Caratterizzazione spettrale di una sorgente ottica

Come accennato, un analizzatore di spettro ottico viene utilizzato per la caratterizzazione spettrale di una sorgente ottica. Questo strumento di misura consente di determinare molteplici parametri della sorgente, come la lunghezza d'onda centrale, la potenza di picco, la densità spettrale di rumore, la larghezza di banda, la separazione dei modi e così via. Quasi tutti gli analizzatori coprono un ampio intervallo di lunghezze d'onda (ad esempio, da 600 a 1700 nm), rendendo possibile la misurazione di qualsiasi sorgente ottica utilizzata nei trasmettitori dei sistemi di comunicazione (prima, seconda e terza finestra di trasmissione). A seconda del tipo di sorgente, le misurazioni richieste possono variare considerevolmente, poiché in ogni caso è necessario considerare caratteristiche specifiche. Alcune di queste caratteristiche sono riassunte di seguito.

Laser DFB.
Nei laser DFB, i parametri principali da misurare sono: lunghezza d'onda di picco, ampiezza/potenza di picco, soppressione della larghezza di banda (A), spostamento del centro (B), spostamento del modo (C), larghezza di banda, soppressione della larghezza di banda e rapporto di soppressione del modo (D) o SMSR (rapporto di soppressione del modo laterale). La Figura 1 mostra, a titolo di esempio, lo spettro di un laser DFB insieme ai suoi parametri caratteristici misurati con un analizzatore di spettro ottico. Alcuni di questi parametri sono rappresentati graficamente anche nella stessa figura.

Laser Fabry-Perot
A differenza del laser DFB, lo spettro di un laser Fabry-Perot è composto da una serie di modi longitudinali. In questo caso, i parametri tipici che vengono solitamente misurati sono: lunghezza d'onda di picco e media, ampiezza/potenza di picco, potenza totale, spaziatura dei modi (A), FWHM (B) e sigma. Il parametro sigma è definito come il valore RMS della larghezza spettrale ed è dato da FWHM = 2,355 x sigma. La Figura 2 mostra un esempio di misurazione per un tipico laser Fabry-Perot.
LED
Infine, un altro tipo di sorgente ottica molto caratteristica è il LED. I suoi principali parametri spettrali sono: lunghezza d'onda di picco, FWHM, sigma, potenza totale o densità di potenza di picco. La Figura 3 mostra lo spettro di un LED insieme alla misurazione dei suoi parametri caratteristici. Quando si misura un LED su un analizzatore di spettro ottico, la larghezza spettrale della sorgente è molto maggiore della larghezza di banda di risoluzione (RBW) dell'analizzatore. Pertanto, i punti traccia rappresentano i valori della densità spettrale di potenza (mW/nm) e non le potenze assolute. Nel caso delle misurazioni in Figura 3, la densità di potenza di picco è stata specificata per una larghezza di banda di 0,1 nm.

Calibrazione dell'analizzatore di spettro:
Per eseguire misurazioni di precisione come quelle sopra descritte, è essenziale che l'analizzatore sia perfettamente calibrato. Questa calibrazione viene sempre effettuata prima dell'acquisto, sebbene in molti casi sia consigliata una calibrazione periodica. Una procedura tipica prevede l'utilizzo di celle a gas come sorgenti di riferimento di lunghezza d'onda. Una cella a gas è semplicemente costituita da un tubo riempito con un gas o una miscela di gas di purezza e pressione note. A questo tubo vengono solitamente collegati dei cavi in ​​fibra ottica e un segnale ottico a banda larga (tipicamente proveniente da una sorgente di rumore ASE) viene fatto passare attraverso il dispositivo. Poiché le molecole di gas sono caratterizzate da una serie di linee di assorbimento situate a lunghezze d'onda specifiche e note, lo spettro ottico in uscita dalla cella a gas può essere utilizzato come sorgente di riferimento per la calibrazione di un analizzatore di spettro ottico. Inoltre, come ulteriore vantaggio, queste linee di assorbimento sono molto stabili rispetto alle variazioni delle condizioni ambientali, come variazioni di temperatura e pressione o la presenza di campi elettromagnetici.

La cella ad acetilene (C2H2) è uno dei principali riferimenti di lunghezza d'onda per la banda C, poiché il suo spettro di assorbimento copre l'intervallo da 1510 a 1540 nm. Il NIST (National Institute of Standards and Technology), l'agenzia governativa statunitense per gli standard, dispone di una serie di note di riferimento (SRM, Standard Reference Materials) che delineano le caratteristiche che le celle a gas devono soddisfare per essere certificate come sorgenti di riferimento per la calibrazione di strumenti ottici. Ad esempio, per la cella ad acetilene viene utilizzato l'SRM2517. Lo spettro di assorbimento di una di queste celle è mostrato in Figura 4 (Produttore: Wavelength References). Come si può osservare in questa figura, sono presenti diversi picchi di assorbimento a specifiche lunghezze d'onda. La precisione della lunghezza d'onda è di circa 0,3 pm e la sua variazione con la temperatura è inferiore a 0,01 pm/°C. Proprio per queste caratteristiche, e anche per il loro basso costo, le celle ad acetilene costituiscono un dispositivo molto adatto per la calibrazione degli analizzatori di spettro ottico.

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Autore:

Francisco Ramos Pascual. Dottore di ricerca in Ingegneria delle Telecomunicazioni

Professore ordinario presso l'Università Politecnica di Valencia