Le sorgenti ottiche sono componenti chiave dei sistemi di comunicazione ottica, pertanto è fondamentale garantirne il corretto funzionamento. Ciò si ottiene in genere in due modi: tramite una singola misurazione o un test per verificare che il dispositivo soddisfi le specifiche di catalogo, oppure monitorando determinati parametri operativi (potenza ottica, lunghezza d'onda, ecc.).
Per tutti questi scopi, sul mercato è disponibile un'ampia gamma di strumentazione per la misurazione e la caratterizzazione di sorgenti ottiche in generale: laser DFB, laser Fabry-Perot, LED, VCSEL, ecc. A seconda del tipo di misurazione da eseguire, dell'applicazione e dell'ambiente di lavoro (impianto di produzione, laboratorio di ricerca, sala di controllo dell'operatore, ecc.), è necessario scegliere una soluzione o un'altra, nonché una specifica configurazione di misura. Questo articolo analizzerà alcune delle soluzioni disponibili in commercio che consentono la caratterizzazione dei principali parametri operativi di una sorgente laser. Esistono anche strumentazioni più specifiche per altri tipi di misurazioni, sebbene ciò esuli dall'ambito di questo articolo.
Caratterizzazione optoelettronica di un diodo laser.
L'aspetto tipico di un modulo a diodo laser è mostrato in Figura 1. Esso è costituito essenzialmente dalla sorgente laser con un fotodiodo integrato per monitorare la potenza ottica, nonché da un termistore e un TEC (refrigeratore termoelettrico) per controllare la temperatura di esercizio del dispositivo. I moduli ad alta velocità incorporano anche un modulatore integrato in cui viene iniettato il segnale digitale da trasmettere, sebbene nel nostro caso ci concentreremo sulla caratterizzazione in corrente continua (DC) del dispositivo. A tale scopo, è possibile utilizzare una configurazione di misura come quella mostrata in Figura 2. Si tratta di un sistema di test luce-corrente-tensione (LIV) della Keithley Instruments. L'unità modello 2420 alimenta il diodo laser, eseguendo una scansione di corrente da 0 a 3 A con passi programmabili. Per ogni passo, l'unità 2420 memorizza le misurazioni di corrente e tensione, mentre l'unità 2502 misura e memorizza il flusso di corrente nei fotodiodi. Una volta completata la scansione, entrambi i dispositivi scaricano i dati sul PC per ulteriori analisi. Utilizzando un software appropriato, è possibile tracciare le curve operative del dispositivo e calcolare i parametri caratteristici. Un esempio di questi risultati è mostrato nella Figura 3.
Le misurazioni di prova in corrente continua tipicamente eseguite su un diodo laser possono essere riassunte come segue: tensione diretta, corrente di soglia, intensità luminosa, efficienza di pendenza (dL/dI), tensione inversa del fotodiodo (monitor), corrente del fotodiodo e corrente di buio del fotodiodo. Alcune di queste misurazioni sono discusse più dettagliatamente di seguito.
Test di tensione diretta
: Il test di tensione diretta (VF) verifica le caratteristiche di polarizzazione diretta del diodo laser. Consiste nell'eseguire una scansione della corrente di polarizzazione (IF) e misurare la caduta di tensione ai capi del diodo. Nella maggior parte dei casi, la scansione viene eseguita fino a 1 A con incrementi di 0,5 o 0,25 mA, sebbene alcuni diodi laser ad alta potenza richiedano correnti fino a 2-3 A con incrementi di 1 mA. Le misurazioni della tensione diretta sono nell'intervallo 0-10 V con risoluzione in microvolt. La durata della scansione è dell'ordine di pochi millisecondi.
Test della corrente di soglia:
La corrente di soglia del laser (Ith) è definita come la corrente alla quale il dispositivo entra in modalità laser e inizia a emettere. Il suo valore può essere ottenuto derivando due volte la curva LI e calcolando la posizione del suo massimo. La Figura 4 rappresenta graficamente la procedura di calcolo.
Test dell'intensità luminosa
: L'intensità luminosa può essere misurata in due modi: CA e CC. La misurazione CA utilizza un semplice misuratore di potenza ottica collegato all'uscita del diodo laser. La misurazione in corrente continua (CC), invece, prevede il posizionamento di un fotodiodo polarizzato inversamente all'uscita del laser e la misurazione della corrente continua del fotodiodo con un multimetro ad alta precisione (picoamperometro). Quando sono necessarie misurazioni di potenza ottica, si utilizzano una sfera integratrice e un rivelatore calibrati. Il software di sistema utilizza il valore della corrente elettrica misurata, insieme ai dati di calibrazione del fotodiodo, per calcolare la potenza ottica all'uscita del modulo. L'intervallo tipico di corrente del fotodiodo è 0-3 mA con una risoluzione di 0,1 mA. Il principale vantaggio della misurazione in CC è la sua velocità rispetto alla misurazione in CA.
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Il test di efficienza della pendenza
, detto anche "test di flessione", verifica la linearità della curva di linearità (LI) del laser. Questo test prevede il calcolo della derivata prima della curva per rilevare eventuali "picchi" che potrebbero influenzare la risposta di modulazione del laser. Il grafico dL/dI dovrebbe essere praticamente orizzontale all'interno del range operativo del laser. In caso contrario, il dispositivo può essere considerato difettoso. La Figura 5 illustra il processo di rilevamento di un laser difettoso.
Test del fotodiodo:
Le principali misurazioni tipicamente eseguite sul fotodiodo del monitor sono la tensione di rottura inversa e la corrente di buio. La tensione di rottura inversa limita la tensione massima che può essere applicata al fotodiodo polarizzato inversamente senza distruggere la giunzione. Questo valore viene stimato alimentando il dispositivo con una corrente di -0,01 mA e misurando la tensione risultante ai capi della giunzione. La corrente di buio, invece, può essere ottenuta bloccando la corrente del diodo laser (assicurandosi inoltre che nessun altro fotone colpisca il fotodiodo), polarizzando la giunzione del fotodiodo e misurando la corrente risultante.
Dipendenza dalla temperatura:
la maggior parte delle misurazioni descritte sopra dipende dalla temperatura. Pertanto, la caratterizzazione del diodo laser viene solitamente eseguita sia alla temperatura nominale che alle temperature operative estreme specificate (tipicamente -40, 25 e 85 °C). In altri casi, il test LIV viene eseguito in un intervallo di temperature: 5 °C, 10 °C, 15 °C, 20 °C, 25 °C e 30 °C. Il termistore e il TEC (Figura 1) del modulo laser vengono utilizzati per monitorare la temperatura operativa del dispositivo. Vengono inoltre eseguite misurazioni di prova per verificare il corretto funzionamento di questi componenti. Queste misurazioni consistono essenzialmente nel modulare il punto di temperatura operativa e verificare la resistenza del termistore dopo che è stata raggiunta la nuova temperatura. Vengono utilizzate correnti in microampere per misurare la resistenza del termistore al fine di minimizzare la dissipazione di potenza.
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Autore:
Francisco Ramos Pascual. Dottore di ricerca in Ingegneria delle Telecomunicazioni
Professore ordinario presso l'Università Politecnica di Valencia
