Anna Busse Łukasz Długosz Monika Grzęda Jacek Kibiłda Jakub Lamperski
pod kierunkiem: Jan Lamperski
Studenckie Kolo Naukowe Fotoniki „Photon Club” Politechnika Poznańska
Wydział Elektroniki i Telekomunikacji ul. Piotrowo 3A, 60-965 Poznań jlamper@et.put.poznan.pl
POMIAR SZEROKOŚCI WIDMA LASERA METODĄ
AUTOKOHERENTNĄ
Streszczenie: Referat przedstawia metodę pomiaru
szerokości widm laserów opartą na detekcji autokoherentnej. W pracy zaprezentowany jest zbudowany do tego celu doświadczalny system pomiarowy oraz otrzymane za jego pomocą rezultaty.
1. WSTĘP
Pomiar widm laserów selektywnych, o małej szerokości prąŜka głównego nie moŜe być przeprowadzony z naleŜytą dokładnością za pomocą analizatora widma ze względu na jego niewystarczającą rozdzielczość. Zastosowanie detekcji koherentnej umoŜliwia przesunięcie sygnału na zakres częstotliwości elektrycznych i w konsekwencji pomiar widma przy uŜyciu dokładniejszych analizatorów stosowanych w tym pasmie.
Światłowodowe systemy koherentne wykorzystują podczas transmisji światło spójne. WyróŜnia je specyficzny sposób odbioru oparty na detekcji sumy dwóch sygnałów wprowadzanych do układu: właściwego sygnału wejściowego i pochodzącego z lokalnego generatora. Jeśli ich częstotliwości są takie same, mówimy o detekcji homodynowej, jeśli natomiast się róŜnią – heterodynowej. Detekcja autokoherentna jest specyficznym przypadkiem, w którym oba sygnały pochodzą z tego samego źródła. W przedstawianym systemie róŜnią się one ponadto częstotliwością. NatęŜenia pól elektrycznych obu sygnałów moŜna wyrazić wzorami (1) i (2).
(1) (2) W efekcie mieszania wiązek optycznych otrzymujemy sygnał o częstotliwości róŜnicowej. Powstały w odbiorniku prąd fotodiody określony jest wyraŜeniem (3).
(3)
NaleŜy jednak zwrócić uwagę, iŜ szerokość widma powstałego sygnału elektrycznego jest dwa razy większa, niŜ sygnału wejściowego. Efekt ten przedstawia Rys. 1.
Rys. 1 Detekcja heterodynowa - ilustracja widma Systemy oparte na detekcji koherentnej dodatkowo cechują się znacznie większą czułością niŜ te, w których dokonywana jest detekcja bezpośrednia. MoŜliwa do uzyskania poprawa SNR waha się od 10 do 25dB bez stosowania przedwzmacniacza optycznego [1].
2. SYSTEM POMIAROWY
Schemat systemu pomiarowego przedstawia Rys. 2.
Rys. 2 Schemat układu pomiarowego
Sygnał optyczny z badanego lasera rozdzielany jest na dwa tory – w jednym jego częstotliwość zostaje przesunięta za pomocą komórki akustooptycznej, natomiast w drugim sygnał jest opóźniany. Następnie
2006
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7 - 8 grudnia 2006
sprzęgacz kierunkowy sumuje oba tory, a sygnał o częstotliwości pośredniej wydzielony jest na przetworniku optyczno – elektrycznym (fotodiodzie). MoŜe on być zatem podany na wejście analizatora widma dla zakresu częstotliwości elektrycznych, co umoŜliwia dokonanie pomiaru szerokości widma.
Stosując metodę detekcji autokoherentnej naleŜy wziąć pod uwagę specyficzne własności polaryzacyjne, które nabierają znaczenia w tego typu systemach. Wymagane jest, aby stan polaryzacji obu sygnałów – z badanego lasera oraz autoheterodyny – był taki sam. Transmisja wewnątrz włókna światłowodowego nie jest jednak wolna od zmian stanu polaryzacji propagującego się sygnału optycznego, wynikającego z przesunięcia względem siebie dwóch modów ortogonalnych. Zjawiska tego nie da się uniknąć, gdyŜ jest spowodowane nieidealną symetrią osiową, napręŜeniami powstającymi w światłowodzie, drganiami mechanicznymi, oraz zmianami ciśnienia i temperatury [2]. Istnieje jednak moŜliwość minimalizowania go poprzez stosowanie kontrolerów polaryzacji czy specjalnych typów włókien utrzymujących stan polaryzacji [3]. W prezentowanym przez nas systemie staraliśmy się tak kontrolować stan polaryzacji, aby poziom sygnału obserwowanego na analizatorze widma był maksymalny.
Stosowane do budowy układu komponenty powinny mieć parametry niewraŜliwe na stan polaryzacji. Dlatego sprzęgacz kierunkowy oraz przesuwnik akustooptyczny zostały przez nas zbadane przy uŜyciu analizatora polaryzacji. Dokonane pomiary wykazały, Ŝe ich parametry nie zaleŜą w istotny sposób od stanu polaryzacji światła. Parametr, który pozwala na określenie tej zaleŜności to PDL – tłumienie zaleŜne od polaryzacji (ang. Polarization Dependent Loss). Dla sprzęgacza kierunkowego jego wartość wyniosła jedynie 0,06dB, a dla komórki Bragga 0,401dB. A zatem elementy te moŜna uznać za słabo zaleŜne od stanu polaryzacji.
Kolejnym istotnym aspektem budowy systemu jest odpowiedni dobór długości linii opóźniającej. Musi być ona tak dobrana, aby była dłuŜsza od drogi koherencji badanego źródła, gdyŜ wtedy sygnały na wejściach sprzęgacza kierunkowego moŜna uznać za statystycznie niezaleŜne. Droga (długość) koherencji jest parametrem właściwym dla danego typu lasera i określa maksymalną długość odcinka, na którym moŜe zachodzić interferencja [4].
Jako przesuwnik częstotliwości optycznych wykorzystano akustooptyczną komórkę Bragga. Wiązka z lasera badanego w trakcie przejścia przez przesuwnik pada na materiał, którego właściwości zmieniane są pod wpływem działania fali akustycznej. W efekcie padająca fala optyczna, przy spełnionym warunku Bragga, ulega dyfrakcji na tak utworzonej strukturze [1]. Zasada działania modulatora wykorzystuje fakt, Ŝe częstotliwość pierwszego rzędu dyfrakcyjnego przesunięta jest o częstotliwość fali akustycznej ośrodka czynnego, która w stosowanej komórce wynosi 35MHz. Zatem na wyjściu przesuwnika otrzymujemy sygnał autoheterodyny o częstotliwości fali zmienionej o częstotliwość fali akustycznej.
3. WYNIKI POMIARÓW
Przeprowadzone pomiary miały na celu zmierzenie szerokości widm emisyjnych dwóch laserów: przestrajalnego MLS 2100 firmy Santec oraz DFB firmy AIFOtec. Pierwszy pracuje na zakresie 1510- 1590nm, moŜliwa do uzyskania za jego pomocą optyczna moc wyjściowa to ponad 10mW. Dodatkowo posiada on wbudowany mechanizm kontroli koherencji, który pozwala na skrócenie drogi koherencji, poprzez modulację poszerzającą widmo [5]. Drugi z wybranych laserów generuje częstotliwość 1549,90nm, jego moc wyjściowa wynosi 4mW, a szerokość linii widmowej to 0,14nm na poziomie 20dB.
Wyniki pomiarów przedstawiają rysunki 3-7.
Rys. 3 Widmo lasera Santec przy wyłączonej kontroli koherencji.
Rys. 4 Widmo lasera Santec przy włączonej kontroli koherencji.
Rys. 5 Widmo lasera DFB.
Rys. 6 Widmo lasera DFB – kolejny pomiar
Rys. 7 Porównanie rezultatów
Wyniki pomiarów potwierdziły nasze oczekiwania co do szerokości pasma lasera firmy Santec. Dla wyłączonej opcji kontroli koherencji udało się uzyskać 3dB-ową szerokość pasma o wartości 260kHz, która jest wynikiem potwierdzającym poprawność działania systemu. TakŜe dla pomiarów widma przy włączonej kontroli koherencji otrzymany obraz odpowiada danym katalogowym. JednakŜe uzyskany wynik jest trudniejszy do jednoznacznej interpretacji, gdyŜ redukcja drogi koherencji prowadzi
do znacznego poszerzenia pasma, nawet do 200MHz [5]. Zmierzona przez nas 3dB-owa szerokość pasma wynosiła ok. 5,9MHz. Rys. 4 nie pokazuje pełnego pasma sygnału ze względu na ograniczenia wynikające z wartości częstotliwości róŜnicowej. Pomiary nie dały jednak prawidłowej wartości pasma dla lasera DFB. Dla kaŜdego pomiaru, jaki dokonywany był dla tego konkretnego typu lasera, uzyskiwana wartość szerokości pasma była inna. Analiza wyników wskazuje, Ŝe było to najprawdopodobniej spowodowane niestabilnością temperatury.
4. PODSUMOWANIE
Wybrana i zrealizowana przez nas metoda pozwala na dokonanie dokładnych pomiarów wąskich widm selektywnych laserów. Ich obserwacja za pomocą przyrządów optycznych nie byłaby moŜliwa. Przeniesienie sygnału do pasma elektrycznego, w zakres częstotliwości radiowych pozwala nie tylko na zastosowanie bardziej czułego sprzętu o większych moŜliwościach pomiarowych, ale równieŜ na odseparowanie się od dokuczliwych szumów niskoczęstotliwościowych. Otrzymane wyniki zgadzają się w pełni z danymi podawanymi przez producenta dla lasera Santec (3dB-owa szerokość pasma). W dalszych pracach naleŜy jednoznacznie określić przyczynę związaną z problemami występującymi przy pomiarze laserów DFB.
SPIS LITERATURY
[1] J. Siuzdak, Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, Warszawa 1997
[2] K. Perlicki, Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ, Warszawa 2002 [3] J.M. Senior, Optical Fiber Communications.
Principles and Practice, Prentice Hall Europe, 1992 [4] B. Ziętek, Optoelektronika, Wydawnictwo
Uniwersytetu im. M. Kopernika, Toruń 2004 [5] http://www.santec.com
