Analogtipp

Breitbandig modulierbare Testlichtquelle

| Autor / Redakteur: Michael Franke * / Kristin Rinortner

Bild 1: Schaltung und Details der Testlichtquelle
Bild 1: Schaltung und Details der Testlichtquelle (Bild: Franke)

Dieser Analogtipp beschreibt den Aufbau einer modulierbaren Testlichtquelle mithilfe eines VCSEL. Die preiswerte Schaltung vereint die Vorteile von LED und Laserdioden.

Für die Messung von Frequenzgang und Impulsantwort optischer Detektoren wird eine modulierbare Lichtquelle mit möglichst großer elektrischer Bandbreite benötigt. Ein solches Laborhilfsmittel lässt sich unkompliziert und preiswert auf Basis eines VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser, Oberflächenemitter) herstellen. Dieser vereint positive Eigenschaften von LEDs und Laserdioden. Die Schaltung eines derartigen Geräts ist in Bild 1 dargestellt.

Der DC-Arbeitspunkt für D3 wird durch die Konstantstromquelle mit N1,T1 und R3 erzeugt und lässt sich an R1 stufenlos einstellen. R2 und C1 sind die dominierende Zeitkonstante dieses Regelkreises, unterdrücken aber vor allem das Rauschen von N1 und das Basisstrom-Schrotrauschen an T1. Die im Kollektorstrom gemessene Komponente beträgt nur noch etwa 50 pA/√Hz bei 4,5 mA. Mit L1, L2 erfolgt die HF-Entkopplung des VCSEL von der Konstantstromquelle. Diese würde anderenfalls im Bereich ab etwa 100 MHz einen Nebenschluss für die HF-Modulation von D3 bilden und Einbrüche im Frequenzgang hervorrufen.

Die passive Beschaltung zwischen Eingang und D3 sorgt für Impedanzanpassung, Überspannungsschutz, AC-Kopplung und Stromeinspeisung. C3 wurde empirisch auf bestmöglichen Frequenzgang justiert. Dieser verläuft bis 1 GHz nahezu ohne Welligkeit.

Lichtauskopplung in die Plastikfaser

Die Lichtauskopplung von D3 in die Plastikfaser muss möglichst vollständig erfolgen, um alle abgestrahlten transversalen Moden zu erfassen. Weil die Modenverteilung stromabhängig ist, würden ansonsten Signalverzerrungen im modulierten Licht entstehen. Bei dem für D3 eingesetzten VCSEL-Typ PM67-F1P0N von Optowell ermöglicht eine nachträglich direkt auf das Fenster geklebte kurzbrennweitige Linse die verlustarme Sammlung des Lichts durch eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 0,5 mm.

Der Amplitudenfrequenzgang des Geräts wurde mittels Spectrum Analyzer und Tracking Generator DSA815 von RIGOL gemessen, als optischer Empfänger diente eine mit einer Sperrspannung von 9 V betriebene Silizium-Photodiode S5973-01 von HAMAMATSU in 50-Ohm-Beschaltung.

Wie in Bild 3 zu sehen ist, verläuft die Kurve nahezu linear bis 1 GHz, gleichbleibend für VCSEL-Arbeitspunkteinstellungen von 2,5 bis 4,5 mA sowie mit Lichtleiterlängen von 1 und 8 m. Notwendig hierfür ist der Aufbau der Hochfrequenz führenden Teile in SMD-Technik auf einer 2-seitigen Platine mit Masse als Unterseite, in Bild 4 ganz links sichtbar. Die Konstantstromquelle ist hingegen unkritisch bezüglich HF und kann mit bedrahteten Bauelementen realisiert werden.

Messungen im NF-Bereich

Die nachfolgend beschriebenen Messungen erfolgten im NF-Bereich, unter Einsatz eines Si-Photodetektors mit der Bandbreite DC-60 kHz. Wird die Testlichtquelle sinusförmig moduliert, ist der Frequenzgang innerhalb der 3-dB-Grenzen 4 Hz (definiert durch C2) und 60 kHz (Si-Detektor) linear. Bei rechteckförmiger Modulation tritt jedoch etwas Überschwingen auf, wie Bild 5 zeigt. Das Abklingen erfolgt nicht rein exponentiell. Ursache hierfür sind die thermischen Zeitkonstanten des VCSEL-Chips in Verbindung mit dessen Temperaturkoeffizienten.

Der VCSEL ist spektral sehr schmalbandig, die Kohärenzlänge folglich groß. Das ruft Interferenzeffekte hervor, die sich als geringfügige Welligkeit im Lichtsignalverlauf äußern und empfindlich auf Temperaturschwankungen und Bewegungen des Lichtleiters reagieren. In Bild 6 ist diese der Rampe überlagerte Welligkeit andeutungsweise erkennbar, würde allerdings auf einem Digitaloszilloskop mit einer Amplitudenauflösung von nur 8 Bit der Aufmerksamkeit entgehen.

Bild 7 schließlich zeigt, wie beim Herausziehen des Lichtleiters aus der Fassung um etwa 5 mm nicht nur die eingekoppelte Intensität gegenüber Bild 6 abnimmt, sondern zusätzlich starke Verzerrungen auftreten. Die Verteilung der von der VCSEL emittierten Lichtleistung auf die verschiedenen Raumrichtungen ist offensichtlich vom Momentanstrom abhängig und variiert beim Durchlaufen des Modulationshubes. Für einen linearen Verlauf ist es also nötig, möglichst das gesamte abgestrahlte Licht (oder zumindest einen repräsentativen Anteil desselben) in den Lichtleiter abzubilden, wie es hier mit der in Bild 1 skizzierten aufgeklebten kurzbrennweitigen Linse erreicht wird.

Die Versuche belegen, dass preiswerte VCSEL bei Berücksichtigung der beschriebenen Eigenheiten eine gute Grundlage für analog wie digital breitbandig modulierbare Testlichtquellen darstellen.

* Michael Franke ist Inhaber der Elektronikmanufaktur Mahlsdorf.

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