Optische Quellen sind Schlüsselkomponenten optischer Kommunikationssysteme, weshalb deren einwandfreie Funktion von entscheidender Bedeutung ist. Dies wird typischerweise auf zwei Arten erreicht: durch eine einzelne Messung oder einen Test, um zu überprüfen, ob das Gerät die Katalogspezifikationen erfüllt, oder durch die Überwachung bestimmter Betriebsparameter (optische Leistung, Wellenlänge usw.).
Für all diese Zwecke steht auf dem Markt eine breite Palette an Messgeräten zur Verfügung, um optische Quellen allgemein zu messen und zu charakterisieren: DFB-Laser, Fabry-Perot-Laser, LEDs, VCSELs usw. Je nach Art der durchzuführenden Messung, der Anwendung und der Arbeitsumgebung (Produktionsanlage, Forschungslabor, Kontrollraum usw.) muss eine geeignete Lösung sowie ein spezifischer Messaufbau ausgewählt werden. Dieser Artikel analysiert einige der kommerziell erhältlichen Lösungen zur Charakterisierung der wichtigsten Betriebsparameter einer Laserquelle. Für andere Messarten existieren weitere, spezifischere Messgeräte; dies geht jedoch über den Rahmen dieses Artikels hinaus.
Optoelektronische Charakterisierung einer Laserdiode.
Abbildung 1 zeigt den typischen Aufbau eines Laserdiodenmoduls. Es besteht im Wesentlichen aus der Laserquelle mit einer integrierten Fotodiode zur Überwachung der optischen Leistung sowie einem Thermistor und einem thermoelektrischen Kühler (TEC) zur Regelung der Betriebstemperatur. Hochgeschwindigkeitsmodule verfügen zusätzlich über einen integrierten Modulator, in den das zu übertragende digitale Signal eingespeist wird. In diesem Fall konzentrieren wir uns jedoch auf die Gleichstromcharakterisierung des Bauelements. Hierfür kann ein Messaufbau wie in Abbildung 2 dargestellt verwendet werden. Es handelt sich um ein Licht-Strom-Spannungs-Messsystem (LIV) von Keithley Instruments. Das Gerät Modell 2420 versorgt die Laserdiode mit Strom und führt einen Stromdurchlauf von 0 bis 3 A in programmierbaren Schritten durch. Für jeden Schritt speichert das Gerät 2420 die Strom- und Spannungsmessungen, während das Gerät 2502 den Stromfluss in den Fotodioden misst und speichert. Nach Abschluss des Durchlaufs übertragen beide Geräte die Daten zur weiteren Analyse auf den PC. Mithilfe geeigneter Software lassen sich die Betriebskennlinien des Geräts darstellen und die charakteristischen Parameter berechnen. Ein Beispiel für diese Ergebnisse ist in Abbildung 3 gezeigt.
Die typischerweise an einer Laserdiode durchgeführten Gleichstrommessungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Durchlassspannung, Schwellenstrom, Lichtintensität, differentieller Wirkungsgrad (dL/dI), Sperrspannung der Fotodiode (Überwachung), Fotodiodenstrom und Dunkelstrom der Fotodiode. Einige dieser Messungen werden im Folgenden detaillierter erläutert.
Vorwärtsspannungsprüfung
: Die Vorwärtsspannungsprüfung (VF) überprüft die Vorwärtskennlinie der Laserdiode. Dabei wird der Vorspannungsstrom (IF) variiert und der Spannungsabfall an der Diode gemessen. In den meisten Fällen wird der Strom bis zu 1 A in Schritten von 0,5 oder 0,25 mA variiert, obwohl einige Hochleistungslaserdioden Ströme von bis zu 2–3 A in 1-mA-Schritten benötigen. Die Vorwärtsspannungsmessungen erfolgen im Bereich von 0–10 V mit einer Auflösung im Mikrovoltbereich. Die Messdauer beträgt wenige Millisekunden.
Schwellenstromprüfung:
Der Schwellenstrom (Ith) ist der Strom, bei dem das Bauelement in den Lasermodus wechselt und zu emittieren beginnt. Sein Wert kann durch zweimaliges Differenzieren der LI-Kennlinie und anschließende Bestimmung des Maximums ermittelt werden. Abbildung 4 veranschaulicht das Berechnungsverfahren. Lichtintensitätsprüfung
:
Lichtintensität kann auf zwei Arten gemessen werden: mit Wechselstrom (AC) und mit Gleichstrom (DC). Die AC-Messung erfolgt mit einem einfachen optischen Leistungsmesser, der an den Ausgang der Laserdiode angeschlossen wird. Die Gleichstrommessung hingegen erfolgt durch Anschließen einer in Sperrrichtung betriebenen Fotodiode an den Laserausgang und Messung des Gleichstroms der Fotodiode mit einem hochpräzisen Multimeter (Pikoamperemeter). Für optische Leistungsmessungen werden eine kalibrierte Ulbricht-Kugel und ein Detektor verwendet. Die Systemsoftware berechnet anhand des gemessenen Stromwerts und der Kalibrierungsdaten der Fotodiode die optische Leistung am Modulausgang. Der typische Strommessbereich der Fotodiode liegt zwischen 0 und 3 mA mit einer Auflösung von 0,1 mA. Der Hauptvorteil der Gleichstrommessung besteht in ihrer höheren Geschwindigkeit im Vergleich zur Wechselstrommessung.
.jpg)
Steigungseffizienztest
, auch „Knicktest“ genannt, überprüft die Linearität der Linearitätskurve (LI-Kurve) des Lasers. Dabei wird die erste Ableitung der Kurve gebildet, um etwaige „Spitzen“ zu erkennen, die das Modulationsverhalten des Lasers beeinflussen könnten. Der dL/dI-Graph sollte innerhalb des Betriebsbereichs des Lasers nahezu horizontal verlaufen. Andernfalls gilt das Gerät als defekt. Abbildung 5 veranschaulicht das Verfahren zur Erkennung eines defekten Lasers.
Photodiodenprüfung:
Die wichtigsten Messungen an der Monitor-Photodiode sind die Sperrspannung und der Dunkelstrom. Die Sperrspannung begrenzt die maximale Spannung, die an die in Sperrrichtung betriebene Photodiode angelegt werden kann, ohne den pn-Übergang zu zerstören. Dieser Wert wird ermittelt, indem man die Photodiode mit einem Strom von -0,01 mA versorgt und die resultierende Spannung am pn-Übergang misst. Der Dunkelstrom hingegen kann bestimmt werden, indem man den Laserdiodenstrom blockiert (es muss außerdem sichergestellt werden, dass keine weiteren Photonen auf die Photodiode treffen), den pn-Übergang der Photodiode vorspannt und den resultierenden Stromfluss misst.
Temperaturabhängigkeit:
Die meisten der oben beschriebenen Messungen sind temperaturabhängig. Daher wird die Charakterisierung der Laserdiode üblicherweise sowohl bei der Nenntemperatur als auch bei den spezifizierten extremen Betriebstemperaturen (typischerweise -40 °C, 25 °C und 85 °C) durchgeführt. In anderen Fällen wird der LIV-Test in einem Temperaturbereich von 5 °C, 10 °C, 15 °C, 20 °C, 25 °C und 30 °C durchgeführt. Der Thermistor und der TEC des Lasermoduls (Abbildung 1) dienen zur Überwachung der Betriebstemperatur des Bauteils. Zusätzlich werden Testmessungen durchgeführt, um die korrekte Funktion dieser Komponenten zu überprüfen. Diese Messungen bestehen im Wesentlichen darin, den Betriebstemperaturpunkt zu modulieren und den Widerstand des Thermistors nach Erreichen der neuen Temperatur zu überprüfen. Zur Minimierung der Verlustleistung werden Mikroampereströme zur Messung des Thermistorwiderstands verwendet.
Weitere Informationen oder ein Angebot
Autor:
Francisco Ramos Pascual, Doktor der Telekommunikationstechnik
Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia
