-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Frequenzspektrums
einer sich in einem Wellenleiter in Vorwärtsrichtung ausbreitenden Probenstrahlung,
wobei in entgegengesetzter Richtung eine erste Pumpstrahlung in
den Wellenleiter eingekoppelt wird, die stimulierte Brillouin Streuung (SBS)
an der Probenstrahlung verursacht, wobei die Frequenz der Pumpstrahlung
derart verändert wird, dass der schmalbandige und um die
Brilloin-Verschiebung verschobene Gewinn-Peak durch das Frequenzspektrum
der Probenstrahlung wandert und die jeweiligen spektralen Anteile
selektiv verstärkt. Die Intensität der Probenstrahlung
wird vermittels eines Detektors gemessen, wobei das Ausgangssignal des
Detektors in Abhängigkeit der veränderten Frequenz
der Pumpstrahlung registriert wird und wobei aus der Veränderung
des Ausgangssignals das Frequenzspektrum der Probenstrahlung bestimmt
wird. Die Erfindung betrifft zudem ein System zur Umsetzung des
Verfahrens.
-
Insbesondere
in der optischen Nachrichtentechnik aber auch in anderen Bereichen
von Wissenschaft und Technik ist die Ausmessung der Spektren optischer
Signale von Bedeutung. Dabei sind verschiedene Methoden bekannt,
mit denen sich ein Spektrum vermessen lässt. Beispielsweise
können dazu Interferometer, Gitterspektrometer oder optische
Spektrumanalysatoren (OSA) benutzt werden. Es hat sich jedoch als
besonders vorteilhaft erwiesen, sich zur Messung der Amplitudenverteilung
in einem Spektrum des oben genannten Verfahrens zu bedienen, das
auf der Grundlage der SBS basiert. Dieses Verfahren wird beispielsweise
in der
DE 10 2005
040 968 A1 beschrieben.
-
Bei
der Umsetzung des Verfahrens erzeugt ein Pumplaser in einer Faser
einen schmalbandigen Gewinn über den nichtlinearen Effekt
der stimulierten Brillouin Streuung. Dieser Gewinn wird über
das zu messende Spektrum „geschoben", wobei die innerhalb
des Gewinns verstärkten Anteile in Abhängigkeit von
der Verschiebung der zu messenden Amplitudenverteilung gleichen.
Dieses Verfahren hat gegenüber den anderen genannten zum
einen den Vorteil, dass es Messungen mit einer hohen Auflösung
im Femtometer-Bereich ermöglicht. Zum anderen ist das Verfahren
einfach und kostengünstig umzusetzen, da weder schnelle
Photodioden noch elektrische Spektrumanalysatoren benötigt
werden. Außerdem wird das Signal direkt im optischen Bereich
gemessen, so dass keine das Ergebnis verfälschenden Intermodulationsprodukte
auftreten.
-
Allerdings
wird die sich in Vorwärtsrichtung in der Faser ausbreitende
Strahlung vermittels eines optischen Photodetektors gemessen, der
die gesamte ankommende Intensität und nicht nur wellenlängenselektiv
den interessierenden Bereich aufnimmt. Somit geht bei dieser Art
der optischen Spektrumanalyse nicht nur der durch SBS verstärkte
Ausschnitt des zu vermessenden Spektrums in das Ergebnis ein. Stattdessen
wird das Ergebnis sowohl durch die in der Glasfaser gedämpfte
Intensität des kompletten zu vermessenden Spektrums verfälscht,
die auf den Detektor trifft. Zudem gelangen auch Teile der Pumpwelle
durch Übersprechens des Zirkulators direkt in den Detektor.
Diese „unerwünschten" Anteile stellen das Grundrauschen
des Messverfahrens dar, wobei der Quotient aus dem Signal und dem
Grundrauschen die Messdynamik des Verfahrens bestimmt.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zur Bestimmung
der spektralen Anteile eines Spektrums mittels SBS zu schaffen,
das wegen des abgesenkten Anteils des Grundrauschens eine erhöhte
Messdynamik aufweist und dabei robust und zuverlässig ist.
Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, ein System zur Umsetzung des
Verfahrens zu schaffen.
-
Diese
Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das System
nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
-
Der
wesentliche Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Intensität
der ungewünschten in den Detektor gelangenden Anteile,
also das Grundrauschen, im wahrsten Sinne des Wortes abzusenken,
indem diese Anteile über einen breiten Frequenzbereich
mittels einer besonders breitbandigen durch SBS erzeugten Anti-Stokes-Welle
(Brillouin-Verlust) geschwächt werden. Dabei wird die breitbandige
Anti-Stokes-Welle durch zumindest eine zweite Pumpstrahlung erzeugt,
die zusätzlich zur ersten, den schmalen Messpeak verursachenden Pumpstrahlung
auch entgegen der sich in Vorwärtsrichtung ausbreitenden
Probenstrahlung in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Diese zweite
Pumpstrahlung kann ein Teil der einer einzigen gemeinsamen Pumpqelle
entnommenen Pumpstrahlung sein. Sie kann aber auch in einer vorteilhaften
Ausführungsform durch zumindest eine zweite oder auch durch mehrere
Pumpquellen erzeugt werden. Das erfindungsgemäßes
Verfahren zeichnet sich somit gewissermaßen durch eine Überlagerung
eines Anti-Stokes-Verlustes und Stokes-Gewinns aus. Dabei wird die
frequenzselektive Dämpfung in Folge des Anti-Stokes-Verlusts
für die Reduzierung der oben beschriebenen ungewollten
Signalanteile am Eingang des Detektors genutzt.
-
Zur
Erklärung der SBS sei hier noch einmal zusammengefasst,
dass eine Pumpwelle mit der optischen Frequenz fp unterhalb
des Schwellwerts in einer Glasfaser bei einer Frequenz von fp – fB einen
Brillouin-Gewinn (Stokes) und bei fp + fB einen Brillouin-Verlust (Anti-Stokes) für
gegenläufige Signalwellen erzeugt, wobei fB die
Brillouin-Verschiebung ist. Bei einer Pumpwellenlänge von
1550 nm ist fB in Standard Singlemode Glasfasern
(SSMF) etwa 11 GHz. Die Verstärkungs- und Verlustbandbreite
der SBS ist besonders klein und beträgt in SSMF etwa 35 MHz
für unmoduliertes Pumplicht einer Wellenlänge von
1550 nm.
-
Prinzipiell
lässt sich die Verstärkungs- und Verlustbandbreite
der SBS durch eine verbreiterte Pumpwelle erhöhen. Dabei
kann beispielsweise der Pumplaser über eine direkte Modulation
in seiner Bandbreite vergrößert werden. Ist die
Bandbreite der Pumpwelle wesentlich größer als
die natürliche Brillouin-Bandbreite, so haben sowohl der
Gewinn als auch der Verlust die gleiche Bandbreite wie die Pumpwelle.
Es ist bekannt, dass die Verstärkungsbandbreite der SBS
mit einem Pumplaser auf das doppelte der Brillouin-Verschiebung
erweitert werden kann. Mit mehreren Pumplasern kann die Verstärkungsbandbreite
entsprechend auf das Mehrfache der Brillouin-Verschiebung erweitert
werden.
-
Erfindungsgemäß wird
also die zweite Pumpstrahlung parallel zur ersten Pumpstrahlung
in den Wellenleiter eingekoppelt, wobei die zweite Pumpstrahlung
einen im Verhältnis zur ersten Pumpstrahlung um ein Vielfaches,
also mindestens um das Doppelte, breiteren Brillouin-Verlust erzeugt.
Die Frequenz der zweiten Pumpstrahlung ist so zu wählen, dass
der Verlust-Peak der zweiten Pumpstrahlung im Bereich des Frequenzspektrums
der Probenstrahlung liegt, so dass die sich frequenzmäßig überschneidenden
Frequenzanteile der Probenstrahlung durch den Verlust-Peak kompensiert
werden. Wie gehabt, wird der Brillouin-Gewinn der ersten Pumpstrahlung
durch das Spektrum verschoben und verstärkt jeweils einen
kleinen Ausschnitt des zu messenden Spektrums. Je nach dem kann
es vorteilhaft sein, auch den breiten Verlust-Peak inbesondere unabhängig
davon zu verschieben. In einer besonders einfachen Ausführungsform
bleibt er jedoch in seiner Frequenzverteilung konstant.
-
Die
natürliche Verstärkungsbandbreite des Stokes-Gewinns
von wenigen Megahertz wird somit für das Abtasten des Probespektrums
verwendet. Damit werden alle spektralen Anteile verstärkt,
die sich entgegen der Richtung der Pumpwelle ausbreiten und im Wellenlängenbereich
des Gewinns liegen, während alle Anteile, die im Wellenlängenbereich des
Verlusts-Peaks liegen, gedämpft werden. Der Anti-Stokes-Verlust
kann somit unerwünschte Signalanteile frequenzselektiv
stark absenken.
-
Um
eine möglichst vollständige Kompensation des durch
das Probespektrum im Detektor verursachte Rauschen zu gewährleisten,
ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verlust-Peak der zweiten
Pumpstrahlung mindestens die Breite des Frequenzspektrums der Probenstrahlung
aufweist. Zudem ist es zum Zwecke der kompletten Kompensation der durch
das Probespektrum verursachten Detektorsignals vorteilhaft, die
Höhe des Verlust-Peaks durch Einstellung der Pumpquelle
so einzurichten, dass sie mit entgegengesetztem Vorzeichen zumindest
nahezu der Höhe des Frequenzspektrums der Probenstrahlung
entspricht.
-
Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Es
zeigen:
-
1:
ein System zur Umsetzung des Verfahrens und
-
2:
erfindungsgemäß überlagerte Spektren.
-
In 1 ist
ein System zur Umsetzung des Verfahrens schematisch dargestellt.
Dabei wird das Emissionsspektrum eines Pumplasers 1 durch
direkte Modulation mittels einer Rauschquelle 3 in der Bandbreite
verbreitert. Auf diese Weise ist eine Erweiterung auf etwas das
doppelte der Brillouin-Verschiebung möglich. Mit dem in Artikel „Potential
ultra wide slow-light bandwidth enhancement", Optics Express 14
(2006), S. 11082–11087, beschriebenen Verfahren
kann die Bandbreite sogar auf das Mehrfache der Brillouin-Verschiebung
erweitert werden. Der Pumplaser 1 kann zudem in seiner
Wellenlänge verschoben werden.
-
Der
weitere Pumplaser 2 emittiert Licht mit einer geringen
Bandbreite, das sich ebenfalls in der Wellenlänge verschieben
lässt. Er erzeugt einen schmalen Brillouin-Gewinn der als „Messpeak"
eingesetzt wird. Das Licht der beiden Pumplaser 1 und 2 wird
mittels eines optischen Kopplers 4 zu einem Strahl zusammengeführt,
der in das Tor a eines optischen Zirkulators 5 eingespeist
wird. Der Zirkulator 5 gibt in Tor a eingespeistes Licht über
Tor b und das in Tor b eingespeiste Licht über Tor c aus.
Alle anderen Wege sind bis auf Effekte des Übersprechens
gesperrt. Die beiden Spektren der Pumplaser 1 und 2 werden über
den Zirkulator in das Tor B der Glasfaser 6 eingekoppelt.
Die Glasfaser 6 ist das physikalische Medium in dem der
nichtlineare Prozess der SBS am Emissionsspektrum stattfindet.
-
Das
unbekannte Emissionsspektrum eines zu untersuchenden Lasers 7 wird
in Tor A der Glasfaser 6 eingespeist und trifft dort auf
die „entgegen kommende" Pumpstrahlung. In der Faser 6 geschieht die
SBS, wobei der optische Zirkulator 5 das in Tor b einlaufende
Licht über Tor c ausgibt, von wo es einem optischen Photodetektor 8 zugeführt
wird. Alle an Tor c auslaufenden Signalanteile werden mit dem Photodetektor 8 empfangen.
Dieser wandelt die optische Leistung respektive die Intensität
in eine äquivalente Gleichspannung um, die einer nicht
dargestellten Auswerteeinheit übergeben wird. Ohne die
erfindungsgemäße Kompensation gelangen folgende
Signalanteile in den Photodetektor 8:
Die Pumplaser 1 und 2 erzeugen
jeweils einen Stokes-Gewinn und einen Anti-Stokes-Verlust in der Glasfaser 6.
Liegt der Stokes-Gewinn 10 der schmalbandigen Pumpstrahlung
im Frequenzbereich des zu messenden Emissionsspektrum 9 der
Probestrahlung (2), so werden die entsprechenden
Frequenzanteile der Probestrahlung verstärkt. Diese verstärkten
Anteile bilden das Messsignal, das den Hauptanteil der am Detektor
anliegenden Intensität ausmacht. Zum Rauschanteil trägt
zunächst das gesamte durch die Faser 6 gedämpfte
und auf den Detektor 8 gelangende zu messende Spektrum
bei. Auch die Leistungsanteile der Pumpwellen 1 und 2, die
durch Übersprechen des Zirkulators 5 (Tor a zu Tor
c) zum Detektor 8 gelangen, erhöhen den Rauschanteil.
Letztendlich erzeugen die Pumpwellen 1 und 2 auch
immer Rayleigh-Streuung in der Faser 6, wobei auch das
durch diesen linearen Effekt rückgestreute Licht in den
Detektor 8 gelangt. In 2 ist die
im Detektor gemessene Signalstärke S gegen die Wellenlänge λ aufgetragen.
-
Zur
Erhöhung der Messdynamik wird das Spektrum der kombinierten
Pumpwellen folgendermaßen eingestellt: Der den schmalen
Gewinn und damit den „Messpeak" 10 verursachende
Pumplaser 2 wird insbesondere durch externe Modulation
in seiner Wellenlänge 11 verschoben, bis er um
den Wert der Brillouin-Verschiebung unterhalb des Anfangs des unbekannten
Emissionsspektrums 9 liegt. Dem Messpeak steht auf der
anderen Seite ein entsprechender Verlust 14 entgegen. Wegen
der konstanten Brillouin-Verschiebung ändert sich durch
die Wellenlängenverschiebung von Pumplaser 2 auch
die Lage des Messpeaks 10. Auf diese Weise wird der Messpeak 10 durch
das zu messende Emissionsspektrum 9 geschoben. Das vom
Photodetektor 8 ausgegebene Signal ergibt in Abhängigkeit
der Wellenlänge des Messpeaks den spektralen Verlauf des
Emissionsspektrums 9.
-
Zur
Reduzierung des Rauschanteils wird der Pumplaser 1 in seiner
Wellenlänge 13 und damit auch der Brillouin-Verlust 12 durch
die Rauschquelle 3 aufgeweitet. Der verbreiterte Anti-Stokes-Verlust 12 wird
durch Modulation des Pumplasers 1 „unter" das
Emissionsspektrums 9 verschoben. Im Wellenlängenbereich
des Anti-Stokes-Verlusts 12 werden alle auftretenden Signalanteile
gedämpft. Somit wird das Grundrauschen um den vom Emissionsspektrum 9 hervorgerufenen
Anteil reduziert. Dadurch steigt das Signal zu Rauschverhältnis
und demzufolge die Messdynamik des Systems. Vorteilhafterweise wird die
Bandbreite des Anti-Stokes-Verlusts 12 so eingestellt,
dass sie mindestens der Bandbreite des Emissionsspektrums 9 entspricht.
Jedoch ergibt sich auch schon bei geringeren Bandbreiten eine Erhöhung
der Messdynamik.
-
Weiterhin
ist es möglich, den Anti-Stokes-Verlust 12 des
Pumplasers 1 durch das in dem oben erwähnten Artikel
beschriebene Verfahren auf das mehrfache der doppelten Brillouin-Verschiebung
zu verbreitern. Mit einem derart verbreiterten Anti-Stokes-Spektrum
ist es möglich, sowohl den Bereich des Emissionsspektrums 9 als
auch die Pumpwelle von Pumplaser 2 zu dämpfen.
Diese Methode erhöht das Signal zu Rauschverhältnis
und demzufolge die Messdynamik des Messaufbaus gegenüber der
im vorherigen Absatz beschriebenen Methode, da sowohl das Übersprechen
des Zirkulators als auch die durch Pumplaser 2 erzeugte
Rayleigh-Streuung in der Faser stark gedämpft wird.
-
2 zeigt
das prinzipielle optische Spektrum an Tor c des Zirkulators 5 für
den Fall, dass der Pumplaser 2 auf eine Bandbreite, die
der doppelten Brillouin Verschiebung entspricht, erweitert wurde. Wie
aus 2 ersichtlich, wird durch das von Pumplaser 1 erzeugte
verbreiterte Anti-Stokes-Spektrum, das Emissionsspektrum 9,
das Übersprechen der Pumpwelle 2 im Zirkulator 5 und
die Rayleigh-Streuung von Pumplaser 2 gedämpft.
Damit wird das Grundrauschen am Eingang des Photodetektors vermindert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005040968
A1 [0002]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Artikel „Potential
ultra wide slow-light bandwidth enhancement", Optics Express 14
(2006), S. 11082–11087 [0016]