MÉRÉSI SEGÉDLET KÖZVETLENÜL MODULÁLT LÉZERADÓ VIZSGÁLATA V2 épület VI.emelet 602. Optikai és Mikrohullámú Távközlés Labor Marozsák Tamás és Kovács Gábor anyagai alapján a mérési utasítást összeállította: Gerhátné Dr. Udvary Eszter 2010 augusztus 18. 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) 463 15 59, fax : (+36 1) 463 32 89
A mérés célja a fénytávközlés egyszerőbb alkalmazásaiban leginkább elterjedt direkt modulációval mőködı lézer adó megismerése. A mérésben felhasznált lézer modul kialakítása lehetıvé teszi, hogy a mérés során közvetlenül megfigyelhetı legyen annak mőködése, befolyásolhatók legyenek a mőködést maghatározó paraméterek, érzékelhetık az egymódusú lézer adók kialakításával kapcsolatos legfontosabb problémák. 1. Intenzitás moduláció, direkt moduláció, monomódusú fénytávközlés Az intenzitás moduláció nem más, mint a fénynek, azaz igen nagy frekvenciájú elektromágneses jelnek az amplitúdó modulációja. Megvalósítása lényegesen egyszerőbb mint a frekvencia modulációé, ezért a gyakorlatban nagyrészt intenzitás modulációt alkalmaznak. Matematikailag az intenzitás modulált jel a következıképp írható le: P ( t) = P0 (1 + g( t)) általában, és P( t) = P0 (1 + m sin( ωt)) szinuszos moduláció esetén. P az optikai teljesítmény, vagy intenzitás, m a modulációs index. m azt adja meg, hogy maximum milyen mértékben oltjuk ki a fényt a moduláló jellel: Pmax Pmin m =. Pmax + Pmin A fény intenzitását watt-ban ill. dbm-ben mérjük, intenzitások arányát pedig db-ben ill db el - ben fejezzük ki. A db el bevezetését az indokolja, hogy az optikai-elektromos konverzió a teljesítménnyel arányos áramot állít elı, ezért az duplája az optikai decibel értéknek. Jelen mérésben az intenzitás modulációt a fénykibocsátó lézer dióda közvetlen, direkt modulálásával érjük el. Ilyenkor a meghajtó elektromos teljesítményt, egészen pontosan az áramot változtatjuk, és ezáltal moduláljuk a kibocsátott fényteljesítményt. A módszer hátránya, hogy a lézerdiódák elektromos sávszélessége korlátozott, valamint a fényteljesítmény gyors változását mindig kíséri hullámhossz változás is, amit angolul chirpnek neveznek. Ezt a jelenséget egyes rendszerek éppen a fény FM modulálására használják, azonban a hullámhossz eltolódás általában nem kívánatos. E két hátrányt küszöböli ki az indirekt (külsı) moduláció, amikor a lézer állandó teljesítménnyel sugároz, és a fény útjába tett, optikai csillapítását szabályozható eszközzel hozzák létre az intenzitás modulációt. Ezek általában interferometrikus elven mőködnek, legelterjedtebb a Mach-Zender féle interferometrikus modulátor. Elınye a direkt modulációval szemben, hogy sávszélessége nagyobb, tipikusan 20 GHz, viszont csak 30 % körüli modulációs mélységet lehet vele elérni számottevı torzítás nélkül. Egyszerősége és gazdaságossága miatt gyakran használjuk a direkt modulációs eljárás. Ugyanezen okok miatt sokáig a multimódusú technológia (ahol LED-ek is használhatók) volt a térhódító, azonban az olcsó hosszúhullámú lézerdiódák (1300, 1550 nm) megjelenésével gyorsan kezdtek visszaszorulni a monomódusú világnak adva át a helyet. A hosszú hullámú lézerdiódákra két fı ok miatt volt szükség: 1300 nm-en a 10 µm körüli szál magátmérı már csak egymódusú, nincs többé módus diszperzió az üvegszál csillapításának minimuma 1550 nm-en, diszperziójának minimuma 1310nmen van. Az egymódusú mőködés nagy elınye, hogy nincs módusdiszperzió, az átvihetı sávszélesség és az ismétlık közti maximális kábelhossz nagyságrendekkel nagyobb. Azonban ez a technológia nagy precizitást igényel, ahogy ezt a használt eszközök magas ára is mutatja. 2
2. A mérés során használt eszközök kívülrıl elıfeszíthetı, modulálható lézer adó modul precíziós vezérelhetı tápegység digitális multiméter optikai multiméter optikai spektrumanalizátor mikrohullámú jelgenerátor széles sávú optikai/elektromos konverter spektrumanalizátor monomódusú üvegszálak, toldók A lézer modulban lévı félvezetı lézerdióda DFB típusú, kvantumvölgyes dióda, melynek maximális modulációs sávszélessége 10 GHz körüli. A tokozás miatt azonban csak körülbelül 2 GHz-ig használható, felette a tokozás parazita kapacitása és induktivitása elrontja a modulációs karakterisztikát. A lézerdióda tokjában megtörténik a fény szálba csatolása, aminek szokásos hatásfoka 50%, tehát a szálban mérhetı teljesítmény mindig kisebb, mint amennyit belül a dióda sugároz. A DFB lézer elınye az egy (longitudinális) módusú sugárzási spektrum. Körülbelül 1312 nm hullámhosszon sugároz, maximális szálban mérhetı optikai teljesítménye 2 mw körüli. 3. Elvégzendı feladatok 3.1. Óvintézkedések A mérések megkezdése elıtt a precíziós tápegységen 40 ma áram korlátot be kell állítani, mivel a lézer modul nem védett sem rossz polaritás, sem túlzott elıfeszítés ellen! A moduláló jel bekapcsolása elıtt mindig ellenırizni kell a lézer adó elıfeszítettségét. A modul elsı feszültség alá helyezését a mérésvezetı végezze! 3.2. Lézerdióda I-U és I-P karakterisztikájának felvétele, küszöbáram meghatározása, optikai spektrum vizsgálata I-U karakterisztika A lézerdiódák a legegyszerőbb megközelítésben p-n átmenetet tartalmazó félvezetı eszközök. Felépítésük azonban rendkívül bonyolult is lehet, ennek függvényében elektromos karakterisztikájuk eltérhet a megszokott diódakarakterisztikától. A lézerdiódát egy belsı diódával és egy soros ellenállással modellezhetjük. Ideális esetben a lézermőködés megindulása után a belsı diódán nem nı tovább a feszültség, csupán a soros ellenálláson esı feszültség fog emelkedni ahogy növeljük az áramot. A lézerdiódák kevéssé bírják a záró irányú elıfeszítést, ezért a polaritásra rendkívül oda kell figyelni! Az alkalmazható nyitóirányú feszültség 1 és 2 volt között van, amit az korlátoz, hogy az eszköz a benne létrejövı nagy áramsőrőség következtében tönkremehet. Az áram megengedett maximális értéke általában 100 ma alatt van. P-I karakterisztika, küszöbáram A lézerdióda mőködésének alapja, hogy a félvezetı-szerkezet aktív rétegébe töltéshordozókat, elektronokat injektálunk erıs áram segítségével (pumpálás). Bizonyos áram sőrőség felett a vezetési sávban több elektron lesz, mint a vegyértéksávban, ezt a folyamatot populáció inverziónak nevezik. Az inverzió létrejötte után a dióda spontán sugárzása koherens sugárzásba megy át, megindul a lézermőködés. Az ehhez szükséges minimális áramot küszöbáramnak nevezzük és ez egyik fontos paramétere a lézerdiódáknak (I th, threshold 3
current). A küszöbáram felett a kibocsátott fény teljesítménye, intenzitása, egyenesen arányos a meghajtó árammal. Ez a linearitás figyelemre méltó, a harmonikusok aránya tipikusan - 40 db el alatt van. Ez különösen alkalmassá teszi ezeket az eszközöket távközlési célokra. Optikai spektrum a munkapont függvényében A dióda sugárzási spektruma függ a munkapontjától. Küszöbáram alatt véletlenszerő fénykibocsátást figyelhetünk meg (LED mőködés), küszöbáram felett a dióda spontán sugárzása koherens sugárzásba megy át, megindul a lézermőködés. Feladat: Állítsa össze a következı mérési elrendezés, mérje meg felsorolt paramétereket és ellenırizze az elméleti részben mondottakat! Hımérséklet szabályzás Lézer modul pigtail 9/125 üvegszál Optikai spektrumanalizátor A DC elôfeszítés 1.Feladat: mérje meg az I-U karakterisztikát a feszültség szükség szerinti léptetésével! A tápegység 6 voltos kimenetét használja. A mérés során a lézerdiódát nem áram-, hanem feszültséggenerátorral hajtjuk meg, ezért állítsa be az áramkorlátot! Ábrázolja az áramfeszültség görbét. 2.Feladat: mérje meg az I-P karakterisztikát 25ºC-on (R thermisztor =10kΩ)! A feszültséget kis lépésekben úgy változtassa, hogy az áram kb. milliamperes lépésekben változzon (szükség szerint esetleg kisebb lépésben is). Ábrázolja az optikai teljesítmény-áram karakterisztikát, határozza meg a küszöbáram értékét. 3.Feladat: mérje meg az optikai spektrumot küszöbáram alatt és felett! 3.3. A hımérséklet és a munkapont hatása a kibocsátott jelre A hımérséklet függvényében a karakterisztika (elsısorban a küszöbáram értéke) változik. Hımérséklet hatására a rezonátor kismértékő elhangolódását is megfigyelhetjük, ami a lézermódusok, azaz a kisugárzott fény hullámhosszának változásához vezet. Mindezek alapján a lézerdiódát hımérséklet stabilizálni kell. Gyakran az öregedés hatását is kompenzálják. A dióda tokjába beépített monitor-fotodióda segítségével megfelelı szabályzó áramkört alakítanak ki. 4
Feladat: optikai spektrumanalizátorral mérje meg a teljesítmény és hullámhossz változását 20 és 60ºC között! A munkaponti feszültséget úgy állítsa be, hogy 25ºC-on a detektált fényteljesítmény 0.5mW legyen. Ábrázolja a teljesítmény-hımérséklet és a hullámhosszhımérséklet karakterisztikákat. 3.4. A relatív intenzitás zaj (RIN) szemléltetése A relatív intenzitás zaj a félvezetı lézerdiódák optikai teljesítményének ingadozását jellemzi. Megadni dbc/hz - ben szokás, és azt fejezi ki, hogy milyen arányban áll egységnyi sávszélességben a jel és a zajteljesítmény. Kimutatásának módja egyszerő, a modulálatlan, munkapontba elıfeszített lézer fényét nagy sebességő fotodetektorra engedjük és a kapott elektromos jelet spektrum analizátorral vizsgáljuk. Hiteles mérést végezni meglehetısen nehéz, mivel a mérırendszer minden elemének van zaj hozzájárulása. A mérést korlátozza a mérési összeállítás saját zaja, azonban a lézer munkaponti áramának változtatásával bizonyítékot kaphatunk, hogy a zajt valóban a lézerdióda kelti. A zajspektrumnak maximuma van a relaxációs oszcillációs frekvencián, ami növekvı elıfeszítés hatására a magasabb frekvenciák felé tolódik. A relaxációs oszcillációs frekvencia a fotonszám és az elektronszám rezonanciája. A lézer dióda aktív rétegében a gerjesztett töltéshordozók fotonokat hoznak létre, minek következtében számuk lecsökken. Ekkor a fotonok gerjesztıdésének üteme kis késéssel szintén csökkenni kezd. Ez viszont lehetıvé teszi a gerjesztett töltéshordozók újbóli megszaporodását. Így a dolog kezdıdik elölrıl, a fotonok száma ismét megszalad. Ez a rezgés a kondenzátor és a tekercs közti kölcsönhatásra hasonlít, csak itt az optikai és az elektromos mágneses tér vannak kölcsönhatásban. Feladat: jelenítse meg a spektrum analizátor segítségével a RIN spektrumát. Mérje meg a relaxációs oszcilláció frekvenciáját (T=25ºC, P opt =0.5mW)! Az alkalmazott mérési elrendezés: Lézer modul pigtail 9/125 üvegszál HP 11982A O/E átalakító Agilent Spektrum analizátor DC elôfeszítés 3.5. Direkt modulált jel átvitele, linearitás A félvezetı lézerdióda rendkívül lineáris optikai-elektromos átalakító. Kommunikációs alkalmazásokban fontos azt tudni, hogy ennek a lineáris átalakításnak mekkora a határfrekvenciája, az adott lézer milyen sávszélességő jelek optikai átvitelére ad lehetıséget. A félvezetı lézerdiódák határfrekvenciáját a relaxációs oszcillációs frekvencia szabja meg. Ez a rezonancia meghatározza az alkalmazható legnagyobb modulációs frekvenciát. Ez erısen függ a munkaponti áram nagyságától ezért az átvitel görbéit azzal paraméterezni kell. A nagy munkaponti áram nagyobb sávszélességet eredményez, azonban csökkenti a lézer élettartamát, ezért annak megválasztásánál kompromisszumot kell kötni. A lézerdióda lineáris mőködtetésének feltétele, hogy a meghajtó áram mindig nagyobb legyen a küszöbáramnál, és kisebb legyen annál az értéknél ahol az intenzitás-áram karakterisztika kezd visszahajlani. Az ilyen túl- illetve alulvezérlési okokból eredı torzításokat jól lehet szemléltetni idı- és frekvencia tartományban egyaránt. 5
Analóg átvitel esetén a moduláló jel amplitudóját tehát a munkaponti áramnál semmiképp nem választhatjuk nagyobbra hiszen 100%-os modulációnál nagyobbat elvileg sem lehet megvalósítani. A modulációs mélységet optikai tartományban értelmezzük. Ha pl. 50%-os modulációs mélységet választunk, akkor elektromos oldalról meg kell nézni a munkaponti áramot, a fele akkora optikai teljesítményhez tartozó meghajtó áramot, és a kettı különbsége adja a moduláló jel áram-amplitudóját. Digitális átvitel esetében a torzítás nem annyira érdekes, mint inkább a nagy logikai szintek közti különbség. Ott az lehet szempont, hogy a nullszinthez tartozó meghajtó áramot nem érdemes a küszöbáram alá vinni, mert a dióda feléledési ideje jobban korlátozni fogja az átviteli sebességet. Feladat: az RF generátoron állítson be 500 MHz-et, majd mérje meg a második, ill. harmadik harmonikus szintjét az alapharmonikushoz képest (db c ) három különbözı munkapontban (túl alacsony, túl magas munkaponti beállításokban és a lineáris szakaszon)! Az alkalmazott mérési elrendezés: HP 8350B Sweep gen. Lézer modul pigtail 9/125 üvegszál HP 11982A O/E átalakító Agilent Spektrum analizátor DC elôfeszítés 4. Ismétlı kérdések: 1. Mi az intenzitás moduláció? 2. Milyen moduláló eljárásokat, eszközöket ismer? 3. Milyen elınyei, hátrányai vannak a direkt modulációnak? 4. Mit jelent az, hogy egy optikai rendszer egymódusú, milyen elınyökkel jár? 5. Mi a küszöbáram? 6. Mi a relaxációs oszcilláció, és mit befolyásol? 7. Mi a RIN? 6