VCSEL測定用多機能積分球

OphirのIS1.5-VIS-FPD-800は、VCSELを測定するための単一の機器でいくつかの利点を提供する多機能センサーです。

  • 校正された平均パワー測定用の高精度フォトダイオード
  • オシロスコープでのパルス形状特性評価のための高速フォトダイオード
  • 分光計に簡単に接続できるSMA光ファイバーアダプター

著者:

Efi Rotem, Shimon Elstein, Daniel Sebbag

IS1.5-VIS-FPD-800を中心に構築された完全なVCSEL特性評価システムを図1に示します。

図 1. IS1.5-VIS-FPD-800を中心に構築された完全なVCSEL特性評価システムの概略図

ここでは、CW動作モードとパルス動作モードの両方でVCSEL特性評価にIS1.5-VIS-FPD-800を使用する方法について説明します。

結論

  1. 12V電源が付属しています。高速フォトダイオードの適切な動作に必要なバイアス電圧を提供します。
  2. 付属のD15ケーブルは、CentauriなどのOphirメーターまたはJunoなどのOphir PCインターフェイスに接続します。
  3. 高速フォトダイオードのアナログ出力は、ハウジングのBNCコネクターに供給されます。これは、50Ωの同軸ケーブルを使用して、50Ωの入力結合を備えたオシロスコープに接続する必要があります。
  4. ハウジングには光ファイバーケーブルを接続するためのSMAコネクターが装備されています。これは、分光計で光信号をサンプリングするために使用されます。入力ポートから光ファイバーケーブルのコアまでのおおよそのスループット係数は次のとおりです: 1400D²xNA²

ここで、Dはメートル単位のファイバー直径、NAは開口数です。たとえば、標準の200μm / 0.22NAのスループットは2.7*10⁻⁶です。

作動距離と視野

IS1.5-VIS-FPD-800には、直径20mmの入力ポートがあります。入力ポートと同一平面上に配置された小さな光源 (≤2mm) の場合、許容角度は120° (全角) です。より大きな角度の光は球体に入りますが、正確に測定できない可能性があります。 

視野角は、光源のサイズと入力ポートからの距離によって異なります。下の図に見られるように、左側ではVCSELが積分球に十分近く、すべてのパワーが適切に測定されていますが、右側ではビームの一部が取り残されています。

図 2. 視野

球体の入力ポートの非常に近くで作業する場合、エミッターのサイズが視野を定義する決定要素になります。次の表は、エミッターが球の入力のすぐ近くにあるときのエミッターサイズの関数としての視野を示しています。

エミッターサイズ  <2 mm  4 mm  10 mm
視野 (全角) 120°  90°  80°

光源が入力ポートの開口部から離れた位置にある場合、光源のサイズと距離の両方が視野に影響します。

次の表は、さまざまな距離にある小さな光源のFOVを示しています。

距離 　　　   10 mm  20 mm  30 mm  40 mm 
視野 (全角)   90° 53° 37° 28°

光源のサイズが小さくない場合、許容される最大距離は、単純なジオメトリーを使用してこの表から計算できます。

CWテスト

CWでは、VCSELは固定パワーを球内に放射します。IS1.5は、接続されているD15スマートヘッドケーブルを介して、校正された絶対パワー測定を提供します。パワー測定値は、CentauriなどのOphirのディスプレイや、Juno、Juno+、EA- 1 EthernetアダプターなどのPCインターフェイスを使用して読み取ることができます。

パルス動作試験 - 平均パワー

最初に疑問に思うのは、VCSELがパルスモードで動作しているときに、校正済みのフォトダイオードが平均パワーを測定することを信頼できるかという事です。平均パワーとパルスエネルギーが指定された値を超えない限り、答えは「はい」です。校正済みのフォトダイオードの直線性と精度は、50nsパルス幅と100KHzの繰返し率でテストされました。直線性は平均パワー1.8Wまで±1%より良好でした。

実際、200Hzを超えるパルスレートは、校正されたフォトダイオードのCWとして表示されます。繰返し率が200Hzより低い場合は、メーターで「Low Frequency」モードを選択する必要があります。このモードは、メーターのサンプルレートとレーザーの繰返しレートが近すぎる場合に発生する可能性のある測定の不安定性を排除します。(注: 「Low Frequency」モードでは、最大100Hzまでの周波数設定のみが可能です。100Hz~200Hzの周波数については、実際の周波数の半分に等しい値を設定に使用する必要があります。)

OphirのCentauriディスプレイは、スタンドアロンのメーターとして、またはStarLab PCソフトウェアアプリケーションを使用して、10kHzでの測定値の記録と分析に使用できます。別の論文では、自動環境でCentauriディスプレイを使用し、単純なLabVIEWアプリケーションを使用して10kHzでのパワーを測定する方法を示しています。ミリ秒範囲のパルスを扱う場合、パルス形状の特徴付けにもこれで十分な場合があります。10kHz測定レートを使用する場合に信頼性の高い測定を行うには、信号の周波数とデューティーサイクルを考慮する必要があります。たとえば、方形波を適切にサンプリングするには、低レベル期間と高レベル期間の両方が少なくとも500μsである必要があります。 

高速フォトダイオードを使用した脈拍の可視化

繰返し率を高くするには、高速フォトダイオードを使用してパルスの時間的形状を視覚化し、いくつかの重要な情報を提供できます。高速フォトダイオードには、IS1.5のBNCコネクターを介してアクセスします。通常はスコープに接続され、50Ω負荷で終端する必要があります。

図 3. パルスの特性評価

パルス幅、ピークパワー、パルスエネルギー、パルス間の変動、オーバーシュートとアンダーシュートなどのいくつかの重要なパラメーターを測定できます。

高速フォトダイオードを使用して絶対測定を行うには、まずその応答性を決定する必要があります。これを行うための最良の方法は、VCSELをCWで駆動することです。高速フォトダイオードによって測定された電圧を、校正済みフォトダイオードによって測定されたパワーで割ると、高速フォトダイオードの応答性が [V/W] で求められます。その時点から、高速フォトダイオードからの信号を校正されたパワー測定値として見ることができます。これにより、パルスのピークパワーとオーバーシュートやアンダーシュートなどの歪みを正確に測定できます。

パルスエネルギーは、パルスの下の面積を積分するか、単純に平均パワーを繰返し率で割ることによって測定することもできます。後者の方法は、パルス間にパワーが放出されない場合にのみ正確です。

パワーとエネルギーを測定するための高速フォトダイオードの直線性は、パルス幅60ns、繰返し率50kHzおよび100kHzの短パルスでテストされ、平均パワー1.8Wおよびピークパワー600Wまで±1%より優れた直線性を示すことがわかりました。