Sorgenti a larga banda

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1 Sorgenti a larga banda F. Poli 28 aprile 2008

2 Outline Lampada al tungsteno 1 Lampada al tungsteno 2 3 4

3 Sorgenti a larga banda Caratteristiche: densità spettrale (= potenza nell unità di banda); range di lunghezza d onda; smoothness spettrale; stabilità temporale della potenza; stato di polarizzazione; sensibilità alle riflessioni; costo. Sorgenti disponibili: radiazione di corpo nero da una lampada al tungsteno; emissione spontanea amplificata da un edge-emitting LED; emissione spontanea amplificata da un amplificatore ottico; supercontinuum generation.

4 Sorgente con lampada al tungsteno Lampada al tungsteno accoppiata in fibra solitamente usata come sorgente di rumore nelle misure riguardanti fibre ottiche. Densità spettrale di potenza accoppiata in fibra legata solo dalla temperatura del filamento.

5 Sorgente con lampada al tungsteno (2) Massima densità spettrale di potenza da un radiatore di corpo nero per ciascun modo della fibra: Formula di radiazione di Siegman S ν = hνǫ e hν/kt 1 [W/Hz] con costante di Planck h = Ws 2 e di Boltzmann k = Ws/K, emittività del tungsteno ǫ 0.3, frequenza ν [Hz], temperatura T [K ].

6 Esempio: densità spettrale di potenza Esempio: T = 3000 K ; ǫ 0.33; ν = c/λ = 231 THz, equivalente a λ = 1300 nm; dν = 178 GHz per una banda ottica di 1 nm. Si ottiene S ν = 0.46 nw/nm = 63.4 dbm/nm

7 Accoppiamento della lampada in fibra Fibra singolo-modo: densità spettrale di potenza accoppiata maggiore di 3 db rispetto al calcolo con S ν, per la propagazione di 2 modi ortogonali. Fibra multi-modo: possibilità di accoppiare una densità spettrale di potenza molto più elevata. Per migliorare l accoppiamento, si modifica: temperatura: se T aumenta da 2700 K a 3300 K (tungsteno), S ν cresce di 1.8 db, ma il tempo di vita della lampada diminuisce di un fattore 10; emittività; diametro del core della fibra.

8 Per maggiore densità spettrale di potenza: LED EELED Struttura: amplificatore ottico a semiconduttore (SOA); assorbitore sull uscita non utilizzata; guida ottica per l intera lunghezza.

9 Funzionamento EELED Amplificatore ottico polarizzato in diretta dalla corrente. Per ottenere guadagno, elettroni eccitati dalla banda di valenza a quella di conduzione con la corrente elettrica. In assenza di segnale, decadimento di una parte dei portatori eccitati al livello energetico inferiore, con produzione di fotoni di emissione spontanea (in direzioni casuali, con λ derivante dal bandgap del semiconduttore). Piccola frazione dei fotoni emessi spontaneamente (0.1%) catturati dalla guida ottica. Propagazione dei fotoni verso l uscita dell amplificatore, stimolando la generazione di altri fotoni con la stessa direzione, frequenza, fase e polarizzazione.

10 Funzionamento EELED (2) Desiderabile uscita di rumore prodotta da un singolo passaggio nell amplificatore: riflessioni multiple nel LED, o tra LED e ottica di accoppiamento, possono degradare la smoothness spettrale della sorgente, o, nel peggiore dei casi, causare il laseramento; Assorbitore polarizzato in inversa per eliminare ogni riflessione della luce dall interfaccia. Rivestimento antiriflettente sul lato di uscita per aumentare la trasmissione in fibra e ridurre la riflettività della transizione guida-aria, solitamente del 30%. Guida angolata in uscita per sopprimere le riflessioni multiple.

11 Densità spettrale di potenza di EELED Esempio SOA con 15 db di guadagno netto centrato a 1550 nm; densità spettrale di potenza con massimo di -30 dbm/nm e FWHM di 55 nm.

12 Densità spettrale di potenza di EELED (2) Larghezza spettrale limitata degli amplificatori ottici. Engineering dello spettro di guadagno dei SOA: centrato nel range nm. Possibilità di connettere le uscite di diversi amplificatori ottici con spettro di guadagno shiftato.

13 Sorgenti di Emissione Spontanea Amplificata (ASE) Densità spettrale di potenza più elevata con amplificatori in fibra, ma solo su range di λ modesti rispetto alle lampade al tungsteno.

14 Sorgenti di ASE (2) Funzionamento: Amplificatore in fibra pompato per ottenere guadagno. In assenza di segnale in ingresso, amplificazione dell emissione spontanea (ASE). Estrazione efficiente di potenza ASE dall amplificatore con riflettore al 100% al suo ingresso, ma narrowing spettrale della sorgente e possibilità di laseramento in presenza di riflessioni indesiderate. Guadagno ai piccoli sengali fino a 40 db ottenibile in amplificatori ottici single-pass.

15 Densità spettrale di potenza di sorgente ASE Densità spettrale di rumore per modo S ν = F(G 1)hν con guadagno dell amplificatore G, fattore di rumore F = N 2 N 1 N 2, densità di popolazione del livello fondamentale N 1 ed eccitato N 2. F dipende da λ di pompa e segnale, F > 2 per EDFA.

16 Densità spettrale di potenza di sorgente ASE (2) Esempio Considerando: G = 20 db e F = 2, la densità di potenza per una singola polarizzazione a 1550 nm è -25 dbm/nm, +37 db rispetto alla lampada al tungsteno. Densità spettrale di una sorgente ASE a 1550 nm -48 dbm/nm (hν) + figura di rumore [db] + guadagno [db]

17 EDFA come sorgente ASE EDFA, pompato a 980 nm o 1480 nm, conveniente sorgente ASE per la connessione diretta a sistemi in fibra singolo-modo con basse perdite. Esempio G dell amplificatore???

18 EDFA come sorgente ASE (2) Isolatore ottico usato spesso in uscita dall amplificatore per ridurre la sensibilità alle riflessioni e aumentare le return loss di uscita. Riflessioni di ritorno nell EDFA con effetti negativi: 1 possibile laseramento in combinazione con le riflessioni interne; 2 in caso di riflessioni interne molto basse, riduzione della potenza di uscita dell ASE per la saturazione di guadagno nella direzione inversa all amplificazione. Sorgenti ASE con EDFA relativamente depolarizzate: emissione spontanea iniziale casualmente polarizzata.

19 Sorgenti a larga banda: confronto Lampada Parametro tungsteno EELED ASE λ centrale (nm) broadband materiale 1550 (EDFA) Larghezza spettrale (nm) infrarosso Picco densità spettrale in fibra SM (dbm/nm) Potenza totale (fibra SM) 1 µw 100 µw 1-10 mw Polarizzazione 0% 20-60% <5% Sensibilità a riflessione assente moderata bassa (isolamento) Costo basso moderato elevato

20 Sorgente Supercontinuum Generation (SC) Caratteristiche: elevata potenza di uscita; spettro ampio e piatto; alto grado di coerenza spaziale elevato focusing possibile. Vantaggi: miglioramento del rapporto segnale-rumore; riduzione del tempo di misura; allargamento del range spettrale di misura in applicazioni quali misura di attenuazione di fibre e componenti, interferometria, spettroscopia, ecc.

21 Sorgente Supercontinuum Generation (2) Formata da: laser impulsato; mezzo nonlineare. Funzionamento combinazione di effetti nonlineari (SPM, Raman scattering,...) allarga la radiazione laser a banda stretta in uno spettro continuo, senza rovinare la coerenza spaziale della luce laser; forte dipendenza degli effetti nonlineari coinvolti dalla dispersione del mezzo nonlineare (spettri più ampi ottenuti con impulsi di pompa lanciati vicino allo zero di dispersione del mezzo nonlineare) forma spettrale e stabilità.

22 Supercontinuum Generation Fattori fondamentali: dispersione rispetto alla lunghezza d onda di pompa; durata dell impulso; potenza di picco dell impulso. Fibre ottiche per SC: altamente nonlineari; particolari caratteristiche di dispersione. Laser per SC: laser fs Ti:Sapphire con λ 800 nm; laser ns e ps con λ 1060 nm.

23 Influenza sullo spettro dei fattori fondamentali Esempio: fibra altamente nonlineare (core di 2.5 µm); D 50 ps/km nm a 800 nm; D 0 ps/km nm a circa 900 nm. laser mode-locked Ti:Sapphire; impulsi con durata 100 fs e larghezza 20 nm alla frequenza di ripetizione di 76 MHz.

24 Influenza sullo spettro dei fattori fondamentali Esempio: fibra altamente nonlineare (core di 2.5 µm); D 50 ps/km nm a 800 nm; D 0 ps/km nm a circa 900 nm. laser mode-locked Ti:Sapphire; impulsi con durata 100 fs e larghezza 20 nm alla frequenza di ripetizione di 76 MHz.

25 Supercontinuum Generation e PCFs Photonic Crystal Fibers (PCFs) altamente nonlineari; dispersion engineering; zero di dispersione nel range del laser fs Ti:Sapphire.

26 Esempi di PCFs

27 Dispersione nelle PCFs

28 Dispersion engineering nelle PCFs

29 Dispersion engineering nelle PCFs (2)

30 Esempio: SC set-up

31 Esempio: SC con pompaggio in regione anomala

32 Applicazioni delle sorgenti SC Testing dei dispositivi fotonici: misura delle proprietà ottiche di guide e fibre ottiche in banda S, C, L e a 1310 nm. Tomografia ottica coerente (OCT): sorgente singolo-modo, a larga banda e alta potenza necessaria per elevata risoluzione spaziale e velocità di scansione nella direzione trasversa e longitudinale; Spettroscopia: acquisizione veloce di dati su campioni di piccolo volume in biologia, chimica, medicina, fisica o monitoraggio ambientale (grazie all elevata coerenza spaziale, possibilità di focalizzare la luce in un piccolo spot, o collimarla in uno stretto fascio).

33 Confronto con sorgenti a larga banda tradizionali Potenza totale: ASE: 13 mw (+11 dbm); SLEDs: 160 µw (-8 dbm); Lampada incandescente: 3 µw (-25 dbm); SC: 2 mw (+3 dbm).

34 In laboratorio: sorgente a larga banda