Für mehr Kopplungseffizienz: Infrarot-Kameras messen Genauigkeit von Laserstrahlen

Um die Ursprungssignale möglichst verlustfrei in die Glasfaserkabel einspeisen zu können, kontrollieren Telekommunikationsunternehmen mit Hilfe von Laser Beam Profilern, ausgestattet mit Infrarotkameras von Allied Vision, die Leistungswerte der Laser.

Visualisierung eines Laserstrahls

Seit jeher nutzt der Mensch optische Signale zur Kommunikation über weite Entfernungen - von Rauchzeichen über Lichtkennungen von Seezeichen bis hin zu modernen Kommunikationsmedien. Die Menge der Daten, die in Echtzeit übermittelt werden muss, ist dabei unaufhörlich gestiegen und erforderte die Entwicklungen immer leistungsfähigerer Übermittlungsmethoden. Im Zeitalter von Internet und Multimedia dienen Laserstrahlen dank einer Übertragungskapazität von mehr als 100 Terahertz als optischer Informationsüberbringer. Glasfaserkabel eignen sich dabei besonders gut für das Transportieren dieser optischen Signale und sind klassischen Kupferkabeln hinsichtlich Bandbreite weit überlegen. In der glasfaserbasierten Netzwerktechnik haben sich Lichtimpulse mit einer Wellenlängen von 1.300 Nanometer und 1.550 Nanometer (nm) durchgesetzt, da bei diesen Werten die materialspezifischen Lichtverluste der Glasfaser am geringsten sind.

 

Kurzwellige Infrarotstrahlung im Visier
Jeder Internetnutzer, der seine Telefonleitung  nutzt, um online Videos oder Fernsehen zu schauen oder andere Dienste in Anspruch zu nehmen, erwartet eine möglichst störungsfreie Bild- und Tonqualität. Um die Qualität und Stabilität des gesendeten Lasersignals sicherzustellen, nutzen Telekommunikationsunternehmen Laserstrahlanalysegeräte,  sogenannte Laser Beam Profiler. Für den effektiven Einsatz des Lasers ist die Kontrolle und Einhaltung von Parametern wie z.B. Strahllage und -größe, Laserstrahlleistung und Laserstrahlverteilung von höchster Bedeutung. Streuverluste der Strahlung sowie verschiedene Einfallwinkeln sollen vermieden werden, wenn die Lichtsignale in das Kabel gekoppelt werden. Bei einem Durchmesser der Faser von ca. 6 µm stellt es eine Herausforderung dar, den Strahl so zu bündeln und auszurichten, dass die Kopplungseffizienz, d.h. das Verhältnis vom Ursprungsstrahl zu gekoppelter Leistung, optimal ist. Live-Messungen der entscheidenden Parameter versetzen die Telekommunikationsanbieter in die Lage, kontinuierlich den Strahl zu kalibrieren und damit die Leistung zu optimieren.

Die CINOGY Technologies GmbH aus Duderstadt ist ein Anbieter von hochwertigen Laserstrahlcharakterisierungssystemen. Ihre Laserstrahlanalysegeräte für den nahen Infrarotbereich, in den die Telekommunikationswellenlängen fallen, basieren auf modernen InGaAs Sensoren (Indiumgalliumarsenid-Sensoren) und sind mit Infrarot-Kameras von Allied Vision ausgestattet. Im kurzwelligen Infrarotbereich eignen sich Strahlanalysegeräte auf Basis von InGaAs-Sensoren besonders zum Vermessen von Lasern. Da CCD und CMOS-Sensoren für Wellenlängen nur bis max. 1.100 nm verwendet werden können, erweitern Kameras auf Basis von InGaAs-Sensoren den messbaren Wellenlängenbereich bis zu 1.700 nm.

Je nach geforderter Auflösung setzt CINOGY die Infrarotkameras Goldeye G-008 SWIR (320x256 Pixel) oder Goldeye G-033 SWIR (640x512 Pixel) von Allied Vision zum Laser Beam Profiling ein. Beide Kameramodelle verfügen über einen SWIR (short wave infrared) InGaAs FPA Sensor und sind im Spektralbereich von 900 nm bis 1.700 nm empfindlich.

Dank einer Standard Gigabit-Ethernet-Schnittstelle mit integrierter Stromversorgung über Ethernet sowie umfangreicher Input/Output-Steuerungsoptionen lassen sich die Kameras problemlos in die komplexen Laser Beam Profiler der CINOGY Technologies GmbH integrieren, betreiben und steuern. Die gekühlten Sensoren innerhalb der Kamera zur Laserstrahlcharakterisierung ermöglichen eine Steigerung der Empfindlichkeit und ein niedriges Grundrauschen auch bei langen Belichtungszeiten.


Visualisierung des Laserprofils
Die Laserstrahlung wird direkt auf den InGaAs-Sensor geführt und kann dann analysiert werden.
Die Auswertung der von der Kamera erfassten Daten erfolgt mit der von CINOGY Technologies entwickelten Analysesoftware RayCi. Das Programm ermöglicht in Echtzeitmessung eine kontinuierliche Kontrolle der Strahlparameter, wie beispielsweise der Kopplungseffizienz. Sind unerwünschte Strukturen im Strahl, zeigt das Laserprofil die Signalverluste live im System an. Um die Stabilität der Leistung zu messen, werden Werte über einen definierten Zeitverlauf gemessen und miteinander verglichen.

Visualisiert werden die entscheidenden Parameter in verschiedenen zweidimensionalen Profilen, die die Form und Verteilung des Strahls wiedergeben. Farblich abgestufte Skalen heben die unterschiedlichen Ausprägungen hervor. Als Ansicht kann sowohl die Seitenperspektive als auch die Draufsicht gewählt werden.

Die Software bietet zudem eine XML-RPC Schnittstelle zur Fernsteuerung der Software. Dies ermöglicht eine effiziente und einfache Integration der Strahlanalyse in externe Anwendungen. Das Besondere an dieser Schnittstelle ist die einfache Implementierung in unterschiedlichen Systemplattformen via XML-Befehle. RayCi kann damit beispielsweise über LabView Anwendungen, Skripte oder Excel gesteuert werden. Zudem stehen Dynamische Link-Bibliotheken (DLL) für unterschiedliche Programmiersprachen zur Verfügung. Diese erlauben auch eine Integration in sehr spezifische Applikationen.


Komplexe Systeme und einfache Anwendungen

„Mit Laserstrahlcharakterisierungssystemen auf Basis von InGaAs Sensoren wird es Anwendern aus dem Bereich der Telekommunikation ermöglicht, Laserstrahlanalyse und -optimierung im Infrarotbereich durchzuführen, was mit Systemen auf Basis von CCD oder CMOS Sensoren nicht möglich ist“, betont Andy Kaemling, Geschäftsführer bei CINOGY Technologies die Wahl der Goldeye-Kameramodelle von Allied Vision für die Ausstattung der Laser Beam Profiler. Die Infrarotkameras kommen jedoch nicht nur in komplexen Systemen zur Anwendung. „Im einfachsten Fall wird der Laser einfach auf den Sensor der Kamera „geschossen“ und die Kamera wandelt das Infrarotlicht in eine sichtbare Aufnahme des Lasers um“, so Kaemling.

Die Laserstrahlcharakterisierungssysteme auf Basis von InGaAs Sensoren sind bereits weltweit im Einsatz. Derzeit entwickelt CINOGY Technologies ein neues Messsystem, das hauptsächlich für den Infrarot-Spektralbereich konzipiert ist und auf die Infrarot-Kameras von Allied Vision als festen Bestandteil des Systems setzt.