High-accuracy characterization of optical components : detectors, coatings and fibers

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2006-12-01
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
57, [29]
Series
TKK dissertations, 50
Abstract
The work described in this thesis is concentrating on the high-accuracy characterization of optical components. Two trap detectors utilizing germanium and GaAsP photodiodes are constructed and characterized. The results for germanium detectors show that trap detector is well-suitable for applications where harmful inter-reflections need to be avoided. Furthermore, the spatial uniformities of the germanium photodiodes have improved significantly during the recent years. However, germanium detectors have relatively low shunt resistance, which needs to be taken into account when high-accuracy measurements are carried out. Unlike silicon detectors, the GaAsP detectors offer smooth spectral responsivity in the ultraviolet wavelength region and solar blindness. In addition the trap configuration approximately doubles, otherwise relatively low, spectral responsivity of the GaAsP photodiodes. The responsivity of both studied trap detectors is traceable to the cryogenic radiometer making them suitable for absolute power calibrations. The reliability of the optical characterization methods relies strongly on the accuracy and properties of the applied detectors. High precision spectrophotometric measurements performed at various oblique angles of incidence can improve the determination of optical parameters of thin films. However, this requires systematic error factors such as misalignment in polarization plane and incidence angle and quality of beam collimation to be taken into account. The spectral reflectance and transmittance measurements are carried out for incidence angles varying between normal and Brewster's angle and the results are compared. For the first time, the reached consistency of ∼ 0.2 % between the results confirms the accuracy of the spectrophotometric characterization technique. The determination of nonlinearity of optical fibers has become more important as the transmission lengths and used optical power has increased in optical long-haul networks. In the thesis, two major improvements for the continuous-wave self-phase modulation method for the determination of nonlinear coefficient of optical fibers have been demonstrated. The first one is a technique to take the effects of dispersion into account by using mathematical modeling based on the Nonlinear Schrödinger Equation. Another one is a measurement scheme of high fiber optic power based on the integrating sphere detector. Together these improvements reduce the uncertainty in the determination of nonlinear coefficient to the level of 2.0 % (k = 2).

Väitöskirjassa esitellään germanium- ja GaAsP- pohjaisten valoilmaisimen karakterisointiprosessi. Molemmat ilmaisimet on toteutettu niin kutsuttua loukkuilmaisintekniikkaa käyttäen, mikä vähentää takaisinheijastusten määrää verrattuna yksittäiseen valodiodiin. Tehty tutkimus osoittaa, että etenkin suuripinta-alaisten germanium-valodiodien paikkavasteen tasaisuus on parantunut selvästi viime vuosien aikana. Vaikka germanium soveltuukin käytettäväksi tarkoissa lähi-infrapuna-alueen mittauksissa, täytyy sen suhteellisen alhainen rinnakkaisvastus ottaa huomioon valittaessa sopivaa transimpedanssivahvistinta. GaAsP-valodiodien käyttö loukkuilmaisinrakenteena nostaa valodiodien melko alhaisen spektrisen herkkyyden kaksinkertaiseksi. Lisäksi GaAsP-valoilmaisimilla on kaksi merkittävää etua yleisesti käytettyihin pii-pohjaisiin ilmaisimiin verrattuna. GaAsP-valodiodien spektrinen herkkyys on tasainen ultraviolettialueella ja niiden herkkyys rajoittuu näkyvälle valolle tehden niistä sokeita infrapuna-alueen valolle. Tarkkoja valon spektrimittauksia voidaan hyödyntää myös ohutkalvojen optisten ominaisuuksien kartoittamisessa. Työssä esitellään tekniikka, jossa näytteelle osuvan valon tulokulmaa muuttamalla voidaan parantaa ohutkalvojen taitekertoimen ja paksuuden määrittämisen luotettavuutta. Näiden eri kulmissa suoritettujen heijastus- ja läpäisymittausten tulokset ovat yhteneviä ∼0,2 % tarkkuudella. Väitöskirjassa esitetyt tulokset osoittavatkin, että huomioimalla ja poistamalla systemaattisten virhelähteiden vaikutus voidaan ohutkalvojen karakterisoinnissa saavuttaa erittäin tarkkoja tuloksia. Tulosten yhdenmukaisuus myös varmentaa ensi kertaa spektrofotometrisen menetelmän luotettavuuden optisten ohutkalvojen karakterisoinnissa. Tiedonsiirrossa on tärkeää pystyä ennalta arvioimaan siirtotien vaikutus siirrettävään signaaliin. Käytettäessä suuria optisia tehoja alkavat niin kutsutut epälineaariset ilmiöt vääristämään valokuidussa etenevää signaalia. Tämän takia olemme kehittäneet parannuksia mittausmenetelmään, joka hyödyntää kaksitaajuisen signaalin kokemaa itseisvaihemodulaatiota valokuidun epälineaarisuuden määrittämisessä. Väitöskirjassa esitetään helposti käyttöönotettava tekniikka, jonka avulla voidaan ottaa huomioon kuitudispersion vaikutus epälineaarisuusmittauksen tuloksiin. Työssä on myös toteutettu mittausjärjestely, jolla voidaan pienentää tehomittauksesta syntyvä epävarmuuskomponentti 1,5 %:iin. Näiden parannusten ansiosta valokuidun epälinaarisuus n2/Aeff voidaan määrittää aiempaa selvästi luotettavammin 2 %:n (k = 2) tarkkuudella.
Description
Keywords
measurement standard, thin films, spectrophotometry, nonlinear fiber optics, ultraviolet, infrared, mittanormaali, ohutkalvot, spektrofotometria, epälineaarinen kuituoptiikka, ultravioletti, infrapuna
Other note
Parts
  • A. Lamminpää, M. Noorma, T. Hyyppä, F. Manoocheri, P. Kärhä and E. Ikonen, Characterization of germanium photodiodes and trap detector, Measurement Science and Technology 17, 908-912 (2006). [article1.pdf] © 2006 Institute of Physics Publishing. By permission.
  • M. Noorma, P. Kärhä, A. Lamminpää, S. Nevas and E. Ikonen, Characterization of GaAsP trap detector for radiometric measurements in ultraviolet wavelength region, Review of Scientific Instruments 76, 033110 (2005). [article2.pdf] © 2005 American Institute of Physics. By permission.
  • A. Lamminpää, S. Nevas, F. Manoocheri and E. Ikonen, Characterization of thin films based on reflectance and transmittance measurements at oblique angles of incidence, Applied Optics 45, 1392-1396 (2006). [article3.pdf] © 2006 Optical Society of America (OSA). By permission.
  • A. Lamminpää, T. Niemi, E. Ikonen, P. Marttila and H. Ludvigsen, Effects of dispersion on nonlinearity measurement of optical fibers, Optical Fiber Technology 11, 278-285 (2005).
  • A. Lamminpää, T. Hieta, J. Envall and E. Ikonen, Reliable determination of optical fiber nonlinearity using dispersion simulations and improved power measurements, Journal of Lightwave Technology, accepted for publication (2006). [article5.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-008473