Hatte das schon einmal in einem englischsprachigen Forum diskutiert, aber allzuviel ist dabei nicht herausgekommen. Da Deutschland ja in Sachen Laser recht aktiv ist, wollte ich hier noch einmal fragen. Gibt es irgendwo im Web oder so Studien zum Phasenrauschen von Laser Dioden, insbesondere VCSEL?
Hatte gestern meiner Laser-Schaltung (im Prinzip ein "Licht FM Demodulator") den letzten Schliff gegeben. Der Unterschied ist riesig zwischen Amplitudenrauschen zu Phasenrauschen an der Flanke. So aehnlich wie das leise Plaetschern eine Baches zum Rheinfall bei Schaffhausen.
Im Web wüsst ich jetzt nix, aber Petermann hat sich recht ausgiebig zu Amplituden & Frequenzrauschen von Laserdioden ausgelassen, aber zumindest auf den ersten Blick sehe ich nichts extra über VCSELs.
K. Petermann (TU Berlin) Laser Diode Modulation And Noise Kluwer Academic Publishers isbn 90-277-2672-8 hb isbn 0-7923-1204-x pb
Ich hab's mal gekauft, aber es steht mehr zum Thema drin als ich jemals wissen wollte. Wie wenn man aus dem Hydranten trinken will. War über Amazon recht schnell da.
Uns waren die Dioden vorgegeben ( Auswahl war eh' nicht groß) und ich musste nur zusehen, daß möglich konstant möglichst viel rauskommt (Temperatur, Alter), aber sicher unter 1 mW und mit vernünftigen Augen bei 10 GB/s.
Na ja, das Q der cavity ist wohl nicht so doll bei VCSELs. Da muß man zur Zeit noch dankbar sein, daß es ueberhaupt geht, gerade bei großen Wellenlängen.
Danke. Allerdings muesste es schon speziell ueber VCSEL sein, weil wir wegen schneller Wellenlaengenaenderung nicht mit normalen Laserdioden und auch nicht mit DFB Modulen arbeiten koennen. Aber ich werde mal bei der TU Berlin stoebern.
GB/s.
Unsere Wellenlaengen sind gross :-(
Ist nicht nur das Q, da muss noch etwas anderes abgehen, weil ich eine eher seltsame spektrale Verteilung sah. War aber schwierig und muss wiederholt werden, da der Frachtdienst unseren Baseband Analyzer zerdeppert hat. Grummel. Die haben es geschafft, dass in der Roehre mindestens eine der X-Ablenkplatten abgerissen ist. Dazu gebrochener Aluguss-Rahmen, verbeulte Frontplatte, Einzelteile der Tastknoepfe fielen raus. Ein Trauerspiel, denn der HP3585 wird nicht mehr gebaut.
Frag mal den Singer, vielleicht kann der mit Teilen helfen, mindestens einen 3585A hat er auch noch lieferbar, rund 4k$. Nimmste den defekten als Ersatzteilträger und lässt den Frachtdienst den vom Singer bezahlen ;-)
Das geht ueber EBay guenstiger. Mein Kunde hatte ihn fuer $700 ersteigert. Auf dem Weg dahin muss das Paket aber irgendwo aus grosser Hoehe heruntergefallen sein. Traurig, von der Frontplatte her sah das Geraet kaum benutzt aus. Doch nun ist alles zerbeult und zerbrochen.
Das Problem bei EBay ist doch gerade das viele dort versuchen ihren Schrott an den Mann zu bringen. Der Betrug liegt meist im Verschweigen.
Wenn man selber reparieren kann, dafür Zeit hat und Ersatzteile bekommt, kann man das Risko bei solchen Preisdifferenzen eingehen.
Wenn das Teil laufen soll gehe ich lieber zum Singer, da kann ich das Teil geprüft nach einer Woche abholen, wenn es nicht läuft bekommt er es direkt zurück und ich mein Geld. Ohne grossen Ärger und Aufwand. Letzteres liegt aber auch daran das Singer hier quasi um die Ecke ist.
Da haben wir andere Erfahrungen gemacht. Die meisten der Anbieter waren Haendler und es funktionierte alles wie versprochen. Klar broeselte mal was ab, z.B. der Kupplungsring, als ich bei einem Tek 2465 in Delayed Trigger gehen wollte. Doch das war schnell repariert. Nur beim HP3585 ging es in die Hose, aber das hatte der Paketdienst irgendwo hart herunterfallen gelassen.
Man muss auf jeden Fall in der Lage sein, beherzt an eine Reparatur heranzugehen.
Das Q von VCSELs ist durchaus hoch. Das muss auch so sein, weil das aktive Medium beim VCSEL in einer sehr dünnen Schicht besteht. Diese kurze Resonatorlänge ist es auch, die zusammen mit der Abhängigkeit der optischen Dichte vom momentanen Strom, der das große Phasenrauschen bewirkt.
Die aktive Schicht der VCSELs ist nur einige nm dünn. Deshalb muss sie eine besonders große Verstärkung pro Meter aufweisen, damit man selbst bei sehr guter Verspiegelung noch über die Laserschwelle kommt.
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Kai-Martin Knaak
Universität Hannover, Inst. f. Quantenoptik tel: +49-511-762-2895
Welfengarten 1 fax: +49-511-762-2211
30167 Hannover
Weisst Du, ob es darueber praxisnahe Literatur gibt? Kann auch in Deutsch sein, zwei von uns koennen das lesen. Spanisch und Mandarin haetten wir auch abgedeckt ;-)
Die niedrige Schwelle bei den VCSEL hat mich ueberrascht. Von Laserdioden war ich eher den ueblichen Nervenkitzel gewohnt, wo man deutlich ueber 80% Abs Max Strom muss, aber um keinen Preis auch nur fuer eine Mikrosekunde ueber 100%. Bei unseren VCSEL faengt das ganz weit unten an.
Sind angenehme Zeitgenossen. Vor allem fließt so wenig Strom, daß man guten Gewissens ein resistives Bias-Tee benutzen kann.
Aber auch DFBs habe ich höchstens durch Abrutschen mit der Ossi-Probe hingerichtet. Man muß halt immer schön auf die Monitordiode achten und sich von unten an den Sollwert herantasten.
Der 2. getrennte Mechanismus für Not-Aus zum sicheren Einhalten von Class1 hilft natürlich auch zu überleben.
Ja. Wenn man eine große spektrale Reinheit wünscht, scheinen VCSELS einfach nicht das geeignete Gerät zu sein. Die Bandbreite df, die Güte Q und die Resonatorlänge L hängen grob gesagt über df = 1/(L * Q) zusammen.
Der Abstand benachbarter Moden ist proportional zu 1/L. Da L bei VCSELs so klein ist, ist der Modenabstand grösser oder ungefähr so gross wie die Verstärkungsbandbreite und so ist Einzelmoden-Betrieb garantiert.
Wenn man also eine geringe Bandbreite wünscht, nimmt man hohe Güten und/oder einen langen Resonator. Wenn Modensprünge zu vermeiden sind, einen kurzen Resonator oder frequenzselektive Elemente im Resonator.
Vielleicht ist ein DFB/DBR-Laser für deine Anwendung geeigneter?
Was Publikationen angeht, habe ich Viciani, S.. "Frequency noise and lineshape of VCSELs." Proceedings of SPIE--the international society for optical engineering 4286(2001):109-118. gefunden. Ob's der Artikel allerdings wert ist, kann ich nicht sagen, da ich momentan keinen SPIE-Zugriff habe.
"Analysis and Design of Vertical Cavity Surface Emitting Lasers" Autor: S. F. Yu, ISBN: 978-0471391241 Verlag: Wiley Interscience Erscheinungsjahr: 2003
Zitat aus der amazon-Besprechung: "A practical, hands-on guidebook for the efficient modeling of VCSELs ..."
Gelesen habe ich das Buch allerdings nicht, sondern nur auf einem Wiley- Stand bei einer DPG-Tagung durchgeblättert. Für unsere Zwecke haben VCSELS eine zu große Linienbreite. Stabilisierung durch optische Rückkopplung und ECDL-Design funktioniert nicht, wegen der guten Verspiegelung der Oberflächen. Außerdem ist ihr Strahl transversal nicht auf TEM00 beschränkt.
Ernsthafte Laserliteratur in Deutsch ist mir noch nicht über den Weg gelaufen.
Wenn überhaupt Nicht-Englisch, dann wäre Japanisch eine Möglichkeit. Laserentwicklung findet im wesentlichen in USA, Japan und D statt.
Hmm. Meine Laserdioden haben üblicherweise eine Schwelle von 15 bis 20mA bei >100 mA Maximalstrom. Diese "Hochleistungsdioden" sind Kantenemitter, bei der die Vorderseite mäßig gut entspiegelt ist. Wellenlänge ist meist Infrarot, genauer 780 nm, oder 852 nm. Die DVD-Dioden bei 670 nm verhalten sich aber auch nicht viel anders. Mit VCSELs habe ich keine eigene Erfahrung.
Das ist manchmal ein Problem hier. Japanisch-Kenntnisse finden wir weniger als das bei mir frueher in Deutschland war. Dort gab es im nahen Duesseldorf viele Leute, die es verstanden.
Bei uns spielt sich alles weit ueber 1000nm ab. Da wird auch das Angebot an VCSELs ziemlich duenn.
Weisst Du noch, wie die Linienbreiten von normalen Laserdioden im Vergleich zu VCSEL bei Euch aussahen? Man bekommt ja kaum Doku mit den Dingern. Nur eine "typical" Angabe und einen Plot, aber der ist je nach Analyzer, den sie benutzten, breiter als in Wirklichkeit.
DFB koennen wir nicht benutzen, weil wir ueber etwa 1nm plus Fertigungstoleranz ziehen muessen. Per TEC waere es zu langsam, haben wir alles versucht.
Die Frage ist: über welchen Zeitraum? Die Linienbreite einer normalen Fabry-Perot Laserdiode so um die 800 nm ist so um die 10 .. Dingern. Nur eine "typical" Angabe und einen Plot, aber der ist je nach
Das liegt wie gesagt viel mehr an der Meßdauer.
Auch wenn es im Datenblatt so wie im Bild oben rechts aussehen kann
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lasert die Diode normalerweise auf nur einer oder wenigen der schmalen Linien.
Wie schnell muß es denn sein? Welche Linienbreite ist gestattet und sind Modensprünge ein Problem? Externes Peltier oder hattet ihr eines, das direkt im Diodengehäuse saß?
Wird das eher ein Einzelstück oder muß das ganze am Ende robust, einstellungsfrei im Kopf einer Rakete funktionieren?
Langsame Sachen regeln wir aus. Das ist mein Teil bei der Geschichte und funktioniert inzwischen recht schoen. Phasenrauschen, Spruenge etc. mit Spektralanteilen ueber 10MHz machen allerdings Aerger. Das muessen wir herunterdruecken und dort oben darf ich in diesem Fall nicht regeln. Ginge auch gar nicht ohne Piezo-Cavity. D.h. alles im zig-Mikrosekunden (wird weggefiltert) oder Millisekundenbereich (wird ausgeregelt) haben wir im Griff, aber deutlich unter einer Mikrosekunde eben nicht.
Ja, da waere es schoen, wenn sie das wenigstens ein wenig nach Modulationsspektra aufdroeseln wuerden. Wollte ich Anfang der Woche messen, aber leider hat der Frachtdienst aus dem Analyzer einen Totalschaden gemacht. Sieht so aus, als waere er aufs Rollfeld geknallt. Also habe ich mal Filter reingehaengt und das Scope benutzt. Dabei stellte sich heraus, dass unter 100nsec (also ueber 10MHz) ordentlich Phasenrauschen oder was auch immer fuer Effekte vorhanden sind. Das roehrte wie im Borussia-Stadium.
Wir muessen in etwa in ein paar Millisekunden ueber 1nm Ziehbereich kommen. Mode Hops koennten dabei ok sein, auch Spektralanteile weitab des Haupttraegers (>100pm) waeren kein Akt. Es sei denn, der Traeger bliebe dabei zu lange weg. Allerdings muesste die Linienbreite weit unter 1MHz liegen. Dies jedoch nur fuer schnelle Geschichten, langsames "Schawenzeln" regeln wir weg. Bei DFB wurde das mit der Regelung nichts, die waren zu langsam.
Es war eingebaut, ein DFB Modul. Per PWM getrieben, sodass wir ordentlich Power draufgeben konnten. Den PID Regler hatte ich fit gemacht wie frueher in der Schule die Jungs ihre Kreidler. Bis haarscharf an den roten Bereich. Immer noch zu langsam.
^^^^^^^^^^^^ Meinst Du damit ein Fabry-Perot-Interferometer?
IIRC liegt die homogene, "natürliche" Linienbreite von VCSELn bei 3 bis
30 MHz. Da das keine Folge von Stromrauschen, oder ähnlichen ist, hilft dafür keine Filterung im Strom. Wegen den hochreflektierenden Endspiegeln ist mit optischr Rückkopplung nichts zu machen. Also muss man da über den elektrischen Weg rangehen ---> Die Flanke eines High-Finesse- Interferometers auf die Laserfrequenz legen und die Amplitude der Reflektion als Regelsignal für den Strom verwenden. Mit entsprechendem Aufwand kommt man damit in den Bereich von ein paar Hundert Hz.
Kennst Du schon das Paper von Mescher, Serkland und Co, in dem die Eignung von VSCELs für transportable Atomuhren diskutiert wird:
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Ich denke, da siehst Du bereits das echte statistische Gewackele, das die homogene linenbreite der Laserdiode bildet.
Das erscheint mir viel (~300 GHz). Für die sprungfreie Duchstimmung von VCSEls kenne ich Angaben zwischen 2 und 10 GHz.
Dazu muss man den Laser wie oben beschrieben auf eine stabilere Referenz regeln. Der Trick mit optischer Rückkopplun, wie man ihn bei kanten- Emittierenden Dioden macht, klappt mit VCSELs nicht.
^^^ Mit PWM hätte ich Bedenken, dass sich die Schaltstöße auf die Lichtfrequenz übertragen. Bei Dioden, die mehr oder weniger direkt auf dem Peltier sitzen, kommen noch Probleme mit dem Beam-Pointing dazu. Peltiers haben eine perverse Wärmeausdehnung...
Die Linenbreiten der nackten Dioden sind ähnlich, also eine einstellige MHz-Zahl. Da kompensiert sich wohl die geringere Länge mit der höheren Reflektivität der Endflächen. Der Vorteil der Kantenemitter it, dass man ihre Linienbreite durch optische Rückkopplung von einem Beugungsgitter auf unter 100 kHz einengen kann. Das sind dann Extended cavity Diode Laser (ECDL). Dieser Trick funktioniert mit den VCELSs nicht.
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