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) 463 15 59, fax : (+36 1) 463 32 89
Fotovevı vizsgálata _______________________________________________________________________________________
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
Fotovevı vizsgálata _______________________________________________________________________________________
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 (Cb) valósítja meg, amely a Z0 karakterisztikus impedanciájú vonalon helyezkedik el. Az aluláteresztı szőrı egy soros leválasztó induktivitásból (Le), egy hidegítı kondenzátorból (Ce) és egy soros ellenállásból (Re) áll. Impedancia illesztıként az áramkör egy T-tagos impedancia illesztıt tartalmaz.
Vizsgáljuk meg az áramkör egyenáramú és nagyfrekvenciás viselkedését. Egyenáramú szempontból a kapacitások (Ce, Ci, Cb) szakadással, az induktivitások (L, Le) rövidzárral helyettesíthetık. Nagyfrekvencián a kapacitások rövidzárral (Ce, Ci, Cb), 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 R0 ellenállással.
3
Fotovevı vizsgálata _______________________________________________________________________________________
Egyenáram
Nagyfrekvencia
Az egyenáramú helyettesítı képbıl látszik, hogy a fotodiódát az Re 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 Ii áram az Re és R0 ellenállásokból álló áramosztóra jut, melybıl számunkra csak az R0 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 Re értékét R0-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
Fotovevı vizsgálata _______________________________________________________________________________________
Paraméter Elıfeszítés Érzékenység Sávszélesség Kapacitás Sötét áram
Jelölés Ue 1300 nm 1550 nm fC C Id
Min. 1 0.8 0.85 2.5
Tip. 5 0.9 0.95 3.5 0.35 1
Max 10
0.55 2
Egység V
Teszt feltételek
A/W
Ue=5V
GHz pF nA
Ue =5V RL=50Ω Ue =5V f=1MHz Ue =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 (Popt) világítható meg a fotodetektor és az így mért fotoáramokkal felvehetı az i/Popt 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
Fotovevı vizsgálata _______________________________________________________________________________________
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 (U2), akkor a munkaegyenes az origótól elfelé, ha csökkentjük (U3), 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 (R2) esetén az egyenes kisebb, kisebb ellenállás esetén (R3) 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
Fotovevı vizsgálata _______________________________________________________________________________________
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 aopt [dB] popt [mW]
0
1
2
3
4
5
6
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 Id(Popt) kapcsolatot különbözı elıfeszítı feszültségek esetén. aopt [dB] / Upd [V] 0 3 6
0
1
Az alkalmazott mérési elrendezés:
7
2
3
4
5
6
Fotovevı vizsgálata _______________________________________________________________________________________
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 (Pki[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
8
0V
1V
2V
4V
6V
8V
Fotovevı vizsgálata _______________________________________________________________________________________
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
