DE3886086T2

DE3886086T2 - Signalabtastung unter Verwendung von Lauffeld-Modulatoren.

Info

Publication number: DE3886086T2
Application number: DE3886086T
Authority: DE
Inventors: David W Dolfi; Brian Kolner; Moshe Nazarathy
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1987-04-28
Filing date: 1988-04-27
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2008-04-28
Also published as: JPS63282723A; US4843586A; EP0289275B1; EP0289275A1; DE3886086D1

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Systeme zum Abtasten von elektrischen und optischen Signalen und insbesondere eine Abtasteinrichtung, welche einen Wanderfeld- oder Wanderwellen- Modulator verwendet. Eine typische Abtasteinrichtung, nach dem Stand der Technik, ein optischer Wellenleiter, wird in einem Substrat, parallel zur planaren Oberfläche des Substrates ausgebildet, und eine Mikrostrip- oder Mikrostreifenleiter-Verzögerungsleitung wird an der Oberseite des Substrates in einer zur Richtung des optischen Wellenleiters senkrechten Richtung ausgebildet. Das Substrat besteht aus einem Werkstoff, wie LiNbO&sub3;, dessen Brechungsindex sich ändert, wenn ein elektrisches Feld an das Substrat angelegt wird für eine gegebene Lichtdurchlässigkeitsrichtung in dem Substrat zeigt das Substrat einen normalen Brechungsindex für eine erste Polarisation des Lichtes und einen außerordentlichen Brechungsindex für die zur ersten Polarisation senkrechte Polarisation. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des optischen Signales gleich der Lichtgeschwindigkeit geteilt durch den Brechungsindex ist, geben diese beiden Polarisationsrichtungen jeweils einen bestimmten Lichtausbreitungskanal mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wieder. Um das Aufbrechen des optischen Signales in zwei Signale, welche sich in den zwei verschiedenen Kanälen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen, zu vermeiden, wird das Licht in dem Wellenleiter längs einer dieser beiden Polarisationsrichtung polarisiert.
Die Verzögerungsleitung liegt über dem optischen Wellenleiter, so daß sich die elektrischen Signale in der Verzögerungsleitung und die optischen Signale im optischen Wellenleiter gegenseitig beeinflussen (beispielsweise elektrooptisch oder elektroelastisch). Das von den Signalen im Wellenleiter erzeugte elektrische Feld beeinflußt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der optischen Signale im optischen Wellenleiter. Dies zeigt sich als eine Zeitverzögerung eines optischen Signalimpulses und als eine Phasenmodulation eines kontinuierlichen optischen Wellensignales. Diese Phasenmodulation wird in eine Amplitudenmodulation umgesetzt indem diesem optischen Signal ein optisches Bezugssignal überlagert wird. Ein optischer Empfänger erfaßt diese Amplitudenmodulation. Da die Größe der Amplitudenmodulation proportional zur Stärke des elektrischen Feldes in dem elektrischen Signal ist, tastet der in den optischen Wellenleiter eingegebene optische Impuls das elektrische Signal bei dem Punkt in der Verzögerungsleitung ab, bei dem der optische Wellenleiter unter der Verzögerungsleitung hindurchgeht. Da die relative Verzögerung zwischen dem elektrischen und dem optischen Signal sich ändert, bildet das Ausgangssignal des optischen Empfängers die Abtastwerte der zu prüfenden Wellenform als Funktion der relativen Verzögerung ab.
Die Systemempfindlichkeit ist umgekehrt proportional zur elektrooptischen Halbwellen-Spannung oder Lamda-Halbe-Spannung VΠ (welche die zum Erzeugen einer Phasenverschiebung von Π Radiant erforderliche Lambda-Halbe-Gleichspannung ist), und sie ist direkt proportional zur Quadratwurzel der mittleren Leistung des optischen Signales. Das Ausgangssignal vom optischen Detektor kann erhöht werden, indem man die Energie im optischen Impuls erhöht. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Leistungsdichte des Impulses erhöht wird oder daß die Dauer des Impulses vergrößert wird. Die Leistungsdichte ist jedoch aus praktischen Erwägungen begrenzt. Hochleistungslaser sind im allgemeinen groß und teuer. Obwohl Halbleiterlaser kleiner Baugröße weniger teuer sind und leichter an tragbare Systeme angepaßt werden können, kann eine beträchtliche Erhöhung der mittleren Leistung nur dadurch erreicht werden, daß die Impulsbreite vergrößert wird, was wiederum die Auflösung des Systemes verschlechtert.
Die Energie pro Impuls kann also dadurch erhöht werden, daß die Impulsbreite des optischen Impulses vergrößert wird. Eine solche vergrößerte Impulsbreite verschlechtert jedoch in gleichem Maße die Auflösung der Äbtasteinrichtung. Es wäre daher vorteilhaft, eine neue Konstruktion für eine Abtasteinrichtung zu schaffen, welche die Empfindlichkeit der Abtasteinrichtung verbessert, ohne diese Nachteile in Kauf zu nehmen.
In der folgenden Beschreibung bezeichnet die erste Ziffer eines Bezugszeichens eines Bauelementes die erste Figur, in welcher dieses Element dargestellt wird.

Definitionen

Die "Faltung" von h(t) mit V(t) wird durch h(t) V(t) wiedergegeben und ist definiert durch
Die "Korrelation" von h(t) mit V(t) wird durch h(t)*V(t) wiedergegeben und ist definiert durch
Die "Korrelation mit dem Offset k" des Signales P = (P&sub0;,...,PM-1) mit einem Signal Q = (Q&sub0;,...,QM-1) ist durch die folgende Beziehung definiert:
Ein Codepaar G¹ = (G¹&sub0;,...,G¹M-1) und G² = (G²&sub0;,...,G²M-1) bildet ein "konjugiertes Golay-Paar", wenn und nur wenn es der folgenden Beziehung genügt:
(G¹*G¹)k + (G²*G²)k = 2M δ0k (4)
wobei δ0k die Kroneker-Deltafunktion ist.
Die "Nebenkeule k-ter Ordnung" eines Codes P = (P&sub0;,...,PM-1) ist definiert als die Korrelation mit dem Offset k von P mit sich selbst (beispielsweise (P*P)k).
Ein Pseudo-Zufallscode P "hat kleinere Nebenkeulen", wenn (P*P)k im Vergleich zu (P*P)&sub0; für k ≠ 0 klein ist.
Rr(t) (r = 0 R-1), wobei Rr das (die) Eingangssignal (e) darstellt.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Abtasteinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor, welche eine große Verbesserung der Empfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen Abtasteinrichtungen ermöglicht, ohne die Auflösung der Abtasteinrichtung zu verschlechtern. Diese neue Abtasteinrichtung verwendet eine Laserquelle für kontinuierliche Wellen (Dauerwellen-Laserquelle) und schafft ein Ergebnis mit einem wesentlich höheren Produkt aus Empfindlichkeit und Auflösung als die herkömmlichen Systeme. Um die erhöhte Empfindlichkeit zu erhalten, verwendet die Abtasteinrichtung ein Substrat, in dem ein optischer Wellenleiter parallel zur oberen Oberfläche des Substrates ausgebildet ist und auf welchem eine elektrische Verzögerungsleitung parallel zu und direkt über dem optischen Wellenleiter ausgebildet ist. Dies erlaubt, daß die elektrischen und optischen Signale sich über dem Länge der Verzögerungsleitung gegenseitig beeinflussen, anstatt nur über der wesentlich geringeren Breite der Verzögerungsleitung, wie bei der herkömmlichen Abtasteinrichtung. Dies ergibt eine Verbesserung der Empfindlichkeit um einige Größenordnungen im Vergleich zu einer herkömmlichen Abtasteinrichtung, weil die Modulationsschaltspannung von einigen Kilovolt auf einige Volt fällt.
Unglücklicherweise breiten sich die optischen und elektrischen Signale nicht mit derselben Geschwindigkeit aus. Die relative Geschwindigkeit dieser beiden Signale führt zu dem optischen Impuls, welcher sich längs des elektrischen Signales bewegt und dabei eine Zeitverzögerung erfährt, die gleich einem Laufzeitmittelwert des elektrischen Signales über ein sich bewegendes Fenster ist, das gleich der Laufzeitdifferenz zwischen dem elektrischen und dem optischen Signal ist, wobei das Ausgangssignal verschmiert wird. Dies ergibt eine Tiefpaßfilterung der elektrischen Wellenform über einer Bandbreite, welche in der Größenordnung von 10 GHz für einen 1 cm langen LiNbO&sub3;-Modulator ist.
Um die Bandbreite wiederzugewinnen, verwendet das verbesserte System einen codierten Phasenumkehrmodulator der in der GB-A-2 175 101 beschriebenen Art und den in der parallelen Patentanmeldung Nr. 004996, veröffentlicht als WU 88/05556 vorgestellten Modulator, auf dessen Beschreibung hier Bezug genommen wird. Bei einem solchen Modulator, dienen Pseudo-Zufalls- Phasenumkehrungen in den Elektroden dazu, das Auseinanderlaufen zwischen den elektrischen und optischen Signalen auszugleichen. Das Muster der Phasenumkehr basiert auf einem Pseudo-Zufallscode P = (P&sub0;,...,PM-1), so daß bei einer konstanten Spannung V über den Elektroden das angelegte elektrische Feld als eine Funktion der Entfernung z längs der Elektroden die Form
hat, wobei w gleich der Länge L der Elektroden geteilt durch M ist und p(z-mw) für mw< z≤(m+1)w Eins ist und sonst Null ist. Dennoch ist die Anwendung dieses Modulators bei einer Abtasteinrichtung nicht ganz einfach, weil sich bei dem Modulator im Frequenzbereich ein verbesserter Betrieb zeigt, und nicht im Zeitbereich, wie es hier erforderlich wäre. Tatsächlich zeigt das Ansprechverhalten des Modulators im Zeitbereich einen Verlauf, welcher das räumliche Codemuster der geschalteten Elektrode verdoppelt, jedoch nicht kürzer ist als das Ansprechverhalten eines herkömmlichen Gerätes, das solange dauert wie die Laufzeitdifferenz.
Erfindungsgemäß wird das Ausgangssignal von diesem codierten, geschalteten Elektroden-Wanderwellen-Modulator von einem langsamen optischen Detektor erfaßt (d.h., einem optischen Detektor, dessen Ansprechverhalten im Vergleich zu den üblichen Frequenzen des Modulators langsam ist), um ein Ausgangssignal O(t) zu erzeugen, das proportional ist zu I(t)*cos²[h(t) V(t)+Φ]=I(t)*[1+cos(2h(t) V(t)+φ)]/2 wobei I(t) die Eingangslichtintensität ist, h(t) die Modulator-Impulsantwort ist, V(t) die abgetastete elektrische Welle ist, φ ein Phasenfaktor ist, welcher durch eine geometrische und/oder elektrische Ausrichtung bestimmt wird, eine Korrelationsfunktion bezeichnet und eine Faltungsfunktion bezeichnet. Bei den Ausführungsformen, bei denen φ ein ungerades ganzzahliges Vielfaches von Π/2 ist, wird die Cosinusfunktion zu einer Sinusfunktion, welche durch ihre Reihenentwicklung erster Ordnung angenähert werden kann, so daß O(t) proportional zu I(t)*h(t) V(t) ist. Abtastwerte des elektrischen Signales mit einer Auflösung gleich der eines einzelnen Impulses werden erzeugt, indem I(t) zu einer zeitlichen Nachbildung von h(s) ausgewählt wird. Dieses System kann auch als eine elektrische Abtasteinrichtung für optische Wellen eingesetzt werden, indem ein Spannungssignal V(t) verwendet wird, das eine zeitliche Nachbildung von h(s) ist. Das Ausgangssignal O(t) ist auch proportional zu
R-I
ΣRr(t)*[hr(t) S(t)]
r=O.
In den Figuren zeigen:
Fig. 1A einen Mach-Zehnder-Amplitudenmodulator, dessen Elektroden so konfiguriert sind, daß sie eine Phasenumkehr in dem angelegten Signal gemäß einer Pseudo- Zufalls-Codefolge mit einem Streuspektrum (Spread Spektrum) erzeugen,
Fig. 1B die Entsprechung zwischen der Polaritätsumkehr im Modulator von Fig. 1A und dem Barker-Code, welcher solche Umkehrungen definiert,
Fig. 2 und 3 Querschnitte des Modulators von Fig. 1,
Fig. 4A und 4B den Effekt der Auswahl der Phase φ auf das Ausgangssignal O(t)
Fig. 5 ein Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der Abtasteinrichtung,
Fig. 6 eine Ausführungsform der Abtasteinrichtung, bei welcher der Korrelationsschritt digital durchgeführt wird,
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer angezapften Verzögerungsleitung zum Erzeugen eines angelegten Spannungssignales V(t) welches eine zeitliche Nachbildung des Modulatorpolaritätsinversionsmusters ist,
Fig. 8 eine elektrische Signalabtasteinrichtung.
Fig. 1 bis 3 zeigen eine Draufsicht und zwei Querschnitte eines elektrooptischen Mach-Zehnder-Wanderwellen-Amplitudenmodulators, welcher Elektroden verwendet, die so konfiguriert sind, daß sie ein Muster von elektrischen Feldumkehrungen im optischen Weg des Modulators gemäß eines Streuspektrum-Pseudo- Zufallscodes erzeugen. Das Substrat 10 des Modulators besteht aus einem Material, welches optische Wellen ohne erhebliche Verluste überträgt und das mindestens einen Brechungsindex aufweist, der abhängig von einem angelegten elektrischen Feld veränderlich ist. Besonders geeignet für das Substrat ist LiNbO&sub3;, weil es eine besonders große elektrooptische Empfindlichkeit zeigt. Die Länge L der Elektroden liegt in der Größenordnung von einem Zentimeter.
Ein optischer Wellenleiter 11 ist in dem Substrat ausgebildet, beispielsweise durch Dotieren des Substrates mit Titan innerhalb des Wellenleiterbereiches des Substrates. Titan wird als Dopant verwendet, weil es gut in das Kristallgitter paßt, gut in das Kristall eindiffundiert und den Brechungsindex erhöht, so daß der dotierte Bereich als ein guter Wellenleiter wirkt. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist der Wellenleiter 11 in zwei Zweige 12 und 13 aufgeteilt, welche sich in einem Ausgangspfad 14 wiedervereinigen. Diese Wellenleiterabschnitte haben Querschnittsabmessungen im Bereich von 5 um. Diese Struktur ist als Mach-Zehnder-Modulator bekannt und wird zum Umwandeln der in den Zweigen 12 und 13 erzeugten Phasenmodulation in eine Amplitudenmodulation im Ausgangspfad 14 verwendet. Die Zweige 12 und 13 zeigen im allgemeinen zwei Brechungsindizes längs zwei Hauptachsrichtungen, welche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes in diesen Wegen oder Pfaden ist. Das in den Wellenleiter 11 eingegebene Licht wird polarisiert, so daß das Licht in jedem der Zweige 12 und 13 längs einer dieser Hauptachsen verläuft. Da jede Polarisationsrichtung als ein eigener Kanal wirkt, würde der Lichtstrahl, wenn die Polarisation nicht längs einer dieser Hauptachsen erfolgen würde, sich in beiden Kanälen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortbewegen und dabei zusätzliche unerwünschte Phasenveränderungen erzeugen.
Ein Satz von Elektroden 15 bis 17 liegen über Teilen der Zweige 12 und 13 in einem Bereich, in dem diese beiden Zweige parallel verlaufen. Eine angelegte Spannung Va wird an diese Elektroden so angelegt, daß die Elektrode 16 auf der Spannung Va über der Spannung der Elektroden 15 und 17 liegt. Diese Polaritäten und die Orte der Elektroden erzeugen elektrische Felder zwischen den Elektroden, die in den Zweigen 12 und 13 entgegengesetzte Richtungen haben. Wenn also die Phase in einem Zweig verzögert wird, wird sie im andern Zweig beschleunigt. Diese Gegentakt-Phasenmodulationsbeziehung zwischen den beiden Zweigen erzeugt eine Amplitudenmodulation im Ausgangspfad 14. Diese Elektrodenkonfiguration erzeugt elektrische Felder in den optischen Wellenleiterzweigen, die im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Substrates sind. Es wird daher ein z-geschnittener (z-cut) LiNbO&sub3;-Kristall oder -Quarz verwendet, weil in einem solchen Kristall der Brechungsindex des Kristalls von dem zur Oberfläche 19 des Substrates senkrechten elektrischen Feld stärker beeinflußt wird als von elektrischen Feldern in anderen Richtungen.
Va wird an ein Eingangsende 18 der Elektroden 15 bis 17 angelegt und erzeugt Wanderwellen, die sich längs der Elektroden parallel zu den Zweigen 12 und 13 fortbewegen. Das andere Ende jeder Elektrode ist mit einer angepaßten Impedanz abgeschlossen, um Reflexionen von diesem Ende zu vermeiden. Die Gruppengeschwindigkeit dieser Wanderwellen aufgrund der angelegten Spannung ist im allgemeinen ungleich der Gruppengeschwindigkeit der optischen Strahlen in den optischen Wellenleitern. Die optische Gruppengeschwindigkeit liegt in der Größenordnung der halben Lichtgeschwindigkeit, und die Gruppengeschwindigkeit der angelegten Spannung liegt in der Größenordnung von einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit. Die Formen der Elektroden werden daher so gewählt, daß sie einen Satz von Polaritätsinversionen erzeugen, welche das Auseinanderlaufen zwischen den Phasen der elektrischen und optischen Signale ausgleichen.
Die Elektroden sind längs ihrer Länge in einen Satz von M gleichen Segmenten aufgeteilt, und die Polarität zwischen den Elektroden in diesen Segmenten ist gemäß eines Streuspektrums- Pseudo-Zufallscodes ausgewählt. Die Elektrodenstruktur ist nicht nur für den Mach-Zehnder-Modulator anwendbar, sondern auch allgemein für Phasenmodulatoren sowie für andere Arten von Amplitudenmodulatoren. Der verbesserte Betrieb aufgrund dieser Elektrodenstruktur zeigt sich wie im folgenden beschrieben.
Das allgemeine Konzept wird unter der Annahme dargelegt, daß Streueffekte, Verluste im optischen Signal, Verluste in der angelegten Spannung und Reflexionen in den Elektroden am Ausgangsende des Modulators vernachlässigt werden können. Modelle, welche diese Faktoren berücksichtigen, deuten an, daß die vernachlässigten Effekte die Ergebnisse nicht allgemein qualitativ verändern.
Am Ende des Wellenleiters 11 wird ein optisches Wanderwellensignal mit einer Winkelfrequenz ω&sub0; eingegeben, und am Ende 18 der Elektroden erzeugt die angelegte Spannung ein Wanderwellen-Spannungssignal Va(t-z/va), wobei va die Gruppengeschwindigkeit des angelegten Spannungssignales ist. Eine Hälfte des optischen Signals geht durch jeden der Zweige 12 und 13. Bei der Berechnung der durch Va induzierten Zeitverzögerung wird die Strecke längs der Zweige 12 und 13 mit z bezeichnet, und der Ursprung der z-Achse wird in das Ende 18 der Elektroden 15 bis 17 gelegt.
Die von der angelegten Spannung Va induzlerte Zeitverzögerung liegt in der Größenordnung von 1/ω&sub0;, was viel kleiner ist als die Zeitspanne jedes Impulses im optischen Signal und die Laufzeit für das optische Signal durch die Elektroden 15 bis 17. Für die Berechnung des elektrischen Feldes, welche das optische Signal als eine Funktion der Zeit erfährt, kann dessen Geschwindigkeit v&sub0; daher als eine Konstante behandelt werden. Der Teil des optischen Signales, der am Ende 110 der Elektrode (d.h. bei z=L) zur Zeit t ankommt, bewegt sich also längs des Pfades z=L+V&sub0; (t'-t) wobei t' die Zeit ist, bei der dieser Teil des optischen Signales bei z ist.
Die Elektroden bewirken eine Feldumkehr längs der Zweige 12 und 13 entsprechend einem Muster
Das elektrische Feld, welches der Teil des optischen Signales beim Punkt z längs der Elektroden erfährt, der zur Zeit t am Ende 110 ankommt, ist daher gleich
g(z) Va(t'-z/V&sub2;) = S g(z) Va[t+(z-L)/v&sub0;-z/Va] (6)
=h(s) Va(t-t&sub0;-2) v&sub0;.
wobei s z/va-z/v&sub0;, t&sub0; L/v&sub0;, h(s) S g(z)=S g(s va)/v&sub0;-va) und S ein Stärkefaktor ist, der die Entfernung zwischen den Elektroden, die geometrische Anordnung der von den Elektroden erzeugten elektrischen Felder und die elektrooptische Ansprechempfindlichkeit der Modulatorwellenleiter berücksichtigt. Die von Va im Zweig 12 induzierte Zeitverzögerung τ entspricht dem zeitlichen Integral dieses elektrischen Feldes. Dies kann als die folgende Faltung wiedergegeben werden:
Am Ausgangsende 110 der Elektroden 15 bis 17 hat daher das optische Wanderwellensignal die Form
Aufgrund des Gegentaktaufbaus der Elektroden ist die von V(t) induzierte Phasenverschiebung im Zweig 12 negativ. Das optische Ausgangssignal O&sub0;(t) am optischen Ausgang 14 ist
wobei t'&sub0;=t&sub0;+L&sub1;&sub1;&sub3;/v&sub0; und L&sub1;&sub1;&sub3; die Länge des Zweiges 113 ist, der genau so lang ist wie der Zweig 116. Die Lichtintensität am optischen Ausgang 14 ist
oo(t) o (t)= A(t-t'o) ² cos²(2ωoτ)=I(t-t'o (1/2) (1+cos(2ωoτ)) (10)
wobei I(t-t'&sub0;) die Lichtintensität ist, die sich ohne Modulation ergäbe. Der Modulator führt also den Faktor (1+cos(2ω&sub0;τ))/2 ein. Wenn auch die Zeiten zum Durchqueren der Zweige 111 und 114 berücksichtigt werden, zeigt dies, daß die Lichtintensität im optischen Ausgang 14 zur Zeit t gleich der Eingangslichtintensität zur Zeit t -Ltotal/v&sub0; mal dem Modulationsfaktor (1+cos(2ω&sub0;τ)/2) ist.
Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm der Abtasteinrichtung. Das optische Ausgangssignal O&sub0;(t) eines codierten geschalteten Elektroden-Wanderwellen-Modulators 51 wird von einem langsamen Detektor 52 erfaßt. Der langsame Detektor hat eine Ansprechzeit, die im Vergleich zu der Inversen der Eigenfrequenz der angelegten Spannung und des optischen Signales groß ist, so daß der langsame Detektor ein Ausgangssignal O(t) erzeugt, das ein zeitlicher Mittelwert der Lichtintensität am optischen Ausgang 14 ist. Diese zeitliche Integration wandelt das Produkt aus der Lichtintensität und dem Modulationsfaktor in die folgende Korrelation um
o(t+t'o)=I(t) (1+cos(2ωoτ) (11)
Eine Verarbeitungselektronik 53 umfaßt einen Analog-Digital- Umsetzer zum Umwandeln des Ausgangssignales O(t+t'&sub0;) in digitale Daten. Die Verarbeitungselektronik 53 umfaßt ferner einen Speicher und eine Zentraleinheit (CPU) zum Verarbeiten der digitalen Daten. Dadurch können mehrfache Messungen gemittelt und analysiert werden. Eine mit der Verarbeitungselektronik verbundene Anzeigevorrichtung 54 ermöglicht die visuelle Anzeige der Daten.
Eine zusätzliche konstante Phasendifferenz 2φ zwischen den Ausgangssignalen in den Zweigen 12 und 13 kann eingeführt werden, indem die Weglänge L&sub1;&sub2; des Zweiges 12 länger als die Weglänge L&sub1;&sub3; des Zweiges 13 gemacht wird. Dies wird als "geometrische Ausrichtung" bezeichnet. Diese Phasendifferenz kann alternativ durch Hinzufügen eines Gleichstrom-Offsets zwischen den Elektroden 15 und 17 erreicht werden. Dies wird als "elektrische Ausrichtung" bezeichnet. Mit einer solchen Ausrichtung wird der Modulationsfaktor zu (1+cos(2ω&sub0;τ+φ))/2. Wie weiter unten erläutert, kann der Wert von φ so gewählt werden, daß er diesen Modulationsfaktor linearisiert, und er kann auch so gewählt werden, daß unerwünschte Nebenkeulen in der Autokorrelationsfunktion des Pseudo-Zufallscodes P diskriminiert werden. Fig. 4A zeigt den Fall, daß φ gleich einem ganzzahligen Vielfachen von Π ist, und Fig. 4B zeigt den Fall, daß φ gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von Π/2 ist.
Zu den Definitionen der Korrelation und Faltung sei bemerkt, daß h(t) V(t) auch gleich h(t)*V(-t), so daß für φ gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von Π/2 die Gleichung 11 auch dargestellt werden kann als
I(t) [l+h(t) (t)] (12)
wobei sin[h(t) V(t)] angenähert wurde durch h(t) V(t), und daß I(t)*[h(t) V(t)] auch gleich [I(t)*h(t)] V(t) ist. Diese Beziehungen werden verwendet, um zu zeigen, wie der Einsatz des oben beschriebenen Modulators eine Abtasteinrichtung mit einem verbesserten Auflösungs-Empfindlichkeits-Produkt schafft. In Gleichung (12) erzeugt der Term I(t)*1 eine Gleichstromkomponente des Ausgangssignales O(t+t'&sub0;), die proportional zum Mittelwert der Eingangsintensität ist. Dieser Term kann durch eine geeignete Ausrichtung oder durch arithmetische Verarbeitung leicht entfernt werden. In der folgenden Beschreibung wird dieser Term daher ignoriert.

Optische Abtasteinrichtung

Das elektrische Signal V(t) wird so gewählt, daß es proportional zu h(-t) ist, so daß
h(t) V(t)=h(t) V(-t)=h(t) h(t) (13)
Die Funktion h(t) wird so gewählt, daß sie gleich
ist, wobei p(t-mw) für mw< t≤(m+1)w Eins ist und sonst Null ist und wobei P (P, ..., PM-1) ein Pseudo-Zufallscode mit kleinen Nebenkeulen ist. Für eine solche Auswahl ist der Term h(t) V(t) in Gleichung (12) im wesentlichen gleich einem einzelnen schmalen Impuls, so daß das Ausgangssignal O(t+t'&sub0;) ein Hochauflösungs-Antastwert von I(t) ist. V(t) ist nur in dem Intervall von t=0 bis t=mw nicht Null. Dieses Intervall wird als "Schuß" bezeichnet.
Barker-Codes sind dafür bekannt, daß sie solche Eigenschaften haben. Barker-Codes haben insbesondere eine Mittelkeule (P*P)k, die gleich M ist, und Nebenkeulen (d.h. (P*P)k für k≠0), die -1, 0 oder +1 sind (siehe beispielsweise R.H. Barker, "Group synchronization of binary digital systems" in W. Jackson, Ed., Communication Theory, Academic Press, New York, 1953). Die Bandbreite kann daher um einen Faktor der Ordnung N vergrößert werden, wenn ein Barker-Code der Länge N verwendet wird. Wie in Fig. 7 gezeigt, kann dieses Spannungssignal von einem Schaltkreis erzeugt werden, der eine Kurzimpulsquelle 71, eine angezapfte Mikrowellen-Verzögerungsleitung 72, einen Mechanismus 73 zum Steuern der Polaritäten in jedem der Abgriffe und eine Ausgangsleitung 74 aufweist, in der die abgegriffenen Impulse kombiniert werden, um V(t) zu erzeugen. Solche Schaltungen sind allgemein bekannt, und die Einzelheiten hängen vom Betriebsfrequenzbereich ab. Das Beispiel von Fig. 7 zeigt den besonderen Fall, bei dem der Pseudo-Zufallscode der Barker- Code (+1, -1, +1, +1) ist. Der Modulator von Fig. 1 implementiert ebenfalls diesen Barker-Code.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird φ nicht gleich einem ungeradzahligen Vielfachen von Π/2 gewählt, sondern es wird so gewählt, daß es im wesentlichen gleich einem Vielfachen von Π ist. Für diese Wahl wird Gleichung (12) zu
I(t) [1+cos(2h(t) V(t))]/2 (14)
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß sie Nebenkeulen unterdrückt. Diese Unterdrückung ist in Fig. 4A für den Fall φ=0 gezeigt. Eine Kurve 41 gibt die Übertragungsfunktion [1+cos(x)] wieder, eine Kurve 42 gibt das Argument 2h(t) V(t) in Gleichung (14) wieder, und Kurve 43 gibt [1+cos(2h(t) V(t)] wieder. Aufgrund der geringen Steigung der Kurve 1+cos x für kleine Werte von x werden die Nebenkeulen relativ zur Mittelkeule unterdrückt.
Bei einer anderen, in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform wird die Korrelation nicht analog sondern digital durchgeführt, indem eine codierte angelegte Spannung V(t) verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform ist V(t) eine Deltafunktion (d.h ein einzelner schmaler Impuls), so daß das Ausgangssignal O(t+t'&sub0;) proportional zur Faltung von I(t) mit h(t) ist. Ein Verstärker 61 verstärkt dieses Signal zur Eingabe in einen digitalen Korrelator 62, der dann diese Daten mit h(t) korreliert, um den Antastwert von I(t) zu extrahieren. Das Korrelator-Ausgangssignal wird der Verarbeitungselektronik 53 zugeführt.

Elektrische Abtasteinrichtung

Bei der elektrischen Abtasteinrichtung wird φ als ein ungeradzahliges Vielfaches von Π/2 gewählt, so daß Gleichung (11) im wesentlichen gleich Gleichung (12) ist, I(t) wird proportional zu h(t) gewählt, und h(t) wird wiederum so gewählt, daß es gemäß eines Pseudo-Zufallscodes mit kleinen Nebenkeulen erzeugt wird. Wie unterhalb der Gleichung (12) angegeben, kann Gleichung (12) umgeschrieben werden zu
I(t)l+[I(t) h(t)] V(t) (15)
Da I(t)*h(t) im wesentlichen gleich einer Deltafunktion (d.h. einem einzelnen schmalen Impuls) ist, ist das Ausgangssignal O(t+t'&sub0;) gleich einem Gleichstrom-Term plus einem Impuls, dessen Höhe proportional zu V(t) zu der Zeit ist, zu der I(t) zum erstenmal nicht Null wird. Wie bei der Ausführungsform von Fig. 8 gezeigt, kann das in den Modulator 51 eingegebene optische Signal von einem zweiten codierten, geschalteten Elektroden-Wanderwellen-Modulator 81 mit demselben Code wie Modulator 51 erzeugt werden. Das optische Eingangssignal für Modulator 81 ist Dauerwellenlicht, und das elektrische Eingangssignal ist ein kurzer elektrischer Impuls. Dies erzeugt am optischen Ausgang 82 des Modulators 81 das codierte optische Signal, welches in Modulator 51 eingegeben wird.
Wie im Fall der optischen Abtasteinrichtung, ist bei einer anderen Ausführungsform der elektrischen Abtasteinrichtung das optische Signal eine Deltafunktion, so daß die im Speicher gespeicherten Daten die Faltung von h(t) mit V(t) sind. Der Korrelator 62 korreliert dann mathematisch diese Daten mit h(t), um den Abtastwert von I(t) zu extrahieren.

Schneller optischer Impulsgenerator

Wenn das optische Eingangssignal des Modulators von Fig. 1 konstant ist und die angelegte Spannung proportional zu h(t) ist, dann zeigt die obige Erläuterung, daß das Ausgangssignal O(t+t'&sub0;) einen einzelnen schmalen Impuls enthält. Dieses Gerät kann also auch zum Erzeugen schneller optischer Impulse verwendet werden.

Golay-Code-Ausführungsform

Bei einer anderen Ausführungsform einer der obigen Einrichtungen ist der Pseudo-Zufallscode ein Golay-Code anstelle eines Barker-Codes. Ein Golay-Paar ist definiert als ein Paar von Pseudo-Zufallscodes G¹=(G¹&sub0;,...G¹M-1) und G²=(G¹&sub0;,...G²M-1) welches der folgenden Beziehung genügt
(G¹*G¹)k + (G²*G²)k = 2M δ0k (4)
wobei δ0k die Kroneker-Deltafunktion ist. Eine Ausführungsform, die diesen Code verwirklicht, verwendet ein Paar von Modulatoren, wie in Fig. 1, wobei der erste Modulator ein Elektrodenmuster gemäß G¹ hat und der zweite Modulator ein Elektrodenmuster gemäß G² hat. Bei der optischen Abtasteinrichtung ist die angelegte Spannung für den ersten dieser Modulatoren eine zeitliche Kopie des Elektrodenmusters, welches G¹ verwirklicht, und die angelegte Spannung für den zweiten dieser Modulatoren ist eine zeitliche Kopie des Elektrodenmusters, welches G² verwirklicht. Die Ausgangszweige 14 dieser beiden Modulatoren sind so verbunden, daß sie die optischen Ausgangssignale von beiden Modulatoren addieren, bevor sie vom Detektor 52 erfaßt werden.
Alternativ können in einer optischen Abtasteinrichtung beide Codes in einem einzigen Modulator implementiert sein, wie dem von Fig. 1. In diesem Fall sind die Elektroden 15 und 16 so konfiguriert, daß sie G¹ über dem Zweig 112 des optischen Wellenleiters verwirklichen, und die Elektroden 16 und 17 sind so konfiguriert, daß sie G² über dem Zweig 112 des optischen Wellenleiters verwirklichen. Die angelegte Spannung für Elektrode 15 ist eine zeitliche Kopie des Elektrodenmusters, welches G¹ verwirklicht, und die angelegte Spannung für Elektrode 17 ist eine zeitliche Kopie des Elektroderintusters, welches G² verwirklicht.
Obwohl sowohl der Golay- als auch der Barker-Code nur die Werte +1 und -1 aufweisen, sollte klar sein, daß der oben beschriebene Aufbau der Abtasteinrichtung nicht auf Codes mit nur diesen beiden Werten beschränkt ist. Für ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis ist es jedoch vorteilhaft, einen Code mit nur den Werten +1 und -1 zu verwenden. Jedes Bit in dem codierten Eingangssignal tastet das andere Signal ab, während das codierte Signal am anderen Signal vorbeigeht. Die Korrelationsoperation dient zum Kombinieren dieser Antastwerte derart, daß ein einziger Abtastwert einer zeitlichen Breite L/M v, extrahiert wird, wobei v die Gruppengeschwindigkeit des codierten Signales ist. Es sei auch bemerkt daß der Barker- und der Golay-Code spezielle Fälle einer Klasse von Pseudo- Zufallscodes sind, welche der Gleichung
genügen, die für k ≠ 0 viel kleiner ist als für k = 0. Der Barker- und der Golay-Code sind Beispiele, bei denen Prm = Qrm für jeden Wert von r und m von 0 bis zu den ganzzahligen Werten R bzw. M. Der Barker-Code ist ein Beispiel für R = 1, und der Golay-Code ist ein Beispiel für R = 2.

Claims

1. Elektrooptische Abtasteinrichtung, mit einem Prüfeingang (11, 18) zum Empfangen eines abzutastenden Prufsignales S(t), einer Bezugssignalquelle (71, 73), einem Bezugseingang (18, 11) zum Empfangen eines Bezugssignales Rr(t) (r=0, ...., R-1) von der Bezugssignalquelle und einem codierten, geschalteten Elektroden-Wanderwellen-Modulator (12, 13, 15 - 17), der einen Modulatorausgang (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung auf das Anlegen des Bezugssignales und des Prüfsignales an den Bezugseingang bzw. den Prüfeingang (18, 11) anspricht, um ein Ausgangssignal O(t) zu bilden, das proportional ist zu

wobei:

- hr(t) die Funktion der Impulsantwort der Abtasteinrichtung ist, wenn S(t) und Rr(t) beide Deltafunktionen sind,

- eine Faltung bezeichnet und

- * eine Korrelation bezeichnet,

und wobei die Bezugssignalquelle das Bezugssignal Rr(t) erzeugen kann, so daß

im wesentlichen gleich einer Deltafunktion plus einer Fehlerfunktion ist, deren Spitzenamplitude viel kleiner als das Integral der Deltafunktion ist.

2. Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion der Impulsantwort (hr(t)) der Antasteinrichtung gegeben ist durch

die Funktionen (Rr(t)) gegeben sind durch

wobei p(t-mw) = 1, wenn m w < t ≤ (m+1) w und wobei

für k≠0 viel kleiner ist als fur k=0.

3. Abtasteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß R=1 und P&sup0;m=Q&sup0;m für jeden Wert von m, und (P&sup0;&sub0;,...,P&sub0;M-1) ein Barker-Code ist.

4. Abtasteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator R Lichtwege aufweist, wobei der r-te Lichtweg eine zugeordnete codierte geschaltete Elektrode zum Modulieren des optischen Signales in diesem Weg gemäß dem Code

(Pr&sub0;, ..., PrM-1)

hat.

5. Abtasteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfeingang (18) elektrisch mit jeder der codierten geschalteten Elektroden (15 - 17) verbunden ist, und daß die Abtasteinrichtung ferner eine optische Eingabevorrichtung (51) zum Anlegen eines optischen Signales Rr(t) an einen Eingang (11) des r-ten Lichtweges (für r=0, ..., R-1) hat, so daß die Abtasteinrichtung als eine elektrische Signalabtasteinrichtung arbeitet.

6. Abtasteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Eingabevorrichtung bei einem Eingang des r-ten Lichtweges (für r=0, ..., R-1) einen zugeordneten codierten, geschalteten Elektroden-Wanderwellen-Modulator (51) mit einer nach Maßgabe des Codes (Qr, ...., QrM-1) codierten Elektrode hat.

7. Abtasteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfeingang (11) optisch mit dem Eingang (11) jedes der Lichtwege verbunden ist, und daß die Abtasteinrichtung ferner eine elektrische Eingabevorrichtung (71 - 73) zum Anlegen eines elektrischen Signales Rr(t) an die codierte Elektrode (15 - 17) des r-ten Bezugs-Lichtweges (für r=0, ..., R-1) aufweist, so daß die Abtasteinrichtung als eine Lichtsignal-Abtasteinrichtung arbeitet.

8. Abtasteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Eingabevorrichtung eine Verzögerungsleitung mit Abgriffen (71 - 73) aufweist, die mit einem Eingang zu den codierten Elektroden (15 - 17) des r-ten Lichtweges (für r=0, ..., R-1) verbunden ist, in dem die Abgriffe ein elektrisches Signal erzeugen, das gemäß dem Code Qr codiert ist.

9. Abtasteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß R=2, Prm=Qrm für jeden Wert von r und m, (P&sup0;&sub0;,..., P&sup0;M-1) ein Golay-Code G&sub1; der Länge M ist und (P¹&sub0;, ..., P¹M-1) ein zu G&sub1; konjugierter Golay-Code G&sub2; ist.

10. Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatorvorrichtung (12, 13, 15 - 17, 19 - 116) einen Satz aus R-Kanälen (112, 115) 0, ..., R-1 aufweist, wobei im r-ten Kanal ein digitales elektrisches Zwischensignal Ir(t) gebildet wird, das gleich [hr(t) S(t)] ist, wobei jedes Bezugssignal Rr(t) im wesentlichen gleich einer Deltafunktion ist, so daß das elektrische Zwischensignal Ir(t) im wesentlichen gleich hr(t) S(t) ist, und daß die Modulatorvorrichtung (12, 13, 15 - 17, 19 - 116) ferner einen digitalen Korrelator (62) zum Korrelieren jedes Ir(t) mit Rr(t) und Erzeugen des Ausgangssignales O(t) als der Summe dieser digitalen Korrelationen aufweist.

11. Abtasteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfsignal 5(t) im wesentlichen konstant ist und daß die Abtasteinrichtung als ein schneller optischer Impulsgenerator arbeitet.

12. Abtasteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wanderwellen-Modulator (11 - 116) einen einzelnen Eingangs-Lichtweg (11) aufweist, der sich in R Lichtwege (112, 115) verzweigt welche in einem gemeinsamen optischen Ausgang (14) verschmelzen, wobei jeder Zweig seinen eigenen zugeordneten Satz (15, 16; 16, 17) codierter geschalteter Elektroden (15, 16; 16, 17) aufweist und wobei der r-te Zweig mit dem Code (Pr1, ...,PrR-1) codiert ist.

13. Abtasteinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß R=2, daß die Elektrodenanordnungen und die Vorspannungen eine Gegentakt-Beziehung zwischen den beiden Lichtwegen (112, 115) erzeugen, so daß ein an die Elektroden angelegtes Spannungssignal eine Phasenverschiebung in einem Lichtweg erzeugt, die negativ zur Phasenverschiebung in dem anderen ist, und daß die beiden Lichtwege einen zusätzlichen Phasenversatz eines ungeraden Vielfachen von π/2 aufweisen, wobei das Ausgangssignal O(t) eine im wesentlichen lineare Funktion der angelegten Spannung und optischen Signale ist.

14. Abtasteinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß R=2, daß die Elektrodenanordnungen und die Vorspannungen eine Gegentakt-Beziehung zwischen den beiden Lichtwegen (112, 115) erzeugen, so daß ein an die Elektroden angelegtes Spannungssignal eine Phasenverschiebung in einem Lichtweg erzeugt, der negativ zur Phasenverschiebung in dem anderen ist, und daß die beiden Lichtwege einen zusatzlichen Phasenversatz eines geraden Vielfachen von π/2 aufweisen, wobei der Teil des Ausgangssignales O(t) unterdrückt wird, der durch die Nebenkeulen in der Korrelation

entsteht.