Autokoherentny pomiar widma laserów półprzewodnikowych. autorzy: Łukasz Długosz Jacek Konieczny

Transkrypt

1 Autokoherentny pomiar widma laserów półprzewodnikowych autorzy: Łukasz Długosz Jacek Konieczny

2 Systemy koherentne wstęp Systemy transmisji światłowodowej wykorzystujące podczas procesu transmisji światło koherentne oraz specyficzny sposób odbioru (detekcji) sygnału wychodzącego ze światłowodu Wykorzystanie modulacji amplitudowej (direct AM), fazowej (direct PM) i częstotliwościowej (direct FM) Detekcji w foto-odbiorniku podlega suma sygnału odbieranego i sygnału z lokalnego generatora laserowego Powstały sygnał elektryczny poddawany jest tradycyjnej obróbce

3 Zasada działania systemu koherentnego Schemat układu transmisji koherentnej z detekcją heterodynową

4 Zasada działania systemu koherentnego Detekcja koherentna z użyciem heterodyny: Widmo sygnałów optycznych 1 GHz Widmo sygnału po detekcji 200 THz f 1 GHz f Detekcja homodynowa częstotliwość lasera lokalnego równa jest częstotliwości lasera nadawczego oraz oba lasery są sfazowane

5 Opis analityczny Natężenie pola elektrycznego sygnału odbieranego i lasera lokalnego: gdzie: I = R P = R E 2, R prądowa czułość spektralna fotodiody I prąd fotodiody )] cos( 2 [ ) cos( 2 ) cos( 2 s l s l s l s l l l l l s s s s P P P P R I t P E t P E φ φ ω ω φ ω φ ω = + = + =

6 Własności Możliwość dowolnego zwiększania członu sygnałowego P l (zwiększanie mocy szumu śrutowego od lasera lokalnego) Wielkość SNR jest mimo to o 10 do 25 db większa niż dla systemów niekoherentnych, zatem: Systemy koherentne są znacznie bardziej czułe niż systemy tradycyjne!!!

7 Własności - zalety Większy stosunek sygnału do szumu (SNR) -możliwość zwiększenia odcinków między regeneratorami sygnału przy zachowaniu niezmienionego poziomu mocy wejściowej: możliwość transmisji o przepływności rzędu Gbit/s na odległość ok. 200 km Dodatkowa poprawa czułości poprzez zastosowanie np. modulacji fazy Łatwość korekcji charakterystyki dyspersyjnej światłowodu na drodze elektrycznej. Duża poprawa selektywności odbioru - filtry optyczne nie są tak selektywne jak filtry elektryczne

8 Własności - polaryzacja Wymagana jest jednakowa polaryzacja fal : lasera lokalnego oraz niosącej sygnał użyteczny. Moc sygnału po stronie odbiorczej zależy od cos 2 φ Ze względu na zmiany wielkości sprzężenia miedzy modami ortogonalnymi stan polaryzacji sygnału w światłowodzie ulega przypadkowym wahaniom. Przyczyny: naprężenia wewnętrzne światłowodu, drgania mechaniczne, zmiany ciśnienia i temperatury.

9 Własności - polaryzacja Sposoby walki ze zmianą polaryzacji: Skramblowanie polaryzacji Użycie światłowodu utrzymującego polaryzację Kontrola polaryzacji lasera odbiorczego Odbiór rozproszony

10 Dopasowanie polaryzacji Skramblowanie polaryzacji Światłowody utrzymujące polaryzację Kontrola polaryzacji lasera odbiorczego Zalety Nadaje się do systemów rozsiewczych - prosta struktura nadajnika Nie wymaga specjalnych modyfikacji układów nadajnika i odbiornika Wykorzystanie wolnych zmian polaryzacji sygnału odbieranego Wady Złożona budowa nadajnika Ograniczenie transmisji szybkości Duże koszty i tłumienie Nie można stosować przy upgrade owaniu linii Zastosowanie kontrolerów polaryzacji (duża złożoność układu) Odbiór rozproszony (polarisation diversity) Sumowanie kwadratów sygnałów (strata 0,4dB w stosunku do przypadku idealnego) Komplikacja odbiornika układu

11 Własności stabilizacja laserów Konieczność stabilizacji linii widmowych laserów: Zmiany długości fali emitowanej przez laser są spowodowane wahaniami: prądu ( nm/ma) temperatury (0.1-1 nm/k) Zależność o charakterze schodkowym - przeskakiwanie modów Sposoby stabilizowania długości fali laserów: zastosowanie układów sprzężenia zwrotnego z użyciem np. termistora jako czujnika temperatury i elementu Peltier jako regulatora (stabilizacja z dokładnością 0,01K)

12 Podsumowanie Kierunki rozwoju systemów telekomunikacji koherentnej: Linie światłowodowe o dużej przepływności i długich odcinkach międzyregeneratorowych Sieci lokalne LAN oraz systemy rozsiewcze (głównie FDM) Podstawowe problemy: Stabilizacja emisji wielu sygnałów optycznych w niewielkich odstępach częstotliwościowych Konstrukcja lasera jednomodowego o wąskim widmie i szerokim zakresie przestrajania Stworzenie układu scalonego umożliwiającego odbiór rozproszony (polaryzacyjny jak i fazowy)

13 Pomiary szerokości linii spektralnych laserów

14 Przy pomiarze szerokości linii spektralnych laserów półprzewodnikowych wykorzystuje się autokoherentną detekcję heterodynową.

15

16 Jeżeli pętla opóźniająca jest dłuższa od drogi koherencji badanego źródła to sumowane w drugim sprzęgaczu sygnały są statystycznie niezależne. Widmo generowanego w ten sposób prądu fotodetektora zawiera informacje na temat szerokości spektralnej badanego źródła. gdzie: τ c 4 ( Ω) FWHM = = 2( ω) laser τ c czas koherencji badanego źródła

17

18 Przesunięcie częstotliwości światła o kilkadziesiąt kilkaset MHz wraz z zastosowaniem detekcji koherentnej daje możliwość odseparowania się od dokuczliwych szumów niskoczęstotliwościowych i obrabiania sygnałów w zakresie radiowym.

19 Przykładowe widma:

20 Światłowodowy przesuwnik akustooptyczny

21 Zastosowanie przesuwnika ma na celu przeniesienie obserwowanego widma w obszar spektralny pozbawiony szumów amplitudowych. Przesunięcie odbywa się o częstotliwość pracy komórki akustooptycznej.

22 Budowa akustooptycznego modulatora światła (komórki Bragga)

23 Dla zajścia efektywnej dyfrakcji Bragga wymagana jest odpowiednio długa droga L fali świetlnej w strukturze siatki dyfrakcyjnej: L > n λ λ i 2 a gdzie: λ a λ i n długość fali akustycznej w ośrodku akustooptycznym długość fali świetlnej w próżni współczynnik załamania ośrodka akustooptycznego.

24 Gdy spełniony jest warunek na długość drogi L, wówczas mamy do czynienia z dyfrakcją Bragga, w efekcie której powstaje pojedyncza fala ugięta rzędu +1 lub 1, dla kąta padania fali świetlnej równego kątowi Bragga i określonego wzorem jako: ±1 Θ λ i = B 2 λ a Natężenie fali Bragga rzędu pierwszego wyraża się wzorem: gdzie: h I i M 2 Pa π n i 2 I = 1 I isin λ M wysokość przetwornika akustooptycznego natężenie fali padającej współczynnik jakości ośrodka akustooptycznego 2h moc fali akustycznej w ośrodku czynnym. 2 L P a

25 Światłowodowy przesuwnik częstotliwości zbudowany w oparciu o modulator Bragga wykorzystuje fakt, że częstotliwość +1 rzędu dyfrakcyjnego przesunięta jest o częstotliwość bieżącej fali akustycznej ośrodka czynnego.

26 Przedstawione zasady autokoherentnej detekcji heterodynowej jak i budowa układu pomiarowego posłużą przyszłym pracom w laboratorium.

27 Bibliografia Optical fiber communications John M. Senior Wstęp do współczesnej telekomunikacje światłowodowej Jerzy Siuzdak