Lichtquellen für Mess- und Signalübertragungszwecke beurteilt mit optischen Spektrumanalysatoren. Optische Spektralanalyse Jörg Latzel Juli 2009

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1 Lichtquellen für Mess- und Signalübertragungszwecke beurteilt mit optischen Spektrumanalysatoren Optische Spektralanalyse Jörg Latzel Juli 2009

2 Wir beschäftigen uns im folgenden mit Licht Spektraler Bereich von Licht Lichtquellentypen Halogenlicht LEDs LDs Rauschquellen Lichtquellenvergleich in Bezug auf Bandbreite Kohärenz Polarisation Anforderungen an Licht in der Messtechnik FP DFB VCSEL Demonstration / Messung Verschiedene Lichtquellen Yokogawa

3 TDM mit opto-elektronischen Regeneratoren Es existieren verschiedene Arten von Lichtquellen, wobei deren Charakteristik die Quelle für bestimmte Anwendungen qualifiziert. Man unterscheidet je nach: Wellenlängenbereich Ausgangsleistung Spektrale Bandbreite Kohärenzlänge Polarisation Abstrahlwinkel Yokogawa

4 TDM mit opto-elektronischen Regeneratoren Light Emitting Diode (LED) Wie funktionieren die bekannten LEDs? Yokogawa

5 TDM mit opto-elektronischen Regeneratoren Light Emitting Diode (LED) Energieniveau B3 λ= 980nm Nicht strahlender Übergang A K A K P N B2 λ= 1480nm B Strahlender Übergang 1 Energieerklärung Erbium Dotierter Faser Spannung - Strom If A K Elektronenbewegung Wenn ein Strom durch die Diode fließt, wandern Negative Elektronen in die eine Richtung und Die positiven Löcher in die entgegengesetzte Richtung Yokogawa

6 TDM mit opto-elektronischen Regeneratoren Light Emitting Diode (LED) A K A K P N Spannung - Strom If A K Elektronenbewegung Die vorhandenen positiven Löcher haben einen geringeren Energie- Level als die freien Elektronen. Fällt nun ein Elektron in ein Loch, so verliert es Energie Yokogawa

7 TDM mit opto-elektronischen Regeneratoren Light Emitting Diode (LED) A K A K P N Spannung - Strom If A K Elektronenbewegung Die verlorene Energie Wird in Form eines Photons frei. Je höher die frei werdende Energie, desto größer die Energie des Photons und damit auch eine umso höhere Frequenz (niedrigere Wellenlänge) Yokogawa

8 TDM mit opto-elektronischen Regeneratoren Light Emitting Diode (LED) Zur Datenübertragung über Luft umd Multimodefasern Hauptcharakteristik: Sehr günstig (Verwendung in Laptops, Flugzeugen, LANs) Am häufigsten eingesetzt für nm (sichtbar) und 780, 850 & 1300nm Ausgangsleistung bis zu einigen μw Breiter Spektraler Bereich 30 bis 100nm(3dB). Kurze Kohärenzlänge 0.01 bis 0.1mm Kaum oder gar nicht polarisiert Großer Öffnungswinkel (schwierig in Fasern zu koppeln) Weisse LED Normalisierte Leistun Halbleiter Chip Wavelength λ(nm) Yokogawa

9 TDM mit opto-elektronischen Regeneratoren Laser Diode (LD) Laser gibt es in vielen Anwendungen. Wie funktionieren Sie? Yokogawa

10 Lichtquellentypen Laser Diode (LD) Laser ist eine Abkürzung für : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Albert Einstein behauptete bereits 1917 dass stimulierte Lichtemission möglich sein müsse. Schliesslich wurden sie ersten LASER aber erst 1960 realisiert. Ein LASER emittiert normales Licht mit dem Unterschied, dass dieses Licht viel stärker und kohärent ist. Köhärent bedeutet in Phase und in direktem Bezug zueinander. Yokogawa

11 Lichtquellentypen Laser Diode (LD) Die Laserdiode besteht ähnlich der LED aus P und N Halbleitermaterial Beim Anlegen eines Stromes in Durchflussrichtiung wandern wie bei der LED auch hier die Elektronen aus dem N-Bereich in den P-Bereich Dabei fallen sie auf ein niedrigeres Energieniveau, wobei die frei werdende Energie als Licht emittiert wird Den Unterschied zur LED finden wir auf den nächsten Folien P-Schicht N-Schicht FP LASER Yokogawa

12 Lichtquellentypen Laser Diode (LD) Optische Cavität Ein LASER wird entscheidend durch den optischen Resonator geprägt (optical cavity). Licht, welches nach dem LED Prinzip emittiert wurde, wird in den Resonator geleitet. In diesem Halbleiterresonatorherrscht durch das Anlegen eines hohen Stromes ein erregter Zustand der einzelnen vorhandenen Atome. Trifft nun ein Lichtteilchen (erzeugt vom LED Prinzip) auf ein solch erregtes Atom, so kehrt das Atom in den Ruhezustand zurück, und emittiert ein weiteres Photon mit gleicher Energie und Frequenz wie das ursprüngliche Photon. Durch erneutes Anstossen der nun 2 Photonen werden wieder weitere Photonen erzeugt, die in einer Kettenreaktion weitere Photonen erzeugen. Dieser Vorgang findet nur dann statt, wenn der Verlust im Resonator (Qalität der Reflektoren, innere Verluste) klein genug ist, um die Anzahl der Photonen zu erhöhen. LASER Licht durchbricht den halbdurchlässigen Spiegel 100% reflective mirror 70% reflective mirror Erregtes Atom Atom im Grundstatus Licht (Photon) Yokogawa

13 Lichtquellenvergleich Laser Diode (LD FP (Fabry Perot LASER)) Die Resonatorlänge ist optimal für eine Wellenlänge, arbeitet aber für weitere benachbarte Wellenlängen semioptimal Somit wird nicht nur eine Hauptmode, sondern es werden weitere Nebenmoden auch relativ stark emittiert LASER Licht durchbricht den halbdurchlässigen Spiegel Yokogawa

14 Lichtquellenvergleich Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Laser Diode (LD DFB (Distributed Feedback LASER)) Die Resonatorlänge des DFBs ist verteilt und so konstruiert, dass die Verteilung eine Wellenlänge optimiert verstärkt und andere durch destruktive Interferenz unterdrückt Die Peride des Gitters (z.b. FBG) ist inphase für die Wellenlänge LAMBDA, gibt aber irregulare Phasen für alle anderen dicht bei Lambda liegende Wellenlängen.Eine Reflektion findet im o.a. Konstrukt jeweils an den dichterem Glas statt. Die Abfolge beträgt lambda/2 Yokogawa

15 Lichtquellenvergleich Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Während die Modenbreite von FP Lasern im Bereich von 0,01pm liegt, entspricht die Seitenmodenbreite bei DFB Lasern etwa 0,2nm Yokogawa

16 Lichtquellenvergleich Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Vergleich Inhalt Normales Licht Alle Wellenlängen werden erzeugt in keinem Bezug zueinander. Nicht kohärent, kaum Interferenzen! Rotes Filter Normales Licht gefiltert Licht einer Wellenlänge wieder ohne Bezug der Wellen zueinander Nicht kohärent, keine Interferenz! LED Licht Licht mit schmalem Wellenlängenbereich. Kurze Kohärenz; kaum Interferenz! Laser Licht Eine Wellenlänge in Phase Kohärentes Licht Laser Yokogawa

17 Lichtquellen in der Messtechnik Fabry-Perot (FP) Laser Klassik Halbleiter Laser Hauptmerkmale: Wellenlängen typisch bei 850, 1310 oder 1550nm Leistung bis zu einigen mw Bandbreite von 3 bis 20 nm Modenabstand von 0.03 bis 2 nm Polarisiert Kohärenzlänge von 1 bis 100 mm Kleiner Öffnungswinkel ( leichte Faserkopplung) Multi longitudinal mode (MLM) Spektrum Relativ Wellenlängenstabil durch Temperaturstabilisierung (ca. 0,5nm Drift) P peak AQ /AQ Yokogawa

18 Lichtquellen in der Messtechnik Distributed Feedback (DFB) Laser High Performance Telekommunikationslaser Hauptmerkmale Ausgangsleistung von 3 bis 50 mw Hauptsächlich um 1550 nm Spektrale Bandbreite (0.08 bis 0.8 pm) Seitenmodenunterdrückung (SMSR): > 50 db Kohärenzlänge 1 to 100 m Small NA ( good coupling into fiber) Single longitudinal mode (SLM) Most expensive (difficult to manufacture) Long-haul links & DWDM systems Sehr Wellenlängenstabil mit Drift von weniger als 2 pm P peak SMSR AQ DFB Laser Source Yokogawa

19 Lichtquellen in der Messtechnik Weisslichtquellen Hauptmerkmale Spezielle Halogenlampe Wellenlängenbereich 350 bis 1800 nm Leistungsdichte 0.1 bis 0.4 nw/nm (SM), 10 bis 25 nw/nm (MM) AQ4305 GI50/125 µm SM10/125 µm (RBW:10nm) Yokogawa

20 Lichtquellen in der Messtechnik Verstärkte Spontane Emission (ASE) Hauptmerkmale: Ideal zur passiven Komponentenanalyse Wellenlängenbereich ±1525 bis ±1605 nm Leistungsdichte 10 bis 100 µw/nm ASE Quellen Yokogawa

21 Lichtquellen in der Messtechnik Abstimmbare LASER (External cavity laser) Hauptmerkmales AQ TLS: Abstimmbar über bis zu 200nm ( nm) Wellenlängenauflösung besser als 1pm AQ TLS Yokogawa

22 Lichtquellen Breitbandlichtquelle (Multi Super Luminescent Diodes) Hauptmerkmale: Hohe Ausgangsleistungsstabilität: max. 15 min Breiter Spektralbereich bis 400nm Fibolux SLD Yokogawa

23 Übersicht der Breitbandquellen FIBOLUX ASE S BAND ASE CL BAND Power (db/nm) EE-LED 1310nm LED 1310nm EE-LED 1550nm LED 1550nm AQ4305 White Light Source Wavelenght (nm) Yokogawa

24 Welche Lichtquelle eignet sich für welche Messaufgabe? Power (db/nm) FIBOL UX AQ4305 ASE S BAND White Light Source ASE CL BAND EE- LED LED 1310n 1310nmm EE- LED LED1550n 1550nm m Lichtquellentyp LED DFB FP Halogenlampe SLD EELED ASE Anwendung Verstärker Test Passivkompo- Nententest (nur sehr schmalbandig) (nur schmalbandig) Spektrale Dämpfungsmessung (in begrenztem Bereich) - - Yokogawa

25 Welche Lichtquelle eignet sich für welche Messaufgabe? Lichtquelle Wir messen: FP LASER DFB LASER ASE Quelle Yokogawa

26 Wir haben uns befasst mit Inhalt Wozu Verstärker Verstärkerverfahren Anforderung Messtechnik Demonstration Inhalt Licht Spektraler Bereich von Licht Lichtquellentypen Halogenlicht LEDs LDs Rauschquellen Lichtquellenvergleich in Bezug auf Bandbreite Kohärenz Polarisation Anforderungen an Licht in der Messtechnik FP DFB VCSEL Demonstration / Messung Verschiedene Lichtquellen Yokogawa

27 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit AQ6370B & AQ6375 OPTICAL SPECTRUM ANALYZER