Transcript Lasers à fibres utilisés dans les applications de tests et mesures en

Lasers à fibre basés sur SOA et
applications en tests et mesures
Michel Leblanc
Chef de groupe, Ingénierie Systèmes
14 Mai 2010
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1
Plan de la présentation
Lasers SOA
Pourquoi développer des lasers?
Caractéristiques recherchées
Investigation
Applications
Test de composantes
Mesures CD et PMD
Mesures de PMD distribuée
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2
Le laser accordable dans les tests et mesures …
› Caractérisation de composants (CWDM, DWDM)
› Mesures de perte d’insertion, réflectivité et dépendance en polarisation vs l
› Réflectomètre optiques (OTDR) accordable en longueur d’onde
› Caractérisation d’un lien à plusieurs longueurs d’onde
› Mesure CD
› Mesure PMD
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33
Principales caractéristiques souhaitées
› Caractérisation de composants (CWDM, DWDM)
›
›
›
›
›
Plage spectrale étendue (1 seul laser pour tout tester!)
Laser étroit mais pas trop! (linewidth control)
Balayage continu sans saut de mode
Faible bruit (low SSE)
Stabilité de puissance
› Réflectomètre optiques (OTDR) accordable en longueur d’onde
› Opération en mode pulsé (pulse variable, taux de répétition variable)
› Laser étroit mais pas trop! (linewidth control)
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Laser à fibre basé sur SOA (SFL)
Basic SFL design
Semiconductor
gain medium
Isolator
SM fiber
PC1
PC2
Coupler
TBF
Output
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55
Laser à cavité externe (ECL)
Basic ECL design
Diffraction
Grating
SM fiber
Gain Chip
Collimating
lens
Pivot Point
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66
Largeurs de raie des lasers
Single-mode ECL (typ. 100 kHz)
Power
Coherence control (100 MHz)
l
Power
Multimode SFL (1-10 GHz)
l
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77
Avantages potentiels du laser SFL
›
›
›
›
›
Opération multimodes élimine le besoin d’obtenir un balayage ‘’mode-hop free’’
Largeur de raie de quelques GHz contrôlée par design réduit les effets d’interférence
Faible ASE possible sans ajout de complexité dans le design
Possibilité de combiner plusieurs milieux de gain dans un même laser
Fonctionnement en mode pulsé avec un seul SOA possible
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88
Laser avec filtre large
Cavity design 1  TBF BW ~ 200 - 300 pm
SMF
I1
SOA
PC1
PC2
TBF
C
25%
75%
I2
Output
Ref: H. Chen, F. Babin, G.W. Schinn, AOE 2006, Shanghai,
China (2006)
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99
Caractéristiques spectrales
Spectrum
0.16
(a)
Res: 1nm
FSR=8GHz
0.12
-10
-30
(b)
0.14
Intensity (a.u.)
Power (dBm)
10
0.1
SLM
-50
SLM
0.08
0.06
MLM
0.04
-70
0.02
-90
1450 1475 1500 1525 1550 1575 1600 1625 1650
Wavelength (nm)
Measured by OSA
0
0
2
4
6
Frequency (GHz)
8
10
Measured by scanning
Fabry-Perot interferometer
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10
10
Caractéristiques spectrales
(a) 1440nm
Baseband noise
vs wavelength
(b) 1500nm
-40
Relative Intensity (dB)
Relative Intensity (dB)
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-50
-60
-70
-80
-90
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0
50
100
(c) 1550nm
-70
-80
-90
Relative Intensity (dB)
Relative Intensity (dB)
Relative Intensity (dB)
-60
-50
-60
-70
-80
50
100
150
200
250
300
350
Frequency (MHz)
400
450
500
300
350
400
450
500
400
450
500
-50
-60
-70
-80
-90
-90
0
250
-40
-40
-50
200
(e) 1615nm
(d) 1614nm
-40
150
Frequency (MHz)
Frequency (MHz)
0
50
100
150
200
250
300
350
Frequency (MHz)
400
450
500
0
50
100
150
200
250
300
350
Frequency (MHz)
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11
11
Caractéristiques spectrales
Tunable range for SLM and MLM
30
SOA Gain
25
Gain (dB)
20
Tunable range: 1435-1645nm
20
15
10
SOA ASE
5
0
-5
Power (dBm)
10
SLM region
-10
1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640
Wavelength (nm)
0
-10
MLM
region
-20
-30
-40
-50
1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 1660
Wavelength (nm)
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12
12
Laser avec filtre étroit
Cavity design 2  TBF BW ~ 16 pm
Output
50%
I2
SMF
C1
M1
C2
3
2
1
50%
TBF
L
PC1
G
M2
PC2
SOA
Narrow filter bandwidth can produce a MLM lasing oscillation for the
entire laser operation wavelength region
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13
13
Caractéristiques spectrales
MLM SFL w/ a narrow linewidth
linewidth vs l
Tunability
20
Tuning range: 1445-1620nm
0.054
0
0.049
-10
0.044
Intensity (a.u.)
Power (dBm)
10
FSR = 8GHz
0.059
OSA Res: 1nm
0.039
-20
1624nm
0.034
-30
1600nm
0.029
-40
1575nm
0.024
-50
1550nm
0.019
-60
1525nm
0.014
-70
0.009
-80
0.004
1500nm
1475nm
1450nm
-0.001
-90
1430 1450 1470 1490 1510 1530 1550 1570 1590 1610 1630
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Wavelength (nm)
Frequency (GHz)
• Linewidth ~ 1.5 GHz
• Low SSE ~ 50 - 60 dB
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14
Modulation de fréquence d’un laser SOA monomode:
- contrôle de largeur de raie
Cavity Configuration for Frequency Modulation (FM)
laser operation in a SFL
Collaboration avec COPL, Université Laval, Simon Lambert-Girard, Michel Piché
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15
15
Modulation de fréquence d’un laser SOA monomode
Left: measured laser spectrum for sine modulation by PM for
fax = 16.017 MHz, fm = 16.000 MHz, Vpp = 0.6 V
Right: simulation.
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16
16
Modulation de fréquence d’un laser SOA monomode
Synthetic laser linewidths compare with Gaussian lineshapes
w/ a SOA current modulation (modulation depth = 20 %, fax = 16.009 MHz):
Left: sine modulation, fm = 16.02 MHz,
Middle: optimized modulation, fm = 16.02 MHz
Right: optimized modulation, fm = 16.03 MHz
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17
17
Mise en oeuvre
et applications
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18
Mise en oeuvre: laser toutes-bandes (all-band)
Laser design and characteristics
 SOA chosen as gain medium since it can be designed for
optimized gain in almost any desired region
 PM fiber used throughout to ensure stability
 Tuning filter (TBF) is shared
between the two
individual cavities
SOA 1
75
%
 SOA1 centred
at 1350 nm
 SOA2 centred
at 1530 nm
OC 1
OC 3
TBF
Output
50/50
 SOAs’ 3-dB BW >70 nm
Ref: R. Baribault, H. Chen, G. He, D. Gariepy, F. Babin,
G.W. Schinn, OFMC 2005, Teddington, UK (2005)
25
%
OC 2
SOA 2
75
%
25
%
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19
Conception du filtre accordable (TBF)
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20
Caractéristiques spectrales
Linewidth
S/SSE
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Analyseur de composants passifs
Passive Component Analyser (PCA)
 This tunable SOA-based SFL source (TLS) serves as
basis for a swept-l PCA for IL, ORL and PDL
measurements as a function of wavelength.
 PSA generates 4 SOPs for use with Mueller matrix
method.
CAL
TLS
MODULE
PSA
REF
DETECTORS
MEASURE
DUT
PSA – Polarisation State Adjuster
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22
Mesure typique – composant CWDM
Typical Results
16 Channel CWDM Demux
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23
Mise en oeuvre: laser pulsé pour OTDR accordable
Low SSE design
PMF
Delay Line
(PMF)
M
B
BS
SOA
PMF
TBF
1
2
3
4
A
Control
FUT
Cir
C
APD
Ref: US Patent US2009/0310627 H. Chen, G.W. Schinn
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24
Laser pulsé
(1) Principle
(2) Measurements
0.225
ASE from SOA not in cavity
0.205
0.225
Light pulse from SOA based
laser but without delay line
(high SSE)
0.205
0.185
0.165
0.165
Intensity (a.u.)
Intensity (a.u.)
0.185
0.145
0.145
0.185
0.165
0.145
0.125
0.125
0.125
0.105
0.105
0.105
0.085
0.085
0.085
0.065
0.065
0.065
0.045
0.045
0.045
0.025
0.025
0.025
0.005
0.005
0.005
-0.015
-0.015
0
200
400
600
800
Time (ns)
1000
1200
1400
100ns light pulse from
SOA based laser
but with delay line
0.205
Intensity (a.u.)
0.225
Low SSE
-0.015
0
200
400
600
800
Time (ns)
1000
1200
1400
0
200
400
600
800
1000
1200
Time (ns)
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1400
25
25
Laser pulsé
Results – light pulse, linewidth and S/SSE
0
-21
-24
-27
-10
-30
Power (dBm)
Power (dBm)
-20
-30
-33
Res. 1nm
-36
-39
-42
-45
-48
Res. 0.01nm
-51
-40
-54
-57
1549.62
1549.67
1549.72
1549.77
1549.82
1549.87
Wavelength (nm)
-50
-60
-70
-80
1455
1475
1495
1515
1535
1555
1575
1595
Wavelength (nm)
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26
26
Mesures de CD avec un OTDR
PMF
Delay Line
(PMF)
M
B
BS
SOA
PMF
TBF
1
2
3
4
A
Control
FUT
Cir
APD
C
Fresnel
Reflection
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27
27
Mesure de CD
Measured GD and CD for 25 km DSF
Different light pulse
arrivals for different l
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28
28
Mesures de PMD avec un OTDR
Principle design for products
Tunable OTDR
PMF
I/O-SOP
Scrambler
Delay Line
(120-m PMF)
C1
25%
M
75% BS
Tunable
pulsed laser
FUT
PBS
PS
PMF
TBF
SOA
Fresnel
Reflection
APD1
Controlling
and
Signal Processing
APD2
PMD measurement
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29
29
Mesure de PMD
•Method based on newly developed Scrambled
SOP Analysis
•Measure Transmission difference for many SOP
and l pairs
•RMS difference related to PMD
•(method standardized at TIA)
1
• I/O-SOP: 2000
• Wavelength: 400
• l range: 1530.6 - 1569.6nm
•   20.52 GHz,
• PMD·  0.118
0.274
RMS-Difference = RMS-Difference
< TT' > =0.274
Local Differences
PMDse  5.74 ps
Result
• This method gives:
PMDse = 5.74 ( 0.30) ps
Acquisition Setting
0.5
• RTM measurement:
PMDRTM = 5.75 ps
Ref: H. Chen, N. Cyr, B. Ruchet, M. Leclerc, G.W. Schinn,
ECOC 2007, Berlin, Germany (Sept. 2007)
0
1.53
1.54
1.55
1.56
( Waveleng th [© m]
, I/O-SOP
) reserved.
2010 EXFO
Inc. All rights
k
1.57
30
30
Mesure de PMD distribuée
› Same theory as single-ended PMD with tunable OTDR
› Use Rayleigh backscattering instead of Fresnel reflection
› Lot of data crunching…
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31
31
Mesure de PMD distribuée
› Measure PMD contribution of each section
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32
32
Mesure de PMD distribuée
› Predict new total PMD if a section is replaced
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33
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Conclusions
› Le développement d’instruments de tests et mesures avancés requiert l’utilisation de
lasers ayant des caractéristiques particulières
› EXFO a développé des lasers uniques et intégré ceux-ci dans plusieurs équipements
commercialisés
› EXFO continue à développer d’autres lasers pour certains produits présentement en
développement.
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34
Contributeurs
› EXFO
›
›
›
›
›
›
›
›
›
Hongxin Chen
Gregory W. Schinn
François Babin (now with INO)
Normand Cyr
Robert Baribault
Daniel Gariépy
Gang He
Bernard Ruchet
Michel Leclerc
› COPL
› Simon Lambert-Girard
› Michel Piché
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35
35