Am Ende von Abschnitt 3 findet sich die Aussage: Due to the inherently short photon lifetime in a typical VCSEL cavity, achieving < 100 MHz line width is challenging. A typical VCSEL has a linewidth of a few hundred MHz, and the narrowest reported VCSEL linewidth is approximately 3 MHz.
Offensichtlich hatte ich mir nur die Bestmarken gemerkt. Eine "einstellige MHz-Zahl" ist eher zu optimistisch. Weiter hinten im Text wird ein VCSEL beschrieben, dessen Linienbreite mit Beat-Experiment auf 50 MHzbestimmt wurde.
Ich kenne die Begriffe der Optik nicht gut, zumindest nicht in Deutsch. Ich meinte ein External Cavity, bei dem man die Laenge geringfuegig per Piezo-Transducer variieren kann. Ist allerdings leider alles Spezialkram und fuer dieses Projekt prohibitiv teuer.
So aehnlich machen wir das. Allerdings koennen wir in dieser Anwendung nur ein einziges High Finesse Device benutzen und das muss gleichzeitig ein schnelles mechanisches Messignal liefern. Wir muessen es auch noch thermisch korrigieren und so kann kein zweites Referenz-Etalon benutzt werden. Deshalb koennen wir nicht im Nutzbereich ausregeln. Wahrscheinlich waere das bei einigen zig MHz eh schwierig. Beim Ziehen ueber die vollen 1nm kam ich so auf einige 100usec, bei schnelleren Sweeps wurde der VCSEL wie ein stoerrischer Esel. Reicht uns jedoch gut aus, wenn wir denn das Phasenrauschen reduziert bekaemen.
Die sind allerdings schon mit >Dabei
Wenn das mit ueber 10MHz wackelt, waere das fuer uns auf Koelsch gesagt "en jrussen Driss".
Wir muessen. Ich habe auch schon mit sehr langsamer Rampe durchgefahren und eigentlich kaum Spruenge im Rauschspektrum gesehen. Allergings bisher noch nicht mit Analyzer, nachdem der gestorben war.
Ginge hier eh nicht, weil wir Drift im Mess-Interferometer ueber die Wellenlaenge ausregeln muessen.
Nicht echt "Bang-Bang", da sass schon eine Induktivitaet drin. Stoerungen vom TEC haben wir keine gesehen, das Ding war nur zu langsam und ueber das zugelassene Ampere wollte ich nicht hinausgehen.
Bis knapp unter 5MHz sind wir beim VCSEL (und auch vorher beim DFB) mit eigener Schaltung gekommen. Wegen der Regelung sogar weniger als beim Thorlabs Driver. Aber jetzt ist selbst mit zusaetzlicher Filterung direkt vor der Diode nichts mehr zu ruetteln. Es kommt einfach nichts mehr an zusaetzlicher Linienreduktion heraus.
Darunter verstehe ich eigentlich eher ein Messinstrument. Was Du (Jörg) meinst heißt hier wie dort external/extended cavity. Der Piezo schiebt/dreht üblicherweise ein Gelenk mit Gitter, da so im Gegensatz zum Aufbau mit Spiegel über die Winkelabhängigkeit eine der Moden des langen Resonators ausgesucht wird. Wie Kai-Martin schon sagt: teuer. Und Dir zu langsam, da mechanisch.
effektiver BI -> effektive Resonatorlänge hinzu. Die Bandbreite vergrößert sich dadurch auf
f_linie' = f_linie * (1+alpha)² mit alpha = 1,5..6 für Halbleiter.
Siehe auch S.230 in Meschede; "Optik, Licht und Laser"; Leipzig 1999 Teubner, ISBN
3-519-03248-1
Zu schneller Modulation bei schmaler Linienbreite fällt mir spontan noch ein intracavity-EOM ein (electro-optical modulator, ändert seine optische Länge - also die Phase des Lichts - je nach angelegtem Feld. Und das ganze in den Resonator). Das bedeutet aber auch wieder einen Freistrahl-Aufbau. Will man über eine solche Regelung die Linienbreite schmal halten, muss man die Frequenz natürlich erstmal messen. Und ob man damit letztendlich weit genug kommt...?
Ja, die schmerzliche Erfahrung haben wir bereits hinter uns :-(
Danke nochmal fuer die Erklaerung. Fuer mich sind Laser wirklich neu, die Ansteuerungen allerdings nicht. Deshalb haben wir auch einen erfahrenen Laser-Ingenieur mit an Bord. Inzwischen habe ich mich sogar schon an die Wellenlaengendenke gewoehnt :-)
Jetzt muesste man nur noch wissen, was da alles in der Linienbreite nach Schawlow-Tones drin ist. Amplitudengeschichten koennten wir gut ausregeln, aber Phasenrauschen nicht. Wenn in dem Phasenrauschen allerdings einzelne "herausfischbare" Anteile (wie bei Mode Jumps) enthalten sind, haetten wir vielleicht mit einer Nachverarbeitung Aussichten auf Verbesserung.
Ist hier etwas schwierig zu besorgen und unser Laser Spezialist versteht kein Deutsch.
Freistrahl koennen wir nicht machen, das muss alles in eine ziemlich kleine Buechse.
Alles bis auf Stromrauschen, Vibration und fiese Rückkopplungen, meine ich... wobei... letztendlich alles eine Frage des Alpha. :-) Frag mich aber nicht, wo letzteres herkommt..
Eigentlich ist das im Frequenzbereich eher gaussverteilt - oder wars Lorentz? Jedenfalls, wenn Du schon im MHz-Bereich angekommen bist... Die Moden liegen ja um viele GHz auseinander.
War zu befürchten. Muss es neben klein auch noch billig sein?
Wie gesagt, wir sind unter 5MHz gekommen. Unsere ganze Resonatorflanke (unsere Optik-Spezialisten nennen die Resonanzen "Features") ist nur wenige pm breit und davon nutzen wir maximal 1pm, im Normalfall eher
0.5pm. Wenn ich mich nicht verhaue entsprechen 5MHz so in etwa 0.05pm.
100MHz Linienbreite wuerde unseren kompletten Dynamikbereich aufzehren. Tut der VCSEL aber nicht, so bis 0.05pm sehen wir noch gut reproduzierbar die Nutzsignale, darunter verschwindet alles im Bodennebel. Da braeuchten wir nochmal den Faktor 10 an Verbesserung.
Die Elektronik scheint dabei ziemlich ausgeknirzt zu sein, weil jegliche Experimente mit Induktiviaeten und Kondensatoren keinerlei Aenderung mehr bringen. Anfangs gab es ein wenig Aerger, weil der PWM Regler fuer den TEC leicht hinein saeuselte. Auch ein KW Sender in der Naehe machte dabei mit, den entdeckte ich abends beim Verlassen der Firma anhand der Flugsicherungslampen. Aber das ist vorbei.
Das klingt nach Wortwahl und Größenordnung stark danach, dass Ihr an die "natürliche" Linienbreite des VCSEL gestoßen seid. Die hat ihre Ursache darin, dass die Photonen sich nur eine begrenzte Zeit lang im Resonator aufhalten. Sie verlassen ihn nahc kurzer Zeit entweder über eins der Fenster, oder werden absorbiert. Je schneller die Photonen verschwinden, um so häufiger kommt es vor, dass eine spontane Emission sich als Beginn einer Lawine von stimulierten Emissionen etablieren kann. Die Phase und in gewissen Grenzen auch die Frequenz der spontanen Emission ist zufällig. Je schneller die Photonen aus dem Resonator im Durchschnitt verschwinden, desto größer ist also der Zufalls-Anteil. Es ergibt sich ein breitbandiges Rauschen, das der Laserfrequenz überlagert ist. In Optik- Sprache ist das die homogene Linienbreite des Lasers.
Die Formel nach der man diese Linienbreite ausrechnen kann, ist wichtig genug, um einen Namen zu bekommen: "Schawlow-Townes-Limit". Je länger der Resonator ud je besser reflektierend die Spiegel, desto geringer das Limit. Damit wird das Problem der VCSELs deutlich: Mit einer effektiven Resonatorlänge, in der Größenordnung der Wellenlänge braucht es schon eine tausendfache Reflektion, um auf 1mm Lichtlaufzeit zu kommen.
Bei Diodenlasern kommt noch ein Faktor dazu, der die Kopplung der Phase an Amplitudenschwankungen angibt. Um den Laser mit elektrischen Mitteln unter die homogene Linienbreite zu bringen, braucht Ihr eine Messung der momentanen Phasen-Abweicheung, die genügend Auflösung hat und selber ausreichend rauscharm ist. Letztlich taugen dafür nur Interferometer mit hoher Finesse. Wenn das zu viel Aufwand ist, habt Ihr ein Problem.
Ein schneller Blick auf die Spezifikation der DBR-Dioden von Eagleyard belehrt mich, dass die ohne optische Rückkopplung bebenfalls eine Linienbreite weit jenseits von 1 MHz haben. Sieht so aus als gäbe es für unter 1 MHz bei Diodenlasern nur die Alternative elektronische Rückkopplung aus High-Finesse-Cavity, oder optische Rückkopplung mit den bekannten Einschränkungen.
Danke fuer die Erklaerung. Michael hatte Schawlow-Tones erwaehnt und jetzt sieht das ja wohl so aus, dass sich damit eine breitbandige Rauschglocke ergibt.
Ist nicht wegen dem Aufwand, sondern weil wir dem Sensor bei Abweichungen folgen muessen. Da koennen wir den VCSEL nicht in eine externe PLL einbinden.
Aber so wie ich das verstehe, geht das nur, wenn man sie auf einer Wellenlaenge festrasten kann. Das koennen wir leider in diesem Fall nicht machen.
(Laserlicht wird mit sich selbst nach 2km Faser hin+zurück gemischt. Der AOM dient der konstanten Verschiebung auf eine Mittenfrequenz ungleich Null, damit man auf dem Spekki auch was sieht).
Ich glaube nicht, daß sich DBR-Dioden hier um Größenordnungen unterscheiden.
@Jörg: Wenns um die Anbindung des Lasers an einen externen Resonator geht, dann google mal nach Pound-Drever-Hall. EOMs, polarisierende Strahlteiler etc. gibts bei 1550nm auch in fasergekoppelt.
Na ja, mit den VCELs entspannen sich die Probleme. Für Vibrationen sind sie zu klein. Gegen Rückkopplung sind sie wegen der hochreflektierenden Endflächen halbwegs immun. Trotzdem würde ich eine weiche, dämpfende Aufhängung und einen Faraday-Isolator spendieren. Der kostet bei Telekom- Wellenlängen nicht die Welt. Und den rauscharmen Strom sollte Joerg in den Griff bekommen, oder? Ansonsten können wir die Diskussion zu meinem Stromtreiberprojekt von vor ein paar Monaten wieder aufwärmen ;-)
Die Idee mit dem Faser-Interferometer statt einer Super-Cavity hatte einer meiner Kollegen auch mal. Damit sind in kleinem Volumen risige Interferenzlängen mit entsprechend langem Phasengedächnis möglich. Letztlich hat er es wegen Drift-Bedenken nicht realisiert. Ein nicht ganz offensichtlicher Trick liegt bei den Interferometer-Stabilisierungen darin, mit der Reflektion statt mit der Transmission zu arbeiten. Die Transmission reagiert mit Verzögerung, weil das Licht so lange zwischen den Spiegeln hin und her läuft. Die Reflektion vergleicht dagegen instantan mit dem gemittelten Licht der Vergangenheit.
Pound-Drever-Hall ist in der Tat eine häufig verwendete Technik zur Stabilisierung auf ein Interferometer. Wenn man die Frequenzmodulation direkt über den Strom macht, fängt man sich allerdings Seitenbänder im Laserlicht ein. Dagegen hilft Modulation mit einem EOM. Und wieder ist der optische Aufbau um eine Hochpreis-Komponente aufwendiger geworden... Du merkst, mit den Anforderungen an Linienbreite, mechanische Stabilität, Verstimmbarkeit und Volumen bewgtst Du Dich ein Stück jenseits dessen, was zumindest ich als Stand der Technik kenne. Würde mich interessieren, mit welchen Techniken Ihr die Ziele dann letztlich unter einen Hut gebracht habt.
Meine Erfahrungen mit Laserdioden beschränken sich auf Fabry-Perot Dioden, hauptsächlich in External-Cavity-Diode-Lasern. Diese Dioden lassen sich über die Gehäusetemperatur und den Diodenstrom beeinflussen. Die Temperatur ändert die Wellenlänge, aber so wie ich Dich verstanden habe, bekommst du damit keine nm/s hin - ist also zu langsam.
Die zweite Möglichkeit der Einflußnahme ist der Diodenstrom. Für niedrige Frequenzen einige MHz) beim Diodenstrom haben kaum noch eine Temperaturänderung zur Folge, wohl aber ändert sich der Brechungsindex wegen geänderter Ladungsträgerdichte, die Frequenz ändert sich -- aber genau in die entgegengesetzte Richtung wie bei kleinen Modulationsfrequenzen.
Daraus folgt, daß die Übertragungsfunktion Strom->Frequenz einen 180° Phasenschub hat irgendwo im Bereich um etwa 1-10 MHz. Bei VCSELs, die ja eine ganz andere Geometrie haben, können diese Zeitkonstanen natürlich völlig verschieden sein. Dieser Phasenschub macht effektiv eine Regelungsbandbreite von >>1 MHz unrealistisch, und deshalb kannst Du es im Grunde vergessen, einen Laser, der eine freilaufende Bandbreite >10MHz hat, elektronisch nur über den Diodenstrom auf eine kleine Bandbreite zu stabilisieren.
Laser sind in diesem Sinne VCOs mit einer Menge Phasenrauschen, und die Regelbandbreite ist (s.o.) durch die Physik begrenzt.
Klingt für mich nicht sonderlich verwunderlich: Die freilaufende Bandbreite eines VCSEL-Lasers ist üblicherweise >>1 MHz. Selbst DFB-Laser kommen nicht wirklich unter 1 MHz. Deine Regelschleife kann den den hochfrequenten Kram halt nicht wegregeln. Um das hinzubekommen brauchst Du entweder einen schnelleren Modulator (EOM o.ä am Ausgang), einen schmalbandigen optischen Filter, oder Du sorgst für eine schmalere freilaufende Linienbreite, indem Du entweder die Resonatorgüte hochsetzt oder den Resonator länger machst.
Naja, mechanisch läßt sich da schon ne ganze Menge machen. Notfalls halt ein Gitter im Littmann-Aufbau und einen rotierenden Polygonspiegel oder gar ein AOM zur Strahlablenkung. Mit letzterem wäre man auch die bewegten Teile los, müsste sich aber nochmal den Kopf zerbrechen, wie man den Frequenzschub kompensiert.
Eher nicht, üblicherweise ist schafft man nur wenige lambda/2 Phasenschub, was dann wenigen freien Spektralbereichen des Resonators entspräche.
Mit Seitenbaendern, die mehr als 100MHz entfernt liegen, koennten wir u.U leben.
Ja, in Sachen Stand der Technik sind wir inzwischen am Poller angekommen. Aber Ingenieure haben eine eingebaute Neugier wie Kinder. Ab und zu wird an dem Poller mal gewackelt, ob man ihn mit vereinten Kraeften nicht doch aus dem Boden ziehen kann ;-)
Da hatte ich mich wahrscheinlich misverstaendlich ausgedrueckt. Wir messen Aenderungen oberhalb 10MHz. D.h. der Rauschanteil oder sonstige unerwuenschte Anteile in der (auch unerwueschten) Modulation des Laser Output sind problematisch. Regeln muessen wir aber nur bis knapp an den kHz Bereich. Das funktioniert aus den von Dir oben genannten Gruenden bei DFB und dergleichen nicht. Ueber den Strom hat man ausser mit VCSEL nicht genuegend Ziehbereich. Ueber die Temperatur war das auch mit gut ausgeknirzter PID Regelung eines TEC (fuer langsamere weitab liegende Regelziele) nicht zu machen.
Beim VCSEL haut die Regelbandbreite ganz gut hin. Die Regelung funktioniert zumindest auf dem Labortisch problemlos. Selbst wenn ich dem VCSEL eine kalte Dusche gebe, rastet das nicht aus. Das Phasenrauschen ist aber ein Sorgenkind :-(
Problem ist, dass wir auf VCSEL angewiesen sind, die am Markt verfuegbar sind. Spezialanfertigungen sind zumindest derzeit noch nicht drin.
Mit Piezostapeln und deren Ansteuerung kenne ich mich dank beruflicher Vorgeschichte ganz gut aus. Mal sehen. Aber das sieht nach aetzend viel Aufwand aus und demnaechst wollen wir "mal eben" einige Dutzend aufbauen...
Schnelle Periodenaenderungen sind bei Ultraschall kein Problem. Letztendlich kann man damit aber nur Druecke und mechanische Spannungen auf Gitter und dergleichen erzeugen bzw. regeln.
Ja, der lange Resonator ist ein Problem. In diesem Fall ein grosses, weil die ganze Sache eben nicht so gross sein kann und auch nicht >$1000 gehen sollte.
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