DE60105791T2

DE60105791T2 - Verfahren und vorrichtung zur messung der phasendifferenz zwischen intensitätsmodulierten optischen signalen

Info

Publication number: DE60105791T2
Application number: DE60105791T
Authority: DE
Inventors: François BABIN; Normand Cyr
Original assignee: Exfo Electro Optical Engineering Inc
Current assignee: Exfo Electro Optical Engineering Inc
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: CA2303602C; DE60105791D1; CA2303602A1; ATE277340T1; EP1272824A1; AU2001242189A1; EP1272824B1; CN100395527C; CN1430724A; WO2001075407A1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Phasendifferenzen zwischen intensitätsmodulierten optischen Signalen, insbesondere, aber nicht ausschließlich, zur Bestimmung von chromatischer Dispersion, Polarisationsmodendispersion, Veränderungen von Länge/Abstand usw.
Stand der Technik
Es ist oft notwendig oder erwünscht, die relative Gruppenlaufzeit intensitätsmodulierter optischer Signale in Elementen von optischen Systemen, insbesondere, aber nicht ausschließlich, in optischen Fasern, zu messen. Solche Messungen sind notwendig, um z. B. chromatische Dispersion (CD), Polarisationsmodendispersion (PMD) oder Spannung (Faserstreckung) zu bewerten. Die gebräuchlichsten der verschiedenen Verfahren zum Messen der relativen Gruppenlaufzeit optischer Signale, sei es für Abstandsmessungen oder für Dispersionsmessungen, beinhalten die Messung von Zeitintervallen zwischen gepulsten Signalen oder von Phasendifferenzen zwischen sinusmodulierten Signalen, abhängig davon, wie die Intensität des Lichtes moduliert wird. Wird das Licht gepulst, so ergibt sich das in Frage kommende Zeitintervall durch den gemessenen Zeitunterschied zwischen einem Referenzimpuls (von einem Impulsgeber oder einem Referenz-Lichtimpuls) und dem optischen Signalimpuls. Eine Ungenauigkeit beim Bestimmen der Ankunftszeiten der Impulse besteht darin, daß die Impulse eine endliche zeitliche Ausdehnung haben und es die Verbreitung der Impulse erschwert, sie genau zu detektieren. Dadurch und durch Jitter ist diese Technik üblicherweise ungenauer als die direkte Messung der Phasenverschiebung.
Verfahren zur Phasenverschiebungsmessung umfassen eine Modulation der Intensität von Licht einer Lichtquelle (oder mehrerer Lichtquellen) mit einem sinusmodulierten Signal bei einer vorgegebenen, ausreichend hohen Frequenz, bei CD-Messungen typischerweise mindestens 10 MHz. Das eine bzw. jedes resultierende, intensitätsmodulierte optische Signal weist üblicherweise eine Fourier-Hauptkomponente auf. Es durchläuft einen Strahlengang, wird von einem optischen Empfänger detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Das optische Signal wird beim Durchgang durch den Strahlengang verzögert und hat somit bei der Ankunft am Detektor eine Phasendifferenz gegenüber einer Referenz. Die Verarbeitung nach der Detektion unterwirft das resultierende elektrische Signal einer zusätzlichen Verzögerung gegenüber der Referenz.
Die Referenz kann aus dem elektrischen Signal, das zur Modulation der Lichtquelle(n) verwendet wird – üblicherweise von einem elektronischen Oszillator – oder von einem elektrischen Signal abgeleitet sein, das durch ein zweites optisches Signal erzeugt wird (wobei die Modulation von demselben Referenzoszillator kommt), das einen anderen Strahlengang durchlief und von einem zweiten optischen Empfänger detektiert wurde. Zeitdifferenzen werden durch Bestimmen der Phasendifferenzen zwischen den beiden elektrischen Signalen mittels elektronischer Phasendetektoren erhalten.
Die DE 197 26 931 A1 beschreibt ein Verfahren zum Messen von Phasendifferenzen zwischen zwei Signalen mittels verschiedener Detektoren, wobei ein Teilstrahl, der von einem der Signale abgeleitet ist, gleichzeitig mit der interferometrischen Messung gemessen wird. Die entsprechenden elektrischen Signale werden verarbeitet, um die Phasenmessung zu erzielen.
Bei diesen bekannten Meßverfahren werden die Zeitintervalle oder die Phasendifferenzen im elektrischen Bereich mit einem optischen Empfänger gemessen, der das modulierte Licht detektiert und das optische Signal in ein zu messendes elektrisches Signal umwandelt. Die Referenz (vom Referenzoszillator oder vom zweiten optischen Empfänger) und das zu messende Signal laufen nicht auf dem gleichen elektrischen Weg (unterschiedliche Weglängen, unterschiedliche Verstärkungen, unterschiedliche Filter...), und die im elektrischen Bereich induzierten Verzögerungen lassen sich nur schwer steuern oder kalibrieren und stehen in keinem direkten Zusammenhang mit den optischen Verzögerungen. Die Phase ist in elektronischen Systemen bei hohen Frequenzen besonders schwer zu stabilisieren, zu steuern oder zu kalibrieren. Folglich vergrößern elektronische Phasenfehler die Ungenauigkeit beim Messen von Phasenverschiebungen modulierter optischer Signale.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung strebt danach, diese Nachteile zu vermeiden. Dazu werden bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zwei unterschiedliche optische Signale, die mit derselben Frequenz intensitätsmoduliert sind, von einem Empfänger permutiert, um mehrere verschiedene Kombinationssignale zu erzeugen, in entsprechende elektrische Signale mit der Modulationsfrequenz umgewandelt, und die Phasendifferenz zwischen der Modulation der beiden optischen Signale wird aufgrund trigonometrischer Beziehungen zwischen den jeweiligen Amplituden der Kombinationen berechnet.
Da nur die relativen Amplituden der elektrischen Signale bestimmt werden müssen, können die Fehler, die der Messung der Impulsankunftszeit oder der elektrischen Phasenmessung innewohnen, vermieden werden.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen von Phasendifferenzen zwischen mindestens einem ersten und zweiten intensitätsmodulierten optischen Signal, die mit derselben Modulationsfrequenz moduliert sind, gekennzeichnet durch die Schritte: Anlegen der beiden optischen Signale nacheinander, zunächst einzeln und dann in Kombination, an optoelektrische Konvertierungsmittel zum Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Signals mit der Modulationsfrequenz an einem Ausgang der optoelektrischen Konvertierungsmittel, wobei das elektrische Signal eine Reihe unterschiedlicher Amplituden aufweist, welche dem ersten und dem zweiten optischen Signal und deren Kombinationen entsprechen, Ermitteln der unterschiedlichen Amplituden und Berechnen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten intensitätsmodulierten optischen Signal aus den ermittelten Amplituden und unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen zwischen Amplitude und Phasenwinkel.
Zum Messen der chromatischen Dispersion kann das Verfahren den Schritt umfassen, bei dem die Wellenlänge eines der beiden optischen Signale oder beider verändert wird, die Phasendifferenz bei jeder von mehreren ausgewählten Wellenlängen gemessen wird und die chromatische Dispersion aus den resultierenden mehreren Phasendifferenz- und Wellenlängenmessungen abgeleitet wird.
Zum Messen der Gruppenlaufzeit abhängig vom Polarisationszustand kann das Verfahren den Schritt der Veränderung des Polarisationszustandes eines der beiden optischen Signale und des Messens der Phasendifferenz für jeden von mehreren unterschiedlichen Polarisationszuständen umfassen.
Zum Messen der Streckung kann das Verfahren die Schritte umfassen, bei denen die wirksame optische Weglänge eines Elementes in dem Ausbreitungsweg, der von einem der beiden optischen Signale genommen wird, und die Phasendifferenz für jede von mehreren unterschiedlichen Längen gemessen wird.
Die beiden optischen Signale können durch Teilung von intensitätsmoduliertem Licht einer einzigen Quelle erzeugt und entlang unterschiedlicher Ausbreitungswege geleitet werden. Alternativ dazu können die optischen Signale von zwei oder mehr unterschiedlichen Lichtquellen kommen. Die Lichtquelle kann die Intensitätsmodulation auf ein elektrisches Modulationssignal hin bereitstellen, das von einem Referenzoszillator stammt. Wenn mehrere Lichtquellen verwendet werden, können sie von einem einzigen Referenzoszillator gesteuert werden, der mehrere elektrische Signale liefert, die zueinander phasenstarr sind. Eine zusätzliche Möglichkeit ist es, die von einer oder mehreren Lichtquellen erzeugten optischen Signale durch einen externen optischen Intensitätsmodulator zu leiten.
Ein Teil eines optischen Signals kann einen dritten Weg nehmen, wodurch ein drittes intensitätsmoduliertes optisches Signal und bei der Modulationsfrequenz eine bekannte relative Ausbreitungsverzögerung, vorzugsweise etwa 90°, gegenüber einem der anderen optischen Signale erzeugt wird. Die zuvor erwähnte Auswahl mehrerer optischer Signale kann dann auch das dritte optische Signal umfassen, das einzeln und/oder zusammen mit dem ersten und/oder zweiten optischen Signal ausgewählt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zum Messen der Phasendifferenz zwischen intensitätsmodulierten optischen Signalen:
Mittel zum Bereitstellen eines ersten optischen Signals und eines zweiten optischen Signals, die beide mit derselben Modulationsfrequenz moduliert sind; eine Auswahl-Einheit zum Auswählen des ersten und des zweiten optischen Signals nacheinander, einzeln und in Kombination, und zum Anlegen der ausgewählten optischen Signale an optoelektrische Konvertierungsmittel zum Ableiten eines entsprechenden elektrischen Signals mit der Modulationsfrequenz, das eine Reihe unterschiedlicher Amplituden aufweist, welche den verschiedenen Auswahlen der optischen Signale entsprechen, aus den ausgewählten optischen Signalen und zum Ermitteln der Amplituden des elektrischen Signals, die den unterschiedlichen Auswahlen entsprechen, und Mittel zum Steuern der Auswahl-Einheit und zum Berechnen einer Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten intensitätsmodulierten optischen Signal, die von den Mitteln zum Ableiten empfangen werden, anhand der Amplituden und unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen zwischen Amplitude und Phase.
Nun werden lediglich beispielhalber und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm einer Anordnung zum Messen von Phasendifferenzen zwischen optischen Signalen, die mit derselben hohen Frequenz intensitätsmoduliert sind,
2 stellt eine modifizierte Anordnung zur Phasendifferenzmessung dar,
3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Anordnung zum Messen der chromatischen Dispersion mit der Anordnung zur Messung der Phasendifferenz der 1 und
4 ist eine detaillierte Zeichnung einer alternativen Lichtquellen-Anordnung.
Beste Ausführung(en) der Erfindung
In der Zeichnung haben in den verschiedenen Figuren sich entsprechende Teile die gleichen Bezugsziffern. Zur Unterscheidung tragen sie allerdings einen Strich.
Ausführungsformen der Erfindung messen nur die Amplitude der Modulation mehrerer optischer Signale, die mit demselben Hochfrequenzmodulationssignal moduliert sind, und führen eine Reihe von Berechnungen aufgrund trigonometrischer Beziehungen durch, um aus den unterschiedlichen Amplitudenmessungen eine Messung der Phasendifferenzen zwischen den optischen Signalen zu extrahieren. Da die Modulationsfrequenz bekannt ist (z. B. 100 MHz), kann die Differenz in eine Zeitdifferenz oder eine relative Gruppenlaufzeit umgewandelt werden. Ferner werden bei Ausführungsformen der Erfindung Änderungen der Phasendifferenz/relativen Gruppenlaufzeit gemessen, um z. B. chromatische Dispersion, Polarisationsmodendispersion, Streckung usw. zu bestimmen.
Zuerst wird das grundsätzliche Verfahren zum Messen von Phasendifferenzen beschrieben. Gemäß 1 werden intensitätsmodulierte optische Signale S1 und S2, zwischen denen die Phasendifferenz zu messen ist, über Strecken P1 und P2 Eingangsanschlüssen 20/1 bzw. 20/2 einer Auswahl-Einheit 12 zugeführt. Die optischen Signale S1 und S2 stammen von einer oder mehreren (in 1 nicht gezeigten) Quellen, die Teil der Vorrichtung oder von dieser getrennt sein kann/können. In beiden Fällen können die optischen Signale S1 und S2 durch jedes geeignete Mittel, wie optische Wellenleiter, z. B. optische Fasern, oder durch Kopplung im freien Raum den Anschlüssen 20/1 und 20/2 zugeführt werden. Nach dem Empfang hat die Modulation des Signals S1 eine Amplitude A₀₁ und eine Phase Φ₁, und die Modulation des Signals S2 hat eine Amplitude A₀₁ und eine Phase Φ₂. Die Auswahl-Einheit 12 empfängt die optischen Signale S1 bzw. S2, wählt unterschiedliche Permutationen der beiden optischen Signale S1 und S2 aus und legt die Auswahlen an einen Photodetektor 14, der sie in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelt und dieses einer Signalumformungseinheit 16 zuführt, wo das Signal verstärkt und gefiltert wird, um die Hochfrequenz-Modulation zu detektieren, deren Schwingungsamplitude je nach den verschiedenen Auswahlen variiert. Die Signalumformungseinheit 16 wandelt das extrahierte Hochfrequenz-Modulationssignal in ein variierendes Gleichstromsignal um, mißt dessen unterschiedlichen Amplituden und erzeugt entsprechende digitale Werte. Die digitalisierten Amplitudenwerte werden einer Steuer- und Recheneinheit 18 zugeführt, bei der es sich um einen Mikrocomputer oder um einen PC handeln kann. Die Steuer- und Recheneinheit 18 verwendet die Amplituden in einer später zu beschreibenden Weise, um die Phasendifferenz Φ = Φ₁ – Φ₂ zwischen der Modulation des Signals S1 bzw. S2 zu berechnen. Die Steuer- und Recheneinheit steuert zudem die Auswahl-Einheit 12 und die Signalumformungseinheit 16 an, um die Amplitudenmessungen und die Auswahlen der optischen Signale zu synchronisieren.
Innerhalb der Auswahl-Einheit 12 durchlaufen die optischen Signale S1 und S2 getrennte Abschnitte der Strahlengänge P1 bzw. P2. Zur Vereinfachung sind gleiche Teile in den beiden Strecken mit den gleichen Bezugsziffern, aber gegebenenfalls mit dem Suffix /1 oder /2 versehen. So sind in der Auswahl-Einheit 12 Eingangsanschlüsse 20/1 und 20/2 jeweils über Fasern 22/1 und 22/2 mit Kollimatoren 24/1 bzw. 24/2 verbunden, wobei die letzteren auf einer Seite eines drehbaren, geschlitzten Rades 26 angeordnet sind. Zwei auf der anderen Seite des geschlitzten Rades 26 angeordnete Kollimatoren 28/1 und 28/2 sind justiert zu den Kollimatoren 24/1 bzw. 24/2 ausgerichtet, so daß, wenn einer der Schlitze des geschlitzten Rades 26 zwischen den Kollimatoren 24/1 und 28/1 oder den Kollimatoren 24/2 und 28/2 steht, das entsprechende optischen Signal S1 bzw. S2 über die entsprechende der beiden Fasern 30/1 bzw. 30/2 zu einem Vereinigungsglied 32 weitergeleitet wird. Das Vereinigungsglied 32 führt das optische Signal oder die Kombination von optischen Signalen, wenn beide weitergeleitet werden, über die Strecke 34 (bei der es sich um eine Faser oder Luft handeln kann) dem Photodetektor 14 zu.
Die Schlitze sind im Rad 26 so angeordnet, daß bei unterschiedlichen Drehwinkeln unterschiedliche Permutationen der Lichtstrahlen S1 und S2 ausgewählt werden, die durch das Rad 26 hindurchtreten. Die Auswahlsequenz umfaßt die folgende Gruppe von Auswahlen: Signal S1 alleine, Signal S2 alleine, die Signale S1 und S2 zusammen und weder Signal S1 noch Signal S2.
Das geschlitzte Rad 26 wird von einer Antriebseinheit 36 unter Steuerung der Steuer- und Recheneinheit 18 kontinuierlich gedreht, so daß die Auswahlsequenz mehrmals wiederholt wird. Die Steuer- und Recheneinheit 16 berechnet und speichert die Phasendifferenz Φ für jede Gruppe von Auswahlen und kann mitteln, um eine mittlere Phasendifferenz Φ_av zu erhalten.
Nun wird beschrieben, wie die Steuer- und Recheneinheit 18 die Phasendifferenz Φ aus den Amplituden A₀₁ und A₀₂ (und der kombinierten Signale) berechnet.
Das Signal S1 in der Strecke P1 hat bei seiner Ankunft im Photodetektor 14 eine Intensitätsmodulation mit einer maximalen Amplitude A₀₁ und einer Phase Φ₁ für die Fourier-Hauptkomponente, die folgendermaßen geschrieben werden kann: A1 = A01sin(2πfmodt + Φ1), wobei f_mod die Modulationsfrequenz ist.
Gleichermaßen ergibt sich für das Signal S2 in der Strecke P2: A2 = A02sin(2πfmodt + Φ2).
Das Vereinigungsglied 32 kombiniert das Licht aus beiden Fasern 30/1 und 30/2, um ein kombiniertes Signal zu erzeugen, dessen Amplitude folgendermaßen geschrieben werden kann: A = A1 + A2 = A12sin(2πfmodt + Φ0).
Nach Umwandlung in ein elektrisches Signal mißt die Signalumformungseinheit 16 die Amplitude des elektrischen Signals in Intervallen, die den unterschiedlichen Schlitzauswahlen durch das rotierende Rad 26 entsprechen. Anfängliche Amplitudenmessungen enthalten einen Gerätefehler. Die Messung, die ohne Licht am Photodetektor 14 durchgeführt wurde, d. h. bei der das geschlitzte Rad 26 die Strecken zwischen den Kollimatoren 24/1 und 24/2 und ihren Partnern 28/1 und 28/2 so blockiert, daß kein Signal durchgeht, wird dazu verwendet, diesen Fehler zu beseitigen, so daß die Meßwerte, die an die Recheneinheit 18 gesendet werden, die Amplituden der Modulationen A₁₂, A₀₁ und A₀₂ enthalten, die jeweils der Auswahl beider Signale S1 und S2, des Signals S1 alleine, und dann des Signals S2 alleine entsprechen. Die Steuer- und Recheneinheit 18 verarbeitet diese folgendermaßen:
Es gilt A12 = [A01 2 + A02 2 + 2A01A02cos(Φ1 – Φ2)]1/2 daraus folgt cos(Φ1 – Φ2) = (A12 2 – A01 2 – A02 2)/(2A01A02)und die Phasendifferenz lautet Φ = Φ1 – Φ2 = arc cos[(A12 2 – A01 2 – A02 2)/(2A01A02)].
Die Phasendifferenz Φ ist meist nicht die interessierende Größe. Bei zahlreichen Anwendungen ist es nützlicher, die entsprechende Zeitdifferenz oder die relative Gruppenlaufzeit zu kennen. Da die Modulationsfrequenz f_mod bekannt ist, kann die Zeitdifferenz/relative Gruppenlaufzeit aus der Phasendifferenz berechnet werden.
Die Messungen reichen theoretisch aus, um eine Phasendifferenz (und damit eine Zeitdifferenz) zu erhalten, was generell für Phasendifferenzen nahe 90° gilt. Wenn die Phasendifferenz gegen Null (oder ein ganzzahliges Mehrfaches von π rad) geht, ist das Ergebnis in der Praxis jedoch sehr empfindlich gegenüber geringen Fehlern bei Amplitudenmessungen. Vorzugsweise wird folglich ein drittes optisches Signal hinzugefügt und damit eine größere Anzahl von Auswahlen ermöglicht. Dies kann dadurch erfolgen, daß der Auswahl-Einheit 12 ein Teiler und ein weiteres Paar von Kollimatoren hinzugefügt werden, die Anzahl der Schlitze im geschlitzten Rad erhöht wird und entsprechende Modifikationen der Software in der Steuer- und Recheneinheit 18 vorgenommen werden, um die zusätzlichen Auswahlen zu berücksichtigen.
Wie 2 zeigt, weist eine solche modifizierte Auswahl-Einheit 12' einen Teiler 38, eine erste Gruppe von drei Kollimatoren 24/1', 24/2' und 24/3, die auf einer Seite des drehbaren geschlitzten Rades 26' angeordnet sind, und eine zweite Gruppe von drei Kollimatoren 28/1', 28/2' und 28/3 auf, die auf der anderen Seite des geschlitzten Rades 26' angeordnet sind. Die Ausgänge der Kollimatoren 28/1', 28/2' und 28/3 werden, wie zuvor, über die Fasern 30/1', 30/2' und 30/3 dem Vereinigungsglied 32' zugeführt, welches das Signal (die Signale) zum Photodetektor 14' weiterleitet. Die entsprechenden kombinierten elektrischen Signale des Photodetektors 14' werden zur Verstärkung, Filterung, Amplitudendetektion und Digitalisierung unter Anwendung herkömmlicher Verfahren, die hier nicht näher beschrieben werden müssen, an die Signalumformungseinheit 16' weitergeleitet.
Wie zuvor, ist der Einganganschluß 20/2' der modifizierten Auswahl-Einheit 12' über ein Stück der optischen Faser 22/2' direkt mit dem zweiten Kollimator 24/2' gekoppelt. Die Faser 22/1' verbindet den Kollimator 24/1' jedoch mit dem Ausgangsanschluß 40 des Teilers 38, dessen Eingangsanschluß 42 über eine Faser 44 mit dem Eingangsanschluß 20/1' der Auswahl-Einheit 12' verbunden ist. Über eine Faser 22/3 ist ein zweiter Ausgangsanschluß 46 des Teilers 38 mit dem dritten Kollimator 24/3 verbunden. Der Teiler 38 teilt das Licht von der Faser 44 in zwei optische Signale S1 und S3 auf. Das Signal S1 läuft durch die Strecke P1, die nun auch den Teiler 38 und die Faser 44 enthält. Das Signal S3 läuft durch die Strecke P3, die die Faser 44, den Teiler 38, die Faser 22/3, die Kollimatoren 24/3 und 28/3 und den Luftspalt zwischen diesen, die Faser 30/3 und das Vereinigungsglied 32' umfaßt.
Die Strecke P3 ist um einen Betrag, der ausreicht, um bei der Frequenz des Modulationssignals eine Phasenverschiebung von etwa 90° einzuführen, länger als die Strecke P1. Die Kollimatoren 28/1', 28/2' und 28/3 empfangen das kollimierte Licht in unterschiedlichen Kombinationen, die von den Schlitzen im geschlitzten Rad 26' bestimmt werden, das natürlich ein anderes Schlitzmuster aufweist, da nun drei Lichtsignale S1, S2 und S3 in verschiedenen Permutationen auszuwählen sind. Die Kollimatoren 28/1', 28/2' und 28/3 führen die unterschiedlichen Auswahlen über die Fasern 30/1', 30/2' bzw. 30/3 dem Vereinigungsglied 32' zu, das sie kombiniert und das kombinierte Licht dem Photodetektor 14' zuführt. Vorzugsweise ist das Vereinigungsglied 32' eine Gruppe von drei Kollimatoren (einer für jede Faser), die gebündelt sind und denen eine geeignete Linse nachgeordnet ist. Alternativ dazu kann es sich bei dem Vereinigungsglied 32' um eine Gruppe von Kopplern mit fused-Faseroptik mit den entsprechenden Koppelverhältnissen handeln.
In diesem Fall liegen daher drei durch den optischen Teil der Auswahl-Einheit 12' verlaufende Strahlengänge P1, P2 und P3 vor. Die erste Strecke P1 bildet eine Null-Grad-Referenzstrecke der Vorrichtung, während der dritte Gang P3 mit der längeren optischen Weglänge eine 90-Grad-Referenzstrecke umfaßt. Die optische Weglängendifferenz zwischen diesen beiden Strecken entspricht:
wobei Δl die optische Weglängendifferenz, c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, N eine ganze Zahl im Bereich von 0 bis ∞, n die Brechzahl des Faserkerns der Faser 22/3 und f_mod die hohe Modulationsfrequenz des Lichtes sind. Auch wenn die Weglängen dergestalt sind, daß die modulierten optischen Signale in den beiden Referenzstrecken P1 und P3 keine Phasendifferenz von exakt 90° aufweisen, wenn sie wieder kombiniert werden, kann diese Phasendifferenz, wie zuvor beschrieben, gemessen und für die Berechnungen verwendet werden. Der zweite Strahlengang P2 führt ein optisches Signal vom Fasereingangsanschluß 20/2'.
Es liegen nun acht mögliche Kombinationen für die durch das geschlitzte Rad 26' hindurchtretenden Lichtstrahlen vor, nämlich (i) Signal S1 alleine, (ii) Signal S2 alleine, (iii) Signal S3 alleine, (iv) Signal S1 + Signal S2, (v) Signal S1 + Signal S3, (vi) Signal S2 + Signal S3, (vii) kein Signal, und (viii) alle drei Signale S1, S2 und S3. Zur Vereinfachung wird die Kombination (viiii) nicht verwendet, so daß die Drehung des geschlitzten Rades 26' wiederholt die ersten sieben möglichen Kombinationen (i) bis (vii) mit einer niedrigen Frequenz (typischerweise mehrere 10 bis mehrere 100 Hz) durchläuft.
Die Photodetektoreinrichtung 14' detektiert das kombinierte optische Signal des Vereinigungsgliedes 32' und erzeugt ein elektrisches Signal. Die Signalumformungseinheit 16' verstärkt und filtert das elektrische Signal und mißt ein Signal, das proportional zur Schwingungsamplitude der Modulation für jede von dem geschlitzten Rad 26' getroffene Auswahl ist. Die Signalumformungseinheit 16' digitalisiert die Amplitudenwerte und sendet sie an die Rechenvorrichtung 18', welche die Daten der Phase oder der relativen Gruppenlaufzeit berechnet. Die Steuer- und Recheneinheit 18 steuert das geschlitzte Rad 26' so, daß die Amplitudenmessungen den unterschiedlichen Stellungen des geschlitzten Rades 26' entsprechen. In diesem Fall und unter der Annahme, daß die Strecke P3 länger als die Strecke P1 ist und eine 90-Grad-Phasenverschiebung erzeugt, wird zur Berechnung der Phasendifferenz Φ = Φ₁ – Φ₂ folgendermaßen vorgegangen:
Die Signalauswahlen S1 alleine, S2 alleine, Signal S1 + Signal S2 und kein Signal liefern das gleiche Ergebnis, wie es zuvor im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde. Bei Verwendung von Signal S2 alleine, S3 alleine, und Signal S2 + Signal S3 erhalten wir eine andere äquivalente Beziehung: cos(Φ2 – Φ3) = (A23 2 – A02 2 – A03 2)/(2A02A03),und aufgrund der 90°-Beziehung zwischen Φ₁ und Φ₃ gilt sin(Φ1 – Φ2) = (A23 2 – A02 2 – A03 2)/(2A02A03),und schließlich Φ1 – Φ2 = arctan{[A23 2 –A02 2 – A03 2)(2A01A02)]/[(A12 2 – A01 2 – A02 2)(2A02A03)]}oder ausführlicher, in rad ausgedrückt: Φ1 – Φ2 = arg{[(A12 2 – A01 2 – A02 2)/(2A01A02)] + i[(A23 2 – A02 2 – A03 2)/(A02A03)]}
Es versteht sich, daß analoge Berechnungen, aber mit anderem, d. h. negativem, Vorzeichen der Sinusfunktion, durchgeführt werden können, wenn die Strecke P3 kürzer als die Strecke P1 ist und wiederum eine 90-Grad-Phasenverschiebung erzeugt.
Obwohl die Verwendung der dritten Strecke P3 dieses etwas kompliziertere Schaltschema erfordert, macht es das Verfahren insgesamt vorteilhafterweise weniger anfällig für Meßfehler. Für eine noch größere Vollständigkeit und zur Selbstkalibrierung wäre es möglich, die Amplitude für Signal S1 + Signal S3 zu messen, falls die Phasendifferenz zwischen den Strecken 1 und 3 nicht exakt 90° ist, und die obigen Gleichungen entsprechend zu korrigieren.
Ein Vorteil der Verwendung der zusätzlichen Strecke mit einer physischen Länge, die um einen bei der hohen Modulationsfrequenz einer 90°-Phasenverschiebung entsprechendem Betrag erhöht ist, besteht darin, daß damit die Phasendifferenz und somit die Gruppenlaufzeit über 2π rad (einen vollen Zyklus) statt nur über π rad, wie beim Konzept mit zwei Strecken, gemessen werden kann.
Welches der zuvor beschriebenen Phasendifferenz-Meßverfahren auch angewendet wird, es wird üblicherweise vorzuziehen sein, die Phasendifferenzmessungen mehrmals zu wiederholen, indem die Auswahlsequenz mit einer deutlich niedrigeren Frequenz als die Hochfrequenz-Intensitätsmodulation wiederholt wird. Dann könnte die mittlere Phasendifferenz über mehrere Zyklen berechnet werden, um einen genaueren Wert zu erhalten. Je schneller der Niedrigfrequenz-Durchgang ist, desto besser ist die Unterdrückung des sogenannten 1/f-Rauschens, d. h. des durch die Zeitdifferenz zwischen zwei Amplitudenmessungen bedingten Rauschens. Je kürzer diese Zeitdauer ist, desto geringer ist die Wirkung des 1/f-Rauschens.
Wie zuvor erwähnt, können die zuvor beschriebene Vorrichtung und das zuvor beschriebene Verfahren zum Messen von Phasendifferenzen zwischen intensitätsmodulierten optischen Signalen für zahlreiche Anwendungen verwendet werden. 3 zeigt die Anwendung bei der Messung der chromatischen Dispersion in einem zu testenden Gerät (DUT) oder einer zu testenden Faser (FUT) 50, deren eines Ende mit einem Ausgangsanschluß 52 einer Lichtquelleneinheit 54 mit mehreren Wellenlängen und deren anderes Ende mit einem Eingangsanschluß 56 eines Teilers 58 verbunden ist. Ein Ausgangsanschluß 60 des Teilers 58 ist über eine Faser 62 direkt mit dem Eingangsanschluß 20/1 der Phasendifferenz-Meßeinheit 10 gekoppelt und liefert diesem das intensitätsmodulierte optische Signal S1. Über eine Faser 66 ist ein zweiter Ausganganschluß 64 des Teilers 58 mit einem abstimmbaren optischen Filter 68 gekoppelt, der über die Steuer- und Recheneinheit 18 gesteuert wird. Der Ausgangsanschluß 70 des abstimmbaren optischen Filters 68 ist über eine Faser 72 mit dem Eingangsanschluß 20/2 der Phasendifferenz-Meßeinheit 10 gekoppelt und liefert dieser das intensitätsmodulierte optische Signal S2. Bei dem Teiler 58 handelt es sich vorzugsweise um einen Drop-Filter, wobei alternativ jedoch auch ein optischer Breitband-3 dB-Koppler mit fused-Faseroptik oder ein anderer Koppler mit einem anderen Kopplungsverhältnis verwendet werden könnte.
Unter der Annahme, daß der erste Strahlengang P1 einen ersten Wert eines Transmissionsparameters, d. h. Wellenlänge λ₁, aufweist, und das Signal, das durch ihn hindurchgeleitet wird, mit einer ersten Gruppenlaufzeit t₁ am Photodetektor 14 ankommt, und daß der zweite Strahlengang P2 einen zweiten Wert des Transmissionsparameters λ₂ aufweist und das entsprechende Signal bei seiner Ankunft am Photodetektor 14 eine zweite Gruppenlaufzeit t₂ aufweist, ist die entsprechende gemessene Phasendifferenz Φ₁ – Φ₂ proportional zur Gruppenlaufzeitdifferenz t₁ – t₂. Es versteht sich, daß die Strahlengänge jeweils von der Quelle bis zum Detektor 14 verlaufen.
Bei Betrieb steuert die Steuer- und Recheneinheit 18 den abstimmbaren Filter 68 so, daß er mehrere verschiedene Wellenlängen für das optische Signal S2 auswählt, Werte für Φ₁ – Φ₂ für jede der unterschiedlichen Wellenlängen, die von dem abstimmbaren Filter 68 ausgewählt wurden, berechnet und die Daten dazu verwendet, die chromatische Dispersion des/der DUT/FUT 50 zu berechnen.
Die Lichtquelleneinheit 54 liefert Licht mit mindestens zwei Wellenlängen, die erforderlich sind, um die chromatische Dispersion zu messen. Die Intensität (d. h. optische Leistung) des Lichtes wird mit einer hohen Frequenz mittels eines elektronischen Hochfrequenzsignals eines Oszillators 74 moduliert, der z. B. den Strom moduliert, der einer optischen Breitband-Leuchtdiode 76 zugeführt wird. Wie in 4 gezeigt, könnte die Modulation alternativ jedoch über einen externen, z. B. elektrooptischen oder akustooptischen, Modulator 78 angelegt werden, der vom Oszillator 74 gesteuert wird. Diese alternativen Möglichkeiten zur Bereitstellung der Modulation könnten auch auf eine einzige Lichtquelle angewandt werden.
Das modulierte Licht läuft entlang des/der DUT/FUT 50. Die Hochfrequenz-Intensitätsmodulation bewegt sich mit einer Geschwindigkeit, die üblicherweise von der optischen Wellenlänge und der optischen Eingangspolarisation abhängt. Zur Bestimmung der chromatischen Dispersion werden Unterschiede in der Laufzeit zwischen Modulationen mit unterschiedlichen optischen Wellenlängen gemessen. Um den korrekten Wert zu messen, müssen Polarisationseffekte gemittelt, eingestellt oder ausgeglichen werden, indem z. B. eine unpolarisierte Quelle verwendet wird.
Der optische Teiler 58 teilt das Licht von dem/der DUT/FUT 50 in einer vordefinierten Weise auf, um die optischen Signale S1 und S2 zu erhalten. Das optische Signal S1 weist eine feste Mittelwellenlänge und eine feste optische Breite bei halbem Maximum auf und wird dem ersten Eingangsanschluß 20/1 der Meßeinheit 10 über die Faser 62 direkt, d. h. ohne die Wellenlänge zu verändern, zugeführt und als Referenz verwendet. Der Rest des optischen Signals wird über die Faser 66 zum abstimmbaren Filter 68 geleitet. Der abstimmbare optische Filter 68 wird von der Steuer- und Recheneinheit 18 so gesteuert, daß er die Wellenlänge des optischen Signals S2 verändert, bevor er es über die Faser 72 dem zweiten Eingangsanschluß 20/2 der Meßeinheit 10 zuführt. Wenn die Lichtquelle 76 eine breitbandig emittierende optische Einrichtung (wie z. B. eine Leuchtdiode) ist, kann der abstimmbare optische Filter 68 ein Dünnfilm-Interferenzfilter, ein Gittermonochromator, ein akustooptischer Filter oder eine andere derartige Einrichtung sein, die unterschiedliche Wellenlängen auswählt.
Es ist anzumerken, daß das/die DUT/FUT 50 zwischen dem Vereinigungsglied 32' und dem Photodetektor 14' angeordnet werden kann, d. h. die optische Filterung, Aufteilung, Modifizierung, Umschaltung und Rekombination kann am Eingang des/der DUT/FUT 50 erfolgen. Die Filterung kann an einer beliebigen Stelle zwischen der Quelle und dem Photodetektor durchgeführt werden. Die Referenz kann durch das/die DUT/FUT durchlaufen oder nicht.
Das Ausgangssignal der Meßeinheit 10, das ein digitalisiertes Signal ist, welches eine Sequenz von unterschiedlichen Amplitudenmessungen darstellt, wird der Steuer- und Recheneinheit 18 zugeführt, die eine Phasendifferenz Φ, wie zuvor beschrieben, bei der vom abstimmbaren optischen Filter 68 eingestellten Wellenlänge berechnet. Die Steuer- und Recheneinheit 18 speichert den Phasendifferenzwert zusammen mit dem Mittelwellenlängenwert des abstimmbaren optischen Filters 68, z. B. in einem (nicht gezeigten) Computerspeicher. Die Steuer- und Recheneinheit 18 ändert dann die Mittelwellenlänge des abstimmbaren optischen Filters 68, wiederholt die Messung der Phasendifferenz für die neue Wellenlänge und speichert den Wert der Phasendifferenz für die neue Wellenlänge. Dieser Vorgang wird für eine Reihe von Mittelwellenlängen des abstimmbaren optischen Filters 68 wiederholt, wobei die Steuer- und Recheneinheit 18 jedesmal Laufzeitdifferenzen und Wellenlängendaten berechnet und speichert. Wenn genügend Daten gesammelt wurden, verwendet die Steuer- und Recheneinheit 18 die gespeicherten Laufzeit- und Wellenlängendaten, um die chromatische Dispersion in benutzerdefinierter Weise oder in standardisierter Weise (FOTP 169, FOTP 175) zu berechnen. Verfahren zur Berechnung der chromatischen Dispersion aus Laufzeit- und Wellenlängendaten sind dem Fachmann bekannt und werden hier daher nicht beschrieben.
Es versteht sich, daß die Phasendifferenzmessungen mit der modifizierten Meßeinheit 10' (2) und dem zugehörigen Verfahren, wie zuvor beschrieben, durchgeführt werden können.
Es ist darauf zu achten, daß die Modulationsfrequenz typischerweise größer als 10 MHz ist, so daß sie eine Periode aufweist, die kurz genug ist, um die chromatische Dispersion genau zu messen, aber lang genug, damit eine Periode mindestens solange wie die zu messende längste Zeitdifferenz dauert. Zudem muß sie deutlich kürzer als die Zeit sein, die jeder Schlitz im geschlitzten Rad 26' benötigt, um den Strahlengang zu durchqueren.
Zudem versteht sich auch, daß die Lichtquelle 76 mit mehreren Wellenlängen und der abstimmbare Filter 68 durch eine abstimmbare Schmalband-Lichtquelle (und eine entsprechende Referenzquelle) ersetzt werden können, die durch die Steuer- und Recheneinheit 18 gesteuert wird.
Es ist auch zu beachten, daß die chromatische Dispersion durch Verändern der Wellenlänge beider Signale vor dem Anlegen an die Eingangsanschlüsse 20/1 und 20/2 der Auswahl-Einheit 12' gemessen werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die Messung der chromatischen Dispersion beschränkt, sondern kann auch für verschiedene andere Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise kann sie dazu dienen, die Polarisationsmodendispersion zu messen. Wenn die Differenz zwischen den Strecken nur die optische Weglänge ist, kann sie dazu verwendet werden, optische Weglängenunterschiede zu messen.
Das zuvor beschriebene Schema zur Phasendifferenzmessung kann zum Messen relativer Laufzeiten zwischen hochfrequenzmodulierten optischen Signalen unterschiedlicher Polarisationszustände verwendet werden, die durch ein DUT oder eine FUT gelaufen sind. Die maximale relative Laufzeit für alle Polarisationszustände kann zusammen mit der Wellenlänge für eine Reihe von Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen gespeichert werden.
Die Vorrichtung entspricht dann in vielerlei Hinsicht der Vorrichtung zum Messen der chromatischen Dispersion, die in 3 gezeigt ist. Eine intensitätsmodulierte, unpolarisierte Hochfrequenz-Quelle mit mehreren Wellenlängen ist an das/die DUT/FUT gekoppelt. Am Ausgangsende des/der DUT/FUT extrahiert der Teiler 58 einen unpolarisierten Teil des Lichtes, der zu einer bestimmten Wellenlänge zentriert ist. Dabei handelt es sich um das Referenzsignal S1, das der Strecke 20/1 der Auswahl-Einheit 12' (in der Meßeinheit 10') eingespeist wird. Das restliche Licht gelangt mit geringem polarisationsabhängigem Verlust (PDL) in einen abstimmbaren Monochromator (d. h. in den abstimmbaren optischen Filter 68). Der Unterschied liegt darin, daß dem abstimmbaren Filter-Monochromator 68 ein Polarisations-Controller 80 (in 3 mit gestrichelten Linien dargestellt), der jeden SOP abdeckt, nachgeschaltet ist, gefolgt von einem Polarisator 82 (ebenfalls gestrichelt dargestellt). Der ausgewählte SOP dieser Strecke wird verändert, um eine minimale und eine maximale Phasenverschiebung gegenüber der Referenz S1 zu finden. Die Differenz zwischen dieser maximalen und minimalen Phasenverschiebung wird berechnet und dann zusammen mit der Wellenlänge gespeichert. Dieser Vorgang wird für andere Wellenlängen wiederholt. Die dabei gemessenen Phasenverschiebungsdifferenzen (oder Gruppenlaufzeitdifferenzen) bei mehreren Wellenlängen sind für die Gruppenlaufzeitdifferenz (DGD) als Funktion der Wellenlänge (die maximale Gruppenlaufzeitdifferenz ist gleich der DGD unter niedrigen PDL-Bedingungen, aber nicht für große PDL (> 1 dB)) repräsentativ. Diese Daten können verarbeitet werden, um einen Mittel- oder Effektivwert der DGD innerhalb des Wellenlängenbereiches der Messung oder andere PMD-Statistiken gemäß Standardverfahren (z. B. FOTP-122) zu berechnen.
Zur Messung von Weglängenunterschieden wird in Strecke 2 eine abweichende optische Weglänge eingeführt, die z. B. durch Dehnen einer Testfaser verursacht sein kann. Da nur eine Wellenlänge benötigt wird, kann man auf den abstimmbaren Filter 68 verzichten, und die Quelle muß keine Breitband-Quelle sein. Zudem muß der Teiler 58 kein drop-Filter sein. Die Gruppenlaufzeitdifferenz-Messungen werden zeitlich wiederholt. Diese wiederholten Messungen zeigen die Streckung oder Stauchung des DUT oder der FUT.
Es ist anzumerken, daß die Erfindung eine Vorrichtung umfaßt, die mit einer geeigneten Steuerschnittstelle und einer maßgeschneiderten Software zur Verwendung mit einem eigenständigen PC ausgestattet ist.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Ein Vorteil der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Phasendifferenzen zwischen intensitätsmodulierten optischen Signalen dadurch bestimmt werden, daß nur die Amplitude gemessen wird, wodurch Schwierigkeiten vermieden werden, die Verfahren zur Messung der Pulsankunftszeit oder elektrischer Phasenverschiebungen inhärent sind. Insbesondere ist die Phase des modulierten elektrischen Signals, das durch den Photodetektor erzeugt wird, nicht mehr relevant, wodurch das Detektionsverfahren deutlich vereinfacht wird.

Claims

Verfahren zum Messen von Phasendifferenzen zwischen mindestens einem ersten und zweiten intensitätsmodulierten optischen Signal (S1, S2), die mit derselben Modulationsfrequenz moduliert sind, gekennzeichnet durch die Schritte: (i) Anlegen der beiden optischen Signale nacheinander, zunächst einzeln und dann in Kombination, an optoelektrische Konvertierungsmittel zum Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Signals mit der Modulationsfrequenz an einem Ausgang der optoelektrischen Konvertierungsmittel, wobei das elektrische Signal eine Reihe unterschiedlicher Amplituden aufweist, welche dem ersten und dem zweiten optischen Signal und deren Kombinationen entsprechen, (ii) Ermitteln der unterschiedlichen Amplituden und (iii) Berechnen der Phasendifferenz (ϕ₁ – ϕ₂) zwischen dem ersten und dem zweiten intensitätsmodulierten optischen Signal aus den ermittelten Amplituden und unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen zwischen Amplitude und Phasenwinkel.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden bei der Modulationsfrequenz jeweils dem ersten (S1) und dem zweiten (S2) optischen Signal alleine und der Summe aus erstem und zweitem optischen Signal entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden bei der Modulationsfrequenz auch keinem der ausgewählten optischen Signale (S1, S2) entsprechen und der resultierende Amplitudenwert zur Offset-Korrektur verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet. daß, wenn das erste optische Signal (S1) eine Intensitätsmodulation mit einer Moment-Amplitude A₁ = A₀₁sin(2πf_modt + ϕ₁) aufweist, wobei A₀₁ die maximale Amplitude und ϕ₁ die Phase der Fourier-Hauptkomponente bei der Modulationsfrequenz (f_mod) ist, das zweite optische Signal (S2) eine Intensitätsmodulation mit einer Moment-Amplitude A₂ = A₀₂sin(2πf_modt + ϕ₂) aufweist, wobei A₀₂ die maximale Amplitude und ϕ₂ die Phase der Fourier-Hauptkomponente bei der Modulationsfrequenz (f_mod) ist, und das kombinierte Signal eine Moment-Amplitude A = A₁ + A₂ = A₁₂sin(2πf_modt + ϕ₀) aufweist, wobei A₁₂ die maximale Amplitude des kombinierten ersten und zweiten optischen Signals ist, die Phasendifferenz (ϕ) als ϕ = ϕ1 – ϕ2 = arc cos[(A12 2 – A01 2 – A02 2)/(2A01A02)]berechnet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, ferner gekennzeichnet durch die zusätzlichen Schritte: (iv) Bereitstellen eines dritten optischen Signals (S3), das bei der Modulationsfrequenz intensitätsmoduliert ist, wobei die Modulation des dritten optischen Signals eine vorbestimmte Phasendifferenz entweder zum ersten oder zum zweiten optischen Signal aufweist, und (v) Auswählen des dritten optischen Signals, einzeln und in Kombination mit dem ersten und/oder dem zweiten optischen Signal, um zusätzliche optische Signalauswahlen zu erzeugen, so daß das entsprechende elektrische Signal zusätzliche Amplituden aufweist, die den zusätzlichen Auswahlen entsprechen, wobei im Amplituden-Ermittlungsschritt auch die zusätzlichen Amplituden ermittelt werden und im Schritt der Berechnung der Phasendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Signal trigonometrische Beziehungen zwischen der Amplitude und der Phase jedes der drei intensitätsmodulierten optischen Signale berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden jeweils dem ersten, zweiten und dritten optischen Signal alleine, der Summe aus erstem und zweitem optischen Signal, der Summe aus erstem und drittem optischen Signal und der Summe aus zweitem und drittem optischen Signal entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden auch eine Amplitude aufweisen, die der Summe aus allen drei optischen Signalen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Phasendifferenz bei der Modulationsfrequenz etwa 90° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das erste optische Signal (S1) eine Intensitätsmodulation mit einer Moment-Amplitude A₁ = A₀₁sin(2πf_modt + ϕ₁) aufweist, wobei A₀₁ die maximale Amplitude und ϕ₁ die Phase der Fourier-Hauptkomponente bei der Modulationsfrequenz f_mod ist, das zweite optische Signal (S2) eine Intensitätsmodulation mit einer Moment-Amplitude A₂ = A₀₂sin(2πf_modt + ϕ₂) aufweist, wobei A₀₂ die maximale Amplitude und ϕ₂ die Phase der Fourier-Hauptkomponente bei der Modulationsfrequenz f_mod ist, und das dritte optische Signal (S3) eine Intensitätsmodulation mit einer Moment-Amplitude A₃ = A₀₃sin(2πf_modt + ϕ₃) aufweist, wobei A₀₃ die maximale Amplitude und ϕ₃ die Phase der Fourier-Hauptkomponente bei der Modulationsfrequenz f_mod ist, die Phasendifferenz (ϕ) zwischen dem intensitätsmodulierten ersten und zweiten optischen Signal als ϕ1 – ϕ2 = arctan{(A23 2 – A02 2 – A03 2)(2A01A02)]/[A12 2 – A01 2 – A02 2)(2A02A03)]} berechnet wird, wobei A₁₂ die maximale Amplitude, die der Kombination von erstem und zweitem optischen Signal entspricht, und A₂₃ die maximale Amplitude ist, die der Kombination von zweitem und drittem optischen Signal entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet. daß bei einer der Auswahlen keines der optischen Signale ausgewählt ist und die entsprechende Amplitudenmessung zur Offset-Korrektur für die anderen Amplitudenmessungen verwendet wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite optische Signal durch Aufteilen eines einzigen intensitätsmodulierten Lichtbündels einer einzigen, durch einen Referenzoszillator gesteuerten Quelle bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite optische Signal von einer ersten bzw. einer zweiten Lichtquelle bereitgestellt werden, die durch phasengeregelte Signale eines Referenzoszillators gesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite optische Signal von einer einzigen Lichtquelle bereitgestellt und von einem optischen Modulator moduliert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite optische Signal von einer ersten bzw. einer zweiten Lichtquelle bereitgestellt und von einem optischen Modulator moduliert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte optische Signal durch Aufteilen des ersten oder des zweiten intensitätsmodulierten Lichtbündels bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner gekennzeichnet durch die Schritte: Durchleiten eines der intensitätsmodulierten optischen Signale (S1, S2) oder beider durch ein ausgewähltes optisches Element (50), Durchführen der Phasendifferenz-Rechenschritte für mehrere unterschiedliche optische Wellenlängen der optischen Signale und Verwenden der resultierenden Wellenlängen und der mehreren Phasendifferenzberechnungen zum Berechnen der chromatischen Dispersion des optischen Elementes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner gekennzeichnet durch die Schritte: Ändern des Polarisationszustandes eines der optischen Signale bei einer bestimmten Wellenlänge, Durchführen der Phasendifferenz-Rechenschritte für mehrere solcher Polarisationszustände und Verwendung der resultierenden mehreren Phasendifferenzberechnungen zum Berechnen der maximalen Gruppenlaufzeitdifferenz für die unterschiedlichen Polarisationszustände.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner gekennzeichnet durch die Schritte: Durchleiten eines der optischen Signale durch ein optisches Element, Ändern der effektiven optischen Länge des optischen Elementes, Durchführen der Phasendifferenz-Rechenschritte für mehrere unterschiedliche Längen und Verwenden der resultierenden mehreren Phasendifferenzberechnungen zum Berechnen der optischen Längenunterschiede.
Vorrichtung zum Messen der Phasendifferenz zwischen intensitätsmodulierten optischen Signalen, mit: (i) Mitteln (20/1, 20/2) zum Bereitstellen eines ersten optischen Signals (S1) und eines zweiten optischen Signals (S2), die beide mit derselben Modulationsfrequenz moduliert sind; (ii) einer Auswahl-Einheit (12) zum Auswählen des ersten und des zweiten optischen Signals (S1, S2) nacheinander einzeln und in Kombination und zum Anlegen der ausgewählten optischen Signale an optoelektrische Konvertierungsmittel (14, 16) zum Ableiten eines entsprechenden elektrischen Signals mit der Modulationsfrequenz, das eine Reihe unterschiedlicher Amplituden aufweist, welche den verschiedenen Auswahlen der optischen Signale entsprechen, aus den ausgewählten optischen Signalen und zum Ermitteln der Amplituden des elektrischen Signals, die den unterschiedlichen Auswahlen entsprechen, und (iii) Mitteln (18) zum Steuern der Auswahl-Einheit (12) und zum Berechnen einer Phasendifferenz (ϕ₁ – ϕ₂) zwischen dem ersten und zweiten intensitätsmodulierten optischen Signal, die von den Mitteln zum Ableiten (14, 16) empfangen werden, anhand der Amplituden unter Verwendung von trigonometrischen Beziehungen zwischen Amplitude und Phase.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl-Einheit (12) dazu eingerichtet ist, das erste (S1) und das zweite (S2) optische Signal jeweils einzeln bzw. das erste und das zweite optische Signal kombiniert auszuwählen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl-Einheit (12) dazu eingerichtet ist, keines der optischen Signale (S1, S2) auszuwählen, und daß die Mittel zum Steuern und zum Berechnen (18) dazu eingerichtet sind, den resultierenden Amplitudenwert zur Offset-Korrektur zu verwenden.
Vorrichtung nach Anspruch 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet. daß, wenn das erste optische Signal (S1) eine Intensitätsmodulation mit einer Moment-Amplitude A₁ = A₀₁sin(2πf_modt + ϕ₁) aufweist, wobei A₀₁ die maximale Amplitude und ϕ₁ die Phase der Fourier-Hauptkomponente bei der Modulationsfrequenz (f_mod) ist, das zweite optische Signal (S2) eine Intensitätsmodulation mit einer Amplitude A₂ = A₀₂sin(2πf_modt + ϕ₂) aufweist, wobei A₀₂ die maximale Amplitude und ϕ₂ die Phase der Fourier-Hauptkomponente bei der Modulationsfrequenz (f_mod) ist, und das kombinierte Signal eine Moment-Amplitude A = A₁ + A₂ = A₁₂sin(2πf_modt + ϕ₀) aufweist, wobei A₁₂ die maximale Amplitude des kombinierten ersten und zweiten optischen Signals ist, die Mittel zum Steuern und zum Berechnen (18) dazu eingerichtet sind, die Phasendifferenz (ϕ) als ϕ = ϕ1 – ϕ2 = arc cos[(A12 2 – A01 2 – A02 2)/(2A01A02)]zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, ferner gekennzeichnet durch Mittel (38) zum Bereitstellen eines dritten optischen Signals (S3), das mit einer Modulation bei der Modulationsfrequenz und einer vorbestimmten Phasendifferenz bezüglich dem ersten bzw. dem zweiten optischen Signal intensitätsmoduliert ist, wobei die Auswahl-Einheit (12) nacheinander das dritte optische Signal (S3) einzeln und in Kombination mit dem ersten und/oder dem zweiten optischen Signal (S1, S2) auswählt, um eine zusätzliche Auswahl an optischen Signalen zu erzeugen, die Mittel zum Ableiten (14, 16) die elektrischen Signale ableiten, die zusätzliche Amplituden entsprechend den zusätzlichen Auswahlen aufweisen, und die den zusätzlichen Auswahlen entsprechenden Amplituden ermittelt, und wobei die Mittel zum Steuern und zum Berechnen (18) beim Berechnen der Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten intensitätsmodulierten optischen Signal so betreibbar sind, daß sie die Amplituden berücksichtigen, die den zusätzlichen Auswahlen unter Einbeziehung des dritten optischen Signals entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet. daß die Mittel zum Ableiten (14, 16) Mittel (16) zum Ermitteln der Amplitude des ersten, des zweiten und des dritten optischen Signals alleine, der Summe aus erstem und zweitem optischen Signal, der Summe aus erstem und drittem optischen Signal und der Summe aus zweitem und drittem optischen Signal umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Amplitudenermittlung (16) auch die Amplitude ermitteln, die der Summe aus allen drei optischen Signalen entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 23, 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Phasendifferenz bei der Modulationsfrequenz im wesentlichen 90° beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 23, 24, 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das erste optische Signal (S1) eine Intensitätsmodulation mit einer Moment-Amplitude A₁ = A₀₁sin(2πf_modt + ϕ₁) aufweist, wobei A₀₁ die maximale Amplitude und ϕ₁ die Phase der Fourier-Hauptkomponente bei der Modulationsfrequenz (f_mod) ist, das zweite optische Signal (S2) eine Intensitätsmodulation mit einer Moment-Amplitude A₂ = A₀₂sin(2πf_modt + ϕ₂) aufweist, wobei A₀₂ die maximale Amplitude und ϕ₂ die Phase der Fourier-Hauptkomponente bei der Modulationsfrequenz (f_mod) ist, das dritte optische Signal (S3) eine Intensitätsmodulation mit einer Moment-Amplitude A₃ = A₀₃sin(2πf_modt + ϕ₃) aufweist, wobei A₀₃ die maximale Amplitude und ϕ₃ die Phase der Fourier-Hauptkomponente bei der Modulationsfrequenz (f_mod) ist, die Mittel zum Steuern und zum Berechnen (18) die Phasendifferenz (ϕ) zwischen dem intensitätsmodulierten ersten und zweiten optischen Signal als ϕ1 – ϕ2 = arctan{[{A23 2 – A02 2 – A03 2)(2A01A02)]/[(A12 2 – A01 2 – A02 2)(2A02A03)]}berechnen, wobei A₁₂ die maximale Amplitude, die der Kombination von erstem und zweitem optischen Signal entspricht, und A₂₃ die maximale Amplitude ist, die der Kombination von zweitem und drittem optischen Signal entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl-Einheit (12) keines der optischen Signale auswählt und die Mittel zur Amplitudenermittlung (16) die entsprechende Amplitude ermitteln und zur Offset-Korrektur für die anderen Amplitudenmessungen verwenden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 28, ferner gekennzeichnet durch Mittel (38) zum Aufteilen des ersten bzw. des zweiten intensitätsmodulierten optischen Signals (S1, S2), um das dritte optische Signal (S3) zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 29, ferner gekennzeichnet durch Mittel (54; 74, 76) zum Erzeugen des ersten bzw. zweiten intensitätsmodulierten optischen Signals und zum Koppeln desselben mit den Mitteln zum Bereitstellen (20/1, 20/2).
Vorrichtung nach Anspruch 30, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eine oder mehrere Lichtquellen (76) zum Bereitstellen des ersten und des zweiten optischen Signals und Mittel (74; 78) zum Bereitstellen der Modulation umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bereitstellen der Modulation Referenzoszillatormittel (74) zum Steuern der einen oder mehreren Lichtquellen umfassen, um davon ausgehendes Licht zu modulieren.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bereitstellen der Modulation optische Lichtmodulatormittel (78) zum Modulieren von Licht umfassen, das von der einen oder den mehreren Lichtquellen ausgeht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 33, die dazu eingerichtet ist, eines der optischen Signale oder beide durch ein optisches Element (50) zu leiten, ferner gekennzeichnet durch Mittel (68) zum Variieren der Wellenlänge des ersten bzw. des zweiten optischen Signals, wobei die Mittel zum Ableiten und Ermitteln (14, 16) Amplituden für mehrere Wellenlängen eines der optischen Signale ermitteln und die Mittel zum Steuern und zum Berechnen (18) eine Phasendifferenz für die mehreren Wellenlängen berechnen sowie die mehreren Wellenlängen und Phasendifferenzen dazu verwenden, die chromatische Dispersion des optischen Elementes zu ermitteln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 33, die dazu eingerichtet ist, eines der optischen Signale oder beide durch ein optisches Element zu leiten, ferner gekennzeichnet durch Mittel (80, 82) zum Ändern des Polarisationszustandes eines der optischen Signale bei einer bestimmten Wellenlänge, wobei die Mittel zum Ableiten und Ermitteln (14, 16) und die Mittel zum Steuern und zum Berechnen (18) so betreibbar sind, daß sie die ausgewählten Amplituden ermitteln und die Phasendifferenz für mehrere der Polarisationszustände berechnen, und die Mittel zum Steuern und zum Berechnen (18) die resultierenden mehreren Phasendifferenzmessungen zum Ermitteln der maximalen Gruppenlaufzeitdifferenz für die unterschiedlichen Polarisationszustände verwenden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 33, die zum Messen der Streckung eines optischen Elementes eingerichtet ist, durch das eines der optischen Signale durchgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ableiten und Ermitteln (14, 16) und die Mittel zum Steuern und zum Berechnen (18) so betreibbar sind, daß sie die Amplituden ermitteln und die Phasendifferenz für mehrere der Längenzustände des optischen Elementes und, davon abhängig, dessen Streckung berechnen.
System zur Verwendung mit einem Computer zum Messen der Phasendifferenz zwischen intensitätsmodulierten optischen Signalen, wobei das System aufweist eine Vorrichtung mit: (iii) Mitteln (20/1, 20/2) zum Bereitstellen eines ersten optischen Signals (S1) und eines zweiten optischen Signals (S2), die beide mit derselben Modulationsfrequenz moduliert sind, (iv) einer Auswahl-Einheit (12) zum Auswählen des ersten und des zweiten optischen Signals (S1, S2) nacheinander einzeln und in Kombination und zum Anlegen der ausgewählten optischen Signale an optoelektrische Konvertierungsmittel (14, 16) zum Ableiten eines entsprechenden elektrischen Signals mit der Modulationsfrequenz, das eine Reihe unterschiedlicher Amplituden aufweist, welche den verschiedenen Auswahlen der optischen Signale entsprechen, aus den ausgewählten optischen Signalen und zum Ermitteln der Amplituden des elektrischen Signals, die den unterschiedlichen Auswahlen entsprechen, und zum Zuführen der Amplitudenwerte über eine Schnittstelle zum Koppeln mit einem Computer, und einem Computerprogrammprodukt zum Programmieren des Computers, so daß dieser die Auswahl-Einheit (12) über die Schnittstelle steuert und anhand der Amplitudenwerte unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen zwischen Amplitude und Phase eine Phasendifferenz (ϕ₁ – ϕ₂) zwischen der Modulation des ersten und des zweiten optischen Signals berechnet, wie sie von den Mitteln zum Ableiten (14, 16) empfangen werden.