Funktionsprinzip und Einsatzgebiete
Optische Spektrumanalysatoren kompakt erklärt
Steigende Datenraten und komplexe Lichtquellen erfordern präzise Messverfahren. Optische Spektrumanalysatoren liefern präzise Informationen zu Wellenlänge, Leistung und Rauschen – von DWDM bis zur Laserentwicklung. Wie funktionieren sie und warum sind sie in vielen Anwendungen unverzichtbar?
Optische Technologien werden in der modernen Datentechnik immer wichtiger. So zum Beispiel beim Ausbau des Glasfasernetzes für die Telekommunikation oder für verschiedenen Anwendungen mit Lasern oder LEDs. Dadurch werden auch vermehrt Test- und Prüfverfahren in allen Lebenszyklen optischer Komponenten benötigt, von der Forschung und Entwicklung über Tests in Produktion und Qualitätssicherung bis hin zum einwandfreien, störsicheren und effizienten Betrieb. Herausforderungen sind insbesondere das dichte Multiplexing von Wellenlängen, engere Kanalabständen und vielfältige neue optische Quellen und Übertragungsprotokolle.
Der „klassische“ Spektrumanalysator
Bild 2: Zeit- vs. Frequenzdarstellung eines Signals - Funktionsprinzip des klassischen Spektrumanalysators
Während ein Oszilloskop in seiner Grundfunktion einen Signalverlauf über die Zeit darstellt (Zeit-Domäne), ist der Spektrumanalysator für den Frequenzbereich (Frequenz-Domäne) zuständig: Er zeigt das Signal nicht unmittelbar, sondern als Frequenzspektrum. Mit dem Spektrumanalysator gewinnt man demnach eine Übersicht, welche Signale oder Störsignale sich auf welchen Frequenzen befinden. Die horizontale Achse der Darstellung repräsentiert dabei die Frequenz (vergl. beim Oszilloskop: dort ist die X-Achse die Zeitachse), die vertikale Achse stellt die Amplitude dar. Ein ideales Sinus-Signal wird in der Frequenzdomäne von einer einzigen Spektrallinie repräsentiert, also der Grundfrequenz bzw. ersten Harmonischen ohne weitere Harmonische. Andere Signalformen lassen sich mit Hilfe der Fourier-Analyse als Frequenzspektrum beschreiben, also als Zusammensetzung aus verschiedenen sinusförmigen Frequenzanteilen und deren Amplitude. Dabei ist die Grundfrequenz (erste Harmonische) die unterste Frequenz, dann folgen die Oberschwingungen/Harmonischen. Nichtperiodische Signale wie zum Beispiel Impulse haben ein kontinuierliches Spektrum, periodische Signale ein Linienspektrum. Das Spektrum eines idealen Rechtecksignals zum Beispiel hat rechts neben der Grundfrequenz theoretisch unendlich viele, in der Amplitude immer kleiner werdende Harmonische (Bild 3).
Bild 3: Beispiele der Spektren einiger (idealer) Standard-Signale
Es gibt verschiedene technische Verfahren, nach denen klassische Spektrumanalysatoren arbeiten (Sweep-Verfahren „GPSA“, hybrid, Fast-FourierTransformation, Echtzeit „RTSA“) mit jeweils Vor- und Nachteilen bzw. Preisklassen. Solche Geräte sind inzwischen in einem breiten Angebot als Standard-Messinstrumente auf dem Markt erhältlich und sollen hier nicht weiter behandelt werden. Das Eingangssignal für einen klassischen Spektrumanalysator ist typischerweise ein elektrisches Signal. Funksignalarten können durch entsprechende Sensorik/Wandler in diese umgesetzt und analysiert werden (Antennen, Nahfeldsonden etc.).
Der optische Spektrumanalysator
Ein optischer Spektrumanalysator (OSA) erweitert das Prinzip der Spektrumanalyse auf den optischen Bereich. Der OSA misst die Leistungsverteilung einer optischen Quelle über einen bestimmten Wellenlängenbereich und stellt sie grafisch dar. Ähnlich wie beim klassischen Spektrumanalysator repräsentiert beim OSA die y-Achse die Leistung und die x-Achse die Wellenlänge. Wichtige Parameter, die von Interesse sind und von einem OSA gemessen werden, sind demnach die Wellenlänge, der Leistungspegel, außerdem die Rauscheigenschaften (zum Beispiel optisches Signal-Rausch-Verhältnis OSNR) der Lichtquelle.
Bild 4: Vereinfachtes Blockschaltbild eines Optischen Spektrumanalysators
Vereinfacht dargestellt wandelt beim OSA ein Fotodetektor die Lichtenergie in messbare elektrische Energie/Leistung um, dediziert für bestimmte Wellenlängen. Der OSA arbeitet dazu in mehreren Schritten: Zunächst durchläuft das Licht einen optischen Filter (Monochromator mit Beugungsgitter oder Interferometer). Der Filter trennt das Licht in seine einzelnen Wellenlängenbestandteile auf. Nun wandelt ein Fotodetektor die aufgetrennten optischen Signale in elektrische Signale um. Diese werden wiederum von einem A/D-Wandler in vom Prozessor verarbeitbare Daten umgesetzt. Für die Visualisierung zeigt ein Bildschirm die Leistung (Y-Achse) in Abhängigkeit von der Wellenlänge (X-Achse) an.
Anwendungsgebiete optischer Spektrumanalysatoren
In modernen Langstrecken-Glasfasernetzten werden über eine einzige Glasfaser viele optische Trägerfrequenzen übertragen. Um dies zu realisieren, wird ein optisches Multiplex-Verfahren genutzt. Gängige Bezeichnungen sind WDM (Wellenlängenmultiplexverfahren, englisch Wavelength Division Multiplex), WDMA (Wavelength Division Multiplex Access) oder DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Dabei werden aus verschiedenen Wellenlängen bestehende Lichtsignale eingesetzt. Hier sind genaue Messungen der optischen Leistung und des OSNR wichtig, damit eine optimale Leistung über lange Strecken gewährleistet ist. Der OSA wird auch eingesetzt zur Ermittlung des Seitenmodenunterdrückungsverhältnisses (SMSR/Side Mode Suppression Ratio). Dieses beschreibt das Leistungsverhältnis der Mode mit der höchsten Intensität zur Mode mit der zweithöchsten Intensität. Für die Übertragung in Glasfasern ist ein hohes Seitenmodenunterdrückungsverhältnis wichtig, um Übersprechen zu unterdrücken. Weiterhin können das Verstärkerrauschen und die Durchlässigkeit und Reflektivität von optischen Komponenten bei bestimmten Wellenlängen geprüft werden. Solche Messungen sind über die gesamte „Lebenszeit“ von Übertragungsstrecken erforderlich, von der Entwicklung über die Produktion bis hin zum praktischen Einsatz. Auch in der Forschung und Entwicklung neuer optischer Technologien auf Basis von Lasern und LEDs werden optische Spektrumanalysatoren eingesetzt. Später in der Serienfertigung optischer Komponenten haben OSA ihre Einsatzbereiche im Testfeld und in der Qualitätssicherung für Messungen wie Bandbreite, Kanal- und Rauschleistung sowie dem OSNR.
Bild 1: Optischer Spektrumanalysator Ceyear 6362D
Ein Beispiel ist der OSA Ceyear 6362D (im deutschen Vertrieb der Meilhaus Electronic GmbH). Er deckt einen Wellenlängenbereich von 600 bis 1700 nm ab. Damit eignet er sich für die beschriebenen Mess- und Testverfahren zum Beispiel für DWDM, optische Verstärker und andere aktive und passive optische Komponenten wie LED, FP-LD, DFB-LD, optische Transceiver, optische Fasern und Fasergitter. Die minimale Spektrumauflösung beträgt 20 pm, der Dynamikbereich 78 dB. Ein 12,1-Zoll/30,7-cm-Touchscreen sorgt sowohl für eine intuitive Bedienung als auch eine klare grafische Darstellung der Messergebnisse.
Der Autor: Ernst Bratz ist technischer Marketing Manager bei Meilhaus Electronic