Warum hat ein 1 MHz DFB-Laser eine 10-MHz-Linienbreite in Ihrem System?

Zwei kritische Faktoren zu überprüfen: Optisches Feedback und Antriebs strom geräuschen

Das Datenblatt sagt„ Linienbreite ≤ 1 MHz.“

Sie installieren den DFB-Laser, schließen die Faser an, richten eine verzögerte Selbstüberlagerung messung ein-und die gemessene Linienbreite ist10 MHz.

Ist der Laser chip defekt? Ist das Messi strum ent falsch?

Nicht unbedingt.

Die wahr schein lichere Erklärung ist, dass die1 MHz Datenblatt Linienbreite wurde unter stark kontrollierten Labor bedingungen gemessenWährend Ihr tatsächliches System optischen Rückkopplungen, Antriebs strom geräuschen, mechanischen Vibrationen und anderen Störungen ausgesetzt ist.

Insbesondere,Optisches Feedback und aktuelles Rauschen können die Linienbreite eines DFB-Lasers erheblich erweitern.

In diesem Artikel wird untersucht, warum sich die in einem DFB-Laser datenblatt angegebene Linienbreite erheblich von der in einem realen optischen System gemessenen Linienbreite unterscheiden kann und warum zwei Faktoren-Optisches Feedback und Antriebs strom rauschen-Sollte zu den ersten Dingen gehören, die untersucht werden müssen.

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1. Wie wird die 1 MHz Datenblatt-Linebreite gemessen?

Die auf einem DFB-Laser datenblatt angegebene Linienbreite ist nicht einfach eine Zufallszahl.

Es stellt im Allgemeinen die Leistung dar, die unter sorgfältig kontrollierten experimentellen Bedingungen gemessen wurde, um externe Störungen zu minimieren.

Typische Test bedingungen können umfassen:

Optische Isolation

Der Laser ausgang ist mit einem optischen Isolator mit hoher Isolation verbunden, typischer weise mit einer Isolation von mehr als 40 dB.

Der Zweck besteht darin, zu verhindern, dass reflektiertes Licht in den Laser hohlraum zurückkehrt und das optische Feld des Lasers stört.

Ultra-geräuscharmer Strom antrieb

Eine rausch arme Stromquelle wird verwendet, um Stroms chwankungen zu minimieren.

Die Quelle beschreibt einen typischen Labor zustand von weniger als100 nA aktuelle WelligkeitZusammen mit Präzisions temperatur kontrolle in der Größen ordnung von± 0,001 °C.

Verzögerte Selbst überlagerung messung

Eine gängige Linienbreiten-Messtechnik ist dieVerzögerte Selbst-Überlagerung methode.

Der Laser ausgang ist in zwei optische Pfade aufgeteilt:

• Ein Weg führt durch eine Faser verzögerung von mehreren zehn Kilometern.

• Der andere Pfad verläuft durch einen AOM und ist um ungefähr 80 MHz frequenz verschoben.

• Die beiden Signale werden dann kombiniert und detektiert, um ein Beat-Signal zu erzeugen.

• Das resultierende Leistungs spektrum kann analysiert werden, um die Linienbreite von seiner vollen Breite bei halbem Maximum (FWHM) zu bestimmen.

Schwingungs isolation

Der optische Aufbau wird typischer weise auf einem vibrations isolierten optischen Tisch platziert, um Frequenz schwankungen zu minimieren, die durch mechanische Vibrationen verursacht werden.

Mit anderen Worten, die Datenblatt-Linienbreite ist näher an aBest-Case-Labor wertAls ein garantierter Wert unter beliebigen System bedingungen.

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2. Der erste große Täter: Optisches Feedback

Eine der wichtigsten Ursachen für die Verbreiter ung der DFB-Linien breite istOptisches Feedback, Auch bekannt als ein externer Hohlraum-oder parasitärer Hohlraum-Effekt.

Wenn ein kleiner Teil der Laser ausgabe zurück zum Laser hohlraum reflektiert wird, kann das reflektierte optische Feld das Feld im Laser stören.

Die äußere Reflexion erzeugt effektiv einen zusätzlichen optischen Hohlraum außerhalb des Lasers selbst.

Selbst eine relativ geringe Menge an Feedback kann einen signifikanten Effekt haben.

Nach dem Ausgangs material, wenn der Rückkopplung koeffizient ungefähr erreicht1%, Oder um− 20 dBKann sich die Laser linien breite um ungefähr eine Größen ordnung erweitern.

Ein Nominal:

1 MHz → ungefähr 10 MHz

Änderung kann daher unter ausreichend starker optischer Rückkopplung auftreten.

Aus diesem Grund sollte optisches Feedback eines der ersten Dinge sein, die untersucht werden müssen, wenn ein DFB-Laser eine Linienbreite anzeigt, die wesentlich höher ist als sein Datenblatt wert.

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2.1 Woher kommt das optische Feedback?

In einem realen optischen System kann reflektiertes Licht von vielen Orten stammen.

Gemeinsame Quellen sind:

Reflexionen über Faser verbinder

Selbst häufig verwendete Low-Reflexions-Steck verbinder wieFC/APCSind nicht perfekt reflexion frei.

Die Quelle stellt fest, dass FC/APC-Anschlüsse einen Rendite verlust haben können− 60 dB, Was in besonders sensiblen Anwendungen immer noch relevant sein kann.

Rest reflexionen von optischen Komponenten

Komponenten wie:

• WDM-Geräte

• Optische Isolatoren

• Zirkulatoren

• Sonstige passive optische Komponenten

Kann Rest reflexionen in den optischen Weg einführen.

Fusions spleiße

Fusions spleiße von schlechter Qualität können auch Reflexionen einführen. Die Quelle gibt einen typischen Bereich von ungefähr-40 to-50 dBFür problema tische Verbindungen.

Unbeschichtete optische Oberflächen

Jede Gla sober fläche ohne geeignete Anti reflexions beschichtung kann möglicher weise eine unerwünschte Reflexion erzeugen.

Der wichtige Punkt ist, dass die reflektierte Leistung nicht groß sein muss, um einen Laser mit schmaler Linienbreite zu beeinflussen.

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3. Der zweite große Täter: Fahr strom geräuschen

Der zweite Faktor, der besondere Aufmerksamkeit verdient, istAntriebs strom geräusch.

Die optische Frequenz eines DFB-Lasers ist hoch empfindlich gegenüber seinem Antriebs strom.

Wenn sich der Antriebs strom ändert, ändert sich die Träger dichte im aktiven Bereich. Dies beeinflusst den Brechung index durch träger induzierte Effekte und ändert letztendlich die Ausgangs frequenz, die durch das Gitter mit verteilter Rückkopplung ausgewählt wird.

Dieses Verhalten kann mit dem beschrieben werdenStrom-Frequenz-Abstimm koeffizient:

Ddurch/die

Für einen typischen DFB-Laser gibt die Quelle einen repräsent ativen Abstimmung koeffizienten von ungefähr:

0, 5-3 HV

Die entsprechende Frequenz schwankung kann wie folgt angenähert werden:

D = (dd/dI) × DI

Wo:

• Nicht zutreffendIst die Frequenz schwankung

• Ddurch/dieIst der Strom-Frequenz-Abstimmung koeffizient

• ΔIIst die Antriebs strom schwankung

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3.1 Eine überraschend kleine aktuelle Ripple kann eine Rolle spielen

Betrachten Sie einen DFB-Laser mit einem Strom-Frequenz-Tuning-Koeffizienten von:

1 GHz/mA

Wenn die aktuelle Quelle nur eine RMS-Welligkeit aufweist:

1 μA

Dann:

Δn = 1 GHz/mA × 1 μA  1 MHz;

Daher eine aktuelle Fluktuation von nur1 μA RMS:Kann ca. entsprechen1 MHz der Frequenz schwankungUnter diesen angenommenen Bedingungen.

Dies zeigt, warum die Stromquelle nicht als sekundäre Komponente in einem Lasers ystem mit schmaler Linienbreite behandelt werden kann.

Die Quelle stellt fest, dass typische kommerzielle Laserdioden treiber (LDDs) eine aktuelle Welligkeit in der Größen ordnung von aufweisen können10-100 μADies bedeutet, dass das Antriebs strom rauschen allein möglicher weise erheblich zur Verbreiter ung der Linienbreite beitragen kann.

Für ein System, das auf MHz-Linienbreite abzielt, kann die Qualität des Laser treibers daher genauso wichtig sein wie der Laser chip selbst.

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4. Der physikalische Ursprung der DFB-Laser linien breite

Um zu verstehen, warum DFB-Laser auch unter idealen Bedingungen eine endliche Linienbreite haben, ist es nützlich, mit demSchawlow-Townes-Limit für die Linienbreite.

Die Schawlow-Townes-Gleichung beschreibt die grundlegende quanten begrenzte Linienbreite eines Lasers:

DST = phn(DN) /Schmellen

Wo:

• FTEIst die Schawlow-Townes-Linienbreite

• erIst die Photonen energie

• DNCIst die Hohlraum bandbreite

• SchmellenIst die optische Ausgangs leistung

Die Gleichung zeigt an, dass:

• Eine engere Hohlraum bandbreite kann die grundlegende Linienbreite verringern.

• Eine höhere Ausgangs leistung kann die grundlegende Linienbreite verringern.

Für einen repräsent ativen DFB-Laser mit ca.10 mW Ausgangs leistungUnd eine Hohlraum bandbreite von ca.100 GHzSchätzt die Quelle ein Schawlow-Townes-Limit in derSub-kHz-Bereich.

Dies ist viel schmaler als die MHz-Linienbreite, die üblicher weise bei praktischen Halbleiter lasern beobachtet wird.

Was macht den Unterschied aus?

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5. Henrys Linebreiten-Verbesserungs-Faktor

Ein zentraler Beitrag kommt vonAmplituden-Phasen-KopplungIn Halbleiter lasern.

Träger dichte schwankungen verändern nicht nur die optische Verstärkung und damit die Amplitude des Laser feldes. Sie können auch den Brechung index ändern und Phasen schwankungen erzeugen.

Diese Amplituden-Phasen-Kopplung wird üblicher weise durch dieHenry-Faktor zur Verbesserung der Linienbreite, Α.

Die Linienbreite kann ungefähr ausgedrückt werden als:

Dn = (1 a ·) × DnST

woΑIst der Henry-Faktor zur Verbesserung der Linienbreite.

Die Quelle gibt einen repräsent ativen α-Bereich von ungefähr:

Α ~ 3-6

Deshalb:

1 + α² ≈ 10–37

Dies bedeutet, dass die tatsächliche intrinsische Linienbreite ein bis zwei Größen ordnungen größer sein kann als die ideale Schawlow-Townes-Grenze.

Dies erklärt, warum ein praktischer DFB-Laser eine intrinsische Linienbreite im MHz-Bereich haben kann, obwohl der quanten begrenzte Grund wert möglicher weise viel niedriger ist.

Sobald externe Störungen wie optische Rückkopplung und Strom rauschen hinzugefügt werden, kann die gemessene Linienbreite erheblich weiter zunehmen.

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6. Ein praktisches Beispiel: Von 1 MHz bis 30 MHz

Betrachten Sie einen Vertreter1550 nm DFB-Laser.

Die Quelle liefert die folgende vereinfachte Mess sequenz:

Test zustand	Gemessene Linienbreite	Verbreiter ung
Datenblatt ähnliche Bedingungen: Geräuscharme Schwingungs isolation der optischen Isolation der Stromquelle	~ 1 MHz	1×
Optischer Isolator entfernt; Anschluss reflexion ~-30 dB	~ 5 MHz	5×
Standard-LDD verwendet; aktuelle Welligkeit ~ 10 μA RMS	~ 15 MHz	15×
Vibrations isolation entfernt; Desktop-Umgebung mit Lüfter vibration	~ 30 MHz	30×

Das Beispiel zeigt, wie schnell sich die gemessene Linienbreite verschlechtern kann, wenn wichtige Umwelt kontrollen entfernt werden.

Wichtig ist, dass diese Effekte nicht einfach in jedem realen System linear hinzugefügt werden sollten.

Die Quelle stellt fest, dass das Beispiel die Effekte unabhängig behandelt, während tatsächliche Systeme auftreten könnenNichtlineare Wechsel wirkungen zwischen verschiedenen Rauschen und Rückkopplung mechanismenWas möglicher weise zu noch schlechteren Ergebnissen führt.

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7. Wie sollten Sie ein Linewidth-Budget erstellen?

Sobald die Mechanismen hinter der Verbreiter ung der Linienbreite verstanden sind, sollte das Systemdesign rückwärts von der Datenblatt spezifikation arbeiten.

Die Quelle schlägt ein praktisches Linien budget vor:

Dnsystem = Dnspec × (5-20)

Wo:

• DSSystemsIst das geschätzte System linien budget

• Nicht angegebenIst das Datenblatt in der Breite

• Der5-20 × RandHängt von der optischen Isolation und dem Geräusch pegel der Stromquelle ab.

Zum Beispiel, wenn ein System erfordert:

Linienbreite

Es kann ratsam sein, einen DFB-Laser mit einer angegebenen Linienbreite von:

≤ 2 MHz

Anstatt ein Gerät auszuwählen, das bei 20 MHz angegeben ist.

Der Grund dafür ist, dass die tatsächliche System linienbreite erheblich breiter sein kann als der Datenblatt wert, sobald optische Rückkopplung, elektrisches Rauschen, Vibrationen und andere praktische Faktoren eingeführt werden.

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8. Zwei Dinge, die Sie zuerst überprüfen müssen, wenn die Linienbreite zu breit ist

Wenn ein DFB-Laser mit 1 MHz angegeben ist, Ihre Messung jedoch 10 MHz oder mehr anzeigt, verdienen zwei Bereiche sofortige Aufmerksamkeit.

Check 1: Optisches Feedback

Untersuchen Sie den gesamten optischen Pfad auf unerwünschte Reflexionen.

Achten Sie besonders auf:

• Faser verbinder

• WDMs

• Isolatoren

• Zirkulatoren

• Fusions spleiße

• Unbeschichtete optische Oberflächen

• Externe optische Komponenten

Das Hinzufügen eines geeigneten optischen Isolators und die Verbesserung der Rücklauf verlust leistung können den Einfluss von reflektiertem Licht erheblich verringern.

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Check 2: Antrieb-Aktuelles Rauschen

Messen Sie das tatsächliche Strom rauschen des Laser treibers, anstatt sich nur auf seine Nennstrom genauigkeit zu verlassen.

Bei einem DFB-Laser mit schmaler Linienbreite kann die aktuelle Welligkeit direkt in eine Frequenz modulation über den Strom-Frequenz-Abstimmung koeffizienten des Lasers umgewandelt werden.

Selbst Stroms chwankungen auf Mikroamp-Ebene können daher signifikant werden, wenn die Ziel linienbreite nur wenige MHz beträgt.

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9. Datenblatt Die Linien breite ist eine Referenz-keine Garantie

Einer der häufigsten Fehler beim Design von Lasers ystemen mit schmaler Linienbreite besteht darin, die Datenblatt-Linienbreite als die Linienbreite zu behandeln, die automatisch im endgültigen System erhalten wird.

Ein Datenblatt wert wie z. B.:

„ Linienbreite ≤ 1 MHz“

Sollte stattdessen als Leistungs wert interpret iert werden, der unter bestimmten Mess bedingungen erhalten wird.

Ihr tatsächliches System hat möglicher weise:

• Optische Reflexionen

• Antriebs strom welligkeit

• Temperatur schwankungen

• Mechanische Vibration

• Zusätzliche optische Komponenten

• Unvollkommene Steck verbinder und Spleiße

All dies kann zur endgültigen gemessenen Linienbreite beitragen.

Daher ist die richtige Frage nicht einfach:

"Was ist die Linienbreite dieses DFB-Lasers?"

Sondern:

"Welche Linienbreite kann ich von diesem DFB-Laser in meinem kompletten System erwarten?"

Diese Unterscheidung ist entscheidend beim Entwurf optischer Quellen mit schmaler Linienbreite.

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10. Schluss folgerung

Ein DFB-Laser spezifiziert bei1 MHz LinienbreiteKann eine gemessene Linienbreite von zeigen10 MHz oder sogar zehn MHzIn einem praktischen System, ohne notwendiger weise anzuzeigen, dass der Laser chip oder das Messi strum ent defekt ist.

Die wichtigsten Faktoren, die zuerst untersucht werden müssen, sind:

1. Optisches Feedback

Selbst relativ kleine Reflexionen können den Laser hohlraum stören und die Linienbreite verbreitern.

2. Antriebs strom geräusch

Da die DFB-Laser frequenz empfindlich gegenüber Antriebs strom ist, kann die aktuelle Welligkeit in eine Frequenz modulation umgewandelt werden und direkt zur Verbreiter ung der Linienbreite beitragen.

Über diese beiden Faktoren hinaus wird die intrinsische Halbleiter-Laser-Linienbreite auch durch Amplituden-Phasen-Kopplung beeinflusst, die durch den Henry-Linienbreiten verbesserung faktor beschrieben wird.

Die wichtigste Ingenieurs tunde ist:

Behandeln Sie die Datenblatt linie als Best-Case-Referenz und nicht als garantierten Leistungs wert auf Systemebene.

Reservieren Sie beim Entwerfen eines DFB-Lasers ystems mit schmaler Linienbreite einen ausreichenden Linienbreiten rand, minimieren Sie die optische Rückkopplung, verwenden Sie einen rausch armen Strom treiber und steuern Sie mechanische und thermische Störungen.

Für das praktische Systemdesign empfiehlt die Quelle, die tatsächliche System linien breite auf ungefähr zu budget ieren5-20 mal die Datenblatt spezifikationAbhängig von der optischen Isolation und der Stromquellen-Rausch leistung.

Ein 1 MHz DFB-Laser wird nicht unbedingt zu einem „ schlechten “10-MHz-Laser.

Manchmal sagt Ihnen der Laser einfach, dass der Rest des Systems überprüft werden muss.