LABORATORIO 2
Questa attività è rivolta a prendere
pratica con i diodi Laser, con la
modulazione a frequenze di microonde, con
la rivelazione sincrona a microonde, con gli
allineamenti ottici e con la strumentazione
elettronica
QUESTA È LA STRUTTURA DEL SISTEMA
IL GENERATORE DA 2.3 A 13 GHz
MISURA CORRENTE DI INIEZIONE 
ALIMENTATORE LASER 
I
IL GENERATORE A RF
La manopola di destra regola la potenza
di uscita, che viene indicata sul display
in dBm.
CONVERSIONE DA dBm A mW
Il dBm è una misura di potenza riferita
alla potenza di 1 mW
dBm = 10 x LOG10(mW)
mW = 10(dBm/10)
VALORI IN dBm, VOLT e WATT


Continua Tabella precedente
ACCENSIONE DEL LASER
VI SONO 4 COSE: 3 INTERRUTTORI E UNA MANOPOLA.
Procedere nel seguente ordine:
1. Interruttore dell’alimentatore: sul retro. Accendere
2. Manopola I della corrente al minimo
3. Accendere il tester
4. Accendere l’interruttore di corrente al Laser sul fronte
5. Mettere in ON l’interruttore sul retro del montaggio del Laser
6. Aumentare lentamente la corrente guardando il tester
7. Osservare la comparsa dello spot rosso su un foglietto di carta
SPEGNIMENTO DEL LASER
Procedere nel seguente ordine:
1. Portare lentamente a zero la corrente di iniezione
ruotando la manopola I e osservando l’indicazione sul tester
2. Portare in OFF l’interruttore sul retro del montaggio Laser
3. Spegnere l’interruttore sul fronte dell’alimentatore
4. Spegnere l’alimentatore con l’interruttore sul retro.
5. Spegnere il tester
ATTENZIONE: non azionare mai nessuno degli interruttori se non
nell’ordine indicato qui.
IL REGOLATORE DELLA FASE (PHASE SHIFTER)
LASER
 REGOLAZIONE FINE DELLA FASE
IN
OUT
CONNETT. “N” 
Il regolatore della fase è un “Trombone Phase Shifter”.
Si tratta di una linea coassiale di lunghezza variabile per
mezzo di una coulisse (ma questa è coassiale) simile a
quella dei tromboni. Le variazioni di lunghezza L
corrispondono a variazioni di percorso del segnale a RF
nel vuoto e a uguali variazioni del percorso della luce.
SPOT DEL LASER A 785 nm SU UN FOGLIO DI CARTA
FOTODIODO-BIAS TEE-AMPLIFICATORE-MIXER
polarizzazione fotodiodo
PD
SMA
BIAS TEE
AMPLIF.
MIXER
REFERENCE 
OUT
MODULAZIONE DI AMPIEZZA
DI UNA PORTANTE OTTICA
p(t) = P cos pt questa è la “portante” ottica, con p  4·2·1014 Hz
m(t) = A + M cos mt questo è il segnale che modula il Laser,
nel nostro caso un segnale a 3 GHz, di cui si è trascurata la fase.
Il processo di modulazione del Laser per mezzo della variazione della
corrente di iniezione equivale ad eseguire il prodotto fra p(t) ed m(t):
y(t) = (A + M cos mt ) · P cos pt =
= AP cos pt + MP cos mt · cos pt =  (*)
= AP cos pt + (MP/2)[cos (p + m)t + cos (p - m)t]  (**)
La portante ottica modulata è costituita da una componente ottica non
modulata e da due componenti ottiche (bande laterali ottiche) che hanno
una frequenza che dista da quella della portante ottica della frequenza
modulante. Nel nostro caso di + e – 3 GHz.
Il rapporto (A+M)/P si chiama “indice di modulazione” , si esprime in
genere in % e, per una fedele trasmissione, deve essere mantenuto
inferiore al 100%.
PORTANTE MODULATA NEL DOMINIO
DELLE FREQUENZE
(**) 
MP/2
p - m
AP

p
MP/2
p + m

PORTANTE MODULATA IN AMPIEZZA
NEL DOMINIO DEL TEMPO
(*) 
In conclusione: quando si modula la corrente di iniezione
di un Laser, l’emissione ottica è modulata in ampiezza
alla stessa frequenza e con la stessa fase del segnale
modulante.
Tuttavia, come vedremo meglio in seguito, la variazione
della corrente di iniezione produce nei Laser a semiconduttore anche una modulazione della frequenza ottica emessa.
Quindi l’emissione ottica di un diodo Laser modulato subisce
sia una modulazione di ampiezza che una modulazione
di frequenza.
In conclusione: quando si modula la corrente
di iniezione di un Laser a frequenza fm, l’emissione ottica
è costituita da tre componenti ottiche: una emissione
che ha la stessa frequenza fp dell’emissione del Laser
non modulato e due bande laterali ottiche di frequenza
fp – fm e fp + fm .
Come abbiamo visto nella esercitazione Laboratorio 1
l’ampiezza della portante ottica e delle prime bande
laterali può dipendere fortemente dagli indici
di modulazione.
COSA SUCCEDE AL FOTODIODO 1 ?
Il fotodiodo è un tipo ultrarapido della Hamamatsu
mod. G4176-03 (vedi allegato) con un tempo di
risposta tr =30 ps. Come è noto, la frequenza
massima a cui può essere utilizzato, frequenza di
taglio a – 3 dB, è data da:
ft = 0,35/ tr
e risulta quindi:
ft = 0,35/30·10-12 Hz = 11 GHz
COSA SUCCEDE AL FOTODIODO 2 ?
Il fotodiodo fornisce un segnale proporzionale all’intensità
del segnale ottico che riceve. È un “rivelatore quadratico”:
infatti l’intensità di un segnale ottico è proporzionale al
quadrato della sua ampiezza. Dall’espressione precedente
(**), trascurando per semplicità di scrittura la fase del
segnale modulante, si ha:
Y(t)2 = A2P2cos2pt + (M2P2/4)cos2(p + m)t + (M2P2/4)cos2(p - m)t +
+ AP2cos pt · cos (p + m)t + AP2cos pt · cos (p - m)t +
+ (A2P2/2) cos (p + m)t · cos (p - m)t
I primi tre termini contengono cos2(…) e danno luogo a componenti a
frequenza doppia. Gli ultimi tre termini opportunamente trasformati con
le formule del prodotto di coseni forniscono:
Y2(t) = (AP2/2)(cos 2pt + cos mt) + (AP2/2)(cos 2pt + cos mt) +
+ (A2P2/4) (cos 2pt + cos 2mt)
Questo segnale, insieme al precedente, non può contenere
componenti a frequenza ottica poiché il fotodiodo si comporta come
un filtro pasa-basso per le frequenze ottiche di THz, quindi restano
solamente le componenti a frequenza m e 2m:
Y2(t) = AP2cos mt + (A2P2/4) cos 2mt
Il primo termine è proporzionale al segnale che ha modulato il Laser
e trasporta anche l’informazione sulla sua fase. Il secondo termine
è un segnale di distorsione, ma la sua ampiezza è comunque molto
minore del precedente.
In conclusione: all’uscita di un fotodiodo rapido che
riceve un fascio Laser (portante ottica) modulato da
un segnale ad alta frequenza si ha un segnale elettrico
proporzionale all’ampiezza della portante ottica con
la frequenza e la fase del segnale modulante.
Un altro modo di interpretare questo risultato:
all’uscita di un fotodiodo rapido che riceve una
portante ottica modulata da un segnale ad alta
frequenza si ha un segnale elettrico la cui frequenza è
quella generata dai battimenti ottici fra la portante e
ciascuna delle bande laterali.
MOLTO IMPORTANTE
Nel set-up dell’esperimento proposto all’uscita del
fotodiodo abbiamo un segnale a 3 GHz la cui fase
porta informazioni sul tempo  impiegato dalla luce
ad andare dal Laser al fotodiodo. Infatti la
differenza di fase fra il segnale che ha modulato il
Laser e quella del segnale ricevuto alla frequenza
angolare m è:
 = (2/T)
=
2f
Misurando la differenza di fase possiamo
determinare i tempi di volo  della luce su distanze
brevissime.
Infatti basta ricordare che alla frequenza di 3 GHz si ha una
rotazione di fase di 360° per ogni variazione di percorso di 10
cm della luce.
AMPLIFICAZIONE DEL SEGNALE RIVELATO 1
Il segnale all’uscita del fotodiodo è molto piccolo, e
richiede di essere amplificato. A questo scopo occorre
un amplificatore a basso rumore. Il tipo usato (vedi
allegato) ha una banda passante da 0,5 a 6 GHz, un
guadagno in potenza di 22 dB (circa 160 volte) e una
figura di rumore di 1,8 dB. Quest’ultimo dato ha il
seguente significato: La potenza di uscita
dall’amplificatore dovuta al rumore è 1,8 dB sopra a
quella che si avrebbe se all’ingresso vi fosse il solo
rumore generato per effetto Johnson ai capi della sua
resistenza di ingresso R = 50 Ohm, alla temperatura di
20°C. La potenza di rumore per effetto Johson è
data da:
Pn = 4 k B R T
(k = 1,38 10-23 J/K)
AMPLIFICAZIONE DEL SEGNALE RIVELATO 2
(Continua)
La potenza di rumore all’ingresso per effetto Johson è
data da:
(R = 50 Ohm
Pn = 4 k B R T (k = 1,38 10-23 J/K)
(T = 300 K)
(B è la banda passante
del sistema di misura)
Facendo il calcolo risulta, per ogni B = 1 Hz:
Pn  8,2·10-19 W/Hz
che fornisce all’uscita dell’amplificatore (G 160,
figura di rumore 1,8 dB  P1/P2=1,5) una potenza di
rumore:
Pn = 8,2·10-19 ·160·1,5 = 2·10-16 W/Hz
E, ai capi della resistenza di uscita di 50 Ohm una
tensione di rumore :
Vn = (P·Rout)1/2= 1·10-7 V/(Hz)1/2 = 100 nV/(Hz)1/2
Se all’oscita della catena osserviamo il segnale per
esempio con un oscilloscopio che ha una larghezza di
banda di 20 MHz, il rumore osservato sarà di:
Voscill = 10-7·20·106 nV = 2 V
L’ultimo stadio della catena di trattamento del segnale è
un mixer. Come abbiamo visto nella lezione precedente
2. I diodi laser (vedi) a proposito del Lock-in, un mixer
ricupera la differenza di fase fra il segnale di ingresso
e il segnale di riferimento. In questo caso questa è proprio:
 = (2/T)
=
2f
che porta informazioni sul tempo di volo  della luce.
Proposta 1: determinare l’indice di rifrazione n di un
materiale trasparente in piccolo spessore (< 6-7 cm)
secondo la definizione: n = c/vmateriale. A voi
l’invenzione di una procedura operativa.
Proposta 2: il generatore a RF ha la possibilità di
produrre segnali modulati sia in ampiezza che in
frequenza. Cosa succede all’uscita del mixer se
moduliamo in ampiezza con un’altra frequenza il
segnale che modula il Laser?
Proposta 3: studiare la variazione del valore del
segnale in corrente continua (d.c.) all’uscita del
mixer in funzione dell’ampiezza del segnale a
frequenza di microonde che modula il Laser, ricordando
quanto visto sull’ampiezza della portante e delle bande
laterali in funzione degli indici di modulazione.
Proposta 4: determinare la velocità della luce
in propagazione libera su una base di misura < 10 cm.
A voi l’invenzione di una procedura operativa
realizzabile.
Nei file allegati sono riportate le caratteristiche
del generatore, del diodo Laser, del fotodiodo rapido,
dei componenti a microonde: l’amplificatore, il mixer,
oltre ad una illustrazione dei vari tipi di connettori
usati.
Siete pregarti di fare attenzione a queste
informazioni tecniche perché sono soprattutto
queste che costituiscono il bagaglio utile che
si può trarre da questa attività in vista di
eventuali futuri sviluppi personali.
FINE