Misure di potenza

Power meter
Misure di potenza assoluta
Misure di potenza relativa
Misure di potenza
F. Poli
10 aprile 2008
F. Poli
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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 e
ricevitori;
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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1
con rivelatore termico: misura l’aumento di temperatura
causato dalla radiazione ottica;
2
con fotorivelatore: i fotoni incidenti generano coppie
elettrone-lacuna.
Confronto
Caratteristiche
Dipendenza da λ
Autocalibrazione
Sensibilità
Accuratezza
Rivelatore termico
indipendente da λ
ampio range di λ
disponibile
molto bassa (10 µW )
±1% (met. di cal.)
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Fotorivelatore
dipendente da λ
range di λ 2:1
non disponibile
molto alta (≤ 1 pW )
±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 fotorivelatore
con diminuzione della responsivity (attenuatori ottici
calibrati per potenze maggiori);
valore minimo limitato dall’averaging time della misura e
dalla corrente di buio del fotorivelatore (= corrente misurata
in assenza del segnale ottico in ingresso).
Progettati per avere misure di potenza indipendenti dallo
stato di polarizzazione della luce in ingresso.
Classificati come:
1
2
small-area: da utilizzare solo per misurare potenza in
uscita da una fibra;
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 in
uscita 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 scarsamente
dipendente 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 dei
fotorivelatori variabile
sulla superficie del
dispositivo.
Posizione e diametro
del fascio incidente
non perfettamente
controllabili ⇒
disomogeneità della
superficie del
fotorivelatore
responsabili di
incertezza di misura.
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Misure di potenza relativa
Nonlinearità
Linearità importante per misure di potenza relativa (perdite
di inserzione, guadagno).
Contributi alla nonlinearità del power meter:
1
2
nonlinearità del fotorivelatore;
nonlinearità dell’elettronica.
Nonlinearità
N(P) =
r (P) − r (P0 )
,
r (P0 )
con r (P) responsivity del power meter al livello di potenza P, e
r (P0 ) responsivity al livello di riferimento (P0 = 10 µW ).
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Dipendenza dalla polarizzazione
Dovuta a:
struttura cristallina del materiale semiconduttore o del
rivestimento del fotorivelatore;
stress meccanici nel rivelatore;
tilting del rivelatore rispetto all’asse del fascio (riduzione
delle riflessioni multiple).
Rivestimento anti-riflessioni
necessario per eliminare riflessioni multiple e problemi di
interferenza ottica nelle misure di potenza (rivelatori ottici con
riflettività fino al 30%).
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Compatibilità con fibre ottiche
Fibre singolo-modo con bassa NA (NA = 0.1): nessun
problema nella misura di potenza.
Fibre con core piccolo e elevata NA (NA = 0.4, ad es. per
amplificazione): misura di potenza difficoltosa.
Fibre angolate (minori problemi di riflessione, ma elevata
NA): misura di potenza difficoltosa.
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Compatibilità con fibre ottiche (2)
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Esempio: potenza ottica assoluta di sorgenti ottiche
Potenza 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 diodo
fotorivelatore;
il fotorivelatore converte la potenza ottica in una corrente
elettrica 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 range
spettrale.
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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)
R
Potenza coretta del LED a λ0 : P = p0 f (λ)δλ
R
Misura errata: Pm = p0 f (λ)rrel (λ)δλ
R
f (λ)δλ
P
Fattore di correzione: K =
=R
Pm
f (λ)rrel (λ)δλ
rrel (λ): responsivity relativa
a λ0 , rrel (λ0 ) = 1
p(λ): densità spettrale di
potenza del LED,
p0 = p(λ0 ) [W /nm]
f (λ): spettro di emissione
del 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 del
rivelatore è lineare nella banda spettrale del LED, la potenza
misurata 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 power
meter: datasheet (caso migliore ±2%).
Incertezza sistematica dovuta a λ.
Incertezza sistematica dovuta alla larghezza spettrale
della sorgente.
Incertezza sistematica dovuta alla geometria del fascio
(caso migliore: fascio centrato sul rivelatore e con diametro
pari a 2/3 di quello del rivelatore).
Incertezza sistematica dovuta al livello di potenza (range
di 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 al
dispositivo di test (potenza di riferimento);
2
misura: nuova misura della potenza in presenza del
dispositivo di test;
3
calcolo dell’attenuazione [dB] come rapporto tra i due
valori di potenza.
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Esempio: misura delle perdite di inserzione (2)
Incertezza di misura
Accuratezza assoluta sulla misura di potenza non richiesta.
Incertezza sul rapporto tra potenze:
nonlinearità del power meter: è la nonlinearità tra i due
livelli di potenza rilevati, e dipende dal valore del rapporto
tra potenze;
dipendenza dalla polarizzazione del power meter:
importante per dispositivi di test a basse perdite;
omogeneità spaziale del power meter (problemi con
connettori angolati);
apertura numerica del power meter: solitamente nel range
tra 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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