Verstärktes spontanes Emissionsrauschen (ASE) ist ein typischer Störfaktor in optischen Langstreckenverbindungen mit optischen Verstärkerketten (üblicherweise EDFAs). Jeder Verstärker erzeugt an seinem Ausgang Rauschen, das sich in den nachfolgenden Verstärkern akkumuliert und verstärkt wird, was potenziell zur Sättigung führen kann. Die Signalverstärkung und die Entstehung von ASE-Rauschen in einem EDFA sind in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Abbildung 1(a) zeigt das gewünschte Signalverstärkungsverhalten: Erbiumionen werden mit einer Pumpwellenlänge von 980 nm angeregt und gehen in einen metastabilen Zustand über. Aus diesem Zustand regen die Signalphotonen die Ionen zur Rückkehr in den energieärmeren Grundzustand an, was zu einer stimulierten Verstärkung dieser Photonen führt. Einige der angeregten Erbiumionen zerfallen jedoch auf ein niedrigeres Energieniveau, bevor sie mit einem Signalphoton rekombinieren können. Dies führt zur Emission eines Photons mit zufälliger Phase und Richtung, wie in Abbildung 1(b) dargestellt. Genau diese Photonen tragen zur Entstehung eines breitbandigen ASE-Spektrums bei. Doch was gemeinhin als schädliches Phänomen angesehen wird, kann interessante Anwendungsmöglichkeiten haben, wie beispielsweise die in diesem Artikel beschriebene.

Charakterisierung von CWDM- und DWDM-Bauelementen:
Für die einwandfreie Funktion optischer Systeme und Netzwerke auf Basis von Wellenlängenmultiplexing ist die Überwachung des spektralen Verhaltens von Filtern, Isolatoren, Zirkulatoren, Multiplexern, Demultiplexern, Schaltern und Dämpfungsgliedern unerlässlich. Insbesondere sind die Kenntnis ihrer Mittenwellenlänge, Bandbreite, Kanalisolation, Bandwelligkeit und Einfügungsdämpfung sowie weiterer Eigenschaften wichtig. Zur Charakterisierung existieren verschiedene Methoden. Beispielsweise kann ein spezielles Laborinstrument verwendet oder ein Wellenlängen-Scan mit einem abstimmbaren Laser durchgeführt und die Ausgangsleistung gemessen werden. Beide Methoden sind jedoch in der Regel kostspielig. Als Alternative wird im Folgenden eine schnelle und einfache Methode zur Durchführung dieser Charakterisierung vorgestellt.

Der Laboraufbau ist in Abbildung 2 dargestellt. Er besteht aus einer Breitbandlichtquelle, an die das Prüfobjekt (DUT) und ein optischer Spektrumanalysator (OSA) angeschlossen sind. Ein OSA ist in nahezu jedem Labor verfügbar, sodass die einzigen zusätzlichen Kosten die optische Lichtquelle betreffen. Für die optische Lichtquelle stehen verschiedene Optionen zur Verfügung, beispielsweise eine Superlumineszenz-LED (SLED), eine ASE-Quelle oder ein Superkontinuum. Aus Kostengründen ist die ASE-Quelle die beste Wahl, da sie ein relativ breites Spektrum bei angemessener Leistung liefert.

Der Messvorgang ist einfach. Zunächst wird eine Referenzkurve am optischen Spektrumanalysator (OSA) ohne Prüfling (DUT) aufgezeichnet, d. h. durch direkte Verbindung des Quellenausgangs mit dem OSA. Anschließend wird die Messung mit eingesetztem Prüfling wiederholt. Die Differenz in dB zwischen den beiden Kurven entspricht der spektralen Empfindlichkeit des Prüflings. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel dieser Messung. Je nach den zu charakterisierenden Parametern werden ein spezifischer Wellenlängenbereich, eine bestimmte Auflösungsbandbreite usw. verwendet. Die Messqualität hängt maßgeblich vom verwendeten OSA-Typ (Wellenlängengenauigkeit, Dynamikbereich) sowie der optischen Quelle ab. Die wichtigsten zu berücksichtigenden Eigenschaften der Quelle werden im Folgenden beschrieben.

Quellenauswahl
Bei der Auswahl einer Breitbandquelle zur Bauteilcharakterisierung, insbesondere einer ASE-Quelle, sind verschiedene Eigenschaften wie Gesamtleistung, Spitzenleistung und spektrale Leistungsdichte zu berücksichtigen. Die Gesamtleistung, gemessen in dBm oder mW, bezeichnet die gesamte integrierte Leistung der Quelle, also die Leistung, die ein direkt an ihren Ausgang angeschlossenes Leistungsmessgerät anzeigen würde. Die Spitzenleistung hingegen bezeichnet den höchsten Leistungspegel in ihrer spektralen Verteilung, gemessen mit einem optischen Spektrumanalysator (OSA). In diesem Fall muss auch die Auflösungsbandbreite angegeben werden, mit der die Messung durchgeführt wurde. Die spektrale Leistungsdichte (in dBm/nm) bezeichnet die Leistung des Spektrums, integriert in 1 nm breite Spalte. Diese Eigenschaft wird üblicherweise mit einem OSA mit einer Auflösungsbandbreite von 1 nm gemessen, sodass die spektrale Leistungsdichte mit der Wellenlänge variiert. Der Wert der spektralen Leistungsdichte ist wichtig, da er den Dynamikbereich der Messung bei Verwendung gitterbasierter OSAs begrenzt. Betrachten wir beispielsweise eine Breitbandquelle mit einer relativ flachen Leistungsdichte von etwa -10 dBm/nm. Führt man die Messung mit einem optischen Spektrumanalysator (OSA) mit einer Auflösungsbandbreite von 0,1 nm durch, ergibt sich eine Referenzleistung von etwa -20 dBm. Schließt man nun ein Prüfobjekt (DUT) mit einer Einfügungsdämpfung von 50 dB an, erhält man bei der 0,1-nm-Auflösung des OSA nur noch eine Messleistung von -70 dBm. Daher ist bei hoher Einfügungsdämpfung die minimal wählbare Auflösungsbandbreite begrenzt.

Neben der Leistung der Quelle ist auch ihre Stabilität über einen bestimmten Zeitraum hinweg wichtig. Die Stabilität der Gesamtleistung lässt sich relativ einfach gewährleisten, nicht jedoch die der spektralen Leistungsdichte. Aufgrund der Eigenschaften von ASE-Quellen kommt es häufig zu Energietransfers zwischen verschiedenen Wellenlängen. Diese Leistungsschwankungen in den Spektralbereichen führen zu Messungenauigkeiten. Daher ist die Kontrolle dieses Leistungsparameters entscheidend für die Charakterisierung von DWDM-Komponenten, wo präzise und reproduzierbare Messungen erforderlich sind.
Auch der abdeckbare Wellenlängenbereich ist ein wichtiges Merkmal. Typischerweise liefert eine ASE-Quelle ein gutes Signal im C- und L-Band, wo die Erbium-Verstärkung hauptsächlich stattfindet. Im Gegensatz dazu ist eine SLED weniger leistungsstark als eine ASE-Quelle, deckt aber einen größeren Wellenlängenbereich ab. Dieser Wellenlängenbereich ist besonders wichtig für die Charakterisierung von CWDM-Komponenten, da diese typischerweise in breiteren Frequenzbändern arbeiten.

Kommerzielle Geräte:
Nachdem wir die grundlegenden Messprinzipien erläutert haben, stellen wir nun einige Beispiele für auf dem Markt erhältliche ASE-Quellen vor. Abbildung 4 zeigt beispielsweise die EXFO FLS-2300B. Diese leistungsstarke ASE-Quelle zeichnet sich durch eine Ausgangsleistung von über +14 dBm und eine spektrale Stabilität von ±0,04 dB/nm (15 Minuten) im Bereich von 1520 bis 1560 nm aus. Das Gerät ist optional mit flacher Verstärkung erhältlich. Ein weiteres Unternehmen, das Breitbandquellen zur Bauteilcharakterisierung anbietet, ist die Newport Corporation. Sie bietet eine Breitband-ASE-Quelle (1000–1650 nm) mit einer Ausgangsleistung von +13 dBm und guter spektraler Stabilität an (Abbildung 5). Schließlich bieten mehrere Hersteller in ihren Katalogen kompakte ASE-Module an. Ein Beispiel dafür ist in Abbildung 6 zu sehen. In diesem Fall handelt es sich um ein C-Band-Modul (1525-1565 nm) mit einer Ausgangsleistung von bis zu +15 dBm und einer spektralen Stabilität von ±0,05 dB/nm.

Weitere Informationen oder ein Angebot

Francisco Ramos Pascual, Doktor der Telekommunikationstechnik

Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia