Spektrale Charakterisierung einer optischen Quelle

Wie bereits erwähnt, dient ein optischer Spektrumanalysator der spektralen Charakterisierung einer optischen Quelle. Dieses Messgerät ermöglicht die Bestimmung verschiedener Quellparameter wie Mittenwellenlänge, Spitzenleistung, Rauschleistungsdichte, Bandbreite, Modentrennung usw. Nahezu alle Analysatoren decken einen breiten Wellenlängenbereich ab (z. B. 600 bis 1700 nm) und ermöglichen so die Messung aller in Sendern von Kommunikationssystemen verwendeten optischen Quellen (erstes, zweites und drittes Übertragungsfenster). Je nach Quelltyp können die erforderlichen Messungen erheblich variieren, da jeweils spezifische Eigenschaften berücksichtigt werden müssen. Einige dieser Eigenschaften sind nachfolgend zusammengefasst.

DFB-Laser.
Bei DFB-Lasern sind die wichtigsten zu messenden Parameter: Wellenlänge des Peaks, Peakamplitude/-leistung, Bandbreitenunterdrückung (A), Mittenverschiebung (B), Modenverschiebung (C), Bandbreite, Bandbreitenunterdrückung und Modenunterdrückungsverhältnis (D) bzw. SMSR (Seitenmodenunterdrückungsverhältnis). Abbildung 1 zeigt beispielhaft das Spektrum eines DFB-Lasers zusammen mit seinen charakteristischen Parametern, gemessen mit einem optischen Spektrumanalysator. Einige dieser Parameter sind in derselben Abbildung auch grafisch dargestellt.

Fabry-Perot-Laser:
Im Gegensatz zum DFB-Laser besteht das Spektrum eines Fabry-Perot-Lasers aus einer ganzen Reihe von longitudinalen Moden. Typische Messparameter sind: Wellenlänge (Peak und Mittelwert), Peakamplitude/-leistung, Gesamtleistung, Modenabstand (A), Halbwertsbreite (FWHM, B) und Sigma. Der Sigma-Parameter ist als Effektivwert der spektralen Breite definiert und berechnet sich nach der Formel FWHM = 2,355 × Sigma. Abbildung 2 zeigt ein Messbeispiel für einen typischen Fabry-Perot-Laser.
LED
: Eine weitere charakteristische optische Quelle ist die LED. Ihre wichtigsten spektralen Parameter sind: Wellenlänge (Peak), Halbwertsbreite (FWHM), Sigma, Gesamtleistung bzw. Spitzenleistungsdichte. Abbildung 3 zeigt das Spektrum einer LED zusammen mit der Messung ihrer charakteristischen Parameter. Bei der Messung einer LED mit einem optischen Spektrumanalysator ist die spektrale Breite der Quelle deutlich größer als die Auflösungsbandbreite (RBW) des Analysators. Die Messpunkte stellen daher die spektrale Leistungsdichte (mW/nm) und nicht die absoluten Leistungen dar. Bei den Messungen in Abbildung 3 wurde die maximale Leistungsdichte für eine Bandbreite von 0,1 nm angegeben.

Kalibrierung des Spektrumanalysators:
Für präzise Messungen wie die oben beschriebenen ist eine exakte Kalibrierung des Analysators unerlässlich. Diese erfolgt üblicherweise vor dem Kauf, wobei in vielen Fällen eine regelmäßige Kalibrierung empfohlen wird. Ein gängiges Verfahren nutzt Gasküvetten als Wellenlängenreferenzquellen. Eine Gasküvette besteht aus einem mit einem Gas oder Gasgemisch bekannter Reinheit und bekannten Drucks gefüllten Rohr. An dieses Rohr werden in der Regel Glasfaserkabel angeschlossen, und ein breitbandiges optisches Signal (typischerweise von einer ASE-Rauschquelle) wird durch das Gerät geleitet. Da Gasmoleküle durch eine Reihe von Absorptionslinien bei spezifischen und bekannten Wellenlängen charakterisiert sind, kann das optische Ausgangsspektrum der Gasküvette als Referenzquelle zur Kalibrierung eines optischen Spektrumanalysators verwendet werden. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Stabilität dieser Absorptionslinien gegenüber Änderungen der Umgebungsbedingungen, wie z. B. Temperatur- und Druckschwankungen oder dem Vorhandensein elektromagnetischer Felder.

Die Acetylenzelle (C₂H₂) ist eine der wichtigsten Wellenlängenreferenzen für das C-Band, da ihr Absorptionsspektrum den Bereich von 1510 bis 1540 nm abdeckt. Das NIST (National Institute of Standards and Technology), die US-amerikanische Normungsbehörde, stellt eine Reihe von Referenzmaterialien (SRMs, Standard Reference Materials) bereit, die die Eigenschaften beschreiben, die Gaszellen erfüllen müssen, um als Referenzquellen für die Kalibrierung optischer Instrumente zertifiziert zu werden. Beispielsweise wird SRM2517 für die Acetylenzelle verwendet. Das Absorptionsspektrum einer dieser Zellen ist in Abbildung 4 dargestellt (Hersteller: Wavelength References). Wie in dieser Abbildung zu sehen ist, gibt es mehrere Absorptionsmaxima bei spezifischen Wellenlängen. Die Wellenlängengenauigkeit beträgt etwa 0,3 pm, und ihre Temperaturabhängigkeit liegt unter 0,01 pm/°C. Genau aufgrund dieser Eigenschaften und ihrer geringen Kosten eignen sich Acetylenzellen hervorragend zur Kalibrierung optischer Spektrumanalysatoren.

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Autor:

Francisco Ramos Pascual, Doktor der Telekommunikationstechnik

Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia