“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
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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))
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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
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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
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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”
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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!
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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
⎞
⎟
⎟
⎠
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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
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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)
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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)
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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)
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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
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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]
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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
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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
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Accorgimenti nella misura OTDR
giunti tra fibre
differenti
artefatti ‘ghosts’
per riflessioni
p
multiple
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Esempi di misura OTDR
OTR portatile
per misure
"sul campo"
pannello di misura di un OTDR
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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
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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
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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
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Monitoraggio
gg di un sistema D-WDM
W
–M
P
M
OTDR
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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
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