Lichtquellen allgemein und Super Kontinuum Licht

Lichtquellen allgemein und
Super Kontinuum Licht
Super Kontinuum Licht
Jörg Latzel
Januar 2010
Überblick
Was wollen wir lernen?

Wie entsteht Licht in Halbleitern bzw. In LASERN

Welche Qualität hat das Licht

Welches licht eignet sich für die Messtechnik (z.B
spektrale Dämpfung oder Dämpfungsmessung)

Was gibt es da neues (Super Kontinuum)
1.
Lichtquellen und Funktionsprinzip
1.
2.
3.
2.
3.
4.
Halogen (Wärmestrahler)
LED
LASER
Was bedeutet Super Kontinuum?
Auf welchem Prinzip beruht diese Art der Lichtquelle?
Anwendungsgebiete
2
Lichtquellen
Lichtquellen unterscheiden sich nicht nur im emittierten
Spektrum, sondern auch im Prinzip der Lichterzeugung.
Man unterscheidet das “Licht” nach:
 Wellenlängenbereich
 Ausgangsleistung
 Spektraler Bandbreite
Kohärenzlänge
 Polarisation
 Abstrahlwinkel

3
Lichtquellen und Breitbandigkeit Kohärenz
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
Kohärentes Licht
4
LEDs
Light Emitting Diode (LED)
Wie funktionieren die bekannten LEDs?
5
LED Prinzip
Light Emitting Diode (LED)
B3
Energieniveau
λ= 980nm
λ= 1480nm
B2
B
1
Strahlender Übergang
Energieerklärung anhand Erbium Dotierter Faser
A
A
Nicht strahlender Übergang
P
N
K
K
+
Strom
Spannung
-
A
Elektronen-
If
K
bewegung
Wenn ein Strom durch die
Diode fließt, wandern
Negative Elektronen in
die eine Richtung und
Die positiven Löcher
in die entgegengesetzte
Richtung
6
LED Prinzip
Light Emitting Diode (LED)
A
A
P
N
K
K
+
Strom
Spannung
-
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
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LED Prinzip
Light Emitting Diode (LED)
A
A
P
N
K
K
+
Strom
Spannung
-
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)
8
LED Prinzip
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)
Weisse LED
Normalisierte
Leistun

Halbleiter Chip
Wavelength λ(nm)
9
LASER Dioden
Inhalt
Laser Diode (LD)
Laser gibt es in vielen Anwendungen. Wie funktionieren Sie?
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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.
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

Dort verbleiben sie kurz und fallen dann auf ein niedrigeres Energieniveau,
wobei die frei werdende Energie als Licht emittiert wird
 Den Unterschied zur LED finden wir auf den nächsten Folien
+
FP LASER
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
Erregtes Atom
(z.B. durch anlegen eines
hohen Stroms
70% reflective mirror
Atom im Grundstatus
Licht (Photon)
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Lichtquellenvergleich
Laser Diode (LD – FP (Fabry Perot LASER))
 Die Resonatorlänge ist optimal für eine Wellenlänge,
arbeitet aber für weitere benachbarte Wellenlängen
“semioptimal” – die 50% Bandbreite des LASERs kann
bis zu 5nm betragen

Somit wird nicht nur eine Hauptmode, sondern es werden weitere Nebenmoden auch
relativ stark emittiert
LASER Licht durchbricht den
halbdurchlässigen Spiegel
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Lichtquellenvergleich
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
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Lichtquellenvergleich
Während die Modenbreite von FP Lasern im Bereich von
0,01pm liegt, entspricht die Seitenmodenbreite bei
DFB Lasern etwa 0,2nm
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Was ist Super Kontinuum?
 Kurze Lichtpulse z.B. von Lasern im mit einer Dauer von 100 fs
oder weniger haben die Eigenschaft, sich bei Ihrer Ausbreitung
auf Glas spektral zu verbreitern
 Die Spektrale Verbreiterung nimmt den gesamten sichtbaren
Bereich bis in den Infraroten Bereich ein – solche spektralen
Breiten nennt man SuperKontinuum!
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Grundlage zur Lichtausbreitung in Fasern, Brechzahlenunterschiede im Glas
Multimode Fase, Stufenindex
Multimode FaserGradienten Index
Singlemode Faser, Stufen Index
Links werden
reguläre
Brechzahlenuntersch
iede zugrunde
gelegt.
Bei der Annahme
einer irregulären
Veränderung des
Brechzahlenprofiles
würde sich eine
Veränderung der
Lichtausbreitung in
Geschwindigkeit und
Phase ergeben
können.
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Auf welchen Prinzipien beruht das Superkontinuum?
 Bei der Entstehung des Superkontinuum wirken im wesentlichen nicht
lineare Effekte:
 Selbstphasenmodulation SPM

Entstehung aus Wechselwirkung von Licht mit Materie; im wesentlichen
verursacht durch den KERR Effekt:

Die Brechzahl n ist in Medien mit hoher optischer Intensität intensitätsabhängig –
dass bedeutet, dass sich die Brechzahl mit unterschiedlicher Intensität des
Lichtsignales ändert!
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Was bedeutet “hohe Intensität”?
 Eine hohe Intensität (400 GW/cm²) kann man erreichen, indem
man entweder einen starken LASER verwendet, oder die
Querschnittfläche verringert auf die ein „schacher“ LASER strahlt
 Da die Verwendung starker LASER eher uneffektiv ist (hohe
Leistungsaufnahme) verwendet man zur Erzeugung von
Superkontiuum Spektren spezielle „dünne Fasern“
 Poly Cristal Fibers (PCF) haben einen Kern von 2µm und haben
eine genügend kleine Quesrschnittfläche um bereits bei wenigen
100mW Laserleistung nicht lineare Effekte zu zeigen (Struktur
siehe nächste Folie)
 Eine Standard Singlemode Faser könnte ebenfalls verwendet
werden, wenn sie unter Hitzeeinwirkung lang gezogen und damit
verjüngt wird bis Sie einen Gesamtdurchmesser von 2µm hat
(siehe übernächste Folie)
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PCF Faser
 PCF (photonische Kristallfasern)
 aus Quarzglas
 Kern: d≈2μm
 Faserlänge ca. 2cm reicht aus um Weisslicht zu erzeugen
21
Fasertapern
 Herstellung
 Glasröhrchen stapeln mit Fasermantel
 Tapern (ziehen)
22
Was passiert neben der Selbstphasenmodulation? (1/3)
 Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Faser ist
wellenlängenabhängig, da das Licht je nach Wellenlänge andere
optische Pfade verfolgt; vergl. Ausbreitung in SI Faser:
 Diese sogenannte Dispersion vermag die unterschiedlichen
Frequenzanteile negativ in der Ausbreitungsgeschwindigkeit zu
beeinflussen (hier zu chirpen), während der nichtlineare neu
entstandene Brechungsindex (entstanden durch die hohe
Intensität) zu einem positiven Chirp führen kann



Der Lichpuls kann so unter Umständen zeitlich und spektral (abgesehen von der bereits verursachten
Verbreiterung) gleich bleiben (fundamentales Soliton) (Bedeutung fundametal und höh. Ordung auf
nächster Folie)
Breiten sich Solitonen höherer Ordnung aus, so können diese sich durch Dispersion oder Raman Streuung
(Material/Wellenwirkung) zerfallen, also nicht stabil bleiben wie die fundamentalen Solitonen
Raman Streuung führt zur Wellenlängenverschiebung nach oben (rot) und der übrigbleibende Teil der
Energie verschiebt sich nach unten (ins blaue)
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Was passiert neben der Selbstphasenmodulation? (2/3)
 Das Phänomen der Solitonen ist erstmalig beschrieben worden
durch John Scutt Russell:
 Russell ritt mehrere Kilometer neben einer etwa 10 Meter langen und etwa einen
halben Meter hohen Wasserwelle, welche sich in einem engen schottischen Kanal
ausbreitete, und beobachtete, dass sich deren Wellenform nur wenig veränderte.
 Anders als normale Wellen vereinigen sie sich nicht. Eine kleine Welle wird von
einer Größeren überholt.
 Wenn eine Welle zu groß für die Wassertiefe ist, teilt sie sich in zwei Wellen: eine
Große und eine Kleine (fundamental und höherer Ordnung)->in der Optik passiert
das, wenn man den Puls verlängert oder die „Fächen“-Energie erhöht!
Erzeugung eines Solitons; Herkunft: Mathematics, Heriot-Watt University
24
Was passiert neben der Selbstphasenmodulation? (3/3)
Die Welle ist klein genug, um komplett im Kanal weiter geleitet zu werden
Die Welle ist zu groß um ungestört weitergeleitet zu werden, da das Medium
Nicht ausreicht, um diese Welle aufzunehmen; in der Regel zerfällt eine
solche Welle in die höheren Ordnungen.
25
Was ist Brillouin / Raman Scattering (Backscattering)

Rayleigh Rückstreuung

Durch Inhomogenitäten im Glas kommt es an jeder Stelle in der
Faser zu Streuungen. Diese Streuung fällt teils als Rückstreuung
aus und wird somit zum Sender (OTDR/BOTDR) zurück gestreut.
Dieses Licht verwendet das OTDR um eine Aussage zur
Dämpfung zu machen:
 Je höher die Rückstreuung umso größer die Dämpfung
Kern
LD- Quelle
ankommendes Licht
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gestreutes Licht (teils rückgestreut)
26
3. Was ist Brillouin / Raman Scattering (Backscattering)
“Rück”-Streuungs Frequenzen (Frequenz[Hz])
Quelle (0)
Intensität
～
～
Rayleigh Streuung (0)
Brillouin Frequenz (B )
Raman
Frequenz (0)
Raman
Frequenz
(0+)
Wellenlänge (Frequenz)
27
27
Welcher weitere Faktor beeinflusst die Entstehung des Superkontinuums?
 4 Wellen MischenFWM (fourwavemixing)
 ebenfalls nichtlinearer Effekt durch Kerr-Effekt
 Prinzipiell alle Summen und Differenzbildungen möglich
die Energieerhaltung und Impulserhaltung erfüllen
Dieses Bild basiert auf dem Bild „four wave mixing“ aus Wikimedia Commons
Autor: ???
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Generations Setup zum Superkontinuum
Abschwächer
LASER
PCF
OSA
Linse
Bestehend aus:
•Lambda/2 Plättchen
•Polarisationssplitter
•Filter
Je nach Polarisation des eingekoppelten Lichts
verändert sich die Effektivität nichtlinearen Effekte!
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Was ist Super Kontinuum?
30
Was ist Super Kontinuum? – Bereich unter 600nm
31
Warum neue Superkontinua // die Anwendungsgebiete?
 Die klassischen Anwendungsgebiete von Breitbandlicht wie
Halogenlicht gelten auch für das Super Kontinuum aber wir haben
hier:








Breiteres Spektrum
Definierbare Kohärenz
Höhere Leistung als thermische Strahler
Test von CWDM/DWDM-Filter (Demo)
Dünnfilm- und Antireflex-Beschichtungen
PON-Filter
chromatische Dispersion in Fasern und Wellenleitern
Beurteilung der Schräglage der Faserdämpfung
Weitere Anwendungen sind –nun aber nur für das Super Kontinuum
und nicht für die Halogenlampe:
 optische Kohärenz-Tomographie (OTC)
 konfokale Mikroskopie
32
Überblick
1.
Lichtquellen
1.
2.
3.
2.
3.
4.
Halogen (Wärmestrahler – nur Demo)
LED
LASER
Was bedeutet Super Kontinuum?
Auf welchem Prinzip beruht diese Art der Lichtquelle?
Anwendungsgebiete
33
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
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