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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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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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Ende
Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit.
Yokogawa Deutschland GmbH
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