DE102007025037B3

DE102007025037B3 - Verfahren zum Ermitteln eines Frequenz- und/oder Phasenunterschieds

Info

Publication number: DE102007025037B3
Application number: DE200710025037
Authority: DE
Inventors: Burghard Lipphardt; Harald Dr. Telle
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2027-05-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Frequenz- und/oder Phasenunterschieds zwischen einem polarisierten ersten Lichtstrahl und einem polarisierten Lokaloszillator-Lichtstrahl aus einem lokalen Oszillator mit den Schritten: Empfangen des ersten Lichtstrahls aus einer Übertragungsvorrichtung, Auskoppeln des Lokaloszillator-Lichtstrahls aus dem lokalen Oszillator, Erzeugen zweier Interferenzstrahlen, von denen mindestens einer eine von dem Frequenzunterschied abhängige Schwebung aufweist, aus dem ersten Lichtstrahl und dem Lokaloszillator-Lichtstrahl durch Überlagern und polarisationstrennendes Teilen, Erzeugen zweier elektrischer Schwebungssignale aus den beiden Interferenzstrahlen und aus den elektrischen Schwebungssignalen, Ermitteln des Frequenzunterschieds.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Frequenz- und/oder Phasenunterschieds zwischen einem polarisierten ersten Lichtstrahl und einem polarisierten Lokaloszillator-Lichtstrahl aus einem lokalen Oszillator. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenzunterschieds zwischen einem polarisierten ersten Lichtstrahl und einem polarisierten Lokaloszillator-Lichtstrahl aus einem lokalen Oszillator.
Um einen Frequenzunterschied zwischen einem polarisierten ersten Lichtstrahl aus einem ersten Laser, wie beispielsweise einem Referenzlaser, und einem polarisierten Lokaloszillator-Lichtstrahl aus einem Lokaloszillator zu ermitteln, werden bei bekannten Verfahren beide Lichtstrahlen überlagert, so dass es zu einer Interferenz kommt und ein Interferenzstrahl entsteht. Dieser Interferenzstrahl ist mit einem Frequenzanteil amplitudenmoduliert, welcher der Differenz der Frequenzen des ersten Lichtstrahls und dem Lokaloszillator-Lichtstrahl entspricht. Aus der Frequenz und der Phase dieser als Schwebung bezeichneten Amplitudenmodulation wird der Unterschied zwischen den optischen Frequenzen und Phasen der beiden Lichtstrahlen ermittelt.
Ziel dieses Verfahrens ist beispielsweise, die zeitliche Frequenzstabilität des ersten Lasers, also beispielsweise des Referenzlasers, auf den lokalen Oszillator zu übertragen. Eine weitere Anwendung besteht darin, den ersten Lichtstrahl aus dem lokalen Oszillator auszukoppeln und über eine Übertragungsstrecke, wie beispielsweise eine Glasfaser zu führen. Die Glasfaser kann dann als Sensor für physikalische Größen, wie Temperatur, mechanische Spannung oder magnetische Feldstärke dienen. Wenn im Folgenden von zwei Strahlungsquellen, nämlich dem ersten Laser und dem lokalen Oszillator gesprochen wird, so lassen sich die betreffenden Aussagen stets auch auf einen interferometrischen Aufbau mit nur einer Strahlungsquelle übertragen.
Voraussetzung für eine phasenkohärente Übertragung optischer Felder ist, dass der erste Lichtstrahl und der Lokaloszillator-Lichtstrahl beim Überlagern miteinander interferieren. Es kommt jedoch zu keiner Interferenz, wenn die Polarisationen beider Lichtstrahlen orthogonal aufeinander stehen. Um permanent den Frequenz- und/oder Phasenunterschied zwischen beiden Lichtstrahlen erfassen zu können, muss also sichergestellt sein, dass die Polarisationen beider Lichtstrahlen niemals orthogonal oder nahezu orthogonal zueinander stehen. Ansonsten würde ein daraus resultierender Einbruch des Schwebungssignals das Ermitteln des Frequenz- und/oder Phasenunterschieds verhindern.
Um diese Forderung zu erfüllen, werden bei bekannten Verfahren beispielsweise polarisationserhaltende Glasfasern verwendet, die so aufgebaut sind, dass die Polarisation des in der Glasfaser geleiteten Lichtstrahls relativ zu einer optischen Achse der Glasfaser stets konstant bleibt. Derartige polarisationserhaltende Glasfasern sind teuer. Bestehende Glasfasernetze weisen daher in der Regel keine polarisationserhaltenden Glasfasern auf.
In nicht-polarisationserhaltenden Glasfasern, die standardmäßig verwendet werden, wird der in der Glasfaser geführte Lichtstrahl bei der Propagation nicht depolarisiert, sein Polarisationszustand kann sich aber räumlich und zeitlich verändern, etwa durch Variation der Doppelbrechung in der Glasfaser, was beispielsweise durch Temperaturänderungen oder mechanische Bewegungen verursacht wird. Derartige Änderun gen des Polarisationszustandes erfolgen in der Regel langsam auf Sekunden- bis Stundenskala.
Zur Vermeidung des Zustands, dass die Polarisationen der beiden Lichtstrahlen orthogonal aufeinander stehen, wird daher im Rahmen eines weiteren bekannten Verfahrens, dem so genannten polarization locker, der Polarisationszustand des aus der Glasfaser austretenden ersten Lichtstrahls so verändert, dass er stets einem vorgegebenen Polarisationszustand entspricht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass es immer zu einer Interferenz zwischen dem ersten Lichtstrahl und dem Lokaloszillator-Lichtstrahl kommt. Nachteilig an bekannten Verfahren ist, dass entweder teure polarisationserhaltende Glasfasern verwendet werden müssen oder mechanische Komponenten zum Einsatz kommen, die verschleißanfällig und versagensgeneigt sind. Nachteilig ist zudem ein hoher regelungstechnischer Aufwand für die Überwachung der Polarisationsrichtungen des ersten Lichtstrahls.
Aus der DE 29619077 U1 ist ein Zweifrequenz-Laserwegmesssystem bekannt, bei dem die Schwebung von zwei Schwingungsmoden eines Lasers verwendet werden, um den Gangunterschied in einem Interferometer zu bestimmen. Bei diesem Heterodyn-Interferometer werden also nicht zwei unabhängige Frequenzen aufeinander abgeglichen, sondern die Phasendifferenz der beiden optischen Signale als Messgröße verwendet.
Aus der US 5,432,603 ist ein Doppel-Heterodyn-Interferometer bekannt, bei dem die optischen Signalpaare, die ebenfalls nur in einem Laser erzeugt werden, an zwei Spiegeln in verschiedener Entfernung reflektiert werden. Die Phasendifferenz der beiden entstehenden Schwebungssignale wird ausgewertet, um die Entfernungsdifferenz der Spiegel zu bestimmen. Auch hier werden keine unabhängigen Frequenzen abgeglichen. Nachteilig ist außerdem der hohe apparative Aufwand.
Aus der JP 2000-065518 A ist ein Doppel-Heterodyn-Interferometer für solche Gangunterschiede bekannt, die sich kontinuierlich verändern. Dadurch erfährt das Schwebungssignal der Messstrecke eine konstante Phasenänderung pro Zeit und damit eine Dopplerverschiebung der Schwebungsfrequenz. Die Frequenzdifferenz zwischen Mess- und Referenzsignal wird ausgewertet. Es handelt sich also um einen Geschwindigkeitsmesser und nicht um ein Verfahren zum Abgleichen unabhängiger Frequenzen.
Aus der JP 63-179 224 A ist eine Vorrichtung zum Messen einer optischen Phasendifferenz bekannt, die in einer Vorrichtung zur Oberflächenmessung einsetzbar ist. Eine derartige Vorrichtung ist für den Zweck der Erfindung nicht einsetzbar.
Aus der DE 196 35 907 C2 ist ein Homodyn-Verfahren zum Messen der Phasendifferenz zwischen zwei orthogonal polarisierten Komponenten eines Prüfstrahls bekannt. Als mögliche Anwendungen dieses Polarimeters werden die Ellipsometrie und die Fughöhen-Messung genannt. Charakteristisch für Homodyn-Verfahren ist, dass sie bei unbewegten Messobjekten nur eine einzige Frequenz verwenden, im Gegensatz zu der Erfindung, die sich mit dem Abgleich von unabhängigen Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen befasst. Homodyn-Verfahren sind somit für den Zweck der Erfindung nicht einsetzbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden. Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren mit den Schritten (a) Empfangen des ersten Lichtstrahls aus einer Übertragungsvorrichtung, (b) Auskoppeln des Lokaloszillator-Lichtstrahls aus dem lokalen Oszillator, (c) Erzeugen zweier Interferenzstrahlen, von denen mindestens einer eine von dem Frequenzunterschied abhängige Schwebung aufweist, aus dem ersten Lichtstrahl und dem Lokaloszillator-Lichtstrahl durch Überlagern und polarisationstrennendes Teilen, (d) Erzeugen zweier elektrischer Schwebungssignale (U1(t), U2(t)) aus den beiden Interferenzstrahlen und (e) Ermitteln des Frequenzunterschieds aus den elektrischen Schwebungssignalen.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenzunterschieds (a) einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen des ersten Lichtstrahls aus einer Übertragungsvorrichtung, (b) einer Vorrichtung zum Erzeugen zweier Interferenzstrahlen, von denen mindestens einer eine von dem Frequenzunterschied abhängige Schwebung aufweist, aus dem ersten Lichtstrahl und dem Lokaloszillator-Lichtstrahl, die eine Überlagerungsvorrichtung und mindestens einen polarisationstrennenden Strahlteiler umfasst, (c) einer Vorrichtung zum Erzeugen zweier elektrischer Schwebungssignale aus den beiden Interferenzstrahlen und (d) einer elektrischen Schaltung, die eingerichtet ist zum Ermitteln des Frequenzunterschieds aus den elektrischen Schwebungssignalen.
Vorteilhaft an der vorliegenden Erfindung ist, dass sie keine mechanisch bewegten Teile enthält, so dass sie vergleichsweise schnell ist und kein Verschleiß eintritt. Somit liegt nur eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit vor. Vorteilhaft ist zudem der einfache Aufbau, der außerdem Platz sparend implementierbar ist.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Lichtstrahl nicht nur ein Strahl sichtbaren Lichts, sondern insbesondere auch von infrarotem bzw. ultraviolettem Licht verstanden.
Unter einer Übertragungsvorrichtung ist insbesondere jede Vorrichtung zu verstehen, mittels der ein Lichtstrahl übertragen werden kann. Beispielsweise umfasst die Übertragungsvorrichtung eine Glasfaser. Die Übertragungsvorrichtung kann jedoch auch eine Freiraumstrecke umfassen, die etwa durch Luft oder Wasser verläuft.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte eines polarisationstrennenden Teilens des ersten Lichtstrahls, so dass ein erster Teilstrahl mit einer ersten Polarisation und ein zweiter Teilstrahl mit einer zweiten, unterschiedlichen Polarisation entsteht, und eines anschließenden Überlagerns des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls jeweils mit dem Lokaloszillator-Lichtstrahl, so dass ein erster Interferenzstrahl und ein räumlich getrennter zweiter Interferenzstrahl entstehen.
Unter dem polarisationstrennenden Teilen wird dabei verstanden, dass zwei Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisation erzeugt werden. Insbesondere liegt ein polarisationstrennendes Teilen eines Lichtstrahls vor, wenn zwei Teilstrahlen mit im Wesentlichen orthogonaler Polarisation erzeugt werden.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Erzeugen der beiden Interferenzstrahlen die Schritte des polarisationstrennenden Teilens des Lo kaloszillator-Lichtstrahls, so dass ein erster Lokaloszillator-Teilstrahl mit einer ersten Polarisation und ein zweiter Lokaloszillator-Teilstrahl mit einer zweiten, unterschiedlichen Polarisation entsteht und des anschließenden Überlagerns des ersten Lokaloszillator-Teilstrahls und des zweiten Oszillator-Teilstrahls jeweils mit dem ersten Lichtstrahl, so dass ein erster Interferenzstrahl und ein räumlich getrennter zweiter Interferenzstrahl entstehen.
Es ist ebenfalls möglich und bevorzugt, dass das Erzeugen der beiden Interferenzstrahlen die Schritte eines polarisationstrennenden Teilens des Lokaloszillators-Lichtstrahls, so dass ein erster Lokaloszillator-Teilstrahl mit einer ersten Polarisation und ein zweiter Lokaloszillator-Teilstrahl mit einer zweiten unterschiedlichen Polarisation entsteht, eines polarisationstrennenden Teilens des ersten Lichtstrahls, so dass ein erster Teilstrahl mit einer ersten Polarisation und ein zweiter Teilstrahl mit einer zweiten unterschiedlichen Polarisation entsteht, und eines anschließenden Überlagerns des ersten Lokaloszillator-Teilstrahls und des ersten Teilstrahls sowie eines Überlagerns des zweiten Lokaloszillator-Teilstrahls des Lokaloszillator-Lichtstrahls und des zweiten Teilstrahls des ersten Lichtstrahls, so dass ein erster Interferenzstrahl und ein räumlich getrennter zweiter Interferenzstrahl entstehen, umfasst.
Eine weitere bevorzugte Alternative zum Erzeugen der beiden Interferenzstrahlen umfasst die Schritte eines Überlagerns des ersten Lichtstrahls und des Lokaloszillator-Lichtstrahls, so dass ein Überlagerungslichtstrahl entsteht, und eines polarisationstrennenden Teilens des Überlagerungslichtstrahls, so dass ein erster Interferenzstrahl und ein räumlich getrennter zweiter Interferenzstrahl entstehen.
Um stets ein besonders einfach auswertbares und starkes Schwebungssignal erhalten zu können, wird das polarisationstrennende Teilen bevorzugt so durchgeführt, dass die erste Polarisation und die zweite Polarisation stets in einem Winkel von im Wesentlichen 90° zueinander stehen.
Das Ermitteln des Frequenzunterschieds aus den elektrischen Schwebungssignalen umfasst bevorzugt die Schritte eines Verschiebens einer Phase eines der beiden Schwebungssignale, so dass das erste elektrische Schwebungssignal und das zweite elektrische Schwebungssignal eine im Wesentlichen übereinstimmende Phasenlage aufweisen, eines anschließenden Addierens der beiden elektrischen Schwebungssignale, so dass ein elektrisches Summensignal entsteht und eines Ermittelns des Frequenzunterschieds aus dem elektrischen Summensignal. Dadurch, dass eine übereinstimmende Phasenlage geschaffen wird, addieren sich die elektrischen Schwebungssignale zu einem stärkeren Signal, das leichter auswertbar ist
Bevorzugt wird die Phase desjenigen elektrischen Schwebungssignals verschoben, das eine geringere Amplitude aufweist
Wenn der erste Lichtstrahl aus einer anderen Strahlungsquelle stammt als der Lokaloszillator-Lichtstrahl, kann es vorteilhaft sein, beide Oszillatoren auf einen vorgegebenen Frequenzunterschied einzuregeln. Dieser Frequenzunterschied kann auch null sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird daher mindestens ein Betriebsparameter des lokalen Oszillators so verändert, dass sich der Frequenzunterschied zwischen dem Lokaloszillator-Lichtstrahl und dem ersten Lichtstrahl einem vorgegebenen Frequenzwert nähert. Ein besonders genaues Verfahren wird erhalten, wenn der Betriebsparameter so geändert wird, dass der vorgegebene Frequenzunterschiedswert erreicht wird.
Eine besonders gute Kopplung zwischen den beiden Oszillatoren wird erreicht, wenn der Betriebsparameter so geändert wird, dass sich außerdem eine vorgegebene Phase des Frequenzunterschiedes einstellt. Diese Phasendifferenz kann auch null betragen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch als interferometrisches Verfahren, bei dem der erste Lichtstrahl und der Lokaloszillator-Lichtstrahl aus ein und demselben Oszillator stammen. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass der Lokaloszillator räumlich feststeht. Der Begriff des Lokaloszillators ist nicht einschränkend hinsichtlich einer Anordnung oder eines Bewegungszustands zu verstehen. In diesem Fall wird der erste Lichtstrahl durch eine Übertragungsstrecke geleitet, wobei der Lichtstrahl beim Durchqueren der Übertragungsstrecke von einer zu messenden Größe abhängig verändert wird. Aus dem ermittelten Frequenz- und/oder Phasenunterschied wird dann auch die zu messende physikalische Größe geschlossen. Derartige zu messende Größen können beispielsweise eine Temperatur, eine mechanische Spannung oder ein elektrisches oder magnetisches Feld sein.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenz- und/oder Phasenunterschieds gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenz- und/oder Phasenunterschieds gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenz- und/oder Phasenunterschieds gemäß einer dritten Ausführungsform und
4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenz- und/oder Phasenunterschieds gemäß einer vierten Ausführungsform.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Interferometer zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 zeigt ein Schaltbild einer elektrischen Schaltung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung und
7 zeigt ein Detail der elektrischen Schaltung gemäß 6.
1 zeigt einen ersten Laser 10, beispielsweise einen Diodenlaser oder einen Erbium-Faserlaser, der Licht mit einer Wellenlänge von λ = 1550 nm emittiert. Der erste Laser 10 ist beispielsweise mit einer nicht eingezeichneten, hoch frequenzgenauen Lichtquelle, wie beispielsweise einem optischen Frequenzstandard, phasensynchronisiert. Aus diesem Grund ist die Frequenz des ersten Lasers 10, die mit ν_eL bezeichnet wird, mit hoher Genauigkeit bekannt. Von dem ersten Laser 10 wird ein polarisierter erster Laserstrahl 12 emittiert, der in eine Glasfaser 14 eingespeist wird.
1 zeigt zudem einen lokalen Oszillator 16, der wie der erste Laser 10 beispielsweise ein Diodenlaser oder ein Erbium-Faserlaser sein kann. Aus dem lokalen Oszillator 16 wird ein Lokaloszillator-Lichtstrahl 18 mit einer Frequenz ν_LO ausgekoppelt, der eine lineare Polarisation P_LO aufweist, die unter 45° zur Papierebene ausgerichtet ist, wie in 1 angedeutet ist. Der Lokaloszillator-Lichtstrahl 18 trifft auf einen polarisationstrennenden Strahlteiler 20, der den Lokaloszillator-Lichtstrahl 18 in einen ersten Lokaloszillator-Teilstrahl 22.2 mit einer erster Polarisation P_TS1 und einen zweiten Lokaloszillator-Teilstrahl 24.2 mit einer zweiten Polarisation P_TS2 trennt. Die beiden Polarisationen P_TS1 und P_TS2 sind orthogonal zueinander.
Der aus dem ersten Laser 10 austretende erste Laserstrahl 12 hat einen beliebigen Polarisationzustand (linear, zirkular oder elliptisch) und wird durch einen nicht-polarisationstrennenden Strahlteiler 25 in zwei Teilstrahlen 22.1 und 24.1 aufgetrennt. Eine Überlagerung des ersten Lokaloszillator-Teilstrahls 22.2 und des ersten Teilstrahls 22.1 in einem nicht-polarisationstrennenden Strahlteiler 30 führt daher dazu, dass der erste Lokaloszillator-Teilstrahl 22.2 mit der waagerechten Komponente des ersten Laserstrahls 12 interferiert, so dass ein zweiter Interferenzstrahl 32 entsteht. Entsprechend interferiert der zweite Lokaloszillator-Teilstrahl 24.2. mit dem zweiten Teilstrahl 24.1 in einem nicht polarisationstrennenden Teilstrahler 26, so dass ein erster Interferenzstrahl 28 entsteht.
Der erste Interferenzstrahl 28 und der zweite Interferenzstrahl 32 werden von entsprechenden Fotodioden 34 bzw. 36 in elektrische Schwebungssignale U₁(t) und U₂(t) umgewandelt. Die weitere Verarbeitung der beiden elektrischen Schwebungssignale U₁(t) und U₂(t) wird weiter unten im Zusammenhang mit den 5 und 6 näher erläutert.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der abweichend von der in 1 gezeigten Ausführungsform der nicht polarisationstrennende Strahlteiler 25 in einem Strahlen gang des Lokaloszillator-Lichtstrahls 18 angeordnet ist, wohingegen der polarisationstrennende Strahlteiler 20 in einem Strahlengang des ersten Laserstrahls 12 angeordnet ist.
3 zeigt eine weitere Anordnung, die sich von der in 1 gezeigten Anordnung dadurch unterscheidet, dass zusätzlich der erste Laserstrahl 12 durch einen polarisationstrennenden Strahlteiler 25' in die beiden Teilstrahlen 22.1 und 24.1 aufgespalten wird.
4 zeigt einen weiteren Aufbau, bei dem der erste Laserstrahl 12 und der Lokaloszillator-Lichtstrahl 18, ohne vorher geteilt zu werden, in dem nicht polarisationstrennenden Strahlteiler 30 zur Interferenz gebracht werden, so dass ein Überlagerungslichtstrahl 23 entsteht. Der Überlagerungslichtstrahl 23 wird nachfolgend in dem polarisationstrennenden Strahlteiler 20 in den ersten Interferenzstrahl 28 und den zweiten Interferenzstrahl 32 aufgespalten.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Interferometer, bei dem der erste Laserstrahl 12 und der Lokaloszillator-Lichtstrahl 18 beide aus dem ersten Laser 10 ausgekoppelt werden. Dazu wird der nicht polarisationstrennende Strahlteiler 25 verwendet. Der Lokaloszillator-Lichtstrahl 18 durchläuft einen Frequenzverschiebbar 17. Die Übertragungsstrecke 14 ist so ausgebildet, dass sich die Weglänge und damit die Phasenlage des Lichtstrahls 12 in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe, beispielsweise einer mechanischen Spannung verändert. In Abhängigkeit von dieser physikalischen Größe ändern sich auch die elektrischen Schwebungssignale U₁(t) und U₂(t), die von den Fotodioden 34 bzw. 36 erzeugt werden.
Die in den 1 bis 5 gezeigten Aufbauten führen jeweils zu einem ersten elektrischen Schwebungssignal U₁(t) an der ersten Fotodiode 34, das über eine elektrische Leitung 42 (6) einer Auswerteschaltung 38 zugeführt wird. Auf gleiche Weise wird das zweite elektrische Schwebungssignal U₂(t), das in der Photodiode 36 erzeugt wird, mittels einer zweiten elektrischen Leitung 44 der Auswerteschaltung 38 zugeführt, die einen integrierten Schaltkreis 40 umfasst. Der integrierte Schaltkreis 40 steht mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (voltage controlled oscillator, VCO) 46 in Verbindung, der mit einer Frequenz f₀ von beispielsweise 80 MHz schwingt und über eine Leitung 47 mit dem integrierten Schaltkreis 40 elektrisch verbunden ist.
Wie 7 in Form eines Schaltbilds des Schaltkreises 40 (Analog Devices AD833) zeigt, wird das von dem spannungsgesteuerten Oszillator 46 kommende Signal zunächst mittels eines Frequenzteilers 64 auf ein Viertel seiner Frequenz geteilt. Das so entstehende Signal wird einerseits mit dem elektrischen Schwebesignal U₁(t), das über den elektrischen Kanal 42 zugeführt wird, und andererseits mit dem zweiten elektrischen Schwebesignal U₂(t), das über den zweiten Kanal 44 zugeführt wird, gemischt. Es entstehen zwei Zwischenfrequenzsignalpaare, die jeweils in Quadratur zueinander stehen. Sie durchlaufen digital einstellbare Phasenschieben 52.1, 52.2, 52.3 und 52.4 und erscheinen in Form der vier Signale I1, Q1, I2 und Q2 am Ausgang des integrierten Schaltkreises 40. Die Signale I1 und I2 bezeichnen dabei gemäß der üblichen Notation den In-Phase-Anteil und die Signale Q1 und Q2 sind die in der Phase um 90° verschobenen (Quadratur-)Anteile. Die in 7 rechts eingezeichneten Ausgänge sind in 6 entsprechend bezeichnet.
Die vier Signale I1, Q1, I2, Q2 durchlaufen jeweils einen Zwischenfrequenzfilter 54 (6). Der Zwischenfrequenzfilter 54 kann beispielsweise so gewählt sein, dass er Frequenzen in der Umgebung von 10,7 MHz, 38 MHz oder 70 MHz passieren lässt und andere Frequenzen unterdrückt.
Die beiden In-Phase-Signale I1 und I2 werden in einem Addierer 56 zu einem Summensignal 61 addiert und in einem Mischer 58 mit einem durch eine Referenzsignalleitung 60 zugeführten Hochfrequenz-Offsetsignal mit einer Frequenz f₀ ins Basisband gemischt. Das so entstehende Fehlersignal wird durch einen Regelschleifenverstärker 62 verstärkt und stellt die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 46. Es ergibt sich so ein Superheterodyn-Phasenregelkreis. Beträgt beispielsweise der Frequenzunterschied Δν = |ν_eL – ν_LO| zwischen der Frequenz ν_eL des ersten Laserstrahls und der Frequenz ν_LO des Lokaloszillator-Lichtstrahls 18 (1) planmäßig Δν = 30,7 MHz und schwingt der spannungsgesteuerte Oszillator 46 planmäßig auf einer Frequenz von f_VCO = 80 MHz, so liegt nach der Teilung in einem Frequenz teiler 64 (7) eine Frequenz von f_VCO/4 = 20 MHz vor. Nach dem Mischen und dem Durchlaufen der Phasenschieber 52.1, ... 52.4 liegt ein Hochfrequenzsignal bei einer Frequenz von Δf – f₀/4 = 10,7 MHz vor. Diese Frequenz entspricht der Resonanzfrequenz des Zwischenfrequenzfilters 54 und der Frequenz f₀ des Offsetsignals in der Referenzsignalleitung 60.
Das Ausgangssignal der Auswerteschaltung 38 wird erzeugt, indem die Frequenz f_VCO in der Leitung 47 des VCO-Signals mittels eines digitalen Teilers 79 durch vier geteilt wird. Bei einem angenommenen Wert von f_VCO = 80 MHz erhält man somit 20 MHz. Dieses Signal wird mit dem Summensignal 61, das im obigen Beispiel eine Frequenz von 10,7 MHz aufweist, gemischt. An einem Ausgang 82 eines Mischers 80 entsteht dann eine Frequenz von 20 MHz + 10,7 MHz = 30,7 MHz, die der gesuchten Frequenz Δf entspricht.
Zur Erläuterung der Funktion der Auswerteschaltung 38 sei für den Polarisationszustand des ersten Laserstrahls 12 angenommen, dass er hinreichend stark von der genauen waagerechten und genauen senkrechten Polarisation abweicht. Dann entstehen an den Fotodioden 34, 36 elektrische Schwebungssignale U₁(t), U₂(t) mit nicht zu stark unterschiedlicher Amplitude. Der Mischprozess im Schaltkreis 40 (6) liefert daher nicht verschwindende Signale I1, Q1, I2, Q2.
Zunächst wird festgestellt, welches der beiden Eingangssignale 42, 44 die größere Amplitude aufweist. Dazu werden beispielsweise die Signale Q1 und Q2 mit dem Offsetsignal der Referenzsignalleitung 60 gemischt (6). Das geschieht mit den Mischern 66 und 68. Die Größen der entstehenden Basisbandsignale werden mittels eines Komparators 70 miteinander verglichen. Das Vorzeichen einer Ausgangsspannung entscheidet, welcher der beiden Zähler 72 bzw. 74 angesprochen wird, das heißt, welches der beiden Eingangssignale 42 und 44 phasenverschoben wird.
Die Zähler 72 und 74 werden von einem Vorwärts-/Rückwärts-Oszillator 76 gesteuert, dessen Frequenz durch den Wert der relativen Phasenverschiebung der Signal-In-Phase-Anteile I1 und I2 zueinander bestimmt wird. Dazu werden beispielsweise die Signale Q1 und I2 in einem Mischer 78 miteinander gemischt. Das Ausgangssig nal des Mischers 78 durchläuft einen Fensterdiskriminator 77, der Signale sperrt, die von Phasendifferenzen stammen, die kleiner sind als |11,25° + ε| und steuert vorzeichenbehaftet die Frequenz des Vorwärts-/Rückwärts-Oszillators 76. ε ist ein kleiner Winkel, der beispielsweise kleiner als 5° ist.
Der Vorwärts-/Rückwärts-Oszillator 76 liefert Impulse, die, abhängig von ihrer Auswahl, durch den Komparator 70, die Zähler 72 und 74 ansprechen. Es handelt sich dabei um 4-Bit-Zähler, welche die Phasenverschiebung des Schaltkreises 40 in 22,5°-Schritten steuern. Diese Impulse des Vorwärts-/Rückwärts-Oszillators lassen beispielsweise den Zähler 72 aufwärts oder den Zähler 74 abwärts zählen, wenn der Phasenwinkel φ > 22,5°/2 + ε beträgt und umgekehrt φ < –11,25° – ε beträgt.
Der kleine Winkel ε, dessen Größe beispielsweise bei wenigen Grad liegt, bewirkt dabei eine Hysterese. Unvermeidliche kleine Rauschbeiträge führen dann nicht zu einem ständigen Hin- und Herschalten an der Schaltschwelle. Wenn beispielsweise angenommen wird, dass ein kleiner Phasenwinkel φ < 11,25° + ε sich monoton vergrößert, so erfolgt bei φ = 22,5°/2 + ε die Phasenumschaltung um –22,5°. Der neue Phasenwinkel ist danach φ = –11,25° + ε und liegt somit innerhalb der Hysterese. Ein sofortiger neuer Schaltvorgang wird somit vermieden. In geregeltem Zustand entspricht die Maximalabweichung zwischen den beiden In-Phase-Anteilen I1, I2 daher maximal |11,25° + ε|.
Die Signale I1 und I2 können somit ohne Gefahr einer destruktiven Interferenz mit dem Addierer 56 aufsummiert werden. Die Phase des aufsummierten Summensignals 61 wird im Mischer 58 mit der des Referenzsignals in der Referenzsignalleitung 60 verglichen. Das Ausgangssignal des Mischers 58 ist das Fehlersignal des Superheterodyn-Phasenregelkreises, der im Wesentlichen aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 46, den Mischern im Schaltkreis 40, dem Mischer 58 und dem Regelschleifenverstärker 62, der für langsame Vorgänge ein integrierendes Verhalten aufweist, besteht.
Die Funktionsweise dieses Phasenregelkreises lässt sich folgendermaßen beschreiben. Es sei angenommen, dass die Phasen des Summensignals 61 und des Referenzsignals genau in Quadratur stehen. Dann verschwindet das durch den Mischer 58 erzeugte Fehlersignal und der Regelschleifenverstärker 62, der als Integrator wirkt, liefert genau die Steuerspannung an den spannungsgesteuerten Oszillator 46, die benötigt wird, um seine Frequenz auf f₀ = 4 (±(ν_eL – ν_LO) ± f₀) zu stellen. Wenn sich nun die Phasensignale zwischen dem Signal auf der Referenzsignalleitung 60 und dem Summensignal 61 ändert, entsteht am Mischer 58 ein nicht-verschwindendes Fehlersignal. Dies wird verstärkt und verändert die Phasenlage des auf der Leitung 47 anliegenden VCO-Signals derart, dass die anfängliche Phasenlage, das heißt, die Quadraturphase zwischen dem Signal auf der Referenzsignalleitung 60 und dem Summensignal 61 wieder erreicht wird.
Mit Hilfe des Signals am Ausgang 82 kann der lokale Oszillator 16 so verändert werden, dass sich die Frequenz des Lokaloszillator-Lichtstrahls ν_LO einem voreingestellten Wert nähert. Da durch ein erfindungsgemäßes Verfahren stets sichergestellt ist, dass stets am Ausgang 82 ein Signal anliegt, das zum Ansteuern des lokalen Oszillators 16 geeignet ist, können so der erste Laser 10 und der lokale Oszillator 16 frequenz- und phasenstarr aneinander gekoppelt werden.

10: erster Laser
12: erster Laserstrahl
14: Übertragungsstrecke, z. B. Glasfaser
16: lokaler Oszillator
17: Frequenzverschieber, z. B. akusto-optischer Modulator
18: Lokaloszillator-Lichtstrahl
20: Strahlteiler (polarisationstrennend)
22.1: erster Teilstrahl
22.2: erster Lokaloszillator-Teilstrahl
23: Überlagerungslichtstrahl
24.1: zweiter Teilstrahl
24.2: zweiter Lokaloszillator-Teilstrahl
25: Strahlteiler (nicht polarisationstrennend)
25': Strahlteiler (polarisationstrennenden)
26: Teilstrahler (nicht polarisationstrennenden)
28: erster Interferenzstrahl
30: Strahlteiler (nicht polarisationstrennend)
32: zweiter Interferenzstrahl
34: erste Fotodiode
36: zweite Fotodiode
38: Auswerteschaltung
40: integrierter Schaltkreis
42: elektrische Leitung
44: elektrische Leitung
46: spannungsgesteuerter Oszillator
47: Leitung
52: Phasenschieber
54: Zwischenfrequenzfilter
56: Addierer
58: Mischer
60: Referenzsignalleitung
61: Summensignal
62: Regelschleifenverstärker
64: Frequenzteiler
66: Mischer
68: Mischer
70: Komparator
72: erster Zähler
74: zweiter Zähler
76: Vorwärts-/Rückswärts-Oszillator
77: Fensterdiskriminator
78: Mischer
79: digitaler Teiler
80: Mischer
82: Ausgang
Δf = |f_R – f_LO|: Frequenzunterschied
ν_LO: Frequenz des lokalen Oszillators
ν_eL: Frequenz des Referenzlasers
f_VCO: Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators
U₁(t): erstes elektrisches Schwebesignal
U₂(t): zweites elektrisches Schwebesignal
P: Polarisation
P_TS1: Polarisation des ersten Teilstrahls
P_TS2: Polarisation des zweiten Teilstrahls
φ, ε: Winkel
Pl/be

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Frequenz- und/oder Phasenunterschieds (Δν) zwischen einem polarisierten ersten Lichtstrahl (12) und einem polarisierten Lokaloszillator-Lichtstrahl (18) aus einem lokalen Oszillator (16) mit den Schritten: (a) Empfangen des ersten Lichtstrahls (12) aus einer Übertragungsvorrichtung (14), (b) Auskoppeln des Lokaloszillator-Lichtstrahls (18) aus dem lokalen Oszillator (16), (c) Erzeugen zweier Interferenzstrahlen (28, 32), von denen mindestens einer eine von dem Frequenzunterschied (Δν) abhängige Schwebung aufweist, aus dem ersten Lichtstrahl (12) und dem Lokaloszillator-Lichtstrahl (18) durch Überlagern und polarisationstrennendes Teilen, (d) Erzeugen zweier elektrischer Schwebungssignale (U₁(t), U₂(t)) aus den beiden Interferenzstrahlen (28, 32) und (e) aus den elektrischen Schwebungssignalen (U₁(t), U₂(t)) Ermitteln des Frequenzunterschieds (Δν).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der beiden Interferenzstrahlen (28, 32) die folgenden Schritte umfasst: (c1) polarisationstrennendes Teilen des ersten Lichtstrahls (12), so dass – ein erster Teilstrahl (22.1) mit einer ersten Polarisation (P_TS1) und – ein zweiter Teilstrahl (24.1) mit einer zweiten, unterschiedlichen Polarisation (P_TS2) entsteht, und (c2) anschließend Überlagern des ersten Teilstrahls (22.1) und des zweiten Teilstrahls (24.1) jeweils mit dem Lokaloszillator-Lichtstrahl (18), so dass ein erster Interferenzstrahl (28) und ein räumlich getrennter zweiter Interferenzstrahl (32) entstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der beiden Interferenzstrahlen (28, 32) die folgenden Schritte umfasst: (c1) polarisationstrennendes Teilen des Lokaloszillator-Lichtstrahls (18), so dass – ein erster Lokaloszillator-Teilstrahl (22.2) mit einer ersten Polarisation (P_TS1) und – ein zweiter Lokaloszillator-Teilstrahl (24.2) mit einer zweiten, unterschiedlichen Polarisation (P_TS2) entsteht, und (c2) anschließend Überlagern des ersten Lokaloszillator-Teilstrahls (22.2) und des zweiten Lokaloszillator-Teilstrahls (24.2) jeweils mit dem ersten Lichtstrahl (12), so dass ein erster Interferenzstrahl (28) und ein räumlich getrennter zweiter Interferenzstrahl (22) entstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der beiden Interferenzstrahlen (28, 32) die folgenden Schritte umfasst: (c1) polarisationstrennendes Teilen des Lokaloszillator-Lichtstrahls (18), so dass – ein erster Lokaloszillator-Teilstrahl (22.2) mit einer ersten Polarisation (P_TS1) und – ein zweiter Lokaloszillator-Teilstrahl (24.2) mit einer zweiten unterschiedlichen Polarisation (P_TS2) entsteht, (c2) polarisationstrennendes Teilen des ersten Lichtstrahls (12), so dass – ein erster Teilstrahl (22.1) mit einer ersten Polarisation und – ein zweiter Teilstrahl (24.1) mit einer zweiten unterschiedlichen Polarisation entsteht, und (c3) anschließend Überlagern des ersten Lokaloszillator-Teilstrahls (22.2) und des ersten Teilstrahls (22.1) sowie Überlagern des zweiten Lokaloszillator-Teilstrahls (24.2) des Lokaloszillator-Lichtstrahls (18) und des zweiten Teilstrahls (24.1) des ersten Lichtstrahls (12), so dass ein erster Interferenzstrahl (28) und ein räumlich getrennter zweiter Interferenzstrahl (32) entstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen der beiden Interferenzstrahlen (28, 32) die folgenden Schritte umfasst: (c1) Überlagern des ersten Lichtstrahls (12) und des Lokaloszillator-Lichtstrahls (18), so dass ein Überlagerungslichtstrahl (23) entsteht und (c2) polarisationstrennendes Teilen des Überlagerungslichtstrahls (23), so dass ein erster Interferenzstrahl (28) und ein räumlich getrennter zweiter Interferenzstrahl (22) entstehen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das polarisationstrennende Teilen so durchgeführt wird, dass die erste Polarisation (P_TS1) und die zweite Polarisation (P_TS2), in einem Winkel (φ) von im Wesentlichen 90° zueinander stehen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Frequenzunterschieds (Δν) aus den elektrischen Schwebungssignalen die folgenden Schritte umfasst: (e3) Verschieben einer Phase (P_TS1, P_TS2), eines der beiden Schwebungssignale (U₁(t), U₂(t)), so dass das erste elektrische Schwebungssignal (U₁(t)) und das zweite elektrische Schwebungssignal (U₂(t)) eine im Wesentlichen übereinstimmende Phasenlage aufweisen, (e4) anschließend Addieren der beiden elektrischen Schwebungssignale (U₁(t), U₂(t)), so dass ein elektrisches Summensignal entsteht und (e5) aus dem elektrischen Summensignal Ermitteln des Frequenzunterschieds (Δν).
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den Schritt: (e5) vor dem Verschieben der Phase (P_TS1, P_TS2) Ermitteln desjenigen elektrischen Schwebungssignals (U₁(t), U₂(t)) mit einer geringeren Amplitude, wobei die Phase (P_TS1, P_TS2) des Schwebungssignals (U₁(t), U₂(t)) geringerer Amplitude verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: Verändern mindestens eines Betriebsparameters des lokalen Oszillators (16) so, dass sich der Frequenzunterschied (Δν) zwischen dem Lokaloszillator-Lichtstrahl (18) und dem ersten Lichtstrahl (12) einem vorgegebenen Frequenzwert nähert, insbesondere den vorgegebenen Frequenzwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch den Schritt: Verändern des Betriebsparameters des lokalen Oszillators (16) so, dass der Frequenzunterschied (Δν) zwischen dem Lokaloszillator-Lichtstrahl (18) und dem ersten Lichtstrahl (12) den vorgegebenen Frequenzwert erreicht und sich ein Phasenunterschied zwischen dem ersten Lichtstrahl (12) und dem Lokaloszillator-Lichtstrahl (18) einer vorgegebenen Phasendifferenz nähert, insbesondere die vorgegebene Phasendifferenz erreicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtstrahl (12) und der Lokaloszillator-Lichtstrahl aus dem lokalen Oszillator (16) ausgekoppelt werden und der erste Lichtstrahl (12) durch eine Übertragungsstrecke (17) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Frequenz und/oder die Phase des ersten Lichtstrahls (12) beim Durchlaufen der Übertragungsstrecke in Abhängigkeit von einer zu messenden Größe ändert.
Vorrichtung zum Erfassen eines Frequenz- und/oder Phasenunterschieds (Δν) zwischen einem polarisierten ersten Lichtstrahl (12) und einem polarisierten Lokaloszillator-Lichtstrahl (18) aus einem lokalen Oszillator (16), mit: (a) einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen des ersten Lichtstrahls (12) aus einer Übertragungsvorrichtung (14), (b) einer Vorrichtung zum Erzeugen zweier Interferenzstrahlen (28, 32), von denen mindestens einer eine von dem Frequenzunterschied (Δν) abhängige Schwebung aufweist, aus dem ersten Lichtstrahl (12) und dem Lokaloszillator-Lichtstrahl (18), die eine Überlagerungsvorrichtung und mindestens einen polarisationstrennenden Strahlteiler umfasst, (c) einer Vorrichtung zum Erzeugen zweier elektrischer Schwebungssignale (U₁(t), U₂(t)) aus den beiden Interferenzstrahlen (28, 32) und (d) einer elektrischen Schaltung (38), die eingerichtet ist zum Ermitteln des Frequenzunterschieds (Δν) aus den elektrischen Schwebungssignalen (U₁(t), U₂(t)).
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (38) eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (38) eingerichtet ist zum Ermitteln des elektrischen Schwebungssignals (U₁(t), U₂(t)) mit einer geringeren Amplitude und zum Verschieben der Phase (P_TS1, P_TS2) dieses elektrischen Schwebungssignals (U₁(t), U₂(t)).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (38) eingerichtet ist, um einen Betriebsparameter des lokalen Oszillators (16) so zu verändern, dass sich eine Frequenz des Lokaloszillator-Lichtstrahls (18) der Frequenz des ersten Lichtstrahls (12) annähert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (38) eine Zweikanal-Superheterodyn-Phasenverfolgerschaltung umfasst.