Die Bandbreiteanforderungen in Telekommunikationsnetzwerken
sind in den letzten Jahren ständig angestiegen.
Zum Einsatz kommen heutzutage oft Netzwerke mit sogenanntem "Wavelength Division
Multiplexing (WDM)".
Bei dem WDM-Verfahren werden die zu übermittelnden Informationen
in eng benachbarten Wellenlängenkanälen durch
intensitätsmodulierte
Lichtsignale schmalbandiger Lasersysteme mittels Lichtwellenleiter übertragen.
Am Empfängerende
werden die unterschiedlichen Wellenlängen unter Verwendung von Filtern
geringer Bandbreite getrennt und die einzelnen Wellenlängenkanäle detektiert.
Die Informationübertragungskapazität eines
derartigen optischen WDM-Netzwerks wird unter anderem von der Dispersion
des optischen Systems begrenzt. Dispersionseffekte führen zu
einer Zeitverbreiterung eines Signals während dessen Transmission durch
das optische System. Am empfängerseitigen
Ende des optischen Systems ist somit lediglich ein verzerrtes Signal
detektierbar, wodurch die erzielbare Datenübertragungsrate des optischen
Systems dispersionsbegrenzt ist.
Somit besteht, insbesondere für komplexe
optische Systeme, ein wachsender Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren
zur Bestimmung der Dispersion derartiger optischer Systeme. Die
Gesamtdispersion des optischen Systems setzt sich im wesentlichen
aus seiner Modendispersion (Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeiten
unterschiedlicher Moden in einem Übertragungssystem), der Polarisationsmodendispersion (Dispersion
aufgrund einer Anisotropie des Brechungsindexes entlang orthogonaler
Richtungen) sowie der sogenannten chromatischen Dispersion zusammen.
Im allgemeinen wird unter der chromatischen
Dispersion die erste Ableitung der Gruppenlaufzeit τ
G nach
der Wellenlänge λ
bzw. nach
der Kreisfrequenz ω des
Trägersignals
verstanden.
Die Gruppenlaufzeit τ
G ist hierbei gegeben durch
d.h. die
negative Ableitung der Phase (in Radien) bezüglich der Kreisfrequenz eines
Trägersignals
mit Feldanteilen der Form
Ex =
E0cos(ωt – k0z + φcont). Die chromatische Dispersion entsteht
zum einen durch die sogenannte Materialdispersion, welche durch
eine Frequenzabhängigkeit
des Brechungsindexes n des Materials des Übertragungssystems bzw. des Wellenleiters
hervorgerufen wird.
Optische Signale unterschiedlicher
Frequenz weisen somit bei einer nicht verschwindenden Materialdispersion
unterschiedliche Gruppengeschwindigkeiten auf. Zum anderen umfaßt die chromatische
Dispersion eines optischen Systems, insbesondere eines Lichtwellenleiterübertragungssystems,
die sogenannte Wellenleiterdispersion, welche von der inneren Geometrie
des Wellenleiters herrührt.
Handelt es sich bei dem optischen System beispielsweise um einen
Lichtwellenleiter, d.h. um eine Glasfaserübertragungsstrecke, so kann die
Wellenleiterdispersion vereinfacht wie folgt verstanden werden:
Während
ein Großteil
der Intensität
eines optischen Signals im Wellenleiterkern geführt wird, wird auch ein Teil
des optischen Signals außerhalb
des Wellenleiterkerns und somit in einem Material mit unterschiedlichem
Brechungsindex übertragen.
Der Intensitätsanteil
zwischen dem im Wellenleiterkern und außerhalb des Wellenleiterkerns übertragenenen
Signal ist jedoch im allgemeinen frequenzabhängig, so daß für unterschiedliche Frequenzen
unterschiedliche "effektive" Brechungsindizes
bzw. unterschiedliche Gruppengeschwindigkeiten anzusetzen sind.
Die Wellenleiterdispersion entsteht auch bei optischen Systemen,
welche keine Materialdispersion aufweisen.
Zur Charakterisierung optischer Systeme
und zur Kompensation der genannten, Bandbreite-begrenzenden Faktoren
muß die
Dispersion des optischen Systems bestimmt werden. Insbesondere werden
Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der chromatischen Dispersion
optischer Systeme benötigt.
Derartige Vorrichtungen bzw. Verfahren
sind bekannt. Üblicherweise
werden gegenwärtig
drei unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der chromatischen
Dispersion optischer Systeme eingesetzt, welche als Phasenverschiebungsmethode,
RF-Methode und als "Group Effective Index" Methode bekannt
sind.
Bei der Phasenverschiebungsmethode
wird die Gruppenlaufzeit τG als Funktion der Trägerfrequenz ωC bzw. -wellenlänge λC gemessen
und die chromatische Dispersion durch Differenzieren des Meßsignals
gewonnen. Ein derartiges Differenzieren von gemessenen Gruppenlaufzeiten
ist jedoch aufgrund des Rauschens des Meßsignals oftmals unvorteilhaft
und führt
zu unbefriedigenden Ergebnissen. Ferner weist die Phasenverschiebungsmethode
den Nachteil auf, daß eine
abstimmbare Sendequelle, zumeist ein abstimmbarer Laser, vorhanden
sein muß,
um die Gruppengeschwindigkeit τG frequenzabhängig zu messen. Bei der ebenfalls
bekannten RF-Methode
wird die chromatische Dispersion direkt gemessen. Jedoch ist dieses
Verfahren lediglich zu einer Messung von vergleichsweise großen chromatischen
Dispersionen geeignet, wie sie beispielsweise durch eine Verzögerungsstrecke
von über
50 km einer Standard Single Mode Fiber (SSMF) verursacht werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
eine Vorrichtung zur Bestimmung der chromatischen Dispersion eines
optischen Systems anzugeben, mit welcher in einfacher Weise die
chromatische Dispersion optischer Systeme, insbesondere optischer
Systeme geringer Dispersion (beispielsweise bei kurzen Fasern oder
optischen Filtern), bestimmbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung
mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie ein Verfahren
mit den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
Gemäß der Erfindung umfaßt eine
Vorrichtung zur Bestimmung der chromatischen Dispersion eines optischen
Systems:
- – eine
Sendeeinrichtung zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit Trägerfrequenz ωC;
- – eine
Modulatoreinrichtung, welche zur Einseitenbandmodulation des Ausgangssignals
mit Modulationsfrequenz ωM mit wahlweise dem oberen (USB) oder dem
unteren Seitenband (LSB) ausgelegt ist;
- – eine
phasenempfindliche Detektoreinrichtung, welche zur Detektion einer
Phase Φ () / DET einer
mit ωM modulierten Signalkomponente des einseitenbandmodulierten
Ausgangssignals nach dessen Transmission durch das optische System
ausgelegt ist;
- – eine
Auswerteeinrichtung, welche zu einer Berechnung der chromatischen
Dispersion D(ωC) des optischen Systems gemäß D(ωC)=(Φ (+) / DET – Φ () / DET)/ω 2 / M ausgelegt
ist, wobei Φ (+) / DET – Φ () / DET = ΔΦDET den Phasenunterschied zwischen der Phase Φ (+) / DET bei Einseitenbandmodulation
mit dem oberen Seitenband (USB) und der Phase Φ () / DET bei Einseitenbandmodulation
mit dem unteren Seitenband (LSB) bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung
der chromatischen Dispersion nutzt eine Einseitenbandmodulationstechnik
mit Messung der Phasen des mit ωM-modulierten Signalanteils des einseitenbandmodulierten
Ausgangssignals zur Bestimmung der chromatischen Dispersion. Die
Modulatoreinrichtung ist zu diesem Zweck zu einer Einseitenbandmodulation
des Ausgangssignals der Sendeeinrichtung ausgelegt, wobei zwischen
dem oberen Seitenband ("Upper
Sideband" USB) und
dem unteren Seitenband ("Lower
Sideband" LSB) gewählt werden
kann. Bei einer Einseitenbandmodulation mit dem oberen Seitenband
(USB) wird beispielsweise nur ein Seitenband mit Kreisfrequenz ωC + ωM (und gegebenenfalls höhere harmonische) neben dem
Träger
erzeugt, nicht jedoch ein Seitenband mit der Frequenz ωC + ωM.
Das derart einseitenbandmodulierte
Ausgangssignal ist aus einem Ausgang der Modulatoreinrichtung ausgebbar.
Der Ausgang der Modulatoreinrichtung ist mit dem Eingang des optischen
Systems, d.h. dem "Device
Under Test" (DUT)
verbindbar. Bei dem optischen System bzw. der optischen Anordnung
kann es sich beispielsweise um einen optischen Pfad bzw. einen für Photonen
transparenten optischen Signalweg handeln. Insbesondere kann das
optische System eine optische Verbindung in einem optischen Netzwerk
umfassen. Das optische System kann auch eine Glasfaser- bzw. Wellenleiterstrecke
mit ggfs. zwischengeschalteten optischen Komponenten umfassen. Das
einseitenbandmodulierte Ausgangssignal durchläuft das optische System bzw.
tritt mit diesem in Wechselwirkung. Der Ausgang des optischen Systems
ist mit einem Eingang der phasenempfindlichen Detektoreinrichtung
verbindbar. Die phasenempfindliche Detektoreinrichtung detektiert die
Phase Φ () / DET der
mit ω
M-modulierten
Signalkomponente des einseitenbandmodulierten Ausgangssignals nachdem
dieses das optiche System durchlaufen hat. Das "+"-Zeichen
des Ausdrucks Φ () / DET steht
für die
Modulation mit dem oberen Seitenband (USB) und das "–"-Zeichen für eine Modulation mit dem unteren
Seitenband (LSB). Die von der phasenempfindlichen Detektoreinrichtung
gemessene Phase Φ () / DET eines
durch das optische System gesandten, sinusförmigen HF-Signals ist gegeben
durch
wobei
bezeichnet ω
M die Modulationskreisfrequenz der Einseitenbandmodulation, ω
C die Kreisfrequenz der optischen Trägerwelle, τ
G(ω
C) die Gruppenlaufzeit des betrachteten optischen
Systems (DUT) bei der Trägerkreisfrequenz ω
C und
seine auf die Kreisfrequenz
bezogene chromatische Dispersion ist (vgl. Formel 2 aus der Beschreibungseinleitung).
Gleichung (4) stellt eine Reihenentwicklung
des Ausdrucks Φ () / DET nach
der Modulationsfrequenz ωM dar, wobei Terme mit höherer als quadratischer Ordnung
vernachlässigt
wurden. Dies ist in der Realität
stets gut erfüllt.
Zu beachten ist, daß bei
Einseitenbandmodulation mit dem oberen Seitenband (USB) der quadratische
Term mit einem "+"-Zeichen und bei
Einseitenbandmodulation mit dem unteren Seitenband (LSB) mit einem "–"-Zeichen eingeht. Φ0 ist
ein unbekannter, jedoch fester Phasenoffset des von der phasenempfindlichen Detektoreinrichtung
detektierten Signals in Bezug zur Sendeeinrichtung.
Durch Differenzbildung der gemessenen
Phasen bei USB-Betrieb (Φ (+) / DET)
und LSB-Betrieb (Φ () / DET)
ergibt sich ΔΦDET = Φ(+)DET – Φ()DET = ω2M D(ωC). (5)
Die chromatische Dispersion D(ωC) bezogen auf die Kreisfrequenz ist somit
die Phasendifferenz ΔΦDET zwischen der detektierten Phase bei USB-Betrieb
und der Phase bei LSB-Betrieb
geteilt durch das Quadrat der Modulationsfrequenz ωM. Wird die Phasendifferenz ΔΦDET bei der Trägerfrequenz ωC gemessen, kann die chromatische Dispersion
D(ωC) durch einfache Division mit dem Quadrat
der Modulationsfrequenz ωM bestimmt werden.
Somit ist zur Bestimmung der chromatischen
Dispersion D(ωC) des optischen Systems keine wellenlängenabstimmbare Sendeeinrichtung,
insbesondere kein abstimmbarer Laser, erforderlich, so daß die Vorrichtung
apparativ erheblich einfacher als vergleichbare Vorrichtungen gemäß der bekannten
Phasenverschiebungsmethode aufgebaut werden können. Ferner gestattet die
erfindungsgemäße Vorrichtung
hohe Dispersionsauflösungen,
wie sie ansonsten nur bei der aufwendigen Phasenverschiebungsmethode
erzielbar waren. Bei einer genügend
großen
Meßgenauigkeit
und Datenablage kann auch die erste Ableitung der Dispersion nach
der Kreisfrequenz, die sogenannte "dispersion slope" bestimmt werden.
Vorzugsweise ist die Modulatoreinrichtung
zu einer Einseitenbandmodulation des Ausgangssignals mit einer Vielzahl
unterschiedlicher Modulationsfrequenzen ω (i) / M, i = 1, ..., N, ausgelegt.
Die Modulatoreinrichtung kann beispielsweise das Ausgangssignal
der Sendeeinrichtung zunächst
mit einer Modulationsfrequenz ω (1) / M einseitenbandmodulieren,
um die Phasen Φ ()(1) / DET bei
der Modulationsfrequenz ω (1) / M detektieren
zu können. Anschließend kann
eine Einseitenbandmodulation bei einer Modulationsfrequenz ω (2) / M usw. bis ω (N) / M erfolgen. Die
Frequenzen ω (i) / M,
i = 1, ..., N, werden bevorzugt in Form einer Frequenzrampe gewählt, welche
durchgefahren ("gesweept") werden kann. Typische
Modulationsfrequenzen ω (i) / M liegen
für ein
40Gbit Übertragungssystem zwischen
0 und 30 GHz. Handelt es sich bei dem optischen System um eine Faserübertragungsstrecke,
wird ωC vorzugsweise nahe dem Transmissionsminimum
der Faser gewählt.
Vorzugsweise ist die phasenempfindliche
Detektoreinrichtung zur Detektion der Phasen Φ ()(i) / DET, i = 1, ..., N, welche den
jeweiligen Modulationsfrequenzen ω (i) / M zugeordnet sind, ausgelegt.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung zu einer Berechnung der
chromatischen Dispersion D(ωC) unter Berücksichtigung der Phasen Φ ()(i) / DET, i = 1,
..., N, ausgelegt. Statt die chromatische Dispersion nur bei einer
einzigen Modulationsfrequenz ωM zu bestimmten, ermöglicht diese Ausgestaltung
die Bestimmung der Dispersion unter Berücksichtigung von Phasen Φ ()(i) / DET bei voneinander
verschiedenen Modulationsfrequenzen ω (i) / M. Die Auswerteeinrichtung kann
beispielsweise ausgelegt sein, für
jede Modulationsfrequenz ω (i) / M zunächst die
chromatische Dispersion zu berechnen und das Endergebnis durch geeignete
Mittelwertbildung zu bestimmen.
Vorzugsweise weist die Modulatoreinrichtung
zumindest einen Steuersignaleingang für ein elektrisches Modulatorsteuersignal
auf und ist derart ausgelegt, daß abhängig von dem Modulatorsteuersignal
eine Einseitenbandmodulation des Ausgangssignals mit dem oberen
oder den unteren Seitenband erfolgt. Eine derartige Modulatoreinrichtung
ermöglicht
es, die Modulation mit dem oberen bzw. dem unteren Seitenband abhängig von
einem einfachen elektrischen Modulatorsteuersignal auszuwählen, so
daß die
Vorrichtung in einfacher Weise für
einen automatisierten Meßbetrieb
ausgelegt ist.
Die Sendeeinrichtung umfaßt vorzugsweise
einen Laser, welcher nicht notwendigerweise durchstimmbar sein muß. Das optische
System umfaßt
beispielsweise eine Faserübertragungsstrecke,
d.h. ein Glasfaser- bzw. Lichtwellenleitersystem. Das optische System
kann neben einer Faserübertragungsstrecke
noch andere Netzwerkkomponenten, wie beispielsweise Umsetzer, Filter,
Verstärker
und dergleichen enthalten.
Die Modulatoreinrichtung weist vorzugsweise
ein elektrisch modulierbares Bauelement, beispielsweise ein elektrooptisches
Bauelement, auf. Bevorzugt handelt es sich bei der Modulatoreinrichtung
um einen Mach-Zehnder Modulator. Besonders bevorzugt wird ein sogenannter
Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator, welcher über zwei Steuersignaleingänge für elektrische
Modulatorsteuersignale für
die beiden Zweige des Mach-Zehnder Modulators verfügt.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren
zur Bestimmung der chromatischen Dispersion eines optischen Systems,
vorzugweise unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Schritte:
- – Erzeugen
eines Ausgangssignals mit Trägerfrequenz ωC mittels einer Sendeeinrichtung;
- – Einseitenbandmodulieren
des Ausgangssignals mit einer Modulatoreinrichtung, wobei die Einseitenbandmodulation
mit Modulationsfrequenz ωM wahlweise mit dem oberen (USB) oder dem
unteren (LSB) Seitenband erfolgt;
- – Detektieren
einer Phase Φ () / DET einer
mit ωM modulierten Signalkomponente des einseitenbandmodulierten Ausgangssignals
nach dessen Transmission durch das optische System mittels einer
phasenempfindlichen Detektoreinrichtung;
- – Berechnen
der chromatischen Dispersion D(ωC) des optischen Systems mittels einer Auswerteeinrichtung gemäß D(ωC) = (Φ () / DET – Φ () / DET)/ω 2 / M, wobei Φ () / DET – Φ () / DET = ΔΦDET den Phasenunterschied zwischen der Phase Φ () / DET bei Einseitenbandmodulation
mit dem oberen Seitenband (USB) und der Phase Φ () / DET bei Einseitenbandmodulation
mit dem unteren Seitenband (LSB) bezeichnet.
Für
das erfindungsgemäße Verfahren
gelten die zuvor getroffenen Feststellungen und Erläuterungen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
gleichermaßen.
Vorzugsweise erfolgt die Einseitenbandmodulation
des Ausgangssignals bei einer Vielzahl unterschiedlicher Modulationsfrequenzen ω (i) / M, i = 1,
..., N, erfolgt . Vorzugsweise beinhaltet der Schritt des Detektierens
der Phase Φ () / DET das
Detektieren von Phasen Φ () / DET,
i = 1, ..., N, welche den jeweiligen Modulationsfrequenzen ω (i) / M zugeordnet
sind.
Zu beachten ist, daß es nicht
zwingend erforderlich ist, bei einer Modulationsfrequenz ω (i) / M jeweils
beide Phasen Φ (+)(i) / DET und Φ ()(i) / DET bei Modulation
mit dem oberen und dem unteren Seitenband zu detektieren. Vielmehr können die
Phasen Φ (+)(i) / DET bei
anderen Modulationsfrequenzen ω (i) / M detektiert
werden als die Phasen Φ ()(i) / DET bei Modulation
mit dem unteren Seitenband. In diesem Fall wird der Phasenunterschied ΔΦDET bei einer Frequenz ωM vorzugsweise
aus der Einhüllenden
-bzw. Enveloppenfunktion oder aus Funktionsfits der Phasenwerte Φ () / DET bei oberer
und unterer Seitenwandmodulation gewonnen.
Vorzugsweise erfolgt die Berechnung
der chromatischen Dispersion D(ωC) unter Berücksichtigung der Phasen Φ ()(i) / DET, i = 1,
..., N. Die Bestimmung der chromatischen Dispersion D(ωC) bei einer Vielzahl unterschiedlicher Modulationsfrequenzen ω (i) / M bewirkt
eine höhere
Meß- bzw.
Bestimmungsgenauigkeit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
das erfindungsgemäße Verfahren
folgende Schritte in dieser Reihenfolge
- – Einseitenbandmodulieren
des Ausgangssignals mit einem ersten Seitenband ausgewählt aus
dem oberen (USB) oder dem unteren Seitenband (LSB), wobei das Einseitenbandmodulieren
sequentiell mit N unterschiedlichen Modulationsfrequenzen ω (i) / M, i = 1,
..., N, durchgeführt
und die entsprechende Phasen Φ ()(i) / DET bzw. Φ ()(i) / DET für jede Modulationsfrequenz ω (i) / M detektiert
wird;
- – Einseitenbandmodulieren
des Ausgangssignals mit einem zweite Seitenband, welches von dem
ersten Seitenband verschieden ist, wobei das Einseitenbandmodulieren
sequentiell mit N unterschiedlichen Modulationsfrequenezen ω (i) / M, i = 1,
..., N, durchgeführt
und die entsprechende Phase Φ ()(i) / DET bzw. Φ (+)(i) / DET für jede Modulationsfrequenz ω (i) / M detektiert
wird; und
- – Berechnen
der chromatischen Dispersion D(ωC) unter Berücksichtigung der Phasen. Φ (+)(i) / DET und Φ ()(i) / DET.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zunächst
die Modulatoreinrichtung zur Modulation eines ersten Seitenbandes
(des oberen oder des unteren Seitenbandes) eingestellt und nachfolgend
die dieser Seitenbandmodulation zugeordneten Phasen Φ (+)(i) / DET bzw. Φ ()(i) / DET für jede der Modulationsfrequenzen ω (i) / M detektiert.
Vorzugsweise durchläuft
zur Bestimmung der Phasen für
die Modulation mit dem ersten Seitenband die Modulationsfrequenz ω (i) / M einen Wertebereich
von N unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, welche insbesondere
ansteigend oder abfallend sein können
("Frequenzsweep"). Nachfolgend wird
die Modulatoreinrichtung umgestellt zur Modulation mit dem anderen
Seitenband. Zu jeder Modulationsfrequenz ω (i) / M werden sequentiell bzw. hintereinander
die zugeordneten Phasen Φ (+)(i) / DET bzw. Φ ()(i) / DET detektiert und
anschließend
die chromatische Dispersion unter Berücksichtigung der detektierten
Werte bestimmt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform
erfolgt das Einseitenbandmodulieren des Ausgangssignals sequentiell
mit zumindest N unterschiedlichen Modulationsfrequenzen ω (i) / M, i = 1,
..., N, wobei für
jede der Modulationsfrequenzen ω (i) / M die
Phase Φ (+)(i) / DET bzw. Φ ()(i) / DET bei Einseitenbandmodulation
einem ersten Seitenband ausgewählt
aus dem oberen (USB) oder dem unteren Seitenband (LSB) und anschließend die
Phase Φ ()(i) / DET bzw. Φ (+)(i) / DET bei Einseitenbandmodulation
mit dem zweiten Seitenband (LSB), welches von dem ersten Seitenband
verschieden ist, detektiert wird.
Bei dieser alternativen Ausführungsform
erfolgt eine Umschaltung zwischen USB- und LSB-Betrieb für jede gewählte Modulationsfrequenz ω (i) / M. Mit anderen
Worten wird zunächst
eine Einseitenbandmodulation mit einem ersten Seitenband bei Modulationsfrequenz ω (i) / M durchgeführt und
die entsprechende Phase (z.B. Φ (+)(i) / DET) gemessen.
Nachfolgend wird bei der gleichen Modulationsfrequenz ω (i) / M eine Modulation
mit dem anderen Seitenband durchgeführt, und die zugeordnete Phase Φ ()(i) / DET gemessen.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß Zeitschwankungen der Phasen,
welche zwischen der Bestimmung der Phase Φ (+)(i) / DET und der Phase Φ ()(i) / DET auftreten können aufgrund
der unmittelbar hintereinander erfolgenden Messungen weitestgehend
vermieden werden.
Die Erfindung wird nachfolgend mit
Bezug auf begleitende Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft beschrieben. Es zeigt:
1 Ein
Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
2 einen
Graph, welcher schematisch die gemessene Phase ΦDET als
Funktion der Modulationsfrequenz ωM gemeinsam
mit den Enveloppen für
die Phase im USB- Betrieb
und die Phase im LSB-Betrieb.
In 1 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Form eines schematischen Blockschaltbilds dargestellt. Eine Sendeeinrichtung
LD, bei welcher es sich vorzugsweise um einen Laser handelt, erzeugt
ein Ausgangssignal mit Trägerfrequenz ωC. Der optische Signalweg ist in 1 durch dicke Verbindungslinien
dargestellt, während
elektrische Signalwege durch dünnere
Verbindungslinien veranschaulicht sind. Das Ausgangssignal der Sendeeinrichtung
LD trifft auf einen Modulator MZ, bei welchem es sich beispielsweise
um einen sogenannten Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator handelt. Der Modulator
MZ weist zwei Steuersignaleingänge
(+) und (–)
für elektrische
Modulatorsteuersignale auf. In bekannter Weise wird in dem Mach-Zehnder
Modulator MZ das optische Ausgangssignal in zwei Signalwege aufgespalten,
welche elektrooptische Modulationselemente (+) bzw. (–) durchlaufen.
Durch den elektrooptischen Effekt wird abhängig von an die Modulationselemente
(+) und (–)
angelegten Modulatorsteuersignalen (i.a. HF-Signale mit Gleichspannungsanteil)
die Phase der optischen Teilsignalen beeinflußt.
Der Modulator MZ ist Teil einer Modulatoreinrichtung,
welche ferner einen HF-Koppler bzw. Hybridkoppler 10 sowie
eine vorzugsweise programmierbare Spannungsquelle 12 aufweist.
Der Hybridkoppler 10, ist mit der dem Ausgang OUT eines
Netzwerkanalysators 14 verbunden, um ein sinusförmiges Modulationssignal mit
Modulationskreisfrequenz ωM zu erhalten. Ein Teil des Modulationssignals
läuft in
den Referenzeingang REF des Netzwerkanalysators 14 zurück. Der
HF-Koppler 10 teilt das eingehende, sinusförmige Modulationssignal
mit Modulationsfrequenz ωM in zwei Teilsignale auf, welche zueinander
eine Phasenverschiebung von 90° bzw. π/2 aufweisen.
Ein Feinabgleich der Phase kann durch den Einbau eines optionalen
Phasentrimmers erfolgen. Die Phase dieser Teilsignale ist in 1 durch φ (+)
/ M für den linken Signalarm sowie
durch φ ()
(–)
/ M für den rechten
Signalarm dargestellt, wobei φ (+)
/ M – φ ()
(–)
/ M = π/2 gilt.
Bei der Spannungsquelle 12 handelt es sich bevorzugt um
eine Gleichspannungsquelle mit zwei getrennt ansteuerbaren Spannungsausgängen, welche über T-förmige Koppelglieder 16 mit
den beiden Signalarmen des HF-Kopplers 10 verbunden sind
und eine Gleichspannungbeaufschlagung des HF-Signals bewirken können.
Das optische Ausgangssignal der Sendeeinrichtung
LD, welches eine Trägerfrequenz ωC der Größenordnung
200 THz aufweist, wird in dem Modulator MZ in zwei optische Teilstrahlen
bei der ersten Y-förmigen Verzweigung
aufgespalten. Die elektrooptischen Modulationselemente (+) und (–), welche
in 1 durch zwei Rechtecke
im aufgespaltenen Signalweg dargestellt sind, bewirken eine zeitabhängige Phasenmodulation
des in den beiden Modulatorarmen des Modulators MZ propagierenden
Trägersignals.
Auf die elektrooptischen Modulatorelemente wirken Gleichspannungen,
welche von der Gleichspannungsquelle 12 erzeugt sind, gemeinsam
mit einem HF-Anteil
mit Modulationsfrequenz ωM. Die Phasenmodulation in den beiden Modulatorarmen
des Modulators MZ bewirkt aufgrund der Interferenz der beiden Teilsignale
eine Amplitudenmodulation des aus dem Modulator MZ ausgegebenen
Lichtsignals.
In 1 sind
mit ϕ (+)
/ B und ϕ ()
(–)
/ B die durch die Spannungsquelle 12 verursachten,
statischen Phasenverschiebungen der optischen Teilsignals aufgrund
der Modulatorelemente (+) und (–)
des Mach-Zehnder Modulators MZ angedeutet. Eine derartig aufgebaute
Modulatoreinrichtung ist zu einer Einseitenbandmodulation mit wählbarem
Seitenband ausgelegt, wie die folgende Betrachtung zeigt.
Mit φ (+) / M und φ () / M
(–) seien die beiden aus
dem Modulationssignal mit Modulationsfrequenz ωM des
Netzwerkanalysators 14 abgeleiteten Teilsignale bezeichnet.
Die Phasendifferenz der Teilsignale ist ΔφM = φ(+)M – φ()M
(–). (6)
Seien weiterhin ϕ (+)
/ B und ϕ ()
(–)
/ B die
durch die Gleichspannungsquelle eingeprägten, statischen Phasenverschiebungen
der optischen Teilsignale aufgrund der Modulationselemente (+) und
(–) des
Mach-Zehnder Modulators MZ, dann ist ΔϕB = ϕ(+)
B – ϕ()
(–)
B (7)die erzeugte
Phasenverschiebung des Modulators MZ ohne einwirkendes HF-Signal.
Eine Analyse der Anordnung zeigt, daß Einseitenbandbetrieb für ΔφM + ΔϕB = mπ
ΔφM – ΔϕB = (m ± (2k
+ 1))π (8)mit k, m
= ..., –1,0,1,...
erzielt wird. Wird durch Einsetzen eines geeigneten HF-Kopplers 10 φ (+) / M = π/2 und φ () / M
(–) =
0 gewählt,
so erhält
man durch Wahl der Torspannungen der Gleichspannungsquelle 12 bei
der Phasenverschiebung ΔϕB = (4m + 3)π/2 (9)das obere
Seitenband (USB-Modulation) und durch
ΔϕB = (4m + 1)π/2 (10)das untere
Seitenband (LSB-Modulation)
Wenn – wie oben dargestellt – die Phasenbeziehungen
der HF-Teilsignale
(Gleichung (8)) sowie der Phasenverschiebungen aufgrund der Gleichspannungen
(Gleichungen (9) und (10)) geeignet gewählt werden, ist das vom Modulator
MZ ausgegebene Signal ein einseitenbandmoduliertes Signal mit Trägerfrequenz ωC und einem davon um die Frequenz ωM beabstandeten Seitenband. Das optische
Ausgangssignal des Modulators MZ wird in einen Eingang des zu untersuchenden
optischen Systems DUT (Device Under Test) eingespeist und durchläuft dieses
zumindest einmal.
Das transmittierte Signal wird mittels
einer phasenempfindlichen Detektoreinrichtung, welche aus einem
Detektor 18 und dem Netzwerkanalysator 14 besteht,
phasenempfindlich detektiert. Statt eines Netzanalysators 14 kann
auch ein Vektorvoltmeter mit zusätzlichem
Funktionsgenerator verwendet werden. Wie eingangs beschrieben wurde
detektiert die phasenempfindliche Detektoreinrichtung die Phase Φ () / DET
(±) des ωM-modulierten Signalanteils des durch das
optische System DUT gesandten optischen Signals (vgl. Gleichung
4). Gemäß Gleichung
(5) kann aus dieser Phaseninformation unmittelbar die chromatische
Dispersion berechnet werden.
Die praktische Durchführung der
Bestimmung der chromatischen Dispersion des optischen Systems DUT
kann in verschiedenen Weisen erfolgen. Zu einem ist ein "direkter Ansatz" auf Basis des Netzwerkanalysators 14 möglich. Hierzu
wird zunächst – wie bereits
beschrieben – der
Phasenunterschied der beiden HF-Teilsignale
vorzugsweise durch einen (kommerziell) verfügbaren Hybridkoppler auf ΔφM = φ (+) / M – φ () / M
(–) = π/2 festgesetzt.
Ein Phasenfeinabgleich kann durch einen optionalen Phasentrimmer
erfolgen. Nachfolgend werden die DC-Vorspannungen mittels der Spannungsquelle 12 beispielsweise
auf eine Einseitenbandmodulation mit dem oberen Seitenband (USB-Betrieb)
gesetzt. Hierzu muß Gleichung
(9) erfolgt sein. Nachfolgend wird für eine Reihe von Modulationsfrequenzen ωM die Phase Φ (+) / DET detektiert. Im Anschluß werden
die DC-Vorspannungen der Gleichspannungsquelle 12 auf LSB-Betrieb
eingestellt, wozu Gleichung (10) erfüllt sein muß. Für eine Reihe von Modulationsfrequenzen ωM wird die Phase Φ () / DET detektiert. Die Dispersion
D(ωC) wird anschließend anhand Gleichung (5) berechnet,
wozu eine (in 1 nicht
dargestellte) Auswerteeinrichtung verwendet werden kann. Die Auswerteeinrichtung
kann auch Teil eines entsprechenden Netzwerkanalysators 14 sein.
Vorzugsweise kommen zwei computersteuerbare
DC-Spannungsquellen bzw. eine Spannungsquelle 12 mit zwei
programmierbaren Spannungsausgängen
zum Einsatz, um das Verfahren zu automatisieren. Ebenfalls möglich, aber
weniger vorteilhaft, ist das Umschalten zwischen USB- und LSB-Betrieb
durch Änderung
der relativen Phasenlagen φ (+) / M bzw. φ () / M der beiden
HF-Signale, welches beispielsweise durch Verwendung eines 2×2-Kopplers
und Vorschalten eines 1×2-Mikrowellenschalters
erfolgen kann.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten
Betriebsvariante der beschriebenen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird die chromatische Dispersion D(ωC)
des optischen Systems DUT mit einem ständigen Wechsel zwischen dem
USB- und dem LSB-Betrieb durch eine Modulation der Gleichspannungsquelle 12 bestimmt.
Zu diesem Zweck wird die Gleichspannungsquelle 12 durch
einen Funktionsgenerator ersetzt. Wie zuvor erfolgt eine Einstellung der
Phasenverschiebung ΔφM = φ (+) / M – φ () / M beispielsweise
durch den Einsatz eines herkömmlichen
geeigneten Hybridkopplers 10 und optionalen Phasentrimmer.
Nachfolgend wird die Abstimmgeschwindigkeit für die Modulationskreisfrequenz ωM und die Abstimmgeschwindigkeit für die Modulation
der Spannungsquelle 12 aufeinander angepaßt. Beide
Abstimmgeschwindigkeiten müssen
derart gewählt
werden, daß während eines "sweeps" der Modulationsfrequenz ωM die LSB- und USB-Zustände hinreichend oft erreicht
werden. Technisch sinnvoll aus heutiger Sicht scheint eine Frequenz
im Bereich von 100 Hz für
die Spannungsquelle 12 und eine entsprechende Frequenz
von 1 Hz für
das Durchfahren einer Frequenzrampe für ωM.
Die Meßzeit
beträgt
in diesem Fall ca. 1 sec.
Für
die Modulation der Gleichspannung wird vorzugsweise ein Rechteckgenerator
verwendet, da hierbei die Extremwerte, d.h. der LSB- und der USB-Zustand,
lange gehalten werden. Sinusgeneratoren sollten bei eventuell geringerer
Modulationsfrequenz ωM jedoch ebenfalls geeignet sein. Die Phase ΦDET wird während des "sweeps" der Modulationsfrequenz ωM detektiert. Die gemessene Phase ΦDET oszilliert als Funktion der Modulationsfrequenz ωM zwischen den Extremwerten Φ (+) / DET und Φ () / DET, d.h. den
Phasen bei USB- und LSB-Betrieb. Die Dispersion D(ωC) kann aus den Einhüllenden bzw. den Enveloppen
der gemessenen Phase ΦDET gewonnen werden, wie schematisch in 2 dargestellt ist.
verstanden. Die Gruppenlaufzeit τG ist hierbei gegeben durch
d.h. die negative Ableitung der Phase (in Radien) bezüglich der Kreisfrequenz eines Trägersignals mit Feldanteilen der Form
seine auf die Kreisfrequenz bezogene chromatische Dispersion ist (vgl. Formel 2 aus der Beschreibungseinleitung).