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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Implementierung einer variabel einstellbaren Spektral-Blende für ultrahochauflösende Spektroskopie von optischen Signalen, und insbesondere für die optische Brillouin Spektroskopie.
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Stand der Technik:
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Brillouin Spektroskopie basiert auf dem Prinzip der selektiven optischen Verstärkung eines sehr schmalen Frequenzbereiches aus dem zu messenden Spektrum. Eine induzierte akustische Welle in der Glasfaser vermittelt Energieanteile einer Pumpwelle in einen sehr schmalbandigen Gewinn für eine frequenzverschobene gegenläufige Welle. Diese selektive Verstärkung kann zur Abtastung eines beliebigen Spektrums verwendet werden, wobei die Auflösung der Bandbreite des Gewinns der stimulierten Brillouin Streuung (SBS) entspricht. Bei einer im Bereich der Telekommunikationstechnik üblichen Wellenlänge von 1550 nm beträgt der Frequenzabstand zwischen Pumpwelle und Gewinn in einer Standard Einmodenfaser (SSMF) etwa 11 GHz. Die natürliche Gewinnbandbreite selbst liegt im Bereich 10–30 MHz. Verglichen mit der Trägerfrequenz bei 1550 nm (ca. 193,5 THz) ist dies ein Unterschied von sieben Größenordnungen. Aus dem Signal werden mittels SBS nur spektrale Anteile entsprechend der SBS Bandbreite verstärkt. Eine gezielte Änderung der Pumpwellenlänge, z. B. durch externe oder direkte Modulation des Pumplasers, führt zu einer Abtastung des Signalspektrums [1, 2].
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Optische Spektralanalyse kann auf mehrere Arten realisiert werden. Die vorrangig genutzte Technologie ist die gitterbasierte optische Spektroskopie, welche in modernen optischen Spektrumanalysatoren (OSA) für eine Auflösebandbreite bis ca. 0,01 nm verantwortlich ist. Bei einer Wellenlänge von 1550 nm entspricht das einer Auflösegenauigkeit von ca. 1,25 GHz. Des Weiteren ist eine heterodyne Messung des Spektrums möglich, welche mittels einer möglichst breitbandigen Photodiode und einem elektrischen Spektrumanalysator (ESA) durchgeführt wird. Jedoch wird die Messung vor allem bei modulierten optischen Signalen durch signalinhärente Frequenzprodukte gestört. Zusätzlich begrenzen sowohl der ESA als auch der verwendete Photodetektor die maximal messbare Gesamtbandbreite. Die Auflösegenauigkeit selbst hängt von der Linienbreite des Lasers ab, welcher als Lokaloszillator zum Einsatz kommt.
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Die optische Spektralanalyse mittels SBS (im Folgenden als „klassische SBS Spektroskopie” bezeichnet) hat den beiden anderen Methoden voraus, dass die Auflösebandbreite um zwei Größenordnungen unter der gitterbasierten Technologie liegt, keine Bandbreitenbegrenzung für die zu messenden Signale existiert und sehr preiswerte schmalbandige Photodetektoren zum Einsatz kommen können. Für den Pumplaser kann ein durchstimmbarer (tunable) Laser [1] aber auch eine preiswertere DFB-Laserdiode (DFB – distributed Feedback) [2] zum Einsatz kommen. Die Aufläsebandbreite selbst ist materialabhängig, d. h. in einer SSMF sind Bandbreiten um die 20 MHz zu erwarten, in einer AllWave Faser beträgt die SBS Bandbreite etwa 11 MHz [3] und in einer Dispersionsverschobenen Faser beträgt sie etwa 7 MHz [4].
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Eine Möglichkeit, die SBS Bandbreite (im Folgenden auch als „Auflösebandbreite” bezeichnet) zu verringern und damit die Auflösung zu erhöhen, ist die Einbringung von SBS Verlustspektren an den spektralen Rändern des SBS Gewinns. Hier konnte bisher eine Bandbreitenreduktion bis zu 3,4 MHz nachgewiesen werden, wobei die Verstärkung jedoch nur noch etwa 5% des Wertes ohne Verlustspektren betrug [5].
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die optische Brillouin Spektroskopie bereitzustellen, wobei die SBS Bandbreite verringert wird, und gleichzeitig Verluste hinsichtlich der Verstärkung gering gehalten werden.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der vorliegenden Patentansprüche gelöst.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Auflösebandbreite bei der optischen Brillouin Spektroskopie signifikant zu verringern ohne eine Gewinnreduktion hinnehmen zu müssen. Die Erfindung ermöglicht es weiterhin, optische Spektroskopie mit einer Auflösung im kHz-Bereich vorzunehmen. Es können schmalbandige Signale, Laserspektren, aber auch breitbandige Datensignale bis in den THz-Bereich um mehrere Größenordnungen höher aufgelöst als bisher untersucht werden.
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Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, eine Spektral-Blende in die SBS-basierte optische Spektralanalyse bzw. eine entsprechende Vorrichtung einzubringen. Wie im Folgenden beschrieben, wird dadurch die Aufgabe der Verringerung der SBS Bandbreite gelöst, wobei dennoch weiterhin alle Vorteile der klassischen SBS Spektroskopie genutzt werden können.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Auflösung optischer Briliouinbasierter Spektroskopie durch Überlagerung des zu untersuchenden Signalspektrums mit einer sättigenden Spektral-Blende bzw. -Apertur innerhalb der Verstärkungsbandbreite der stimulierten Brillouin-Streuung (SBS) erhöht: Dem zu untersuchenden Signalspektrum wird im Verstärkungsspektrum der SBS ein leistungsstärkeres Spektralblendensignal zur Gewinnsättigung überlagert. Das Spektralblendensignal besitzt eine Bandlücke, die der gewünschten Auflösebandbreite des optischen Spektrometers entspricht. Innerhalb dieser Bandlücke wird das zu untersuchende Signalspektrum verstärkt und abgetastet.
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Das erfindungsgemäße System nutzt den nichtlinearen optischen Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung. Die Überlagerung zweier gegenläufiger optischer Weilen führt aufgrund von Elektrostriktion zu einer periodischen Dichteänderung im Medium. Das entstehende Gitter breitet sich mit Schallgeschwindigkeit in Richtung der höherfrequenten Welle (auch Pumpwelle) aus. Energieanteile der Pumpwelle werden am entstehenden Gitter zurückgestreut. Aufgrund der Relativgeschwindigkeit zwischen Gitter und Pumpwelle kommt es zur Abwärtsverschiebung der Frequenz der zurückgestreuten Welle (Doppler-Effekt). Die sich in Gegenrichtung ausbreitende optische Welle (hier auch Signalwelle) nimmt die zurückgestreute Pumpenergie auf und wird damit verstärkt. Bedingung für den Verstärkungsprozess ist eine Frequenzdifferenz zwischen beiden Wellen, die auch als Brillouin-Verschiebungsfrequenz bezeichnet wird. Die Lebensdauer der angeregten Dichteänderungen (Gitterschwingungen oder auch akustische Phononen) liegt im Bereich mehrerer Nanosekunden und ist für die Verstärkungsbandbreite der SBS (10...60 MHz in Glasfasern) verantwortlich. Im Vergleich zur Trägerfrequenz der Pump- bzw. Signalwelle im Telekommunikationsbereich (ca. 195 THz) kann dieser Effekt als sehr schmalbandig bezeichnet werden. Diese Schmalbandigkeit ist die Grundlage Brillouin-basierter Spektroskope, in denen ein unbekanntes Spektrum selektiv verstärkt und abgetastet wird. Im Vergleich zu aktuellen gitterbasierten Spektrumanalysatoren (Auflösung ca. 1–2 GHz) ist dies bereits eine Verbesserung um zwei Größenordnungen.
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Die Lebensdauer der akustischen Phononen im Brillouin-Medium bestimmt die Verstärkungsbandbreite und damit auch die höchstmögliche Auflösung für die Spektroskopie. Da diese Lebensdauer materialspezifisch ist, gibt es kaum Möglichkeiten, die Bandbreite weiter zu verringern ohne die Gesamtverstärkung zu verringern [1]. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ist die variable Einstellung der gewünschten Auflösebandbreite des Brillouin-basierten Spektrometers bis in den kHz-Bereich. Die Bandlücke der überlagerten Spektral-Blende ist ausschlaggebend für die Abtastbandbreite des Spektrometers. Ein weiterer Vorteil ist, dass es keine Einbußen bei der erzielbaren SBS-Verstärkung für das Signal innerhalb der Bandlücke gibt.
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Im Kleinsignalbetrieb, d. h. die Pumpleistung ist um mindestens 30 dB (Faktor 1000) höher als die Signalleistung, ist die Verstärkung im Brillouin-Medium nahezu unabhängig von der Signalleistung selbst [2]. Eine Verringerung dieses Leistungsabstandes hat zur Folge, dass die Pumpwelle ausgezehrt wird bzw. die Verstärkung signifikant absinkt. Wie [3, 4] zeigen, erfolgt diese Auszehrung frequenzselektiv (inhomogene spektrale Verbreiterung). Die bisher bekannte Grenze der Frequenzselektivität wurde experimentell für eine Bandbreite bis ca. 33 kHz nachgewiesen [5]. Dem zu messenden Signal mit niedriger Leistung wird nun innerhalb der Verstärkungsbandbreite ein Signal mit höherer Leistung überlagert. Spektral weist dieses Signal eine Frequenzlücke auf, was im Frequenzbereich mit der Funktion einer Lochblende vergleichbar ist. Innerhalb der Verstärkungsbandbreite der SBS werden nun die Spektralanteile mit höherer Leistung (Spektral-Blende) zur frequenzselektiven Gewinnsättigung führen. Im Frequenzbereich der Bandlücke kommt es zu einer höheren Verstärkung der ungestörten Messsignalanteile als in den Frequenzbereichen, in denen das zu messende Signal durch das Spektralblendensignal überlagert bzw. gestört wird. Um das Messsignal von der Spektral-Blende zu trennen, kommt ein Lock-in-Verstärker zum Einsatz.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur ultrahochauflösenden Spektroskopie von optischen Signalen. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Ein zu messendes Signal wird moduliert. Ein Spektralblendensignal wird bereitgestellt. In ein erstes Ende einer optischen Faser werden das modulierte zu messende Signal und das Spektralblendensignal eingeleitet. Es wird eine Pumpwelle bereitgestellt, die geeignet ist, in der optischen Faser zusammen mit dem zu messenden Signal und dem Spektralblendensignal stimulierte Brillouin-Streuung zu verursachen. Die Pumpwelle wird in ein zweites Ende der optischen Faser eingeleitet. Das aus dem zweiten Ende der optischen Faser austretende Ausgangssignal wird gemessen. Die Größe des zu messenden Signals Innerhalb des Ausgangssignals wird mittels einer Kreuzkorrelation zwischen dem Ausgangssignal und dem modulierten zu messenden Signal ermittelt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist dabei das Spektrum des Spektralblendensignals eine Bandlücke, vorzugsweise mit einer Breite kleiner als 10 MHz oder kleiner als 5 MHz oder kleiner als 1 MHz, auf. Vorzugsweise ist das Spektrum des Spektralblendensignals in einem Bereich außerhalb der Bandlücke konstant. Vorzugsweise weist ferner das Spektrum des Spektralblendensignals eine höhere Leistung als das zu messende Signal auf, wobei weiter bevorzugt dem zu messenden Signal im Verstärkungsspektrum der stimulierten Brillouin-Streuung das leistungsstärkere Spektralblendensignal zur Gewinnsättigung überlagert wird. Besonders bevorzugt weist das Spektrum des Spektralblendensignals eine um 10–13 dB höhere Leistung als das zu messende Signal auf. Ferner entspricht vorzugsweise die Differenz zwischen der Frequenz der Pumpwelle und der Frequenz in der Mitte der Bandlücke des Spektrums des Spektralblendensignals der materialspezifischen Brillouin-Verschiebungsfrequenz der optischen Faser. Dabei ist vorzugsweise die Frequenz der Pumpwelle höher als die Frequenz in der Mitte der Bandlücke des Spektrums des Spektralblendensignals.
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Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird dabei das Modulieren des zu messenden Signals mit einem ersten Modulator ausgeführt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Einleiten des modulierten zu messenden Signals und des Spektralblendensignals in ein erstes Ende einer optischen Faser mit einem Koppler ausgeführt. Dabei wird das modulierte zu messende Signal in einen ersten Eingang des Kopplers und das Spektralblendensignal in einen zweiten Eingang des Kopplers eingeleitet, und das am Ausgang des Kopplers ausgegebene Signal wird in die optische Faser eingeleitet.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das zweite Ende der optischen Faser mit einem Zirkulator verbunden, der einen Eingang zum Einleiten eines optischen Signals in das zweite Ende der optischen Faser aufweist und einen Ausgang zum Ausgeben eines aus dem zweiten Ende der optischen Faser austretenden optischen Signals aufweist.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt das Messen des aus dem zweiten Ende der optischen Faser austretenden Ausgangssignals durch einen Detektor, vorzugsweise einer Photodiode. Dabei wird vorzugsweise zu dem Detektor aus dem Ausgang des Zirkulators ein aus dem zweiten Ende der optischen Faser austretendes optisches Signal geleitet.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung geschieht das Durchführen einer Kreuzkorrelation zwischen dem Ausgangssignal und dem modulierten zu messenden Signal mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers, der einen Referenzfrequenz-Ausgang aufweist, der mit dem ersten Modulator verbunden ist, und einen Eingang aufweist, der mit der Photodiode verbunden ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung geschieht das Bereitstellen der Pumpwelle durch einen Laser, dessen Licht durch einen zweiten Modulator, vorzugsweise mit Einseitenbandmodulation und Trägerunterdrückung, hindurchgeleitet wird, oder durch einen durchstimmbaren Laser.
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Nach einem Aspekt der Erfindung ist die Frequenz der Pumpwelle steuerbar, und das Spektrum des Spektralblendensignals ist bezüglich der Frequenz verschiebbar. Vorzugsweise geschieht das Steuern der Frequenz der Pumpwelle sowie der Verschiebung des Spektrums des Spektralblendensignals so, dass die Differenz zwischen der Frequenz der Pumpwelle und der Frequenz in der Mitte der Bandlücke des Spektrums des Spektralblendensignals konstant gehalten wird.
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Nach einem Aspekt der Erfindung erfolgt das Ermitteln der Größe des zu messenden Signals innerhalb des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Steuerung der Frequenz der Pumpwelle und der Steuerung der Verschiebung des Spektrums des Spektralblendensignalsbezüglich der Frequenz. Vorzugsweise erfolgt eine Darstellung der ermittelten Größenwerte in Abhängigkeit von der Scanfrequenz.
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Nach einem Aspekt der Erfindung geschieht die Steuerung der Verschiebung des Spektrums des Spektralblendensignals bezüglich der Frequenz mit Hilfe eines dritten Modulators, vorzugsweise mit Einseitenbandmodulation und Trägerunterdrückung, durch den ein festes Spektrum geeigneter Gestalt hindurchgeleitet wird. Des Spektralblendensignal kann vorzugsweise hierbei durch direkte oder externe Modulation eines Lasers mit dem in 3 dargestellten Spektrum erzeugt werden.
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Nach einem Aspekt der Erfindung geschieht die Steuerung der Frequenz der Pumpwelle durch Einstellen der Frequenz des durchstimmbaren Lasers. Alternativ kann die Steuerung der Frequenz der Pumpwelle auch durch den zweiten Modulator geschehen, durch den die durch den Laser erzeugte Welle hindurchgeleitet wird.
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Nach einem Aspekt der Erfindung werden der zweite Modulator und der dritte Modulator durch das Signal eines Frequenzgenerators, vorzugsweise eines HF-Generators, gesteuert.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden zwischen den Laser und den zweiten Modulator zusätzlich geschaltet: ein vierter optischer Modulator, vorzugsweise mit Zweiseitenbandmodulation und Trägerunterdrückung, in dessen Eingang das Licht des Lasers geleitet wird, und der, vorzugsweise durch einen HF-Generator, steuerbar ist, und dessen Ausgangsignal eine erste Frequenz und eine zweite Frequenz aufweist; sowie ein zweiter optischer Koppler, in den das Ausgangssignal des vierten optischen Modulators geleitet wird, und das Ausgangssignal des vierten optischen Modulators aufgespalten wird in einen ersten Pfad und einen zweiten Pfad, wobei der erste Pfad geleitet wird zu einem ersten Filter, der für die erste Frequenz durchlässig ist, und der zweite Pfad geleitet wird zu einem zweiten Filter, der für die zweite Frequenz durchlässig ist, und das Ausgangssignal des zweiten Filters als Pumpwelle in den Eingang des zweiten Modulators geleitet wird, und das Ausgangssignal des ersten optischen Filters in einen fünften optischen Modulator zur externen Modulation mit dem Spektralblendensignal (siehe 3) geleitet wird. Die Verwendung eines durchstimmbaren Lasers in 5 ersetzt den zweiten und dritten Modulator sowie den dazugehörigen HF-Generator von 1.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Ausgangssignal des ersten Modulators durch einen ersten optischen Verstärker und/oder das Ausgangssignal des zweiten Modulators durch einen zweiten optischen Verstärker und/oder das Ausgangssignal des dritten Modulators durch einen dritten optischen Verstärker verstärkt. Der erste optische Verstärker dient zur Einstellung des Signalpegels, wobei gegebenenfalls eine Dämpfung des Signalpegels erfolgt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ultrahochauflösenden Spektroskopie von optischen Signalen. Die Vorrichtung weist einen ersten Modulator zum Modulieren eines zu messenden Signals, der durch ein Steuersignal gesteuert wird, auf. Die Vorrichtung weist zudem einem ersten Koppler mit einem ersten Eingang zum Einleiten des Ausgangssignals des ersten Modulators, einem zweiten Eingang zum Einleiten eines Spektralblendensignals sowie einem Ausgang zum Ausgeben der Überlagerung des in den ersten Eingang eingeleiteten Signals und des in den zweiten Eingang eingeleiteten Signals auf. Die Vorrichtung weist ferner auf: eine optische Faser, die an ihrem ersten Ende mit dem Ausgang des ersten Kopplers verbunden ist; eine Intensitätsmesseinrichtung zum Messen der Intensität eines optischen Signals und Ausgabe eines Ausgabesignals; eine Leiteinrichtung zum Einleiten einer Pumpwelle in das zweite Ende der optischen Faser, wobei die Pumpwelle geeignet ist, in der optischen Faser zusammen mit dem zu messenden Signal Brillouin-Streuung zu verursachen und zum Weiterleiten eines am zweiten Ende der optischen Faser austretenden optischen Signals an die Intensitätsmesseinrichtung; und eine Einrichtung zum Durchführen einer Kreuzkorrelation zwischen dem Steuersignal zum Steuern des ersten Modulators und dem Ausgabesignal der Intensitätsmesseinrichtung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Intensitätsmesseinrichtung ein Detektor, vorzugsweise eine Photodiode.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Leiteinrichtung ein Zirkulator.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Einrichtung zum Durchführen einer Kreuzkorrelation ein Lock-in-Verstärker.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung zudem einen durchstimmbaren Laser zum Erzeugen der Pumpwelle auf. Anstelle des durchstimmbaren Lasers kann die Vorrichtung aber auch einen Laser mit einem zweiten Modulator zum Erzeugen der Pumpwelle durch Modulieren eines vom Laser erzeugten Signals aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung ferner auf: eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Spektralblendensignals gemäß 3, das vorzugsweise direkt oder mittels extern modulierter Laserquelle erzeugt wird, und einen dritten Modulator, vorzugsweise im Einseitenbandbetrieb mit Trägerunterdrückung zur spektralen Positionierung des Blendensignals, zum Modulieren des Spektralblendensignals und Einleiten des modulierten Spektralblendensignals in den zweiten Eingang des ersten Kopplers.
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Nach einem Aspekt der Erfindung sind der zweite Modulator und der dritte Modulator gemeinsam durch das Signal eines Frequenzgenerators, vorzugsweise eines HF-Generators, steuerbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung zudem auf: eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Lasersignals; einen vierten Modulator zum Umwandeln des Lasersignals in ein Ausgangssignal, das eine erste und eine zweite Frequenz aufweist, und wobei der vierte Modulator, vorzugsweise durch einen HF-Generator, steuerbar ist; einen zweiten optischen Koppler zum Aufspalten des Ausgangssignals des vierten Modulators in einen ersten und einen zweiten Pfad; einen ersten Filter zum Filtern des Signals des ersten Pfades, wobei der erste Filter für eine erste Frequenz durchlässig ist, die zum Erzeugen eines Spektralblendensignals verwendbar ist; einen zweiten Filter zum Filtern des Signals des zweiten Pfades, wobei der zweite Filter für eine zweite Frequenz durchlässig ist, und Bereitstellen der Pumpwelle; und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Spektralblendensignals, wobei das Spektrum des Spektralblendensignals durch ein optisches Eingangssignal steuerbar ist. Die Einrichtung zum Erzeugen eines Spektralblendensignals weist dabei einen Eingang zum Einleiten eines am ersten Filter ausgegebenen Signals und einen Ausgang zum Ausgeben des Spektralblendensignals an den zweiten Eingang des ersten Kopplers auf. Vorzugsweise weist die Einrichtung zum Erzeugen eines Spektralblendensignals einen fünften optischen Modulator zur externen Modulation des Spektralblenden-Trägersignals mit dem gewünschten Spektrum der Spektralblende (siehe 3) auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dabei dem zweiten Filter ein zweiter Modulator nachgeschaltet. Zudem ist dem Ausgang der Einrichtung zum Erzeugen eines Spektralblendensignals ein dritter Modulator nachgeschaltet. Ferner sind der erste und der zweite Modulator durch einen Frequenzgenerator, vorzugsweise einem HF-Generator, gemeinsam steuerbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dabei dem ersten Modulator ein erster optischer Verstärker und/oder dem zweiten Modulator ein zweiter optischer Verstärker und/oder dem dritten Modulator ein dritter optischer Verstärker nachgeschaltet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist dabei die Einrichtung zum Bereitstellen eines Spektralblendensignals dazu geeignet, ein Spektralblendensignal bereitzustellen, dessen Spektrum eine Bandlücke, vorzugsweise mit einer Breite kleiner als 10 MHz oder kleiner als 5 MHz oder kleiner als 1 MHz, aufweist. Vorzugsweise ist das Spektralblendensignal in einem Bereich außerhalb der Bandlücke konstant. Das Spektralblendensignal weist vorzugsweise eine höhere Leistung als das zu messende Signal auf, wobei vorzugsweise dem zu messenden Signal im Verstärkungsspektrum der stimulierten Brillouin-Streuung das leistungsstärkere Spektralblendensignal zur Gewinnsättigung überlagert wird. Dabei Ist die Leistung des Spektralblendensignals besonders bevorzugt um 10–13 dB höher als die Leistung des zu messenden Signals. Vorzugsweise entspricht die Differenz zwischen der Frequenz der Pumpwelle und der Frequenz in der Mitte der Bandlücke des Spektrums des Spektralblendensignals der Brillouin-Verschiebungsfrequenz der optischen Faser. Vorzugsweise ist die Frequenz der Pumpwelle höher als die Frequenz in der Mitte der Bandlücke des Spektrums des Spektralblendensignals.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung zudem eine Steuerungs- und Auswertungseinheit auf. Die Steuerungs- und Auswertungseinheit ermöglicht das Steuern der Frequenz der Pumpwelle und des Spektrums des Spektralblendensignals und das Ermitteln der Größe des zu messenden Signals innerhalb des Ausgangssignals der Intensitätsmessvorrichtung, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Steuerung der Frequenz der Pumpwelle und des Spektrums des Spektralblendensignals. Diese Ermittlung erfolgt vollständig durch den Lock-in-Verstärker. Die Steuerungs- und Auswerteeinheit verbindet diese Werte nur noch mit den eingestellten Frequenzen. Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Darstellen der Ausgangswerte der Kreuzkorrelation in Abhängigkeit von der Scanfrequenz auf.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Schematischer Aufbau des erfindungsgemäßen Systems
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2: Testspektrum am Signaleingang des Systems
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3: Überlagerte Störspektren mit unterschiedlichen Bandlücken
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4: Verstärkungsspektren für das Messsignal
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6: Pumplaser und Spektralblende aus einer Quelle
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6: Ergebnis einer Testmessung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren für ein konstantes Eingangsspektrum Eine Ausführungsform der Erfindung ist in 1 gezeigt. Eine Signalquelle 1 führt dem Messsystem das zu messende unbekannte Spektrum (z. B. 2) zu. Dies kann eine modulierte Laserquelle aber auch die Schnittstelle zu einem beliebigen System sein. Vereinfachend wird zur Beschreibung ein konstantes Eingangsspektrum angenommen. Mit Hilfe eines ersten Modulators 2 wird das Signal mit einem Referenzsignal moduliert. Durch einen Koppler 3 wird dieses Signal in eine Faser 4 eingekoppelt. Über einem Zirkulator 5 wird das Ausgangssignal einer Photodiode 6 zugeführt. Ein Lock-in-Verstärker 7 führt eine Kreuzkorrelation des gemessenen Signals mit dem Referenzsignal durch und ermittelt somit nur den Anteil des vorher modulierten Messsignals. Daraus lässt sich das zu messende Spektrum, d. h. die Intensität des zu messenden Spektrums in Abhängigkeit von der Frequenz ermitteln. Ein Pumplaser 12 wird mittels externer Modulation durch einen zweiten Modulator 13, vorzugsweise im Einseitenbandbetrieb mit Trägerunterdrückung, und einem elektrischen Frequenzgenerator in seiner Trägerfrequenz eingestellt. Dies ermöglicht, das zu messende unbekannte Spektrum des Signals 1 zu scannen. Die Änderung der Trägerfrequenz könnte auch durch direkte Modulation eines Lasers erfolgen bzw. mit einem durchstimmbaren (tunable) Laser. Allerdings sollte dann auch eine Schrittweite der Wellenlängenänderung im Bereich der Auflösebandbreite des Spektrometers gewährleistet sein. Die notwendige Pumpleistung wird mittels eines optischen Verstärkers 14 (z. B. ein Erbium dotierter Faserverstärker – EDFA) bereitgestellt. Die Pumpwelle wird in Gegenrichtung zur Signalwelle über den Zirkulator 5 in die Faser 4 eingekoppelt. Unter der Voraussetzung des passenden Frequenzabstandes zwischen Pump- und Signalwelle (Brillouin-Verschiebungsfrequenz, beispielsweise in Glasfasern bei 1550 nm Wellenlänge ca. 11 GHz) kann ein Verstärkungsverlauf entsprechend der durchgezogenen Linie in 4 ermittelt werden.
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Das Spektralblendensignal 9 wird über einen dritten Modulator 10, vorzugsweise im Einseitenbandbetrieb mit Trägerunterdrückung, und den Koppler 3 in die Faser eingekoppelt (siehe auch 3). Mit Hilfe eines weiteren optischen Verstärkers 11 kann auch für das Spektralblendensignal eine Leistungsanpassung vorgenommen werden. Die Überlagerung mit dem zu messenden Signal erfolgt in der Weise, dass die Bandlücke selbst sich im Maximum der Verstärkung durch die SBS befinden sollte. im Scanprozess müssen sich Pumpwellenfrequenz und Spektralblendensignalfrequenz in gleicher Weise ändern, was durch einen Frequenzgenerator 8 gewährleistet wird. Das Spektralblendensignal sollte einen höheren Leistungspegel als das zu messende Signal besitzen (in Simulation und Experiment um etwa 10–13 dB höher). Da die Signale 1 und 9 voneinander unabhängig sind, kommt es im Kuppler 3 zu einer Superposition der beiden Wellen und sie werden im SBS Prozess gemeinsam verstärkt. Die stärkeren Frequenzanteile erfahren eine geringere Verstärkung als die schwächeren. Der Lock-in-Verstärker 7 misst nur die Verstärkung des Messsignals 1 welches im Randbereich durch die Überlagerung nun eine viel geringere Verstärkung aufweist als im Bereich der Bandlücke. Die Bandbreite des verstärkten Signals in 4 entspricht nun der Bandbreite der Bandlücke des Spektralblendensignals (durchgezogene, gestrichelte und strich-punktierte Linie). Das unbekannte Spektrum stellt sich als eine Funktion der gemessenen Spannung des Lock-in-Verstärkers 7 in Abhängigkeit von der eingestellten Frequenz des Generators 8 dar.
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Zur Erhöhung der Stabilität des Gesamtsystems und um eventuelle Frequenzschwankungen der Laser zueinander auszugleichen, kann sowohl das Spektralblendensignal als auch das Pumpsignal aus einer einzigen Quelle erzeugt werden (5). Dies wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung benutzt. Dabei wird aus dem Licht einer Laserquelle 20 mittels eines optischen Modulators 21, vorzugsweise mit Zweiseitenbandmodulation und Trägerunterdrückung, und eines HF-Generators 22 eine erste und eine zweite Frequenz erzeugt. Dabei wird der Frequenzabstand so eingestellt, dass der Frequenzabstand der Differenz zwischen der Frequenz der benötigten Pumpwelle und der Frequenz der benötigten Blendenträgerwelle entspricht. Vorzugsweise kann der optische Modulator 21 dabei durch einen HF-Generator 22 gesteuert werden. Das Ausgangssignal des optischen Modulators 21 wird dann, beispielsweise durch einen optischen Koppler 23, in einen ersten und einen zweiten Pfad aufgeteilt. Der erste Pfad wird dann durch einen ersten optischen Filter 24 geleitet, der für die erste Frequenz durchlässig ist. Der zweite Pfad wird durch einen zweiten optischen Filter 25 geleitet, der für die zweite Frequenz durchlässig ist. Das Ausgangssignal des ersten Filters 24 wird dann einem fünften optischen Modulator 27 zugeführt, welcher mit Hilfe eines Wellenformgenerators 26 mit dem Spektralblendensignal (3) moduliert wird. Das Spektralblendensignal 9 kann dann in der in 1 gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verwendet werden und mit dem dritten Modulator 10 gesteuert werden. Das am Ausgang des zweiten optischen Filters 25 bereitstehende Signal kann anstelle des Signals vom Pumplaser 12 in der in 1 gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Wird in 5 ein durchstimmbarer Laser mit den oben genannten Anforderungen verwendet, so entfallen der zweite und dritte optische Modulator (13 und 10) und der HF-Generator 8 in 1. Vorzugsweise sind die optischen Filter 24 und 25 in Bezug auf die Durchlassfrequenz durchstimmbar.
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6 zeigt eine Testmessung am erfindungsgemäßen System als experimentellen Nachweis der Funktionsweise. Ein Vergleich von 6 mit 4 zeigt eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment.
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Die Einbringung einer Spektral-Blende in die SBS basierte optische Spektralanalyse nutzt alle Vorteile der Brillouin basierten Spektroskopie. Jedoch wird die Auflösebandbreite signifikant verringert ohne eine Gewinnreduktion hinnehmen zu müssen. Mit der erfindungsgemäßen Methode ist es möglich, optische Spektroskopie mit einer Auflösung im kHz-Bereich vorzunehmen. Mit Bezug auf bisherige Messdaten zur Frequenzselektivität der Sättigung in der stimulierten Brillouin-Streuung ist eine Verbesserung der Auflösung bis zu drei Größenordnungen, d. h. Faktor 1000, möglich. Dadurch können schmalbandige Signale, Laserspektren aber auch breitbandige Datensignale bis in den THz-Bereich um mehrere Größenordnungen höher aufgelöst als bisher untersucht werden.
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Die Erfindung wurde anhand von Beispielen und der Figuren näher erläutert, wobei diese Darstellung die Erfindung nicht einschränken soll. Es versteht sich, dass Fachleute Änderungen und Abwandlungen machen können, ohne den Umfang der folgenden Ansprüche zu verlassen. Insbesondere umfasst die Erfindung Ausführungsformen mit jeglicher Kombination von Merkmalen der verschiedenen Ausführungsformen, die hier beschrieben sind.
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Literatur
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- [1] S. Preussler, A. Wiatrek, K. Jamshidi, T. Schneider: "Brillouin Scattering Gain Bandwidth Reduction Down to 3,4 MHz," in: Optics Express, Vol. 19, Nr. 9, 8565–8570 (2011).
- [2] M. F. Ferreira, J. F. Rocha, J. L. Pinto: "Analysis of the gain and noise characteristics of fibre Brillouin amplifiers," In: Optical and Quantum Electronics, Vol. 26, Nr. 1, 35–44 (1994).
- [3] Y. Takushima, K. Kikuchi: "Spectral gain hole burning and modulation instability in a Brillouin fiber amplifier," In: Optics letters, Vol. 20, Nr. 1, 34–36 (1995).
- [4] V. I. Kovalev, R. G. Harrison: "Observation of Inhomogeneous Spectral Broadening of Stimulated Brillouin Scattering in an Optical Fiber," in: Physical Review Letters, Vol. 85, Nr. 9, 1879–1882 (2000).
- [5] A. A. Juarez, R. Vilaseca, Z. Zhu, D. J. Gauthier: "Room-temperature spectral hole burning in an engineered inhomogeneously broadened resonance," In: Optics Letters, Vol. 33, Nr. 20, 2374–2376 (2008).
