Пристрій зі змінним драйвером для тестування лазерів та світлодіодів

1. Пристрій зі змінним драйвером для тестування лазерів та світлодіодів, який містить модулятор, перший вхід якого є входом даних, джерело напруги зміщення, джерело струму зміщення, вихід якого з'єднаний з виходом модулятора, схему корекції струму зміщення, схему контролю лазера, перший вхід якої з'єднаний з входом схеми корекції, блок тестового випромінювача, електричний вхід якого з'єднаний з виходом модулятора, перший електричний вихід з'єднаний з входом схеми корекції струму зміщення, який відрізняється тим, що додатково містить перетворювач струмнапруга, вхід якого з'єднаний з другим електричним виходом блока випромінювача, а вихід з'єдна U 2 42435 1 3 му призначенню - це також часткове рішення задачі через те, що продуктивність мала, оскільки реєстрація результатів вимірювання здійснюється вручну. Відома пристрій для тестування лазерів модель 2520 фірми KEITHLEY http://www.kihleycom. Вона дозволяє встановлювати потрібні сигнали перед вимірюваннями. Проте підсилення відносно слабкого сигналу фотодіода вимірювальної камери моделі 2520 Testhead виконується в основному блоці 2520 Mainfram. Однак це приводить до обмеження чутливості через дію на вимірювальний тракт промислових завад. Завади зменшують точність вимірів. Недостатня чутливість обмежує потужність тестуємих елементів і, тим самим номенклатуру тестуємих елементів. Крім того, він не призначений для тестування оптичних передавачів в складі "драйвер + випромінювач". Найбільш близьким до заявляємого пристрою є пристрій в складі "змінний драйвер в вигляді інтегральної оптоелектронної схеми МАХ3263" + "блок змінних резисторів" для тестування (накачки) лазерів та світлодіодів (див. (www.maximic.com/appnotes.cfm/an_pk/3263j. Відомий пристрій містить модулятор, перший вхід якого є входом даних, джерело напруги зміщення, джерело струму зміщення, вихід якої з'єднаний з виходом модулятора, схему корекції струму зміщення, схему контролю лазера, перший вхід якої з'єднаний з входом схеми корекції, блок тестового випромінювача, електричний вхід якого з'єднаний з виходом модулятора, перший електричний вихід з'єднаний з входом схеми корекції струму зміщення, при цьому форма струму накачки визначається сумою струму модулятора (змінна складова) і струму зміщення (стала складова). Величина цих струмів може корегуватися в залежності від температури за допомогою температурнозалежного джерела напруги зміщення. Крім того напруга зміщення залежить від потужності випромінювання, яке може змінюватися в процесі "старіння" лазера. Недолік вище вказаного пристрою є те. що не забезпечується тестування випромінювачів, в конструкції яких не встановлені фотодіоди зворотнього випромінювання, а також малопотужних випромінювачів, що звужує діапазон тестуємих елементів. Задачею корисної моделі є збільшення номенклатури тестуємих елементів шляхом застосування сучасної елементної бази оптоелектроніки та використання засобів обчислювальної техніки. Технічний результат досягається, тим що пристрій зі змінним драйвером для тестування лазерів та світлодіодів, який містить модулятор, перший вхід якого є входом даних, джерело напруги зміщення, джерело струму зміщення, вихід якої з'єднаний з виходом модулятора, схему корекції струму зміщення, схему контролю лазера, перший вхід якої з'єднаний з входом схеми корекції, блок тестуємого випромінювача, електричний вхід якого з'єднаний з виходом модулятора, перший електричний вихід з'єднаний зі входом схеми корекції струму зміщення, згідно корисної моделі додатково містить перетворювач струм-напруга, вхід якого 42435 4 з'єднаний з другим електричним виходом блока випромінювача , а вихід з'єднаний з входом схеми контролю лазера, блок програмованих резисторів, перший та другий виходи якого з'єднані з другим та третім входами модулятора, третій вихід з'єднаний з першим входом джерела струму зміщення, четвертий вихід з'єднаний з другим входом схеми корекції струму зміщення, п'ятий вихід з'єднаний з другим входом схеми контролю лазера, перший вхід з'єднаний з виходом джерела напруги зміщення, мікроконверторний блок, перший, другий, третій, та четвертий виходи якого з'єднані з другим, третім, четвертим та п'ятим входами блока програмованих резисторів, п'ятий вихід з'єднаний з першим входом модулятора, перший вхід з'єднаний з виходом схеми контролю лазера, другий вхід з'єднаний з виходом блока випромінювача, третій вхід з'єднаний з виходом перетворювача струм-напруга, виносну оптичну, головку, оптичний вхід якої з'єднаний з оптичним виходом блока випромінювача, а електричний вихід з четвертим входом мікроконверторного блоку, персональний комп'ютер, перший вхід/вихід якого з'єднаний з мікроконверторним блоком, монітор, вхід якого з'єднаний з персональним комп'ютером. Крім того, у пристрої що заявляється, екран монітора споряджений напівпрозорою маскою обмеження граничних значень часової діаграми імпульса (або його "око-діаграми"). Пропонована корисна модель дозволяє розширить номенклатуру тестуємих елементів шляхом забезпечення: можливості тестування випромінювачів, які не обладнані фотодіодом-детектором зворотнього випромінювання. можливості тестування малопотужних випромінювачів. можливості тестування оптичних передавачів в складі "драйвер". "резистори режиму" + "випромінювач". можливості тестування випромінювачів з невідомими ват-амперними характеристиками. А це забезпечується за рахунок: Введення в склад пристрою виносної оптичної головки. Наявність в пристрої, що заявляється, виносної оптичний головці в складі "фотодіод" + "передпідсилювач", які розташовані в екранованому корпусі та з'єднані з мікроконверторним блоком екранованим кабелем забезпечує збільшення чутливої виносної оптичної головки і, тим самим, можливість контролювання випромінювачів меншої потужності, які характерні для оптоелектронних інтегральних схем. Сам факт наявності в пристрої виносної оптичної головки дозволяє контролювати не тільки зворотній оптичний потік лазера, але і основний оптичний потік лазера, тобто тестувати лазери, які не обладнані фотодіодом-детектором зворотнього потоку. Наявність перетворювача струм/напруга дає можливість вимірювати струм через лазерний діод, що необхідно для визначення ват-амперної характеристики та параметра "пороговий струм лазера". Наявність блока програмованих резисторів, опір яких оперативно переналагоджується за до 5 помогою мікроконверторного блока, дає можливість працювати з різними типами драйверів лазерів (як малої, так і великої потужності). Результат можливість тестування не тільки блоків випромінювачів, але і оптичних передавачів (в складі драйвер - випромінювач). Величини струмів накачки випромінювача визначаються опором вхідних резисторів використовуємого драйвера. У заявляємому пристрою замість нерегульованих резисторів, які мають постійний опір, і придатні забезпечувати тільки режим конкретного лазера, до характеристик якого вони були розраховані, установка рівнів струмів здійснюється за допомогою програмованих зовнішніх резисторів (R1-R4). Для здійснення регулювання струмами драйверу потрібні резистори, які можуть бути програмовані на величини від 1 до 100кОм. Це може бути реалізовано за допомогою 4-х канального цифрового потенціометра AD8403. Наявність мікроконверторного блоку дозволяє в рольному часу здійснювати приймання аналогового сигналу від контрольного фотодіода лазера або виносної вимірювальної головки 11. формувати коди програмування величин резисторів блоку програмованих резисторів 9 та формування вхідних електричних імпульсів на вході модулятора 2. Мікроконвертор 10 може бути реалізований на інтегральній мікросхемі ADuC812 фірми Analog Devices. Наявність засобів обчислювальної техніки дозволяє поступово нарощувати струм накачки і сформувати ват-амперну характеристику випромінювача, визначити режими накачки лазера в залежності від його потужності та вимог коефіцієнта гасіння променя лазера. Може бути реалізована на PC-комп’ютері. Наявність на моніторі напівпрозорої маски дозволяє просто контролювати амплітудні та часові характеристики оптичних імпульсів. Може бути реалізована програмне або механічно з любої напівпрозорої плівки. Наявність механічного комутатора кіл вхідних даних драйвера дозволяє підключати драйвер до джерела даних гігабітного діапазону і тестувати швидкісні передавачі (драйвер + лазер) за допомогою відносно низькошвидкісних засобів заявляємого пристрою. Сутність корисної моделі поясняється графічними матеріалами, на яких зображено: на Фіг.1 - структурна схема пристрою для тестування лазерів та світлодіодів. на Фіг.2 - приклад реалізації блоків 2-6 (Фіг.1) за допомогою промислового драйвера МАХ3263. на Фіг.3 - розташування амплітуд оптичних імпульсів відносно початкового зміщення. Пристрій 1 зі змінним драйвером для тестування лазерів та світлодіодів (Фіг.1, Фіг.2) містить модулятор 2, перший вхід якого є входом даних, джерело напруги зміщення 3, джерело струму зміщення 4, вихід якої з'єднаний з виходом модулятора 2, схему корекції струму зміщення 5, схему контролю лазера6, перший вхід якої з'єднаний з входом схеми корекції 5, блок тестуємого випромінювача 7, електричний вхід якого з'єднаний з виходом модулятора 2, перший електричний вихід 42435 6 з'єднаний з входом схеми корекції струму зміщення 5, перетворювач струм-напруга 8, вхід якого з'єднаний з другим електричним виходом блока випромінювача 7, а вихід з'єднаний з входом схеми контролю лазера 6, блок програмованих резисторів 9, перший та другий виходи якого з'єднані з другим та третім входами модулятора 2, третій вихід з'єднаний з першим входом джерела струму зміщення 4, четвертий вихід з'єднаний з другим входом схеми корекції струму зміщення 5, п'ятий вихід з'єднаний з другим входом схеми контролю лазера 6, перший вхід з'єднаний з виходом джерело напруги зміщення 3, мікроконверторний блок 10, перший, другий, третій, та четвертий виходи якого з'єднані з другим, третім, четвертим та п'ятим входами блока програмованих резисторів 9, п'ятий вихід з'єднаний з першим входом модулятора 2, перший вхід з'єднаний з виходом схеми контролю лазера, другий вхід з'єднаний з виходом блока випромінювача 7, третій вхід з'єднаний з виходом перетворювача струм-напруга 8, виносну оптичну головку 11, оптичний вхід якої з'єднаний з оптичним виходом блока випромінювача 7, а електричний вихід з четвертим входом мікроконверторного блоку 10, персональний комп'ютер 12, перший вхід/вихід якого з'єднаний з мікроконверторним блоком 10, монітор 13, вхід якого з'єднаний з персональним комп'ютером 12, екран монітора 13 комплектується напівпрозорою маскою 14 обмеження граничних значень часової діаграми імпульса (або його "око-діаграми"). Схема корекції зміщення 5 встановлює рівень зсуву у вхідному буфері. Зменшення цього струму сповільнює роботу вхідного буферного каскаду й зменшує діапазон перебудови величини модуляційного сигналу. В той же час, зменшується перепад амплітуд вихідного сигналу вхідного буферного каскаду. Перетворювач струм-напруга 8 в простішому випадку може бути виконано в вигляді резистора. Блок програмованих резисторів 9 виконано на мікросхемі AD8403, яка дозволяє програмувати опір резисторів в діапазоні від десятків Ом до 100кОм. Мікроконверторний блок 10 виконано на інтегральній мікросхемі ADuC812. Він містить в собі обчислювальний блок, два цифро-аналогових перетворювача (ЦАП 1 і ЦАП 2), аналого-цифровий перетворювач (АЦП) з 8-канальним комутатором на вході (КМК). Принципова оптоелектрична схема головки виконана на основі мікросхеми ОРТ 101; також включає RC-фільтр джерела живлення і вузол вводу оптичного сигналу в вигляді діафрагми або оптичного роз'єднувача, наприклад, SMA-905. Драйвер (блоки 2-6, Фіг.1) здійснює перетворення вихідних сигналів формувача переданого коду, представлених зазвичай напругами стандартних електричних сигналів ТТЛ або ЕСЛ-рівнів, в сигнали у вигляді електричного струму лазера, обумовленого ватт-амперною характеристикою випромінювача. Також драйвер відслідковує розкид і відхід вольт-амперної характеристики при старінні лазера й зміні температури. Лазерний драйвер має три головні складові: генератор опо 7 рного сигналу з температурною компенсацією, блок зсуву струму лазера з автоматичним регулюванням потужності, і модуляційний драйвер (Фіг.2). Генератор опорного сигналу забезпечує температурно-компенсований зсув. Напруги зсуву використовуються, щоб формувати відповідні рівні напруги високошвидкісного модуляційного драйвера, лазерного діода, і контрольного PiN-діода. Блок зсуву встановлює струм зсуву лазерного діода і підтримує його значення вище порогового струму. А кероване струмом джерело струму (генератор стабільного струму зсуву (ГСТС)) управляє величиною струму зсуву, зі струмом Ізм як входом. Коефіцієнт підсилення ГСТС - приблизно 40. ГСТС повинен підтримувати рівень вихідної напруги зсуву вище за 2.2В, щоб запобігти насиченню. Модуляційний драйвер (Фіг.2) містить високошвидкісний вхідний буфер 14 і диференціальний вихід каскаду із загальним емітером 15. Струмове дзеркало 16 установлює рівень зсуву у вхідному буфері. Значення перепаду амплітуд вхідного сигналу, необхідне для того, щоб повністю перемкнути вихідний каскад, залежить і від R1, і від модуляційного струму. Генератор струму модуляції (ГСТМ) 17 встановлює величину модуляційного струму лазера у вихідному каскаді. Цей струм перемикається між виходами "плюс" й "мінус" - лазерного драйвера. Модуляційний ГСТМ має коефіцієнт підсилення приблизно 20. ГСТМ підтримує рівень напруги між виходами драйвера вище за 2.2В, щоб запобігти насиченню. Для вихідного каскаду ширина лінійноїобласті - функція модуляційного струму. Пристрій працює наступним шляхом: При цьому засоби обчислювальної техніки забезпечують ввід даних тестування та виконання наступних тестів: - зняття та індикація ват-амперної характеристики випромінювача; При знятті ват-амперних характеристик з допомогою комп'ютера 12 в мікропрограмний блок 10 заносяться дані про номінальній робочий струм лазера Іном (паспортні дані). При виконанні тесту мікроконверторний блок 10 послідовно з вибраним шагом дискретизації програмує опір резистора R2 від максимального до рівня, при якому струм лазера досягає номінального рівня Іном, де Іном номінальний струм лазера (паспортні дані). Струм лазера вимірюється за допомогою перетворювача напруга-струм 8, а рівень потужності - з допомогою виносної оптичної головки 11 і через комутатор входів АЦП заносяться в пам'ять мікропрограмного блоку 10. По закінченні цикла вимірювань дані подаються на комп'ютер 12 для індикацій на моніторі 13. - зняття та індикація ампер-ватної характеристики детектора зворотнього зв'язку. Виконується аналогічно зняття ват-амперних характеристик. При цьому струм діода-детектора зворотнього випромінювання вимірюється з допомогою схеми контролю лазера 6 і заноситься в пам'ять мікропрограмного блоку 10. 42435 8 - забезпечення робочого режиму випромінювача та перевірка параметрів випромінювача на низьких частотах. При підготовці до виконання цього тесту в комп’ютер згідно документації або результатів вимірювань ват-амперної характеристики заносяться такі вихідні дані: - номінальний робочий струм лазера Іном згідно документації на лазер. - середня потужність лазера (згідно документації на лазер) Pсep мВт. - коефіцієнт перетворювання лазера h А/Вт. - Кгас - коефіцієнт гасіння, згідно вимогам користувача (мінімальне і максимальне значення якого визначають надійність працювання лазера в умовах експлуатації в заданому діапазоні температур). - пороговий струм - Iпор. - струм джерела зміщення лазера Ізмл вираховується засобами комп’ютера як Ізмл=Іном*Кгас, - коефіцієнт передачі каналу вимірювання зворотньої потужності лазера Кп (мА/Вт) - згідно документації на лазер. - робочий струм моніторінга лазера Імон, який вираховується засобами компьютера як Імон РмВт*КмА/мВт, = Після чого: - згідно графіка залежності струму Імон от R4, яка наводиться в документації на драйвер і заноситься в комп’ютер, визначається потрібна величина опору R4. - визначити R1 і R2. Виходячи з того, що - середня потужність визначається як (Р1+Р0)/2, де Р1 - середня амплітуда передаваємої "одиниці" (верхнього рівня), Р0 - середня амплітуда передаваємого "нуля" (нижнього рівня), а коефіцієнт гасіння Кгас визначається як Р1/Р0 та комбінування ці рівняння отримуємо рівні Р1=(2*Рсер*Кгас)/(Кгас+1), Р0=(2*Рсер)/(Кгас+1). Різниця Р1-Р0 становить рівень оптичної модуляції. Потрібний струм модуляції Імод=Рсер*h. Згідно залежності R1 і R2 від струму модуляції (наводиться в документації на драйвер) визначаємо опір R1 і R2. - Визначити струм зміщення Ізм. Він визначається як Ізм=Іпор+DІпор, де DІпор визначається приростом струму від зміни температури в робочому діапазоні температур (в залежності від значення DІ/DТ для вибраного типу або конкретного лазера). Згідно залежності R3 від струму зміщення (наводиться в документації на драйвер) визначаємо опір R3. Після перелікованих підготовчих операцій: - з допомогою мікроконверторного блоку 10 програмуються необхідні значення опору R1-R4 в результаті чого встановлюються необхідні режими драйвера; - на вхід модулятора 2 подаються імпульси з ЦАП 1 і ЦАП 2 мікроконверторного блоку 10 в результаті чого на випромінювачі подпються необхідні імпульси накачки низької частоти (яка забезпечується с\мікроконверторним блоком). 9 На Фіг.3 показано: а) формування вихідного оптичного імпульсу лазера з допомогою резистора R1; б) регулювання амплітуди імпульса резистором R2; в) формування постійної підставки (потужності Р0). Забезпечення робочого режиму випромінювача та перевірка параметрів випромінювача на великих частотах виконується, як на низьких частотах тільки на вхід модулятора подаються імпульси високої частоти з зовнішнього джерела, а вихідні імпульси - з допомогою високошвидкісного оптичного приймача та широкополосного осцилографа. Як показали результати експериментальної перевірки (модулювання розрахунків) при викорис 42435 10 танні пристрою забезпечується досягненням наступних показників. - Час вимірювання ват-амперної характеристики 1хв; - Налагодження драйверу з допомогою віконного інтерфейсу - 4хв. Корисна модель, що заявляється дозволяє збільшити номенклатуру тестуємих елементів та може бути використана при налагодженні та тестуванні випромінювачів і оптичних передавачів оптоволоконних та відкритих систем зв'язку, вимірювальних приладів на основі оптичних сенсорів та інше на різних етапах виробництва оптоелектричних приладів. 11 Комп’ютерна верстка О. Рябко 42435 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601