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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Frequenzspektrums einer sich in einem Wellenleiter, insbesondere einer optischen Faser, ausbreitenden Probenstrahlung, wobei die Intensität der Probenstrahlung als Ausgangssignal eines am Ende des Wellenleiters angeordneten und für die Aufnahme der Probenstrahlung geeigneten Detektors gemessen wird. Die Erfindung betrifft zudem ein System zur Umsetzung des Verfahrens.
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Es ist bekannt, eine solche Frequenz- respektive Wellenlängenmessung insbesondere im optischen Bereich elektromagnetischer Strahlung mittels eines Spektrometers durchzuführen, wobei die Funktion des Spektrometers auf der von der Wellenlänge abhängigen Ablenkung des Lichtes beruht. So hat beispielsweise ein einfaches Glasprisma unterschledliche Brechungsindizes für unterschiedliche Wellenlängen, wobei Wellen unterschiedlicher Wellenlänge durch die besondere Form des Prismas in unterschiedliche Richtungen gebrochen werden. Aus dem Winkel der Ablenkung lässt sich die Wellenlänge bestimmen. Im Gegensatz dazu beruhen Gitterspektrometer auf dem Prinzip der von der Wellenlänge abhängigen Beugung der Strahlung. Optische Prismen und Gitter können zwar einen großen spektralen Bereich überdecken. Allerdings ist ihre Auflösung verhältnismäßig gering.
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So ist die Auflösung eines Gitters von der Dichte seiner Linien abhängig. Soll die Auflösung erhöht werden, muss die Liniendichte vergrößert werden. Dabei ist das Auflösungsvermögen eines Gitters gegeben durch den Zusammenhang c/(Δf × λ) = m N, wobei N die Anzahl der Gitterlinien, λ die zentrale Wellenlänge, Δf die minimale Frequenzauflösung, m die Ordnung des Gitters und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Demnach benötigt ein Gitter für den entsprechenden Einsatz in der optischen Nachrichtentechnik, die sich im Wellenlängenbereich um die 1550 nm abspielt, etwa 20.000.000 Linien, um eine Auflösung von 10 MHz zu realisieren. Derart hohe Liniendichten sind technologisch kaum zu realisieren.
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Ein weiterer Nachteil konventioneller Spektrometer ist, dass sich das Licht vor und hinter dem Prisma respektive dem Gitter im Freiraum ausbreiten muss. Da die Wellen in der Nachrichtentechnik jedoch in optischen Fasern geleitet werden, müssen diese für eine Wellenlängenmessung zunächst aus der Faser ausgekoppelt werden, um dann über Linsen und Spiegel auf das Gitter gelenkt zu werden. Dadurch wird ein Gitterspektrometer kompliziert, teuer und anfällig gegen mechanische Belastung.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren und ein System zur Wellenlängenmessung zu schaffen, das auf eine Auskopplung der Strahlung aus dem Wellenleiter verzichten kann, das sich mit einfachen Mitteln kostengünstig umsetzen lässt und das bei hoher Auflösung und Genauigkeit robust und zuverlässig ist.
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Diese Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das System nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
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Die Erfindung baut auf der aus der
EP 1 562 028 A1 bekannten Vorgehensweise auf, eine zweite Pumpstrahlung bekannter Frequenz in den Wellenleiter einzukoppeln und aus einer Wechselwirkung zwischen der Probestrahlung und der Pumpstrahlung, insbesondere über den Effekt der Brillouin Streuung, auf das Frequenzspektrum der Probestrahlung zu schließen. Die Einkopplung der Pumpstrahlung, die insbesondere Laserstrahlung ist, in den Wellenleiter erfolgt derart, dass die Pumpstrahlung eine sich in Rückwärtsrichtung entgegen der Probenstrahlung ausbreitende Komponente hat. Idealerweise propagiert die Pumpstrahlung in entgegengesetzter Rückwärtsrichtung der Probenstrahlung.
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Dabei wird die Frequenz der Pumpstrahlung über einen Bereich durchgestimmt, in dem das Spektrum der Probenstrahlung zu erwarten ist. Unter bestimmten später zu beschreibenden Voraussetzungen kommt es bei bestimmten Frequenzen der Pumpstrahlung zu einer Wechselwirkung mit der Probenstrahlung, wobei der Effekt dieser Wechselwirkung vom Detektor registriert wird und so das Ausgangssignal des Detektors beeinflusst. Dieses wird entsprechend in Abhängigkeit der Frequenz der Pumpstrahlung registriert, wobei aus Intensitätsschwankungen die Frequenz der Probenstrahlung bestimmt wird. Der wesentliche Grundgedanke der beanspruchten Erfindung liegt darin, dass sich die Pumpquelle neben des Lasers eines durchstimmbaren Modulators zur Veränderung der Frequenz der Laserquelle bedient.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der einfachen Realisierung, da alle benötigten Bauteile Standardprodukte der optischen Nachrichtentechnik sind, die in großer Stückzahl und damit preiswert hergestellt werden können. Ein solches System ist robust und praxistauglich und ermöglicht die Ausmessung einer Probestrahlung mit großer Genauigkeit und bislang unerreicht hoher Auflösung. Dabei lässt sich die Erfindung generell zur Bestimmung der Wellenlänge auf allen Gebieten der Optik einsetzen, wobei ein besonders vorteilhaftes Einsatzgebiet der Erfindung die optische Nachrichtentechnik ist. Dort ist die genaue Kenntnis der Wellenlänge des einzelnen Kanals entscheidend für die Funktion des gesamten Systems, da Informationen auf unterschiedlichen Wellenlängen-Kanälen übertragen werden. Schon an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der „optische Bereich” im Sinne der Erfindung nicht nur den Bereich des sichtbaren Lichtes ist, sondern darüber hinaus auch weit in die Bereiche des Infrarot und Ultraviolett hineinreicht.
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Außerdem sei darauf hingewiesen, dass die Merkmale „Wellenlänge” und „Frequenz” gewissermaßen synonym verwendet werden, da beide Größen in definiertem Zusammenhang stehen. Ist die Wellenlänge λ im Vakuum bekannt, so lässt sich daraus die Frequenz f der Welle durch die einfache Beziehung f = c0/λ ermitteln, wobei c0, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Wird die Wellenlänge in einem Medium gemessen, gilt dieselbe Beziehung, jedoch muss in diesem Fall die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit c0 durch die Lichtgeschwindigkeit im Medium c ersetzt werden. Für den Zusammenhang zwischen diesen Werten gilt c = c0/n mit n als dem Brechungsindex des Materials.
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Auch wenn andere elastische oder inelastische Streueffekte, wie die Raman Streuung, genutzt werden könnten, so ist es besonders vorteilhaft, die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS), die sich durch ihre geringe Bandbreite auszeichnet, zur Bestimmung der Wellenlänge zu nutzen. Ein besonderer Vorteil der SBS resultiert auch daraus, dass sie ein nichtlinearer Effekt mit kleinem Schwellwert ist. So genügen bereits wenige mW an optischer Leistung, um die SBS in optischen Fasern anzuregen. Ein weiterer wichtiger Effekt, der auch bei der SBS beobachtet wird, ist die Erzeugung einer sogenannten Stokeswelle, die ein zu niedrigeren Frequenzen verschobenes Spektrum aufweist und sich in entgegengesetzter Richtung zur Pumpstrahlung ausbreitet. Dabei wird bei der SBS der größte Teil der Leistung einer starken Pumpstrahlung an die Stokeswelle übertragen.
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Bei einer Wellenlänge der Pumpstrahlung von 1550 nm hat die Stokeswelle in Standard-Singlemode-Glasfasern (SSMF) eine Frequenzverschiebung von etwa 11 GHz gegenüber der Pumpstrahlung, wobei die Frequenzverschiebung von der Art der Faser, von der Temperatur und von der Wellenlänge der Pumpstrahlung abhängt. Da die Bandbreite, in der die SBS auftritt, verhältnismäßig klein ist, lässt sich mit der Pumpstrahlung eine gegenläufige Probenstrahlung verstärken, wenn der Frequenzunterschied zwischen Pumpwelle und Probenwelle der SBS-Frequenzverschiebung entspricht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Intensität der Pumpstrahlung so bemessen wird, dass sie innerhalb des Wellenleiters in Abwesenheit der Probenstrahlung keine oder nur in unmerklichem Maß nichtlineare Effekte, wie insbesondere die SBS erzeugt. So ist es vorteilhaft, wenn die optische Leistung der Pumpstrahlung, die in die Faser eingespeist wird, so gering gewählt wird, dass in Abwesenheit von Probenstrahlung keine rückgestreute Welle durch stimulierte Brillouin-Streuung erzeugt wird. Auf diese Art resultiert das Ausgangssignal des Detektors der später zu beschreibenden Vorrichtung nur von der Intensität der auf den Detektor auftreffenden Probenstrahlung. Erst wenn die Frequenz der SBS-Gewinnkurve an die der Probenstrahlung herankommt, kommt es zur Ausbildung der nichtlinearen SBS und damit zum Anstieg des Detektorsignals. Insofern ist es vorteilhaft, wenn die Intensität der Pumpstrahlung so bemessen wird, dass in Anwesenheit der Probenstrahlung nichtlineare Effekte, wie insbesondere eine SBS, erzeugt werden. Diese Bedingungen können erfüllt werden, wenn Pumpstrahlung beispielsweise einer Leistung zwischen 1 mW und 7 mW in eine Faser der Länge von etwa 50 km eingekoppelt wird. Bei kleinerer Faserlänge steigt der Bereich, bei längerer Faser wird er kleiner.
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Vorteilhafterweise wird die Frequenz der Pumpstrahlung derart abgestimmt, dass der Stokes Peak der SBS sich mit dem Frequenzspektrum der Probenstrahlung überlagert und die erhöhte Intensität im Detektor messbar ist. Um eine möglichst hohe Auflösung des Systems gewährleisten zu können, wird vorteilhafterweise eine durchstimmbare Pumpe eingesetzt, deren Bandbreite geringer ist, als die Bandbreite der SBS-Gewinnkurve in der verwendeten Faser.
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Wie oben dargestellt, ist für die Umsetzung der Erfindung eine in der Frequenz veränderbare Pumpquelle nötig. Diese wird von einem Laser gebildet, dessen optische Frequenz durch eine anschließende Modulation verändert wird. Wenn der Laser eine feste Frequenz hat, ist der Messbereich durch die Bandbreite des Modulators begrenzt. Der Messbereich kann vergrößert werden, wenn der Modulator derart betrieben wird, dass höhere Harmonische entstehen. Dabei ist eine zusätzliche Frequenzänderung durch einen Modulator mitunter genauer als die Frequenzänderung, die mit einem durchstimmbaren Laser erreicht wird. Daher bietet eine Kombination zwischen einem durchstimmbaren Laser und einer zusätzlichen Frequenzänderung durch Modulation die Möglichkeit eines sehr genauen und einfachen Systems, das einen großen Messbereich besitzt.
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Die Wirkungsweise einer zusätzlichen Modulation lässt sich folgendermaßen beschreiben: Der Modulator, z. B. ein Mach Zehnder, wird durch einen in der Frequenz steuerbaren Generator mit der Frequenz fG angesteuert. Durch die Modulation hat die optische Welle des Lasers mit der Frequenz f0 zwei Seitenbänder im Spektrum, die sich bei den Frequenzen f0 + fG und f0 – fG befinden. Wird die Frequenz des Generators geändert, verschiebt sich das untere Seitenband in der Frequenz nach unten und das obere nach oben. Eine solche Frequenzänderung ist im elektrischen Bereich mit einer Auflösung im Sub-Hertz-Bereich möglich. Das untere Seitenband dient als Pumpe im Sinne der SBS und wird mittels der Frequenzänderung des Generators durch das Spektrum der Probe hindurchgefahren. Die zu ermittelnde Frequenz der Probenstrahlung ist in diesem Fall fProbe = f0 – fG – fSBS mit t0 als der Frequenz des Pumplasers, fG als der Frequenz des Generators und fSBS als der Frequenzverschiebung der SBS in der Faser.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles und anhand der 1 und 2 näher erklärt. Es zeigen:
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1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Systems und
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2 eine Frequenzverschiebung und ein Detektorsignal.
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In 1 ist ein System zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Wie dargelegt, beruht das Verfahren darauf, dass sich die Wellenlänge einer unbekannten Probenstrahlung 1, die in diesem Fall von der Quelle 2 generiert und in eine Faser 3 eingespeist wird, mit einer zweiten Pumpstrahlung 4 bekannter und veränderlicher Wellenlänge über die SBS bestimmen lässt, die in entgegengesetzter Richtung in die Faser 3 eingespeist wird. Die Pumpstrahlung 4 stammt von einer durchstimmbaren Pumpquelle 5, die von einem Laser gebildet wird. Als Faser 3 eignen sich im Prinzip alle optischen Wellenleiter. Um die Abmessungen und das Gewicht des zur Umsetzung des Verfahrens geeigneten Gerätes zu verringern, kommen auch Fasern mit hoher Nichtlinearität oder photonische Fasern in Betracht. Zur Erhöhung der Auflösung des Instruments können auch Fasern mit einer kleinen Gewinnbandbreite der SBS verwendet werden.
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Zur Trennung der Komponenten wird die Strahlung der durchstimmbaren Pumpe 5 über einen Zirkulator 6 eingespeist. Dieser hat eine geringe Dämpfung für Wellen, die sich in Richtung der Pumpstrahlung von B nach A und die sich von A nach C bewegen. Hingegen ist seine Dämpfung für den Weg von A nach B hoch. Die Pumpstrahlung 4 wird also in die Faser 3 geleitet, während die aus der Faser 3 kommende Strahlung 8 zu einer Photodiode 7 gelenkt wird. Das System hat in der Nähe der Faser 3 einen Temperaturfühler 9, der an ein entsprechendes Messgerät 10 angeschlossen ist.
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Die Pumpe 5 ist an einen Rechner 11 angeschlossen, mit dem die Frequenz durchgestimmt wird. Als Eingangsgrößen gehen in den Rechner 11 das Signal der Photodiode 7 und des Temperaturmessgerätes 10 ein. Die Ergebnisse der vom Rechner 11 durchgeführten Bestimmung werden auf einem Bildschirm 12 angezeigt.
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Wie dargelegt, ist die Frequenz der Pumpstrahlung über die Einstellung der Pumpe 5 veränderbar, wobei die Frequenz jederzeit bekannt ist. In der Darstellung nach 2a sei angenommen, dass die Probenstrahlung 13 innerhalb der Faser eine größere Bandbreite als die SBS-Gewinnkurve 15 hat, wobei die SBS-Gewinnkurve 15 eine Frequenzverschiebung 16 von 11 GHz gegenüber der Pumpstrahlung 14 aufweist. Zur Ausmessung der Bandbreite der Probenstrahlung 13 wird die Pumpstrahlung 14 in ihrer Frequenz kontinuierlich verringert (Pfeil A). Die Frequenz der Pumpe wird also so verändert, dass die SBS-Gewinnkurve 15 von rechts nach links an das Spektrum der Probe 13 heranfährt. Liegen die Frequenzen weit voneinander entfernt, so liegt am Eingang der Photodiode nur die Probewelle als optisches Signal an, wobei diese durch die Dämpfung in der Faser geschwächt ist. Der Ausgangsstrom der Photodiode ist proportional zur optischen Leistung der Strahlung. Der Ausgangsstrom der Photodiode ist demnach in diesem Fall zunächst gering.
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Hat die Pumpstrahlung 14 hingegen eine Frequenz, die unter Berücksichtigung der SBS-Frequenzverschiebung 16 in den oberen Teil des Spektrums der Probenstrahlung 13 hineinreicht, so wird dieser Teil durch die Pumpstrahlung 14 verstärkt. Die Leistung der Pumpstrahlung 14 wird an diesen Bereich übertragen und es entsteht eine rückgestreute Stokeswelle. Der Strom am Ausgang der Photodiode beginnt zu steigen. Wird die Frequenz der Pumpe weiter verringert, vergrößert sich der Ausgangsstrom der Photodiode, bis er im Maximum des Probespektrums seinen größten Wert erreicht; danach sinkt der Strom wieder. Der Ausgangsstrom 17 der Photodiode in Abhängigkeit von der Frequenzverschiebung zwischen Pumpe und Probe ist in 2b dargestellt und proportional zur Faltung zwischen dem SBS-Gewinnspektrum und dem Spektrum der Probe. Da das SBS-Gewinnspektrum der Faser bekannt ist, lässt sich das gesuchte Spektrum der Probe durch eine „Entfaltung” des Ergebnisses errechnen.
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Wenn die Bandbreite der Probenstrahlung innerhalb der Faser wesentlich größer als die Bandbreite des SBS-Gewinns ist, so entspricht der in Abhängigkeit von der Frequenzverschiebung aufgenommene Photodiodenstrom der Bandbreite der Probenstrahlung. Ist die Bandbreite der Probenstrahlung hingegen wesentlich kleiner, so entspricht der aufgenommene Photodiodenstrom der Bandbreite des SBS-Gewinns. Die Auflösung des Instruments hängt somit von der Bandbreite des SBS-Gewinns innerhalb der verwendeten Faser ab. Die absoluten Frequenzen im Spektrum der Probenstrahlung errechnen sich aus der bekannten Frequenz der Pumpstrahlung abzüglich der SBS-Frequenzverschiebung in der Faser. Die SBS-Frequenzverschiebung hängt von der Wellenlänge der Pumpstrahlung und der Umgebungstemperatur der Faser ab. Für eine genaue Funktion des Systems ist daher eine Kalibrierung erforderlich. Eine Kalibrierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die SBS-Frequenzverschiebung und ihr Spektrum für unterschiedliche Temperaturen und Wellenlängen bestimmt und in Form einer Tabelle im Rechner abgelegt wird. Da bei der Messung die Pumpwellenlänge bekannt ist und die Temperatur durch den Sensor bestimmt werden kann, ist es möglich, den gemessenen Wert mit Hilfe des in der Tabelle für diese Bedingungen abgelegten Wertes zu korrigieren. Die Bandbreite der SBS-Gewinnkurve sinkt mit steigender Temperatur. Eine Erhöhung der Auflösung kann somit durch ein Erhitzen des Wellenleiters erreicht werden.
