Bei der Abteilung „Photonic Measurement Division“ von Agilent Technologies gibt es eine spezielle Unterabteilung namens „Metrology Laboratory“, die sich unter anderem mit der Kalibrierung und Vermessung von optischen Leistungsmessgeräten beschäftigt. Diese Diplomarbeit behandelt die Entwicklung eines Programmes, sowie die Definition des benötigten Umfeldes, zur Erzeugung von Meßreports und Kalibrierzertifikaten. Dabei werden die speziellen Meßdaten eines sogenannten optischen „Heads“ von der Software eingelesen, interpretiert, ausgewertet und aufbereitet. Die erhaltenen tabellarischen und graphischen Ergebnisse übermittelt das Programm in einen Meßreport, um sie für den Auftraggeber zu dokumentieren. Es wurde ein optimales, benutzerfreundliches System, zur automatischen und Parameter gesteuerten Verwirklichung des erwähnten Vorhabens erschaffen.
At the department “Photonic Measurement Division” of Agilent Technologies there is a special subsection called “Metrology Laboratory”, which deals, among other things, with the calibration and measurement of optical power measuring instruments. This diploma thesis treats with the development of a program, as well as the definition of the necessary surrounding field, for the generation of measurement reports and calibration certificates. Therefore the special measuring data of a so-called optical "Head" are read in, interpreted, evaluated and prepared by the software. The program conveys the obtained tabular and graphic results into a measuring report, in order to document it for the client. An optimal, parameter-controlled and user friendly system for the mentioned project was created.
Inhaltsverzeichnis
1. Abbildungsverzeichnis
2. Tabellenverzeichnis
3. Abkürzungsverzeichnis und Begriffserklärungen
4. Einführung
4.1 Die Abteilung und das Metrologielabor
4.2 Hintergrund und Zusammenhänge der Diplomarbeit
4.3 Aufgabe und Zielstellung
5. Grundlagen
5.1 Die optischen Sensorköpfe
5.1.1 Head-Typen für diese Diplomarbeit
5.2 Messungen
5.2.1 Spektrale Responsivität
5.2.2 Homogenität
5.2.3 Linearität
5.2.3.1 „open beam“-Messung
5.2.3.2 „self-calibrating“-Messung
5.2.3.3 „high power“-Messung
5.3 Standardisierung von Messgeräten
5.4 Richtlinien zur Zertifikaterstellung
6. Software
6.1 Analyse und Definition des Umfeldes
6.1.1 Festlegung der Programme
6.1.1.1 Agilent VEE - Grundlagen
6.1.1.2 ActiveX
6.1.2 Definition der Eingabeschnittstellen
6.1.2.1 Festlegung von einheitlichen Dateinamen
6.1.2.2 Dateiformate der Homogenitätsmessungen
6.1.2.3 Dateiformate der Responsivitätsmessungen
6.1.2.4 Dateiformate der Linearitätsmessungen
6.1.3 Definition der Ausgabeschnittstellen
6.1.3.1 Excel-Template
6.1.3.2 Word-Templates
6.2 Entwicklung des Programmes
6.2.1 Das erste Konzept
6.2.2 Anpassungen für das Hauptprogramm
6.2.2.1 Das Standard-Format
6.2.2.2 Programm zur Umkonvertierung von „open beam“-Files
6.2.2.3 Programm zur Umkonvertierung von „self-calibrating“-Files
6.2.2.4 Programm zur Umkonvertierung von „high power“-Files
6.2.3 Das Hauptprogramm
6.2.3.1 Initialisierung der benötigten Größen
6.2.3.2 Benutzereingaben
6.2.3.3 Verarbeiten der „open beam“-Daten
6.2.3.4 Verarbeiten der „self-calibrating“-Daten
6.2.3.5 Verarbeiten der „high power“-Daten
6.2.3.6 Verarbeiten der Responsivitäts-Daten
6.2.3.7 Verarbeiten der Homogenitäts-Daten
6.2.3.8 Übertragung der Daten von Excel nach Word
6.3 Test und Nachbetrachtung
6.3.1 Test der Software
6.3.2 Umsetzung der Anforderungen
7. Zusammenfassung
8. Anhang
8.1 Beispiel eines Kalibrierzertifikates
8.2 Ansicht der Benutzeroberfläche
9. Literaturverzeichnis
10. Selbstständigkeitserklärung
11. Danksagung
1. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 4.1: Ablaufskizze zur Erzeugung eines Kalibrierzertifikates
Abbildung 5.1: Bild eines optischen Sensorkopfes [Foto: Agilent Technologies]
Abbildung 5.2: Struktur eines „alten“ optischen Sensorkopfes
Abbildung 5.3: Meßaufbau der Responsivitätsmessung
Abbildung 5.4: Relative spektrale Responsivität für unterschiedliche Halbleiter
Abbildung 5.5: Meßaufbau der Homogenitätsmessung
Abbildung 5.6: Graphische Darstellung der Homogenitätsmessung
Abbildung 5.7: Meßaufbau der Linearitätsmessung „open beam“
Abbildung 5.8: Darstellung der unterschiedlichen Nichtlinearitäts-Typen
Abbildung 5.9: Meßaufbau der Linearitätsmessung „self-calibrating“
Abbildung 5.10: Prinzip der Leistungsveränderung
Abbildung 5.11: Meßaufbau der Linearitätsmessung „high power“
Abbildung 5.12: Hierarchie der Standardisierung
Abbildung 6.1: Elemente von VEE (Teil 1)
Abbildung 6.2: Elemente von VEE (Teil 2)
Abbildung 6.3: Abbildung eines Datenrecord
Abbildung 6.4: Aufteilung der Messwerte in das quadratische Feld
Abbildung 6.5: Komplexität des „VER“-Files
Abbildung 6.6: Beispiel für Vorgehen zur Datenumwandlung
Abbildung 6.7: Daten in einem „COR0“- oder „COR1“-File
Abbildung 6.8: Record eines „VER“-Files
Abbildung 6.9: Inhalt einer „open beam“-Datei
Abbildung 6.10: Inhalt einer „self-calibrating“-Datei
Abbildung 6.11: Inhalt einer „high power“-Datei
Abbildung 6.12: Leeres Sheet im Excel-Template
Abbildung 6.13: Gefülltes Sheet im Excel-Template
Abbildung 6.14: Markierungen in den Word-Templates
Abbildung 6.15: Gesamtkonzept des Programmes
Abbildung 6.16: Inhalt eines Standard-Files
Abbildung 6.17: Optionen im Umwandlungsprogramm „standard_0850.vee“
Abbildung 6.18: Modularer Aufbau des Programmes „standard_1300_1550.vee“
Abbildung 6.19: Programmablauf zum Einlesen und Verarbeiten der Daten
Abbildung 6.20: Verlauf des Hauptprogrammes
Abbildung 6.21: Verlauf der „open beam“-Datenverarbeitung
Abbildung 6.22: Anzeige von Daten und Kurven als Zwischenschritt
Abbildung 6.23: Übertragen der Daten mit ActiveX
Abbildung 6.24: Verlauf der Responsivitäts-Datenverarbeitung
Abbildung 6.25: Anordnung der Werte nach der Auswertung
Abbildung 6.26: Weiterverarbeitung und Übertragung der Responsivitäts-Daten
Abbildung 6.27: Auswahl der normalen Templates
Abbildung 6.28: Modulare Aufteilung durch Funktionen
Abbildung 6.29: Inhalt einer Funktion
Abbildung 6.30: Umsetzung des Datentransportes
Abbildung 6.31: Spezielle Kennzeichnung
Abbildung 6.32: Wirkung einer Umstrukturierung
2. Tabellenverzeichnis
Tabelle 5.1: Verwendete Head-Typen und zugehörige Messungen..
Tabelle 6.1: Konvention der Dateinamen..
Tabelle 6.2: Zusammenstellung der abschließenden Testergebnisse
3. Abkürzungsverzeichnis und Begriffserklärungen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
4. Einführung
4.1 Die Abteilung und das Metrologielabor
Diese Diplomarbeit wurde im Metrologielabor der Photonic Measurement Division (PMD) bei Agilent Technologies geschrieben. Die Abteilung PMD beschäftigt sich mit der Entwicklung und Betreuung von optischen Messgeräten. Die Produktpalette umfaßt unter anderem:
- Optische Abschwächer, optische Schalter
- Laser mit festen bzw. verstellbaren Wellenlängen (TLS)
- Optische Leistungsmessgeräte
- Polarisationskontroller
- Meßsysteme zur Erfassung von Polarisationsabhängigkeiten, Gruppenlaufzeiten, Dämpfungen und Rückflußdämpfungen
- Testsysteme für optische Verstärker
Das Metrologielabor nimmt in dieser Abteilung eine besondere Stellung ein und hat den Fokus unter anderem auf folgenden Kompetenzen:
- Definition und Entwicklung von Tests, Bedingungen und Spezifikationen für Messgeräte
- Unsicherheitsanalysen von Spezifikationen
- Kalibrierung von optischen Leistungsmessgeräten
4.2 Hintergrund und Zusammenhänge der Diplomarbeit
Die Kalibrierung von optischen Sensorköpfen, den sogenannten „Heads“, und die Auswertung der erhaltenen Meßdaten bildete die Grundlage dieses Projektes. Die Neueinstellung ist so genau, dass die Kunden ihre Geräte danach selbst als Referenz nutzen können. Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene Arten der Kalibrierung, die im weiteren Verlauf noch näher beleuchtet und an dieser Stelle nur kurz genannt werden sollen, um den Zusammenhang zu verdeutlichen. Einerseits gibt es die „Neu“-Kalibrierung (C01), bei der man neue, firmeneigene Sensorköpfe nach bestimmten nationalen und internationalen Normen selektiert, vermißt und einstellt. Zum anderen gibt es die „Re“-Kalibrierung (C02), die in periodischen Abständen erfolgen sollte. Hierbei werden Heads, die sich bereits in Benutzung befanden, auf die gleiche Weise wie bei der Neukalibrierung, hinsichtlich ihrer momentanen Genauigkeit vermessen. Daraufhin kann bei bestimmten Fehlern und Messungen eine Neueinstellung vorgenommen werden, ansonsten erfolgt eine Bewertung anhand von fest vorgegebenen Testgrenzen. Beide Prozesse bezeichnet man auch mit den Abkürzungen C01 und C02. Die erhaltenen Meßdaten werden im folgenden sowohl graphisch als auch tabellarisch aufbereitet und in einem sogenannten Kalibrierzertifikat zusammengefasst. Dieses Dokument wird dem internen bzw. externen Kunden, zusätzlich zu dem eingestellten Gerät, übermittelt, um den abgelaufenen Prozess und die erhaltenen Daten zu dokumentieren.
Das grob vereinfachte Prinzip dieses Vorgangs ist in Abbildung 4.1 erkennbar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4.1: Ablaufskizze zur Erzeugung eines Kalibrierzertifikates
Die Namen der Messungen sind hier nur der Vollständigkeit halber angeführt, sollen aber erst später im Zusammenhang mit den zugehörigen Meßplätzen näher erläutert werden.
4.3 Aufgabe und Zielstellung
Die Hauptaufgabe der Diplomarbeit lag nun darin, eine Software zu entwickeln, welche die vorhandenen Daten, unabhängig vom Leistungsmeßgerätetyp und vom Datenumfang, einließt und sie mit möglichst geringem Aufwand und hoher Flexibilität in einen Kalibrierreport umwandelt. Die bisherige Software war sehr vielschichtig und nicht universell einsetzbar. Hinzu kam eine oft unübersichtliche Programmierweise, die das System schlecht wartbar machte und ihm eine zusätzliche Komplexität verlieh. Aus der oben genannten Kernaufgabe resultierten mehrere Anforderungen, die zur Realisierung notwendig bzw. wünschenswert waren. Diese sollen hier kurz vorgestellt und deren Legitimation und Durchführung zu einem späteren Zeitpunkt näher erläutert werden. Als erster Punkt wäre hierbei die selbstständige Auswahl bestmöglicher Arbeitsmittel zu nennen, der sich auf die Arbeitsumgebung und die genutzten Programme bezieht. Ein weiterer wichtiger Punkt war die Definition geeigneter Schnittstellen für das entstehende Programm, d.h. die vorhandenen Datenformate mussten genau erläutert und gegebenenfalls auch angepasst werden. Dazu gehörte auch eine einheitliche Festlegung von Dateinamen, um die Universalität des Programmes zu verstärken und den Ablauf zu vereinfachen. Weiterhin musste der Ablauf der Zertifikatgenerierung festgelegt werden. Dieser sollte auf so wenig wie möglich, jedoch auf so viele wie nötig, Eingaben von Seiten des Benutzers beschränkt sein. Unabdingbar war eine modulare Entwicklung des Programmes, was zu guten Erweiterungsmöglichkeiten und einer leichten Wartbarkeit führen würde. Eine weitere große Anforderung war die Berücksichtigung einer robusten Arbeitsweise, d.h. die Software sollte möglichst resistent gegenüber einer falschen Bedienung oder anderen auftretenden Fehlern sein. Zu guter Letzt war eine Programmdokumentation, zur schnellen Einarbeitung anderer Beteiligter, gefordert.
Aus dieser Fülle von Aufgaben ergab sich die entsprechende Zielstellung, nämlich die selbstständige Erarbeitung eines funktionierenden Systems, sowie deren Umfeld, zur Erzeugung von Kalibrierzertifikaten.
5. Grundlagen
5.1 Die optischen Sensorköpfe
Ein optischer Sensorkopf ist ein Gerät zur Bestimmung von optischer Leistung, welches in den folgenden Ausführungen zur Vereinfachung als „Head“ bezeichnet werden soll. Grundsätzlich unterscheidet man zwei große Gruppen von optischen Leistungsmessgeräten. Zum einen gibt es das Prinzip der thermalen Detektoren, wobei anhand der durch unterschiedliche Lichtabstrahlungen verursachten Temperaturunterschiede die Leistung bestimmt werden kann. Und zum anderen gibt es die Gruppe der Messgeräte mit Photodetektoren, wozu auch der hier behandelte Head gehört (siehe Abbildung 5.1).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.1: Bild eines optischen Sensorkopfes [Foto: Agilent Technologies]
Die Photoneneinstrahlung des Lichtes und deren Absorption im Halbleiter (z.B. in der Photodiode) setzt Ladungsträger frei. Durch die Schaltung der Diode in Sperrichtung, und das daraus resultierende elektrische Feld, werden diese stetig abgesaugt. Aufgrund des Ladungsträgertransportes kann es zu einem Stromfluss kommen, welcher direkt proportional zum optischen Eingangssignal ist [4]. Das erhaltene analoge Signal wird nach der Umwandlung durch einen A/D-Wandler abgegriffen und ausgewertet.
In Abbildung 5.2 sieht man den prinzipiellen Aufbau, hier am Beispiel eines „alten“ Heads. Man kann erkennen wie die Anschlusshülse der Glasfaser an einen Adapter geführt wird, welcher durch seine nicht-reflektierende Beschichtung und eine sehr kleine Öffnung am Ende die Aufgabe hat, Reflexionen bestmöglichst zu vermeiden. Weiterhin ist die schräge Positionierung des Detektors hinsichtlich der Faser zu erwähnen, wodurch das gleiche Ziel der Reflexionsvermeidung verfolgt wird. Bei den „neuen“ Heads ist der Aufbau ähnlich, allerdings ist der Detektor nicht schräg zur Faser lokalisiert, sondern gerade und das Glasfenster hat eine keilförmige Form. Dadurch wird jedoch dasselbe Ergebnis erreicht. Um gleichbleibende Meßbedingungen zu schaffen wird ein Peltier-Element zur Temperaturstabilisierung verwendet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.2: Struktur eines „alten“ optischen Sensorkopfes
5.1.1 Head-Typen für diese Diplomarbeit
Für diese Heads mit einem Photodetektor gibt es verschiedene Bauformen, die sich vor allem aufgrund des verwendeten Halbleitermaterials und bautechnischer Details unterscheiden. Eine Differenzierung hinsichtlich der Sensormaterialien ist wichtig, um einige Besonderheiten bei der nachfolgenden Erklärung der Messungen zu verdeutlichen. Alle verwendeten Modelle, sowie deren Sensormaterialien und die Messungen, die standardmäßig für jeden Head durchgeführt werden, sind in Tabelle 5.1 dargestellt. Hierbei gibt es eine übergeordnete Unterscheidung in „alte“ Heads und „neue“ Heads, welche natürlich mit dem Entwicklungszeitpunkt zusammenhängt. Auf jeweilige Leistungsmerkmale soll nicht weiter eingegangen werden, da sie für diese Diplomarbeit nahezu unerheblich sind. Wichtige Besonderheiten bezüglich der zugehörigen Messungen werden in den entsprechenden Abschnitten angesprochen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 5.1: Verwendete Head-Typen und zugehörige Messungen
5.2 Messungen
5.2.1 Spektrale Responsivität
Die Responsivität, oder auch Empfindlichkeit über der Wellenlänge, eines Detektors ist allgemein das Verhältnis zwischen dem erzeugten Fotostrom und der optischen Eingangsleistung.
Die Kalibrierung der optischen Heads beruht auf einem einfachen Vergleich von Leistungsmessgeräten. Der Meßaufbau ist in Abbildung 5.3 dargestellt [1]. Hierbei wird ein Referenzsensor, bei zeitlich konstanter Leistung einer Weißlichtquelle, in bestimmten Wellenlängenbereichen vermessen. Dieser sehr genaue Head unterliegt der regelmäßigen Kontrolle einer nationalen Standardisierungsbehörde, worauf aber zu einem späteren Zeitpunkt nochmals eingegangen wird. Als nächstes wird der zu vermessene Head, das sogenannte „Device under Test“ (DUT), mit den gleichen definierten Wellenlängen getestet. Aus beiden Meßreihen werden nun die Abweichungen vor der Neueinstellung nach folgender Formel berechnet:
Relative Abweichung = (Leistung des DUT / Leistung des Referenzsensors) – 1 (5.1)
Diese errechneten Unterschiede zum Sollzustand, welche in Prozent angegeben werden, bezeichnet man als „on receipt“-Werte. Aus dem Verhältnis der Messungen von Referenzsensor und DUT wird eine Korrekturfunktion berechnet, mit dieser der Head daraufhin neu beschrieben und somit justiert wird. Zuletzt folgt eine weitere Vermessung des DUT und die erneute Bestimmung der Abweichungen zum Referenzgerät nach 5.1, diese nennt man „after adjustment“-Daten. Beispiele für die „on receipt“- sowie die „after adjustment“-Informationen und deren zugehörige Kurvenverläufe finden sich im Anhang 8.1 in dem vollständigen Kalibrierzertifikat.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.3: Meßaufbau der Responsivitätsmessung
An dieser Stelle sollen auch nochmals die unterschiedlichen Begriffe der „Neu“-Kalibrierung und „Re“-Kalibrierung aufgegriffen werden. Die Differenzen zwischen beiden Abläufen wurden bereits im einleitenden Teil hervorgehoben, doch nun soll der Zusammenhang bezüglich des Umfanges und der Form der Kalibrierreporte erklärt werden. Bei einer Neukalibrierung werden lediglich die „after adjustment“-Daten in dem Meßreport benötigt, da es sich um einen neuen Head handelt und es somit keine Neujustierung geben muss. Bei einer Rekalibrierung jedoch werden sowohl „after adjustment“- als auch „on receipt“-Daten eingefügt, um hier den Unterschied vor und nach einer Korrektur zu verdeutlichen. Außerdem kann der Kunde dadurch auch erfahren, ob er bislang richtig gemessen hatte. Bei den anderen Messungen hat diese Unterscheidung der Kalibrierungsart lediglich Einfluss auf die Spezifikationen, in denen die gemessenen Daten liegen müssen. Ein neu kalibriertes Gerät muss höhere Anforderungen erfüllen als ein Head, der sich schon in Benutzung befand, was natürlich durch Alterungserscheinungen begründet ist.
Eine weitere wichtige Größe für die Darstellung der Empfindlichkeit ist die relative spektrale Responsivität [2]. Sie wird aus den gemessenen Werten des DUT nach der Kalibrierung berechnet, welche auf den Wert einer Referenzwellenlänge bezogen werden. Die entstandenen Daten und Kurven fallen für die bereits genannten Halbleiter sehr unterschiedlich aus, da die Materialbeschaffenheit diese maßgeblich beeinflusst. Abbildung 5.4 zeigt die Verläufe dieser relativen spektralen Empfindlichkeit als Funktion der Wellenlänge.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.4: Relative spektrale Responsivität für unterschiedliche Halbleiter
Hier kann man gut die Unterschiede erkennen, welche in vielen Detektoren heutzutage ausgenutzt werden. Der Halbleiter Silizium (Si) ist vor allem für den Bereich kurzer Wellenlängen geeignet. Im Gegensatz dazu stehen Germanium (Ge) und Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), welche sich vornehmlich im Bereich langer Wellenlängen auszeichnen können. Allerdings ist Germanium sehr stark auf einen kleinen Wellenlängenbereich beschränkt (um 1550 nm) und InGaAs hat einen recht günstigen Verlauf über einen breiteren Bereich. Daher ist dieses Material für viele Anwendungen der Optik wesentlich besser geeignet.
5.2.2 Homogenität
Die Homogenität beschreibt die räumliche Verteilung der Empfindlichkeit einer Diode. Der Meßaufbau ähnelt dem der Responsivitätsmessung und ist in Abbildung 5.5 dargestellt. Hierbei wird das Licht einer Weißlichtquelle, mit konstanter Leistung, durch einen Interferenzfilter auf eine definierte Wellenlänge selektiert. Diese Messung kann grundsätzlich für beliebige Wellenlängen durchgeführt werden, wobei der Meßaufbau immer der gleiche bleibt und lediglich der Interferenzfilter ausgetauscht werden muss. Für alle Heads werden Messungen bei 1300 nm und 1550 nm durchgeführt, abgesehen von dem 81520A, bei dem nur eine Messung bei 850 nm erfolgt. Das nun erzeugte Licht wird durch ein Objektiv gebündelt und auf einen kleinen Punkt, mit einem Durchmesser von 0,5 Millimeter, auf der Oberfläche des Photodetektors geworfen. Dieser befindet sich samt dem DUT auf einer Auflage, die über einen Schrittmotor bezüglich ihrer Position gesteuert werden kann. Der Head ist wieder mit einem Messgerät verbunden, dass die jeweiligen Messwerte aufzeichnet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.5: Meßaufbau der Homogenitätsmessung
Die Motorsteuerung und das Messgerät müssen natürlich auch untereinander konnektiert sein, um jeden einzelnen Schritt koordinieren zu können. Mit dieser Technik wird nun der aktive Bereich der Photodiode in einem quadratischen Raster abgetastet. Die Maße und das Aussehen des Rasters kann man auch aus dem Anhang 8.1, also dem beispielhaften Kalibrierungsreport, entnehmen. Die ermittelten Messwerte werden relativ zum geometrischen Mittelpunkt des Meßfeldes ausgewertet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.6: Graphische Darstellung der Homogenitätsmessung
Diese Auswertung kann zum einen anhand eines quadratischen Feldes von Daten geschehen, aber zum anderen auch graphisch erfolgen, was das Ergebnis wesentlich veranschaulicht (Abbildung 5.6).
5.2.3 Linearität
Mit der Lineariät wird allgemein die Meßgenauigkeit beschrieben, die ein optisches Leistungsmessgerät bei einer festen Wellenlänge über einen Leistungsbereich aufweist. Für die Bestimmung der Linearität gibt es verschiedene Meßmethoden, abhängig vom Typ des Head.
5.2.3.1 „open beam“-Messung
Diese Art der Linearitätsbestimmung findet nur bei dem 81520A-Head Anwendung, da hier eine Wellenlänge von etwa 850 nm benötigt wird und der vorhandene Aufbau dafür am besten geeignet ist. Eine Messung bei dieser Wellenlänge wäre mit den anderen Methoden der Linearitätsvermessung aus fasertechnischen Gründen sehr ungenau. Der Name „open beam“ bezeichnet die Eigenschaft des Systems, dass ein offener Strahl erzeugt wird, der mit verschiedenen Leistungsintensitäten auf ein Referenz-Leistungsmessgerät und auf den zu vermessenen Head projiziert wird. Dafür gibt es wieder eine definierte Strahlenquelle, die eine konstante benötigte Lichtleistung erzeugt. Darauf folgen sowohl ein Interferenzfilter, der nur eine bestimmte Wellenlänge des erzeugten Lichts durchläßt, als auch ein einstellbares Filtersystem mit zwei verschiedenen Mechanismen. Beim ersten Filter gibt es drei Einstellungsmöglichkeiten, eine vollkommene Verdunkelung, eine feste Dämpfung von ca. 10 dB und eine absolut lichtdurchlässige Position. Der andere Filter kann in einem Dämpfungsbereich von 0 bis 60 dB variiert werden. Der prinzipielle Aufbau ist in Bild 5.7 dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.7: Meßaufbau der Linearitätsmessung „open beam“
Als erstes erfolgt nun eine Referenzmessung, wofür mit dem Referenz-Head zwei Leistungen aufgenommen werden. Zunächst befinden sich beide Filter in einer Stellung ohne jegliche Dämpfung, der ermittelte Wert wird dann als PX bezeichnet. Nun wird der erste Filter mit der festen Dämpfung von 10 dB und der zweite Filter unverändert betrieben. Diese Leistung wird P0 genannt. Das Verhältnis PX/P0 stellt den Bezugswert für die gesamte Messung dar. Nun folgen die Datenaufzeichnungen mit dem DUT, wobei hier jetzt beide Filter eingesetzt werden um den Dämpfungsbereich zu variieren. Die Wertebestimmung geschieht jedoch nach dem gleichen Prinzip, d.h. erst wird ein Wert vor einer Umstellung der Filter aufgenommen (DX) und dann werden diese um 10 dB verändert und der dazugehörige Wert (D0) ebenfalls gespeichert. Die Aufnahme der, um 10 dB verschiedenen, Datenpaare wird im möglichen Wertebereich der beiden Filter (0 dB bis 70 dB) wiederholt. Daraus kann nun die jeweilige Nichtlinearität nach der Formel 5.2 berechnet werden:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die ermittelten Werte sind jedoch nur der erste Anteil für die Gesamt-Nichtlinearitäten und werden als „in-range“-Werte bezeichnet. Der zweite Einfluss kommt von den Messgeräten, weil hier Sprünge dazu kommen, wenn sie von einem Meßbereich in einen anderen schalten. Diese werden „range-jump“-Daten genannt. Alle ermittelten Nichtlinearitäten werden auf einen Referenzpunkt mit dem definierten Wert Null bezogen (im Bild liegt er bei -20 dBm) und relativ zu diesem aufaddiert. Das folgende Diagramm (Abb. 5.8) soll diesen Zusammenhang noch verdeutlichen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.8: Darstellung der unterschiedlichen Nichtlinearitäts-Typen
Zu den Nichtlinearitäten eines DUT berechnet man auch die zugehörigen Unsicherheiten der Messwerte, welche an dieser Stelle nur stellvertretend für alle Linearitätsmeßverfahren erwähnt, jedoch nicht weiter erläutert werden sollen. Dafür kann es mehrere Ursachen geben. Zum einen existieren systematische, also wiederholt auftretende, Unsicherheiten, welche beispielsweise aus fehlender Genauigkeit der Meßgeräte, Fehlern im Referenzmeßgerät oder auch einem falschen Meßaufbau resultieren könnten. Außerdem gibt es die sogenannten zufälligen Fehler. Gründe hierfür sind beispielsweise die Schwankungen der Stabilität von Licht erzeugenden Quellen oder auch die eventuell auftretenden Polarisationsänderungen im Zusammenhang mit polarisationsabhängigen Verlusten in den Komponenten des Meßaufbaus.
5.2.3.2 „self-calibrating“-Messung
Diese Messung beruht auf dem Prinzip der Superposition, wobei einfach eine Anordnung von sich überlagernden Quellen ausgenutzt wird. Die Besonderheit hierbei ist, dass es sich um ein selbstkalibrierendes System handelt. Das heißt, dass hier kein Gerät als Referenz für die Messung vorhanden sein muss und somit auch keine Abhängigkeit zu nationalen oder internationalen Standardisierungsinstitutionen besteht. Das Prinzip dieses Prozesses sieht man in Abbildung 5.9.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.9: Meßaufbau der Linearitätsmessung „self-calibrating“
Zwei Laserquellen erzeugen Leistungen bei einer fest eingestellten Wellenlänge, die entweder bei 1300 nm oder 1550 nm liegt. Diese statische Leistung wird auf die sogenannten optischen Abschwächer projiziert. Zwischen ihnen und den Lasern befinden sich noch Isolatoren, welche die Aufgabe haben, die Laserquellen vor eventuellen Reflexionen zu schützen. Dadurch kann unzulässigen Beeinflussungen der erzeugten Leistung vorgebeugt werden.
Die Geräte zur optischen Leistungsdämpfung sind so aufeinander abgestimmt, dass sie auch bei unterschiedlichen Leistungen am Eingang stets ähnliche Leistungen am Ausgang liefern. Dies kann man jeweils durch die interne Dämpfung ausbalancieren. Als erstes werden sie bei maximaler Dämpfung betrieben, d.h. es kommt jeweils nur eine sehr kleine Leistung bei dem optischen Koppler an. Er vereinigt die Lichtleistungen und leitet sie an das DUT weiter, wo sie dann erfasst und mit dem Leistungsmessgerät gemessen werden können. Das Prinzip der Berechnung liegt nun darin, dass man sowohl die einzelnen Werte der abgeschwächten Leistungen aus den Dämpfungsgliedern (PA und PB), als auch die vom Head erfasste gemeinsame Leistung (PC) hat und daraus die Nichtlinearitäten bestimmen kann. Die nach Formel 5.3 ermittelten Ergebnisse werden wieder in Prozent angegeben.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Nun wird die erzeugte Leistung aus den Einzelpfaden durch die Abschwächer auf den vorherigen Wert, der vom Messgerät angezeigten gemeinsamen Leistung, eingestellt. Das bedeutet, dass sich die Leistung jeweils etwa verdoppelt und die interne Dämpfung um 3 dB reduziert. Dieses Prinzip soll Abbildung 5.10 nochmals verdeutlichen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.10: Prinzip der Leistungsveränderung
Auf diese Weise kann der gesamte Leistungsbereich in 3 dB-Schritten vermessen werden. Die erhaltenen Werte sind nur partielle Nichtlinearitäten, da das Verfahren unterschiedliche Leistungsniveaus als Referenz benutzt. Daher muss man am Schluss der Berechnungen wieder einen Bezugspunkt definieren, welcher den Wert Null erhält. Alle ermittelten Nichtlinearitäten werden nun bezüglich dieses Punktes aufaddiert.
5.2.3.3 „high power“-Messung
Diese Messung der Nichtlinearitäten ist auf besonders hohe Leistungen ausgelegt und wird auch nur bei dem Head 81626B aus Tabelle 5.1 durchgeführt, da dieser speziell dafür konstruiert ist. Die hier benutzten optischen Leistungen (bis 10 W) liegen bereits in einem Bereich, der bei fehlendem Schutz durchaus gefährlich für einen Menschen werden kann. Für diesen Head werden Leistungen von 0,1 und 0,5 Watt verwendet, allerdings sind bei sehr speziellen Heads auch Werte von bis zu 10 Watt möglich. Um einen ausreichenden Schutz gewährleisten zu können, wird der komplette Meßaufbau von einem Kasten aus Metall umschlossen. Lediglich die Anschlüsse für relevante Geräte werden nach außen geführt. Die Messungen erfolgen bei diesem Head bei einer festen Wellenlänge von 1550 nm. Abbildung 5.11 zeigt diesen speziellen Meßaufbau
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.11: Meßaufbau der Linearitätsmessung „high power“
Als Lichtquelle dient hier ein besonderer EDF-Laser, der durch ein spezielles Verstärkungsprinzip recht hohe Leistungen erzeugen kann. Das nahezu kohärente Licht wird zunächst auf einen Polarisator gegeben, der es nochmals nachpolarisiert. Das heißt, dass ungewollte Lichtanteile aus dem Strahl ausgefiltert und von einer sogenannten „Lichtfalle“ absorbiert werden. Dieser Schritt ist notwendig, da es ansonsten hohe Unsicherheiten bezüglich des Transmissionsgrades vom Abschwächer geben könnte und diese zu falschen Messungen führen würden. Der nächste Bestandteil ist der erwähnte Abschwächer, der durch eine Motorsteuerung schrittweise in seinem Dämpfungsgrad und somit dem möglichen Wertebereich variiert werden kann. Das durchgelassene Licht trifft auf einen Teiler, der eine geringe Lichtleistung entnimmt und anzeigt. Diese Maßnahme ist erforderlich, um Schwankungen der Quellenleistung zu erfassen und gegebenenfalls Korrekturschritte bezüglich der Meßdaten einzuleiten.
Die Berechnung der Werte geschieht ähnlich wie bei der „open beam“-Messung. Zunächst erfolgt die Aufnahme von Leistungen mit dem Referenzgerät und danach entsprechend mit dem DUT-Head. Nach dem Abschluss der Messungen können die Nichtlinearitäten nach Formel 5.4 berechnet werden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Hierbei steht PDUT für die angezeigte Leistung des DUT und PREF für die Leistung des Referenzmeßgerätes. Im einen Fall sind diese Werte eine Funktion von x, also von dem jeweiligen Meßschritt. Und im anderen Falle sind sie eine Funktion von 0, was auf den jeweils ersten gemessenen Wert hinweisen soll.
Eine weitere Besonderheit dieser Messung ist, dass die nun ermittelten Nichtlinearitätswerte noch mit den zugehörigen Werten bei kleineren Leistungen verrechnet bzw. in Zusammenhang gebracht werden müssen. Der Head-Typ 81626B wird bei einer festen Wellenlänge von 1550 nm zuerst mit dem „self-calibrating“-Verfahren für geringe Leistungen, und danach mit dem „high power“-Prozess für große Leistungen, vermessen. Auf diesen Zusammenhang wird bei der Behandlung der Software noch etwas genauer eingegangen.
5.3 Standardisierung von Messgeräten
Folgender Abschnitt soll zum einen die Hierarchie bei der Standardisierung von kalibrierungsrelevanten Geräten verdeutlichen, aber andererseits nochmals die Ausnahmestellung des Metrologie-Labors hervorheben. In bestimmten Zeitintervallen müssen die Messungs-Standards von Agilent auf ihre Genauigkeit hin neu überprüft werden, was zum Beispiel durch Vergleich zu nationalen Standards, zu physikalischen Naturkonstanten oder auch zu sogenannten Konsens-Standards erreicht wird. Der Prozess umfaßt sowohl die Geräte, die für weitere interne Kalibrierungen als Referenz dienen, als auch die Festlegung spezifischer Grenzwerte. Die Hierarchie der Standardisierung ist in Bild 5.12 zu sehen. Von Institutionen wie der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig oder dem „National Institute of Standards and Technology“ aus den USA (NIST) werden die Referenz-Standards abgeleitet, die für die interne Arbeit bei Agilent genutzt werden. Diese oberste Stufe der Hierarchie wird hier als 1. Level bezeichnet. Hier ist die besondere Stellung des Metrologie-Labors zu sehen, denn es hat die Aufgabe aus solchen Referenz-Standards die Arbeits-Standards für das Metrologie-Labor zu manifestieren (Level 2), woraus man dann wiederum alle produktrelevanten Prozesse ableitet. Das 3. Level dieser Hierarchie bilden zum einen die Festlegung der Arbeits-Standards in der Produktionslinie und andererseits die angebotenen Serviceleistungen. Das letze Level enthält die kommerziellen Leistungsmeßgeräte.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5.12: Hierarchie der Standardisierung
5.4 Richtlinien zur Zertifikaterstellung
Zur Erstellung von Kalibrierreporten müssen sehr genaue Richtlinien eingehalten werden. Diese gründen sich auf der sogenannten ISO 17025 [5], welche die allgemeinen Anforderungen an das Qualitäts-Management-System und die Arbeitsweise von Prüf- und Kalibrierlaboratorien beschreibt. Sie ist international anerkannt und wird von den jeweils nationalen Akkreditierungsstellen als Grundlage für die Begutachtung von Labors angewendet. Aus ihr können Grundsätze für die Erzeugung eines Kalibrierungszertifikates abgeleitet werden. Einige notwendige Inhalte sollen hier kurz aufgezählt werden, um die Notwendigkeit zu untermauern:
- Wichtige Header-Informationen, zur eindeutigen Identifizierung des Zertifikates (z.B. Model- und Seriennummer des getesteten Gerätes, eine fortlaufende Nummer des jeweiligen Reports, das Testdatum), müssen enthalten sein
- Besondere Form der Seiten (z.B. festgelegte Seitenabstände, durchgehende Nummerierung der Seiten) muss eingehalten werden
- Auf der Startseite sollten eindeutige Aussagen bezüglich der getätigten Messungen sein, d.h. ob die Messwerte innerhalb oder außerhalb der spezifizierten Grenzen liegen („pass“ / „fail“)
- Bei der Darstellung der Ergebnisse sollten z.B. die Testbedingungen, die Produktbezeichnungen, die Test-Limits oder genaue Bezeichnungen der Messwerte mit deren Einheiten Berücksichtigung finden
- Meßunsicherheiten sollten angeführt sein
- Eine Referenz zu den Richtlinien (z.B. ISO 17025) sollte erkennbar sein
[...]
- Arbeit zitieren
- Dipl.-Ing. Sven Schaumann (Autor:in), 2004, Erstellung eines Systems zur Generierung von Messreports und Kalibrierzertifikaten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/80161
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