Misure di spettro ottico

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1 Caratteristiche dell Misure di spettro ottico F. Poli 23 aprile 2008

2 Caratteristiche dell Outline 1 Analizzatore di spettro ottico (OSA) 2 3 Caratteristiche dell

3 Caratteristiche dell Analisi spettrale Analisi dello spettro ottico: misura della potenza ottica in funzione di λ. Analizzatore di spettro ottico (OSA): strumento per la misura della potenza ottica versus λ; formato da un filtro passabanda tunabile e un power meter. Filtro tunabile: interferometro Fabry-Perot; interferometro di Michelson; reticolo di diffrazione.

4 Caratteristiche dell Analizzatore di spettro ottico (OSA) Funzionamento: luce incidente attraversa un filtro ottico tunabile in λ risolve le componenti spettrali individuali

5 Caratteristiche dell Analizzatore di spettro ottico (OSA) Funzionamento: il fotorivelatore converte il segnale ottico in corrente elettrica proporzionale alla potenza ottica incidente

6 Caratteristiche dell Analizzatore di spettro ottico (OSA) Funzionamento: l amplificatore a transimpedenza trasforma la corrente in tensione, successivamente digitalizzata segnale digitale applicato al display per l asse verticale (potenza)

7 Caratteristiche dell Analizzatore di spettro ottico (OSA) Funzionamento: il generatore di rampa determina la posizione orizzontale della traccia, e effettua il tuning del filtro ottico (λ centrale proporzionale alla posizione orizzontale).

8 Caratteristiche dell Analizzatore di spettro ottico (OSA) Risultato: traccia della potenza ottica in funzione della lunghezza d onda.

9 Caratteristiche dell OSA con interferometro Fabry-Perot (FP) Interferometro FP: due specchi paralleli altamente riflettenti cavità risonante filtraggio della luce incidente; tuning di λ cambiando la spaziatura degli specchi o ruotando l interferometro rispetto al fascio di input.

10 Caratteristiche dell OSA con interferometro Fabry-Perot (2) Risoluzione dell OSA con FP: coefficiente di riflessione degli specchi; spaziatura tra gli specchi. Vantaggi: elevata risoluzione spettrale; semplicità di fabbricazione. Svantaggi: banda passante ripetuta periodicamente in λ: separazione tra bande passanti = free spectral range; specchi molto spaziati migliore risoluzione, ma piccolo free spectral range filtro in cascata.

11 Caratteristiche dell OSA con interferometro di Michelson Interferometro di Michelson: segnale di ingresso diviso in 2 percorsi: lunghezza fissa e lunghezza variabile; figura di interferenza (= interferogramma) al ricevitore tra segnale e segnale ritardato;

12 Caratteristiche dell OSA con interferometro di Michelson (2) OSA con interferometro di Michelson: misure dirette di lunghezza di coerenza; spettro di potenza ottenuto con trasformata di Fourier sull interferogramma; risoluzione determinata dal path-length delay usato per creare l interferogramma. Vantaggi: elevata accuratezza in λ. Svantaggi: non adatto in applicazioni per cui è necessario un vero filtro passabanda; range dinamico ridotto a causa dello shot noise.

13 Caratteristiche dell Reticolo di diffrazione: specchio con linee corrugate finemente spaziate sulla superficie = array di riflettori equidistanti (10 3 riflettori/mm); spaziatura tra i riflettori dell ordine di λ considerata; luce diffratta con angolo proporzionale a λ; interferenza costruttiva solo in direzioni specifiche differenti λ della luce separate.

14 Caratteristiche dell (2) Funzionamento: luce della fibra in ingresso collimata (= raggi paralleli) sul reticolo di diffrazione; luce separata in diversi angoli in funzione di λ; luce diffratta dal reticolo focalizzata sull apertura di uscita; reticolo ruotato per selezionare la λ che raggiunge il rivelatore ottico;

15 Caratteristiche dell (4) Componenti ottici: apertura di ingresso; ottica di collimazione; reticolo di diffrazione; ottica di focalizzazione; apertura di uscita; rivelatore.

16 Caratteristiche dell Monocromatore Spettrometro: strumento (apertura di ingresso + reticolo di diffrazione + apertura di uscita) in grado di separare la luce in ingresso nelle diverse componenti spettrali + rivelatore per registrare lo spettro. Monocromatore: spettrometro privo di rivelatore (con uscita ottica); porzione ottica dell OSA; filtro ottico tunabile.

17 Caratteristiche dell Componenti ottici: apertura di ingresso Funzione: permettere l ingresso della luce nel monocromatore. Definisce la larghezza spaziale dell immagine di ingresso. Insieme ad altri componenti, definisce la risoluzione in λ del sistema. Se di dimensioni ridotte... migliore risoluzione in λ; ridotto throughput ottico (= numero di fotoni) al rivelatore. Nei moderni OSA è solitamente una fibra ottica singolo-modo o multi-modo.

18 Caratteristiche dell Componenti ottici: ottica di collimazione Funzione: raccogliere dall apertura di ingresso il fascio divergente e collimarlo per formare un onda piana per illuminare il reticolo di diffrazione. Solitamente si utilizza uno specchio concavo o una lente, con l apertura di ingresso posizionata nel punto focale. Necessità di: minimizzare l introduzione di aberrazioni ottiche nel monocromatore; ottimizzare il comportamento sul range di λ desiderato dello strumento.

19 Caratteristiche dell Componenti ottici: ottica di collimazione (2) Parametri importanti: riflettività (specchio) o trasmittività (lente) maggiore possibile; lunghezza focale (= aberrazione cromatica) indipendente da λ (specchio o lenti multi-elemento); dimensione del fascio collimato maggiore possibile per un elevata risoluzione in λ (grande lunghezza focale, specchi grandi più economici di lenti grandi); prestazioni al limite di diffrazione. Qualità del sistema di collimazione + prestazione del reticolo di diffrazione risposta di filtraggio del monocromatore.

20 Caratteristiche dell Componenti ottici: ottica di collimazione (3)

21 Caratteristiche dell Componenti ottici: ottica di collimazione (4) Fascio collimato incidente sulla lente focalizzato in un piccolo spot. Larghezza minima del fascio raggiunta nel punto focale diffraction-limited spot-size w 0. Diffraction-limited spot-size Minimo spot-size ottenibile con l intera lente illuminata da un onda piana: w 0 = 2λ f π d w 0 raggio dello spot a 1/e, λ lunghezza d onda, f lunghezza focale e d diametro della lente. Esempio: d = 5 cm, f = 30 cm, λ = 1550 nm w 0 = 6 µm Aberrazioni causano aumento del minimo spot-size.

22 Caratteristiche dell Componenti ottici: reticolo di diffrazione Elemento riflettivo formato da un substrato e da un rivestimento riflettente con perturbazioni periodiche. Funzione: riflettere la luce ad un angolo proporzionale a λ. Tuning effettuato cambiando l angolo con cui la luce incide sul reticolo. Equazione generale: nλ = d(sin β sin α) λ lunghezza d onda (in aria), d spaziatura del reticolo, α angolo di incidenza rispetto alla normale al reticolo, β angolo di riflessione, n ordine dello spettro.

23 Caratteristiche dell Componenti ottici: reticolo di diffrazione (2)

24 Caratteristiche dell Reticolo di diffrazione: funzionamento Luce colpisce le linee riflettenti del reticolo. Ogni linea del reticolo causa diffrazione della luce con un angolo compreso in un range di valori. Per una data λ, esiste un angolo a cui le onde diffratte sono sfasate di λ (n = 1) e interagiscono costruttivamente in un fronte d onda parallelo. Luce a una certa λ lascia il reticolo ad un angolo specifico. Forma di ciascuna linea del reticolo determina l efficienza complessiva del fascio diffratto rispetto alla potenza di quello incidente.

25 Caratteristiche dell Reticolo di diffrazione: funzionamento (2) Ordine di diffrazione n: n = 0 α = β: fascio diffratto di ordine zero, non separato in differenti λ non usato nell OSA. n = 1, β = β 1 e raggi diffratti sfasati di 1 λ: fascio diffratto del primo ordine; n = 2, β = β 2 e raggi diffratti sfasati di 2 λ: fascio diffratto del secondo ordine.

26 Caratteristiche dell Reticolo di diffrazione: funzionamento (3) Condizione di Littrow: speciale orientazione del reticolo di diffrazione: λ di interesse diffratta lungo il percorso del fascio incidente. nλ = 2d sin θ, con θ = β = α.

27 Caratteristiche dell Reticolo di diffrazione: divergenza del fascio Onda piana diffratta formata ad un singolo angolo con interferenza costruttiva tra linee adiacenti del reticolo. Fascio diffratto occupa un range limitato di angoli. Fronte d onda diffratto leggermente divergente, anche per fascio di ingresso monocromatico. Angolo di divergenza del fascio diffratto: λ β min = (1) Nd cosβ β min angolo di divergenza del fascio diffratto per luce monocromatica, N numero di linee illuminate sul reticolo. Limite fondamentale sulla larghezza del filtro di OSA basati sul reticolo di diffrazione! Risoluzione limitata dal diametro del reticolo illuminato rispetto a λ.

28 Caratteristiche dell Reticolo di diffrazione: dispersione Dispersione: misura di quanti gradi il fascio diffratto ruota per un dato cambiamento della λ di ingresso. D = β λ = n [rad/m] (2) d cosβ Dispersione del reticolo di diffrazione è funzione di λ. Risoluzione ottica del monocromatore cambia con λ correzioni in alcuni OSA.

29 Caratteristiche dell Reticolo di diffrazione: risoluzione Equazione 1: Estensione angolare del fascio diffratto per una sorgente monocromatica in ingresso. λ β = Nd cosβ Minima risoluzione in λ: Equazione 2: Velocità con cui l angolo del fascio cambia con λ. n β = λ d cosβ λ min = λ Nn λ lunghezza d onda, N numero di linee del grating illuminate, n ordine di diffrazione.

30 Caratteristiche dell Reticolo di diffrazione: efficienza Dipende da: angoli di diffrazione; geometria delle linee del reticolo; rivestimento del reticolo; polarizzazione.

31 Caratteristiche dell Componenti ottici: ottica di focalizzazione Funzione: raccogliere la luce diffratta dal reticolo e proiettarla sull apertura di uscita. Funzione inversa dell ottica di collimazione. Implementazione semplice: analoga all ottica di collimazione, ma utilizzata in direzione opposta.

32 Caratteristiche dell Componenti ottici: ottica di focalizzazione (2) Lente di focalizzazione: converte i diversi angoli diffratti dal reticolo di diffrazione in spot sul piano focale. Piano focale del monocromatore: piano definito dagli spot dovuti a due sorgenti monocromatiche all ingresso del monocromatore.

33 Caratteristiche dell Componenti ottici: apertura di uscita Funzione: filtrare spazialmente la luce diffratta dal reticolo. Posta sul piano focale del monocromatore. Sul piano focale luce distribuita spazialmente a seconda di λ filtraggio spaziale della luce ne seleziona lo spettro possibilità di modificare la risoluzione. Realizzata con apertura modificabile o con serie di aperture per ottenere la risoluzione desiderata. apertura piccola selezionata solo piccola porzione dello spettro risoluzione ottica elevata. Possibilità di migliorare la risoluzione diminuendo la dimensione dell apertura di uscita fino al limite dovuto al reticolo di diffrazione, non oltre.

34 Caratteristiche dell Rivelatore Funzione: convertire l energia luminosa selezionata in energia elettrica per ulteriore processing o per visualizzazzione/memorizzazione. Tipicamente è un fotorivelatore a semiconduttore. Necessità di funzionamento sull intero range di interesse in λ rivelatori InGaAs. Larghezza di banda dell amplificatore a valle del rivelatore influenza sensitivity e sweep time dell OSA.

35 Caratteristiche dell OSA con monocromatore singolo Riassumendo... Elementi chiave per la larghezza di banda del filtro passabanda del monocromatore: apertura di ingresso: fibra ottica singolo- o multi-modo; apertura di uscita: semplice apertura o fibra ottica; numero di linee illuminate sul reticolo di diffrazione. Alta qualità dell ottica di focalizzazione spot di uscita piccolo e privo di aberrazioni. Funzione finale del filtro = convoluzione dell immagine di uscita con la funzione dell apertura di uscita. Larghezza di banda di circa 0.1 nm a 1550 nm ottenibile in un monocromatore singolo.

36 Caratteristiche dell Esercizio: risoluzione di un monocromatore singolo Dati: Ingresso con fibra singolo-modo; lente di collimazione con diametro di 5 cm e lunghezza focale di 20 cm; reticolo di diffrazione con 1000 linee/mm operante al primo ordine in condizione di Littrow; λ = 1550 nm.

37 Caratteristiche dell Criticità del monocromatore singolo Monocromatore singolo Filtraggio in λ con singolo passaggio sul reticolo di diffrazione: selettività non sufficiente per alcune applicazioni; selettività migliore con dimensione maggiore del reticolo di diffrazione e del fascio collimato; problema: dimensione dello strumento; prestazioni di stopband limitate per imperfezioni del reticolo di diffrazione e luce scatterata all interno. Soluzione: 2 monocromatori in cascata.

38 Caratteristiche dell Monocromatore doppio

39 Caratteristiche dell Monocromatore singolo vs doppio Monocromatore doppio equivalente a una coppia di filtri tunabili. Vantaggi: Migliore range dinamico. Svantaggi: Larghezza ridotta dello span per limitazioni nel matching del tuning tra i due monocromatori. Sensitivity degradata per le perdite nei monocromatori.

40 Caratteristiche dell Monocromatore double-pass

41 Caratteristiche dell Monocromatore double-pass (2) Monocromatore double-pass: doppio passaggio nello stesso reticolo di diffrazione (in configurazione di Littrow) e ottica di collimazione. Vantaggi del monocromatore singolo: sensitivity e dimensione + Vantaggi del monocromatore doppio: range dinamico

42 Caratteristiche dell Funzionamento del monocromatore double-pass Primo passaggio simile a quello dei convenzionali sistemi a singolo monocromatore. Luce filtrata dall apertura di uscita rimandata all elemento di collimazione e al reticolo di diffrazione per un secondo passaggio. Processo di dispersione temporale invertito durante il secondo passaggio attraverso il monocromatore. Piccola immagine risultante permette la focalizzazione della luce su una fibra (= seconda apertura di uscita) che porta il segnale al rivelatore.

43 Caratteristiche dell Funzionamento del monocromatore double-pass (2) Dimensione dello spot all uscita del monocromatore indipendente dalla dimensione dell apertura che determina la risoluzione uso di un piccolo rivelatore per tutti i setting della larghezza di banda. Vantaggio: corrente di buio del rivelatore proporzionale alla dimensione miglior sensitivity del rivelatore.

44 Caratteristiche dell Meccanismo di tuning di λ nell OSA Tuning di λ: controllato dalla rotazione del reticolo di diffrazione; per ogni angolo, λ corrispondente focalizzata al centro dell apertura di uscita; rotazione del reticolo per lo sweep in λ (λ iniziale e finale determinate da angolo iniziale e finale del reticolo); per tuning accurato, preciso controllo dell angolo del reticolo di diffrazione e ripetibilità nel tempo.

45 Caratteristiche dell Accuratezza in λ Larghezza di banda del filtro: diametro del fascio ottico incidente sul reticolo di diffrazione; dimensione dell apertura all ingresso e all uscita del sistema ottico; limitata a nm per le dimensioni fisiche dell OSA (strumento portatile). Accuratezza assoluta della misura di λ accuratezza del posizionamento del reticolo di diffrazione; stabilità ambientale dell apparato monocromatore.

46 Caratteristiche dell Resolution bandwidth Risoluzione in λ: capacità dell OSA di visualizzare distinti due segnali con una piccola separazione. Determinata dalla larghezza di banda del filtro ottico. Resolution bandwidth: descrive la larghezza del filtro ottico nell OSA, dipende da: risoluzione del reticolo; dimensione dell apertura di ingresso e di uscita; qualità dei componenti ottici; numero di passaggi sul reticolo di diffrazione (monocromatore doppio con filtro a fronti più netti).

47 Caratteristiche dell Resolution bandwidth (2)

48 Caratteristiche dell Resolution bandwidth (3) Filtri selezionabili nell OSA con banda tra 0.1 e 10 nm: scelta della risoluzione appropriata nelle diverse misure. Forma del filtro dello strumento = convoluzione della forma dell immagine e della forma dell apertura di uscita: apertura di uscita più larga delll immagine: banda passante dominata dalla larghezza dell apertura; risoluzione minima ottenuta con apertura e immagine approssimativamente della stessa dimensione; apertura di uscita di dimensione ulteriormente ridotte: aumento delle perdite di inserzione del filtro. Forma del filtro è importante per alcune misure (ad es., side-mode suppression nei laser DFB) e influenza le misure del livello di rumore.

49 Caratteristiche dell Range dinamico Range dinamico: capacità dell OSA di misurare contemporaneamente segnali piccoli e grandi nello stesso sweep; determinato principalmente dalla forma e dalle prestazioni di stopband del filtro tunabile; ottimizzato se risposta del filtro con fronti ripidi e profonde stopband; fronti del filtro molto più ripidi nel monocromatore doppio maggiore range dinamico per la misura di componenti spettrali deboli situate molto vicine a una componente spettrale grande; luce scatterata all interno del monocromatore limita le prestazioni di stopband del filtro.

50 Caratteristiche dell Range dinamico (2) Range dinamico comunemente specificato ad un offset di 0.5 nm e 1 nm dalla risposta principale. Esempio: Range dinamico di -60 db specificato a 1 nm e oltre = risposta dell OSA a un segnale monocromatico puro è -60 dbc o meno ad un offset di 1 nm e oltre.

51 Caratteristiche dell Esempio 1: laser DFB Esempio: Laser DFB misurato con un monocromatore singolo, doppio o double-pass. Importanza della resolution bandwidth, della forma del filtro e del range dinamico dell OSA per le misure di laser DFB. Monocromatore singolo spesso non presenta un filtro con fronti sufficientemente ripidi per misurare i modi longitudinali a bassa potenza adiacenti al picco principale.

52 Caratteristiche dell Esempio 1: laser DFB (2)

53 Caratteristiche dell Esempio 2: sistema DWDM Esempio: Misura di SNR in un sistema DWDM con 4 canali spaziati di 1.6 nm. Per la caratterizzazione di canali con spaziatura di 0.8 nm il monocromatore deve avere buone prestazioni di stopband e fronti ripidi range dinamico desiderato almeno 40 db a un offset di 40 nm.

54 Caratteristiche dell Esempio 2: sistema DWDM (2)

55 Caratteristiche dell Sensitivity Sensitivity: minimo segnale rilevabile dall OSA; definita come 6 rms del livello di rumore dello strumento; determinata da: perdite nel monocromatore; sensitivity del rivelatore ottico a valle del monocromatore; resolution bandwidth NON influenza la sensitivity; larghezza del filtro NON influenza la sensitivity.

56 Caratteristiche dell Sensitivity (2) Meccanismo dominante di perdita per il monocromatore = efficienza del reticolo di diffrazione. Possibilità di ottimizzare la forma delle linee del reticolo di diffrazione per le λ di interesse per l OSA. Per le bande delle telecomunicazioni in fibra ottica (1300 nm, 1550 nm) rivestimento in oro del reticolo di diffrazione per aumentare l efficienza. Perdite per un signolo passaggio nel monocromatore comprese tra 3 e 8 db.

57 Caratteristiche dell Video bandwidth Video bandwidth: stretto legame con la sensitivity dell OSA; controlla la quantità di rumore presente nell elettronica di ricezione: corrente di buio del rivelatore; larghezza di banda e contributo di rumore dell elettronica di amplificazione.

58 Caratteristiche dell Sweep time Sweep time: limitato dalla massima velocità di tuning del monocromatore, per sweep veloci e bassa sensitivity; all aumentare della sensitivity, la larghezza di banda del rivelatore video diminuisce (aumenta il guadagno dell amplificatore a transimpedenza) aumento dello sweep time (= inversamente proporzionale alla video bandwidth). video bandwidth digitali variabili con continuità migliorano lo sweep time per sweep a sensitivity elevata: implementazione di filtraggio video digitale più veloce; possibilità di scelta della video bandwidth con alta precisione.

59 Caratteristiche dell In laboratorio: AQ-6315A

60 Caratteristiche dell In laboratorio: AQ-6315A (2)