Wellenlängenmessung mit interner Referenzierung
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Optische Nachrichtentechnik Wellenlängenmessung mit interner Referenzierung Jörg Latzel, Yokogawa Deutschland GmbH, Herrsching Für hochgenaue Wellenlängenmessungen sind Kalibrierung und Langzeitstabilität von entscheidender Bedeutung. Ein schnelles Messprinzip mit kontinuierlicher Referenz wird im Folgenden aufgezeigt und mit anderen Methoden verglichen. gemessene Wellenlängenwert bei ein bis drei Messpunkten mit dem SollWellenlängenmessungen können über verwert verglichen (s. schiedene messtechnische Ansätze gelöst Bild 1) und dann werden. So erledigen Spektrometer, gitterüber einen Offbasierte Spektrumanalysatoren und auch set korrigiert. Da Echelle-Spektrometer sicher ihre Aufgabe. diese Kalibrierung Dabei werden Genauigkeiten im Bereich nicht simultan zur von bis zu 10 pm erreicht. Allerdings sind eigentlichen Mesdie Genauigkeiten dieser Messungen sung ausgeführt immer in Relation zu einer vorhergehenwird, erfordert das den Kalibrierung zu sehen. Diese KalibMonochromatorrierung kann entweder unmittelbar vor prinzip möglichst Bild 2: Wellenlängenmessprinzip auf Basis eines Michelsonder Messung ausgeführt werden, wenn stabile Umgebungs- Interferometers die gleichen Umgebungsbedingungen wie bedingungen, um während der Messung gegeben sind, oder Messunsicherheiten <10 pm zu erreichen. (Bild 2), z.B. zwei InGaAs-Photodioden. die Kalibrierung wird ausschließlich ab Im Folgenden soll aufgezeigt werden, wie Über Strahlteiler durchläuft sowohl das Werk durchgeführt – allerdings zu oft völlig Wellenlängenmessungen mit Genauigkeizu messende Licht als auch ein HeNeanderen Bedingungen als bei der Messung. ten von 0,2 ppm auch bei veränderlichen Laser-Strahl (als Referenz) die zwei InterTemperaturunterschiede von 10°C können Temperaturen dauerhaft erreicht werden. ferometerarme, jeweils aufgespalten in bei älteren Gitterspektrumanalysatoren bis Die Fehler liegen damit nur noch um zwei Teilstrahlen. Diese treffen unabhänzu 50 pm Wellenlängenunterschied ver0,3 pm bei 1550 nm. gig voneinander auf zwei Spiegel, einer ursachen, bei modernen Geräten immer davon ist im konventionellen Aufbau fest noch bis zu 10 pm. gestellt, der andere in Längsrichtung verDiese Abweichungen sind auch dann zu 2 Monochromator oder schiebbar. Dort reflektiert kommt das berücksichtigen, wenn ein GittermonoMichelson-Interferometer? Licht zum Strahlteiler zurück, die Teilstrahchromator beispielsweise über eine interlen werden wieder zusammengefasst und ne Referenzlichtquelle kalibriert wird. Bei Schnelle und präzise Wellenlängenmestreffen je auf die Photodioden PD1(ref) einer solchen Kalibrierung wird der aktuell sungen können auf klassischen Monound PD2(sig), wie in Bild 2 gezeigt. chromatoren mit Die Interferenz der Strahlen ist von der drehbarem Gitter Differenz der optischen Wege und dem durchgeführt werBrechungsindex der im Interferometer vorden, erfordern handenen Luft abhängt. Da sich der Bredann aber stabile chungsindex mit dem Luftdruck verändert, Umgebungsbedinkönnen über ein Baromter der Druck und gungen. die daraus resultierenden erforderlichen Eine Alternative Korrekturen ermittelt werden. bietet das Prinzip Das Interferenzbild an der Referenz-PD des Michelsondient zur Bestimmung der optischen Interferometers mit Pfadlängenveränderung, welche aus dem kontinuierlicher Verschieben des beweglichen Spiegels Referenzierung. resultiert, und liefert daraus die ZeitinforHierfür ist ein Welmation für die Frequenzbestimmung aus lenlängenmessgedem Interferenzbild an der Signal-PD. Dies Bild 1: Absorptionsspektrum von Acetylengas zur Kalibrie- rät mit zwei Detekerfolgt über eine Fouriertransformation der toren erforderlich rung von Gitterspektrumanalysatoren 1 Stand der Technik: manuelle Kalibrierung 50 Photonik 2/2013 Optische Nachrichtentechnik leres Abtasten des gesamten Messbereichs. Ein typischer Scan mit diesem Aufbau dauert weniger als eine drittel Sekunde, unabhängig vom ausgewählten Wellenlängenbereich. Dieser ist allerdings zusammen mit der gewählten Anzahl von Stützstellen (Messpunkten) für die maximale Messauflösung verantwortlich. Je nach ausgewählter Bild 3: Michelson-Interferometer-Anordnung mit reduzierter Anzahl an Stützstellen lassen sich Größe Auflösungen vom zehntel Nanometerbereich bis in den Picozeitabhängigen Lichtintensität. Resultat ist meterbereich realisieren. Prinzipiell ermögdas Wellenlängen- bzw. Frequenzspektrum licht eine derartige Wellenlängen-Messung des Signallichts [1]. mittels Michelson-Interferometer eine Die Messung mit einem solchen herkömmGenauigkeit im Bereich von 0,1 pm, weit lichen Michelson-Interferometer nimmt besser als die eingangs genannten 10 pm, aufgrund der relativ langen Wege, über welche per Messungen mit Monochromadie der verschiebbare Spiegel bewegt wertoren erreichbar sind. den muss, in der Regel mehrere Sekunden in Anspruch. Schnellere Messergebnisse liefert die in Bild 3 vorgestellte Lösung, 3 Einsatzbereiche welche auf einen optischen Pfad mit ausschließlich festem Spiegel verzichtet und so Anwendungen mit derart hohen Genaudie Baugröße eines typischen Messgeräts igkeitsanforderungen sind vielfältig, z.B. auf ca. 15 x 10 x 10 cm3 reduziert. in der DWDM-Kommunikation (Dichtes Wellenlängen Multiplex, Bild 4), SpektroWie dargestellt, wird die Länge der beiden skopie, Optischen Kohärenztomographie, Michelson-Pfade durch das Spiegelarrangeder LIDAR-Technik und der Entwicklung ment 5 gegeneinander verschoben. Somit durchstimmbarer Laser oder vielkanaliger nimmt Pfad 1 um denselben Betrag ab, Laser-Arrays. den Pfad 2 an Länge gewinnt, und umgeIn der Entwicklung und Bereitstellung von kehrt. Gegenüber einem Standard-MichelMetro- und Weitverkehrsnetzen kommen son-Interferometer ist somit die Wegdifimmer engere Kanalabstände und immer ferenz der optischen Pfade bei gleichem höhere Modulationsraten zum Einsatz. Spiegelvorschub doppelt so lang. Diese Transponder-Signale mit ungenau eingeHalbierung der erforderlichen mechanistellter Wellenlänge können sich daher schen Bewegung ermöglicht ein schnel- Bild 5: Zunahme der DWDM-Wellenlängendichte und der übertragenen Bitrate seit 2000 (2015: Prognose) überlappen. Nicht nur die DFB–Sender (distributed feedback), sondern auch die Transceiver müssen daher die Sollwellenlänge exakt erreichen und halten. WDM-Systeme werden zunehmend auch in den Passiv-Optischen-Netzen von HausGlasfaseranschlüssen (FTTH, fiber to the home) eingesetzt, um dort die verlangten hohen Datenraten zu realisieren. Dies verstärkt die Nachfrage nach geeigneten Laser-Quellen und schneller Messtechnik (Bild 5). Fazit Die Entwicklung neuer Wellenlängenmesstechnik hat heute zweierlei Anforderungen – höhere Genauigkeit und kürzere Messzeiten. Aktuelle Anwendungen in der Medizin-, Bio- und Nachrichtentechnik erfordern immer stabilere Laserwellenlängen. Maximale Messgenauigkeit in Sekundenbruchteilen und das Ausschließen von Laserdrift erfordern eine kontinuierliche Referenzierung, wie hier gezeigt. Literaturhinweis: [1] Shiori Sasaki, Simultaneous Multi-wavelength Meter, Ando Technical Bulletin, Ando Electric Co., Ltd., 2000 Ansprechpartner: Jörg Latzel Vertriebsleiter Test- und Messtechnik Yokogawa Deutschland GmbH Gewerbestr. 17 D-82211 Herrsching Tel. 05273/35751 Fax 08152/9310-60 eMail: [email protected] Internet: tmi.yokogawa.com/de Bild 4: Multikanal- (WDM) Übertragungssystem mit 128 Kanälen und mehr www.photonik.de Webcode 2004 Photonik 2/2013 51
