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Lasers à fibre basés sur SOA et applications en tests et mesures

Michel LeblancChef de groupe, Ingénierie Systèmes14 Mai 2010


Plan de la présentation

Lasers SOALasers SOAPourquoi développer des lasers?

Caractéristiques recherchées

Investigation

ApplicationsApplications Test de composantes

Mesures CD et PMD

Mesures de PMD distribuée

3© 2010 EXFO Inc. All rights reserved. 3© 2010 EXFO Inc. All rights reserved.

› Caractérisation de composants (CWDM, DWDM)› Mesures de perte d’insertion, réflectivité et dépendance en polarisation vs

› Réflectomètre optiques (OTDR) accordable en longueur d’onde› Caractérisation d’un lien à plusieurs longueurs d’onde› Mesure CD› Mesure PMD

Le laser accordable dans les tests et mesures …


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)


Laser à fibre basé sur SOA (SFL)

OutputTBF

Isolator

SM fiber

PC1

Coupler

Semiconductorgain medium

PC2

Basic SFL design


Laser à cavité externe (ECL)

Basic ECL design

Diffraction Grating

SM fiber Gain Chip

Pivot Point

Collimating lens


Largeurs de raie des lasers

Power

Coherence control (100 MHz)

Multimode SFL (1-10 GHz)Power

Single-mode ECL (typ. 100 kHz)


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


Laser avec filtre large

Cavity design 1 TBF BW ~ 200 - 300 pm

I2 Output

SOA

TBF

I1SMF

25%

75%

PC1 PC2

C

Ref: H. Chen, F. Babin, G.W. Schinn, AOE 2006, Shanghai, China (2006)


Caractéristiques spectrales

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0 2 4 6 8 10Frequency (GHz)

Inte

nsit

y (a

.u.)

MLM

SLM

FSR=8GHz

-90

-70

-50

-30

-10

10

1450 1475 1500 1525 1550 1575 1600 1625 1650

Wavelength (nm)

Pow

er (d

Bm

)

Res: 1nm(a) (b)

SLM

Spectrum

Measured by OSA Measured by scanning Fabry-Perot interferometer



-90

-80

-70

-60

-50

-40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Frequency (MHz)R

elat

ive

Inte

nsit

y (d

B)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Frequency (MHz)

Rel

ativ

e In

tens

ity

(dB

)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Frequency (MHz)

Rel

ativ

e In

tens

ity

(dB

)

(a) 1440nm (b) 1500nm

(c) 1550nm (d) 1614nm

Baseband noise vs wavelength

(e) 1615nm

-90

-80

-70

-60

-50

-40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Frequency (MHz)

Rel

ativ

e In

tens

ity

(dB

)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Frequency (MHz)

Rel

ativ

e In

tens

ity (

dB)



-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 1660

Wavelength (nm)

Pow

er (

dBm

)

Tunable range: 1435-1645nm

SLM region

MLM region

Tunable range for SLM and MLM

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640

Wavelength (nm)

Gai

n (d

B)

SOA Gain

SOA ASE


Laser avec filtre étroit

SOA

G

M1

M2

L PC1

PC2

50%

50%

Output

SMF

1

23 TBF

I2

C2

C1

Narrow filter bandwidth can produce a MLM lasing oscillation for the entire laser operation wavelength region

Cavity design 2 TBF BW ~ 16 pm



-0.001

0.004

0.009

0.014

0.019

0.024

0.029

0.034

0.039

0.044

0.049

0.054

0.059

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Frequency (GHz)

Inte

nsit

y (a

.u.)

FSR = 8GHz

1450nm

1475nm

1500nm

1525nm

1550nm

1575nm

1600nm

1624nm

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

1430 1450 1470 1490 1510 1530 1550 1570 1590 1610 1630

Wavelength (nm)

Pow

er (

dBm

)

OSA Res: 1nmTuning range: 1445-1620nm

Tunability linewidth vs

• Linewidth ~ 1.5 GHz• Low SSE ~ 50 - 60 dB

MLM SFL w/ a narrow linewidth


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


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.


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


Mise en oeuvre

et applications


Mise en oeuvre: laser toutes-bandes (all-band)

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

SOA1 centred at 1350 nm

SOA2 centredat 1530 nm

SOAs’ 3-dB BW >70 nm

Laser design and characteristics

TBF

SOA 1

SOA 2

OC 1

OC 2

OC 3

50/50

25%

75%

25%75

%

Output

Ref: R. Baribault, H. Chen, G. He, D. Gariepy, F. Babin, G.W. Schinn, OFMC 2005, Teddington, UK (2005)


Conception du filtre accordable (TBF)



Linewidth S/SSE


Analyseur de composants passifs

Passive Component Analyser (PCA)

This tunable SOA-based SFL source (TLS) serves as

basis for a swept- PCA for IL, ORL and PDL measurements as a function of wavelength.

PSA generates 4 SOPs for use with Mueller matrix method.

TLSCAL

MODULE

DETECTORS

DUT

REF

MEASURE

PSA

PSA – Polarisation State Adjuster


Mesure typique – composant CWDM

Typical Results

16 Channel CWDM Demux


Mise en oeuvre: laser pulsé pour OTDR accordable

SOA

PMF

Delay Line(PMF)

M

TBF

Control

PMF

BSB A

Cir

C

FUT

APD

1 2 3

4

Low SSE design

Ref: US Patent US2009/0310627 H. Chen, G.W. Schinn


Laser pulsé

(1) Principle

-0.015

0.005

0.025

0.045

0.065

0.085

0.105

0.125

0.145

0.165

0.185

0.205

0.225

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Time (ns)

Inte

nsit

y (a

.u.)

-0.015

0.005

0.025

0.045

0.065

0.085

0.105

0.125

0.145

0.165

0.185

0.205

0.225

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Time (ns)

Inte

nsit

y (a

.u.)

-0.015

0.005

0.025

0.045

0.065

0.085

0.105

0.125

0.145

0.165

0.185

0.205

0.225

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Time (ns)

Inte

nsit

y (a

.u.)

ASE from SOA not in cavity Light pulse from SOA based laser but without delay line(high SSE)

100ns light pulse from SOA based laser but with delay line

Low SSE

(2) Measurements


Laser pulsé

Results – light pulse, linewidth and S/SSE

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

1455 1475 1495 1515 1535 1555 1575 1595

Wavelength (nm)

Pow

er (

dBm

)

Res. 1nm

-57

-54

-51

-48

-45

-42

-39

-36

-33

-30

-27

-24

-21

1549.62 1549.67 1549.72 1549.77 1549.82 1549.87

Wavelength (nm)

Pow

er (

dBm

)

Res. 0.01nm


Mesures de CD avec un OTDR

SOA

PMF

Delay Line(PMF)

M

TBF

Control

PMF

BSB A

Cir

C

FUT

APD

1 2 3

4

FresnelReflection


Mesure de CD

Different light pulse arrivals for different

Measured GD and CD for 25 km DSF


Mesures de PMD avec un OTDR

Principle design for products

Delay Line(120-m PMF)

M

C1

BS

25%

75%

PMF

FUT

APD1

APD2

PBSPS

SOATBF

Controllingand

Signal Processing

Fresnel

Reflection

PMF

Tunable Tunable pulsed laserpulsed laser

PMD measurementPMD measurement

I/OI/O--SOP SOP ScramblerScrambler

Tunable OTDRTunable OTDR


Mesure de PMD

Acquisition SettingAcquisition Setting• I/O-SOP: 2000• Wavelength: 400• range: 1530.6 - 1569.6nm • 20.52 GHz,• PMD· 0.118

ResultResult

• This method gives: PMDse = 5.74 ( 0.30) ps

• RTM measurement: PMDRTM = 5.75 ps

1.53 1.54 1.55 1.56 1.570

0.5

1RMS-Difference =Local Differences

< T T' > 0.274

PMDse 5.74ps

( Wavelength [m] , I/O-SOP ) k

RMS-Difference = 0.274

•Method based on newly developed Scrambled SOP Analysis•Measure Transmission difference for many SOP and pairs•RMS difference related to PMD•(method standardized at TIA)

Ref: H. Chen, N. Cyr, B. Ruchet, M. Leclerc, G.W. Schinn, ECOC 2007, Berlin, Germany (Sept. 2007)


Mesure de PMD distribuée

› Same theory as single-ended PMD with tunable OTDR› Use Rayleigh backscattering instead of Fresnel reflection› Lot of data crunching…



› Measure PMD contribution of each section



› Predict new total PMD if a section is replaced


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.


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

1 © 2010 exfo inc. all rights reserved. lasers à fibre basés sur soa et applications en tests et...

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