Instrumentación para medida y caracterización de fuentes ópticas (I)

Miércoles, 01 Julio 2009

Las fuentes ópticas son elementos clave de los sistemas de comunicaciones ópticas, por lo que resulta muy importante asegurar su correcto funcionamiento. Habitual-mente esto se realiza de dos formas: mediante una medida o test puntual que comprueba que el dispositivo se ajusta a las especificaciones de catálogo, o bien mediante la monitorización de algún parámetro de funcionamiento (potencia óptica, longitud de onda, ...).

La medida puntual se realiza normalmente después del proceso de fabricación, para comprobar que el dispositivo no está dañado y que cumple con las especificaciones de diseño. Opcionalmente, también se realiza tras la adquisición de un nuevo dispositivo o cuando se tiene dudas acerca de su buen funcionamiento.Por otro lado, la monitorización continua de los parámetros de la fuente óptica se suele realizar en el caso de los operadores de telecomunicaciones, con el fin de controlar los márgenes de funcionamiento de parámetros clave del dispositivo, así como detectar posibles fallos rápidamente y poder arbitrar los mecanismos de restauración de las comunicaciones.

Para todos estos propósitos, en el mercado existe gran cantidad de instrumentación para la medida y caracterización de fuentes ópticas en general: láseres DFB, láseres Fabry-Perot, LEDs, VCSELs, etc. Dependiendo del tipo de medida a realizar, de la aplicación y del entorno de trabajo (planta de fabricación, laboratorio de investigación, centrales de un operador, ...) se deberá escoger una solución u otra, así como un determinado set-up de medida. En este artículo se analizarán algunas de las soluciones disponibles comercialmente y que permiten la caracterización de los principales parámetros de funcionamiento de una fuente láser. Para otro tipo de medidas también existe instrumentación más específica, aunque no es el objetivo de este artículo.

Caracterización optoelectrónica de un diodo láser
El aspecto típico de un módulo de diodo láser se muestra en la figura 1. Consiste básicamente en la fuente láser con un fotodiodo integrado para monitorizar la potencia óptica, así como un termistor y un TEC (thermo-electric cooler) para controlar la temperatura de funcionamiento del dispositivo. Los módulos de alta velocidad también incorporan un modulador integrado donde se inyecta la señal digital a transmitir, aunque en nuestro caso nos centraremos en la caracterización DC del dispositivo. Para ello, se puede utilizar un montaje de medida como el mostrado en la figura 2. Se trata de un sistema de test LIV (light-current-voltage) de la empresa Keithley Instruments. El equipo Modelo 2420 alimenta el diodo láser, realizando un barrido de la corriente de 0 a 3 A en pasos programables. Para cada paso, el equipo 2420 almacena las medidas de corriente y tensión, mientras que el equipo 2502 mide y almacena el flujo de corriente en los fotodiodos. Cuando se ha completado el barrido, ambos equipos descargan los datos en el PC para su posterior análisis. Mediante un software adecuado, se pueden entonces representar las curvas de funcionamiento del dispositivo y calcular parámetros característicos. Un ejemplo de estos resultados se muestra en la figura 3.
Las medidas de test DC que se suelen realizar sobre un diodo láser se pueden resumir en: tensión directa, corriente umbral, intensidad de luz, eficiencia de la pendiente (dL/dI), tensión inversa del fotodiodo (monitor), corriente del fotodiodo y corriente de oscuridad del fotodiodo. A continuación, se comentan con mayor detalle algunas de estas medidas.

Test de tensión directa
El test de tensión directa (VF) verifica las características de polarización directa del diodo láser. Consiste en realizar un barrido de la corriente de polarización (IF) y medir la caída de tensión en el diodo. En la mayor parte de los casos el barrido se realiza hasta 1 A en pasos de 0,5 ó 0,25 mA, aunque algunos diodos láser de alta potencia requieren corrientes de hasta 2-3 A con incrementos de 1 mA. Las medidas de tensión directa se encuentran en el margen de 0-10 V con resoluciones de microvoltios. En lo que respecta a la duración del barrido, se requieren tiempos del orden de unos pocos milisegundos.
Test de corriente umbral
La corriente umbral del láser (Ith) se define como aquella corriente para la que el dispositivo entra en estado láser y comienza a emitir. El valor de ésta puede obtenerse derivando dos veces la curva L-I y calculando la posición de su máximo. En la figura 4 se representa gráficamente el procedimiento de cálculo.
Test de intensidad de luz
La medida de la intensidad de luz se puede realizar de dos formas: AC y DC. La medida AC se basa en la utilización de un simple medidor de potencia óptica conectado a la salida del diodo láser. En cambio, la medida DC consiste en colocar a la salida del láser un fotodiodo polarizado en inversa y medir la corriente DC del fotodiodo con un multímetro de alta precisión (picoamperímetro). Cuando se requieren medidas de potencia óptica, se utilizan una esfera integradora y un detector calibrados. El software del sistema utiliza el valor de corriente eléctrica medida junto con los datos de calibración del fotodiodo para calcular la potencia óptica a la salida del módulo. El margen típico de corrientes del fotodiodo es de 0-3 mA con 0,1 mA de resolución. Como principal ventaja, la medida DC es más rápida que la AC.

Test de eficiencia de la pendiente
También llamado “kink test”, se encarga de verificar la linealidad de la curva L-I del láser. Para ello, se realiza una primera derivada de la curva con el fin de detectar posibles “picos” que podrían afectar a la respuesta de modulación del láser. La gráfica dL/dI debe ser prácticamente horizontal en la zona de funcionamiento del láser. De lo contrario, el dispositivo puede considerarse defectuoso. Como ejemplo, en la figura 5 se muestra gráficamente el proceso de detección de un láser defectuoso.

Test de del fotodiodo
Las principales medidas que se suelen realizar sobre el fotodiodo monitor son: tensión inversa de rotura y corriente de oscuridad. La tensión inversa de rotura limita el máximo voltaje que se puede aplicar al fotodiodo polarizado en inversa sin que se destruya la unión. El procedimiento para estimar este valor consiste en alimentar el dispositivo con una corriente de -0,01 mA y medir la tensión resultante en la unión. Por otro lado, la corriente de oscuridad se puede obtener anulando la corriente del diodo láser (se debe además asegurar que ningún otro fotón incide en el fotodiodo), polarizando la unión del fotodiodo y midiendo el flujo de corriente que circula.

Dependencia con la temperatura
La mayoría de las medidas anteriores dependen de la temperatura, por lo que la caracterización del diodo láser se suele realizar tanto a la temperatura nominal como a las temperaturas extremas de funcionamiento indicadas en las especificaciones (típ. -40, 25 y 85 ºC). En otras ocasiones, el test L-I-V se realiza para un conjunto de temperaturas: 5ºC, 10ºC, 15ºC, 20ºC, 25ºC, 30ºC. Precisamente para controlar la temperatura de funcionamiento del dispositivo se utilizan el termistor y el TEC de los que dispone el módulo láser (figura 1). También existen medidas de test para controlar el correcto funcionamiento de estos componentes. En este caso, las medidas consisten básicamente en modular el punto de trabajo de temperatura y verificar la resistencia del termistor después de que se ha alcanzado la nueva temperatura. Para medir la resistencia del termistor se utilizan corrientes del orden de microamperios para reducir al máximo la disipación de potencia.