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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtasten optischer
Signale und zum Bilden entsprechender Abtastwerte.
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Es
gibt eine Vielzahl an Veröffentlichungen zum
optischen Abtasten (sampling), die, obwohl sie teilweise nur eine
sehr kurze Messzeit benötigen
und quasi in „Echtzeit" arbeiten, keine
Messung einzelner optischer Pulse, also keine „Einzelschussmessung" ermöglichen.
Erwähnt
seien in diesem Zusammenhang die Veröffentlichungen "Recent Progress toward
real-time measurement of ultrashort laser Pulses" (Kane, D. J.; IEEE Journal of Quantum
Electronics, 1999, 35(4), Seiten 421–431), "Highly sensitive differential tomographic
technique for real-time ultrashort puls characterization" (I. Kang und C.
Dorrer; Optics Letters, 2005, 30(12), Seiten 1545–1547), "Real-time implementation
of linear spectrograms for the characterization of high bit-rate
optical pulse trains" (C.
Dorres und I. Kang; IEEE Photonics Technology Letters, 2004, 16(3),
Seiten 858–860), "160-Gb/s optical
sampling by gaintransparent four-wave mixing in a semiconductor
optical amplifier" (S.
Diez, R. Ludwig, C. Schmidt, U. Feiste, H. G. Weber; IEEE Photonics
Technology Letters, 1999, 11(11), Seiten 1402–1404) und "Sampling Pulses with semiconductor optical
amplifiers" (L.A.
Jiang, E.P. Ippen, U. Feiste, S. Diez, E. Hillinger, C. Schmidt,
H.G. Weber; IEEE Journal of Quantum Electronics, 2001, 37(1), Seiten
118–126).
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Bei
all diesen Verfahren wird über
eine Vielzahl an Pulsen gemittelt, um eine Mittelwertbildung durchzuführen. Eine
zuverlässige
und genaue Messung einzelner optischer Pulse ohne zeitliche Mittelung
ist bisher nicht bekannt.
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Der
Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zum Abtasten eines optischen Signals anzugeben, das
auch das Abtasten einzelner optischer Pulse ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in Unteransprüchen
angegeben.
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Danach
ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum
Abtasten eines einzelnen optischen Pulses und zum Bilden von Abtastwerten,
die den Pulsverlauf des abzutastenden optischen Pulses kennzeichnen, vorgesehen,
bei dem eine Abfolge zeitlich aufeinander folgender optischer Abtastpulse
gebildet wird, die unterschiedliche optische Wellenlängen aufweisen, mit
den Abtastpulsen der abzutastende Puls unter Bildung modulierter
Abtastpulse abgetastet wird und die modulierten Abtastpulse wellenlängenindividuell unter
Bildung der Abtastwerte gemessen werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu
sehen, dass sich mit diesem auch einzelne optische Pulse mit einer
Breite von nur wenigen Pikosekunden vermessen lassen. Die Schwierigkeit
bei einer derartigen Messung liegt in der notwendigen Zeitauflösung. Bei
einem abzutastenden optischen Puls mit einer Breite von nur wenigen
Pikosekunden ist eine mindestens um den Faktor 10 höhere Zeitauflösung, also
eine Auflösung
im Femtosekundenbereich, notwendig. Die entsprechende zeitliche
Auflösung
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
dadurch erreicht, dass für
jeden optischen Abtastpuls eine andere optische Wellenlänge verwendet
wird. Aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen ist es nach einem Abtasten
möglich,
die im Rahmen der Abtastung gebildeten modulierten Abtastpulse wellenlängenindividuell
auszuwerten. Dadurch, dass die Abtastpulse wellenlängenindividuell
behandelt werden, lassen sich diese problemlos einzeln detektieren,
obwohl sie nur sehr geringe bzw. geringste zeitliche Ab stände voneinander aufweisen
und zeitlich somit kaum voneinander zu trennen sind. Mit anderen
Worten besteht der erfinderische Gedanke also darin, zeitlich dicht
aufeinander folgende modulierte Abtastpulse getrennt voneinander
zu messen, indem diese wellenlängenindividuell
verarbeitet werden; dies ermöglicht
beispielsweise auch eine zeitgleiche Messung und parallele Auswertung
der modulierten Abtastpulse.
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Besonders
einfach und damit vorteilhaft ist eine wellenlängenindividuelle Verarbeitung
möglich, wenn
die modulierten Abtastpulse voneinander wellenlängenabhängig räumlich getrennt werden und
die räumlich
getrennten Abtastpulse individuell bzw. separat unter Bildung der
Abtastwerte gemessen werden. Dadurch, dass die modulierten Abtastpulse
voneinander getrennt werden, lassen sich diese problemlos getrennt
voneinander und einzeln detektieren, obwohl sie zeitlich kaum voneinander
zu trennen wären.
Eine wellenlängenindividuelle
Verarbeitung erfolgt vorzugsweise also dadurch, dass die modulierten
Abtastpulse zunächst
voneinander örtlich
separiert werden; ein Auftrennen bzw. Separieren der Abtastpulse
kann durch ein einfaches wellenlängenseparierendes
Element, wie z.B. ein optisches Gitter, erfolgen.
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Besonders
einfach und damit vorteilhaft lassen sich die Abtastpulse modulieren,
indem die Polarisation eines jeden Abtastpulses in Abhängigkeit
von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt
des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses aufweist, verändert wird,
wodurch polarisationsmodulierte Abtastpulse gebildet werden und
die Polarisationslagen der polarisationsmodulierten Abtastpulse
unter Bildung der Abtastwerte gemessen werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
die Abtastpulse amplitudenmoduliert werden, indem die Amplitude
eines jeden Abtastpulses in Abhängigkeit
von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt
des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses aufweist, moduliert wird,
wodurch amplitudenmo dulierte Abtastpulse gebildet werden, und die
Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse unter Bildung der
Abtastwerte gemessen werden.
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Im
Hinblick auf eine möglichst
große
Messgenauigkeit wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die zeitliche
Abtastpulslänge
der zeitlich aufeinander folgenden optischen Abtastpulse kleiner
als die Pulslänge
des abzutastenden Pulses ist.
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Die
Abtastpulse und der abzutastende Puls können beispielsweise in einen
Polarisationsdreher eingespeist werden, der die Polarisation eines
jeden Abtastpulses in Abhängigkeit
von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt
des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses aufweist, dreht. Eine
solche Polarisationsdrehung wird vorzugsweise mit einem Polarisationsfilter
in eine Amplitudenmodulation umgewandelt.
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Die
Polarisationsdrehung kann besonders einfach und damit vorteilhaft
mit einer nichtlinearen Lichtleitfaser durchgeführt werden.
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Das
Ausmessen der Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse wird
vorzugsweise mit Hilfe eines Spektrometers durchgeführt.
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Besonders
bevorzugt werden die Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse
mit Hilfe eines Mehrkanal-Spektrometers gemessen, das für jede Wellenlänge der
Abtastpulse einen individuellen Messkanal aufweist; jeder Abtastpuls
wird in diesem Falle vorzugsweise mit seinem individuellen Messkanal
ausgemessen.
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Ein
Ausmessen der Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse kann
beispielsweise auch mit Hilfe einer CCD-Kamera erfolgen.
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Im
Hinblick auf eine hohe Messgeschwindigkeit wird es als vorteilhaft
angesehen, wenn die Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse gleichzeitig
gemessen werden.
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Die
Abfolge der zeitlich aufeinander folgenden Abtastpulse lässt sich
besonders einfach und damit vorteilhaft einstellen, indem mit einem
Hilfslaser ein optischer Hilfspuls mit einem kammförmigen Wellenlängenspektrum
gebildet wird, der Hilfspuls in einen Wellenlängenteiler eingespeist wird,
mit dem eine Vielzahl an Injektionspulsen mit jeweils einer unterschiedlichen
Zentralwellenlänge
erzeugt wird, jeder Injektionspuls jeweils in einen individuell
zugeordneten Hauptlaser eingespeist wird, wodurch dieser zur Erzeugung
eines Hauptpulses mit der Wellenlänge des eingespeisten Injektionspulses
angeregt wird, und die Hauptpulse der Hauptlaser als Abtastpulse
weiter verwendet werden.
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Die
Hauptpulse können
beispielsweise in den Wellenlängenteiler – mittelbar
oder unmittelbar – zurückgespeist
und von diesem – mittelbar
oder unmittelbar – zur
Abtasteinrichtung geleitet werden.
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Die
zeitliche Reihenfolge der Hauptpulse wird vorzugsweise eingestellt,
indem die optische Weglänge
zwischen dem Hilfslaser und den Hauptlasern unterschiedlich bemessen
wird.
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Auch
kann die zeitliche Reihenfolge der Hauptpulse eingestellt werden,
indem die optische Weglänge
zwischen den Hauptlasern und der Abtasteinrichtung unterschiedlich
bemessen wird.
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Die
Ansteuerung der Hauptlaser erfolgt bevorzugt jeweils mit einem individuellen
elektrischen Steuersignal, wobei die optischen Injektionspulse für jeden
Hauptlaser jeweils derart erzeugt werden, dass jeder Injektionspuls
in seinem zugeordneten Hauptlaser zu einem Zeitpunkt eintrifft,
zu dem die Ladungsträgerdichte
aufgrund des Steuersignals in dem jeweili gen Hauptlaser die Schwellladungsträgerdichte gerade
erreicht hat oder gerade überschreitet.
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Der
optische Hilfspuls wird vorzugsweise durch Anlegen eines elektrischen
Hilfssteuersignals am Hilfslaser generiert, wobei das Hilfssteuersignal am
Hilfslaser zeitlich vor dem Steuersignal am jeweiligen Hauptlaser
angelegt wird und wobei die Zeitdifferenz zwischen dem Anlegen des
Steuersignals am jeweiligen Hauptlaser und dem Anlegen des Hilfssteuersignals
am Hilfslaser der Zeitspanne entspricht, die der optische Injektionspuls
vom Hilfslaser zum jeweiligen Hauptlaser benötigt.
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Der
zeitliche Versatz zwischen elektrischem Steuer- und Hilfssteuersignal
wird beispielsweise bewirkt, indem die elektrische Laufzeit des
Steuersignals zum jeweiligen Hauptlaser und die des Hilfssteuersignals
zum Hilfslaser geeignet gewählt
werden.
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Beispielsweise
werden die elektrischen Steuersignale für die Hauptlaser und das Hilfssteuersignal
für den
Hilfslaser mit demselben Signalgenerator erzeugt, wobei der Signalgenerator
jeweils über eine
Hauptsteuerleitung mit den Hauptlasern und über eine Hilfsteuerleitung
mit dem Hilfslaser verbunden wird.
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Alternativ
kann das Steuersignal für
jeden Hauptlaser und das Hilfssteuersignal für den Hilfslaser mit zwei oder
mehr synchronisierten Signalgeneratoren erzeugt werden, wobei der
eine Signalgenerator über
eine Hilfssteuerleitung mit dem Hilfslaser und der oder die weiteren
Signalgeneratoren über
individuelle Hauptsteuerleitungen mit den Hauptlasern verbunden
werden.
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Vorzugsweise
wird für
jeden Hauptlaser die Länge
der Hauptsteuerleitung jeweils so gewählt, dass die Laufzeit des
Steuersignals zum Hauptlaser so groß ist wie die Laufzeitsum me,
die sich durch Addition aus der Laufzeit, die das Hilfssteuersignal über die
Hilfsteuerleitung zum Hilfslaser benötigt, und der Zeit, die nach
dem Erzeugen des Hilfspulses bis zum Eintreffen des optischen Injektionspulses
in dem jeweiligen Hauptlaser vergeht, ergibt.
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Als
Hilfslaser und/oder Hauptlaser können beispielsweise
kostengünstige
Fabry-Perot-Laser verwendet werden.
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Die
Erfindung bezieht sich außerdem
auf eine Vorrichtung zum Abtasten eines optischen Signals und zum
Bilden von Abtastwerten, die den Pulsverlauf des abzutastenden optischen
Signals kennzeichnen.
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Erfindungsgemäß vorgesehen
ist diesbezüglich
eine Vorrichtung zum Abtasten eines einzelnen optischen Pulses und
Bilden von Abtastwerten, die den Pulsverlauf des abzutastenden optischen
Pulses kennzeichnen, mit einer Pulseinrichtung zum Erzeugen einer
Abfolge zeitlich aufeinander folgender optischer Abtastpulse, die
unterschiedliche optische Wellenlängen aufweisen, einer der Pulseinrichtung nachgeordneten
Abtasteinrichtung, die die Abtastpulse der Pulseinrichtung in Abhängigkeit
von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt
des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses aufweist, moduliert und
in dieser Weise modulierte Abtastpulse bildet, und einer der Abtasteinrichtung nachgeordneten
Messeinrichtung, die die modulierten Abtastpulse wellenlängenindividuell
unter Bildung der Abtastwerte misst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Unteransprüchen angegeben.
Bezüglich
der Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung
wird auf die obigen Ausführungen
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
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Als
selbständige
Erfindung angesehen wird außerdem
eine Pulseinrichtung zum Bilden einer Abfolge zeitlich aufeinander folgender
optischer Abtastpulse, die unterschiedliche optische Wellenlängen aufweisen.
Erfindungsgemäß umfasst
die Pulseinrichtung:
- – einen Hilfslaser zum Bilden
eines optischen Hilfspulses mit einem kammförmigen Wellenlängenspektrum,
- – einen
dem Hilfslaser ausgangsseitig nachgeordneten Wellenlängenteiler,
der bei Anliegen des kammförmigen
Wellenlängenspektrums
eine Vielzahl an Injektionspulsen mit jeweils einer unterschiedlichen
Zentralwellenlänge
erzeugt, und
- – einer
Mehrzahl an Hauptlasern, die dem Wellenlängenteiler nachgeordnet sind
und ausgangseitig die Abtastpulse bilden, sobald deren Emission durch
einen eingespeisten Injektionspuls angeregt wird.
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Bezüglich der
Vorteile der erfindungsgemäßen Pulseinrichtung
wird auf die obigen Ausführungen
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abtasten
eines einzelnen optischen Pulses und Bilden von Abtastwerten verwiesen.
Entsprechendes gilt für
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Pulseinrichtung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei
zeigen beispielhaft
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1 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Anordnung zum Abtasten eines einzelnen optischen Pulses,
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2 beispielhaft
den zeitlichen Verlauf der bei der Anordnung gemäß 1 eingesetzten
optischen Abtastpulse,
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3 beispielhaft
den zeitlichen Verlauf eines einzelnen abzutastenden optischen Pulses,
-
4 beispielhaft
die sich durch eine Abtastung ergebenden amplitudenmodulierten Abtastpulse im
zeitlichen Verlauf,
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5 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Pulseinrichtung, die bei der Anordnung gemäß 1 einsetzbar
ist,
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6 beispielhaft
ein kammartiges Ausgangsspektrum eines Hilfslasers der Pulseinrichtung gemäß 5,
-
7 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Abtasteinrichtung, die in der Anordnung gemäß 1 eingesetzt
werden kann,
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8 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Messeinrichtung, die in der Anordnung gemäß 1 eingesetzt
werden kann, und
-
9 ein
Ausführungsbeispiel
für den
internen Aufbau von Hauptlasern für die Pulseinrichtung gemäß 5.
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In
den 1 bis 9 werden der Übersichtlichkeit
halber für
identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen
verwendet.
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In
der 1 erkennt man eine Vorrichtung 10 zum
Abtasten eines einzelnen optischen Pulses LP und zum Bilden von
Abtastwerten AW1–AW5,
die den zeitlichen Pulsverlauf des abzutastenden optischen Pulses
LP kennzeichnen.
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Die
Vorrichtung 10 weist eine Pulseinrichtung 20 auf,
die ausgangsseitig optische Abtastpulse AP1–AP5 bildet. Die Abtastpulse
AP1–AP5
folgen zeitlich aufeinander und weisen unterschiedliche Wellenlängen auf.
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In
der 2 ist der zeitliche Verlauf der Amplitude (bzw.
der Leistung) der optischen Abtastpulse AP1–AP5 beispielhaft näher dargestellt.
Man erkennt, dass die Abtastpulse nacheinander auftreten und dass
jeder optische Abtastpuls jeweils eine individuelle Wellenlänge aufweist:
Die Wellenlänge des optischen
Abtastpulses AP1 beträgt λ1, die des
optischen Abtastpulses AP2 beträgt λ2 usw. Beispielsweise
gilt: λ1 < λ2 < λ3 < λ4 < λ5
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Der
Pulseinrichtung 20 nachgeordnet ist eine Abtasteinrichtung 30,
die eingangsseitig mit den optischen Abtastpulsen AP1–AP5 sowie
mit dem abzutastenden optischen Einzelpuls LP beaufschlagt ist. Der
zeitliche Verlauf der Amplitude A(t) bzw. der Leistung des abzutastenden
optischen Pulses LP ist in der 3 beispielhaft
gezeigt.
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Die
Abtasteinrichtung bildet mit den optischen Abtastpulsen AP1–AP5 sowie
mit dem abzutastenden optischen Einzelpuls LP ausgangseitig amplitudenmodulierten
Abtastpulse AP1'–AP5'.
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Der
Abtasteinrichtung 30 nachgeordnet ist eine Messeinrichtung 40,
die aus den von der Abtasteinrichtung 30 gelieferten amplitudenmodulierten
Abtastpulsen AP1'–AP5' die Abtastwerte
AW1–AW5
bildet und diese ausgangsseitig abgibt.
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Die
Anordnung gemäß 1 wird
beispielsweise wie folgt betrieben:
In der Pulseinrichtung 20 werden
die in der 2 gezeigten optischen Abtastpulse
gebildet, die zeitlich aufeinander folgen und unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
Diese gelangen zu der Abtasteinrichtung 30 und dienen zum
Abtasten des abzutastenden optischen Pulses LP. Die Abtasteinrichtung
ist derart ausgestaltet, dass sie die Amplitude eines jeden Abtastpulses
AP1 bis AP5 der Pulseinrichtung 2 in Abhängigkeit
von der Amplitude A(t) des abzutastenden Pulses LP, die dieser zum
Zeitpunkt t des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses AP1–AP5 aufweist,
moduliert und in dieser Weise die amplitudenmodulierten Abtastpulse
AP1'–AP5' bildet.
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Die
amplitudenmodulierten optischen Abtastpulse AP1'–AP5' sind beispielhaft
in der 4 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur die
Kurvenverläufe
der Abtastpulse AP1',
AP3' und AP4' gezeigt; von den
amplitudenmodulierten Abtastpulsen AP2' und AP5' sind nur die Amplitudenwerte A2 und
A5 eingezeichnet.
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Man
erkennt, dass die Amplituden A1–A5
der amplitudenmodulierten Abtastpulse AP1–AP5 umso größer sind,
je größer die
jeweilige Amplitude A(t) des abzutastenden optischen Pulses LP zu
dem jeweiligen Abtastzeitpunkt t ist. Demgemäß ist also die Amplitude A2
des amplitudenmodulierten Abtastpulses AP2' am größten, da dieser zu einem Zeitpunkt t2
in der Abtasteinrichtung 30 eintrifft, in der der abzutastende
optische Puls LP seine größte Amplitude A(t2)
aufweist. In entsprechender Weise weist der dritte amplitudenmodulierte
Abtastwert AP3' die zweitgrößte Amplitude
A3 auf, da dieser zu einem Zeitpunkt t3 in der Abtasteinrichtung 30 eintritt,
zu dem der abzutastende optische Puls LP entsprechend groß ist. Die übrigen Amplituden
A1, A4 und A5 der amplitudenmodulierten Abtastpulse ergeben sich
in entsprechender Weise.
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Die
amplitudenmodulierten Abtastpulse AP1'–AP5' gelangen zu der
Messeinrichtung 40, die diese wellenlängenindividuell ausmisst und
die entsprechenden Abtastwerte AW1–AW5 bildet. Die Messeinrichtung 40 ist
hierfür
derart ausgestaltet, dass sie die nacheinander eintreffenden amplitudenmodulierten
Abtastpulse AP1'–AP5' zunächst wellenlängenmäßig separiert
und die wellenlängenseparierten Signale
einzeln ausmisst.
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Bei
der Messeinrichtung 40 kann es sich beispielsweise um ein
Mehrkanalspektrometer handeln. Die Messeinrichtung kann beispielsweise
ein wellenlängensplittendes
optisches Gitter mit einer nachgeschalteten CCD-Zeile, zum Beispiel
einer CCD-Kamera,
aufweisen. Die Messeinrichtung 40 ist somit in der Lage,
die zeitlich kurz nacheinander eintreffenden amplitudenmodulierten
Abtastpulse AP1'–AP5' zeitlich gleichzeitig zu
messen, da sie zuvor eine örtliche
Auftrennung der Abtastpulse in Abhängigkeit von deren Wellenlänge durchgeführt hat.
Die Messeinrichtung 40 muss also die eintreffenden Abtastpulse
nicht zeitaufgelöst
beispielsweise im Femtosekundenbereich messen; vielmehr ist lediglich
eine zeitunkritische Messung der Amplitude der Abtastpulse AP1'–AP5' in Abhängigkeit von der jeweiligen
Wellenlänge
erforderlich.
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In
der 5 ist ein Ausführungsbeispiel
für die
Pulseinrichtung 20 gemäß 1 gezeigt.
Man erkennt, dass die Pulseinrichtung 20 einen elektrischen Signalgenerator 100 aufweist,
dem ausgangsseitig ein Hilfslaser 110 sowie fünf Hauptlaser 120, 125, 130, 135 und 140 nachgeordnet
sind. Die Laser können
beispielsweise durch gewinngeschaltete Fabry-Perot-Laser gebildet sein.
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Die
Verbindungsleitungen zwischen dem elektrischen Signalgenerator 100 und
dem Hilfslaser einerseits sowie den Hauptlasern andererseits umfassen
u.a. eine elektrische Hilfssteuerleitung HL zum Anschluss an den
Hilfslaser 110 sowie elektrische Hauptsteuerleitungen ST1–ST5 zum
Anschluss der fünf
Hauptlaser.
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Der
Hilfslaser 110 ist optisch mittels eines optischen Lichtwellenleiters 150 an
einen Anschluss eines optischen Zirkulators 160 angeschlossen.
Der optische Zirkulator 160 weist einen weiteren Anschluss
auf, der mit einem Eingang A170 eines optischen Wellenlängenteilers 170 verbunden
ist. Ein dritter Anschluss des optischen Zirkulators 160 bildet einen
Ausgang A20 der Pulseinrichtung 20.
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Der
optische Wellenlängenteiler 170 weist insgesamt
fünf optische
Ausgänge
auf, von denen jeweils einer mit einem der Hauptlaser 120, 125, 130, 135 und 140 verbunden
ist.
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Die
Anordnung gemäß 5 wird
wie folgt betrieben:
Mit dem elektrischen Signalgenerator 100 wird
ein Steuersignal beispielsweise in Form eines Steuerpulses EP erzeugt,
der über
die elektrische Hilfssteuerleitung HL als Hilfssteuersignal SH zum
Hilfslaser 110 gelangt. Der Hilfslaser 110 erzeugt
daraufhin einen optischen Hilfspuls OHP mit einem kammförmigen Spektrum.
Das Spektrum A(λ)
des Hilfspulses OHP ist in der 6 beispielhaft
gezeigt. Man erkennt, dass das kammförmige Spektrum des Hilfspulses
OHP fünf
Sendewellenlängen
aufweist, die mit dem Bezugszeichen λ1–λ5 gekennzeichnet sind.
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Der
optische Hilfspuls OHP des Hilfslasers 110 gelangt über den
Lichtwellenleiter 150 und den optischen Zirkulator 160 zu
dem optischen Wellenlängenteiler 170,
der das kammförmige
Spektrum des optischen Hilfspulses aufspaltet und ausgangsseitig
eine Vielzahl an optischen Injektionspulsen IP1–IP5 mit jeweils einer unterschiedlichen
Zentralwellenlänge
erzeugt. Konkret erzeugt der optische Wellenlängenteiler 170 einen
Injektionspuls IP1 mit einer optischen Wellenlänge λ1 für den Hauptlaser 120.
Ein Injektionspuls IP2 mit der optischen Wellenlänge λ2 gelangt zum zweiten Hauptlaser 125;
in entsprechender Weise werden die übrigen Hauptlaser mit Injektionspulsen
IP3, IP4 und IP5 mit jeweils einer individuellen Wellenlänge λ3, λ4 und λ5 versorgt.
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Jeder
der Hauptlaser wird über
den Steuerpuls EP außerdem
elektrisch derart angesteuert, dass er seine Besetzungsinversion
gerade dann erreicht, wenn der jeweilige optische Injektionspuls IP1–IP5 vom
optischen Wellenlängenteiler 170 eintrifft.
In dieser Weise wird erreicht, dass die Hauptlaser jeweils zu einem
ganz bestimmten Zeitpunkt Strahlung emittieren, nämlich genau
dann, wenn der jeweilige Injektionspuls eintrifft. Die Zeitpunkte,
zu denen die Injektionspulse IP1–IP5 in ihrem jeweiligen Hauptlaser
eintreffen, sind zeitlich versetzt, um ein zeitlich aufeinander
folgendes Emittieren der optischen Abtastpulse AP1–AP5, wie
dies in der 2 gezeigt ist, zu erreichen.
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Bezüglich des
zeitlichen Triggerns optischer Pulse mit Hilfe von Injektionspulsen
sei auf die deutsche Offenlegungsschrift
DE 102 45 717 verwiesen, in der die
entsprechende Ansteuerung eines Hauptlasers mit einem Hilfslaser
im Detail beschrieben ist. Durch das zeitlich versetzte elektrische
und optische Ansteuern der Hauptlaser – relativ zueinander – wird also
sichergestellt, dass diese zu ganz bestimmten Zeitpunkten, und zwar
nacheinander die optischen Abtastpulse AP1–AP5 bilden.
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Zur
Verdeutlichung der Funktionsweise wird das Erzeugen des optischen
Abtastpulses AP1 anhand des Hauptlasers 120 näher erläutert: Trifft
der Injektionspuls IP1 mit der Wellenlänge λ1 vom Wellenlängenteiler 170 in
dem Hauptlaser 120 ein, so befindet sich dieser – wie bereits
erläutert – aufgrund des
zeitlich abgestimmten Eintreffens des elektrischen Ansteuerpulses
ST1 in seiner Besetzungsinversion, so dass dieser unmittelbar seinen
optischen Abtastpuls AP1 bilden und ausgangsseitig abgeben kann.
Der optische Abtastpuls AP1 gelangt über den Wellenlängenteiler 170 zum
optischen Zirkulator 160, der diesen am Ausgang A20 der
Pulseinrichtung 20 abgibt. Da der Injektionspuls IP1 die
Wellenlänge λ1 aufweist,
wird der optische Abtastpuls AP1 ebenfalls mit der Wellenlänge λ1 erzeugt,
da es sich um eine induzierte Emission handelt. Die Hauptlaser sind
entsprechend derart auszuwählen,
dass sie auf der jeweiligen Sollwellenlänge λ1–λ5 emissionsfähig sind; ggf. kann eine optische
Nachjustage der Laser durch eine Temperatursteuerung erfolgen.
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In
entsprechender Weise arbeiten die anderen Hauptlaser: Sobald in
den Hauptlasern die Injektionspulse IP2–IP5 mit den jeweiligen Wellenlängen λ2–λ5 eintreffen,
so erzeugen diese ausgangsseitig die entsprechenden optischen Abtastpulse
AP2–AP5 mit
den entsprechenden Wellenlängen λ2–λ5.
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Um
nun zu erreichen, dass die optischen Abtastpulse zeitlich nacheinander
erzeugt werden, wie dies in der 2 bereits gezeigt
und erläutert
wurde, ist die optische Weglänge
zwischen dem Hilfslaser 110 und jedem der Hauptlaser beispielsweise
individuell abgestimmt: Da der optische Abtastpuls AP1 als erster
erzeugt werden soll, ist die optische Weglänge zwischen dem Hilfslaser 110 und
dem Hauptlaser 120 entsprechend kürzer als die entsprechenden Weglängen zu
den anderen Hauptlasern. Die optische Weglänge zwischen dem Hilfslaser 110 und dem
fünften
Hauptlaser 140, mit dem der fünfte Abtastpuls AP5 gebildet
wird, ist demgemäß am längsten.
Die unterschiedlichen optischen Weglängen ermöglichen es somit, die einzelnen
optischen Abtastpulse AP1–AP5
zeitlich nacheinander zu erzeugen und zeitlich aufeinander folgend
am Ausgang A20 der Pulseinrichtung abzugeben.
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Um
zu erreichen, dass die Hauptlaser jeweils dann ihre Besetzungsinversion
erreichen, wenn die Injektionspulse eintreffen, sollte die elektrische
Ansteuerung durch die Hauptsteuersignale ST1–ST5 entsprechend zeitlich
koordiniert werden. Eine solche zeitliche Koordination kann beispielsweise
dadurch erfolgen, dass die elektrischen Hauptsteuerleitungen SL1–SL5 entsprechend
unterschiedlich lang dimensioniert werden, damit der Steuerpuls
EP zu unterschiedlichen Zeitpunkten in dem jeweiligen Hauptlaser
eintrifft. Alternativ können
auch Verzögerungsleitungen
innerhalb der Hauptlaser vorgesehen sein, mit denen sich die individuelle
Verzögerung
einstellen lässt.
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In
der 7 ist ein Ausführungsbeispiel
für die
Abtasteinrichtung 30 gemäß 1 gezeigt.
Man erkennt, dass die Abtasteinrichtung 30 eingangsseitig
einen 3dB-Teiler 200 aufweist, dem eine hoch-nichtlineare
Glasfaser 210 (schematisch dargestellt in einem aufgerollten
Zustand) nachgeordnet ist. Ausgangsseitig steht die Glasfaser 210 mit
einem Polarisationsfilter 220 in Verbindung, das einen
Ausgang der Abtasteinrichtung 30 bildet. Die hoch-nichtlineare
Glasfaser 210 und das Polarisationsfilter 220 können beispielsweise
einen Kerr-Switch
bilden.
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Die
Abtasteinrichtung 30 gemäß 7 arbeitet
wie folgt:
Die an den beiden Eingängen des 3dB-Teilers 200 anliegenden
optischen Abtastpulse AP1–AP5
sowie der abzutastende optische Puls LP werden gemeinsam in die
hoch-nichtlinare Glasfaser 210 eingekoppelt. Aufgrund der
Nichtlinearität
der Glasfaser 210 kommt es zu einer Polarisationsdrehung
der optischen Abtastpulse AP1–AP5
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Amplitude des abzutastenden Pulses LP. Konkret
wird die Polarisation der optischen Abtastpulse AP1–AP5 umso
mehr gedreht, je größer die Amplitude
des abzutastenden Pulses LP ist (vgl. Kerr-Schalter, z.B. beschrieben
in der Dissertation „Interferometric
Gates for All-Optical Signal Processing", Diplom-Physiker Colja Schubert aus
Berlin von der Fakultät
II – Mathematik
und Naturwissenschaften der Technischen Universität Berlin).
Am Ausgang der Glasfaser 210 werden somit die optischen
Abtastpulse AP1–AP5
unterschiedliche Polarisationslagen aufweisen. Die hervorgerufene
Polarisationsdrehung wird in dem Polarisationsfilter 220 in
eine Amplitudenmodulation umgewandelt, so dass am Ausgang des Polarisationsfilters 220 und
damit am Ausgang der Abtasteinrichtung 30 die amplitudenmodulierten
Abtastpulse AP1'–AP5' gemäß 1 gebildet werden.
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In
der 8 ist ein Ausführungsbeispiel
für die
Messeinrichtung 40 dargestellt. Man erkennt einen Wellenlängensplitter 300,
dem eine CCD-Kamera 310 mit einer CCD-Zeile 320 nachgeordnet
ist.
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Die
Aufgabe des Wellenlängensplitters 300 besteht
darin, die zeitlich unmittelbar nacheinander eintreffenden amplitudenmodulierten
Abtastpulse AP1'–AP5' nach der Wellenlänge örtlich zu
separieren und zu unterschiedlichen Messstellen 320a–320e der
CCD-Zeile 320 zu leiten. Durch die räumliche Aufsplittung der amplitudenmodulierten
Abtastpulse AP1'–AP5' auf die unterschiedlichen
Messstellen 320a–320e lässt sich erreichen,
dass diese mit der CCD-Kamera nicht zeitlich aufgelöst gemessen
werden müssen,
sondern stattdessen zeitlich parallel gemessen werden können. Die
CCD-Kamera 310 kann somit die eintreffenden amplitudenmodulierten
Abtastpulse AP1'– AP5' gleichzeitig messen
und gleichzeitig an ihrem Ausgang als Abtastwerte AW1–AW5 ausgeben.
Eine zeitliche Auflösung
bzw. ein zeitliches Nacheinandermessen ist nicht erforderlich.
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Die 9 zeigt
beispielhaft den inneren Aufbau der Hauptlaser am Beispiel des Hauptlasers 120. Man
erkennt am Eingang E120 einen Vorverstärker 400 zum Verstärken des
Steuersignals ST1. Dem Vorverstärker 400 nachgeschaltet
ist eine vorzugsweise einstellbare Verzögerungsleitung 410,
mit der sich eine zeitliche Abstimmung derart vornehmen lässt, dass
der Hauptlaser – wie
eingangs erläutert – möglichst
genau dann seine Besetzungsinversion erreicht, wenn der Injektionspuls
IP1 im Laser eintrifft, damit der Emissionszeitpunkt möglichst
exakt eingehalten und spontane Emission vermieden wird.
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Der
Verzögerungsleitung 410 nachgeschaltet
ist ein Signalgenerator 420, der ausgangsseitig beispielsweise
ein Sägezahnsignal
erzeugt. Das Signal des Signalgenerators 420 wird in eine
Fabry-Perot-Laserdiode 430, an der außerdem eine Gleichspannung
Ub anliegt, eingespeist.
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- Vorrichtung
zum Abtasten eines optischen Sig
nals
- 20
- Pulseinrichtung
- 30
- Abtasteinrichtung
- 40
- Messeinrichtung
- 100
- Signalgenerator
- 110
- Hilfslaser
- 120,125
- Hauptlaser
- 130,135
- Hauptlaser
- 140
- Hauptlaser
- 150
- Lichtwellenleiter
- 160
- Zirkulator
- 170
- Wellenlängenteiler
- 200
- 3dB-Teiler
- 210
- Glasfaser
- 220
- Polarisationsfilter
- 300
- Wellenlängensplitter
- 310
- CCD-Kamera
- 320
- CCD-Zeile
- 320a–e
- Messstellen
- A20
- Ausgang
- A170
- Anschluss
- E120
- Eingang
- AP1–AP5
- Abtastpuls
- AP1'–AP5'
- amplitudenmodulierter
Abtastpuls
- AW1–AW5
- Abtastwert
- EP
- Steuerpuls
- LP
- abzutastender
optischer Puls
- SL1–SL5
- Hauptsteuerleitung
- HL
- Hilfssteuerleitung
- ST1–ST5
- Hauptsteuersignal
- SH
- Hilfssteuersignal