“Misure Misure Ottiche ” Corsi di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecom. e Fisica Strumentazione per Misure Ottiche Cesare Svelto P lit Politecnico i di Milano Mil 1/25 Sommario • Power Meter • Rivelatori Charge Coupled Device (CCD) e misure del profilo spaziale di un fascio laser • Wave-Meter e Spettrometro • Optical Spectrum Analyzer (OSA) • Optical Time Domain Reflectometry (OTDR) • Misure di Insertion Loss • Misure di Polarization Mode Dispersion (PMD) • Misure di Bit Error Rate ((BER)) 2/25 Misure di potenza ottica (DEFINIZIONI e METODI) • E • I= C Campo elettrico l tt i [V/ [V/m]] EE * η0 η0 = (μ0/ε0)1/2 = 377 Ω Intensità [[W/m / 2] impedenza caratteristica del vuoto • P = ∫ IdS Potenza [W] L Laser α1 α2 α3 P Vu =κ⋅α P αP Attenuatori calibrati per un PD è κ = ρ ∝λ ηe ⋅ R (A/W) (V/A) ν h Rivelatore calibrato Vu Uscita in tensione dig display dig.display ADC 3/25 Power Meter (struttura) Filtro spaziale Schema di rivelazione Il rivelatore può essere TERMICO o a SEMICONDUTTORE (un riv. termico ha ηabsPopt=Ptherm= teor. resp. “piatta”) KΔT=K(T-Tamb) Attenuatore Si “calibrato” calibrato Dispositivo Calibrazione 0.1 dB = 2.3×10-2 0.01 dB = 2.3×10-3 Dispositivo commerciale 4/25 Power Meter (sensore termico) Rivelatore a TERMOPILA profilo termico teste di lettura Il campo termico ha un gradiente in direzione radiale: di l dalla d ll zona centrale t l verso la periferia “fredda” 5/25 Power Meter ((specifiche p semiconduttori)) TESTA DI LETTURA Pmin=-90dBm=1pW Pmax=+21.5dBm=140mW circa 11 ordini di grandezza!!! CORPO DI LETTURA è un buon voltmetro digitale! 6/25 Rivelatori CCD A 1024x1024 CCD camera for UV spectrometer • Scorrimento e raccolta delle cariche fotogenerate • Ricostruzione immagine su matrice di punti (visualizzazione su display raster) F L F • Importante dimensione singolo pixel S D II AEI M 197 7/25 Misure del profilo spaziale ( Analisi nel piano xy durante la propagazione z ) ⎡ ⎢ ⎢ 0⎢ ⎢ ⎢⎣ 1/ 2 ⎤ ⎞2 ⎥ ⎟ ⎟ ⎥ 2 ⎟⎟ ⎥ 0 ⎠ ⎥⎥ ⎦ • Misure della dimensione di macchia w = w 1+ zλ πw ⎛ ⎜ ⎜ ⎜⎜ ⎝ • Campo lontano (z>>zR): misure di divergenza θ = Δw Δz • Misure Mi di astigmatismo ti ti w0x ≠ w0y θx ≠ θy • Misure di M2 θmis θmis = θ = λ /πw d.l. 0 ⎛ ⎜ ⎜ ⎝ M x2 e M y2 ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 8/25 Wave-Meter da laboratorio (è un interferometro ultra-accurato!) La radiazione sotto misura (λx) e una di riferimento (λR) viaggiano nel vuoto viaggiano, vuoto, sullo stesso cammino contato in termini di f frange di iinterferenza f sui due fotorivelatori Michelson Wave-Meter PD1 e PD2 2 interferometri i t f t iaλ eλ x R ΔL 4ΔL=Nxλx=NRλR NR + ε NR PD2 conta Nx frange per λx λx = λR ≈ λR = κλR ⇒ Nx Nx PD1 conta (NR+ε) frange per λR Incertezza relativa Δλx ≈ ΔλR = 10 −10 grazie a He-Ne/I2 Δλ λ 10 10 Æ λ 1 5μ Δλ 1 5×10 16 0 15 ν ≅193TH Δν ≅19 3 H ≈20 H λx λR ur(λR)=2.5×10 ) 2 5 10-11 Per λR=633nm e ΔL=30cm si ha NR≈1.9×106 e con λx=1550nm si ha Nx≈7.7×105 9/25 Wave-Meter p per sistemi DWDM • • • • • Misura simultanea fino a 256 canali ottici u(λ)=0.3 pm (300fm!) e Δλ=1÷0.1 pm Misure di potenza dei picchi e totale Misura automatica di SNR e distanze Δλ Waterfall f di λ(t) e P(t) 10/25 Spettrometro p e monocromatore Δθ=Kd⋅Δλ Kd=(dθ /dλ) potere dispersivo n=n(λ) • Monocromatore accordato Potere risolutivo (spettrale) r = | Δλmin / λ | = | Δνmin / ν | ris. spettrale (∝ ris. angolare) Δλtyp≈0.01nm (10 pm >> 0.1-100 fm=RW-M) 11/25 OSA: schemi funzionali • OSA tradizionale (monocromatore a prisma/grating rotante) • OSA a banda stretta ma shock-resistant [da campo] (grating fisso e rivelatore scorrevole o meglio array CCD) 12/25 OSA ultracompatto (PC board) lente grating fisso fibra ottica B Q, V, I ∝ P G 2048 pixell (12.5μm×200μm) L=25.6mm Δ λres=0.3nm =0 3nm R CCD array Si, InGaS, pushed-InGaAs Δ λSPAN=600nm λ 13/25 OSA da laboratorio • • • • • Misura dello d ll spettro continuo (righe+ASE) ( h ) u(λ)=10 pm e Δλ=2 pm Misure di potenza: dei picchi e totale Misura automatica di SNR e Δλ e ΔP (markers) Rappresentazione grafica quantitativa 14/25 Misure dello spettro p ottico p per righe laser o segnali D–WDM Analizzatore di spettro p ottico (OSA) ( ) Parametrii da P d Misurare Mi (sul segnale ottico WDM): - potenza di canale [dBm] - lunghezza l h d‘ d‘onda d centrale t l [nm] [ ] - spaziatura tra i canali [nm , GHz] - ASE noise floor [dBm/nm] - rapporto S/N [dB/nm] - crosstalk tra canali adiacenti [dB] - potenza ottica complessiva [dBm] Parametrii di Mi P Misura dell'OSA: d ll'OSA - center wavelength [nm] λSTART [nm] - wavelength span [nm] λSTOP [nm] - resolution l ti b bandwidth d idth (FWHM) [nm] [ ] - wavelength accuracy [nm] - saturation power [dBm] - "sensitivity" sensitivity [dBm] - dynamic range [dB] - power accuracy [dB] 15/25 Optical Time Domain Reflectometry E’ una tecnica p per la misura indiretta di perdite (locali) e attenuazioni i i (distribuite) (di ib i ) lungo l un cavo in fibra f b ottica. La lettura del segnale ottico avviene in riflessione grazie al fenomeno del backscattering. g g Lo scattering (diffusione) è in ogni punto proporzionale al livello di potenza ottica presente e dipende inversamente dalla lunghezza g d’onda considerata. αS [dB/km] RS [dB] MM 850nm 1.9 -50 SM 1300nm 0.35 -63 SM 1550nm 0.175 -66 Δz=vgτ Pbs(t) cause backscatter cause... z Poptt(t/2) coeff. scattering per unità di lunghezza 2L 2 z 1 ⎡1 ⎤ ⎛t⎞ Pbs (t ) = ⎢ α S ⋅ vgτ ⎥ Popt ⎜ ⎟ con t = co = e α S ∝ 4 [c [cm - 1 ] c/n c/n λ ⎣2 ⎦ ⎝2⎠ estensione spaziale Δz della “zona illuminata” che da il RS 16/25 backscattering (con coefficiente α per unità di lunghezza) S OTDR Pulse length and resolution Con un laser impulsato si iniettano brevi ((ns)) impulsi p d luce di l nella ll fibra f b ((cavo)) e si osserva l’ l’andamento d delle d ll retroriflessioni in funzione del tempo: il tempo indica la distanza del tratto di fibra che le ha generate g Popt ( z ) = Popt (0 ) exp[− α z ] τ = 15 ns τ < energia τ = 33 μs > energia attenuazione Δz=2 m z Δz=0.66 km z Δz = τ ×(c/n) ( ) La risoluzione spaziale Δz è più scadente quando l’impulso laser lanciato è più lungo ma migliora SNR 17/25 Informazioni nella traccia OTDR Δt=τ =Δz / (c/n) “A picture is worth a thousand words” Pb. saturazione e ripristino della linea di base 18/25 Accorgimenti nella misura OTDR giunti tra fibre differenti artefatti ‘ghosts’ per riflessioni p multiple 19/25 Esempi di misura OTDR OTR portatile per misure "sul campo" pannello di misura di un OTDR 20/25 Misure di Insertion Loss (fibre ottiche) Esistono 4 metodi, tutti standardizzati!!! T L S 1 C R 2 96 B 0 02 B 2 C R 2 6 B 0 20 B 3 C R 2 48 B 0 24 B 2 05 B 1 91 B OTDR 1 2 D Risultati di differenti misure a 850 nm su un cavo da 520 m 21/25 Misure di PMD (Polarization Mode Dispersion) ny ≠ nx Δt si variano “tutte” le possibili polarizzazioni Com. ottiche a >10 Gb/s Pb.: dispersione p p polarizz. PMD: parametro STATISTICO Interessa Valor Medio e Dev. St. del DGD (Differential Group Delay) Si misura la varianza per unità di lunghezza (nel tempo o in funzione di SOP o λ): dunque σ 2 in [ps2/km] e poi PMD=σ DGD ) Valori V l i ti tipici i i PMD ∼0.2 0 2 ps/(km) /(k )1/2 range variabilità 0.1÷1 ps/(km)1/2 PAR. SEQ. media e varianza dei ritardi misura con diverse λ misura con una singola λ or Time 22/25 Misure di BER e diagrammi a occhio Per BER<10-12 occorrono tempi p lunghi g ((>>20 min a 1 GSa/s)… / ) dell’occhio si stima il BER dall dall’apertura apertura (S/N) del diagramma a occhio 23/25 Monitoraggio gg di un sistema D-WDM W –M P M OTDR 24/25 Riferimenti bibliografici • S. Donati, Photodetectors: Devices, Circuits and Applications, Applications, Prentice Hall,, New York,, 2000 • W. Demtröder, Laser Spectroscopy, Spectroscopy, Springer, Berlin, 1996 • Application Note 1550 1550--4, Optical Spectrum Analysis - Basics Basics,, Hewlett Packard, U.S.A., 1996 • http:www.iec.org/tutorials/dwdm_test 25/25