Pulsiert der Laser, ¨andert sich die Ausgangsleistung mit der Zeit P (t) und f¨ur das Ausgangssignal einer Schwebungspulsation – h¨ohere Harmonische k¨onnen hier ver- nachl¨assigt werden – schreibt man

P (t) = P0+ P1cos (Ω0t + Φ(t)) . (5.4)

Hier ist P0 ist der Gleichsignalanteil und P1die Leistung bei der Pulsationsfrequenz Ω0.

Die Phase der freien Selbstpulsation Φ(t) ist stark verrauscht und die Auswirkungen des Amplitudenrauschens (z.B verursacht durch das relative Intensit¨atsrauschen des Lasers (RIN)) auf die Phase Φ(t) sind gering, so dass wir auf einen zus¨atzlichen Term in der oben stehenden Gleichung verzichten. Wie sich in experimentellen Messungen zeigen wird, kann der Einfluss der Amplitudenmodulation auf die Phasenlage der Pulsation vernachl¨assigt werden. Erst f¨ur den Fall der Synchronisation der Selbstpulsation auf ein Datensignal kommt es zur Beeinflussung der Phasenlage durch starke Modulation der Amplitude.

Spektrum: Die Phasenschwankungen der Selbstpulsation k¨onnen als momentane ¨Ande- rung der Kreisfrequenz aufgefasst werden. Die spektrale Leistungsdichte des Ausgangs- signals S1(Ω) bei der Grundfrequenz Ω0 erh¨alt man durch Fouriertransformation der

39.6 39.8 40 40.2 40.4 Frequenz / GHz re l. H F- Le is tu n g / 1 0 d B /d iv . Messung Lorentz-Fit

1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8 1E+9

Frequenz Offset / Hz re l. H F- Le is tu n g / 1 0 d B /d iv . Messung Lorentz-Fit

Abbildung 5.10: Freie Selbstpulsation bei 40 GHz in linearer (a) und logarithmischer Auftragung ¨uber der Frequenz f sowie die nach Gl. 5.5 angepassten Kurven.

Autokorrelationsfunktion (Herleitung Anhang C). Geht man von einem Frequenzrau- schen mit weißem Spektrum aus, gilt

S1(f ) = δf1 ¡f2+ (δf

1/2)2

¢. (5.5)

Abb. 5.10 zeigt die am HF-Analysator gemessene 40 GHz Selbstpulsation eines AFL (Idf b = 70 mA, Ip = 0 mA und Ia= 0 mA) in linearer und logarithmischer Auftragung ¨uber der Frequenz. Die experimentellen Kurven wurden mit Gl. 5.5 angepasst. Die bestm¨ogliche Anpassung erh¨alt man f¨ur eine Linienbreite von δf1=5 MHz.

Linienbreite: Die Linienbreite ist ein Maß f¨ur die zuf¨alligen Prozesse wie spontane

Emission und Schrotrauschen, welche zu Variation des Brechungsindexes und des op- tischen Gewinns f¨uhren [126]. Die Linienbreite der Selbstpulsation resultiert aus den Linienbreiten der miteinander schwebenden Lasermoden. Im Unterschied zur Linien- breite der Lasermoden wird die Linienbreite der Pulsation nicht durch den αH-Faktor beeinflusst, da die spontanen Emissionsprozesse der Schwebungsmoden ¨uber Variati- on der Ladungstr¨agerdichte gekoppelt sind. Weil die Linienbreite einer Lasermode von (1 + α2

H) abh¨angt [74], ist sie um diesen Faktor gr¨oßer als die Linienbreite der freien Schwebungspulsation. Dieser Zusammenhang konnte durch Messungen belegt werden, denn die mit einem Homodyn-Verfahren [100] bestimmten Linienbreiten der optischen Moden lagen im Bereich von 20 MHz bis 40 MHz.

Jitter: Der absolute zeitliche Jitter der Selbstpulsation – das Abweichen der momenta-

nen Zeitlage von der mittleren Zeitlage – wird neben dem zeitlichen Jitter, der durch Effekte wie spontane Emission und Schrotrauschen eingebracht wird, durch zus¨atzliche

thermische Instabilit¨aten und ”man made noise” wie elektromagnetischen St¨orungen bestimmt. Bei der Erzeugung von Selbstpulsationen mit geringer Linienbreite ist eine pr¨azise Temperaturregelung sowie eine gute elektromagnetische Abschirmung des La- sers wichtig. Um die Auswirkungen elektromagnetischer St¨orungen auf die Selbstpul- sation zu eliminieren, wurden die Laser in einem zus¨atzlichen Metallgeh¨ause platziert. Eventuelle St¨orsignale, welche ¨uber die Kabel zur Stromversorgung und Temperatur- regelung zum Laser gef¨uhrt werden, wurden durch elektrische Tiefpassfilter eliminiert.

5.7

Einfluss eines externen optischen Signals auf

die Frequenz der freien Selbstpulsation

Um einen Einsatz eines AFL f¨ur die optische Signalverarbeitung ernsthaft in Betracht ziehen zu k¨onnen, m¨ussen die Abh¨angigkeiten gegen¨uber mittlerer optischer Leistung, Wellenl¨ange und der Polarisation weitestgehend unterdr¨uckt werden. Bei konventionel- len signalverarbeitenden Systemen werden die Kenngr¨oßen wie Dynamikbereich, Wel- lenl¨angenbereich und Polarisationsempfindlichkeit durch die am Eingang positionierte Photodiode bestimmt. Dynamikbereich sowie Wellenl¨angenbereich von Photodioden sind unkritisch und polarisationsunabh¨angige Photodioden mit Grenzfrequenzen von

∼40 GHz sind kommerziell erh¨altlich [97].

Die Einstrahlung von Licht mit einer Wellenl¨ange im Bereich des optischen Gewinns bewirkt im Halbleiterlaser eine Reduktion der Ladungstr¨ager. Die dadurch verursachte

¨

Anderung des Brechungsindexes f¨uhrt zu einer Verschiebung der schwebenden Moden und damit zu einer ¨Anderung der Schwebungsfrequenz. Die Frequenz der freien Pulsa- tion wird durch die mittlere optischen Leistung, der Wellenl¨ange und der Polarisation des eingestrahlten Signals beeinflusst. Experimentell wurde der Einfluss dieser Faktoren durch kontrollierte Einstrahlung eines Dauerstrichsignals untersucht. Die Ergebnisse sind in Abb. 5.11 zusammengefasst.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 39.2 39.4 39.6 39.8 40 Frequenz / GHz m it tl e re o p t. E in g a n g sl e is tu n g / m W -175 MHz/mW λλλλinp=1540 nm TE polarisiert 1 10 100 1000 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 Wellenlänge / nm (fsp _ T E )- (fsp _ T M ) / M H z 5 dBm 2 dBm -1 dBm 60 80 100 120 140 160 180 200 1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 Wellenlänge / nm V e rs ch ie b u n g d e r S e lb st p u ls a ti o n s- fr e q u e n z / -M H z/ m W Position der Stopbande Pinp=5 dBm TE polarisiert

Abbildung 5.11: Einfluss der mittleren optischen Leistung, der Wellenl¨ange und der Polari- sation eines in die DFB-Sektion eines AFL eingestrahlten Signals auf die Pulsationsfrequenz. Ohne Einstrahlung eines Dauerstrichsignals betr¨agt die Frequenz 40 GHz.

Leistungsabh¨angige Frequenzverschiebung: Die Frequenz der Selbstpulsation verringert

sich bei Erh¨ohung der optischen Leistung, w¨ahrend der Modulationsgrad mit etwa 10 dB unver¨andert bleibt. Die Frequenzverschiebung h¨angt linear von der mittleren eingestrahlten Leistung ab und bei einer Eingangswellenl¨ange von 1550 nm betr¨agt sie -175 MHz/mW (Abb. 5.11a). Die Frequenzverschiebung wurde auch theoretisch mit Hilfe eines numerischen Modells untersucht [54]. In diesem Fall betr¨agt die ¨Anderung der Schwebungsfrequenz -400 MHz/mW . Ber¨ucksichtigt man die bei der Modellie- rung vernachl¨assigten optischen Verluste der Faser-Chip-Kopplung (∼ 5 dB), stimmen

die experimentellen Werte mit den Simulationswerten ¨uberein. Die leistungsabh¨angi- ge Frequenzverschiebung in Abb. 5.11b weist ein Maximum bei der Wellenl¨ange des maximalen Gewinns auf und f¨allt entsprechend der Gewinnkurve zu den R¨andern hin ab. Die Verschiebung kann durch Nachregeln des Arbeitspunktes kompensiert werden. Um einer Verschiebung der Frequenz entgegenzuwirken, muss das Eingangssignal in seiner Frequenz so verstimmt werden, dass keine Synchronisation vorliegt. Anschlie- ßend erfolgt die Justage der 40 GHz Pulsation durch ¨Anderung des Arbeitspunktes. Ein typischer Wert f¨ur das erforderliche Nachregeln bei einer Verdopplung der opti- schen Eingangsleistung (λinp = 1550 nm, TE-polarisiert) ist eine Erh¨ohung von Idf b um 1 mA.

Polarisationsabh¨angigkeit: Zur Bestimmung der Polarisationsabh¨angigkeit wurde die

Polarisation des Eingangssignals kontrolliert ver¨andert und die Frequenz der Selbstpul- sation gemessen. Die leistungsabh¨angige Frequenzverschiebung ist f¨ur TE-polarisiertes Licht etwa doppelt so groß, wie bei Einstrahlung eines TM-polarisierten Signals. Die Differenz der Frequenzen bei Einstrahlung von TE- und TM-polarisiertem Licht ist in Abb. 5.11c ¨uber der Wellenl¨ange aufgetragen. Die polarisationsabh¨angige Verschiebung ist im Zentrum der Gewinnkurven besonders hoch, da hier die Abweichung zwischen TE- und TM-Gewinn besonders groß ist. Um einen polarisationsunabh¨angigen Betrieb des pulsierenden Lasers zu gew¨ahrleisten, m¨ussen die Gewinnkurven f¨ur TE- und TM- polarisiertes Licht ausbalanciert werden. Dies kann durch eine Verspannung des akti- ven Materials erfolgen [52]. Dieses Vorgehen f¨uhrt zu einer gleichen Schwelle f¨ur TE- und TM- polarisierte Moden und hat zur Folge, dass unterschiedlich polarisierte Mo- den gleichzeitig anschwingen. Neben der Optimierung der Heterostruktur des Lasers kann eine Verringerung der Leistungs-, Polarisations- und Wellenl¨angenempfindlich- keit mit Hilfe eines dem pulsierenden Laser vorgeschalteten, polarisationsunabh¨angigen Halbleiter-Laserverst¨arkers (SOA) erzielt werden [35].

Der DFB-Laser mit aktiver

R¨uckkopplung als synchroner

Oszillator

Der DFB-Laser mit aktiver R¨uckkopplung (AFL) weist drei charakteristische Frequen- zen auf. Neben der optischen Frequenz von 194.7 T Hz (1540 nm) und der Relaxations- oszillation von einigen GHz eignet sich der AFL zur Erzeugung von Oszillationen mit Frequenzen um 40 GHz. Alle Frequenzen k¨onnen auf ein externes Signal synchronisiert werden.

In diesem Kapitel werden die Synchronisationseigenschaften von 40 GHz-Pulsationen untersucht und Eigenschaften wie zeitliche Stabilit¨at und Dauer des Synchronisations- vorgangs abgeleitet. Die Synchronisation erfolgt nicht wie in vorangegangenen Arbeiten durch Kopplung der optischen Frequenzen (koh¨arente Einstrahlung in eine Lasermo- de) [12, 127], sondern durch die Modulation des Gewinns durch das eingestrahlte Si- gnal [128]. W¨ahrend die zur Synchronisation erforderliche Leistung bei der koh¨arenten Einstrahlung im µW -Bereich liegt, sind f¨ur die Synchronisation ¨uber Gewinnmodulati- on einige mW erforderlich. Diese Eingangsleistungen stellen beim gegenw¨artigen Stand der Technik keine Herauforderung dar. Sieht man von der durch die hohe Eingangs- leistung bedingte ¨Anderung der Pulsationsfrequenz ab, kann die Synchronisation der Selbstpulsation eines AFL innerhalb der Gewinnkurve relativ unabh¨angig von der Po- larisation und der Wellenl¨ange des eingestrahlten Signals erfolgen. Diese Polarisations- und Wellenl¨angenunabh¨angigkeit der Synchronisation kann bei koh¨arenter Einstrah- lung nicht erreicht werden. Um sicherzustellen, dass keine Synchronisation der opti- schen Frequenzen erfolgt, muss sich die Frequenz des eingestrahlten Signals deutlich von den optischen Frequenzen der Moden im AFL unterscheiden.

6.1

Messaufbau

Zur Untersuchung der Synchronisationseigenschaften des AFL wurde der in Abb. 6.1 dargestellte Messaufbau verwendet. Das Dauerstrichsignal eines abstimmbaren La- sers (ECL1) wurde extern mit Hilfe eines Elektroabsorptionsmodulators (EAM2)

(OKI OM5642W-30B) bei Frequenzen im Bereich von 40 GHz moduliert. F¨ur die elektrische Ansteuerung des Elektroabsorptionsmodulators wurden je nach Messaufga- be unterschiedliche Oszillatoren verwendet.

−→ Abstimmbare Synthesizer (Agilent 83650B) weisen ein gr¨oßeres Phasenrauschen

auf. Durch den weiten Abstimmbereich sind diese Synthesizer zur Untersuchung des Synchronisationsbereiches der AFL geeignet.

−→ Die Bestimmung des Phasenrauschens der synchronisierten Selbstpulsation

erfordert ein geringes Phasenrauschen des Eingangssignals und damit des

verwendeten Synthesizers. Aus diesem Grund wurde ein hochstabiler elektrischer Oszillator (Miteq LPLM-10-9953-0-15P) mit einer Frequenz von 10 GHz ein- gesetzt. Mit Hilfe eines Frequenzvervierfachers (Narda DBS-3350X410) wurde ein elektrisches, sinusf¨ormiges 40 GHz Signal erzeugt.

Das Signal vom Synthesizer wird verst¨arkt (Narda DBP-3540N727) und treibt den Modulator. Die elektrische Signalst¨arke wurde so gew¨ahlt, dass das erzeugte optische Signal keine Oberwellen aufwies. Das durch die EO-Wandlung mit einem Elektroab- sorptionsmodulator zus¨atzlich erzeugte Phasenrauschen ist gering [129].

Synthesizer 40 GHz ECL EDFA EAM AFL Detektion Eingangsoszillator Synchroner Oszillator Abschwächer PIN HF- Analysator digitales Oszilloskop

Abbildung 6.1: Messaufbau: Synchronisation eines AFL auf ein 40 GHz Eingangssignal.

1ECL engl.: external cavity laser 2EAM: Elektroabsorbtionsmodulator

Im Dokument DFB-Laser mit integriert optischer Rückkopplung für die optische Signalverarbeitung (Seite 72-79)