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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft den Bereich optischer Messungen und Meßsysteme
im allgemeinen und ein System und ein Verfahren der optischen heterodynen
Detektion eines optischen Signals gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 respektive 8 im speziellen. Ein System und ein Verfahren dieser
Art sind aus
US 4,856,093 bekannt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Optische
heterodyne Detektionssysteme werden verwendet, um ein optisches
Signal zu analysieren. 1 ist die Darstellung eines
optischen heterodynen Detektionssystems auf dem Stand der Technik,
das einen optischen Koppler 110 umfaßt, der ein Eingangssignal 102 aus
einer Eingangsfaser 104 mit einem lokalen Oszillatorsignal 106 aus
einer lokalen Oszillatorfaser kombiniert. Das kombinierte optische
Signal verläuft
in einer Ausgangsfaser 118 und wird von einem Fotodetektor 112 gelesen.
Der Fotodetektor wandelt optische Strahlung aus dem kombinierten
optischen Signal in ein elektrisches Signal um. Das elektrische
Signal wird von einem Signalprozessor 116 verarbeitet,
um Eigenschaften des Eingangssignals, wie Wellenlänge und
Amplitude, zu bestimmen. Um die optische heterodyne Detektion zu
optimieren, ist es wichtig, daß die
Polarisation des Eingangssignals an die Polarisation des lokalen
Oszillatorsignals angepaßt
ist. Um die Polarisation des lokalen Oszillatorsignals an die Polarisation
des Eingangssignals anzupassen, umfaßt das lokale Oszillatorsignal
einen Polarisationsregler 120, wie durch die beiden Schleifen
im Glasfaserleiter des lokalen Oszillators angedeutet. Ein Nachteil
des optischen heterodynen Detektionssystems in 1 ist
es, daß die
Detektion des Eingangssignals stark von der Polarisierung des Eingangssignals
abhängig
ist.
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Ein
Polarisationsdiversitätsreceiver
kann in ein optisches heterodynes Detektionssystem aufgenommen werden,
um eine polarisationsunabhängigen
Signaldetektion zu bieten. 2 ist die
Darstellung eines optischen heterodynen Detektionssystems, das einen
Polarisationsdiversitätsreceiver
einbindet. In der gesamten Spezifikation sind gleiche Elemente mit
gleichen Elementnummern gekennzeichnet. Das optische heterodyne
Detektionssystem umfaßt
einen Polarisationsregler 220 an der lokalen Oszillatorfaser 208,
einen optischen Koppler 210, einen polarisierenden Strahlteiler 224,
zwei Fotodetektoren 212 und 214 und einen Pro zessor 216.
Der polarisierende Strahlteiler teilt das kombinierte optische Signal
in zwei polarisierte Strahlen, die von den jeweiligen Fotodetektoren
getrennt gelesen werden. Die polarisierten Strahlen, die von den
beiden Fotodetektoren gelesen werden, umfassen eine Komponente des
Intensitätsrauschens
und eine heterodyne Komponente, wie im Bereich der optischen heterodynen
Detektion bekannt. Die heterodynen Komponenten der polarisierten
Strahlen werden verwendet, um die gewünschten Eigenschaften des optischen
Eingangssignals, wie Wellenlänge
und Amplitude, zu bestimmen.
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Die
Verarbeitung der von den zwei Fotodetektoren 122 und 124 erzeugten
elektrischen Signale erfordert das Quadrieren der von den zwei polarisierten
Strahlen erzeugten elektrischen Signale, Tiefpaßfilterung der quadrierten
Größen und
dann die Addition der gefilterten Größen. Obwohl der Polarisationsdiversitätsreceiver
eine polarisationsunabhängige
Signaldetektion bietet, bietet der Polarisationsdiversitätsreceiver
keine Möglichkeit,
die Komponenten des Intensitätsrauschens
von den heterodynen Komponenten des kombinierten optischen Signals
zu trennen. Um die Leistung heterodyner Detektionssysteme hinsichtlich
der Parameter wie Empfindlichkeit und Dynamikbereich zu verbessern,
ist es notwendig, deutlich zwischen den heterodynen Komponenten
und den Komponenten des Intensitätsrauschens des
kombinierten optischen Signals, welches das Eingangssignal und das
lokale Oszillatorsignal umfaßt,
unterscheiden zu können.
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In
Anbetracht der Beschränkungen
des Stands der Technik, wird ein optisches heterodynes Detektionssystem
benötigt,
das Polarisationsunabhängigkeit
und Unterdrückung
des Intensitätsrauschens
bietet.
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ABRISS DER
ERFINDUNG
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Ein
System und ein Verfahren zur optischen heterodynen Detektion eines
optischen Signals umfaßt
einen optischen Koppler und einen polarisierenden Strahlteiler,
der ein kombiniertes Eingangssignal und lokales Oszillatorsignal
in vier polarisierte Strahlen teilt. Die vier polarisierten Strahlen
werden von vier Fotodetektoren gelesen, die in Reaktion auf die vier
polarisierten Strahlen vier verschiedene elektrische Signale erzeugen.
Die vier elektrischen Signale werden dann verarbeitet, um einen
Ausgangsimpuls bereitzustellen, der unabhängig ist vom Polarisationszustand
des ursprünglichen
Eingangssignals und in dem das Intensitätsrauschen unterdrückt ist.
Die Verarbeitung der elektrischen Signale, um das Intensitätsrauschen
zu unterdrücken,
erfordert den Ausgleich der Komponente des Intensitätsrauschens
der gleichartig polarisierten Strahlen durch Subtraktion der auf
die gleichartigen pola risierten Strahlen bezogenen Signale. Die
Verarbeitung der elektrischen Signale, um Polarisationsdiversität zu erreichen,
erfordert das Quadrieren des durch die beiden Subtraktionsschritte
erzeigten Werts, die Tiefpaßfilterung
der quadrierten Werte und dann die Addition der gefilterten Werte.
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Eine
Ausführungsform
des optischen heterodynen Detektionssystems umfaßt ein Eingangssignal und ein
lokales Oszillatorsignal, die in einem optischen Koppler kombiniert
werden, um ein kombiniertes optisches Signal zu erzeugen. Der optische Koppler
umfaßt
zwei Ausgänge
zur Ausgabe eines ersten Strahls und eines zweiten Strahls des kombinierten
optischen Signals. Ein polarisierter Strahlteiler ist optisch mit
dem optischen Koppler verbunden, um den ersten Strahl und den zweiten
Strahl zu empfangen. Der polarisierende Strahlteiler umfaßt vier Ausgänge zur
Ausgabe von vier Strahlen einschließlich zweier polarisierter
Teile des ersten Strahls und zweier polarisierter Teile des zweiten
Strahls. Vier Fotodetektoren sind optisch mit dem polarisierenden Strahlteiler
verbunden, um je einen anderen der vier Strahlen zu empfangen. Die
vier Fotodetektoren erzeugen vier elektrische Signale in Reaktion
auf jeweilige der vier Strahlen.
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In
einer Ausführungsform
bezieht sich der erste Fotodetektor auf einen gewöhnlichen
Teil des ersten Strahls und der zweite Fotodetektor bezieht sich
auf einen ungewöhnlichen
Teil des ersten Strahls. Der dritte Fotodetektor bezieht sich auf
einen gewöhnlichen
Teil des zweiten Strahls und der vierte Fotodetektor bezieht sich
auf einen ungewöhnlichen Teil
des zweiten Strahls. Um das mit den vier Strahlen verbundene Intensitätsrauschen
zu unterdrücken,
umfaßt
das System weiter einen Prozessor, um das vom ersten Fotodetektor
erzeugte elektrische Signal von dem vom dritten Fotodetektor erzeugte
elektrische Signal zu subtrahieren, wobei ein erstes subtrahiertes
Signal erzeugt wird, und um das vom zweiten Fotodetektor erzeugte
elektrische Signal von dem vom vierten Fotodetektor erzeugte elektrische Signal
zu subtrahieren, wobei ein zweites subtrahiertes Signal erzeugt
wird.
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Um
ein Ausgangssignal zu erzeugen, das von der Polarisation des ursprünglichen
Eingangssignals unabhängig
ist, quadriert der Prozessor das erste subtrahierte Signal, wobei
ein erstes quadriertes Signal erzeugt wird, quadriert das zweite
subtrahierte Signal, wobei ein zweites quadriertes Signal erzeugt
wird, filtert die ersten und zweiten quadrierten Werte durch Tiefpaßfilterung,
wobei ein erstes und zweites gefiltertes Signal erzeugt wird und
addiert dann das erste gefilterte Signal zu dem zweiten gefilterten
Signal.
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Vor
Verwendung des Systems zur Messung eines Eingangssignals kann es
notwendig sein, das System zu kalibrieren. Es kann ein Schalter
im System integriert sein, um das Ein gangssignal so zu blockieren,
das der optische Koppler, der polarisierende Strahlteiler und die
Empfindlichkeit der Fotodetektoren kalibriert werden können.
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Ein
Verfahren zur Überwachung
eines optischen Signals mit Hilfe von optischer heterodyner Detektion
erfordert die Kombination eines Eingangssignals mit einem lokalen
Oszillatorsignal und die Ausgabe des ersten Strahls und des zweiten
Strahls eines kombinierten optischen Signals. Der erste Strahl wird
in einen ersten Teilstrahl, der einen ersten Polarisationszustand
aufweist, und in einen zweiten Teilstrahl, der einen zweiten Polarisationszustand aufweist,
geteilt. Der zweite Strahl wird in einen dritten Teilstrahl, der
den ersten Polarisationszustand aufweist, und in einen vierten Teilstrahl,
der den zweiten Polarisationszustand aufweist, geteilt. Der erste Teilstrahl
wird gelesen und in Reaktion auf den ersten Teilstrahl wird ein
erstes elektrisches Signal erzeugt. Der zweite Teilstrahl wird gelesen
und in Reaktion auf den zweiten Teilstrahl wird ein zweites elektrisches Signal
erzeugt. Der dritte Teilstrahl wird gelesen und in Reaktion auf
den dritten Teilstrahl wird ein drittes elektrisches Signal erzeugt.
Der vierte Teilstrahl wird gelesen und in Reaktion auf den vierten
Teilstrahl wird ein viertes elektrisches Signal erzeugt. Der erste,
zweite, dritte und vierte Teilstrahl wird verarbeitet, um die Komponenten
des Intensitätsrauschens
der vier Strahlen zu unterdrücken
und Polarisationsunabhängigkeit
zu erreichen.
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In
einer Ausführungsform
erfordert der Prozeß die
Subtraktion des ersten elektrischen Signals vom dritten elektrischen
Signal zur Unterdrückung des
Intensitätsrauschens,
wobei ein erstes subtrahiertes Signal erzeugt wird, die Subtraktion
des zweiten elektrischen Signals vom vierten elektrischen Signal
zur Unterdrückung
des Intensitätsrauschens, wobei
ein zweites subtrahiertes Signal erzeugt wird, das Quadrieren des
ersten subtrahierten Signals, wobei ein erstes quadriertes Signal
erzeugt wird, das Quadrieren des zweiten subtrahierten Signals,
wobei ein zweites quadriertes Signal erzeugt wird, die Tiefpaßfilterung
des ersten und zweiten quadrierten Signals, wobei ein erstes und
zweites gefiltertes Signal erzeugt wird, und die Addierung des ersten
gefilterten Signals zum zweiten gefilterten Signal, um Polarisationsunabhängigkeit
zu erreichen.
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Das
optische heterodyne Detektionssystem und -verfahren stellt ein optisches
Meßsystem
bereit, das in einem breiten Spektrum von Wellenlängen präzise ist.
Das optische heterodyne Detektionssystem und -verfahren kann als
optischer Spektrumsanalysator verwendet werden, um ein unbekanntes Eingangssignal
zu beschreiben. Das optische heterodyne Detektionssystem und -verfahren
kann auch als optischer Netzwerkanalysator verwendet werden, in
dem ein bekanntes Signal in ein optisches Netzwerk eingegeben und
das Ausgangssignal vom Detektionssystem gemessen wird.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung
mit den zugehörigen
Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen,
aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung hervorgehen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
die Darstellung eines optischen heterodynen Detektionssystems, das
gemäß dem Stand
der Technik einen einzelnen Fotodetektor umfaßt.
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2 ist
die Darstellung eines optischen heterodynen Detektionssystems, das
gemäß dem Stand
der Technik einen Polarisationsdiversitätsreceiver umfaßt.
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3 ist
die Draufsicht eines optischen heterodynen Detektionssystems, das
erfindungsgemäß einen
polarisierenden Strahlteiler und einen Quadrant Receiver umfaßt.
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4 ist
die Seitenansicht eines optischen heterodynen Detektionssystems,
das erfindungsgemäß den polarisierenden
Strahlteiler und den Quadrant Receiver umfaßt.
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5 ist
die Vorderansicht des in 3 und 4 dargestellten
erfindungsgemäßen optischen heterodynen
Detektionssystems.
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6 ist
eine graphische Darstellung der Signalverarbeitung, die erfindungsgemäß an den
vom Quadrant Receiver erzeugten elektrischen Signalen durchgeführt wird.
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7 ist
die Draufsicht eines optischen heterodynen Detektionssystems ähnlich den
optischen heterodynen Detektionssystemen in 3 und 4,
das erfindungsgemäß einen
Schalter und eine Linse umfaßt.
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8 ist
ein Prozeßdiagramm
des Verfahrens zur Überwachung
eines Eingangssignals unter Verwendung von optischer heterodyner
Detektion.
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8 ist
ein Prozeßdiagramm
von zusätzlichen
auf 8 bezogenen Verarbeitungsschritten.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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3 ist
die Draufsicht eines optischen heterodynen Detektionssystems, das
ein Eingangssignal 302, eine Signalfaser 304,
ein lokales Oszillatorsignal 306, eine lokale Oszillatorfaser 308,
einen optischen Koppler 310, ein polarisierenden Strahlteiler 324,
einen Quadrant Receiver 312 und einen Prozessor 316 umfaßt.
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Das
Eingangssignal 302 und das lokale Oszillatorsignal 306 umfassen
optische Signale, die, wie im Bereich optischer Kommunikationssysteme
bekannt, von herkömmlichen
Vor richtungen erzeugt werden. Das Eingangssignal und das lokale
Oszillatorsignal können
zum Beispiel von Lasern erzeugt sein. Das Eingangssignal kann aus
einer einzigen Wellenlänge
bestehen oder das Eingangssignal kann, wie im Bereich des Wellenlängenmultiplexing bekannt,
mehrere Wellenlängen
umfassen. Das Eingangssignal kann ein optisches Signal sein, das über unbekannte
optische Eigenschaften verfügt,
in welchem Fall das optische heterodyne Detektionssystem zur optischen
Spektralanalyse verwendet werden kann. Alternativ kann das Eingangssignal
ein optisches Signal sein, das mit bekannten optische Eigenschaften
eingegeben wird, in welchem Fall das optische heterodyne Detektionssystem
zur optischen Netzwerkanalyse verwendet werden kann. Vorzugsweise
ist das lokale Oszillatorsignal ein von einem abstimmbaren Breitbandlaser
erzeugtes breit, abstimmbares optisches Signal. Das lokale Oszillatorsignal
kann zum Beispiel in einem Bereich von einen Nanometer oder mehr
abstimmbar sein. Während der
Detektion des Eingangssignals läßt man das
lokale Oszillatorsignal üblicherweise über einen
Wellenlängenbereich
wobbeln, um das Eingangssignal zu erfassen.
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Die
Signalfaser 304 überträgt das Eingangssignal
oder die Eingangssignale, die vom System erkannt werden sollen.
In einer Ausführungsform
ist die Signalfaser ein unter Fachleuten bekannter Singlemode-Lichtwellenleiter,
obwohl andere optische Wellenleiter verwendet werden können. Darüber hinaus
können,
obwohl Wellenleiter beschrieben werden, optische Signale auch durch
freie Strahlausbreitung in das System eingegeben oder im System übermittelt
werden.
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Die
lokale Oszillatorfaser 308 ist ein Lichtwellenleiter, wie
etwa ein Singlemode-Lichtwellenleiter,
der die lokalen Oszillatorsignale trägt. Die lokale Oszillatorfaser
kann einen Polarisationsregler 320 umfassen, der den Polarisationszustand
des lokalen Oszillatorsignals regelt. Statt des SingleMode-Lichtwellenleiters
können
andere optische Wellenleiter, wie etwa eine polarisationserhaltende
Faser verwendet werden. Alternativ kann das lokale Oszillatorsignal
durch freie Strahlenausbreitung ohne die Verwendung eines Wellenleiters übermittelt
werden.
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Der
optische Koppler 310 kombiniert das Eingangssignal und
das lokale Oszillatorsignal auf gemeinsamen Wellenleitern. Wie in 3 dargestellt kombiniert
der optische Koppler das Eingangssignal und das lokale Oszillatorsignal
und verteilt das kombinierte optische Signal in zwei Ausgangsfasern 318 und 328.
In einer Ausführung
werden das Eingangssignal und das lokale Oszillatorsignal auf eine
Art kombiniert, die die räumliche Überschneidung
des Eingangssignals und des lokalen Oszillatorsignals sicherstellt,
wodurch volle Überlagerung
zwischen Eingangssignal und lokalem Oszillatorsignal erzeugt wird.
Die Stärkevertei lung
des Eingangssignals und des lokalen Oszillatorsignals zwischen den
beiden Ausgangsfasern wird vom optischen Koppler beeinflusst und
kann geregelt werden, um die gewünschte Stärkeverteilung
zu erzielen. In einer Ausführungsform
wird die Stärke
des kombinierten optischen Signals annähernd gleichmäßig zwischen
den beiden Ausgangsfasern verteilt.
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Der
optische Koppler 310 kann ein optischer 3dB-Richtkoppler
sein, obwohl andere optische Koppler verwendet werden können. In
einer Ausführungsform
ist der optische Koppler im wesentlichen von der Polarisation der
optischen Signale unabhängig.
In einer Ausführungsform
polarisiert der optische Koppler das kombinierte optische Signal
nicht. Die an den optischen Koppler angeschlossenen beiden Ausgangsfasern 318 und 328 übertragen
das kombinierte optische Signal zum polarisierenden Strahlteiler.
In einer Ausführungsform
ist die Länge
der beiden Ausgangsfasern so gewählt,
daß ausreichende Dämpfung jedes
Mantelmodus gewährleistet
ist, bevor das Licht des Eingangssignals oder des lokalen Oszillatorsignals
das Ende einer der beiden Ausgangsfasern erreicht. Zum Beispiel
sollte die Länge der
beiden Ausgangsfasern so gewählt
werden, daß das
Licht des Mantelmodus weniger als ein Prozent des gesamten aus jeder
der Ausgangsfasern ausgestrahlten Lichts ausmacht.
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Der
polarisierende Strahlteiler 324 teilt einen eingehenden
optischen Strahl in zwei polarisierte Strahlen. Der polarisierende
Strahlteiler kann zum Beispiel einen doppelbrechenden Kristall umfassen, der
für Walk-off
der Polarisation sorgt, wie etwa ein Walk-off-Rutilkristall. Wie nachstehend beschrieben, trennt
der polarisierende Strahlteiler jeden der kombinierten optischen
Signalstrahlen in zwei Strahlen mit verschiedenen Polarisationszuständen. Vorzugweise trennt
der polarisierende Strahlteiler jeden der eingehenden Strahlen in
zwei linear polarisierte Komponenten, die über eine Polarisation in orthogonaler Richtung
verfügen.
Obwohl der polarisierende Strahlteiler als einzelne Vorrichtung
beschrieben ist, kann der polarisierende Strahlteiler mehrere Strahlteiler
umfassen in Konfigurationen, welche die Aufgabe erfüllen, einen
eingehenden Strahl basierend auf Strahlenpolarisation zu teilen.
Des weiteren, obwohl der optische Koppler und der polarisierende Strahlteiler
als physisch getrennte, durch Lichtwellenleiter verbundene Vorrichtungen
dargestellt sind, können
der optische Koppler und der polarisierende Strahlteiler in einer
planaren Wellenleiterschaltung integriert sein, die keine Verbindungen
aus Lichtwellenleitern benötigt.
Es wird davon ausgegangen, daß andere
polarisierende Strahlteiler verwendet werden können.
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4 ist
einen Seitenansicht des polarisierenden Strahlteilers 324,
des Quadrant Receivers 312 und des Prozessors 316. 4 stellt
dar, wie die beiden Strahlen des kombinierten optischen Signals in
zwei unterschiedlich polarisierte Strahlen geteilt werden, wie durch
die gestrichelten Linien 440 und 442 gekennzeichneten.
Wie in 4 dargestellt, folgt der untere Strahl 440 einem „gewöhnlicher" Weg und wird als
gewöhnlicher
Strahl bezeichnet. Der obere Strahl 442 wird auf einem "außergewöhnlichen" Weg abgelenkt und
wird als außergewöhnlicher
Strahl bezeichnet.
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In
einer Ausführungsform
wird die Polarisation des lokalen Oszillatorsignals so geregelt,
daß die Stärke des
lokalen Oszillatorsignals annähernd gleichmäßig zwischen
den vier Quadrant Receivern 312 verteilt wird.
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Der
Quadrant Receiver 312 umfaßt vier unabhängige Fotodetektoren,
die dazu angepasst sind, getrennt die vier polarisierten Strahlen
zu erkennen, die vom polarisierenden Strahlteiler 324 ausgegeben werden.
Die vier unabhängigen
Fotodetektoren sind aus Gründen
der Abkapselung in einer einzigen Einheit zusammengeschlossen, alternativ
könnten
die vier unabhängigen
Fotodetektoren jedoch zum Beispiel aus vier Fotodetektoren bestehen,
die physisch getrennt sind. Obwohl nicht dargestellt, kann der Receiver
die im Fachbereich bekannten Signalverstärker und Filter umfassen.
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5 ist
die Vorderansicht einer Ausführungsform
des in 3 und 4 dargestellten Quadrant Receivers 312,
der vier Fotodetektoren 544, 546, 548, 550 umfaßt. Wie
in 5 dargestellt, werden die beiden linken Fotodetektoren 544 und 546 des
Receivers teilweise durch „1," gekennzeichnet, was
dem Strahl (Strahl 1) entspricht, der aus der ersten Ausgangsfaser 318 des
optischen Kopplers 310 ausgegeben wird. Die beiden rechten
Fotodetektoren 548 und 550 werden teilweise durch „2," gekennzeichnet,
was dem Strahl (Strahl 2) entspricht, der aus der zweiten Ausgangsfaser 328 des
optischen Kopplers ausgegeben wird. Die beiden unteren Fotodetektoren 544 und 548 werden
teilweise durch den Buchstaben „o," gekennzeichnet, was den gewöhnlichen
Strahlen entspricht, die von dem polarisierenden Strahlteiler ausgehen.
Die beiden oberen Fotodetektoren 546 und 550 werden
teilweise durch den Buchstaben „e," gekennzeichnet, was den ungewöhnlichen
Strahlen entspricht, die von dem polarisierenden Strahlteiler ausgehen.
Nach dieser Konvention werden die vier Strahlen und die respektiven Fotodetektoren
mit „1o," „1e," „ 20," und „ 2e," gekennzeichnet.
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Die
von jedem der vier Fotodetektoren 544, 546, 548 und 550 im
Quadrant Receiver 312 erzeugten elektrischen Signale werden
einzeln dem Prozessor 316 bereitgestellt. Die vier Verbindungen
zwischen dem Quadrant Receiver und dem Prozessor sind in 3 und 4 durch
vier Linien abgebildet.
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Der
Prozessor 316 empfängt
die elektrischen Signale vom Quadrant Receiver 312 und
verarbeitet die elektrischen Signale zu verwendbaren Daten. Der
Prozessor kann eine analoge Signalverarbeitungsschaltung und/oder
eine digitale Signalverarbeitungsschaltung umfassen. In einer Ausführungsform
werden analoge Signale vom Receiver in digitale Signale konver tiert
und die digitalen Signale werden dann, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben,
verarbeitet. Es wird davon ausgegangen, daß die Verarbeitung digitaler
Signale die Konvertierung der elektrischen Signale des Fotodetektors
in digitale Signale erfordert, welche die ursprünglichen elektronischen Signale
abbilden.
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Die
unter Bezugnahme auf 3–5 beschriebene
Funktion des Systems erfordert die Kombination eines Eingangssignals
und eines gewobbelten lokalen Oszillatorsignals im optischen Koppler 310.
Das kombinierte optische Signal wird dann in zwei Strahlen geteilt,
von denen jeder einen Teil des Eingangssignals und des lokalen Oszillatorsignals umfaßt. Jeder
der beiden das kombinierte optische Signal enthaltenden Strahlen
wird dann vom polarisierenden Strahlteiler 324 in zwei
polarisierte Strahlen mit verschiedenen Polarisationszuständen geteilt.
Die polarisierten Strahlen werden dann vom Quadrant Receiver 312 erfasst
und jeder der vier Fotodetektoren 544, 546, 548 und 550 im
Receiver erzeugt elektrische Signale im Verhältnis zur Intensität der erfassten
optischen Strahlen. Die von den vier Fotodetektoren erzeugten elektrischen
Signale werden dann vom Prozessor 316 empfangen und auf eine
Art verarbeitet, welche die heterodyne Größe des kombinierten optischen
Signals isoliert und maximiert. Die Verarbeitung der elektrischen
Signale erfordert die Unterdrückung
des Intensitätsrauschens und
das Erreichen von Polarisationsdiversität. Wie oben beschrieben, kann
das System einen anfänglichen
Kalibrierungsvorgang erfordern, um genaue Ergebnisse zu liefern.
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6 ist
die beispielhafte graphische Darstellung, wie die von den vier Fotodetektoren 644, 646, 648 und 650 in
Reaktion auf das kombinierte optische Signal erzeugten elektrischen
Signale verarbeitet werden, um die Unterdrückung des Intensitätsrauschens
und Polarisationsdiversität
zu erreichen. Wie oben beschrieben, umfaßt die Signalverarbeitung vorzugsweise
digitale Signalverarbeitung, obwohl dies nicht entscheidend ist.
Zu Beginn werden Signalsubtraktionen zwischen dem „1o"-Signal und dem „2o"-Signal und zwischen
dem „1e"-Signal und dem „2e"-Signal durchgeführt. Die Subtraktionsfunktionen
werden durch die Subtraktionseinheiten 654 respektive 656 dargestellt.
Die Subtraktionsfunktionen werden durchgeführt, um durch Neutralisierung der
Komponenten des Intensitätsrauschens
der optischen Signale, die von jedem Fotodetektor empfangen werden,
die Unterdrückung
des Intensitätsrauschens
zu erreichen. Die Subtraktionsfunktionen neutralisieren das Intensitätsrauschen,
da das Intensitätsrauschen
beiden Signalen gemein ist. Das heißt, die Amplituden der „1e"- und „2e"-Signale fluktuieren
auf synchronisierte Weise und mit dem gleichen Prozentsatz zueinander
und die „1o"- und „2o"-Signale fluktuieren
auf synchronisierte Weise und mit dem gleichen Prozentsatz zueinander.
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An
den subtrahierten Signalen wird weitere Signalverarbeitung durchgeführt, um
Polarisationsdiversität
zu erreichen. Da die kombinierten optischen Signalstahlen in orthogonale
Polarisationszustände geteilt
sind, ist einer der Strahlen proportional zu cosθ und der andere Strahl proportional
zu sinθ,
wobei θ der
Polarisationswinkel des Eingangssignals ist. Im Beispiel in 6 umfassen
die von den gewöhnlichen
Strahlenteilen erzeugten elektrischen Signale eine cosθ-Größe und die
von den ungewöhnlichen
Strahlenteilen erzeugten elektrischen Signale eine sinθ-Größe. Die
cosθ-Größe wird
quadriert, wie durch die Quadriereinheit 658 dargestellt,
und die sinθ-Größe wird
quadriert, wie durch die Quadriereinheit 660 dargestellt.
Die Quadriereinheiten erzeugen Ausgangssignale, die proportional
sind zum Quadrat der Eingangssignale. Jedes der Ausgangssignale der
Quadriereinheiten wird mit den Tiefpaßfiltereinheiten 664 und 668 verbunden.
Die Tiefpaßfiltereinheiten
führen
eine Tiefpaßfilterung
an den quadrierten Ausgangssignalen durch. Jedes der Ausgangssignale
der Tiefpaßfiltereinheiten
ist mit dem Eingangsterminal einer Addiereinheit, mit 670 bezeichnet,
verbunden, die ein Anzeigensignal erzeugt, das proportional zu der
Summe der Signale der Tiefpaßfiltereinheiten
ist. Das Quadrieren der cosθ-Größe und der sinθ-Größe, die
Tiefpaßfilterung
der Größen und dann
die Addition der quadrierten und gefilterten cosθ-Größe zu der quadrierten und gefilterten sinθ-Größe liefert
ein Ergebnis, das unabhängig
von dem Winkel der Polarisation (θ) des Eingangssignals ist und
daher Polarisationsdiversität
bietet. Es wird davon ausgegangen, daß in einem digitalen System die
Subtraktions-, Quadrier-, Tiefpaßfilter- und Addiereinheiten
in einem Multifunktionsprozessor integriert sein können.
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Die
Verbindung des polarisierenden Strahlteilers 324, des Quadrant
Receivers 312, des Prozessors 316 und der Signalverarbeitungseinheiten 654, 656, 658, 660, 664, 668 und 670 erzeugt
ein System, das unempfindlich ist gegenüber dem Polarisationszustand
des Eingangssignals, und welches das Intensitätsrauschen der Teilstrahlen,
die von den vier Fotodetektoren erfasst werden, unterdrückt.
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7 ist
die Darstellung der Ausführungsform
eines optischen heterodynen Detektionssystems, das dem unter Bezugnahme
auf 3–6 beschriebenen
System ähnlich
ist. Das System in 7 umfaßt einen mit der Signalfaser 704 verbundenen
Schalter 764 und eine zwischen den beiden Ausgangsfasern 718 und 728 und
dem polarisierenden Strahlteiler angeordnete Linse 766.
Die Linse wird verwendet, um die Lichtstrahlen von den Ausgangsfasern
zum polarisierenden Strahlteiler und eventuell zum Quadrant Receiver 712 zu
lenken. Obwohl eine einzelne Linse dargestellt ist, können Mehrfachlinsen,
wie etwa faserspezifische Linsen verwendet werden.
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Der
Schalter 764 wird verwendet, um wahlweise den Durchlaß des Eingangssignals
zu blockieren, um das System zu kalibrieren. Während das Eingangssignal ausgeschaltet
ist, kann zum Beispiel der Kopplungskoeffizient als Funktion der
Wellenlänge bestimmt
werden, indem man das lokale Oszillatorsignal über eine Vielzahl von Wellenlängen wobbelt. Zusätzlich kann
die Empfindlichkeit der Fotodetektoren als Funktion der Wellenlänge bestimmt
werden, indem man das lokale Oszillatorsignal wobbelt, während das
Eingangssignal ausgeschaltet ist.
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Weiter
kann die Verteilung des lokalen Oszillatorsignals auf die Fotodetektoren
als Funktion der Wellenlänge
bestimmt werden, indem das lokale Oszillatorsignal wobbelt, während das
Eingangssignal ausgeschaltet ist. Vorzugsweise wird das lokale Oszillatorsignal
annähernd
gleichmäßig auf
die vier Fotodetektoren des Receivers verteilt wird. Wird das lokale
Oszillatorsignal nicht gleichmäßig auf
die vier Fotodetektoren verteilt, kann die Stärkeverteilung des lokalen Oszillatorsignals
unter Verwendung des Polarisationsreglers 720 angepaßt werden.
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Ein
Verfahren zur Überwachung
eines optischen Signals unter Verwendung von optischer heterodyner
Detektion wird hierin beschrieben und im Prozeßdiagramm in 8 abgebildet.
In einem Schritt 802 wird ein optisches Signal mit einem
lokalen Oszillatorsignal kombiniert und ein erster Strahl und ein
zweiter Strahl aus kombiniertem Eingangssignal und lokalem Oszillatorsignal
werden ausgegeben. In einem Schritt 804 wird der erste
Strahl in einen ersten Teilstrahl mit einem ersten Polarisationszustand
geteilt und in einen zweiten Teilstrahl mit einem zweiten Polarisationszustand.
In einem Schritt 806 wird der zweite Strahl in einen dritten
Teilstrahl mit dem ersten Polarisationszustand geteilt und in einen
vierten Teilstrahl mit dem zweiten Polarisationszustand. Das heißt, der
erste Teilstrahl und der dritte Teilstrahl haben denselben Polarisationszustand
und ebenso haben der zweite Teilstrahl und der vierte Teilstrahl
denselben Polarisationszustand. In einem Schritt 808 wird
ein erstes elektrisches Signal in Reaktion auf den ersten Teilstrahl
erzeugt. In einem Schritt 810 wird ein zweites elektrisches
Signal in Reaktion auf den zweiten Teilstrahl erzeugt. In einem Schritt 812 wird
ein drittes elektrisches Signal in Reaktion auf den dritten Teilstrahl
erzeugt. In einem Schritt 814 wird ein viertes elektrisches
Signal in Reaktion auf den vierten Teilstrahl erzeugt. In einem Schritt 816 werden
das erste, zweite, dritte und vierte elektrische Signal verarbeitet,
um die Komponenten des Intensitätsrauschens
der eingehenden Strahlen zu unterdrücken und Polarisationsunabhängigkeit
zu erreichen.
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Details
der in Schritt 816 in 8 vorgetragenen
Verarbeitung werden in 9 dargestellt. In einem Schritt 902 erfordert
die Verarbeitung die Subtraktion des ersten elektrischen Signals
vom dritten elektrischen Signal, um das Intensitätsrauschen zu unterdrücken, wobei
ein erstes subtrahiertes Signal erzeugt wird, und die Subtraktion
des zweiten elektrischen Signals vom vierten elektrischen Signal,
um das Intensitätsrauschen
zu unterdrücken,
wobei ein zweites subtrahiertes Signal erzeugt wird.
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In
einem zusätzlichen
Schritt 904 erfordert die Verarbeitung weiter die Quadrierung
des ersten subtrahierten Signals, wobei ein erstes quadriertes Signal
erzeugt wird, und die Quadrierung des zweiten subtrahierten Signals,
wobei ein zweites quadriertes Signal erzeugt wird.
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In
einem zusätzlichen
Schritt 906 erfordert die Verarbeitung weiter die Tiefpaßfilterung
des ersten quadrierten Signals, wobei ein erstes gefiltertes Signal
erzeugt wird, und die Tiefpaßfilterung
des zweiten quadrierten Signals, wobei ein zweites gefiltertes Signal
erzeugt wird.
-
In
einem zusätzlichen
Schritt 908 erfordert die Verarbeitung weiter die Addition
des ersten gefilterten Signals mit dem zweiten gefilterten Signal,
um Polarisationsunabhängigkeit
zu erreichen.