Amplified Spontaneous Emission

ASE is the abbreviation of Amplified Spontaneous Emission.

Compared to the Superlumineszenzdioden – SLD it also provides a broad output spectrum at high optical output power. But differs in its spectral shape, which here is linear distributed over the whole bandwidth.

Spectrum of ASE source

Spectrum of ASE source for measurement of PDL

 

Optische und Physikalische Grundlagen der ASE-Lichtquelle

Bei der Lichtquelle des Messsystems handelt es sich um eine sogenannte ASE-Lichtquelle. Dabei wird eine Erbium-dotierte Faser (Er-Faser) mit Hilfe eines Pumplasers bis zur Superlumineszenz angeregt. Diese emittiert daraufhin breitbandiges unpolarisiertes Licht.

 

Wellenlängen im Filterchip

Im linken Teil des Bildes ist die reflektierte Wellenlänge (durchgezogene Linie) mit Kantenfilterung (gestrichelte Linie) zu sehen. Die graue Fläche zeigt den Teil des Lichtes, den die Diode im Filterchip erfasst. Die graue Fläche im rechten Teil der Abbildung zeigt den spektralen Anteil des Lichtes, der von der Referenzdiode erfasst wird.

Bei einer Er-Faser werden während des Herstellungsprozesses Erbium Atome in die Faser eingebracht. Die typische Konzentration der dieser Atome in den Fasern liegt bei einigen Hundert Teilen pro Million. Erbium ist ein Metall aus der Serie der Lanthanoide. Es gehört zu den sogenannten „seltenen Erden“.

Wird die Er-Faser mit Licht aus einem Pumplaser mit der Wellenlänge 980nm angeregt, so werden die darin enthaltenen Erbium-Atome durch Absorption eines Photons auf ein höheres Energieniveau (E3) gehoben. Die Teilchen bleiben nur für sehr kurze Zeit in diesem Zustand und fallen anschließend auf ein mittleres Niveau. Dieser Zustand hat eine relativ lange Überlebensdauer (> 1 ms). Fallen diese Atome wieder auf ihr ursprüngliches Energieniveau (E1) herab, geben sie ein Photon ab. Dieser Effekt wird spontane Emission genannt.

 

Beschreibung des Effektes der spontanen Emission

Eine Lichtquelle strahlt breitbandiges Licht über einen 1×2 Koppler in ein FBG, das die Wellenlänge ?B reflektiert. Der 1×2 Koppler spaltet das Licht zu gleichen Anteilen auf. Ein weiterer 1×2 Koppler teilt das Licht abermals in zwei identische Anteile auf. Ein Teil strahlt dabei auf die Referenzdiode, der andere durch ein Kantenfilter auf die Filterdiode.

Ist die Pumpleistung des Lasers hoch genug und sind genügend Atome im angeregten Zustand, tritt eine Besetzungsinversion auf. Dabei befinden sich mehr Atome im angeregten (E2 und E3) als in dem Usprüngszustand (E1). Die Wahrscheinlichkeit, dass ein durch spontane Emission freigesetztes Photon auf ein Atom im angeregtem Zustand trifft ist höher, als die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Photon ein ungeladenes Teilchen trifft und somit absorbiert wird. Trifft das Photon auf ein Er-Atom im angeregtem Zustand, so kann es ein weiteres Photon freisetzen. Es entsteht eine Kettenreaktion, welche als Superlumineszenz – SLD oder Amplified Spontaneous Emission bezeichnet wird.

Da die Polarisation des abgegebenen Photons zufällig auftritt, ist das emittierte Licht unpolarisiert. Die elektromagnetischen Wechselwirkungen, der die Atome ausgesetzt sind, führen zu leicht unterschiedlichen Energieniveaus. Da die Wellenlänge von dem Energiegehalt des Photons abhängt, ist das emittierte Licht breitbandig. Die Heisenberg’sche Unschärferelation führt zu einer weiteren Verbreiterung des Spektrums.

Überblick über die Effekte innerhalb einer Erbium dotierten Faser

 

Der Aufbau einer solchen ASE-Lichtquelle kann Abbildung 2.11 entnommen werden. Ein Pumplaser regt über einen WDM-Koppler eine Erbium-dotierte Faser der Länge 10 m mit einer Wellenlänge von 980nm an. Das emittierte breitbandige Licht wird durch den WDM-Koppler (Wavelength Division Multiplexing – WDM) und einen optischen Isolator hinausgeführt.