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Power meterMisure di potenza assolutaMisure di potenza relativa
Misure di potenza
F. Poli
10 aprile 2008
F. Poli Misure di potenza
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Outline
1 Power meter
2 Misure di potenza assoluta
3 Misure di potenza relativa
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Misure di potenza
Misure di potenza = base della metrologia in fibra ottica.
Misure di potenza
1 assoluta : necessarie in relazione a sorgenti, rivelatori ericevitori;
2 relativa : importanti per la misura di attenuazione,guadagno, return loss.
Potenza ottica:
solitamente definita sulla base della potenza elettrica,misurabile con precisione tramite corrente e tensione.
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Power meter
Power meter1 con rivelatore termico : misura l’aumento di temperatura
causato dalla radiazione ottica;2 con fotorivelatore : i fotoni incidenti generano coppie
elettrone-lacuna.
Confronto
Caratteristiche Rivelatore termico FotorivelatoreDipendenza da λ indipendente da λ dipendente da λ
ampio range di λ range di λ 2:1Autocalibrazione disponibile non disponibile
Sensibilità molto bassa (10 µW ) molto alta (≤ 1 pW )Accuratezza ±1% (met. di cal.) ±2% (met. di cal.)
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Esempio di fotorivelatore: diodo p-i-n InGaAs
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Power meter con fotorivelatore
Elevata sensibilità, velocità di misura, semplicità d’uso.Potenza misurabile nel range tra -110 dBm e +10 dBm:
valore massimo per effetti di saturazione del fotorivelatorecon diminuzione della responsivity (attenuatori otticicalibrati per potenze maggiori);valore minimo limitato dall’averaging time della misura edalla corrente di buio del fotorivelatore (= corrente misuratain assenza del segnale ottico in ingresso).
Progettati per avere misure di potenza indipendenti dallostato di polarizzazione della luce in ingresso.Classificati come:
1 small-area : da utilizzare solo per misurare potenza inuscita da una fibra;
2 large-area : adatti per fasci in aria e applicazioni in fibra.
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Esempio: sensore di potenza large-area
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Responsivity
Responsivity [A/W]
efficienza di conversione tra potenza in ingresso e corrente inuscita dal fotorivelatore
Da calibrare per effettuare misure di potenza ottica.
È funzione di λ per tutti i fotorivelatori.
Misure accurate conoscendo la λ di segnale.
Disponibili fotorivelatori con responsivity scarsamentedipendente da λ nel range di interesse per le fibre ottiche.
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Esempio: responsivity dei diversi rivelatori
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Omogeneità spaziale
Responsivity deifotorivelatori variabilesulla superficie deldispositivo.
Posizione e diametrodel fascio incidentenon perfettamentecontrollabili ⇒disomogeneità dellasuperficie delfotorivelatoreresponsabili diincertezza di misura.
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Nonlinearità
Linearità importante per misure di potenza relativa (perditedi inserzione, guadagno).Contributi alla nonlinearità del power meter:
1 nonlinearità del fotorivelatore;2 nonlinearità dell’elettronica.
Nonlinearità
N(P) =r(P) − r(P0)
r(P0),
con r(P) responsivity del power meter al livello di potenza P, er(P0) responsivity al livello di riferimento (P0 = 10 µW ).
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Dipendenza dalla polarizzazione
Dovuta a:
struttura cristallina del materiale semiconduttore o delrivestimento del fotorivelatore;
stress meccanici nel rivelatore;
tilting del rivelatore rispetto all’asse del fascio (riduzionedelle riflessioni multiple).
Rivestimento anti-riflessioni
necessario per eliminare riflessioni multiple e problemi diinterferenza ottica nelle misure di potenza (rivelatori ottici conriflettività fino al 30%).
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Compatibilità con fibre ottiche
Fibre singolo-modo con bassa NA (NA = 0.1): nessunproblema nella misura di potenza.
Fibre con core piccolo e elevata NA (NA = 0.4, ad es. peramplificazione): misura di potenza difficoltosa.
Fibre angolate (minori problemi di riflessione, ma elevataNA): misura di potenza difficoltosa.
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Compatibilità con fibre ottiche (2)
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Esempio: potenza ottica assoluta di sorgenti ottichePotenza ottica assoluta [mW o dBm]
parametro chiave per tutte le sorgenti ottiche
Set-up di misura della potenza ottica:
la luce in uscita dalla fibra ottica incide su un diodofotorivelatore;
il fotorivelatore converte la potenza ottica in una correnteelettrica proporzionale.
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Esempio: misura di potenza di un LED
Potenza di un LED difficile da misurare:
ampia larghezza spettrale;
cambiamento della responsivity del rivelatore nel rangespettrale.
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Esempio: misura di potenza di un LED (2)
Possibile correzione conoscendo:
densità spettrale di potenza del LED;
spettro della responsivity del rivelatore.
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Esempio: misura di potenza di un LED (3)
Potenza coretta del LED a λ0: P = p0∫
f (λ)δλ
Misura errata: Pm = p0∫
f (λ)rrel (λ)δλ
Fattore di correzione: K =P
Pm=
∫f (λ)δλ
∫f (λ)rrel (λ)δλ
rrel (λ): responsivity relativaa λ0, rrel (λ0) = 1
p(λ): densità spettrale dipotenza del LED,p0 = p(λ0) [W/nm]
f (λ): spettro di emissionedel LED, f (λ0) = 1
Procedura di misura
1 determinare la λ centrale del LED, λ0;
2 settare il power meter a λ0 e misurare la potenza del LED;
3 se lo spettro del LED è simmetrico e la responsivity delrivelatore è lineare nella banda spettrale del LED, la potenzamisurata è corretta.
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Incertezze sulla misura di potenza assoluta
Incertezza casuale dovuta a instabilità di potenza :variabile tra 0.1% ad alcuni %.
Incertezza sistematica dovuta alla calibrazione del powermeter : datasheet (caso migliore ±2%).
Incertezza sistematica dovuta a λ.
Incertezza sistematica dovuta alla larghezza spettraledella sorgente .
Incertezza sistematica dovuta alla geometria del fascio(caso migliore: fascio centrato sul rivelatore e con diametropari a 2/3 di quello del rivelatore).
Incertezza sistematica dovuta al livello di potenza (rangedi potenza misurabile ampio, fino a 100 dB).
Incertezza sistematica e casuale dovuta alle riflessioni .
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Esempio: misura delle perdite di inserzione (1)Procedura di misura:
1 calibrazione : misura della potenza in ingresso aldispositivo di test (potenza di riferimento );
2 misura : nuova misura della potenza in presenza deldispositivo di test;
3 calcolo dell’attenuazione [dB] come rapporto tra i duevalori di potenza.
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Esempio: misura delle perdite di inserzione (2)
Incertezza di misuraAccuratezza assoluta sulla misura di potenza non richiesta.Incertezza sul rapporto tra potenze:
nonlinearità del power meter: è la nonlinearità tra i duelivelli di potenza rilevati, e dipende dal valore del rapportotra potenze;
dipendenza dalla polarizzazione del power meter:importante per dispositivi di test a basse perdite;
omogeneità spaziale del power meter (problemi conconnettori angolati);
apertura numerica del power meter: solitamente nel rangetra 0.2 e 0.3 (problemi con fibre ad alta apertura numerica).
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In laboratorio: power meter
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In laboratorio: sensore per alta potenza
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