VCSEL Messungen mit der multifunktionalen Ulbrichtkugel IS1.5VIS-FPD-800 von Ophir

Author: 
Efi Rotem, Shimon Elstein, Daniel Sebbag

Einleitung
Ophir's new IS1.5-VIS-FPD-800 ist ein multifunktionaler Sensor, der mehrere Messoptionen für VCSEL in einem einzigen Instrument kombiniert:

  • Eine Präzisions-Photodiode zur kalibrierten Messung der durchschnittlichen Leistung
  • Eine schnelle Photodiode zur Charakterisierung der Pulsform auf einem Oszilloskop
  • Einen SMA-Faseradapter zur einfachen Anbindung eines Spektrometers

Abbildung 1 zeigt den vollständigen Aufbau zur Charakterisierung eines VCSELs mit dem IS1.5-VIS-FPD-800 Sensor:

 

Using Ophir's IS1.5VIS-FPD-800 Multi-Functional Integrating
Sphere for VCSEL measurements
Abb. 1: Schematischer Aufbau rund um den IS1.5-VIS-FPD-800 zur Charakterisierung eines VCSEL

Dieser Artikel erläutert, wie der IS1.5-VIS-FPD-800 zur VCSEL Messung sowohl im Dauerstrich- als auch im gepulsten Betriebsmodus verwendet wird.

Schnittstellen

  1. Ein 12V-Netzeil ist im Lieferumfang enthalten und liefert die Grundspannung, die zum korrekten Betrieb der schnellen Photodiode benötigt wird.
  2. Das beiliegende Kabel mit D15 wird an ein Ophir-Messgerät wie Centauri oder eine Ophir PC-Schnittstelle wie Juno angeschlossen.
  3. Der Analogausgang der schnellen Photodiode wird über den BNC-Anschluss am Gehäuse versorgt. Dieser sollte mit einem 50Ω Koaxialkabel an ein Oszilloskop mit 50Ω Eingangskopplung angeschlossen werden.
  4. Am Gehäuse ist ein SMA-Stecker für den Anschluss eines Glasfaserkabels vorgesehen. Dieser wird zur Erfassung des optischen Signals mit einem Spektrometer verwendet. Der ungefähre Durchsatzfaktor vom Eingangsanschluss bis zum Kern des Glasfaserkabels beträgt: 1400D²xNA². D ist dabei der Durchmesser der Glasfaser in Metern und NA die numerische Apertur. Ein Standardsystem mit 200μm / 0,22NA hat einen Durchsatz von 2,7*10⁻⁶.

 

Arbeitsentfernung und Sichtfeld
Der IS1.5-VIS-FPD-800 Sensor verfügt über einen 20mm großen Eingang. Bei einer kleineren Lichtquelle (≤2mm), die bündig am Eingang platziert wird, wird der volle Winkel von 120 Grad ausgeschöpft. Licht mit größerem Einfallswinkel gelangt in das Innere der Ulbrichtkugel, wird aber gegebenenfalls nicht präzise gemessen.
 
Das winkelabhängige Sichtfeld hängt von der Größe der Lichtquelle und ihrer Entfernung vom Eingang ab. Die beiden untenstehenden Abbildungen zeigen links einen VCSEL, der ausreichend nah an der Ulbrichtkugel platziert wurde, so dass die gesamte Leistung korrekt gemessen werden kann. Die Abbildung rechts zeigt, dass an Teil des Lichts nicht in die Ulbrichtkugel gelangt.

Using Ophir's IS1.5VIS-FPD-800 Multi-Functional Integrating
Sphere for VCSEL measurements
Abb. 2: Sichtfeld

Wenn man sehr nah am Eingang der Kugel arbeitet, limitiert die Größe der Strahlquelle das Sichtfeld. Die nachfolgende Tabelle gibt das Sichtfeld als Funktion der Emittergröße an, wenn sich der Emitter direkt am Eingang der Kugel befindet.
 

Größe des Emitters <2mm 4mm 10mm
Sichtfeld (voller Winkel) 120° 90° 80°

 
Befindet sich die Quelle in einiger Entfernung vom Eingang der Ulbrichtkugel, beeinflussen sowohl deren Größe als auch die Entfernung das Sichtfeld. Die nachfolgende Tabelle gibt das Sichtfeld einer kleinen Quelle bei unterschiedlichen Entfernungen an:
 

Entfernung 10mm 20mm 30mm 40mm
Sichtfeld (voller Winkel) 90° 53° 37° 28°

 
Ist die Quelle nicht klein, lässt sich die maximal mögliche Distanz anhand dieser Tabelle mittels einfacher Geometrie errechnen.

 

Dauerstrich-Messungen
Im Dauerstrichbetrieb emittiert der VCSEL eine gleichbleibende Leistung in die Ulbrichtkugel. Die IS1.5 liefert über das angeschlossene D15-Smartsensor-Kabel eine kalibrierte Messung der absoluten Leistung. Die Leistungsmessung kann über ein Anzeigegerät wie das Ophir Centauri oder eine PC-Schnittstelle wie Juno, Juno+ oder den EA1-Ethernet-Adapter ausgelesen werden.

Messungen im Pulsbetrieb
 
Durchschnittliche Leistung
 
Die erste Frage, die hier auftaucht: Sind die Messungen der durchschnittlichen Leistung mit einer kalibrierten Photodiode vertrauenswürdig, wenn es um einen VCSEL im Pulsbetrieb geht? Nun, solange die durchschnittliche Leistung und die Pulsenergie bestimmte Werte nicht überschreiten, lautet die Antwort – ja. Die Linearität und Genauigkeit einer kalibrierten Photodiode wurden bei einer Pulsbreite von 50ns und einer Wiederholrate von 100kHz getestet. Die Linearität lag besser ±1% bei bis zu 1,8W durchschnittlicher Leistung.
 
Tatsächlich erscheinen Pulsraten von mehr als 200Hz für die kalibrierte Photodiode wie Dauerstrichbetrieb. Sinkt die Wiederholrate auf unter 200Hz, sollte der "Low Frequency" Modus am Messgerät gewählt werden. Dieser Modus entfernt Instabilität, sobald die Abtastrate des Messgeräts und die Wiederholrate des Lasers zu nah beieinander liegen. (Anmerkung: Der "Low-Frequency" Modus ist nur bei Frequenzen von bis zu 100Hz zulässig. Bei Frequenzen zwischen 100 und 200 Hz sollte für die Einstellung die Hälfte der aktuellen Frequenz als Wert verwendet werden.)
 
Das Ophir Centauri Anzeigegerät kann sowohl als eigenständiges Messgerät oder zusammen mit der StarLab PC-Software genutzt werden, um Messungen bei 10KHz zu speichern und zu analysieren. In einem anderen Artikel zeigen wir, wie das Centauri-System in automatisierten Umgebungen zusammen mit LabView verwendet werden kann, um Leistungen bei einer Messfrequenz von 10kHz durchzuführen. Arbeitet man mit Pulsen im Millisekunden-Bereich, mag dies auch für die Charakterisierung der Pulsform ausreichend sein. Um zuverlässig bei einer Messfrequenz von 10kHz zu messen, gilt es die Frequenz und das Tastverhältnis des Signals zu berücksichtigen. So sollte beispielsweise ein Rechteckpuls sowohl auf dem niedrigen als auch auf dem hohen Level eine Dauer von 500μsec verbleiben, um korrekt gemessen werden zu können.
 
Pulsvisualisierung mit der schnellen Photodiode
 
Bei höheren Wiederholraten kann die schnelle Photodiode genutzt werden, um die zeitliche Form des Pulses zu visualisieren und damit wichtige Informationen zu liefern. Auf die schnelle Photodiode kann über den BNC-Anschluss des IS1.5 zugegriffen werden. Normalerweise wird hier das Oszilloskop mit einer Last von 50Ω angeschlossen. Gemessen werden Kennwerte wie Pulsbreite, Spitzenleistung, Pulsenergie, Puls-zu-Puls-Variation sowie Über- und Unterschwingen.

Using Ophir's IS1.5VIS-FPD-800 Multi-Functional Integrating
Sphere for VCSEL measurements
Abb. 3: Pulscharakterisierung

Um absolute Messungen mit der schnellen Photodiode durchzuführen, muss zunächst die Ansprechempfindlichkeit ermittelt werden. Der beste Weg dies zu tun, ist den VCSEL im Dauerstrichbetrieb zu betreiben. Teilt man dann die von der schnellen Photodiode gemessene Spannung durch die von der kalibrierten Photodiode gemessenen Leistung, erhält man die Ansprechempfindlichkeit der schnellen Photodiode in [V/W]. Ausgehend davon, können die Messungen der schnellen Photodiode als kalibrierte Leistungsmessungen angesehen werden. Geliefert werden genaue Messungen der Spitzenleistungen des Pulses und Verzerrungen wie Ober- oder Unterschwingungen.
 
Die Pulsenergie kann ebenfalls entweder über das Integrieren der Fläche unter dem Puls errechnet werden oder einfach, indem die durchschnittliche Leistung durch die Wiederholrate dividiert wird. Die letztere Methode liefert nur präzise Ergebnisse, wenn während der Pulspause keine Leistung emittiert wird.

Die Linearität der schnellen Photodiode bei der Messung von Leistung und Energie wurde bei kurzen Pulsen mit einer Pulsbreite von 60ns bei einer Wiederholrate von 50 und 100 kHz getestet. Die Linearität war dabei besser als ±1% bei bis zu 1,8W durchschnittlicher Leistung und bis zu 600W Spitzenleistung.

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