DE102008045359B3

DE102008045359B3 - Detektion von Veränderungen eines Zeitabstands optischer oder elektrischer Signale

Info

Publication number: DE102008045359B3
Application number: DE102008045359A
Authority: DE
Inventors: Florian Ithaca Löhl; Holger Schlarb; Ludwig Frank; Matthias Felber; Johann Zemella; Axel Winter
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-08-23
Also published as: US8242767B2; EP2172817A2; JP2010066255A; JP5543742B2; US20100098408A1; EP2172817B1; EP2172817A3; SI2172817T1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Veränderungen eines Zeitabstands (DeltaT) zwischen einem optischen (1) oder elektrischen Signal und einem optischen (3) oder elektrischen Referenzsignal unter Verwendung eines Photodetektors (5), eine Verwendung des Verfahrens zum Synchronisieren eines optischen (1) oder elektrischen Signals mit einem optischen (1) oder elektrischen Referenzsignal und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: - Empfangen des optischen Signals (1) und des optischen Referenzsignals (3) mit dem Photodetektor (5), - Ausgeben eines elektrischen Antwortsignals (15) an einem Ausgang (13) des Photodetektors (5), wobei das elektrische Antwortsignal (15) ein Frequenzspektrum aufweist, das vom Zeitabstand (DeltaT) abhängt, - Filtern einer ausgewählten Harmonischen aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals (15), - Detektieren von Veränderungen des Zeitabstands (DeltaT) aus Veränderungen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Veränderungen eines Zeitabstands zwischen einem optischen oder elektrischen Signal und einem optischen oder elektrischen Referenzsignal. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung des Verfahrens zum Synchronisieren eines optischen oder elektrischen Signals mit einem optischen oder elektrischen Referenzsignal.
Es ist in zahlreichen zeitkritischen Anwendungsgebieten wie beispielsweise Telekommunikation, Datenübertragung, Vermessungstechnik, Navigationssystemen oder in großen Forschungsanlagen von Bedeutung, optische oder elektrische Signale hochpräzise zu synchronisieren. In bestimmten Anwendungen kann eine Synchronisation eines optischen oder elektrischen Signals mit einem optischen oder elektrischen Referenzsignal im Bereich von Femtosekunden, d. h. 10^–15 s, erforderlich sein. Es ist für eine Synchronisation von solcher Präzision erforderlich, Veränderungen des Zeitabstands zwischen zwei Signalen hochpräzise zu detektieren, um daraufhin den Zeitabstand zwischen zwei Signalen stabilisieren zu können.
Da das Licht in einer Femtosekunde nur etwa 0,3 μm Wegstrecke zurücklegt, wird unmittelbar deutlich, dass selbst minimale Längenänderungen, beispielsweise durch Temperaturausdehnung von optischen Komponenten, zu Veränderungen des Zeitabstands zwischen einem optischen Signal und einem optischen Referenzsignal führen können. Dies betrifft insbesondere die Übertragung von Lichtsignalen in einem langen Glasfaser-Lichtleiter. Um etwaige Längenänderungen des Übertragungswegs korrigieren zu können, muss die Veränderung des Zeitabstands zwischen einem optischen Signal und einem optischen Referenzsignal femtosekundengenau detektiert werden.
Insbesondere für den Betrieb von Freie Elektronen Lasern im UV- oder Röntgenbereich, wie beispielsweise dem Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH) und dem Europäischen Freie-Elektronen-Laser (XFEL), ist eine femtosekundengenaue Synchronisation diverser Komponenten im Beschleuniger erforderlich. Die zu synchronisierenden Komponenten sind im Falle des XFEL bis zu 3,5 km voneinander entfernt, so dass koaxiale Verteilungssysteme an ihre Grenzen kommen.
Typischerweise wird ein Referenz-Pulslaser dazu verwendet, ein gemeinsames optisches Referenzsignal zu allen zu synchronisierenden Komponenten zu übertragen. Der Referenz-Pulslaser selbst wird üblicherweise mit einem elektrischen Ursprungsreferenzsignal synchronisiert, das z. B. ein Mikrowellenoszillator vorgibt. Die mit dem Referenz-Pulslaserstrahl zu synchronisierenden Komponenten verwenden entweder optische oder elektrische Signale, die mit dem optischen Referenzsignal des Referenz-Pulslasers synchronisiert werden müssen. Solch eine Komponente in einem Beschleuniger könnte beispielsweise ein Ankunftszeitmonitor sein, der dazu dient, die Ankunftszeit von Elektronenpulsen zu bestimmen. Dafür benötigt der Ankunftszeitmonitor ein optisches oder elektrisches Signal, das beispielsweise mit den Signalen anderer Ankunftszeitmonitore an anderen Stellen des Beschleunigers synchronisiert ist. Alle Ankunftszeitmonitore bedienen sich daher dem gemeinsamen optischen Referenzsignal des Referenz-Pulslasers. Problematisch ist dabei allerdings, dass jede Abzweigung des Referenzsignals zu einer Komponente unterschiedlichen äußeren Bedingungen, wie beispielsweise Temperatureinflüssen, ausgesetzt ist und somit die Weglängen des Referenzsignals zu den einzelnen Komponenten Schwankungen ausgesetzt sind, die nicht miteinander korreliert sind und die Synchronisation der Signale stören.
Es ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus T. R. Schibli, J. Kim, O. Kuzucu, J. T. Gopinath, S. N. Tandon, G. S. Petrich, L. A. Kolodziejski, J. G. Fujimoto, E. P. Ippen, and F. X. Kaertner, ”Attosecond active synchronization of passively mode-locked lasers by balanced cross correlation”, Opt. Lett. 28, 947–949 (2003), bekannt, einen nichtlinearen Kristall dazu zu verwenden, zwei optische Pulssignale, die einen Überlapp haben, zu korrelieren und eine steile Flanke der Korrelation zur hochpräzisen Synchronisation zu verwenden. Nachteilig an den bekannten Verfahren ist allerdings, dass die Korrelation abhängig ist von der Polarisation der Signale. Außerdem ist das Verfahren stark abhängig von den Pulslängen, die im Übrigen einen zeitlichen Überlapp haben müssen.
Dementsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine verbesserte Verwendung zur femtosekundengenauen Synchronisation von optischen oder elektrischen Signalen bietet.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren, die Verwendung und die Vorrichtung nach Ansprüchen 1, 14 bzw. 17 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion von Veränderungen eines Zeitabstands zwischen einem optischen oder elektrischen Signal und einem optischen oder elektrischen Referenzsignal unter Verwendung eines Photodetektors bereitgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– falls das Signal elektrisch ist, Modulieren eines optischen Signals in Abhängigkeit des elektrischen Signals,
– falls das Referenzsignal elektrisch ist, Modulieren eines optischen Referenzsignals in Abhängigkeit des elektrischen Referenzsignals,
– Empfangen des optischen Signals und des optischen Referenzsignals mit dem Photodetektor,
– Ausgeben eines elektrischen Antwortsignals an einem Ausgang des Photodetektors, wobei das elektrische Antwortsignal ein Frequenzspektrum aufweist, das vom Zeitabstand abhängt,
– Filtern einer ausgewählten Harmonischen aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals und
– Detektieren von Veränderungen des Zeitabstands aus Veränderungen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen.

Das Verfahren kann in vier verschiedenen Modi zum Einsatz kommen, die in folgender Tabelle dargestellt sind:

Verfahrensmodus	Signal	Referenzsignal
optisch-optisch	optisch	optisch
optisch-elektrisch	optisch	elektrisch
elektrisch-optisch	elektrisch	optisch
elektrisch-elektrisch	elektrisch	elektrisch

Im Falle eines elektrischen Signals oder elektrischen Referenzsignals, also in allen Verfahrensmodi außer optisch-optisch, ist es zunächst notwendig, dass ein optisches Signal bzw. optisches Referenzsignal in Abhängigkeit des elektrischen Signals bzw. elektrischen Referenzsignals moduliert wird. Vorzugsweise wird dabei die Amplitude des optischen Signals bzw. des optischen Referenzsignals in Abhängigkeit des elektrischen Signals bzw. elektrischen Referenzsignals moduliert. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich der Zeitabstand auf die Zeitspanne zwischen einem ursprünglichen optischen oder elektrischen Signal und dem ursprünglichen optischen oder elektrischen Referenzsignal bezieht. Es kann also im Falle eines elektrischen Signals oder elektrischen Referenzsignals sein, dass sich eine Veränderung dieses Zeitabstands nicht in Form einer Veränderung des Zeitabstands zwischen dem modulierten optischen Signal bzw. optischen Referenzsignal ausdrückt, sondern beispielsweise nur in Form einer Amplitudenmodulation. Falls das Signal und das Referenzsignal, dessen Zeitabstand zu detektieren ist, optisch sind, d. h. im Verfahrensmodus optisch-optisch, sind die Modulationsschritte nicht notwendig.
Das optische Signal und das optische Referenzsignal werden mit demselben Photodetektor empfangen. Dadurch werden Unterschiede zwischen verschiedenen Photodetektoren vermieden und systematische Fehler bei der Detektion des Zeitabstands minimiert. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass das optische Signal und das optische Referenzsignal eine gemeinsame Quelle haben können und/oder Abzweigungen desselben optischen Signals sein können.
Das erfinderische Verfahren hat gegenüber bekannten Verfahren unter anderem den Vorteil, dass es unabhängig ist von der Polarisation des optischen Signals oder des optischen Referenzsignals und außerdem über einen weiten Bereich unabhängig ist von den jeweiligen Pulsbreiten. Darüber hinaus müssen sich die Pulse des Signals und die Pulse des Referenzsignals nicht zeitlich überlappen. Das vorgeschlagene Verfahren bietet eine Vielzahl von möglichen zeitlichen Versätzen zwischen optischem Signal und optischem Referenzsignal die zur Detektion der zeitlichen Veränderung geeignet sind. Es müssen also nur unwesentliche zusätzliche Wegstreckenlängen eingefügt werden, um einen geeigneten Arbeitspunkt zu gewährleisten.
Vorzugsweise wird das optische Signal und/oder das optische Referenzsignal durch einen oder mehrere modengekoppelte Kurzpulslaser erzeugt. Das optische Signal und/oder das optische Referenzsignal sind vorzugsweise periodische Pulssignale mit einer im Vergleich zur Periodendauer relativ kleinen Pulsbreite von beispielsweise einem Bruchteil einer Pikosekunde. Die Periodendauer bei einem üblicherweise mit 50 bis 250 MHz Puls frequenz betriebenen Kurzpulslaser beträgt hingegen 4 bis 20 Nanosekunden, was einer Weglänge des Lichts von 1,2 bis 6 Metern entspricht. Es ist also ein großer Vorteil der Erfindung, dass nicht derartig lange Wegstreckenlängen eingefügt werden müssen, um einen Überlapp der Pulse mit einer Breite entsprechend einer Wegstrecke des Lichts von weniger als 0,3 Millimetern zu gewährleisten.
Es ist von Vorteil, wenn der Zeitabstand auf einen Wert im Bereich von 0,4 bis 0,6, vorzugsweise 0,45 bis 0,55, der Periodendauer des optischen Signals eingestellt wird. Es hat sich herausgestellt, dass dadurch bei geeigneter Wahl der Harmonischen eine maximale Sensitivität für Veränderungen erreicht werden kann. Vorzugsweise ist die ausgewählte Harmonische eine Harmonische von hoher Ordnung, d. h. zum Beispiel von der Ordnung 5 oder höher. Es hat sich nämlich ebenfalls gezeigt, dass bei den Harmonischen höherer Ordnung, insbesondere der Ordnung 5 oder höher, die Sensitivität für Veränderungen besonders groß ist und eine Vielzahl von Zeitabständen als sinnvolle Arbeitspunkte dienen können. Die größtmögliche auszuwählende Ordnung wird durch die Bandbreite des Photodetektors und die Filterbreite der Filtereinheit begrenzt, da diese die Anzahl der Ordnungen einschränkt, deren Amplitude noch sinnvoll gemessen werden bzw. gefiltert werden kann.
Das Frequenzspektrum kann sich z. B. mit Hilfe der Fourieranalyse bzw. -transformation aus dem Zeitsignal ergeben, wobei sich das Zeitsignal als Summe von Harmonischen darstellen lassen kann, wie z. B.:
wobei A(t) das gemeinsame Signal aus optischem Signal und optischem Referenzsignal in Form einer Amplitude A als Funktion der Zeit t ist, n die Ordnung der Harmonischen ist, A_n die Amplitude der Harmonischen n-ter Ordnung ist, f₀ eine Grundfrequenz ist und Φ_n die Phasenverschiebung der Harmonischen n-ter Ordnung ist. Das diskrete Frequenzspektrum enthält dann die Amplituden A_n der jeweiligen Frequenzanteile als Funktion der Frequenz nf₀, die der Frequenz der Harmonischen n-ter Ordnung entspricht. Für den Fall, dass das optische Signal und das optische Referenzsignal die gleiche Periodendauer T₀ bzw. die gleiche Pulsfrequenz f₀ = 1/T₀, die gleiche Amplitude A_t und einen Zeitabstand ΔT haben, gilt: A₀ = cA_t, A_k = 0, A_2k = A₀, wenn ΔT = T₀/(2k) für k = 1, 2, ..., N und φ₀ = 0. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich die Erfindung nicht auf Harmonische in der Darstellung von Gleichung (1) beschränkt, sondern eine beliebige Darstellung haben können.
Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, das Detektieren von Veränderungen des Zeitabstands aus Veränderungen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen durchzuführen. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, dass eine Veränderung der Amplitude der ausgewählten Harmonischen als direktes Maß für die Veränderung des Zeitabstands dient. Da das Frequenzspektrum vom Zeitabstand abhängt, verändert sich die Einhüllende in Abhängigkeit des Zeitabstands. Es ist nun vorteilhaft, wenn für das Filtern eine Harmonische mit einer Frequenz ausgewählt wird, bei der der Betrag des Gradienten der Einhüllenden des Frequenzspektrums maximal ist. Dann ist die Amplitude der ausgewählten Harmonischen maximal sensitiv für Veränderungen des Zeitabstands. Alternativ zu der geeigneten Auswahl der Harmonischen kann auch der Zeitabstand so eingestellt werden, dass eine für die Auswahl gewünschte Harmonische diese Eigenschaft hat.
Nachteilig an dieser Möglichkeit ist die Abhängigkeit von Amplitudenschwankungen des optischen Signals oder optischen Referenzsignals. Nur bei sehr konstanter Amplitude des optischen Signals oder optischen Referenzsignals eignet sich eine Veränderung der Amplitude der ausgewählten Harmonischen als direktes Maß für die Veränderung des Zeitabstands. Andernfalls würden Amplitudenschwankungen des optischen Signals oder optischen Referenzsignals fälschlich als Veränderung des Zeitabstands interpretiert.
Daher kann es vorteilhaft sein, wenn zusätzlich eine zweite ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals gefiltert wird und eine Veränderung der Differenz zwischen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen und der Amplitude der zweiten ausgewählten Harmonischen als Maß für die Veränderung des Zeitabstands dient. Die Differenz zwischen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen und der Amplitude der zweiten ausgewählten Harmonischen ist nämlich weitestgehend unabhängig von Amplitudenschwankungen, da diese sich auf beide ausgewählte Harmonische gleich auswirken. Vorzugsweise hat die zweite ausgewählte Harmonische eine Ordnung, die um eins kleiner oder größer ist als die Ordnung der ausgewählten Harmonischen. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die Amplitudendifferenz von Harmonischen benachbarter Ordnungen, insbesondere bei einem Zeitabstand nahe der halben Periodendauer, besonders sensitiv auf Veränderungen des Zeitabstands ist. Es hat sich ebenfalls herausgestellt, dass mögliche Fehler, die durch den Photodetektor und/oder die nachgeschaltete Elektronik und/oder die Filtereinheit besonders klein für benachbarte Harmonische sind.
Es kann aus messtechnischen Gründen auch von Vorteil sein, eine Harmonische so auszuwählen oder den Zeitabstand so einzustellen, dass bei der Frequenz der ausgewählten Harmonischen der Betrag der Einhüllenden des Frequenzspektrums minimal ist. Bei gleicher Amplitude von optischem Signal und optischem Referenzsignal und geeignetem Zeitabstand kann die ausgewählte Harmonische ausgelöscht sein, sodass eine Messung der Amplitu de am Nullpunkt stattfinden kann, was für bestimmte Anwendungen von Vorteil ist. Nachteilig ist daran allerdings, dass sich das Signal nur mit weiteren Hilfsmitteln mit dem Referenzsignal synchronisieren lässt, da die Amplitudenänderung am Nullpunkt keine Information über die Richtung einer Veränderung des Zeitabstands enthält.
Um die Richtung einer Veränderung des Zeitabstands zu bestimmen, kann es vorteilhaft sein, wenn das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:

– Empfangen des optischen Signals oder des optischen Referenzsignals mit einem zweiten Photodetektor,
– Ausgeben eines zweiten elektrischen Antwortsignals an einem Ausgang des zweiten Photodetektors, wobei das zweite elektrische Antwortsignal ein Frequenzspektrum aufweist,
– Filtern einer Referenz-Harmonischen aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen zweiten elektrischen Antwortsignals, wobei die Referenz-Harmonische und die ausgewählte Harmonische gleicher Ordnung sind,
– Mischen der Referenz-Harmonischen und der ausgewählten gefilterten Harmonischen in einem Mischer,
– Ausgeben eines Ausgangssignals an einem Ausgang des Mischers und
– Detektieren von Veränderungen des Zeitabstands, wobei Veränderungen der Amplitude des Ausgangssignals als Maß für Veränderungen des Zeitabstands dienen.

Die Referenz-Harmonische und die ausgewählte gefilterte Harmonische werden beim Mischen vorzugsweise multipliziert. Wenn beide Schwingungen phasengleich in den Mischer geführt werden, kann man den Mischer als „Amplitudendetektor” verwenden. Das Produkt von Referenz-Harmonischer und ausgewählter gefilterter Harmonischer ist ein Ausgangssignal, das mit doppelter Frequenz um eine bestimmte Amplitude oszilliert. Beispielsweise mit einem Tiefpassfilter, der den oszillierenden Anteil des Ausgangssignals entfernt, lässt sich die vorzeichenbehaftete Amplitudenänderung des Ausgangssignals extrahieren. Die Amplitudenänderung des Ausgangssignals hat dabei ein Vorzeichen, das von der Richtung der Veränderung des Zeitabstands abhängt, sodass aus dem Ausgangssignal die Richtung der Veränderung des Zeitabstands bestimmt und entsprechend geregelt werden kann.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine Verzögerungseinrichtung dazu verwendet wird, das optische Signal und/oder das optische Referenzsignal um eine ausgewählte Zeitspanne zu verzögern. Solch eine Verzögerungseinrichtung kann beispielsweise eine Verlängerung der Wegstrecke des optischen Signals und/oder des optischen Referenzsignals sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Synchronisieren eines optischen oder elektrischen Signals mit einem optischen oder elektrischen Referenzsignal bereitgestellt, wobei der Zeitabstand in Abhängigkeit der durch das Verfahren detektierten Veränderung des Zeitabstands geregelt wird. Vorzugsweise wird der Zeitabstand mittels einer Rückkopplung geregelt. Es kann besonders vorteilhaft sein, die Differenz zwischen den Amplituden von zwei ausgewählten Harmonischen benachbarter Ordnung auf null zu regeln.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Detektion von Veränderungen eines Zeitabstands zwischen einem optischen oder elektrischen Signal und einem optischen oder elektrischen Referenzsignal mit einem Photodetektor, einer Filtereinheit und einem Messgerät bereitgestellt, wobei
im Falle eines elektrischen Signals und/oder elektrischen Referenzsignals mindestens ein elektro-optischer Modulator vorgesehen ist, der dazu ausgestaltet ist, ein optisches Signal bzw. optisches Referenzsignal in Abhängig keit des elektrischen Signals bzw. elektrischen Referenzsignals zu modulieren,
der Photodetektor dazu ausgestaltet ist, das optische Signal und das optische Referenzsignal zu empfangen und ein elektrisches Antwortsignal an einem Ausgang des Photodetektors auszugeben, wobei das elektrische Antwortsignal ein Frequenzspektrum aufweist, das vom Zeitabstand abhängig ist,
die Filtereinheit mit dem Ausgang des Photodetektors verbunden und dazu ausgestaltet ist, eine ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals zu filtern und
das Messgerät mit der Filtereinheit verbunden und dazu ausgestaltet ist und Veränderungen des Zeitabstands aus Veränderungen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen zu detektieren.
Der Photodetektor weist vorzugsweise eine hohe Bandbreite auf, sodass das Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals mindestens 5 Harmonische umfasst. Die Zeitauflösung der Detektion ist durch die Messgenauigkeit des Messgeräts begrenzt, sodass es vorteilhaft ist, wenn das Messgerät eine Messgenauigkeit von mindestens δA/A = 10^–3, vorzugsweise von mindestens δA/A = 10^–4, für die Amplitude der ausgewählten Harmonischen hat.
Es kann weiterhin von Vorteil sein, wenn die Vorrichtung eine zweite Filtereinheit aufweist, die mit dem Ausgang des Photodetektors verbunden und dazu ausgestaltet ist, eine zweite ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals zu filtern, wobei das Messgerät mit der zweiten Filtereinheit verbunden und dazu ausgestaltet ist, Veränderungen des Zeitabstands aus Veränderungen der Differenz zwischen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen und der Amplitude der zweiten ausgewählten Harmonischen zu detektieren. Mit dieser Vorrichtung kann das oben beschriebene Verfahren derart durchgeführt werden, dass die Detektion von Veränderungen des Zeitabstands unabhängig von Amplitudenschwankungen des optischen Signals oder optischen Referenzsignals ist.
Vorzugsweise ist mindestens eine Filtereinheit in dem Messgerät integriert, d. h. die Verbindung zwischen mindestens einer Filtereinheit und dem Messgerät ist innerhalb des Messgeräts gewährleistet. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung eine Verzögerungseinrichtung aufweist, die dazu ausgestaltet ist, das optische Signal und/oder das optische Referenzsignal um eine ausgewählte Zeitspanne zu verzögern. Damit kann der Zeitabstand gewünscht eingestellt werden. Solch eine Verzögerungseinrichtung kann beispielsweise eine Verlängerung der Wegstrecke des optischen Signals und/oder des optischen Referenzsignals sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung einen zweiten Photodetektor, eine weitere Filtereinheit und einen Mischer auf, wobei
der zweite Photodetektor dazu ausgestaltet ist, das optische Signal oder das optische Referenzsignal zu empfangen und ein zweites elektrisches Antwortsignal an einem Ausgang des zweiten Photodetektors auszugeben, wobei das zweite elektrische Antwortsignal ein Frequenzspektrum aufweist,
die weitere Filtereinheit mit dem Ausgang des zweiten Photodetektors verbunden und dazu ausgestaltet ist, eine ausgewählte Referenz-Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen zweiten elektrischen Antwortsignals zu filtern, wobei die Referenz-Harmonische und die ausgewählte Harmonische gleicher Ordnung sind,
der Mischer einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei der erste Eingang mit der Filtereinheit verbunden ist und der zweite Eingang mit der weiteren Filtereinheit verbunden ist, und
der Mischer dazu ausgestaltet ist, die Referenz-Harmonische und die ausgewählte gefilterte Harmonische zu mischen, ein Ausgangssignal an dem Ausgang des Mischers auszugeben, wobei aus Veränderungen der Amplitude des Ausgangssignals Veränderungen des Zeitabstands detektierbar sind.
Der Mischer und die weitere Filtereinheit können in dem Messgerät integriert sein. Des Weiteren kann das Messgerät über eine Rückkopplung mit einer Steuereinheit verbunden sein, wobei die Steuereinheit dazu ausgestaltet ist, den Zeitabstand zu regeln. Die Steuereinheit kann beispielsweise die Repetitionsrate des Referenzlasers steuern. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn der Referenzlaser selbst mit einem elektrischen Referenzsignal eines Mikrowellenoszillators synchronisiert werden soll, d. h. die Vorrichtung das Verfahren im Modus optisch-elektrisch durchführen soll. Andererseits kann die Steuereinheit auch ein elektrisches Signal nachregeln, das mit dem optischen Referenzsignal des Referenzlasers synchronisiert werden soll, wobei also die Vorrichtung das Verfahren im Modus elektrisch-optisch durchführen soll.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden 1 bis 12 detaillierter beschrieben.
1 und 2 zeigen zwei schematische Darstellungen einer ersten bzw. zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Verwendung der Erfindung für eine Längenkorrektur der Wegstrecke des Signals.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
5 und 6 zeigen schematische Darstellungen einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit zwei verschiedenen Verwendungen zur Synchronisation.
7 bis 11 zeigen schematische Darstellungen von optischen Signalen und optischen Referenzsignalen jeweils als Funktion der Zeit und als Funktion der Frequenz für verschiedene Werte des Zeitabstands.
12 zeigt die Amplitudendifferenz der ausgewählten Harmonischen der Ordnung 44 und 45 als Funktion des Zeitabstands.
1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei ein optisches Signal 1 und ein optisches Referenzsignal 3 auf einen Photodetektor 5 treffen, dessen Ausgang mit einer Filtereinheit 7 in einem Messgerät 9 verbunden ist. Das optische Signal 1 und das optische Referenzsignal 3 sind in diesem Beispiel Laserpulse mit gleicher Periodendauer T₀ bzw. einer Pulsrate f₀ = 1/T₀, wobei das optische Signal 1 und das optische Referenzsignal 3 durch denselben Lichtleiter 11 auf den Photodetektor 5 geführt sind. Die Amplituden A_t des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 sind zeitlich konstant und gleich groß. Zwischen den Pulsen des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 liegt ein Zeitabstand von ΔT.
Empfängt nun der Photodetektor 5 das optische Signal 1 und das optische Referenzsignal 3, so gibt dieser an einem Ausgang 13 des Photodetektors 5 ein elektrisches Antwortsignal 15 aus. Das elektrische Antwortsignal 15 weist ein Frequenzspektrum auf, das vom Zeitabstand ΔT abhängt. Mittels der Filtereinheit 7 wird nun eine ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals 15 gefiltert und dessen Amplitude mit dem Messgerät 9 gemessen. Es lassen sich dann aus Veränderungen der gemessenen Amplitude der ausgewählten Harmonischen Veränderungen des Zeitabstands ΔT detektieren. Zum Beispiel ist dies bei zeitlich konstanter Amplitude A_t des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 aus Veränderungen der gemessenen Amplitude als direktes Maß möglich.
Beispielhaft sind in den 7 bis 11 die Amplitude des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 jeweils oben als Funktion der Zeit t und unten als Funktion der Frequenz f für Zeitabstände ΔT = 0, 0,01·T₀, 0,02·T₀, 0,2·T₀ und 0,48·T₀ gezeigt. Das optische Signal 1 und das optische Referenzsignal 3 haben die gleiche Amplitude A_t, die gleiche Pulsform und die gleiche Periodendauer T₀ bzw. eine Pulsrate f₀ = 1/T₀. In 7 ist der Zeitabstand ΔT = 0, so dass die Pulse des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 exakt übereinanderliegen. Die untere Darstellung der Amplitude des elektrischen Antwortsignals 15 stellt daher das diskrete Frequenzspektrum dar, wobei die Harmonischen bis zur 46. Ordnung gezeigt sind. Für einen Zeitabstand ΔT = 0, wie in 7 gezeigt, ist diese Ausführungsform des Verfahrens weniger geeignet, da die Amplitude aller Harmonischen A₀ beträgt. Eine sehr kleine Änderung vom Zeitabstand ΔT = 0 würde sich nur auf die Amplitude von Harmonischen sehr hoher Ordnung auswirken, welche ggf. nicht mehr von der Bandbreite des Photodetektors 5 abgedeckt oder durch die Filtereinheit 7 filterbar sind und daher nicht mehr sinnvoll erfasst werden können. In 8 ist gezeigt wie das Frequenzspektrum für einen Wert des Zeitabstands ΔT = 0,01·T₀ aussieht. Das Frequenzspektrum hat für ΔT = 0,01·T₀ eine Einhüllende 17, die die Form einer Kosinus-Kurve A(f) = 0,5·A₀(1 + cos(0,01·2πf/f₀)) hat. Damit sind die Harmonischen der Ordnungen 50, 150, 250, ..., usw. jeweils ausge löscht. Am sensitivsten für Veränderungen des Zeitabstands ΔT = 0,01·T₀ ist innerhalb der Bandbreite des Photodetektors die Amplitude der 25. Harmonischen, da der Betrag des Gradienten der Einhüllenden 17 bei der Frequenz f = 25·f₀ am größten ist.
Aus den 9 bis 11 wird deutlich, dass für die Form der Einhüllenden 17 als Funktion der Frequenz f und des Zeitabstands ΔT gilt: A(f, ΔT) = 0,5·A0(1 + cos(ΔT/T0·2πf/f0)). (2)
Das bedeutet, dass die Einhüllende 17 eine Periodenlänge von f₀·T₀/ΔT hat. Bei einem Zeitabstand von beispielsweise ΔT = T₀/2 ist genau jede zweite Harmonische ausgelöscht, nämlich diejenigen mit ungerader Ordnung. In 9 ist z. B. gezeigt wie die 25. Harmonische ausgelöscht ist, wenn der Zeitabstand ΔT = 0,02·T₀ beträgt.
Es wird aus den 7 bis 11 unmittelbar deutlich, dass bei geeigneter Auswahl einer Harmonischen die Sensitivität für Veränderungen des Zeitabstands prinzipiell größer ist für Harmonische höherer Ordnungen, d. h. mindestens der Ordnung 5 oder höher. Besonders geeignet können diejenigen Harmonischen sein, bei denen der Betrag des Gradienten der Einhüllenden 17 maximal ist, z. B. in 10 die Ordnungen 1, 4, 6, 9, 11, 14, 16 , ...., usw. für ΔT = 0,2·T₀. Von diesen besonders geeigneten Harmonischen ist die höchste noch sinnvoll messbare Ordnung innerhalb der Bandbreite des Photodetektors, beispielsweise die 46. Ordnung, am sensitivsten auf eine Veränderung des Zeitabstands ΔT.
Wie in 9 gezeigt, kann es aber auch sinnvoll sein, eine Harmonische auszuwählen, die für den eingestellten Zeitabstand ΔT ausgelöscht ist. Die Einhüllende 17 hat an dieser Stelle zwar ein Minimum, d. h. der Betrag des Gradienten ist null, so dass die Sensitivität für Veränderungen des Zeitabstands ΔT verhältnismäßig gering ist, aber es kann damit auf den Nullpunkt geregelt werden. Dies kann messtechnisch von Vorteil sein. Problematisch ist dabei allerdings, das eine Veränderung der Amplitude durch eine Veränderung des Zeitabstands ΔT keine Information über die Richtung der Veränderung des Zeitabstands ΔT enthält. Es sind also weitere Hilfsmittel notwendig, um die Richtung der Veränderung des Zeitabstands ΔT festzustellen.
Außerdem wird deutlich, dass die Sensitivität für Werte des Zeitabstands in der Nähe von ΔT = T₀/2, d. h. im Bereich von 0,4 bis 0,6, oder vorzugsweise 0,45 bis 0,55, besonders hoch ist, da in diesem Bereich die Einhüllende 17 eine kurze Periodenlänge und somit hohe Gradienten aufweist.
Eine zweite vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in 2 gezeigt, wobei die Vorrichtung eine zweite Filtereinheit 19 aufweist, die mit dem Messgerät 9 verbunden und in diesem integriert ist und auch mit dem Ausgang des Photodetektors 5 verbunden ist. Die zweite Filtereinheit 19 ist dazu ausgestaltet, eine zweite ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals 15 zu filtern. Das Messgerät 9 ist dazu ausgestaltet, die Differenz zwischen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen und der Amplitude der zweiten ausgewählten Harmonischen zu bilden und aus Veränderungen der Differenz Veränderungen des Zeitabstands ΔT zu detektieren.
In 11 und 12 ist gezeigt wie bei einem Zeitabstand ΔT = 0,48·T₀ die 45. Harmonische und die 44. Harmonische ausgewählt und gefiltert wird, die Amplituden ₂₄₅ und 11₄₄ gemessen werden und die Differenz ΔA = A₄₄ – A₄₅ gebildet wird. Die Differenz ΔA ist weitestgehend unabhängig von Schwankungen der Amplitude A_t des optischen Signals 1 oder des optischen Referenzsignals 3, da sich diese auf beide Amplituden A₄₅ und A₄₄ gleich auswir ken und somit die Differenz ΔA unberührt lassen. 12 zeigt die Differenz ΔA = A₄₄ – A₄₅ als Funktion des Zeitabstands ΔT. Es wird hier besonders deutlich wie stark die Differenz ΔA vom Zeitabstand ΔT abhängt. Der Arbeitspunkt für ΔT = 0,48·T₀ aus 11 ist als offener Kreis eingetragen. Die höchste Sensitivität für Veränderungen von ΔT hat die Differenz ΔA in einem der (2k – 1) Nulldurchgänge, wobei hier für die ausgewählte 45. Ordnung k = 45 gilt, da dort der Betrag der Steigung maximal ist. Zusätzlich hat man dort den Vorteil, auf einen Wert ΔA = 0 regeln zu können. Die Steigung ist an einem Nulldurchgang nahe ΔT = T₀/2 am größten, d. h.
Aus der Gleichung (3) wird unmittelbar deutlich, dass die Sensitivität für Harmonische größerer Ordnungen größer ist als für Harmonische kleinerer. Ordnungen. Ein bevorzugter Arbeitspunkt (in 12 als schwarzer Punkt dargestellt) könnte am Nulldurchgang bei ΔT = T₀/2[1 – 1/(2k – 1)] liegen, auf den in einem Arbeitsbereich ΔT ∊ [T₀/2 – T₀/(2k – 1), T₀/2] auf ΔA = 0 geregelt werden kann. Aus 12 wird auch die Vielzahl von ΔT-Werten als möglicher Arbeitspunkt deutlich.
3 zeigt eine mögliche Verwendung der Erfindung für eine Längenkorrektur der Wegstrecke eines optischen Signals 1, das ein Ankunftszeitmonitor 21 benötigt, um mit anderen Komponenten (nicht gezeigt) synchronisiert zu werden. Dazu wird ein optisches Ursprungssignal 24 von einem modengekoppelten Kurzpulslaser 23 erzeugt, von dem mit einem ersten halbdurchlässigen Spiegel 25 das optische Signal 1 abgezweigt wird. Das Ursprungssignal 24 wird auch zu den anderen Komponenten geleitet, die sich in gleicher Weise ein optisches Signal 1 für die Synchronisation abzweigen. Vom ersten Spiegel 25 wird das Signal 1 über einen Lichtleiter 27 zum Ankunftszeitmonitor 21 geführt. Wenn sich nun die Länge des Lichtleiters 27 beispielsweise durch Temperatureinfluss ändert, so kann dies die Synchronisation mit anderen Komponenten beeinträchtigen. Um also eine etwaige Längenänderung des Lichtleiters 27 zu detektieren, kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Dazu wird mittels eines zweiten halbdurchlässigen Spiegels 29, der sich am Ende des Lichtleiters 27 befindet, das am Ankunftszeitmonitor 21 liegt, ein Referenzsignal 3 erzeugt, das eine Reflexion um 180° des Signals 1 darstellt. Das Referenzsignal 3 läuft also im Lichtleiter 27 dem Signal 1 in anderer Richtung entgegen. Ein dritter Spiegel 31, der sich am Ende des Lichtleiters 27 befindet, das am ersten Spiegel 25 liegt, reflektiert das Referenzsignal 3 wieder um 180° in Richtung des Signals 1. Ein vierter halbdurchlässiger Spiegel 33 an einer beliebigen Stelle des Lichtleiters 27 zwischen dem zweiten 29 und dritten Spiegel 31 zweigt dann sowohl das Signal 1 als auch das Referenzsignal 3 ab auf einen Photodetektor 5. Das Referenzsignal 3 hat dann im Gegensatz zum Signal 1 die Wegstrecke zwischen dem zweiten 29 und dritten Spiegel 31, also in etwa die Länge des Lichtleiters 27, zweimal durchlaufen, bevor der Photodetektor 5 erreicht wird. Die Positionen des zweiten 29 und/oder des dritten Spiegels 31 können so eingestellt werden, dass die Pulse des Signals 1 und des Referenzsignals 3 einen gewünschten Zeitabstand ΔT haben. Dies ist vorzugsweise ein Abstand im Bereich von 0,45 bis 0,55 der Periodendauer T₀ des Signals 1 bzw. des Referenzsignals 3. Ein mit dem Ausgang 13 des Photodetektors 5 verbundenes Messgerät 9 kann nun mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Veränderung des Zeitabstands ΔT detektieren. Solch eine Veränderung ergibt sich dann, wenn sich beispielsweise die Länge des Lichtleiters 27 ändert, da das Referenzsignals 3 diese zweimal mehr als das Signal 1 durchlaufen hat. Diese detektierte Änderung kann beispielsweise nun als Information zu einem Stellglied 32 geführt werden, das dazu ausgestaltet ist, die Länge der Wegstrecke des Lichts zwischen dem zweiten 29 und dritten Spiegel 31 nachzuregeln, um die Längenänderung des Lichtleiters 27 zu kompensieren.
4 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei ein zweiter Photodetektor 33, eine weitere Filtereinheit 35 und ein Mischer 37 verwendet wird, um Veränderungen des Zeitabstands zu detektieren. Dies kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn die Amplitude der ausgewählten Harmonischen bei dem Sollwert des Zeitabstands ΔT ausgelöscht ist und auf diesen Nullwert geregelt werden soll. Das Vorzeichen der Amplitudenänderung eines Ausgangssignals am Mischer 37 liefert dann eine Information über die Richtung einer Veränderung des Zeitabstands ΔT. Beispielsweise kann mit einem Tiefpassfilter 49, der den oszillierenden Anteil des Ausgangssignals entfernt, die vorzeichenbehaftete Amplitudenänderung des Ausgangssignals extrahiert werden. Die Amplitudenänderung des Ausgangssignals hat dann ein Vorzeichen, das von der Richtung der Veränderung des Zeitabstands abhängt, sodass aus dem Ausgangssignal die Richtung der Veränderung des Zeitabstands bestimmt und entsprechend geregelt werden kann.
Der zweite Photodetektor 33 ist dazu ausgestaltet, ein abgezweigtes optisches Signal 1 zu empfangen und ein zweites elektrisches Antwortsignal 39 an einem Ausgang 41 des zweiten Photodetektors 33 auszugeben. Das zweite elektrische Antwortsignal 39 weist dabei auch ein Frequenzspektrum auf. Die weitere Filtereinheit 35 ist mit dem Ausgang 41 des zweiten Photodetektors verbunden und dazu ausgestaltet, eine ausgewählte Referenz-Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen zweiten elektrischen Antwortsignals 39 zu filtern. Die Referenz-Harmonische hat dabei die gleiche Ordnung wie die ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum, das der erste Photodetektor 5 mit dem elektrischen Antwortsignal 15 ausgibt. Der Mischer 37 weist einen ersten Eingang 43, einen zweiten Eingang 45 und einen Ausgang 47 auf, wobei der erste Eingang 43 mit der ersten Filtereinheit 7 verbunden ist und der zweite Eingang 45 mit der weiteren Filtereinheit 35 verbunden ist. Der Mischer 37 ist dazu ausgestaltet, die Referenz-Harmonische und die ausgewählte gefilterte Harmonische zu mischen, das Ausgangssignal an dem Ausgang 47 des Mischers 37 auszugeben, wobei aus der vorzeichenbehafteten Amplitudenänderung des Ausgangssignals eine Veränderung des Zeitabstands ΔT detektierbar ist. Der Mischer 37 und die weitere Filtereinheit 35 können auch in einem Messgerät 9 integriert sein.
In den 5 und 6 ist eine vierte Ausführungsform der Erfindung mit verschiedenen Verwendungen zur Synchronisation gezeigt. In 5 ist gezeigt wie die Repetitionsrate eines Kurzpulslasers 23 mit einem elektrischen Referenzsignal eines Mikrowellenoszillators 51 synchronisiert wird, d. h. das Verfahren im Modus optisch-elektrisch verwendet wird. Analog zu der in 4 gezeigten dritten Ausführungsform wird zunächst ein zweiter Photodetektor 33 und eine weitere Filtereinheit 35 verwendet, um aus einem abgezweigten optischen Referenzsignal 3, das dem Kurzpulslaser 23 entspringt, eine ausgewählte Referenz-Harmonische zu filtern. Aus dem Referenzsignal 3 wird außerdem das optische Signal 1 abgezweigt, das über eine Verzögerungseinrichtung 53, beispielsweise in Form einer Verlängerung der optischen Wegstrecke, geleitet wird. Das optische Referenzsignal 3 durchläuft daraufhin einen elektro-optischen Modulator 55, der die Amplitude A_t der Pulse des Referenzsignals 3 in Abhängigkeit des elektrischen Referenzsignals moduliert, das durch den Mikrowellenoszillator 51 erzeugt wird und am Eingang des elektro-optischen Modulators 55 anliegt. Das optische Signal 1 wird daraufhin wieder mit dem nunmehr amplitudenmodulierten optischen Referenzsignal 3 zusammengeführt. Die Verzögerungseinrichtung 53 ist dabei so eingestellt, dass zwischen den Pulsen des amplitudenmodulierten optischen Referenzsignals 3 und den Pulsen des optischen Signals 1 ein Gangunterschied von T₀/2 herrscht. Dieser Gangunterschied ist nicht mit dem Zeitabstand ΔT zu verwechseln, der sich in dieser Ausführungsform auf das optische Signal 1 und das elektrische Referenzsignal bezieht. Auf den ersten Photodetektor 5 treffen also mit einer Frequenz 2f₀ Laserpulse, von denen jeder zweite Puls in Abhängigkeit des elektrischen Referenzsignals amplitudenmoduliert ist. Die Periodendauer T₀ des optischen Referenzsignals 3 und der des elektrischen Referenzsignals sind gleich und die Amplitudenmodulation erstreckt sich nach Möglichkeit über die gesamte Amplitude. Der elektro-optische Modulator 55 könnte das optische Referenzsignal 3 beispielsweise so modulieren, dass bei einem Zeitabstand ΔT = 0 alle modulierten Pulse eine Amplitude von A_t/2 haben, wobei die Pulse des Referenzsignals 3 genau mit den Nulldurchgängen des elektrischen Referenzsignals zusammenfallen. Je nachdem, wie sich der Zeitabstand ΔT zwischen dem optischen Signal 1 und dem elektrischen Referenzsignal ändert, wird die Amplitude des optischen Referenzsignals 3 nach oben oder nach unten moduliert. Ist die Amplitude des optischen Signals 1 ebenfalls auf eine Amplitude A_t/2 eingestellt, so ergibt sich bei einem Zeitabstand ΔT = 0 ein Frequenzspektrum, bei dem jede zweite Harmonische ausgelöscht ist, nämlich diejenigen ungerader Ordnung. Wählt man nun eine Harmonische ungerader Ordnung aus dem Frequenzspektrum aus, das der erste Photodetektor 5 mit dem elektrischen Antwortsignal 15 ausgibt, so kann wie oben bereits beschrieben auf eine minimale Amplitude geregelt werden. Sobald sich nämlich ein Zeitabstand ΔT ≠ 0 ergibt, führt die Amplitudenmodulation des Referenzsignals 3 zu einem Anstieg der Amplitude der ausgewählten Harmonischen ungerader Ordnung.
Analog zur dritten Ausführungsform lässt sich dann auf einen Nullwert oder Minimalwert der Amplitude der ausgewählten Harmonischen regeln, die bei einem Sollwert des Zeitabstands ΔT ≠ 0 ausgelöscht ist. Die von dem zweiten Photodetektor 33 aufgenommene und mit der weiteren Filtereinheit 35 gefilterte Referenz-Harmonische hat dabei die gleiche Ordnung wie die ausge wählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum, das der erste Photodetektor 5 mit dem elektrischen Antwortsignal 15 ausgibt. Da sich bei Ausführungsformen des Verfahrens im Modus optisch-elektrisch bzw. elektrisch-optisch, bei dem das optische Referenzsignal 3 bzw. das optische Signal 1 amplitudenmoduliert wird, eine Veränderung des Zeitabstands ΔT nicht durch eine Veränderung des Gangunterschieds zwischen den Pulsen des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 ausdrückt, sollte in diesem Fall die Sensitivität auf Veränderungen des Gangunterschieds minimiert werden. Eine Veränderung des Gangunterschieds kann beispielsweise durch eine Längenänderung der Wegstrecke des optischen Signals 1 bzw. des optischen Referenzsignals 3 hervorgerufen werden. Es kann daher für diese Ausführungsformen vorteilhaft sein, wenn eine Harmonische niedriger Ordnung ausgewählt wird, um beispielsweise den Einfluss von Längenänderungen der Wegstrecke des optischen Signals 1 bzw. des optischen Referenzsignals 3 zu minimieren. Um auch hier eine Veränderung des Zeitabstands ΔT aus einer Veränderung einer vorzeichenbehafteteten Amplitudenänderung eines Ausgangssignals eines Mischers 37 zu detektieren, ist auch hier ein Mischer 37 vorgesehen, der einen ersten Eingang 43, einen zweiten Eingang 45 und einen Ausgang 47 aufweist, wobei der erste Eingang 43 mit der ersten Filtereinheit 7 verbunden ist und der zweite Eingang 45 mit der weiteren Filtereinheit 35 verbunden ist. Der Mischer 37 ist dazu ausgestaltet, die Referenz-Harmonische und die ausgewählte gefilterte Harmonische zu mischen, ein Ausgangssignal an dem Ausgang 47 des Mischers 37 auszugeben, wobei aus der vorzeichenbehafteten Amplitudenänderung des Ausgangssignals eine Veränderung des Zeitabstands ΔT detektierbar ist. Der Mischer 37 und die weitere Filtereinheit 35 sind hier in einem Messgerät 9 integriert.
Im Falle der in 5 gezeigten Synchronisation der Repetitionsrate des Kurzpulslasers 23 mit dem elektrischen Referenz signal des Mikrowellenoszillators 51 ist der Ausgang 47 des Mischers 37 über eine Rückkopplung 57 mit einer Steuereinheit 59 des Kurzpulslasers 23 verbunden, die dazu ausgestaltet ist, die Repetitionsrate des Kurzpulslasers 23 mittels des Ausgangssignals zu steuern und somit den Zeitabstand ΔT zu regeln.
6 stimmt bis auf die Rückkopplung mit 5 überein, wobei die Rollen des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 vertauscht sind. Hier wird also nicht das optische Signal 1 mit einem elektrischen Referenzsignal synchronisiert, sondern umgekehrt ein elektrisches Signal mit dem optischen Referenzsignal 3 synchronisiert, d. h. das Verfahren im Modus elektrisch-optisch verwendet. Das optische Referenzsignal 3 wird hier aus dem optischen Signal 1 des Kurzpulslasers 23 abgezweigt, wobei das optische Signal 1 entsprechend dem elektrischen Signal durch einen elektro-optischen Modulator 55 amplitudenmoduliert wird. Für die entsprechende Synchronisation des elektrischen Signals ist hierbei der Ausgang 47 des Mischers 37 über eine Rückkopplung 57 mit einer Steuereinheit 59 des Mikrowellenoszillators 51 verbunden, die dazu ausgestaltet ist, die Phasenverschiebung des Mikrowellenoszillators 51 mittels der vorzeichenbehafteten Amplitudenänderung des Ausgangssignals zu steuern und somit den Zeitabstand ΔT zu regeln.

Claims

Verfahren zur Detektion von Veränderungen eines Zeitabstands (ΔT) zwischen einem optischen (1) oder elektrischen Signal und einem optischen (3) oder elektrischen Referenzsignal unter Verwendung eines Photodetektors (5) mit den folgenden Schritten: – falls das Signal elektrisch ist, Modulieren eines optischen Signals (1) in Abhängigkeit des elektrischen Signals, – falls das Referenzsignal elektrisch ist, Modulieren eines optischen Referenzsignals (3) in Abhängigkeit des elektrischen Referenzsignals, – Empfangen des optischen Signals (1) und des optischen Referenzsignals (3) mit dem Photodetektor (5), – Ausgeben eines elektrischen Antwortsignals (15) an einem Ausgang (13) des Photodetektors (5), wobei das elektrische Antwortsignal (15) ein Frequenzspektrum aufweist, das vom Zeitabstand (ΔT) abhängt, – Filtern einer ausgewählten Harmonischen aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals (15) und – Detektieren von Veränderungen des Zeitabstands (ΔT) aus Veränderungen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das optische Signal (1) und/oder das optische Referenzsignal (3) durch einen oder mehrere modengekoppelte Kurzpulslaser (23) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zeitabstand (ΔT) auf einen Wert im Bereich von 0,4 bis 0,6, vorzugsweise 0,45 bis 0,55, der Periodendauer (T₀) des optischen Signals (1) eingestellt wird.
Verfahren, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ausgewählte Harmonische eine Harmonische von hoher Ordnung ist, d. h. von der Ordnung 5 oder höher.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Falle eines elektrischen Signals die Amplitude des optischen Signals (1) in Abhängigkeit des elektrischen Signals moduliert wird und im Falle eines elektrischen Referenzsignals die Amplitude des optischen Referenzsignals (3) in Abhängigkeit des elektrischen Referenzsignals moduliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Veränderung der Amplitude der ausgewählten Harmonischen als direktes Maß für die Veränderung des Zeitabstands (ΔT) dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zusätzlich eine zweite ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals (15) gefiltert wird und eine Veränderung der Differenz (ΔA) zwischen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen und der Amplitude der zweiten ausgewählten Harmonischen als Maß für die Veränderung des Zeitabstands (ΔT) dient.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite ausgewählte Harmonische eine Ordnung hat, die um eins kleiner oder größer ist als die Ordnung der ausgewählten Harmonischen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Harmonische so ausgewählt wird oder der Zeitabstand so eingestellt wird, dass bei der Frequenz der ausgewählten Harmonischen der Betrag des Gradienten der Einhüllenden des Frequenzspektrums maximal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens eine Harmonische so ausgewählt wird oder der Zeitabstand (ΔT) so eingestellt wird, dass bei der Frequenz der ausgewählten Harmonischen der Betrag der Einhüllenden (17) des Frequenzspektrums minimal ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst: – Empfangen des optischen Signals (1) oder des optischen Referenzsignals (3) mit einem zweiten Photodetektor (33), – Ausgeben eines zweiten elektrischen Antwortsignals (39) an einem Ausgang (41) des zweiten Photodetektors (33), wobei das zweite elektrische Antwortsignal (39) ein Frequenzspektrum aufweist, – Filtern einer Referenz-Harmonischen aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen zweiten elektrischen Antwortsignals (39), wobei die Referenz-Harmonische und die ausgewählte Harmonische gleicher Ordnung sind, – Mischen der Referenz-Harmonischen und der ausgewählten gefilterten Harmonischen in einem Mischer (37), – Ausgeben eines Ausgangssignals an einem Ausgang (47) des Mischers (37) und – Detektieren von Veränderungen des Zeitabstands (ΔT), wobei Veränderungen der Amplitude des Ausgangssignals als Maß für Veränderungen des Zeitabstands (ΔT) dienen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Referenz-Harmonische und die ausgewählte gefilterte Harmonische beim Mischen multipliziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels einer Verzögerungseinrichtung (53) das optische Si gnal (1) und/oder das optische Referenzsignal (3) um eine ausgewählte Zeitspanne verzögert wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Synchronisieren eines optischen (1) oder elektrischen Signals mit einem optischen (1) oder elektrischen Referenzsignal, wobei der Zeitabstand (ΔT) in Abhängigkeit der durch das Verfahren detektierten Veränderung des Zeitabstands (ΔT) geregelt wird.
Verwendung nach Anspruch 14, wobei der Zeitabstand (ΔT) mittels einer Rückkopplung (57) geregelt wird.
Verwendung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Differenz (ΔA) zwischen den Amplituden von zwei ausgewählten Harmonischen benachbarter Ordnung auf null geregelt wird.
Vorrichtung zur Detektion von Veränderungen eines Zeitabstands (ΔT) zwischen einem optischen (1) oder elektrischen Signal und einem optischen (3) oder elektrischen Referenzsignal mit einem Photodetektor (5), einer Filtereinheit (7) und einem Messgerät (9), wobei im Falle eines elektrischen Signals und/oder elektrischen Referenzsignals mindestens ein elektro-optischer Modulator (55) vorgesehen ist, der dazu ausgestaltet ist, ein optisches Signal (1) bzw. optisches Referenzsignal (3) in Abhängigkeit des elektrischen Signals bzw. elektrischen Referenzsignals zu modulieren, der Photodetektor (5) dazu ausgestaltet ist, das optische Signal (1) und das optische Referenzsignal (3) zu empfangen und ein elektrisches Antwortsignal (15) an einem Ausgang (13) des Photodetektors (5) auszugeben, wobei das elektrische Antwortsignal (15) ein Frequenzspektrum aufweist, das vom Zeitabstand (ΔT) abhängig ist, die Filtereinheit (7) mit dem Ausgang (13) des Photodetektors (5) verbunden und dazu ausgestaltet ist, eine ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals (15) zu filtern, und das Messgerät (9) mit der Filtereinheit (7) verbunden und dazu ausgestaltet ist, Veränderungen des Zeitabstands (ΔT) aus Veränderungen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen zu detektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Photodetektor (5) eine hohe Bandbreite aufweist, sodass das Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals (15) mindestens 5 Harmonische umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Messgerät (9) eine Messgenauigkeit von mindestens δA/A = 10^–3, vorzugsweise von mindestens δA/A = 10^–4, für die Amplitude der ausgewählten Harmonischen hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Vorrichtung eine zweite Filtereinheit (19) aufweist, die mit dem Ausgang (13) des Photodetektors (5) verbunden und dazu ausgestaltet ist, eine zweite ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals (15) zu filtern, wobei das Messgerät (9) mit der zweiten Filtereinheit (19) verbunden und dazu ausgestaltet ist, Veränderungen des Zeitabstands (ΔT) aus Veränderungen der Differenz (ΔA) zwischen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen und der Amplitude der zweiten ausgewählten Harmonischen zu detektieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei mindestens eine Filtereinheit (7, 19) in dem Messgerät (9) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Vorrichtung eine Verzögerungseinrichtung (53) aufweist, die dazu ausgestaltet ist, das optische Signal (1) und/oder das optische Referenzsignal (3) um eine ausgewählte Zeitspanne zu verzögern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die Vorrichtung einen zweiten Photodetektor (33), eine weitere Filtereinheit (35) und einen Mischer (37) aufweist, wobei der zweite Photodetektor (33) dazu ausgestaltet ist, das optische Signal (1) oder das optische Referenzsignal (3) zu empfangen und ein zweites elektrisches Antwortsignal (39) an einem Ausgang (41) des zweiten Photodetektors (33) auszugeben, wobei das zweite elektrische Antwortsignal (39) ein Frequenzspektrum aufweist, die weitere Filtereinheit (35) mit dem Ausgang (41) des zweiten Photodetektors (33) verbunden und dazu ausgestaltet ist, eine ausgewählte Referenz-Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen zweiten elektrischen Antwortsignals (39) zu filtern, wobei die Referenz-Harmonische und die ausgewählte Harmonische gleicher Ordnung sind, der Mischer (37) einen ersten Eingang (43), einen zweiten Eingang (45) und einen Ausgang (47) aufweist, wobei der erste Eingang (43) mit der Filtereinheit (5) verbunden ist und der zweite Eingang mit der weiteren Filtereinheit (35) verbunden ist, und der Mischer (37) dazu ausgestaltet ist, die Referenz-Harmonische und die ausgewählte gefilterte Harmonische zu mischen, ein Ausgangssignal an dem Ausgang (47) des Mischers (37) auszugeben, wobei aus Veränderungen der Amplitude des Ausgangssignals Veränderungen des Zeitabstands (ΔT) detektierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der Mischer (37) und die weitere Filtereinheit (35) in dem Messgerät (9) integriert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, wobei das Messgerät (9) über eine Rückkopplung mit einer Steuereinheit (57) verbunden ist, wobei die Steuereinheit (57) dazu ausgestaltet ist, den Zeitabstand (ΔT) zu regeln.