metoda autokoherentna -PWT

2006
Anna Busse
Łukasz Długosz
Monika Grzęda
Jacek Kibiłda
Jakub Lamperski
pod kierunkiem: Jan Lamperski
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 7 - 8 grudnia 2006
Studenckie Kolo Naukowe Fotoniki „Photon Club”
Politechnika Poznańska
Wydział Elektroniki i Telekomunikacji
ul. Piotrowo 3A, 60-965 Poznań
[email protected]
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.
NaleŜy jednak zwrócić uwagę, iŜ szerokość widma
powstałego sygnału elektrycznego jest dwa razy większa,
niŜ sygnału wejściowego. Efekt ten przedstawia Rys. 1.
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).
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.
(1)
(2)
W efekcie mieszania wiązek optycznych
otrzymujemy sygnał o częstotliwości róŜnicowej.
Powstały w odbiorniku prąd fotodiody określony jest
wyraŜeniem (3).
(3)
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
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.
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
Rys. 5 Widmo lasera DFB.
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]
Rys. 6 Widmo lasera DFB – kolejny pomiar
[2]
[3]
[4]
[5]
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
J. Siuzdak, Wstęp do współczesnej telekomunikacji
światłowodowej, WKŁ, Warszawa 1997
K. Perlicki, Pomiary w optycznych systemach
telekomunikacyjnych, WKŁ, Warszawa 2002
J.M. Senior, Optical Fiber Communications.
Principles and Practice, Prentice Hall Europe, 1992
B. Ziętek, Optoelektronika, Wydawnictwo
Uniwersytetu im. M. Kopernika, Toruń 2004
http://www.santec.com