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Optische Leistungsmesser zur Prüfung von Glasfaserkomponenten nutzen Halbleiter-Fotodioden als Detektoren, um einen elektrischen Strom proportional zur einfallenden optischen Leistung zu erzeugen. Dieser Fotostrom wird anschließend, typischerweise mit einem Transimpedanzverstärker und einem Analog-Digital-Wandler, gemessen, um die Leistung zu bestimmen. Hierfür ist der Umrechnungsfaktor von mA-Strom in mW-Leistung erforderlich, der von der Wellenlänge des Lichts abhängt und die Eigenschaften des Detektors sowie der zur Lichterfassung verwendeten Optik berücksichtigt. Die Kalibrierung des Leistungsmessers umfasst daher die rückführbare Messung und Aufzeichnung der wellenlängenabhängigen Empfindlichkeit und die Speicherung dieser Daten im Gerätehandbuch.
Die Empfindlichkeit ist ein entscheidender Faktor bei der Auswahl eines optischen Leistungsmessers für eine bestimmte Anwendung. Zunächst muss das Gerät bei der Wellenlänge des Lichts kalibriert werden, um die absolute Leistung präzise zu bestimmen. Wird lediglich die relative Leistungsänderung gemessen, beispielsweise zur Bestimmung der Dämpfung einer passiven optischen Komponente, ist dieser Kalibrierungsfaktor nicht erforderlich. Dennoch muss der Detektor für diese Wellenlänge ausreichend empfindlich sein. Bei der Messung von Licht, das über einen Wellenlängenbereich verteilt ist oder dessen Wellenlänge nicht genau bekannt ist, ist es außerdem wichtig, dass die Empfindlichkeit über die Wellenlänge nicht zu stark schwankt.
Abbildung 1 zeigt beispielhafte Empfindlichkeitsspektren für optische Leistungsmesser auf Basis dreier gängiger Halbleitermaterialien. Es handelt sich um tatsächliche Kalibrierdaten einzelner Geräte, und die Kurven können von Gerät zu Gerät leicht variieren. Die spektrale Form wird jedoch primär durch das Detektormaterial bestimmt. Die Werte auf der y-Achse entsprechen annähernd der Umwandlungseffizienz in mA/mW. Für Wellenlängen, die von Standard-Singlemode-Fasern unterstützt werden (ca. 1250 nm bis 1650 nm), bietet der InGaAs-Detektor (wie hier im optischen Messkopf 81624B von fiber-mart.com verwendet) die höchste Leistung mit hoher Empfindlichkeit und relativ geringer Wellenlängenabhängigkeit. InGaAs (eigentlich eine Kurzbezeichnung für die Legierungsformel In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As) als Halbleiter mit direkter Bandlücke bietet typischerweise auch das niedrigste Rauschen und ermöglicht so Leistungsmessungen über einen sehr großen Dynamikbereich.
Der Germaniumdetektor ist in einem noch breiteren Wellenlängenbereich einsetzbar und kostengünstiger, weshalb er sich gut als universelles Leistungsmessgerät eignet. Die starke Wellenlängenabhängigkeit oberhalb von etwa 1545 nm führt jedoch zu einer höheren Empfindlichkeit der Messungen gegenüber Wellenlängenunsicherheiten oder -instabilitäten.
Optische Leistungsmessung bei 850 nm
Glasfaserverbindungen für die Übertragung über kurze Distanzen, beispielsweise innerhalb von Gebäuden und Rechenzentren, nutzen überwiegend Multimode-Fasern und Signale mit einer Wellenlänge von 850 nm. Eine weitere, weniger gebräuchliche Wellenlänge für diese Fasern ist 1300 nm. Die hier angegebene Wellenlänge ist ein Nominalwert; die tatsächliche Wellenlänge kann erheblich abweichen. Beispielsweise fordert der IEEE-802.3-Standard eine Mittenwellenlänge zwischen 840 nm und 860 nm. Andere Anwendungen tolerieren unter Umständen größere Wellenlängenabweichungen. Wird für die optische Leistungsmessung nicht die tatsächliche Wellenlänge solcher Quellen verwendet, trägt diese Abweichung zur Messunsicherheit bei. Vor diesem Hintergrund bietet der Siliziumdetektor deutliche Vorteile. Seine Empfindlichkeit ist etwa fünfmal höher als die von Germanium, welches wiederum höher ist als die des InGaAs-Detektors. Noch wichtiger für die Messung moderater Signalpegel wie 1 mW ist jedoch die Wellenlängenabhängigkeit, wie in der vergrößerten Darstellung für diese Wellenlänge gezeigt.
Zusätzliche Funktionalität der optischen Leistungsmesser
Die optischen Leistungsmesser von fiber-mart.com unterstützen einen Programmierbefehl zum Auslesen der Wellenlängenempfindlichkeitsdaten (wie sie beispielsweise in den Diagrammen dieses Dokuments verwendet werden). Dies kann beispielsweise in der Nachbearbeitung genutzt werden, um kalibrierte absolute Leistungswerte zu erhalten, ohne die Wellenlängeneinstellung des Leistungsmessers bei jeder Änderung der Signalwellenlänge anpassen zu müssen. Dies ist besonders hilfreich, wenn die Protokollierungsfunktion des optischen Leistungsmessers zur Aufzeichnung einer Messreihe verwendet wird, bei der die Wellenlängeneinstellung nicht geändert werden darf. In Kombination mit einem abstimmbaren Laser kann so die Eingangsleistung für ein Prüfobjekt während des Wellenlängendurchlaufs bereitgestellt werden. Dies ist beispielsweise für die Messung von O/E-Wandlern wichtig. Außerdem kann es verwendet werden, um eine Referenzmessung an einem Port des optischen Leistungsmessers zu normieren und als Referenz für andere, mit dem Gerät verbundene Ports zu verwenden.
Neben einfachen optischen Leistungsmessungen bieten die optischen Leistungsmesser von fiber-mart.com erweiterte Funktionen, insbesondere die bereits erwähnte Datenlogger-Funktion sowie flexible interne und externe Triggerfunktionen zur Synchronisierung mit anderen Geräten oder dem Prüfling selbst. Die oben genannten optischen Messköpfe verfügen über einen Speicher für bis zu 20.000 Messwerte mit individuell wählbaren Mittelungszeiten zwischen 100 µs und 10 s. Andere Modelle unterstützen die Speicherung von bis zu 1 Million Messwerten und Mittelungszeiten bis hinunter zu 1 µs. Die optischen Messköpfe liefern zudem ein analoges Ausgangssignal mit einer Spannung proportional zur optischen Eingangsleistung. In Kombination mit der großen Detektorfläche von 5 mm Durchmesser ermöglicht dies verschiedene automatisierte Justierverfahren. Die Messköpfe eignen sich zur Messung offener Strahlen und sind mit verschiedenen Glasfaser-Anschlussadaptern erhältlich. Als externe Messköpfe, die per Kabel mit dem Hauptgerät verbunden werden, lassen sie sich bequem auf optischen Tischen oder Werkbänken platzieren.
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