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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


Outline

1 Power meter

2 Misure di potenza assoluta

3 Misure di potenza relativa



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.



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.)



Esempio di fotorivelatore: diodo p-i-n InGaAs



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.



Esempio: sensore di potenza large-area



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.



Esempio: responsivity dei diversi rivelatori



Omogeneità spaziale

Responsivity deifotorivelatori variabilesulla superficie deldispositivo.

Posizione e diametrodel fascio incidentenon perfettamentecontrollabili ⇒disomogeneità dellasuperficie delfotorivelatoreresponsabili diincertezza di misura.



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 ).



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%).



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.



Compatibilità con fibre ottiche (2)



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.



Esempio: misura di potenza di un LED

Potenza di un LED difficile da misurare:

ampia larghezza spettrale;

cambiamento della responsivity del rivelatore nel rangespettrale.



Esempio: misura di potenza di un LED (2)

Possibile correzione conoscendo:

densità spettrale di potenza del LED;

spettro della responsivity del rivelatore.



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.



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 .



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.



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).



In laboratorio: power meter



In laboratorio: sensore per alta potenza


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