Осинський В. І., Воронько А. А, Мержвинський П. А., Карпінський К. Б. Центр оптоелектронних технологій НДІ Мікроприладів, м. Київ, Україна Тел.: (044) 4347655; e-mail: a7@ukr.net Інститут кібернетики ім. В. М. Гпушкова НАН України Тел.: (044) 2664296; e-mail: merg@carrier.kiev.ua


результати експериментальних вимірювань для lnGaAs / lnP фотодіодів з різними розмірами фоточутливої ​​області наведено на рис. 2.

Анотація Розроблено комплект вимірювальних приладів, що включає вимірник середньої потужності зі збільшеним діапазоном рівнів (від +3 до -70 дБм), оптичний тестер з інтегрованим джерелом оптичного випромінювання, вимірювач потужності з розширеними сервісними функціями і «оптичний пробник» для спостереження форми оптичних сигналів. Наведено основні характеристики приладів. Розглянуто функціональна схема базової конструкції вимірювача середньої потужності IT1701, описані механізми роботи, вимоги та особливості застосування функціональних підсистем.

I.  Введення

Налагодження та експлуатація інтенсивно розвиваються оптоволоконних цифрових систем передачі інформації, немислимі без контролю параметрів оптичних ланцюгів і сигналів у лінії зв’язку, а також режимів роботи активних оптичних компонент. Один із сегментів даного завдання створення відносно простого вимірювального обладнання нового покоління, що відрізняється технологічністю виготовлення і поліпшеними характеристиками. Створений комплект приладів дозволяє вимірювати наступні характеристики і параметри волоконнооптического тракту і його активних компонентів:

1. Загасання оптичних сигналів в одномодовом і многомодовом оптоволокні на використовуваних довжинах хвиль.

2. Тимчасові характеристики оптичних сигналів (око-діаграми, джиттер).

3. Стабільність оптичних параметрів передавальних лазерних модулів в часі і при впливі зовнішніх факторів.

4. Вимірювання і контроль експлуатаційних параметрів оптичних регенераторів.

II.   Основна частина

Розроблені прилади містять традиційні підсистеми, що реалізують такі функції:

• Детектування оптичних сигналів і посилення електричних до рівнів, які сприймаються сучасними АЦП.

• Аналого-цифрове перетворення забезпечує необхідну точність та роздільну здатність;

• Обробка цифрових даних вимірювань і керування режимом вимірювань, взаємодією з індикатором, клавіатурою і зовнішнім інтерфейсом.

Базовою моделлю є вимірювач середньої потужності оптичного випромінювання IT1701 (рис. 1). Призначення та особливості застосування функціональних елементів полягають у наступному.

1. Фотодіод. Здійснює перетворення вимірюваного оптичного потоку в електричний струм. Залежно від потрібного спектрального діапазону використовується Ge, Si або InGaAs / lnP фотодіод. Ре

Рис. 1. Функціональна блок-схема вимірювача оптичної потужності

Fig. 1. Functional flowchart of optical power meter

Одним з визначальних критеріїв вибору фотодіода для вимірювача оптичної потужності є мінімальне значення темнового струму 1т і лінійність його ваттамперной характеристики у всьому необхідному динамічному і температурному діапазоні. При цьому треба зазначити, що фотодіод практично працює в фотовольтаніческом режимі при Rh-> 0, що ускладнює виконання умови лінійності ваттамперной характеристики при великої потужності оптичного сигналу Р> 1 +2 мВт. Для компенсації температурної залежності застосовують різні програмно схемотехнічні методи, особливо це актуально при використанні Ge фотодіода.

2. Логарифмічний підсилювач. Основні вимоги: забезпечення прецизійності перетворення u = k Ig (1ф) у великому (7 декад) динамічному і температурному (-10 + +45 С) діапазоні.

Відзначимо деякі труднощі, пов’язані з реалізацією процесу прецизійного логарифмування. В даній схемі процес логарифмування вхідного сигналу відбувається завдяки нелінійності р-n переходу, включеного в ланцюг ОС операційного підсилювача (ОУ) рис. 3. Для даної схеми [при ібе> 100 мВ] справедливо співвідношення

Аналізуючи рівняння (2) видно, що транзистор Т2 компенсує зміна падіння напруги 11бе в транзисторі Т1, пов’язане зі зміною температури, але нахил даної залежності (множник кТ / q, li < = f (l> bs)) від температури не компенсується, це досить істотно, тому що зміна температури на 10 ° С призводить до зміни нахилу графіка на l | < = fflJss) приблизно на 10%. Для компенсації даної температурної залежності необхідно забезпечити виконання наступної умови:

/

яке реалізується шляхом застосування терморезистора з потрібним температурним коефіцієнтом опору.

Основні вимоги для вибору ОУ А1 (рис. 3)

– Це низькі значення вхідного струму (1Вх <1 нА) і напруги зсуву VCM з одного боку та їх мінімальним температурним дрейфом (VCM(t), lBx (t)) з іншого боку тому не слід відразу віддавати перевагу ОУ з польовими транзисторами на вході, грунтуючись на тому, що у них вхідні струми набагато нижче, ніж у біполярних ОУ.

Діапазон точного логарифмування при низьких значеннях вхідного струму (<10 “А), особливо при зміні температури, обмежений параметрами застосовуваного ОУ А1, а при великих (10”3 А) рівнях 1вх відповідно дією напруги 1до Гб, (Гб – опір області бази транзистора, залежить від типу транзистора і лежить в межах 0,25 10 Ом).

3. Аналого-цифровий перетворювач. Основні параметри розрядність і частота дискретизації. Кращим є використання 12 розрядного перетворювача з частотою дискретизації до сотень кГц. Однак можуть застосовуватися більш високочастотні або з більшою розрядністю, наприклад дельта-сигма перетворювачі. Оскільки частота вхідного сигналу не критична, зручніше використовувати АЦП з послідовним інтерфейсом передачі даних.

4. Блок індикації ‘. 4 розрядний семисегментний ЖКИ або матриця ЖКИ. Основна вимога: досить великі цифри для зручності роботи, наявність підсвічування і надійність роботи в умовах заданого температурного діапазону, мале енергоспоживання.

Рис. 3. Електрична схема логарифмічного підсилювача

Fig. 2а. Spectrum graph of InGaAs / lnP photodiode

с.

Рис. 2а. Спектральна характеристика In-GaAs/lnP фотодіода

Fig. 3. Logarithmic amplifier schematics

Рис. 26. Вольтфарадная характеристика Fig 2b. Voit-farad InGaAs / inP characteristics

5. Мікропроцесорний контролер. Виконує формування сигналів управління на АЦП, обробку даних з АЦП, також вміщує драйвер клавіатури і ЖКИ, формує опорні сигнали на зовнішні пристрої. На ньому реалізовані всі сервісні функції приладу (автоматичне відключення, звукова індикація, обробка натискань кнопок клавіатури).

Конструктивно прилад виконаний в протиударному пластиковому корпусі (рис. 4), вміщеному в захисний шкіряний чохол. Основні технічні характеристики наведені в табл. 1.

У порівнянні з випускаються в даний час приладами даного класу IT1701 володіє більш низьким струмом споживання, кращими масогабаритними характеристиками, малої інерційністю вимірювань, має більше розширений діапазон робочих температур і меншу вартість.

Таблиця 1.

Основні характеристки

Значення

Довжини хвиль калібрування, нм

850, 1310, 1550

Діапазон вимірюваних потужностей оптичного випромінювання, дБм

(-70,0 …+ 3,0)

Повна похибка вимірювання абсолютного рівня потужності (у діапазоні потужностей -60,0 дБм + 3,0 дБм), не більше

± 0,5 дБ (± 10%)

Дозвіл цифрової індикації приладу, дБм

0,1

Оптичний інтерфейс змінні адаптери типу

FC, ST, SC, Лист X

Габаритні розміри, мм

150x80x40

Рис. 5. Зовнішній вигляд панелей управління ПО моделювання

Прилади IT 1702, IT 1703 мають аналогічні характеристики, крім спектральних, т.к. в них використовуються Ge і Si фотодетектори відповідно.

Прилад IT 1704 спеціально розроблено для вимірювання параметрів оптичного тракту кабельного телебачення, тобто з діапазоном вимірюваних потужностей оптичного випромінювання: + 25 дБм 50 дБм.

На базі IT 1701 розроблено оптичний тестер IT 1705 з одним або двома джерелами випромінювання (за вибором споживача).

IT1707 вимірювач середньої потужності оптичного випромінювання. Має більш розширені сервісні функції в порівнянні з базовою моделлю (п’ять довжин хвиль калібрування, наявність вбудованої енергонезалежної пам’яті для збереження результатів вимірювань, вбудований порт RS-232, відображення в ДБ або Вт Він також дозволяє вимірювати середню щодо обраного рівня потужності значення за обраним кількості вимірювань. Останнє дає можливість використовувати його для тестування параметрів передавальних модулів в часі, а при необхідності і при впливі зовнішніх факторів (t ° С і т.д.). Програмне забезпечення для приладу розроблене на базі середовища Delphi з можливістю роботи з вбудованою базою даних. Загальний вид ПЗ для роботи з вимірювачем середньої потужності оптичного випромінювання представлений на рис. 5.

Треба також відзначити зручність і наочність даної програми при моделюванні роботи приладу в навчальних цілях. У даній моделі, на відміну від попередніх, суттєво розширено функціональне застосування мікроконтролера при аналізі оптичного сигналу, що дозволило підвищити точність вимірювань в порівнянні з іншими моделями.

Особливе місце серед розглянутих приладів заслуговує IT1709 це вимірювач оптичної потужності з додатковим фотодетектором (характеристики деяких з них наведено нижче), що спільно з осцилографом дає можливість визначати імпульсні характеристики оптичного сигналу.

Основне призначення даного приладу це застосування для налаштування оптимальних електрооптичних режимів передають лазерних модулів при їх виробництві, настройці і експлуатації.

Для визначення імпульсних характеристик оптичного сигналу і дослідження око-Діаграма розроблений ряд фотодетекторів оптичних конверторів. Вони відрізняються типами застосовуваних фотодіодів, спектральними характеристиками, шириною смуги пропускання (посилення), наявністю підсилювача і конструктивним виконанням.

Враховуючи, що для вирішення більшості завдань достатньо застосування фотодетекторів без підсилювача (unamplified detector), наведемо характеристики тільки для даного класу приладів (табл. 2).

Таблиця 2

Тип

приладу

Спектральний діапазон нм

Ширина

смуги

пропус

Канія,

МГц

Коефіцієнт оптоелектронного перетворення при Rh = 50 Ом, B / W

Тип

адаптеру

ра

IT201

400-1100

10

35 (к = 850)

FC, ST, ЛИСТ-Х

IT202

400-1100

50

35 (X = 850)

FC, ST

IT 102

650-1750

50

про

про

СП

II

<4,

Про

FC, ST

IT304

900-1700

350

Про

про

СП

II

<4,

Про

FC, ST

IT305

900-1700

800

35 (X = 1300)

FC, ST

Один з можливих варіантів конструктивного виконання показаний на рис. 6. В даний час ведеться розробка фотодетекторів, як з підсилювачем, так і без нього з шириною смуги пропускання ~ 2 ГГц (lnGaAs / lnP детектор) і 5 ГГц (GaAs МПМ структура, інтегрована з GaAs підсилювачем).

III.   Висновок

Таким чином розроблений новий клас оптоелектронних вимірювальних пристроїв, заснованих на останніх досягненнях по випромінювачам, фотоприймач, мікропроцесорної техніки і оригінальному програмуванні і відрізняються підвищеною точністю, розширеними сервісними функціями і зниженим енергоспоживанням.

IV.   Список літератури

1. А. Г. Алексєєнко, Е. А. Коломбат, Г. І. Стародуб. Застосування прецизійних аналогових ІС. М.Радіо і зв’язок 1981 223 с.

2. Скриньок К. С., Осі якийсь В. І., Ільченко М. Е. Воронько А. А. та ін Функціональна і технологічна інтеграція в мікрохвильовій оптоелектроніці. Збірник матеріалів 6-й міжнародній кримської конференції “НВЧ-техніка і телекомунікаційні технології”, 16 –

19 вересня 1996, стор 25-33

3. Воронько А. А., Мержвінекій П. А. Розробка вимірювального комплексу для активних оптоелектронних компонент ВОЛЗ. – В кн.: 11-я Міжнародна Кримська конференція «СВЧ техніка і телекомунікаційні технології »(КриМіКо’2001). Матеріали конференції [Севастополь, 10-14 вересня 2001 р.]. – Севастополь: Вебер, 2001. ISBN 966-7968-00-6,

IEEE Cat. Number 01ЕХ487.

4. А. А. Воронько, П. А. Мержвинський. Застосування мікроконтролерів в пристроях вимірювання параметрів волоконно-оптичних сигналів. Вінниця. SPIE 2002.

A SET OF MEASURING DEVICES FOR INSTALLING AND CONTROLLING FIBEROPTIC PATHS

Osinskiy V. I., Voronko A. A., Merzhvinskiy P. A., Karpinskiy К. B.

Centre for Optoelectronic Technologies, Microdevices Research Institute Kyiv, Ukraine phone +380 (44) 4347655, e-mail: a7@ukr.net

V.  M. Glushkov Institute of Cybernetics,

National Academy of Sciences of Ukraine Kyiv, Ukraine

phone +380 (44) 2664296, e-mail: merg@carrier.kiev.ua

Abstract A set of measuring devices has been developed comprising an average power meter with enhanced level ranging (from +3 to -70 dB), an optical tester with an integrated optical radiation source, a power meter with advanced service capabilities and an ‘optical probe’ to monitor the shape of optical signals. The principal specifications of the devices are listed. A flowchart of the basic design the IT 1710 average power meter is reviewed, its operating units, features of implemented functional subsystems and operational requirements are described.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.