Ursachen für optisches Chirp und wie man es reduziert

Ein optischer Chirp ist eine plötzliche Änderung der Mittenwellenlänge eines Lasers, die durch Laserinstabilität verursacht wird. Ein Chirp ist eine Signalfrequenz, die mit der Zeit zunimmt, was „Up-Chirp“ genannt wird, oder abnimmt, was man „Down-Chirp“ nennt. In einigen Quellen wird der Begriff „Chirp“ synonym mit „Sweep-Signal“ verwendet.

Chirp tritt auf, wenn die ansteigende Flanke eines Impulses eine leicht andere Frequenz hat als die abfallende Flanke. Wenn am Sendeende Impulse erzeugt werden, führt die Intensitätsmodulation aufgrund der trägerinduzierten Änderung des Brechungsindex zu einer Phasenmodulation. Diese Änderung ist naturgemäß auf die Laserlinienbreite zurückzuführen. Der Chirp-Effekt kann durch den Einsatz externer Modulatoren reduziert werden.

Wenn der Modulator den Laser pulsiert, kann ein Unterschied im Brechungsindex des Laserausgangs einen Chirp in einem WDM-System (Wellenlängenmultiplex) verursachen. WDM kombiniert verschiedene Signale auf Laserstrahlen mit unterschiedlichen Infrarotwellenlängen (IR) zur Übertragung auf Glasfasermedien. Jeder Laser wird durch einen unabhängigen Satz von Signalen moduliert. Modulation kann erreicht werden, indem ein serieller Datenstrom einem Trägersignal überlagert wird, indem einer der Parameter des Trägersignals geändert wird. In einem optischen Netzwerk werden Daten auf das Licht moduliert, das ein Laser aussendet.

Der Begriff Chirp wird umgangssprachlich auch verwendet, um die Frequenzverschiebung zu bezeichnen, die bei einigen Laserquellen auftritt, wenn ihre Intensität geändert wird. In einem optischen System mit chromatischer Dispersion führt dies zu Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit für verschiedene Teile eines amplitudenmodulierten Signals.

Ein Beispiel für optischen Chirp ist eine Halbleiterlaserdiode. Der Brechungsindex des Halbleitermaterials hängt vom Strom durch das Material ab. Wenn der Laser moduliert wird, ändert sich die Stromdichte, wodurch sich die optische Länge (physikalische Länge) ändert × Brechungsindex) des Hohlraums, wodurch die Mittenfrequenz der Laserdiode verschoben wird.

Chirp-Signale kommen in vielen verschiedenen Anwendungen vor, von Radar, Sonar, Spread Spectrum, optischer Kommunikation, Bildverarbeitung, Doppler-Effekt, FM-Modulation oder als Gravitationswellen. Frequenz-Chirp kann die Leistung eines Glasfasersystems einschränken, da die direkte Modulation eines Halbleiterlasers im Allgemeinen von einer Phasenmodulation begleitet wird. Durch den Frequenz-Chirp wird das Spektrum eines optischen Impulses erheblich verbreitert. Durch die Verwendung eines externen Modulators, z. B. eines DFB-Lasers (Distributed Feedback), wird der Frequenz-Chirp entfernt, da er kontinuierlich eingeschaltet ist. Es erfolgt kein Ein- und Ausschalten, wodurch das Problem auftreten kann. 

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