detekcja w mikro- i nanoobjętościach - MEMS lab

MIKROMECHANIZMY I MIKRONAPĘDY - laboratorium
Ćwiczenie 5
Optyczny przełącznik światłowodowy MEMS
Zadania i cel ćwiczenia.
W ćwiczeniu zostaną określone parametry optycznego przełącznika światłowodowego
MEMS OSW12-633-SM - Vis MEMS 1x2 Switch, 633 nm, SMF (dokumentacja
przełącznika dostępna na www.thorlabs.com).
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie parametrów elektrycznych optycznego przełącznika
światłowodowego MEMS, a w szczególności: wyznaczenie minimalnego napięcia polaryzacji
przełącznika, wyznaczenie częstotliwości granicznej pracy przełącznika, wyznaczenie
parametrów sygnału wyjściowego: czas narastania, czas opadania, opóźnienie sygnału.
Opis stanowiska.
Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego
Stanowisko pomiarowe składa się z następujących elementów (Rys. 1):
1. optyczny przełącznik światłowodowy MEMS,
2. elektroniczny obwód sterujący i zasilający,
3. monochromatyczne źródło światła i sprzęgacz światłowodowy,
4. oscyloskop cyfrowy,
5. generator funkcyjny.
UWAGA:
Na stanowisku znajdują się bardzo precyzyjne i delikatne elementy. Całkowita
wartość stanowiska oszacowana jest na 2 500 Eur.
Zwracać szczególną ostrożność na światłowody: nie zginać, nie przemieszczać.
O wszystkich niezgodnościach powiadamiać prowadzącego.
________________________________________________________________________
www.memslab.pl
1
Przebieg ćwiczenia.
Przygotowanie stanowiska do pomiarów:
1. włączyć oscyloskop cyfrowy,
2. włączyć generator funkcyjny (Rys 2);
a. ustawić sygnał wyjściowy na prostokąt przyciskiem Sqare,
b. następnie ustawić częstotliwość: wciśnij przycisk Frequerency, urzywaj
strzałek klawiatury do wyboru pozycji (jedności, dziesiątki, itd.) oraz pokrętła
do ustawiania wartości – przy pierwszym uruchomieniu ustawić na 100 Hz,
c. następnie ustawić wartość sygnału pobudzającego: wybierz przycisk
Amplitude i ustaw wartość napięcia na 5,0 V,
d. po wciśnięciu przycisku offset ustawić wartość offseu na połowę wartości
sygnału pobudzającego (dla 5V ustawić 2,5V, dla 3,3V ustawić 1,65).
e. otworzyć wyjście sygnałowe (podświetli się na zielono) dla kanału CHA za
pomocą przycisku trigger outpout.
Rys. 2. Panel sterowania generatora funkcyjnego.
UWAGA:
Nie przekraczać napięcia 5.0 V sygnału wyjściowego.
3. włącz oscyloskop cyfrowy:
a. na oscyloskopie wyłączyć kanał 1 dwukrotnie naciskając klawisz „CH2” lub
do momentu aż przestanie być podświetlony; na ekranie oscyloskopu powinien
być widoczny jedynie przebieg sygnału na kanale 1 oscyloskopu – dobrać
________________________________________________________________________
www.memslab.pl
2
odpowiednią stałą czasową (horizontal) oraz podziałkę napięciową (vertical)
oscyloskopu,
b. włączyć kanał 2 oscyloskopu jednokrotnie naciskając klawisz „CH2”; dobrać
odpowiednią napięciową (vertical) oscyloskopu,
UWAGA:
Po każdorazowej zmianie parametrów
zamrozić przebieg na oscyloskopie
przyciskiem go/run a następnie wyłączyć wyjście generatora funkcyjnego
przyciskiem trigger output dla kanału podłączonego do przełącznika
światłowodowego. Pomiarów dokonywać na zatrzymanej charakterystyce przy
wyłączonym wyjściu generatora!
Wyznaczenie parametrów elektrycznych optycznego przełącznika światłowodowego:
1. Wyznaczanie minimalnego napięcia sygnału pobudzającego:
Zmieniać wartość napięcia sygnał pobudzającego pokrętłem Range na generatorze
funkcyjnym do momentu, aż zaniknie sygnał wyjściowy; następnie zwiększyć wartość
napięcia sygnał pobudzającego do minimalnej wartości dla której widoczny jest
stabilny sygnał wyjściowy – zanotować wartość minimalnego napięcia prostokątnego
sygnału pobudzającego.
2. Wyznaczanie
granicznej
częstotliwości
pracy
optycznego
przełącznika
światłowodowego oraz parametrów czasowych sygnału wyjściowego dla wybranego
napięcia zasilania:
Pokrętłem Range na generatorze funkcyjnym ustawić wartość napięcia prostokątnego
sygnału pobudzającego na 3,3 V.
a. Wyznaczyć graniczną częstotliwość pracy optycznego przełącznika
światłowodowego MEMS – operując przyciskami FREQ BAND oraz
pokrętłem FINE na generatorze funkcyjnym, ustawić częstotliwość graniczną
pracy. Graniczna częstotliwość pracy osiągnięta zostaje w momencie
zmniejszania się amplitudy sygnału wyjściowego.
b. Dla wyznaczonej granicznej częstotliwości pracy optycznego przełącznika
światłowodowego MEMS, wykorzystując możliwości oscyloskopu cyfrowego,
to jest funkcji kursorów (przycisk Cursors, opcje menu kursorów: Mode:
manual, Type: Time (pomiar czasu, częstotliwości), Type: Voltage (pomiar
napieć), Source: wybór przebiegów z kanału CH1 lub CH2 na którym
dokonywane będzie pomiar kursorami, CurA: wybór kursora A, CurB: wybór
kursora B), wyznaczyć:
i. czas narastania sygnału wyjściowego, mierzony pomiędzy wartościami
10% i 90% amplitudy sygnału wyjściowego,
ii. czas opadania sygnału wyjściowego, mierzony pomiędzy wartościami
90% i 10% amplitudy sygnału wyjściowego,
iii. opóźnienie sygnału wyjściowego w stosunku do prostokątnego sygnału
pobudzającego:
________________________________________________________________________
www.memslab.pl
3
- na zboczu narastającym sygnału wyjściowego, mierzone w połowie
amplitudy sygnału wyjściowego,
- na zboczu opadającym sygnału wyjściowego, mierzone w połowie
amplitudy sygnału wyjściowego.
Uwaga: sygnał wyjściowy jest odwrócony w stosunku do prostokątnego
sygnału pobudzającego. Sygnałem odniesienia jest sygnał wyjściowy. Dlatego
też, opóźnienie sygnału mierzone powinno być pomiędzy zboczem
narastającym sygnału wyjściowego a poprzedzającym go zboczem opadającym
prostokątnego sygnału pobudzającego oraz pomiędzy zboczem opadającym
sygnału wyjściowego a poprzedzającym go zboczem narastającym
prostokątnego sygnału pobudzającego.
c. W kolejności, operując przyciskami FREQ BAND oraz pokrętłem FINE na
generatorze funkcyjnym, ustawić częstotliwośc sygnału pobudzającego na
1 kHz oraz 100 Hz. Dla każdej nastawy częstotliwości parametry czasowe
sygnału wyjściowego.
Po zakończonych pomiarach zmienić pokrętłem Range na generatorze funkcyjnym
ustawić wartość napięcia prostokątnego sygnału pobudzającego na 5,0 V i powtórzyć
cykl pomiarowy pisany w punktach od 2a do 2c.
Opracowanie wyników:
Otrzymane wyniki zestawić w tabelach lub/i wykresach. Parametrami grupującymi powinny
być: napięcia zasilania (napięcie prostokątnego sygnału pobudzającego) oraz częstotliwość
pracy.
Zagadnienia do samodzielnego przygotowania:
1. Przełączniki optyczne MEMS – przykłady konstrukcji, wyjaśnienie sposobu
kierowania wiązki światła, sposobu aktuacji mechanicznej.
2. Podać przykłady sprzętu, w którym optyczne przełączniki światłowodowe mają
zastosowanie: przykład sprzętu rozumiany jako konkretny model, realizowane przez
niego funkcje.
3. Parametry światłowodów: podać wymiary rdzenia i płaszcza światłowodu jedno- oraz
wielomodowego.
4. Widmo światła widzialnego – wskazać zakres widmowy dla światła widzialnego oraz
przypisać kolor dla danego zakresu długości fali elektromagnetycznej.
5. Obróbka sygnałów - wyjaśnić, w jaki sposób wyznacza się parametry: czas narastania
sygnału, czas opadania sygnału, opóźnienie sygnału.
________________________________________________________________________
www.memslab.pl
4