eng
Выпуск #6/2015
Ш.Лефлер
Широкополосный перестраиваемый лазер для непрерывного прецизионного свипирования Проблемы проектирования близких к идеальным источников для измерения параметров оптических фильтров
Широкополосный перестраиваемый лазер для непрерывного прецизионного свипирования Проблемы проектирования близких к идеальным источников для измерения параметров оптических фильтров
Просмотры: 5467
Перестраиваемые источники лазерного излучения, используемые для измерения параметров оптоэлектронных компонентов оптических сетей, имеют мало общего с перестраиваемыми передатчиками, которые используются в настоящее время для изменения конфигурации оптических сетей. В статье описываются проблемы разработки лазерных источников с возможностью свипирования для измерения спектрального ослабления оптических фильтров.
Теги: dwdm-systems dwdm – системы fiber optic communication laser photonic components волоконно-оптические линии связи перестраиваемый лазер фотонные компоненты
К
онцепция использования плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM) в коммуникационных оптоволоконных сетях начала применяться с появлением оптических усилителей. Обладая способностью усиливать все длины волн одновременно, усилители устранили потребность в предварительном демультиплексировании и последующем преобразовании каждого канала в электрический сигнал, регенерации сигнала, преобразовании его обратно в оптический сигнал и, наконец, в мультиплексировании всех каналов в один волоконно-оптический кабель.[1][2]
Перестраиваемые передатчики облегчают работу групп технического обслуживания и плановых отделов на производстве, которым приходится сталкиваться с передатчиками, имеющими около 80 разновидностей. Для построения системы передачи DWDM вполне достаточно иметь один передатчик, программируемый в момент установки на нужную длину волны. Кроме того, позже его можно перепрограммировать, а это первый шаг на пути создания перестраиваемых мультиплексоров ввода-вывода.
Массовая потребность в измерительных перестраиваемых источниках лазерного излучения возникла с началом широкого распространения систем передачи DWDM. В каждом мультиплексоре и демультиплексоре надо измерять подавление перекрестных помех, длины волн каналов, полосы пропускания, равномерность и зависимость от поляризации. Очень быстро эти тесты превратились в фактор, ограничивающий производство оптических компонентов. Но позже появились первые перестраиваемые свипирующие лазеры, которые подняли производительность достаточно высоко, чтобы удовлетворить потребность телекоммуникационной индустрии в широкополосном оборудовании.
Такие лазеры в сочетании с несколькими измерителями мощности могут одновременно тестировать все порты демультиплексора за одно свипирование по длине волны. Если нужно, контроллер поляризации добавляет возможность измерения зависимости потерь, длины волны и смещения моды TE/TM планарных устройств от поляризации.
Возникает вопрос – разве не может перестраиваемый передатчик (TTL), стоимость которого гораздо меньше, чем стоимость настольного лабораторного перестраиваемого лазера, справиться с этой работой? Начнем с того, что к измерительным перестраиваемым лазерам применяются совершенно иные критерии оптимизации по сравнению с перестраиваемыми передающими лазерами. Давайте рассмотрим общую схему перестраиваемого лазера, показанную на рис.1.
Как и все лазеры, перестраиваемый лазер состоит из активной среды и резонатора, в качестве которого чаще всего используется внешний резонатор. Настройка выполняется путем изменения состояния резонатора. Наш пример демонстрирует широко распространенную конструкцию Литтмана-Меткальфа [см. лит-ру], в которой длина резонатора и угол дифракции решетки настраиваются путем поворота зеркала так, чтобы не было фазовых скачков в результирующем выходном луче. Часть оптической мощности выходит из резонатора через делитель луча и коллимируется в оптоволоконный кабель, подключенный к тестируемому устройству. Подобно лазерам TTL, большинство перестраиваемых лазеров оснащено волокном, сохраняющим поляризацию проходящего излучения (PMF), что обеспечивает определенное состояние поляризации. Оптический разъем с ключом и PMF полезны в схемах с открытым оптическим каналом и в тестах планарных устройств. Завершает схему тестирования измеритель оптической мощности. Любая детерминированная зависимость оптического тракта от длины волны компенсируется путем нормализации во время эталонного измерения без тестируемого устройства. Для этого требуется хорошая воспроизводимость мощности и длины волны во время свипирования.
Диапазон свипирования зависит от способности лазера сохранять моду в широком диапазоне длин волн без перехода на другую моду – что называется "скачком моды". Скачки моды во время свипирования проявляются в виде нестабильности длины волны и оптической мощности. Такие скачки могут сделать измерения недостоверными, поскольку скачки моды носят беспорядочный характер и не повторяются. Для эффективного тестирования свипирование по длине волны должно быть быстрым и точным. Отличным показателем является погрешность длины волны менее пяти пикометров для времени измерения в несколько секунд.
Разработчики контрольно-измерительного оборудования используют точно документированные схемы лазерных резонаторов, которые теоретически позволяют затягивать моды на большие расстояния до пределов, определяемых дисперсионными элементами резонатора, а именно активной средой и коллиматором. Способность лазера затягивать моды отражает точность механической юстировки во время сборки прибора. Кроме того, разброс механических параметров, вибрация и акустические резонансы дают свой вклад в характер зависимости длины волны от времени и скорости от длины волны. И хотя дополнительные элементы резонатора могут скомпенсировать разброс механических параметров и вибрацию, они повышают стоимость и сложность прибора, поскольку требуют прецизионного управления во время свипирования.
Кроме того, диапазон свипирования перестраиваемого лазера ограничивается полосой активной среды: серийно выпускаемые перестраиваемые лазеры достигают диапазона настройки около 200 нм, что эквивалентно 13% от их центральной длины волны.
Для свипирующих измерений многопортовых устройств, таких как демультиплексоры DWDM, используются синхронно запускаемые измерители мощности. Погрешность измерения длины волны зависит от точности запуска по отношению к реальной длине волны перестраиваемого лазера. Проверенный способ достижения высокой точности измерений заключается в том, чтобы делать выборки длины волны синхронно с выборками измерителя мощности во время свипирования лазера. Многие производители предлагают детекторы, которые обеспечивают считывание длины волны в режиме реального времени.
Небольшие отклонения от равноудаленных точек на шкале длин волн могут быть компенсированы алгоритмами линеаризации. Остаточная погрешность, как правило, невелика, но она может стать заметной, если измерение состоит из нескольких сканирований. Это случается, например, при использовании некоторых методов измерения поляризации или при объединении в измерителе мощности нескольких диапазонов чувствительности.
Более устойчивого повышения точности измерений можно добиться за счет лучшей настройки линейности. Она минимизирует разброс последовательных свипирований и более равномерно распределяет выборки длины волны. И хотя управлять шаговым двигателем может быть достаточно просто, достичь плавного и непрерывного перемещения с высокой линейностью может быть очень нелегко. С другой стороны, все типы линейных или поворотных приводов требуют позиционирования с очень высоким разрешением, что тоже не просто. Достичь высокой линейности в пределах ±1 пм можно за счет применения высоколинейного шагового привода дифракционной решетки и субпикометрового разрешения реального времени по длине волны. На центральной длине волны 1550 нм эта величина приближается к значению ±0,6·10—6, т. е. к уровню точности измерителя длины волны среднего класса, измеряющего длину волны в статике.
На рис.2 показаны типичные результаты измерений, выполняемые обычно для подтверждения точности настройки длины волны свипирующих перестраиваемых лазеров. В роли тестируемого устройства выступает газовая ячейка, заполненная ацетиленом (12C2H2) под малым давлением. Узкая полоса перестраиваемого лазера упрощает определение центральной длины волны линий поглощения.
На рис.3 приведено сравнение результатов измерений длины волны центральной линии поглощения 12C2H2 с ее известным значением, согласно протоколу NIST SRM 2517a. Измерение выполнялось при скорости свипирования 200 нм/с с помощью перестраиваемого лазера Keysight 81606A и измерителя оптической мощности Keysight N7744A. Результаты обладали высокой воспроизводимостью и почти не зависили от выбранной скорости и направления свипирования. Этот перестраиваемый лазер рассчитан на оптимальную линейность свипирования и работает с отслеживанием длины волны.
Еще один параметр резонатора перестраиваемого лазера – уровень спонтанного излучения источника (SSE). SSE представляет собой некогерентный свет с широким спектром излучения, который не соответствует условиям резонанса и снижает селективность резонатора. Измерительные перестраиваемые лазеры должны обладать достаточной выходной оптической мощностью, чтобы компенсировать потери в схеме тестирования и иметь высокое значение отношения сигнала к SSE, чтобы измерять параметры оптических фильтров с малыми перекрестными помехами и хорошим подавлением в полосе ослабления. На рис.4 показано влияние SSE на измерение полосового фильтра DWDM. Одну и ту же величину измеряли с помощью двух перестраиваемых лазеров разного типа. Синяя линия соответствует измерениям, полученным с помощью простого перестраиваемого лазера с малогабаритным резонатором, имеющим такую же выходную мощность и уровень SSE, как и перестраиваемый передающий лазер. Красная линия соответствует измерениям, полученным перестраиваемым лазером с более сложной конструкцией резонатора. Этот лазер обладает меньшей на 2 дБ выходной мощностью и очень низким уровнем спонтанного излучения. С целью лучшей наглядности обе кривые были совмещены на одном графике, для этого значения в обеих сериях измерений были нормированы. Спонтанное излучение компактного лазера в полосе пропускания затушевывает превосходную развязку фильтра в полосе ослабления. В отличие от этого, красная кривая ограничена лишь собственным шумом измерителя мощности в полосе ослабления.
Селективность лазера можно повысить двумя способами. Один из них заключается в том, чтобы внутри резонатора установить дополнительные перестраиваемые фильтры (блокирующие нежелательные моды лазера и спектральный шум). Другой – с помощью конструкции самого резонатора, которая должна быть решена таким образом, чтобы позволить излучению многократно проходить сквозь оптическую решетку. В общем случае работа активного кристалла на большом электрическом токе гарантирует концентрацию большой энергии в нужной моде лазера и сравнительно меньшей энергии в спонтанном излучении. Ограничивающие факторы включают рассеяние мощности в активной среде и ее влияние на температурную стабильность лазера, а также ускоренное старение при приближении тока лазера к предельному значению.
Хотя применение перестраиваемых передающих лазеров для измерения характеристик оптических компонентов выглядит привлекательно из-за их высокой оптической мощности, малой стоимости и небольшого размера, они обладают целым рядом существенных недостатков. Настройка за пределы сетки DWDM поддерживается редко, но все же нужна для обеспечения правильной формы фильтров на границах сетки. Современные TTL не поддерживают прецизионные измерения со свипированием по длине волны в пределах всей сетки DWDM, которые очень важны для эффективного тестирования с высоким разрешением. И, наконец, перестраиваемые передатчики имеют такие уровни SSE, которые не позволяют измерять развязку в полосе ослабления оптических полосовых и режекторных фильтров. Точно свипирующие в широком диапазоне лазеры с внешними резонаторами отвечают всем этим требованиям, и их погрешность близка к погрешности настольных измерителей длины волны.
Литература
Karen Liu, Littman M.G. Novel geometry for single-mode scanning of tunable lasers. – Opt. Lett., 1981, v.6, p.117—118 (doi: 10.1364/OL.6.000117).
[1] Напечатано с разрешения NASA Tech Briefs, v 39, № 9, p. 68–72.
[2] Keysight Technologies, Inc. – ранее Группа электронных измерений Agilent Technologies.
[3] Keysight Technologies Inc., formerly Agilent Technologies electronic measurement business.
онцепция использования плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM) в коммуникационных оптоволоконных сетях начала применяться с появлением оптических усилителей. Обладая способностью усиливать все длины волн одновременно, усилители устранили потребность в предварительном демультиплексировании и последующем преобразовании каждого канала в электрический сигнал, регенерации сигнала, преобразовании его обратно в оптический сигнал и, наконец, в мультиплексировании всех каналов в один волоконно-оптический кабель.[1][2]
Перестраиваемые передатчики облегчают работу групп технического обслуживания и плановых отделов на производстве, которым приходится сталкиваться с передатчиками, имеющими около 80 разновидностей. Для построения системы передачи DWDM вполне достаточно иметь один передатчик, программируемый в момент установки на нужную длину волны. Кроме того, позже его можно перепрограммировать, а это первый шаг на пути создания перестраиваемых мультиплексоров ввода-вывода.
Массовая потребность в измерительных перестраиваемых источниках лазерного излучения возникла с началом широкого распространения систем передачи DWDM. В каждом мультиплексоре и демультиплексоре надо измерять подавление перекрестных помех, длины волн каналов, полосы пропускания, равномерность и зависимость от поляризации. Очень быстро эти тесты превратились в фактор, ограничивающий производство оптических компонентов. Но позже появились первые перестраиваемые свипирующие лазеры, которые подняли производительность достаточно высоко, чтобы удовлетворить потребность телекоммуникационной индустрии в широкополосном оборудовании.
Такие лазеры в сочетании с несколькими измерителями мощности могут одновременно тестировать все порты демультиплексора за одно свипирование по длине волны. Если нужно, контроллер поляризации добавляет возможность измерения зависимости потерь, длины волны и смещения моды TE/TM планарных устройств от поляризации.
Возникает вопрос – разве не может перестраиваемый передатчик (TTL), стоимость которого гораздо меньше, чем стоимость настольного лабораторного перестраиваемого лазера, справиться с этой работой? Начнем с того, что к измерительным перестраиваемым лазерам применяются совершенно иные критерии оптимизации по сравнению с перестраиваемыми передающими лазерами. Давайте рассмотрим общую схему перестраиваемого лазера, показанную на рис.1.
Как и все лазеры, перестраиваемый лазер состоит из активной среды и резонатора, в качестве которого чаще всего используется внешний резонатор. Настройка выполняется путем изменения состояния резонатора. Наш пример демонстрирует широко распространенную конструкцию Литтмана-Меткальфа [см. лит-ру], в которой длина резонатора и угол дифракции решетки настраиваются путем поворота зеркала так, чтобы не было фазовых скачков в результирующем выходном луче. Часть оптической мощности выходит из резонатора через делитель луча и коллимируется в оптоволоконный кабель, подключенный к тестируемому устройству. Подобно лазерам TTL, большинство перестраиваемых лазеров оснащено волокном, сохраняющим поляризацию проходящего излучения (PMF), что обеспечивает определенное состояние поляризации. Оптический разъем с ключом и PMF полезны в схемах с открытым оптическим каналом и в тестах планарных устройств. Завершает схему тестирования измеритель оптической мощности. Любая детерминированная зависимость оптического тракта от длины волны компенсируется путем нормализации во время эталонного измерения без тестируемого устройства. Для этого требуется хорошая воспроизводимость мощности и длины волны во время свипирования.
Диапазон свипирования зависит от способности лазера сохранять моду в широком диапазоне длин волн без перехода на другую моду – что называется "скачком моды". Скачки моды во время свипирования проявляются в виде нестабильности длины волны и оптической мощности. Такие скачки могут сделать измерения недостоверными, поскольку скачки моды носят беспорядочный характер и не повторяются. Для эффективного тестирования свипирование по длине волны должно быть быстрым и точным. Отличным показателем является погрешность длины волны менее пяти пикометров для времени измерения в несколько секунд.
Разработчики контрольно-измерительного оборудования используют точно документированные схемы лазерных резонаторов, которые теоретически позволяют затягивать моды на большие расстояния до пределов, определяемых дисперсионными элементами резонатора, а именно активной средой и коллиматором. Способность лазера затягивать моды отражает точность механической юстировки во время сборки прибора. Кроме того, разброс механических параметров, вибрация и акустические резонансы дают свой вклад в характер зависимости длины волны от времени и скорости от длины волны. И хотя дополнительные элементы резонатора могут скомпенсировать разброс механических параметров и вибрацию, они повышают стоимость и сложность прибора, поскольку требуют прецизионного управления во время свипирования.
Кроме того, диапазон свипирования перестраиваемого лазера ограничивается полосой активной среды: серийно выпускаемые перестраиваемые лазеры достигают диапазона настройки около 200 нм, что эквивалентно 13% от их центральной длины волны.
Для свипирующих измерений многопортовых устройств, таких как демультиплексоры DWDM, используются синхронно запускаемые измерители мощности. Погрешность измерения длины волны зависит от точности запуска по отношению к реальной длине волны перестраиваемого лазера. Проверенный способ достижения высокой точности измерений заключается в том, чтобы делать выборки длины волны синхронно с выборками измерителя мощности во время свипирования лазера. Многие производители предлагают детекторы, которые обеспечивают считывание длины волны в режиме реального времени.
Небольшие отклонения от равноудаленных точек на шкале длин волн могут быть компенсированы алгоритмами линеаризации. Остаточная погрешность, как правило, невелика, но она может стать заметной, если измерение состоит из нескольких сканирований. Это случается, например, при использовании некоторых методов измерения поляризации или при объединении в измерителе мощности нескольких диапазонов чувствительности.
Более устойчивого повышения точности измерений можно добиться за счет лучшей настройки линейности. Она минимизирует разброс последовательных свипирований и более равномерно распределяет выборки длины волны. И хотя управлять шаговым двигателем может быть достаточно просто, достичь плавного и непрерывного перемещения с высокой линейностью может быть очень нелегко. С другой стороны, все типы линейных или поворотных приводов требуют позиционирования с очень высоким разрешением, что тоже не просто. Достичь высокой линейности в пределах ±1 пм можно за счет применения высоколинейного шагового привода дифракционной решетки и субпикометрового разрешения реального времени по длине волны. На центральной длине волны 1550 нм эта величина приближается к значению ±0,6·10—6, т. е. к уровню точности измерителя длины волны среднего класса, измеряющего длину волны в статике.
На рис.2 показаны типичные результаты измерений, выполняемые обычно для подтверждения точности настройки длины волны свипирующих перестраиваемых лазеров. В роли тестируемого устройства выступает газовая ячейка, заполненная ацетиленом (12C2H2) под малым давлением. Узкая полоса перестраиваемого лазера упрощает определение центральной длины волны линий поглощения.
На рис.3 приведено сравнение результатов измерений длины волны центральной линии поглощения 12C2H2 с ее известным значением, согласно протоколу NIST SRM 2517a. Измерение выполнялось при скорости свипирования 200 нм/с с помощью перестраиваемого лазера Keysight 81606A и измерителя оптической мощности Keysight N7744A. Результаты обладали высокой воспроизводимостью и почти не зависили от выбранной скорости и направления свипирования. Этот перестраиваемый лазер рассчитан на оптимальную линейность свипирования и работает с отслеживанием длины волны.
Еще один параметр резонатора перестраиваемого лазера – уровень спонтанного излучения источника (SSE). SSE представляет собой некогерентный свет с широким спектром излучения, который не соответствует условиям резонанса и снижает селективность резонатора. Измерительные перестраиваемые лазеры должны обладать достаточной выходной оптической мощностью, чтобы компенсировать потери в схеме тестирования и иметь высокое значение отношения сигнала к SSE, чтобы измерять параметры оптических фильтров с малыми перекрестными помехами и хорошим подавлением в полосе ослабления. На рис.4 показано влияние SSE на измерение полосового фильтра DWDM. Одну и ту же величину измеряли с помощью двух перестраиваемых лазеров разного типа. Синяя линия соответствует измерениям, полученным с помощью простого перестраиваемого лазера с малогабаритным резонатором, имеющим такую же выходную мощность и уровень SSE, как и перестраиваемый передающий лазер. Красная линия соответствует измерениям, полученным перестраиваемым лазером с более сложной конструкцией резонатора. Этот лазер обладает меньшей на 2 дБ выходной мощностью и очень низким уровнем спонтанного излучения. С целью лучшей наглядности обе кривые были совмещены на одном графике, для этого значения в обеих сериях измерений были нормированы. Спонтанное излучение компактного лазера в полосе пропускания затушевывает превосходную развязку фильтра в полосе ослабления. В отличие от этого, красная кривая ограничена лишь собственным шумом измерителя мощности в полосе ослабления.
Селективность лазера можно повысить двумя способами. Один из них заключается в том, чтобы внутри резонатора установить дополнительные перестраиваемые фильтры (блокирующие нежелательные моды лазера и спектральный шум). Другой – с помощью конструкции самого резонатора, которая должна быть решена таким образом, чтобы позволить излучению многократно проходить сквозь оптическую решетку. В общем случае работа активного кристалла на большом электрическом токе гарантирует концентрацию большой энергии в нужной моде лазера и сравнительно меньшей энергии в спонтанном излучении. Ограничивающие факторы включают рассеяние мощности в активной среде и ее влияние на температурную стабильность лазера, а также ускоренное старение при приближении тока лазера к предельному значению.
Хотя применение перестраиваемых передающих лазеров для измерения характеристик оптических компонентов выглядит привлекательно из-за их высокой оптической мощности, малой стоимости и небольшого размера, они обладают целым рядом существенных недостатков. Настройка за пределы сетки DWDM поддерживается редко, но все же нужна для обеспечения правильной формы фильтров на границах сетки. Современные TTL не поддерживают прецизионные измерения со свипированием по длине волны в пределах всей сетки DWDM, которые очень важны для эффективного тестирования с высоким разрешением. И, наконец, перестраиваемые передатчики имеют такие уровни SSE, которые не позволяют измерять развязку в полосе ослабления оптических полосовых и режекторных фильтров. Точно свипирующие в широком диапазоне лазеры с внешними резонаторами отвечают всем этим требованиям, и их погрешность близка к погрешности настольных измерителей длины волны.
Литература
Karen Liu, Littman M.G. Novel geometry for single-mode scanning of tunable lasers. – Opt. Lett., 1981, v.6, p.117—118 (doi: 10.1364/OL.6.000117).
[1] Напечатано с разрешения NASA Tech Briefs, v 39, № 9, p. 68–72.
[2] Keysight Technologies, Inc. – ранее Группа электронных измерений Agilent Technologies.
[3] Keysight Technologies Inc., formerly Agilent Technologies electronic measurement business.
Отзывы читателей
