Les sources optiques sont des composants essentiels des systèmes de communication optique ; il est donc crucial de garantir leur bon fonctionnement. Ceci est généralement réalisé de deux manières : soit par une mesure ou un test unique pour vérifier que le dispositif répond aux spécifications du catalogue, soit par la surveillance de certains paramètres de fonctionnement (puissance optique, longueur d’onde, etc.).
Pour toutes ces applications, une large gamme d'instruments est disponible sur le marché pour la mesure et la caractérisation des sources optiques en général : lasers DFB, lasers Fabry-Perot, LED, VCSEL, etc. Selon le type de mesure à effectuer, l'application et l'environnement de travail (usine, laboratoire de recherche, salle de contrôle, etc.), une solution et une configuration de mesure spécifiques doivent être choisies. Cet article analyse certaines solutions disponibles dans le commerce permettant la caractérisation des principaux paramètres de fonctionnement d'une source laser. Des instruments plus spécifiques existent également pour d'autres types de mesures, mais cela dépasse le cadre de cet article.
Caractérisation optoélectronique d'une diode laser.
L'aspect typique d'un module de diode laser est illustré à la figure 1. Il se compose essentiellement d'une source laser avec une photodiode intégrée pour la mesure de la puissance optique, ainsi que d'une thermistance et d'un module thermoélectrique (TEC) pour réguler la température de fonctionnement du dispositif. Les modules haute vitesse intègrent également un modulateur où est injecté le signal numérique à transmettre ; toutefois, nous nous concentrerons ici sur la caractérisation en courant continu du dispositif. Pour ce faire, un système de mesure tel que celui présenté à la figure 2 peut être utilisé. Il s'agit d'un système de test lumière-courant-tension (LIV) de Keithley Instruments. L'unité modèle 2420 alimente la diode laser et effectue un balayage de courant de 0 à 3 A par paliers programmables. À chaque palier, l'unité 2420 enregistre les mesures de courant et de tension, tandis que l'unité 2502 mesure et enregistre le courant traversant les photodiodes. Une fois le balayage terminé, les deux appareils transfèrent les données vers un ordinateur pour une analyse plus approfondie. À l'aide d'un logiciel approprié, les courbes de fonctionnement du dispositif peuvent être tracées et ses paramètres caractéristiques calculés. La figure 3 illustre ces résultats.
Les mesures de test en courant continu généralement effectuées sur une diode laser peuvent être résumées comme suit : tension directe, courant de seuil, intensité lumineuse, rendement différentiel (dL/dI), tension inverse de la photodiode (contrôle), courant de la photodiode et courant d'obscurité de la photodiode. Certaines de ces mesures sont décrites plus en détail ci-dessous.
Test de tension directe
: Le test de tension directe (VF) vérifie les caractéristiques de polarisation directe de la diode laser. Il consiste à effectuer un balayage du courant de polarisation (IF) et à mesurer la chute de tension aux bornes de la diode. Dans la plupart des cas, le balayage est effectué jusqu'à 1 A par incréments de 0,5 ou 0,25 mA, bien que certaines diodes laser haute puissance nécessitent des courants allant jusqu'à 2–3 A par incréments de 1 mA. Les mesures de tension directe sont comprises entre 0 et 10 V avec une résolution de l'ordre du microvolt. La durée du balayage est de l'ordre de quelques millisecondes.
Test de courant de seuil :
Le courant de seuil du laser (Ith) est défini comme le courant auquel le dispositif entre en mode laser et commence à émettre. Sa valeur peut être obtenue en dérivant deux fois la courbe LI et en calculant la position de son maximum. La figure 4 représente graphiquement la procédure de calcul.
Test d'intensité lumineuse
: L'intensité lumineuse peut être mesurée de deux manières : en courant alternatif (CA) et en courant continu (CC). La mesure en CA utilise un simple wattmètre optique connecté à la sortie de la diode laser. La mesure en courant continu (CC), quant à elle, consiste à placer une photodiode polarisée en inverse à la sortie du laser et à mesurer son courant continu à l'aide d'un multimètre de haute précision (picoampèremètre). Lorsque des mesures de puissance optique sont nécessaires, une sphère d'intégration et un détecteur étalonnés sont utilisés. Le logiciel du système exploite la valeur du courant électrique mesuré ainsi que les données d'étalonnage de la photodiode pour calculer la puissance optique à la sortie du module. La plage de courant typique de la photodiode est de 0 à 3 mA, avec une résolution de 0,1 mA. Le principal avantage de la mesure en courant continu est sa rapidité par rapport à la mesure en courant alternatif (CA).
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Le test d'efficacité de pente
, également appelé « test de point d'inflexion », vérifie la linéarité de la courbe de linéarité (LI) du laser. Il consiste à calculer la dérivée première de la courbe afin de détecter d'éventuels pics susceptibles d'affecter la réponse en modulation du laser. Le graphique dL/dI doit être pratiquement horizontal dans la plage de fonctionnement du laser. Dans le cas contraire, le dispositif peut être considéré comme défectueux. La figure 5 illustre le processus de détection d'un laser défectueux.
Tests de photodiodes :
Les principales mesures effectuées sur une photodiode de contrôle sont la tension de claquage inverse et le courant d'obscurité. La tension de claquage inverse limite la tension maximale admissible pour la photodiode polarisée en inverse sans endommager la jonction. Cette valeur est estimée en alimentant le dispositif avec un courant de -0,01 mA et en mesurant la tension résultante aux bornes de la jonction. Le courant d'obscurité, quant à lui, peut être obtenu en bloquant le courant de la diode laser (il faut également s'assurer qu'aucun autre photon n'atteigne la photodiode), en polarisant la jonction de la photodiode et en mesurant le courant qui en résulte.
Dépendance à la température :
La plupart des mesures décrites ci-dessus dépendent de la température. Par conséquent, la caractérisation des diodes laser est généralement effectuée à la fois à la température nominale et aux températures de fonctionnement extrêmes spécifiées (généralement -40, 25 et 85 °C). Dans d’autres cas, le test LIV est réalisé à différentes températures : 5 °C, 10 °C, 15 °C, 20 °C, 25 °C et 30 °C. La thermistance et le module thermoélectrique (TEC) du module laser (figure 1) permettent de surveiller la température de fonctionnement du dispositif. Des mesures de test sont également effectuées pour vérifier le bon fonctionnement de ces composants. Ces mesures consistent essentiellement à moduler la température de fonctionnement et à vérifier la résistance de la thermistance une fois la nouvelle température atteinte. Des courants de l’ordre du microampère sont utilisés pour mesurer la résistance de la thermistance afin de minimiser la dissipation de puissance.
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Auteur:
Francisco Ramos Pascual. Docteur en ingénierie des télécommunications
Professeur titulaire à l'Université polytechnique de Valence
