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Alle in der vorliegenden Anmeldung zitierten Dokumente sind durch Verweisvollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen (= incorporated byreference in their entirety).
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Die Erfindung betrifft Methoden und Geräte zur Messung schneller und ultraschneller optischer oder elektrischer Signale, basierend auf der zeitlichen Dehnung dieser Signale mit variabler Vergrößerung.
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Stand der Technik:
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Die Weiterentwicklung in der elektrischen Höchstfrequenztechnik und optischen Ultrakurzzeit-Physik fordert Messgeräte zur Detektion dieser Signale. Mittels herkömmlichen Messsystemen, wie Autokorrelatoren, Kreuzkorrelatoren und »Frequency Resolved Optical Gating« (FROG) können ultrakurze optische Signale nur durch wiederholtes Messen gleichartiger, reproduzierbarer Signale erfasst werden. Darüber hinaus gibt es Methoden wie »Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-Field Reconstruction« (SPIDER) die einmalige, nicht-periodische, ultraschnelle optische Signale messen können. Die maximale Aufnahmedauer ist dabei auf wenige Picosekunden begrenzt. Die heute verfügbaren Fotodioden und Oszilloskope haben eine Bandbreite von maximal 60 GS/s, die zur Messung von Signalen mit einer Bandbreite von bis zu 30 GHz Verwendung finden können.
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Die Messbarkeit von ultrakurzen optischen Signalen (< 1 ps) und elektrischen Höchstfrequenzsignalen (> 30 GHz) findet in vielen Bereichen der Forschung und Industrie Anwendung. Bei der THz-Spektroskopie werden THz-Pulse von einigen Picosekunden Pulsdauer erzeugt. Diese Technik ist in einem stetigen Weiterentwicklungsprozess begriffen und findet in vielen Bereichen, wie Sicherheitstechnik, Qualitätskontrolle in der Pharma- und Lebensmittelindustrie und Materialuntersuchung Verwendung. In dem Gebiet der ultraschnellen Photonik werden ultrakurze Pulse zur Untersuchung von Prozessen im Femtosekunden-Bereich verwendet und detektiert. Insbesondere in der Telekommunikationstechnik werden immer höhere Datenraten genutzt, die zum einen erzeugt, zum anderen detektiert werden müssen.
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Das grundlegende Prinzip zur Messung von periodischen oder nicht-periodischen, ultraschnellen optischen oder elektrischen Signalen, besteht aus einer gepulsten Lichtquelle gefolgt von einem dispersiven Element. Auf den durch das erste dispersive Element linear gechirpten Laserimpuls wird in einer Zeitlinse das zu messende elektronische oder optische Signal aufgeprägt. Durch ein zweites dispersives Element wird das Signal zeitlich gedehnt. Mit Hilfe dieser Methode ist die Einzel-Schuss-Messung einmaliger nichtperiodischer ultraschneller Signale möglich. Siehe hierzu beispielsweise die
US 5,453,871 .
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Die Zeitlinse wird für elektrische Signale durch einen elektrooptischen Modulator verwirklicht. Dieser Modulator kann aus kristallinen Materialien, Polymeren oder Farbstoff-dotierten Polymeren aufgebaut sein und verschiedene Geometrien, wie z.B. Mach-Zehnder, »Directional-Coupling« oder andere aufweisen. Die Zeitlinse und deren Abbildungseigenschaften werden von der Halbwellenspannung sowie der Frequenz und der Amplitude des zu messenden Signals bestimmt.
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Im Falle optischer Signale wird die Transformation durch einen Vierwellenmischprozess in z.B. einem nicht-linear optischen Kristall realisiert. Stand der Technik ist die Nutzung fest vorgegebener, vor Aufbau des Systems definierten Dispersionen der beiden dispersiven Elemente D1 und D2. Daraus folgt eine feste, unveränderliche Vergrößerung M = D2/D1 + 1.
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Entsprechende Darstellungen sind beispielsweise aus Kolner, B.H., „Space-time duality and the theory of temporal imaging", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 30 (1994), Nr. 8, Seiten 1951–1963 zu entnehmen.
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Die unvermeidlichen Signalverluste in diesen Systemen auf Grund der Komponenten, wie Dispersionselementen, Faserbauteilen usw., werden mit Hilfe eines oder mehrerer optischer Verstärker (z. B. »Erbium-doped fiber amplifier« (EDFA), Raman-Verstärker), vor oder nach den dispersiven Elementen, im Fall von J. Chou et al. „Femtosecond real-time single shot digitizer", Applied Physics Letters 91 161105 (2007), auch im dispersiven Element D2 kompensiert. Durch eine Verstärkung nach den dispersiven Elementen ergeben sich ungewünschte Rauscheffekte, die das Signal-zu-Rausch-Verhältnis negativ beeinflussen.
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Ähnliche Ausgestaltungen sind beispielsweise auch aus
WO 2010/045339 A2 ,
US 7,821,633 B2 ,
US 6,288,659 B1 ,
WO 2010/091180 A2 ,
US 7,411,683 B2 ,
US 2009/0110004 A1 ,
US 2010/0201345 A1 ,
US 2010/0245835 A1 und
US 7,369,778 B2 bekannt.
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Aufgabe:
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Zeitlinse, die einen variablen Vergrößerungsfaktor sowie verbesserte Verstärkung ermöglicht.
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Ferner sollen entsprechende Verfahren und Verwendungen gefunden werden.
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Lösung:
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Die Aufgabe wird insbesondere durch einen Zeitlinsenaufbau umfassend einen der Zeitlinse nachgeschalteten Resonatoraufbau gelöst.
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Es besteht damit die Möglichkeit, in den modulierten Puls zeitlich hinein zu zoomen, was mit den bisher bekannten Systemen nicht möglich ist.
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Weitere Lösungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen.
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Detaillierte Beschreibung:
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In der folgenden Beschreibung und in den folgenden Zeichnungen sind gleiche Teile beziehungsweise Merkmale in Beschreibung und den Zeichnungen durch die gleichen Ziffern bezeichnet. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Aus Gründen der Klarheit und zur einfacheren Darstellung können einige Merkmale der Erfindung übertrieben groß oder in schematischer Form dargestellt sein, ebenso können demgemäß einige Details von konventionellen bzw. bekannten Elementen nicht dargestellt sein.
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Der erfindungsgemäße Aufbau ist ein Zeitlinsenaufbau umfassend einen der Zeitlinse nachgeschalteten Resonatoraufbau, insbesondere einen faserbasierten Resonatoraufbau oder Freistrahlresonatoraufbau.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Zeitlinsenaufbau umfassend eine gepulste Lichtquelle, insbesondere ein gepulster Laser, ein erstes dispersives Element, eine nach dem dispersiven Element angeordnete Zeitlinse, in der das Eingangssignal auf das aus dem dispersiven Element kommenden Signal aufgeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitlinsenaufbau einen einer Zeitlinse nachgeschalteten Resonatoraufbau aufweist.
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Anstelle der gepulsten Lichtquelle und des ersten dispersiven Elements kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine bereits gechirpte Lichtquelle, insbesondere gechirpte Laserquelle, eingesetzt werden. Eine gechirpte Lichtquelle, insbesondere gechirpte Laserquelle, besitzt bereits ein dispersives Element, so dass ein weiteres Element vor der Zeitlinse nicht benötigt wird.
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Dabei kann der erfindungsgemäße Zeitlinsenaufbau in einer bevorzugten Ausgestaltung aus den angegebenen Bauteilen bestehen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden als Resonatoraufbau bevorzugt ein Linearresonator oder ein Zirkularresonator verwendet.
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Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind demgemäß auch ein Linearresonator bzw. ein Zirkularresonator, insbesondere zur Verwendung in Zeitlinsenaufbauten.
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Der Linearresonator gemäß vorliegender Erfindung umfasst die folgenden Elemente:
- a1) zwei Spiegel an seinen Enden,
- a2) einen Lichtkombinierer über den das Licht in den Resonator geleitet wird,
- a3) optional mindestens einen optischen Verstärker, bevorzugt einen Raman-Verstärker,
- a4) mindestens ein dispersives Element,
- a5) einen Lichtteiler, über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor geleitet wird,
oder alternativ
- b1) zwei Faser-Bragg-Gitter an seinen Enden,
- b2) einen Lichtkombinierer über den das Licht in den Resonator geleitet wird,
- b3) optional mindestens einen optischen Verstärker, bevorzugt einen Raman-Verstärker,
- b4) optional mindestens ein dispersives Element,
- b5) einen Lichtteiler, über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor geleitet wird.
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In einer Variante der vorliegenden Erfindung kann die Auskopplung des Lichtes durch einen teildurchlässigen Endspiegel a1) bzw. durch ein teildurchlässig betriebenes Faser-Bragg-Gitter b1) erfolgen und dann auf den Lichtteiler a5) bzw. b5) verzichtet werden.
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In einer Variante der vorliegenden Erfindung besteht der Linearresonator aus den angegebenen Elementen.
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Der Zirkularresonator gemäß vorliegender Erfindung umfasst die folgenden Elemente:
- c1) einen Lichtkombinierer über den das Licht in den Resonator geleitet wird,
- c2) optional mindestens einen optischen Verstärker, bevorzugt einen Raman-Verstärker,
- c3) mindestens ein dispersives Element,
- c4) optional mindestens einen Filter,
- c5) optional mindestens einen Isolator,
- c6) einen Lichtteiler, über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor geleitet wird.
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In einer Variante der vorliegenden Erfindung besteht der Zirkularresonator aus den angegebenen Elementen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, die optischen Verstärker a3), b3) bzw. c2) in den Resonatoren zu verwenden, d.h. in bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind diese obligatorisch.
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Eine Variante des erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbaus ist dadurch gekennzeichnet, dass das von der Zeitlinse kommende Signal über einen Zirkulator auf den Lichtkombinierer des Linearresonators geleitet und das aus dem Lichtkombinierer des Linearresonators kommende Signal über diesen Zirkulator auf einen Detektor geleitet wird.
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Der Lichtteiler in diesem Fall wirkt je nach Einfallrichtung des Lichtes als Lichtkombinierer oder Lichtteiler. In Teilrichtung teilt sich eine Faser in zwei Fasern mit einem bestimmten Teilungsverhältnis auf. Fällt nun Licht in einen oder zwei dieser Arme ein, so wird dieses Licht in den einen Arm geführt und kombiniert.
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Eine gepulste Lichtquelle, insbesondere ein Laser, erzeugt ultrakurze optische Pulse mit einer großen spektralen Bandbreite, die in einem ersten dispersiven Element zeitlich gedehnt werden. In einer Zeitlinse (Modulator) wird das zu messende Signal auf das optische Trägersignal aufgeprägt. Dabei können Signale mit einer zeitlichen Dauer kleiner als die Pulsdauer des optischen Trägersignals am Modulatoreingang erfasst werden. Die Aufnahmedauer wird daher von der Pulsdauer der Lichtquelle und dem ersten dispersiven Element bestimmt und kann von einigen 10 Femtosekunden bis hin zu einigen 10 Nanosekunden reichen. Um in der Zeitlinse (Modulator) eine optimale Überlagerung zwischen optischem Trägersignal aus der Lichtquelle und dem zu messenden Signal zu erreichen, bedarf es einer Triggerung zwischen Aussendung des Lichtpulses und Eintreffen des Signals, sowie einer möglichst exakten Anpassung der Gruppengeschwindigkeiten im Modulator zwischen Trägerpuls und Signal. Dies kann durch die Geometrie sowie die Materialwahl gewährleistet werden.
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Ist die zeitliche Repetitionsrate des zu messenden Signals bekannt, kann diese Information in die Repetitionsrate der Lichtquelle eingebracht werden. Unter Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und Distanz zum Modulator kann somit eine Abstimmung erfolgen.
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Liegt ein Signal ohne feste Repetitionsrate vor, muss ein Detektor (optisch oder elektronisch je nach Signalart) vor dem Modulator ein Triggersignal erzeugen, das an die gepulste Lichtquelle übergeben werden kann. Dazu ist neben einem schnellen Detektor zur Erzeugung des Triggersignals auch eine schnelle Verarbeitungselektronik von Nöten. Des Weiteren muss die Lichtquelle ein schnelles Ansprechverhalten aufzeigen sowie die Distanz zwischen Lichtquelle und Laser minimiert und die Distanz zwischen Detektor für das Triggersignal zum Modulator maximiert sein. Auch die Übertragungslänge des Triggersignals zur Lichtquelle muss minimiert sein. Eine weitere Möglichkeit einen zeitlichen Überlapp zwischen Signal und Trägerpuls zu erzeugen, ist die Nutzung einer Verzögerungsstrecke in der Wegstrecke des Trägersignals. Bei entsprechender Repetitionsrate der Lichtquelle kann so ein gleichzeitiges Eintreffen vom Trägersignal und zu messendem Signal gewährleistet werden.
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Das entsprechend modulierte Signal wird erfindungsgemäß über einen Lichtkombinierer in einen Resonator eingekoppelt, bevorzugt in einen faserbasierten Resonator (Freistrahloption). In den Resonator wird zum einen ein zweites dispersives Element, zum anderen ein optischer Raman-Verstärker oder EDFA (Erbium-dotierter Faser-Verstärker) eingebracht. Über einen Lichtteiler mit definiertem Teilungsverhältnis wird bei jedem Umlauf ein Teil der Pulsleistung ausgekoppelt.
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In einer Variante der vorliegenden Erfindung kann der Lichtteiler so ausgestaltet sein, dass dessen Teilungsverhältnis variiert werden kann.
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In einer Variante der vorliegenden Erfindung kann die gleiche Resonatorgeometrie auch zur Variation des ersten dispersiven Elements, welches vor der Zeitlinse angeordnet ist, genutzt werden und der erfindungsgemäße Zeitlinsenaufbau demgemäß zwei Resonatoren umfassen.
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Der Resonator kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Arten verwirklicht werden.
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In einer ersten erfindungsgemäß bevorzugten Variante kann ein linearer Resonator aus zwei Endspiegeln aufgebaut werden, zwischen denen der Lichtpuls hin und herläuft. Zwischen diesen beiden Spiegeln befinden sich das oder die dispersiven Elemente und der optische Verstärker sowie die Ein- und Auskoppelelemente (Lichtkombinierer und -teiler).
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Eine zweite erfindungsgemäß bevorzugte Variante stellt eine Ringstruktur als Resonatorform dar. Dabei wird das modulierte Signal über einen Lichtkombinierer in den Ringresonator eingekoppelt. Anschließend durchläuft das Signal den optischen Verstärker, mindestens ein dispersives Element, Filter sowie gegebenenfalls zusätzlich benötigte Bauteile, wie Isolatoren zur Absicherung der anderen Bauteile. Dabei ist die eben genannte Reihenfolge der Bauteile nicht maßgeblich und kann verändert werden.
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Aus der Anzahl der Umläufe N bestimmt sich die Gesamtdispersion des zweiten Elements D2ges zu D2ges = N·D2 und damit auch die erzielte Vergrößerung M. Somit wird eine zeitliche Zoom-Eigenschaft erzielt.
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Die Anzahl der Umläufe wird mit einem photosensitiven Detektor ermittelt. Das Signal von diesem Detektor wird zur Triggerung der nachgeschalteten Analyseelektronik genutzt.
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Mit diesem Aufbau können ohne zusätzliche Kosten und Abänderungen im Aufbau verschiedene Vergrößerungsfaktoren M = 1 + (N·D2)/D1 erreicht werden. Dies macht den flexiblen Einsatz in diversen Einsatzgebieten möglich.
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Das mehrfache Durchlaufen des der Zeitlinse nachgeschalteten Resonators und damit des zweiten dispersiven Elements reduziert die benötigte Dispersion des zweiten Elementes und bewirkt somit eine Kostenoptimierung, die mit größerem Vergrößerungsfaktor wächst. Des Weiteren werden auch die optischen Verluste mit dieser Methode minimiert.
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Das Nutzen der Resonatorgeometrie im ersten Dispersionselement vor Modulation, d.h. vor der Zeitlinse, kann zur Verbesserung der Abbildungsschärfe und zur Erzeugung anderer Vergrößerungsfaktoren eingesetzt werden.
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Durch die Integration eines optischen Verstärkers in den Resonator wird der Puls bei jedem Durchgang verstärkt und somit die Verluste durch die, im Resonator befindlichen, Bauteile (über-)kompensiert.
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Die Verstärkungsmethode der vorliegenden Erfindung weist deutliche Vorteile auf:
Durch das Nutzen von mindestens zwei Pumpquellen bzw. durch das Aufteilen einer Pumpquelle in mindestens zwei Teilstrahlen im Raman- oder EDFA-Verstärker kann gleichzeitig in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Resonators verstärkt werden.
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Dies hat eine optimale Unterdrückung von Rauschen bei gleichzeitiger hoher (> 10 dB) Verstärkung zu Folge.
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Auch die Tatsache, dass bei der vorliegenden Erfindung das Signal in jedem Umlauf verstärkt wird, hat positive Auswirkungen auf die Signalqualität. Erfindungsgemäß muss kein sehr schwaches Signal extrem nach- bzw. vorverstärkt werden, sondern das Signal bewegt sich, bewirkt durch die Verluste pro Umlauf, auf einem sehr stabilen Niveau.
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Auf Grund der Dispersion und der damit einhergehenden Verbreiterung des Signals ist immer auch eine Peakleistungsabnahme zu beobachten, die im Einklang zum Erhaltungssatz der Energie steht. Durch diesen Effekt sinkt die Peakleistung des Signals um einige Größenordnungen. Die exakte Abnahme ist abhängig von der durchlaufenen Dispersion und damit von der Anzahl der Umläufe.
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Allerdings kann vorteilhafterweise aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch diese Peakleistungsabnahme durch den in den Resonator integrierten Verstärker kompensiert werden.
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Die Verstärkung bei einem Raman-Verstärker findet entweder in einer speziellen Lichtleiterfaser mit hohem Raman-Verstärkungskoeffizient oder in einer Standard-Faser statt.
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Bei beiden Faserarten ist eine negative Dispersion entscheidend.
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Bei den speziellen Raman-Fasern ist dies auf Grund der Materialzusammensetzung in der Faser typischerweise gegeben.
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Ein weiterer entscheidender Aspekt sind die Verluste durch die zur Verstärkung genutzten Faserelemente. Bei den herkömmlichen Standard-Fasern werden Längen von größer 50 km benötigt, um eine entsprechende Verstärkung zu erzielen.
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Ein Fachmann kann die entsprechende Faserauswahl aufgrund seines Fachwissens ohne weiteres treffen.
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Hingegen findet die Verstärkung bei einem EDFA in einer wenige Meter langen Erbium-dotierten Glasfaser statt. Vorteile von diesem Verstärkertyp sind die hohen erzielbaren Verstärkungswerte und die sehr geringe Faserlänge. Allerdings sind die Rauscheinflüsse größer als bei Raman-Verstärker, da erst nach der Dispersionsstrecke verstärkt wird und damit ein schwaches, evtl. stark rauschbehaftetes Signal verstärkt werden muss, was auch die Rauschanteile überproportional mitverstärkt.
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Erfindungsgemäß bevorzugte Fasern sind demgemäß spezielle Raman-Fasern, bei denen nur Längen von einigen wenigen Kilometer nötig sind. Die genaue Länge kann dabei ausgehend von der benötigten Verstärkung und zu erzielender Vergrößerung pro Umlauf gewählt werden.
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In einer Variante der vorliegenden Erfindung werden Faserlängen zwischen 0,5 und 10 km, bevorzugt 1 bis 5 km, besonders bevorzugt 2,5 bis 3,5 km und höchst bevorzugt 3 km eingesetzt.
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Je nach gewünschter Vergrößerung und der damit nötigen Anzahl an Umläufen kann eine Anpassung der Repetitionsrate der optischen Pulsquelle notwendig sein. Dadurch wird verhindert, dass sich ein nachfolgender Puls überlagernd auf ein bereits im Resonator geführtes und verbreitertes Signal setzt. Eine weitere Möglichkeit diesen negativen Effekt zu umgehen, besteht aus dem Herausfiltern einzelner Pulse aus dem kontinuierlich vorhandenen Pulszug, bestimmt durch die Lasercharakteristik.
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Dennoch ist es möglich, je nach Länge des Resonators und der damit einhergehenden Umlaufzeit der Signale im Resonator, mehrere Signale gleichzeitig im Resonator zu führen und zu verbreitern. Hierbei ist jedoch eine Kodierung der Signale nötig bzw. nützlich, um diese nach verlassen des Resonators eindeutig zuordnen zu können. Diese Kodierung kann im Modulator stattfinden, indem vor oder nach dem Signal eine definierte Information (Bitfolge, analoge Signalfolge) auf das Trägersignal aufgeprägt wird. Dadurch ist es möglich, die maximal mögliche Signalabfolge (abhängig von Repetitionsrate der Lichtquelle, Laufzeit im Resonator, Vergrößerungsfaktor) zu erhöhen.
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Nach der gewünschten Anzahl an Umläufen im Resonator und damit gewünschter Vergrößerung und erfolgter Auskopplung des Leistungsanteils, bestimmt durch das Teilungsverhältnis des genutzten Lichtteilers, kann das im Resonator verbliebene Restlicht durch eine schaltbare Dämpfung eliminiert werden.
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Zur Triggerung der Dämpfung kann das Triggersignal am Detektor genutzt werden. Um diese schaltbare Dämpfung zu realisieren sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Varianten einsetzbar. Bevorzugte Varianten sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Elektroabsorptionsmodulatoren, schaltbaren faserbasierten Dämpfern, Reduzierung der Fasergüte durch Stress auf die Faser (Biegung, Längendehnung und dadurch Querschnittsänderung mittels Piezokristall), Pockelszellen, Abschaltung der Verstärkung (dauert lange, nie ganz eliminiert, starke Beanspruchung des Pumplasers/der Pumplaser) oder Kombinationen davon.
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Der Detektor bzw. die Analyseelektronik besteht bevorzugt aus einem photosensitiven Detektor (Photodiode), der das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt und es z. B. an ein handelsübliches Oszilloskop oder einen schnellen Analog-Digital-Konverter übergibt. Aus der Bandbreite des Detektors und des Oszilloskops bzw. anderer Aufzeichnungseinheiten ergibt sich die maximale zeitliche Auflösung des Ausgangssignals. Wird der Vergrößerungsfaktor M des Zeitlinsen-Systems mitberücksichtigt, so ergibt sich eine M-fach höhere zeitliche Auflösung des am Modulator anliegenden Signals. Dadurch ist eine zeitliche Auflösung im Sub-Picosekunden-Bereich möglich.
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Das so selektierte in elektrischer Form vorliegende Signal kann mittels elektrischer Verstärker nachverstärkt werden, bevor es zur Auswerteelektronik weitergeleitet wird, um gegebenenfalls ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis und/oder größere Signalleistung zu erzielen.
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Das erfindungsgemäße Resonatorsystem ist durch die Verwendung mehrerer gleichartiger oder sich unterscheidender Resonatoren auch zur Detektion von kontinuierlichen Signalen nutzbar.
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Dabei werden dann mehrere Resonatoren parallel angeordnet. Die Lichtpulse der Lichtquelle werden mit Hilfe von »wavelength-division multiplexering« (WDMs) spektral in mehrere Einzelpulse aufgeteilt und über unterschiedlich lange Wegstrecken zeitlich gegeneinander verzögert. In Kombination mit einer ausreichend hohen Repetitionsrate der Laserquelle kann somit ein kontinuierliches Signal am Modulator überlagert werden. Diese Einzelsegmente durchlaufen anschließend eine parallele Anordnung von Resonatoren und werden von jeweils einem photosensitiven Detektor erfasst und zur Analyse weitergeleitet, bevorzugt an ein Mehrkanaloszilloskop.
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Das erfindungsgemäße Resonatorsystem ist durch die Verwendung von weiteren Elementen mit kleiner Dispersion und daher geringen Kosten im Resonator zur Erzielung anderer Vergrößerungsfaktoren erweiterbar.
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Dabei ist der Vorteil des erfindungsgemäßen Resonatoraufbaus, dass durch eine kleine Änderung der Dispersion nach einer Vielzahl an Umläufen eine große Wirkung nach sich gezogen wird.
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Der lineare Resonator kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung an Stelle von Endspiegeln auch gechirpte Faser-Bragg-Gitter enthalten. Diese weisen eine definierte Dispersion auf und dienen als dispersives Element.
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Durch die Faser-Bragg-Gitter entfällt der Bedarf an einem dispersiven Element im Resonator, da die Faser-Bragg-Gitter diese Dispersion selber bereitstellen. Dabei werden evtl. Änderungen der Verstärkereinheit nötig, die sich durch den Wegfall der Faserstrecke als potenzielles Verstärkungsmedium begründen.
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Gleichwohl ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, trotz Verwendung von Faser-Bragg-Gittern ein oder mehrere weitere dispersive Elemente im Resonator anzuordnen.
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Über Zirkulatoren können auch weitere Faser-Bragg-Gitter in das System eingebracht werden und ermöglichen so eine nachträglich veränderbare Vergrößerung. Ebenfalls möglich ist es, über Zirkulatoren weitere dispersive Elemente, in Zusammenhang mit Spiegeln, in das System einzubringen.
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Der erfindungsgemäße Ringresonator weist den Vorteil auf, dass keine Verluste durch die Endspiegel bzw. Faser-Bragg-Gitter entstehen. Darüber hinaus wird durch das Einkoppelelement aufgrund des unidirektionaler Betriebs kein Leistungsanteil zurück zur Lichtquelle gesendet, so dass damit eine Absicherung durch einen Isolator entfallen kann, was sich positiv auf die Verlustbilanz auswirkt, sowohl im Resonator (keine unnötige Auskopplung, ca. 0,3 dB) als auch bereits vor dem Resonator (Wegfall des Isolators, ca. 0,5 dB). Die Verstärkereinheit kann somit auch unidirektional betreibbar sein, was sich ebenfalls positiv auf die Kostenbilanz auswirken kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Variante, bei der sowohl das vor, als auch das nach der Zeitlinse angeordnete dispersive Element durch Resonatoraufbauten variiert werden, können die beiden Resonatoraufbauten entweder beide vom linearen Typus sein, beide von Ringtypus sein oder der eine von linearen Typus und der andere vom Ringtypus.
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In einer Variante der vorliegenden Erfindung können die eingesetzten Lichtteiler variabel sein, d.h. dass der Strahlenanteil, der durchgelassen wird, veränderlich ist, so dass eine zusätzliche Flexibilität ermöglicht wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Zeitlinsenaufbau verwendet werden zur
- – Messung schneller und ultraschneller, kontinuierlicher und gepulster, analoger und digitaler, sich wiederholender und einmalig vorliegender elektrischer Signale,
- – Messung schneller und ultraschneller, kontinuierlicher und gepulster, analoger und digitaler, sich wiederholender und einmalig vorliegender optischer Signale, unter Nutzung von Vierwellenmischkristallen anstelle von elektrooptischen Modulatoren,
- – Komprimierung von, auf den gechirpten Lichtpuls aufgeprägten Signalen zur Datenverdichtung, wobei dann eine entsprechende Anpassung der Vorzeichen der Dispersionselemente notwendig sein kann.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Zeitlinsenaufbau zur Detektion von kontinuierlichen Signalen umfassend
eine gepulste Lichtquelle,
ein erstes dispersives Element,
eine nach dem dispersiven Element angeordnete Zeitlinse, in der das Eingangssignal auf das aus dem dispersiven Element kommenden Signal aufgeprägt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- i) die Lichtpulse der Lichtquelle durch ein Wellenlängenmultiplexverfahren spektral in mehrere Einzelpulse aufgeteilt und über unterschiedlich lange Wegstrecken zeitlich gegeneinander verzögert werden,
- ii) durch ausreichend hohe Repetitionsrate der Lichtquelle ein kontinuierliches Signal an der Zeitlinse überlagert wird,
- iii) mehrere Resonatoren nach der Zeitlinse parallel angeordnet werden,
- iv) die Einzelpulse anschließend die parallele Anordnung der Resonatoren durchlaufen und
- v1) anschließend von jeweils einem Detektor erfasst werden, oder
- v2) durch ein weiteres Wellenlängenmultiplexverfahren wieder zusammengeführt und von einem Detektor als kontinuierliches Signal erfasst werden,
wobei als Resonatoren die erfindungsgemäßen Linearresonatoren oder erfindungsgemäßen Zirkularresonatoren eingesetzt werden.
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Die verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, z.B. aber nicht ausschließlich diejenigen der verschiedenen Variante und/oder der verschiedenen abhängigen Ansprüche, können dabei in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren:
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Bezugszeichenliste
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- 001
- Eingangssignal
- 100
- gepulste Lichtquelle, insbesondere Laser,
- 101
- dispersives Element
- 102
- Zeitlinse
- 103
- Spiegel
- 104
- Lichtkombinierer
- 105
- Raman-Verstärker
- 106
- Lichtteiler
- 107
- Detektor
- 108
- Faser-Bragg-Gitter
- 109
- Zirkulator
- 110
- Filter
- 111
- Isolator
- 112
- Optischer Verstärker
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Gleiche Ziffern in den Figuren bedeuten gleiche Elemente.
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Fig. 1:
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1 gibt schematisch einen Zeitlinsenaufbau des Standes der Technik wieder, wie er beispielsweise in
US 5,453,871 dargestellt ist.
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Es wird ein Zeitlinsenaufbau umfassend eine gepulste Lichtquelle 100, ein erstes dispersives Element 101, eine nach dem dispersiven Element angeordnete Zeitlinse 102, in der das Eingangssignal 001 auf das aus dem dispersiven Element kommenden Signal aufgeprägt wird, und ein zweites nach der Zeitlinse 102 angeordnetes dispersives Element 101 sowie ein optischer Verstärker 112 gezeigt.
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Ein Resonator ist im Stand der Technik nicht beschrieben.
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Fig. 2:
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2 gibt einen erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbau umfassend einen Linearresonator mit zwei dispersiven Elementen 101 und Spiegeln 103 wieder. Der erfindungsgemäße Aufbau ist ein Zeitlinsenaufbau umfassend einen der Zeitlinse 102 nachgeschalteten Resonatoraufbau, insbesondere einen faserbasierten Resonatoraufbau oder Freistahlresonatoraufbau.
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Gezeigt ist ein Zeitlinsenaufbau umfassend eine gepulste Lichtquelle 100, ein erstes dispersives Element 101, eine nach dem dispersiven Element 101 angeordnete Zeitlinse 102, in der das Eingangssignal 001 auf das aus dem dispersiven Element 101 kommenden Signal aufgeprägt wird, und ein danach angeordneter Linerresonator, umfassend an seinen Enden zwei Spiegel 103, einen Lichtkombinierer 104 über den das Licht in den Resonator geleitet wird, einen Raman-Verstärker 105, zwei dispersive Element 101 zu beiden Seiten des Raman-Verstärkers 105 und einen Lichtteiler 106, über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor 107 geleitet wird.
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Fig. 3:
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3 gibt einen erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbau im wesentlichen wie 2 wieder umfassend einen Linearresonator mit im Gegensatz zu 2 nur einem dispersiven Element 101 und zwei Spiegeln 103 wieder. In 3a wird das dispersive Element 101 zwischen Lichtkombinierer 104 und Raman-Verstärker 105 angeordnet gezeigt und in 3b zwischen Raman-Verstärker 105 und Lichtteiler 106.
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Fig. 4:
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4 gibt einen erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbau umfassend einen Linearresonator wieder, bei dem anstelle der Spiegel 103 Faser-Bragg-Gitter 108 verwendet werden bei dem aufgrund der dispersiven Eigenschaften der Faser-Bragg-Gitter 108 auf dispersive Elemente 101 verzichtet wurde.
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Der erfindungsgemäße Aufbau gemäß 4 ist ein Zeitlinsenaufbau umfassend eine gepulste Lichtquelle 100, ein dispersives Element 101, eine nach dem dispersiven Element 101 angeordnete Zeitlinse 102, in der das Eingangssignal 001 auf das aus dem dispersiven Element 101 kommende Signal aufgeprägt wird, und ein danach angeordneter Linearresonator, umfassend an seinen Enden zwei Faser-Bragg-Gitter 108, einen Lichtkombinierer 104 über den das Licht in den Resonator geleitet wird, einen Raman-Verstärker 105 und einen Lichtteiler 106, über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor 107 geleitet wird,
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Fig. 5:
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5 gibt eine Variante des erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbaus wieder bei dem das von der Zeitlinse 102 kommende Signal über einen Zirkulator 109 auf den Lichtkombinierer 104 des Linearresonators, umfassend zwei Spiegel 103, ein dispersives Element 101 und einen Raman-Verstärker 105, geleitet und das aus dem Lichtkombinierer 104 (der hier gleichzeitig als Lichtteiler wirkt) des Linearresonators kommende Signal wieder über diesen Zirkulator 109 auf einen Detektor 107 geleitet wird.
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Fig. 6:
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6 gibt eine mögliche Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbau umfassend einen Zirkularresonator wieder. Dabei wird das von der Zeitlinse 102 kommende Signal in den Zirkularresonator geleitet aus dem ein bestimmter, variabler Anteil über einen Lichtteiler 106 zum Detektor 107 geleitet wird, während der restliche Anteil über den Lichtkombinierer 104 mit weiterem von der Zeitlinse 102 kommenden Signal kombiniert wird.
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Der Zirkularresonator der 6 zeigt daneben noch einen Raman-Verstärker 105, ein dispersives Element 101, einen Filter 110 und einen Isolator 111.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5453871 [0005, 0080]
- WO 2010/045339 A2 [0010]
- US 7821633 B2 [0010]
- US 6288659 B1 [0010]
- WO 2010/091180 A2 [0010]
- US 7411683 B2 [0010]
- US 2009/0110004 A1 [0010]
- US 2010/0201345 A1 [0010]
- US 2010/0245835 A1 [0010]
- US 7369778 B2 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- B.H., „Space-time duality and the theory of temporal imaging“, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 30 (1994), Nr. 8, Seiten 1951–1963 [0008]
- J. Chou et al. „Femtosecond real-time single shot digitizer“, Applied Physics Letters 91 161105 (2007) [0009]
