátozza a maximálisan alkalmazható ellenállás értékét. A nagyfrekvenciás helyettesítı képben felismerhetjük az induktivitásokkal és a karakterisztikus impedanciával felépített rezisztív T-tagos impedancia illesztı áramkört. Az impedancia illesztıbıl kilépı I i áram az R e és R 0 ellenállásokból álló áramosztóra jut, melybıl számunkra csak az R 0 ellenálláson átfolyó áramkomponens az értékes, a másik ágon elfolyó áram veszteség. Mivel az áramosztó osztási aránya fordítottan arányos az ellenállások értékével, ezért a veszteségek csökkentése érdekében R e értékét R 0 -nál jóval nagyobbra kell választani és így az áram nagyobb része a terhelés felé fog folyni. 2. A mérés során használt eszközök kívülrıl elıfeszíthetı fotovevı modul precíziós vezérelhetı tápegység (HP E3631A) digitális multiméter (HP 34401A) optikai multiméter (HP 8153A) mikrohullámú jelgenerátor Lézer forrás és optikai modulátor (HP 83424A,HP 83422A) spektrumanalizátor (Agilent N9010A) monomódusú üvegszálak, toldók A mérés során vizsgált fotodetektor egy Perkinelmer C30617BFC PIN fotodiódára épülı áramkır. A fotodióda jellemzı elektromos és optikai paramétereit tartalmazza a táblázat. Az ábra a modul felülnézeti rajzát mutatja. A fotodetektor bemenete az optikai FC/PC csatlakozó, kimenete az SMA típusú elektromos csatlakozó. Az áramkör tartalmazza a fotodióda egyenáramú elıfeszítı áramkörét valamint a mikrohullámú kimenetet a diódától egyenáramú szempontból leválasztó áramkört (kapacitást) is. A fotodióda az ábrán vázolt módon lett beültetve az áramkörbe. A tokozás soros induktivitásának csökkentése érdekében a dióda katódja az áramkört hordozó szubsztrát felsı, az anód és a TO tok árnyékoló lába pedig a szubsztrát alsó oldalára lett beforrasztva. 4

5 Paraméter Jelölés Min. Tip. Max Egység Teszt feltételek Elıfeszítés U e V Érzékenység 1300 nm nm A/W U e =5V Sávszélesség f C GHz U e =5V R L =50Ω Kapacitás C pf U e =5V f=1mhz Sötét áram I d 1 2 na U e =5V 3. Elvégzendı feladatok 3.1. A fotodióda egyenáramú fotoáram - optikai teljesítmény (i/popt) karakterisztikája az elıfeszítı feszültség függvényében Az egyenáramú karakterisztika felvételénél a lézer forrás optikai jele egy állítható optikai csillapítón keresztül a fotodetektor bemenetére jut, melynek következtében a fotodetektoron fotoáram folyik keresztül. Ezt a fotoáramot a tápegység (fotodetektor elıfeszítése) és a fotodetektor közé kapcsolt árammérı méri. Az optikai csillapító csillapításának változtatásával különbözı optikai teljesítményekkel (P opt ) világítható meg a fotodetektor és az így mért fotoáramokkal felvehetı az i/p opt karakterisztika. A következı ábra tipikus fotodetektor fotoáram - optikai teljesítmény karakterisztikát mutat. Jól látható, hogy a karakterisztikának lineáris és telítési szakasza is van, és ezek függenek az elıfeszítı feszültség nagyságától. Ezen effektusok okait a fotodetektor egyenáramú helyettesítı képe alapján elemezhetjük. 5

6 Az áramkörre felírhatjuk a Kirchhoff féle hurokegyenletet: amibıl Az utóbbi egyenlet egy munkaegyenest határoz meg a fotodióda egyenáramú feszültség fotoáram karakterisztikájában. Ha Ue = U1 és Re = R1 akkor a munkaegyenes a feszültség tengelyt -Ue, az áramtengelyt - Ue/R1 értéknél metszi. Mivel munkapont csak a munkaegyenes és az adott optikai teljesítményhez tartozó dióda karakterisztika metszéspontja lehet, megrajzolhatjuk a fotodetektor fotoáram - optikai teljesítmény karakterisztikáját. A karakterisztika lineáris amíg a dióda feszültsége el nem éri a nulla voltos elıfeszítés értékét, majd telítéses jelleget okoz amely a távközlési felhasználás szempontjából a dinamikatartomány határát jelenti. A fotodióda érzékenysége melyet a lineáris szakaszra adnak meg és értéke megegyezik a karakterisztika meredekségével. Vizsgáljuk meg milyen hatást okoz az elıfeszítı feszültség és az elıfeszítı ellenállás értékének megváltoztatása. Ha az elıfeszítı feszültség értékét változtatjuk meg a munkaegyenes meredeksége nem változik, csak eltolódik. Ha az elıfeszítı feszültség abszolút értékét növeljük (U 2 ), akkor a munkaegyenes az origótól elfelé, ha csökkentjük (U 3 ), akkor az origó fele tolódik el. Ennek megfelelıen nagyobb/kisebb feszültségeknél a telítés nagyobb/kisebb optikai teljesítmények esetén következik be. Az elıfeszítı ellenállás értékének megváltoztatása esetén (azonos elıfeszítı feszültség esetén) csak a munkaegyenes meredeksége változik meg, a feszültség tengellyel való metszéspontja nem. Nagyobb ellenállás (R 2 ) esetén az egyenes kisebb, kisebb ellenállás esetén (R 3 ) pedig nagyobb meredekségő lesz. Így az ellenállás megváltoztatása is a dinamika tartomány megváltozását okozza. Megjegyzendı, hogy gyakran hasznos jelnek az Re ellenálláson esı feszültséget tekintik, ezért habár Re csökkentése a dinamikatartomány növelését okozza, de egyben csökkenti a fotodetektor (legalább ilyen fontos) érzékenységet (V/W) is. 6

7 Feladat: mérje meg az optika multiméter lézer moduljának maximális optikai teljesítményét (0 db optikai csillapítás) a multiméter optikai detektorának segítségével. Növelje az optikai csillapítást 1 db-es lépésenként és mérje meg az így kilépı optikai teljesítményt a opt [db] p opt [mw] Feladat: kösse össze üvegszállal a lézer forrás kimenetét a vizsgált fotodetektorral. Kapcsoljon 0, 3, 6V -os elıfeszítı feszültséget a fotodetektorra és mérje meg a fotoáramot különbözı optikai teljesítmények esetén és ábrázolja az I d (P opt ) kapcsolatot különbözı elıfeszítı feszültségek esetén. a opt [db] / U pd [V] Az alkalmazott mérési elrendezés: 7

8 Feladat: a mért egyenáramú paraméterek alapján számítsa ki a fotodetektor érzékenységét (R [A/W]) 3.2. Mikrohullámú referencia jel átvitele optikai közegen keresztül, különbözı frekvenciákon és munkapontokban, az átvitt jel spektrumanalizátoros detektálásával. A legegyszerőbb optikai átviteltechnikai mérés, amikor egyetlen szinuszos vivıjelet viszünk át az optikai közegen. Az optikai modulátor a generátor szinusz alakú elektromos jelébıl és a lézer egyen optikai teljesítményébıl elıállítja az intenzitás modulált optikai jelet. Ez a modulált jel üvegszálon keresztül eljut a detektor bemenetére. A detektor ezt a jelet átkonvertálja elektromos jellé, melynek frekvenciája megegyezik a moduláló frekvenciával, amplitúdója pedig függ a detektor moduláló frekvencián jellemzı érzékenységétıl. A detektált jel modulált tartalmát a spektrumanalizátor méri. Feladat: mérje meg az az optikai modulátor kimenı egyen optikai teljesítményét az optikai multiméter segítségével (P ki [mw]). Állítsa össze az optikai átvitel mérést. Mérje meg a fotodetektor kimenı teljesítményét 500 MHz jelfrekvencia esetén, különbözı munkapontokban. Ismételje meg a mérést 1 GHz, 2 GHz-es frekvenciákon. Elıfesz / Frekvencia 500 MHz 1 GHz 2 GHz 0V 1V 2V 4V 6V 8V 8

9 Az alkalmazott mérési elrendezés: 4. Ismétlı kérdések: 1. Ábrázolja a fotodetektor belsı blokkvázlatát és röviden ismertesse a detektor mőködését! 2. Ábrázolja és röviden ismertesse a fotodetektor egyenáramú helyettesítıképét és a fotoáram - optikai teljesítmény karakterisztikája! Mi okozza a görbék lineáris és telítési szakaszait? 3. Mely mért karakterisztikából és hogyan határozható meg a fotodióda érzékenysége? Rajzolja fel és ismertesse a szükséges karakterisztikát! 4. Ábrázolja és röviden ismertesse a fotodetektor áram - feszültség karakterisztikája! Mi okozza a görbék vízszintes szakaszait? 5. Ábrázolja és röviden ismertesse az optikai átvitel mérés módszerét! 9