Lichtquellen für Mess- und Signalübertragungszwecke beurteilt mit
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Lichtquellen für Mess- und Signalübertragungszwecke beurteilt mit optischen Spektrumanalysatoren Optische Spektralanalyse Jörg Latzel Juli 2009 Wir beschäftigen uns im folgenden mit… Lichtquellentypen Inhalt Lichtquellenvergleich Licht in der 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 2009 2 „TDM“ mit opto-elektronischen Regeneratoren Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt 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 2009 3 „TDM“ mit opto-elektronischen Regeneratoren Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt Light Emitting Diode (LED) Wie funktionieren die bekannten LEDs? Yokogawa 2009 4 „TDM“ mit opto-elektronischen Regeneratoren Lichtquellentypen Inhalt Lichtquellenvergleich Light Emitting Diode (LED) Licht in der Messtechnik Energieniveau λ= 980nm λ= 1480nm Inhalt B3 Nicht strahlender Übergang B2 B 1 Strahlender Übergang Energieerklärung Erbium Dotierter Faser A A Demonstration P N K K + Strom Spannung Yokogawa 2009 A Elektronen- If K Wenn ein Strom durch die Diode fließt, wandern Negative Elektronen in die eine Richtung und Die positiven Löcher in die entgegengesetzte Richtung bewegung 5 „TDM“ mit opto-elektronischen Regeneratoren Lichtquellentypen Inhalt Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt Light Emitting Diode (LED) A A P N K K + Strom Spannung Yokogawa 2009 A Elektronen- If K bewegung Die vorhandenen positiven Löcher haben einen geringeren EnergieLevel als die freien Elektronen. Fällt nun ein Elektron in ein Loch, so verliert es Energie 6 „TDM“ mit opto-elektronischen Regeneratoren Lichtquellentypen Inhalt Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt Light Emitting Diode (LED) A A P N K K + Strom Spannung Yokogawa 2009 A Elektronen- If K bewegung 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) 7 „TDM“ mit opto-elektronischen Regeneratoren Lichtquellentypen Inhalt Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt Light Emitting Diode (LED) “Zur Datenübertragung über Luft umd Multimodefasern” Hauptcharakteristik: Sehr günstig (Verwendung in Laptops, Flugzeugen, LANs) Am häufigsten eingesetzt für 380-660nm (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) Normalisierte Leistun Weisse LED Halbleiter Chip Wavelength λ(nm) Yokogawa 2009 8 „TDM“ mit opto-elektronischen Regeneratoren Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt Laser Diode (LD) Laser gibt es in vielen Anwendungen. Wie funktionieren Sie? Yokogawa 2009 9 Lichtquellentypen Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt 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 2009 10 Lichtquellentypen Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt 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-Schich t N -Sch icht FP LASER Yokogawa 2009 11 Lichtquellentypen Lichtquellentypen Inhalt Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt 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 Erregtes Atom Yokogawa 2009 70% reflective mirror Atom im Grundstatus Licht (Photon) 12 Lichtquellenvergleich Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt 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 2009 13 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 2009 14 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 2009 15 Lichtquellenvergleich Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt Normales Licht Vergleich Alle Wellenlängen werden erzeugt in keinem Bezug zueinander. Nicht kohärent, kaum Interferenzen! Normales Licht gefiltert Licht einer Wellenlänge wieder ohne Bezug der Wellen zueinander Rotes Filter Nicht kohärent, keine Interferenz! LED Licht Licht mit schmalem Wellenlängenbereich. Kurze Kohärenz; kaum Interferenz! Laser Licht Eine Wellenlänge in Phase Laser Yokogawa 2009 Kohärentes Licht 16 Lichtquellen in der Messtechnik Lichtquellentypen Inhalt Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt 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 P Kohärenzlänge von 1 bis 100 mm Kleiner Öffnungswinkel ( leichte Faserkopplung) Multi longitudinal mode (MLM) Spektrum Relativ Wellenlängenstabil durch Temperaturstabilisierung (ca. 0,5nm Drift) peak AQ2200-141/AQ2200-142 Yokogawa 2009 17 Lichtquellen in der Messtechnik Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt 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 AQ2200-111 DFB Laser Source Yokogawa 2009 18 Lichtquellen in der Messtechnik Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt 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 Yokogawa 2009 (RBW:10nm) 19 Lichtquellen in der Messtechnik Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt Verstärkte Spontane Emission (ASE) Hauptmerkmale: Ideal zur passiven Komponentenanalyse Wellenlängenbereich ±1525 bis ±1605 nm Leistungsdichte 10 bis 100 µw/nm ASE Quellen Yokogawa 2009 20 Lichtquellen in der Messtechnik Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt Abstimmbare LASER (External cavity laser) Hauptmerkmales AQ2200-136 TLS: Abstimmbar über bis zu 200nm (1440 – 1640 nm) Wellenlängenauflösung besser als 1pm AQ2200-136 TLS Yokogawa 2009 21 Lichtquellen Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt Breitbandlichtquelle (Multi Super Luminescent Diodes) Hauptmerkmale: Hohe Ausgangsleistungsstabilität: max. +/-0.02dB @ 15 min Breiter Spektralbereich bis 400nm Fibolux SLD Yokogawa 2009 22 Übersicht der Breitbandquellen Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt ASE C+L BAND ASE S BAND Power (dB/nm) FIBOLUX EE-LED 1310nm EE-LED 1550nm LED 1310nm LED 1550nm AQ4305 White Light Source Wavelenght (nm) Yokogawa 2009 23 Welche Lichtquelle eignet sich für welche Messaufgabe? Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik ASE S BAND FIBOL UX Power (dB/nm) Inhalt EELED LED 1310n 1310nm m AQ4305 Demonstration Inhalt ASE C+L BAND EELED LED 1550nm 1550n m White Light Source LED DFB FP Halogenlampe SLD EELED ASE Verstärker Test - + - - - - - PassivkompoNententest + + (nur sehr schmalbandig) +(nur schmalbandig) + + + + Spektrale Dämpfungsmessung +(in begrenztem Bereich) - - + + + + Lichtquellentyp Anwendung Yokogawa 2009 24 Welche Lichtquelle eignet sich für welche Messaufgabe? Inhalt Lichtquellentypen Lichtquellenvergleich Licht in der Messtechnik Demonstration Inhalt Lichtquelle Wir messen: FP LASER DFB LASER ASE Quelle Yokogawa 2009 25 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 2009 26 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit AQ6370B & AQ6375 OPTICAL SPECTRUM ANALYZER
