Oktober 2012

Jörg Latzel

Yokogawa Deutschland GmbH

Michelson Interferometrie versus Monochromator

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Inhalt

Inhalt

Allgemein das Funktionsprinzip Das Michelson Interferometer

Referenzlicht

FFT

Messmöglichkeiten

Vergleichsansatz zum Monochromator

Der Monochromator – und die Auflöseeinstellung

Strahlengang

Spaltbreiten

Messmöglichkeiten

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Was ist Optische Spektrumanalyse?

Optische Spektrum Analyse

Optische Spektrumanalyse ist definiert als eine Messung optischer Leistung als Funktion der Wellenlänge!

Beispiel eine Lasersignalmessung mit einem Optischen Spektrumanalysator

Nach welchen Verfahren arbeitet ein optischer Spektrumanalysator?

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Die generelle Funktionsweise eines Interferometers besteht darin, dass eine Lichtwelle in zwei Teile aufgeteilt wird.

Diese zwei Wellen durchlaufen dann unterschiedlich lange Strecken oder Medien, in denen das Licht unterschiedlich lang unterwegs ist.

Dadurch ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen den zwei Wellen. Werden diese dann wieder zusammengeführt, kommt es zur Interferenz.

Michelson Interferometrie

Albert Michelson und Albert Einstein

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Michelson Interferometrie

http://www.leifiphysik.de/web_ph12/versuche/07michelson/animation.htm

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Referenzlichtquelle = He Ne Laser

Michelson Interferometer

Fester Spiegel

Referenzlicht

Testsignal

Verschiebbarer Spiegel

PD1 – Testsignal

PD2 – Referenzsignal

Michelson Interferometer

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Referenzlichtquelle = He Ne Laser

Michelson Interferometer

Die Zeitantwort der Fotodiode wird durch FFT in die Frequenzantwort gewandelt -> Spektrale Messung

FFT

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Erklärung Michelson Interferometrie

Wie gesehen, arbeitet das Interferometer mit Strahlteilung

Sowohl das Signal- als auch das Referenzlicht wird am Strahlteiler geteilt

Ein Teil des Lichts nimmt den Weg über den feststehenden Spiegel, der andere über den sich ändernden Weg.

Beide Signale, über beide Wege werden reflektiert und treffen auf die jeweilige Photodiode auf: Referenzlich auf PD ref. und Signallicht auf PD sig.

Die Auswertung (vereinfacht):

Wenn die Distanz zwichen beam Splitter und beiden Spiegeln gleich ist, ist die Phasendifferenz zwischen den Signalen = 0 -> positive Interferenz (max.)

Wird der Spiegel bewegt, so ändert sich die Phasendifferenz; je nach absoluter Wellenlänge kommt es bei gleichem Weg, den der Spiegel sich bewegt hat zu einer unterschiedlichen Zahl von Maxima und Minima an den Photodioden; eine Bewegung um die aktuelle Wellenlänge verursacht 2 Maxima und Minima (siehe folgende Grafik)

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…Interferomtrie…

Eine Bewegung um die aktuelle Wellenlänge verursacht 2 Maxima und Minima

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…Interferometrie Erklärung…

Eine vereinfachte Erklärung zur Interferomtrie ist wie folgt:

Da die Wellenlänge der Referenzquelle exakt bekannt ist, können wir exakt messen, wie weit sich der Spiegel bewegt hat (2 * Max und 2 * Min durchschritten bedeutet z.B. 632nm Bewegung des Spiegels

Die Signalwellenlängen-Scheitelpunkte werden ebenfalls gezählt und die Wellenlängen können in Relation zu dem zurückgelegten Weg bestimmt werden. Sofern das Signallicht aus mehreren Wellenlängen besteht, sind die Scheitelpunkte nicht äquidistant und unscharf. Der Pegel an der Signallicht Diode ist eine Funktion der Phasen Differenzen.

Das Signal an der Photodiode ist eine inverse Fourier Transformation (Zeitbereich); um zur Wellenlängeninformation zu gelangen (Frequenzbereich) muss die inverse Fouriertransformation ausgeführt werden.

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…Interferometrie – Wellenlängenbestimmung…

Signal Licht @

~ 1600 nm

Ref. Licht @ 632,991 nm

Von der ansteigenden Flanke des Referenzlichts wird ein bestimmter Pegelwert als Trigger zur Abtastung des Signallichtes verwendet.

Dies stellt sicher, dass sowohl die Zeit bzw. der Weg, den der Spiegel zurückgelegt hat genau bekannt sind.

Die nun bekannte Zeit-/Weg- und die Signallicht-antwort werden als Ausgangsdaten zur Fouriertransformation in den Wellenlängenbereich verwendet.

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…Interferometrie – Eigenschaften…

Durch das Aufsplitten der Signale und deren Überlagerung sowie die exakte Bestimmung der Weglängen gewinnt man an Messgenauigkeit, verliert aber an Messdynamik (siehe nachfolgende Vergleichstabelle)

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Interferometer // Czerny-Turner OSA

Interferometer

Wellenlängenbereich = 1270-1650nm

Auflösung = 40pm (fix)

Wellenlängengenauigkeit = 0,3 pm

Dynamik = 40 dB

Leistungsgenauigkeit 0,5 dB

Leistungsbereich = - 40 to + 10dBm (18)

Czerny-Turner Monochromator

Wellenlängenbereich = 600-1700nm

Auflösung = 20 pm - 2nm (einstellb.)

Wellenlängengenauigkeit = 10-20 pm

Dynamik bis 100 dB

Leistungsgenauigkeit 0,3 dB

Leistungsbereich = - 90 to + 20dBm (25)

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Ein Spektrum des Interferometers

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Monochromator Prinzip

Motor Treiber

Motor

CPU

Wavelength

Op

tica

l P

ow

er

OSA Anzeige mit Darstellung optischer Leistung als Funktion von Leistung über

Wellenlänge

Prisma basierter Analysator

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Czerny-Turner Gitter Monochromator

White light source

Eingangsspalt

Gitter

Austrittsspalt

Wellenlänge

Op

tisch

e L

eis

tun

g

OSA Anzeige

Monochromator

Prozessor A/D

Verstärker A/D Wandler

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Monochromator Einstellungen

(x)nm

(y)nm

OSA Anzeige

(x)nm (y)nm

Weiter Spalt

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Monochromator Einstellungen

(x)nm

(y)nm

OSA Anzeige

(x)nm (y)nm

Normaler Spalt

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Monochromator

(x)nm

(y)nm

OSA Anzeige

(x)nm (y)nm

Schmaler Spalt

Sobald die Auflösung des OSA feiner ist als die Bandbreite des Signales, so wird die Peakmessung ungenau und erfordert als Bezugsangabe die Bandbreite der Messung

Falscher Peak Wert

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Monochromator Blockaufbau

double pass monochrometer

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SMSR 3+4 sind ab sofort ebenfalls auswählbar

Die Einwirkung der je höchsten Seitenmode rechts und links vom Peak ist damit bestimmbar!

Live Demo ECL Quelle

Erweiterte SMSR Analyse (ähnlich der DFB Analyse) (mit Auswertung von bis zu 2 Seitenmoden)

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SMSR 3+4 sind ab sofort ebenfalls auswählbar

Die Einwirkung der je höchsten Seitenmode rechts und links vom Peak ist damit bestimmbar!

Live Demo ECL Quelle / Mask erklären!

Erweiterte DFB Analyse (mit Auswertung von bis zu 2 Seitenmoden)

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Grafische Anzeige von Verstärkung und Rauschzahl von Verstärkern

Ab sofort ist die grafische Darstellung einer Multikanal Verstärkermessung möglich in Bezug auf Verstärkung

Rauschzahl

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Mehrfachpeak- / Dipsuche

Neu ist die Multipeak / Dipsuche unabhängig von anderen Analysen; Beurteilungen von:

Frequenzkämmen

Absorptionslinien

FP Lasern

Multipeakquellen

werden so unterstützt

Live Demo Acetylengas!

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Externe Triggerung / Pulslichtmessung

Der OSA erlaubt:

Sample Triggerung

(Messpunkt für Messpunkt sind zu triggern); min integration 50µs-300µs je nach Empfindlichkeit)

Sweep Triggerung

(Ein Sweep wir auf Signal getriggert)

Sample Enable

(Für z.B. Loop Tests wird der Sweep dann aktiv, wenn der Pegel am triggereingang HIGH

ist)

Die Grundsätzliche interne Verzögerung von Triggersignal zur Messung beträgt 20µs

Eine zusätzliche Verzögerung zwischen 0 und 1000µs ist auswählbar

Am Trigger Out ist der Status (Messung Aktiv/Inaktiv) darstellbar

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Freistrahleingang…

Der optische Eingang aller AQ631X/AQ637X OSA ist kompatibel zu Folgenden Fasern: Fasern mit Kerndurchmesser von 5µm - 62,5µm und darüber,

solange eine Faser mit kleiner NA verwendet wird.

Freistrahleingang

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Allgemein das Funktionsprinzip Das Michelson Interferometer

Referenzlicht

FFT

Messmöglichkeiten

Vergleichsansatz zum Monochromator

Der Monochromator – und die Auflöseeinstellung

Strahlengang

Spaltbreiten

Messmöglichkeiten

Ende

Vielen Dank

für Ihre Aufmerksamkeit.

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