Power meter Misure di potenza assoluta Misure di potenza relativa. Misure di potenza. F. Poli. 10 aprile F. Poli Misure di potenza

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1 Misure di potenza F. Poli 10 aprile 2008

2 Outline Power meter 1 Power meter 2 3

3 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.

4 Power meter Power meter 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 Rivelatore termico Fotorivelatore Dipendenza da λ indipendente da λ dipendente da λ ampio range di λ range di λ 2:1 Autocalibrazione disponibile non disponibile Sensibilità molto bassa (10 µw ) molto alta ( 1 pw ) Accuratezza ±1% (met. di cal.) ±2% (met. di cal.)

5 Esempio di fotorivelatore: diodo p-i-n InGaAs

6 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 small-area: da utilizzare solo per misurare potenza in uscita da una fibra; 2 large-area: adatti per fasci in aria e applicazioni in fibra.

7 Esempio: sensore di potenza large-area

8 Responsivity Power meter 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.

9 Esempio: responsivity dei diversi rivelatori

10 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.

11 Nonlinearità Power meter Linearità importante per misure di potenza relativa (perdite di inserzione, guadagno). Contributi alla nonlinearità del power meter: 1 nonlinearità del fotorivelatore; 2 nonlinearità dell elettronica. Nonlinearità N(P) = r(p) r(p 0) r(p 0 ) con r(p) responsivity del power meter al livello di potenza P, e r(p 0 ) responsivity al livello di riferimento (P 0 = 10 µw ).,

12 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%).

13 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.

14 Compatibilità con fibre ottiche (2)

15 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.

16 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.

17 Esempio: misura di potenza di un LED (2) Possibile correzione conoscendo: densità spettrale di potenza del LED; spettro della responsivity del rivelatore.

18 Esempio: misura di potenza di un LED (3) Potenza coretta del LED a λ 0 : P = p 0 f(λ)δλ Misura errata: P m = p 0 f(λ)rrel (λ)δλ Fattore di correzione: K = P f(λ)δλ = P m f(λ)rrel (λ)δλ r rel (λ): responsivity relativa a λ 0, r rel (λ 0 ) = 1 p(λ): densità spettrale di potenza del LED, p 0 = p(λ 0 ) [W/nm] f(λ): spettro di emissione del LED, f(λ 0 ) = 1 Procedura di misura 1 determinare la λ centrale del LED, λ 0 ; 2 settare il power meter a λ 0 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.

19 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.

20 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.

21 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).

22 In laboratorio: power meter

23 In laboratorio: sensore per alta potenza