DE19633428A1 - Vorrichtung zum Bestimmen optischer Frequenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen optischer Frequenzen mit einer Lichtquelle, mit wenigstens einem Überlagerungsempfänger zum Detek­ tieren eines mit Ausgangslicht der Lichtquelle und aus Meßlicht mit zu bestimmenden Frequenzkomponenten gebildeten Überlagerungssignales, mit einem Absolut­ frequenzgeber zum Bestimmen einer absoluten optischen Frequenz, mit einem Relativfrequenzgeber zum Bestimmen von Frequenzabständen zu der von dem Absolutfrequenz­ geber bestimmten Absolutfrequenz und mit einer Aus­ werteeinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer Fre­ quenzkomponente des Meßlichtes aus der Absolutfrequenz und der von dem Relativfrequenzgeber bestimmten Fre­ quenzabständen.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 5,233,462 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist Laserlicht einer bekannten festen Frequenz über mit nicht linearen optischen Wechselwirkungen arbeitenden Frequenzteilern mit bekannten Teilungsverhältnissen sogenannten optischen parametrischen Oszillatoren (OPO), als Absolutfrequenzgeber in einzelne Spektrallinien auf­ teilbar. Einzelne dieser Spektrallinien sind elektro­ optischen Modulatoren als Relativfrequenzgebern einge­ speist. Das Ausgangslicht der OPO′s weist eine dem Laserlicht entsprechende Frequenzstabilität auf. Weiterhin weist die gattungsgemäße Vorrichtung wenig­ stens einen Überlagerungsempfänger auf, der mit Aus­ gangslicht wenigstens eines elektrooptischen Modula­ tors und dem Meßlicht beaufschlagbar ist.

Zur Messung von Frequenzkomponenten des Meßlichtes wird zunächst mit einem Wellenlängenmeßgerät die einer unbekannten Frequenzkomponente des Meßlichtes am nächsten benachbarte Spektrallinie aus einem elektro­ optischen Modulator bestimmt. Anschließend ist durch Variation der Modulationsfrequenz des betreffenden elektrooptischen Modulators die Absolutfrequenz der Frequenzkomponente durch Messung der Änderung der Schwebungsfrequenz genau bestimmbar, da die Änderung mit der Ordnung des Seitenbandes zusammenhängt.

Mit dieser Vorrichtung sind zwar unbekannte Lichtfre­ quenzen mit hoher Genauigkeit bestimmbar, allerdings ist es hierzu notwendig, eine stabilisierte Licht­ quelle mit genau bekannter Frequenz zur Verfügung zu stellen, deren absolute Stabilität unmittelbaren Einfluß auf den Meßfehler hat. Weiterhin sind zur genauen Vermessung eines größeren Frequenzbereiches eine Vielzahl von OPO′s mit einer entsprechenden Anzahl von elektrooptischen Modulatoren notwendig, die den apparativen Aufwand, beispielsweise zur Vermessung eines Wellenlängenbereiches von 50 Nanometer mit einer Genauigkeit von mehr als 1 Gigahertz, deutlich er­ höhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der mit einer unstabilisierten Lichtquelle Absolutfre­ quenzen mit hoher Genauigkeit bestimmbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle eine zur Überlagerung mit dem Meßlicht vorgesehene, in der Frequenz veränderbare Emissions­ linie aussendet, daß mit dem Absolutfrequenzgeber bei Durchstimmen der Lichtquelle bei wenigstens einer definierten Absolutfrequenz ein Absolutfrequenzsignal und mit dem Relativfrequenzgeber Relativfrequenz­ signale mit relativ zueinander definierten Frequenz ab­ ständen erzeugbar sind und daß mit der Auswerteein­ richtung die wenigstens eine Frequenzkomponente des Meßlichtes aus der Absolutfrequenz sowie dem mittels der Relativfrequenzsignale bestimmbaren Frequenz ab­ stand zwischen der Absolutfrequenz und der wenigstens einen Frequenzkomponente bestimmbar ist.

Dadurch, daß zur Kalibrierung auf eine Absolutfrequenz die Lichtquelle nicht aktiv an eine Referenz gekoppelt ist, sondern daß beim ungekoppelten Durchstimmen der unstabilisierten Emissionslinie an einer definierten Absolutfrequenz ein Absolutfrequenzsignal erzeugbar ist, ist es möglich, eine in Abhängigkeit der ge­ wünschten Meßgenauigkeit zwar schmalbandige, jedoch in ihrer Absolutfrequenz nicht genau festgelegte Licht­ quelle einzusetzen. Dadurch ist der hohe Aufwand einer aktiven Stabilisierung vermieden. Mittels des Relativ­ frequenzgebers sind unbekannte Frequenzkomponenten des Meßlichtes nunmehr ausgehend von dem Absolutfrequenz­ signal durch Bestimmen des Abstandes des Überlage­ rungssignales von der Absolutfrequenz über "Abzählen" der Ausgangssignale des Relativfrequenzgebers mit bekannten Frequenzabständen absolut meßbar. Somit ist das Meßlicht in seinen Frequenzkomponenten mit hoher Genauigkeit analysierbar.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist als Lichtquelle ein mit einem über eine elektrische Span­ nung ansteuerbaren Fabry-Perot-Interferometer ausge­ statteter Ringlaser vorgesehen. Der Ringlaser verfügt über eine beispielsweise etwa 1 Kilometer lange dis­ persionsverschobene Faser, mit der zum einen der Modenabstand um einige Größenordnungen niedriger als die Bandbreite herabgesetzt wird. Weiterhin generiert die lange dispersionsverschobene Faser aufgrund der hervorgerufenen nichtlinearen Effekte eine unabhängig von den Pumpverhältnissen durch Modenkopplungen her­ vorgerufene gleichmäßige Modenverteilung, so daß eine schmale homogene Emissionslinie erzeugt ist.

Zweckmäßigerweise ist als Absolutfrequenzgeber eine mit einem Edelgas, beispielsweise Krypton, gefüllt Absorptionsröhre vorgesehen. Bei Durchstimmen der Lichtquelle über eine vorzugsweise intensive Absorp­ tionslinie des Edelgases ist als Absolutfrequenzsignal die Änderung des Entladestromes zwischen zwei Elektro­ den erfaßbar. Als Relativfrequenzgeber finden zweck­ mäßigerweise Fabry-Perot-, Michelson- oder Mach- Zehnder-Interferometer Verwendung.

Für polarisationsunabhängige Messungen ist es zweck­ mäßig, das zur Überlagerung mit dem Meßlicht vor­ gesehene Ausgangslicht der Lichtquelle in ihrer Inten­ sität gleich starke, zueinander gekreuzte Polarisa­ tionsrichtungen aufzuteilen und beide Polarisationsan­ teile mit dem entsprechend in die gleichen Polari­ sationsanteile aufgeteilten Meßlicht zu überlagern. Dadurch ergibt sich bei unpolarisiertem Meßlicht ein Signalgewinn von etwa 3 dB.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbei­ spiele unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Bestimmen optischer Fre­ quenzen mit einem durchstimmbaren Ringlaser und einer Detektionseinheit mit einem Über­ lagerungsempfänger,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines optischen Ver­ stärkers des Ringlasers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Absolutfrequenz­ gebers,

Fig. 4 einen aus sogenannten GRIN-Linsen aufgebauten Relativfrequenzgeber,

Fig. 5 einen als Michelson-Interferometer aufgebauten Relativfrequenzgeber,

Fig. 6 einen aus einer Einmodenfaser mit einge­ schriebenen Gittern aufgebauten Relativfre­ quenzgeber,

Fig. 7 einen als Mach-Zehnder-Interferometer aufge­ bauten Relativfrequenzgeber,

Fig. 8 eine aus zwei Überlagerungsempfängern ge­ bildete Detektionseinheit,

Fig. 9 ein typisches Ausgangssignal des Absolutfre­ quenzgebers in Abhängigkeit der Laserfrequenz,

Fig. 10 typische Ausgangssignale des Relativfrequenz­ gebers in Abhängigkeit der Laserfrequenz,

Fig. 11 beispielhafte Ausgangssignale eines Überlage­ rungsempfängers in Abhängigkeit der Laserfre­ quenz,

Fig. 12 ein typisches Ausgangssignal des Absolutfre­ quenzgebers gemäß Fig. 3 im Bereich der Abso­ lutfrequenz bei einer mit Krypton gefüllten Absorptionsröhre und

Fig. 13 beispielhafte Ausgangssignale des Überlage­ rungsempfängers in Abhängigkeit der Laserfre­ quenz bei einem sogenannten HDWDM-Kamm als Meßsignal.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Ausführungs­ beispiel einer Vorrichtung zum Bestimmen optischer Frequenzen in faseroptischer Bauweise mit einem als Ringlaser 1 ausgestalteten Lokaloszillator. Der Ring­ laser 1 ist aus einem optischen Verstärker 2, einer dem optischen Verstärker 2 nachgeschalteten langen dispersionsverschobenen Faser 3, einem der disper­ sionsverschobenen Faser 3 nachgeschalteten, über einen Abstimmeingang 4 in seiner Transmissionsfrequenz ein­ stellbaren Abstimmfilter 5 als optisches Filter und einem dem Abstimmfilter 5 nachgeschalteten und an den optischen Verstärker 2 angeschlossenen Laserauskoppler 6 aufgebaut. Der Laserauskoppler 6 führt etwa ein Zehntel bis die Hälfte der Leistung des Ringlasers 1 aus dem Verstärkungskreis heraus und speist die übrige Leistung in den optischen Verstärker 2 zurück.

Die dispersionsverschobene Faser 3 mit einem Disper­ sionsnulldurchgang bei 1554 Nanometer hat eine Länge von etwa 1 Kilometer. Durch die große Länge der dis­ persionsverschobenen Faser 3 wird eine Emissionslinie des Ringlasers 1 infolge von nicht linearen Wechsel­ wirkungen wie Selbst- und Kreuzphasenmodulation ver­ breitert und der Modenabstand des Ringlasers auf etwa 200 Kilohertz verringert. Weiterhin ergibt sich durch die nichtlinearen Wechselwirkungen eine Kopplung der Moden des Ringlasers 1, so daß dieser ein gleichmäßi­ ges Ausgangsspektrum mit einer Anzahl von Moden lie­ fert, von denen jedenfalls einige die Laserbedingungen erfüllen und verstärkt werden.

Das Abstimmfilter 5 ist vorzugsweise als schmalban­ diger Fabry-Perot-Resonator mit einer Bandbreite von etwa 1 Gigahertz ausgebildet.

Ein über den Laserauskoppler 6 aus dem Ringlaser 1 ausgekoppelter Ausgangsstrahl 7 ist einem Depolari­ sator 8 eingespeist, mit dem mit eine in der Regel vorhandene Vorzugspolarisationsrichtung des Ausgangs­ strahles 7 im zeitlichen Mittel wenigstens innerhalb einer Meßwertaufnahme gleichmäßig auf alle Polarisa­ tionsrichtungen verteilbar ist. Der Ausgangsstrahl 9 des Depolarisators 8 ist einem Eingang eines Referenz­ kopplers 10 eingespeist und durch diesen in einen Re­ ferenzarm 11 sowie einen Überlagerungsarm 12 aufge­ teilt. Dabei entfällt etwa ein Zehntel bis ein Zwan­ zigstel der Intensität des Ausgangsstrahles 9 aus dem Depolarisator 8 auf den Referenzarm 11.

Der in den Referenzarm 11 eingespeiste Lichtanteil durchläuft einen Absolutfrequenzgeber 13, mit dem bei Durchstimmen des Ringlasers 1 bei wenigstens einer definierten Absolutfrequenz ein zugeordnetes Absolut­ frequenzsignal erzeugbar ist. Das wenigstens eine Absolutfrequenzsignal ist über eine Absolutfrequenz­ signalleitung 14 einem Analog/Digital-Wandler 15 eingespeist und durch diesen digitalisierbar.

Der durch den Absolutfrequenzgeber 13 durchtretende Lichtanteil ist einem Relativfrequenzgeber 16 einge­ speist, mit dem an relativ zueinander definierten Frequenzabständen Relativfrequenzsignale erzeugbar sind. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungs­ beispiel ist der Relativfrequenzgeber 16 aus einem periodischen Interferometer 17 als periodisches Filter mit einem freien Spektralbereich von etwa 10 Gigahertz sowie einem von Ausgangslicht des periodischen Inter­ ferometers 17 beaufschlagten lichtempfindlichen Rela­ tivfrequenzdetektor 18, beispielsweise einer Photo­ diode, aufgebaut. Das mit dem Relativfrequenzdetektor 18 erzeugte Relativfrequenzsignal ist über eine Rela­ tivfrequenzsignalleitung 19 einem Analog/Digital- Wandler 20 eingespeist.

Das in den Überlagerungsarm 12 eingespeiste Ausgangs­ licht des Referenzkopplers 10 ist einem Referenzein­ gang 21 eines Signalkopplers 22 eingespeist. Einem Signaleingang 23 des Signalkopplers 22 ist Meßlicht zugeführt, dessen unbekannte Frequenzkomponenten zu bestimmen sind. Auf dem Gebiet der optischen Nach­ richtentechnik ist das dem Signaleingang 23 zugeführte Meßlicht beispielsweise das Ausgangslicht eines optischen Multiplexers mit einem Kanalabstand von etwa 10 Gigahertz als sogenannter High Density Wavelength Division Multiplex-(HDWDM-)Kamm. Mit dem Signal­ koppler 22 ist das aus dem Ringlaser 1 ausgekoppelte Licht als Referenzlicht mit dem Meßlicht mischbar und als Überlagerungslicht zwei Signalkopplerausgängen 24, 25 einspeisbar.

Das in den Signalkopplerausgängen 24, 25 geführte Überlagerungslicht ist einem Überlagerungslichtdetek­ tor 26 eingespeist, der in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei im Gegentakt geschalteten Photodioden 27, 28 gebildet ist. Durch die Gegentakt­ schaltung sind Amplitudenschwankungen im Ausgangslicht des Ringlasers 1 und im Meßlicht kompensierbar. Das mit dem Überlagerungslichtdetektor 26 erzeugte Über­ lagerungssignal ist einem Hochfrequenzverstärker 29 eingespeist, der mit einer typischen Bandbreite von 200 Megahertz bis 2 Gigahertz auch als Tiefpaßfilter wirkt. Das hochfrequente Ausgangssignal des Hochfre­ quenzverstärkers 29 ist einem Leistungsdetektor 30 eingespeist, mit dem die elektrische Leistung des frequenzgefilterten Ausgangssignales des Hochfrequenz­ verstärkers 29 bestimmbar ist. Das Ausgangssignal des Leistungsdetektors 30 ist einem Analog/Digital-Wandler 31 zur Digitalisierung eingespeist.

Der Überlagerungslichtdetektor 26, der Hochfre­ quenzverstärker 29 und der Leistungsdetektor 30 bilden einen Überlagerungsempfänger als Detektionseinheit.

Die Ausgangssignale der Analog/Digital-Wandler 15, 20, 31 sind einem Speicherglied 32 zugeführt. Weiterhin ist an dem Speicherglied 32 ein Trigger- oder Wechsel­ spannungsausgangssignal eines Wechselspannungsgenera­ tors 33, beispielsweise eines Sägezahngenerators, angeschlossen, dessen variable Ausgangsspannung dem Abstimmeingang 4 des Abstimmfilters 5 zugeführt ist.

In dem Speicherglied 32 sind die Ausgangssignale der Analog/Digital-Wandler 15, 20, 31 in Abhängigkeit der dem Abstimmfilter 5 zugeführten Ausgangsspannung des Wechselspannungsgenerators 33 abspeicherbar. Die in dem Speicherglied 32 abgelegten Daten sind nach wenigstens einem vollständigen Meßzyklus einem Aus­ werteglied 34 einspeisbar, mit dem die Frequenzkompo­ nenten des dem Signaleingang 23 des Signalkopplers 22 zugeführten Meßlichtes bestimmbar sind.

Mit dem Auswerteglied 34 ist ausgehend von der durch den Absolutfrequenzgeber 13 bestimmten definierten Absolutfrequenz und der Kenntnis der Frequenzabstände der Relativfrequenzsignale des Relativfrequenzgebers 16 eine geeichte Frequenz- beziehungsweise Wellen­ längenskala berechenbar, auf deren Grundlage die Absolutfrequenzen der Frequenzkomponenten des dem Signaleingang 23 eingespeisten Meßlichtes bestimmbar sind. Dabei fällt bei Durchstimmen des Ringlasers 1 an dem Leistungsdetektor 30 jedesmal dann ein Ausgangs­ signal an, wenn die Differenzfrequenz zwischen der Ausgangsfrequenz des Ringlasers 1 und einer Frequenz­ komponente des dem Signaleingang 23 eingespeisten Meßlichtes innerhalb der Bandbreite des Hochfre­ quenzverstärkers 29 liegt.

Das Auswerteergebnis ist mittels einer an das Aus­ werteglied 34 angeschlossenen Ausgabeeinheit 35 bei­ spielsweise als Wertetabelle und/oder Spektrum dar­ stellbar.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für den optischen Verstärker 2 gemäß Fig. 1, bei dem ein erster Pumplaser 36 vorgesehen ist, dessen Ausgangs­ licht einem ersten Pumpkoppler 37 eingespeist ist. Weiterhin verfügt der optische Verstärker 2 gemäß Fig. 2 über einen zweiten Pumplaser 38, dessen Ausgangs­ licht einem zweiten Pumpkoppler 39 zugeführt ist. Das Ausgangslicht jeweils eines Pumpkopplers 37, 39 ist einem Ende einer erbiumdotierten verstärkenden Faser 40 eingekoppelt. Über einen weiteren Arm eines der Pumpkoppler 37, 39 ist das in dem Ringlaser 1 um­ laufende Licht in die verstärkende Faser 40 einkoppel­ bar und über einen weiteren Arm des anderen Pumpkopp­ lers 39, 37 wieder in den Ringlaser 1 auskoppelbar. Zusätzlich ist in dem in Fig. 2 dargestellten Aus­ führungsbeispiel des optischen Verstärkers 2 an den weiteren Arm des zweiten Pumpkopplers 39 eine optische Diode 41 zum Vermeiden stehender Wellen vorgesehen. Die Verstärkung beträgt etwa 35 dB und die Sättigungs­ leistung etwa +13 dBm.

Fig. 3 zeigt ein an sich aus dem Artikel "Decentralized Frequency Stabilization Scheme for a Dense OFDM System Involving Simple Filters and an Absolute Reference" von U. Krüger et al. in Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 5, May 1996, Seiten 649 bis 654, bekanntes zweckmäßiges Ausführungsbei­ spiel eines Absolutfrequenzgebers 13 gemäß Fig. 1, der über eine längliche Absorptionsröhre 42 verfügt, die mit einem Edelgas, vorzugsweise Krypton, gefüllt ist. Mittig in der Absorptionsröhre 42 sind zwei Ring­ elektroden 43, 44 vorgesehen, durch die das aus dem Referenzkoppler 10 in den Referenzarm 11 ausgekoppelte Ausgangslicht des Ringlasers 1 durchtritt.

Eine Ringelektrode 43 ist an eine Gleichspannungs quelle 45 angeschlossen Die andere Ringelektrode 44 ist über einen Lastwiderstand 46 auf Schaltmasse 47 gelegt. Zwischen der Ringelektrode 44 und dem Last­ widerstand 46 ist ein Anschluß eines Auskoppelkonden­ sators 48 angeschlossen, dessen anderer Anschluß mit der Absolutfrequenzsignalleitung 14 verbunden ist. Ausgangsseitig ist zwischen der Absolutfrequenzsignal­ leitung 14 und der Schaltmasse 47 ein Schutzwiderstand 49 vorgesehen.

Bei Durchstimmen des Ringlasers 1 ist in der Absorp­ tionsröhre 42 im Bereich von Absorptionslinien des Edelgases eine Änderung eines Entladestromes zwischen den Ringelektroden 43, 44 induziert, der über den Auskoppelkondensator 48 einen Spannungsimpuls erzeugt. Bei Krypton eignet sich besonders die Absorptionslinie mit 1547,825 Nanometer als Absolutfrequenz für eine Referenz, da sie zu einem besonders ausgeprägten Absolutfrequenzsignal führt und in dem im Bereich der optischen Nachrichtentechnik besonders wichtigen Bereich zwischen 1500 Nanometer und 1600 Nanometer liegt.

Die Form des Absolutfrequenzsignales hängt von der Stärke des Entladestromes zwischen den Ringelektroden 43, 44 ab. So führen beispielsweise Änderungen des Entladestromes zwischen 0,1 Milliampère und 5 Milli­ ampère zu Verschiebungen des zur Auswertung vorzugs­ weise verwendeten ersten Nulldurchganges des oszil­ lierenden Absolutfrequenzsignales von etwa 4 Gigahertz in bezug auf die tatsächliche Absolutfrequenz. Für einen gleichbleibenden Entladestrom ist die Abweichung jedoch konstant und bei der Berechnung der Wellen­ längenskala nach Kalibrierung als feste Größe in dem Auswerteglied 34 zur Korrektur verwendbar. Zweck­ mäßigerweise wird zum Erhöhen der Lebensdauer der Absorptionsröhre 42 der Entladestrom so gewählt, daß die gewünschte Absolutfrequenz gerade noch zuverlässig diskriminierbar ist. Dadurch ist es auch möglich, möglicherweise störende Effekte durch schwächere Absorptionslinien zu unterdrücken.

Fig. 4 zeigt ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel für das periodische Interferometer 17 gemäß Fig. 1. Das in Fig. 4 dargestellte periodische Interferometer 17 ist aus einer sogenannten Gradientenindexlinsen- (GRIN- Linsen-) Anordnung mit einem Resonator 50 aufgebaut. Die Endflächen des Resonators 50 sind leicht verspie­ gelt mit einer Reflektivität von etwa 50 Prozent. Die Länge des Resonators 50 beträgt ein ganzteiliges Vielfaches eines Viertels der sogenannten Pitchlänge, wobei mit Pitchlänge der Abstand von einem Strahl­ minimum 51 zu einem benachbarten Strahlmaximum be­ zeichnet wird. Zur Einkopplung in den Resonator 50 dienen zwei beidseitig angeordnete Ankoppel-GRIN- Linsen 52, 53, die die großen endseitigen Strahlquer­ schnitte des Resonator 50 randseitig verringern. Ein derartiges periodisches Interferometer 17 ist ver­ hältnismäßig preisgünstig.

Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 zeigen weitere Ausgestal­ tungen von periodischen Interferometern 17.

Fig. 5 zeigt ein periodisches Interferometer 17 auf der Grundlage eines Michelson-Interferometers, bei dem endverspiegelte Koppelarme 54, 55 eines 3-dB-Kopplers 56 eine unterschiedliche Länge aufweisen. Fig. 6 zeigt ein periodisches Interferometer 17, das aus einer Monomodefaser 57 mit in einem Resonatorabstand 58 eingebrachten Gitterstrukturen 59, 60 besteht. Fig. 7 zeigt ein periodisches Interferometer 17 auf der Grundlage eines Mach-Zehnder-Interferometers, dessen unterschiedlich lange Arme 61, 62 zwischen zwei 3-dB- Kopplern 63, 64 angeordnet sind.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Überlage­ rungsarmes 12 mit zwei entsprechend dem Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 1 aufgebauten Überlagerungs­ empfängern als Detektionseinheit, wobei für diese Ausgestaltung auf einen Depolarisator 8 verzichtet werden kann. Eingangsseitig ist ein von Ausgangslicht des Referenzkopplers 10 als Referenzlicht beaufschlag­ ter Polarisationsgenerator 65 vorgesehen, mit dem eine transversal-elektrische (TE-) Polarisation und eine transversal-magnetische (TM-) Polarisation gleicher Intensität erzeugbar ist. Mit einem dem Polari­ sationsgenerator 65 nachgeschalteten ersten Polari­ sationsteiler 66 ist das′ Referenzlicht nach seinen Polarisationsanteilen in einen TE-Zweig 67 und einen TM-Zweig 68 aufteilbar.

Das Meßlicht ist einem zweiten Polarisationsteiler 69 eingespeist, mit dem Lichtanteile mit TE-Polarisation dem TE-Zweig 67 und Lichtanteile mit TM-Polarisation dem TM-Zweig 68 einspeisbar ist.

Der TE-Zweig 67 ist entsprechend dem Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 1 mit einem ersten Signalkoppler 70 ausgestattet, mit dem das Referenzlicht mit dem Meßlicht mischbar und auf zwei Photodioden 71, 72 in Gegentaktschaltung als erster Überlagerungslichtdetek­ tor 73 fallend aufteilbar ist. Das zwischen den Photo­ dioden 71, 72 abgegriffene und mit einem ersten Hoch­ frequenzverstärker 74 tiefpaßgefilterte, verstärkte Überlagerungssignal ist einem ersten Leistungsdetektor 75 eingespeist.

In entsprechender Weise ist der TM-Zweig 68 aus einem zweiten Signalkoppler 76, zwei Photodioden 77, 78 als zweiten Überlagerungslichtdetektor 79, einem zweiten Hochfrequenzverstärker 80 und einem zweiten Leistungs­ detektor 81 aufgebaut. Die Ausgangssignale der Lei­ stungsdetektoren 75, 81 sind einem Summierglied 82 eingespeist, der die Einzelsignale addiert und dem Analog/Digital-Wandler 31 zuführt. Mit dem in Fig. 8 dargestellten Überlagerungsarm 12 läßt sich die Em­ pfindlichkeit aufgrund der Verwertung zweier Polarisa­ tionsrichtungen um etwa 3 dB steigern.

Fig. 9, Fig. 10 und Fig. 11 zeigen beispielhaft die Arbeitsweise des Auswertegliedes 34 anhand von die Meßwerte darstellenden Diagrammen. In den Diagrammen ist jeweils eine relative Signalintensität 83 gegen die Ausgangsspannung 84 des Wechselspannungsgenerators 33 abgetragen. Fig. 9 zeigt ein einziges Absolut­ frequenzsignal 85 bei einer definierten Absolutfre­ quenz. Fig. 10 zeigt das periodisch oszillierende Relativfrequenzsignal 86 des Relativfrequenzgebers 16. Fig. 11 zeigt Frequenzkomponenten 87 des zu analysie­ renden Meßlichtes. Mit dem Auswerteglied 34 lassen sich die Frequenzen der Frequenzkomponenten 87 des Meßlichts absolut bestimmen, indem ausgehend von der definierten bekannten Lage des Absolutfrequenzsignales 85 und Abzählen von mit definierten Abständen aufein­ anderfolgenden Signalperioden beziehungsweise Bruch­ teilen davon des Relativfrequenzsignales 86 der Ab­ stand der Frequenzkomponenten 87 zu der bekannten Absolutfrequenz bestimmt wird. Die Genauigkeit der Bestimmung der Absolutfrequenzen der Frequenzkomponen­ ten 87 ist im wesentlichen durch die Bandbreite des Ringlasers 1, die Bandbreite des Hochfrequenzverstär­ kers 29, den Fehler des Absolutfrequenzsignales 85 und der Genauigkeit der Periodizität des Relativfrequenz­ signales 86 bestimmt und besser als etwa 1 Gigahertz. Damit sind insbesondere Frequenzkomponenten beim sogenannten High Density Wavelength Division Multi­ plex-(HDWDM-)Verfahren mit einem Kanalabstand von etwa 10 Gigahertz genau bestimmbar.

Fig. 12 zeigt eine realistische Messung eines Abso­ lutfrequenzsignales 85 entsprechend Fig. 9 unter Verwendung eines Absolutfrequenzgebers 13 gemäß Fig. 3 mit in Nanometer kalibrierter Abszissenachse. Zweck­ mäßigerweise wird als Bezugspunkt für die Absolut­ frequenz der Nulldurchgang 88 verwendet.

Fig. 13 zeigt die Messung eines HDWDM-Kammes ent­ sprechend Fig. 11 mit in Nanometer kalibrierter Ring­ laserfrequenz 84 und einer logarithmisch abgetragenen Signalintensität 83. Der Abstand der Frequenzkomponen­ ten 87 beträgt etwa 10 Gigahertz und ist mit einer Auflösung von etwa 1 Gigahertz eindeutig auflösbar.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Bestimmen optischer Frequenzen mit einer Lichtquelle, mit wenigstens einem Überlage­ rungsempfänger zum Detektieren eines mit Ausgangs­ licht der Lichtquelle und aus Meßlicht mit zu bestimmenden Frequenzkomponenten gebildeten Über­ lagerungssignales, mit einem Absolutfrequenzgeber zum Bestimmen einer absoluten optischen Frequenz, mit einem Relativfrequenzgeber zum Bestimmen von Frequenzabständen zu der von dem Absolutfre­ quenzgeber bestimmten Absolutfrequenz und mit einer Auswerteeinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer Frequenzkomponente des Meßlichtes aus der Absolutfrequenz und der von dem Relativfrequenz­ geber bestimmten Frequenzabständen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine zur Überlagerung mit dem Meßlicht vorgesehene, in der Frequenz veränderbare Emissionslinie aussendet, daß mit dem Absolutfrequenzgeber (13) bei Durch­ stimmen der Lichtquelle (1) bei wenigstens einer definierten Absolutfrequenz ein Absolut­ frequenzsignal (85, 88) und mit dem Relativfre­ quenzgeber (16) Relativfrequenzsignale (86) mit relativ zueinander definierten Frequenzabständen erzeugbar sind und daß mit der Auswerteeinrichtung (32, 34, 35) die wenigstens eine Frequenzkompo­ nente (87) des Meßlichtes aus der Absolutfrequenz (85, 88) sowie dem mittels der Relativfrequenz­ signale bestimmbaren Frequenzabstand zwischen der Absolutfrequenz (85, 88) und der wenigstens einen Frequenzkomponente (87) bestimmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lichtquelle ein Ringlaser (1) mit einer dispersionsverschobenen Faser (3) und einem über eine Steuerspannung in seinen Transmissions­ frequenzen veränderbares optisches Filter, ins­ besondere ein Fabry-Perot-Interferometer (5), ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Absolutfrequenzgeber (13) eine gasgefüllte Absorptionsröhre (42) mit Elek­ troden (43, 44) aufweist, mit der bei Verändern der Frequenz der Emissionslinie durch Änderung eines zwischen den Elektroden (43, 44) fließenden Entladestromes ein Absolutfrequenzsignal (85) erzeugbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Absorptionsröhre (42) bei festem Entladestrom betrieben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gas ein Edelgas, insbe­ sondere Krypton, ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Relativfre­ quenzgeber (16) ein periodisches Interferometer (17; 50, 51, 52, 53; 54, 55, 56; 57, 59, 60; 61, 62, 63, 64) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Interferometer (17) aus einer einen Resonator (50) bildenden Gradientenindexlinse aufgebaut ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Über­ lagerungsempfänger (26) zwei jeweils von Überlage­ rungslicht (24, 25) beaufschlagte Photodetektoren (27, 28; 71, 72; 77, 78) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Photodetektoren (27, 28; 71, 72; 77, 78) paarweise in Gegentakt geschaltet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 ader 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei jeweils für eine von zwei gekreuzten Polarisationsrichtungen empfindliche Überlagerungsempfänger (73, 79) vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem oder jedem Über­ lagerungsempfänger (26, 73, 79) jeweils ein Tief­ paß (29, 74, 80) mit einer Bandbreite im Hochfre­ quenzbereich nachgeschaltet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß dem oder jedem Tiefpaß (29, 74, 80) eine Leistungsmeßeinrichtung (30, 75, 81) zur Bestim­ mung der Hochfrequenzleistung des Ausgangssignales der Photodetektoren (27, 28; 71, 72; 77, 78) nach­ geschaltet ist.