DE60124650T2

DE60124650T2 - Verfahren und System zur optischen Überlagerungsdetektion eines optischen Signals

Info

Publication number: DE60124650T2
Application number: DE60124650T
Authority: DE
Inventors: Wayne V. Mountain View Sorin; Bogdan Palo Alto Szfraniec; Douglas M. Palo Alto Baney
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2000-10-02
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2021-07-21
Also published as: US6646746B1; EP1193483B1; DE60124650D1; EP1193483A2; JP2002176394A; EP1193483A3

Description

Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der optischen Messungen und Meßsysteme und genauer ein Verfahren und System zur optischen Heterodyndetektion eines optischen Signals.
Hintergrund der Erfindung
Ein dichtes Wellenlängenmultiplexverfahren („dense wavelength division multiplexing", DWDM) benötigt optische Spektralanalysatoren („optical spectrum analyzer", OSA), die eine höhere spektrale Auflösung haben, als gemeinhin in gebräuchlichen OSAen verfügbar ist. Zum Beispiel stoßen gitterbasierte OSAen und autokorrelationsbasierte OSAen auf mechanische Beschränkungen, etwa Beschränkungen der Strahlgröße und der Abtastung der optischen Pfadlängen, die den Grad der Auflösung, der erreicht werden kann, begrenzen.
Als Alternative zu gitterbasierten OSAen und autokorrelationsbasierten OSAen können optischen Heterodyndetektionssysteme verwendet werden, um DWDM Systeme zu überwachen. 1 ist eine Abbildung eines optischen Heterodyndetektionssystems aus dem Stand der Technik. Das optische Heterodyndetektionssystem umfaßt ein Eingangssignal 102, einen Eingangswellenleiter 104, ein Lokaloszillatorsignal 106, einen Lokaloszillatorwellenleiter 108, einen optischen Koppler 110, einen Ausgangswellenleiter 118, einen optischen Empfänger 112 und einen Signalprozessor 116. Die grundsätzliche Arbeitsweise von optischen Heterodyndetektionssystemen ist im Gebiet der optischen Heterodyndetektion wohlbekannt und umfaßt die Überwachung des heterodynen Terms, der erzeugt wird, wenn ein Eingangssignal mit einem Lokaloszillatorsignal kombiniert wird. Optische Heterodyndetektionssysteme sind nicht durch mechanische Beschränkungen begrenzt, die gitterbasierte OSAen und autokorrelationsbasierte OSAen begrenzen. Die spektrale Auflösung eines optischen Heterodyndetektionssystems ist begrenzt durch die Linienbreite des Lokaloszillatorsignals, das mehrere Größenordnungen schmaler als die Auflösung der anderen OSAen sein kann.
Um die Leistung von optischen Heterodyndetektionssystemen bezüglich Parametern wie Empfindlichkeit und Dynamikbereich zu verbessern, ist es für das Heterodynsignal optimal, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu haben. Das gewünschte Heterodynsignal co-existiert jedoch mit anderen Direktdetektionssignalen. Die Direktdetektionssignale umfassen Intensitätsrauschen vom Eingangssignal und vom Lokaloszillatorsignal, das das erwünschte Heterodynsignal überdecken kann. Eine Technik, das Signal-Rausch-Verhältnis des Heterodynsignals zu verbessern, umfaßt die Verringerung des Intensitätsrauschens, indem zwei Detektoren verwendet werden, um symmetrische Detektion zu erreichen. Obwohl symmetrische Detektion nützlich ist, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Heterodynsignals zu verbessern, hat sie Einschränkungen.
Eine weitere Technik zur Heterodynsignaldetektion, die in U.S. Pat. Nr. 4 856 899 beschrieben ist, umfaßt das Verstärken des Eingangssignals, bevor das Eingangssignal mit dem Lokaloszillatorsignal kombiniert wird, um die Amplitude des Heterodynsignals zu vergrößern. Obwohl das Verstärken des Eingangssignals die Amplitude des Heterodynsignals vergrößert, vergrößert die Verstärkung auch das Intensitätsrauschen des Eingangssignals und könnte das Signal-Rausch-Verhältnis des Heterodynsignals nicht verbessern.
Was im Hinblick auf die Einschränkungen des Stands der Technik benötigt wird, ist ein optisches Heterodyndetektionssystem, das ein Heterodynsignal mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis erzeugt.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein optisches Heterodyndetektionssystem nach einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt zwei optische Empfänger, die getrennt die Leistung eines Eingangssignals und eines Lokaloszillatorsignals messen, bevor die Signale kombiniert werden. Die Eingangssignalmessungen und des Lokaloszillatorsignals werden dann verwendet, um das heterodyne Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, indem das Intensitätsrauschen entfernt wird, das vom Eingangssignal und vom Lokaloszillatorsignal beigesteuert wird. Indem Teile der Eingangssignalleistung und der Lokaloszillatorsignalleistung gemessen werden und anschließend die skalierten Größen von der Fotostrommessung bei der Signalverarbeitung subtrahiert werden, wird das Signal-Rausch-Verhältnis des Heterodynsignals verbessert über das hinaus, was mit bekannten symmetrischen Empfängern erreicht wird.
Eine Ausführungsform eines optischen Heterodyndetektionssystems umfaßt einen ersten Empfänger, einen optischen Koppler, einen Heterodynempfänger, und einen Prozessor. Der Empfänger mißt einen Anteil eines ersten optischen Signals, bevor das erste optische Signal mit einem zweiten optischen Signal kombiniert wird, und erzeugt ein erstes elektrisches Signal, das repräsentativ für den gemessenen Anteil des ersten optischen Signals ist, wobei entweder das erste oder zweite optische Signal ein Lokaloszillatorsignal und das andere Signal ein Eingangssignal ist. Der optische Koppler hat einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang, wobei der erste Eingang optisch verbunden ist, um das erste optische Signal zu empfangen und der zweite Eingang optisch verbunden ist, um das zweite optische Signal zu empfangen. Der optische Koppler hat einen Ausgang, um ein kombiniertes optisches Signal auszugeben, das das erste optische Signal und das zweite optische Signal umfaßt. Der Heterodynempfänger hat einen Eingang, um das kombinierte optische Signal vom optischen Koppler zu empfangen, und einen Ausgang, der ein drittes elektrischen Signal ausgibt, das repräsentativ für das kombinierte optische Signal ist. Das dritte elektrische Signal umfaßt ein Heterodynsignal. Der Prozessor empfängt das erste elektrische Signal und das dritte elektrische Signal und erzeugt ein Ausgangssignal, das indikativ für einen optischen Parameter des Eingangssignals ist, in Antwort auf das Heterodynsignal und das erste elektrische Signal.
In einer Ausführungsform verwendet der Prozessor das erste elektrische Signal, um das Signalrauschen im dritten elektrischen Signal zu berechnen, das vom ersten optischen Signal beigesteuert wird. Der Prozessor kann auch das berechnete Signalrauschen, das mit dem ersten optischen Signal zusammenhängt, vom dritten elektrischen Signal subtrahieren, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Heterodynsignals zu verbessern.
In einer Ausführungsform umfaßt das System einen zweiten Empfänger, der einen Anteil des zweiten optischen Signals mißt, bevor das zweite optische Signal mit dem ersten optischen Signal kombiniert wird, und der ein zweites elektrisches Signal erzeugt, das repräsentativ für den gemessenen Anteil des zweiten optischen Signals ist. Der Prozessor verwendet das zweite elektrische Signal, um das Signalrauschen im dritten elektrischen Signal zu verringern, das vom zweiten optischen Signal beigesteuert wird.
Ein Verfahren zur Überwachung eines optischen Signals, das optische Heterodyndetektion verwendet, umfaßt das Bereitstellen eines ersten optischen Signals und das Bereitstellen eines zweiten optischen Signals, wobei entweder das erste oder das zweite optische Signal ein Lo kaloszillatorsignal und das andere eine Eingangssignal ist. Ein Anteil des ersten optischen Signals wird gemessen, bevor das erste optische Signal mit dem zweiten optischen Signal kombiniert wird, und ein erstes elektrisches Signal wird erzeugt, das repräsentativ für den gemessenen Anteil des ersten optischen Signals ist. Das erste optische Signal wird mit dem zweiten optischen Signal kombiniert, um ein kombiniertes optisches Signal zu erzeugen, und ein drittes elektrisches Signal wird erzeugt, das repräsentativ für das kombinierte optische Signal ist. Ein Ausgangssignal wird erzeugt, das indikativ für einen optischen Parameter des Eingangssignals ist. Der Schritt des Erzeugens des Ausgangssignals umfaßt einen Schritt des Verwendens des ersten elektrischen Signals, um das Signalrauschen im dritten elektrischen Signal zu verringern, wobei das Signalrauschen vom ersten optischen Signal beigesteuert wird.
Eine Ausführungsform des Verfahrens umfaßt das Messen eines Anteils des zweiten optischen Signals, bevor das zweite optische Signal mit dem ersten optischen Signal kombiniert wird, und das Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals, das repräsentativ für den gemessenen Anteil des zweiten optischen Signals ist. Zusätzliche Schritte umfassen das Berechnen des Rauschens, das vom ersten optischen Signal zum dritten elektrischen Signal beigesteuert wird unter Verwendung des ersten elektrischen Signals und das Subtrahieren des berechneten Rauschens vom dritten elektrischen Signal, und das Berechnen des Rauschens, das vom zweiten optischen Signal zum dritten elektrischen Signal unter Verwendung des zweiten elektrischen Signals beigesteuert wird und das Subtrahieren des berechneten Rauschens vom dritten elektrischen Signal.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine Abbildung eines optischen Heterodyndetektionssystems nach dem Stand der Technik.
2 ist eine Abbildung eines optischen Heterodyndetektionssystems mit einer Ausgangsfaser, das zwei Empfänger umfaßt, die die Leistung des Eingangssignals und des Lokaloszillatorsignals messen, nach einer Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine Abbildung eines optischen Heterodyndetektionssystems mit zwei Ausgangsfasern, das zwei Empfänger umfaßt, die die Eingangssignalleistung und des Lokaloszillatorsignals messen, nach einer Ausführungsform der Erfindung.
4A ist ein Verfahrensfließbild eines Verfahrens zur Überwachung eines optischen Signals, das optische Heterodyndetektion verwendet, nach einer Ausführungsform der Erfindung.
4B umfaßt einen weiteren Verfahrensschritt, der mit dem Verfahrensfließbild von 4A zusammenhängt.
4C umfaßt zusätzliche Verfahrensschritte, die mit dem Verfahrensfließbild von 4A zusammenhängen.
4D umfaßt einen weiteren Verfahrensschritt, der mit dem Verfahrensfließbild von 4A zusammenhängt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Eine Ausführungsform eines optischen Heterodyndetektionssystems umfaßt zwei optische Empfänger, die einzeln die Leistung eines Eingangssignals und eines Lokaloszillatorsignals messen, bevor die Signale kombiniert werden. Die Eingangssignalmessungen und des Lokaloszillatorsignals werden dann verwendet, um das heterodyne Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, indem das Intensitätsrauschen entfernt wird, das vom Eingangssignal und vom Lokaloszillatorsignal beigetragen wird.
Wie im Gebiet der optischen Heterodyndetektion bekannt ist, werden ein Eingangssignal und ein Lokaloszillatorsignal kombiniert, um ein optisches Signal mit Komponenten, die das Heterodynsignal und das Intensitätsrauschen des Eingangssignals und des Lokaloszillatorsignals umfassen, zu erzeugen.
Der Fotostrom i des Signals, das vom Heterodynempfänger detektiert wird, wird als Funktion der Zeit t durch folgende Gleichung dargestellt:
wobei:

R: = Detektorempfindlichkeit
P_S: = optische Eingangssignalleistung
P_LO: = optische Lokaloszillatorsignalleistung
Φ: = Phase des optischen Signals

Der
der Gleichung für den Fotostrom gibt das erwünschte Heterodynsignal wieder, das zur optischen Spektralanalyse verwendet wird. Die P_S(t) und P_LO(t) Terme der Gleichung für den Fotostrom entsprechen der direkten Intensitätsdetektion des Eingangssignals bzw. des Lokaloszillatorsignals. Das Signal-Rausch-Verhältnis des Heterodynsignals wird verbessert, wenn die Fotostromintensität minimiert wird, die von der direkten Detektion des Eingangssignals und des Lokaloszillatorsignals beigetragen wird. Das heißt, um das Signal-Rausch-Verhältnis des heterodynen Terms zu verbessern ist es erwünscht, den Anteil des Fotostroms zu minimieren, der von der direkten Detektion des Eingangssignals und des Lokaloszillatorsignals beigesteuert wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden Teile der Eingangssignalleistung (∝ P_S(t)) und der Lokaloszillatorsignalleistung (∝ _LO(t)) getrennt gemessen, bevor die Signale kombiniert werden. Die gemessenen Teile der Eingangssignalleistung und der Lokaloszillatorsignalleistung werden skaliert, um die gesamte Eingangssignalleistung (P_S(t)) und Lokaloszillatorsignalleistung (P_LO(t)) wiederzugeben, und die skalierten Messungen werden während der Signalverarbeitung dazu verwendet, das unerwünschte Rauschen von der Fotostrommessung i(t), die vom Heterodynempfänger durchgeführt wird, zu subtrahieren. Das heißt, ein Teil der Eingangssignalleistung und der Lokaloszillatorsignalleistung werden gemessen, die entsprechenden Terme P_S(t) und P_LO(t) werden aus den gemessenen Größen berechnet, und die berechneten P_S(t)- und P_LO(t)-Terme werden von den Fotostrommessungen i(t) subtrahiert. Dadurch, daß Teile der Eingangssignalleistung und der Lokaloszillatorsignalleistung gemessen werden, und dann die skalierten Größen von den Fotostrommessungen während der Signalverarbeitung subtrahiert werden, wird das Signal-Rausch-Verhältnis des Heterodynsignals verbessert, über das hinaus, was von symmetrischen Empfängern geleistet wird.
2 ist eine Abbildung eines optischen Heterodyndetektionssystems, in dem die Eingangssignalleistung und die Lokaloszillatorsignalleistung getrennt gemessen werden, und die resultierenden Messungen werden dazu verwendet, während der Signalverarbeitung das Signal-Rausch-Verhältnis des Heterodynsignals zu verbessern. Das optische Heterodyndetektionssystem umfaßt eine Signalfaser 204, einen optischen Schalter 224, einen Signalabgriff 230, einen Signalempfänger 232, eine Lokaloszillatorquelle 205, eine Lokaloszillatorfaser 208, einen Frequenzzählerabgriff 236, einen Frequenzzähler 238, einen Polarisationsregler 220, einen Lokaloszillatorabgriff 240, einen Lokaloszillatorempfänger 242, einen Heterodynkoppler 210, einen Heterodynempfänger 212, und einen Prozessor 216. Man beachte, daß in der gesamten Beschreibung ähnliche Bezugszeichen zur Kennzeichnung ähnlicher Elemente verwendet werden.
Die Signalfaser 204 überträgt ein Eingangssignal, das vom System detektiert werden soll. In einer Ausführungsform ist die Signalfaser eine optische Einmodenfaser, wie sie im Gebiet bekannt ist, obwohl jeder andere optische Wellenleiter verwendet werden kann. Zusätzlich können, obwohl Wellenleiter beschrieben werden, optische Signale im freien Raum ins System eingegeben oder innerhalb des Systems übertragen werden.
Das Eingangssignal 202 umfaßt optische Signale, die von herkömmlichen Vorrichtungen erzeugt wurden, wie sie im Gebiet der optischen Nachrichtenübertragungssysteme bekannt sind. Zum Beispiel kann das Eingangssignal von einem einzelnen Laser oder einer Mehrzahl von Lasern erzeugt werden, und es kann aus einer einzelnen Wellenlänge oder einer Mehrzahl von Wellenlängen bestehen, wie im Gebiet der Wellenlängenmultiplexverfahren bekannt ist. Das Eingangssignal kann ein optisches Signal mit unbekannten optischen Charakteristika sein, in welchem Falle das optische Heterodyndetektionssystem zur optischen Spektralanalyse verwendet werden kann. Das Eingangssignal kann anderenfalls ein optisches Signal sein, das mit bekannten optischen Eigenschaften eingegeben wird, in welchem Falle das optische Heterodyndetektionssystem zur optischen Netzwerkanalyse verwendet werden kann. In einer Ausführungsform kann ein bekanntes Eingangssignal ein verzögerter Teil des Lokaloszillatorsignals sein.
Wenn das Überwachungssystem zur optischen Netzwerk- oder Komponentenanalyse verwendet wird, können die Kenngrößen eines Netzwerks oder einer einzelnen Komponente untersucht werden, indem ein bekanntes Eingangssignal ins Netzwerk oder die einzelne Komponente eingegeben wird, und dann die Antwort auf das bekannte Signal gemessen wird.
Der optische Schalter 224 ist in die Signalfaser 204 integriert. Der optische Schalter ist eine optionale Komponente, die es erlaubt, das Eingangssignal völlig zu blockieren, um Komponenten des Systems zu kalibrieren. Kalibrierung des optischen Heterodyndetektionssystems wird weiter unten detaillierter beschrieben. Der spezielle Typ des optischen Schalters ist nicht entscheidend, und es können daher verschiedene Arten von optischen Schaltern, die im Gebiet der optischen Nachrichtenübertragung bekannt sind, verwendet werden.
Der Signalabgriff 230 ist vor dem Heterodynkoppler in die Signalfaser 204 integriert. Der Signalabgriff leitet einen Anteil des Eingangssignals 202 zum Signalempfänger 232 ab. In einer Ausführungsform umfaßt der Signalabgriff einen optischen Koppler 246 und eine Abgriffaser 248.
Der Signalempfänger 232 ist mit dem Signalabgriff 230 optisch verbunden, um die Eingangssignalleistung 202 zu messen, bevor das Eingangssignal mit dem Lokaloszillatorsignal kombiniert wird. Der Signalempfänger überträgt die Eingangssignalmessung an den Prozessor 216 durch eine elektrische Verbindung 250 zwischen dem Signalempfänger und dem Prozessor. Weil der Signalempfänger nur einen Anteil des Eingangssignals empfängt, muß die Eingangssignalmessung skaliert werden, um die wirkliche Eingangssignalleistung (P_S(t)) wiederzugeben. Skalierung der Eingangssignalmessung wird vorzugsweise vom Prozessor ausgeführt, die Skalierungsberechnung kann jedoch von anderen Systemen ausgeführt werden.
Die Lokaloszillatorquelle 205 erzeugt ein Lokaloszillatorsignal. In einer Ausführungsform ist die Lokaloszillatorquelle ein einstellbarer bzw. stimmbarer Breitbandlaser, der über einen Wellenlängenbereich von einem Nanometer oder mehr einstellbar ist. Während der optischen Spektralanalyse erzeugt die Lokaloszillatorquelle ein Lokaloszillatorsignal, das einen Frequenz- oder Wellenlängenbereich durchläuft, um das Eingangssignal über einen Frequenz- oder Wellenlängenbereich zu detektieren.
Die Lokaloszillatorfaser 208 ist eine optische Faser, etwa eine optische Einmodenfaser, die das Lokaloszillatorsignal 206 überträgt. Die Lokaloszillatorfaser kann einen Polarisationssteuerelement 220 umfassen, der den Polarisationszustand des Lokaloszillatorsignals steuert. Andere optische Wellenleiter können anstatt der optischen Einmodenfaser verwendet werden, etwa polarisationserhaltende Fasern. Alternativ kann das Lokaloszillatorsignal durch den freien Raum in das System übertragen werden, ohne Verwendung eines Wellenleiters.
Der Frequenzzählerabgriff 236 liegt zwischen der Lokaloszillatorquelle 205 und dem Heterodynkoppler 210. Der Frequenzzählerabgriff leitet einen Anteil des Lokaloszillatorsignals 206 zum Frequenzzähler 238 ab. In einer Ausführungsform umfaßt der Frequenzzählerabgriff einen optischen Koppler 252 und eine Abgriffaser 254.
Der Frequenzzähler 238 ist mit dem Frequenzzählerabgriff 236 optisch verbunden, um die Frequenz (auf die alternativ als Wellenlänge Bezug genommen wird) des Lokaloszillatorsignals 206 zu messen, das von der Lokaloszillatorquelle 205 erzeugt wird. Vorzugsweise erhält der Frequenzzähler eine Echtzeitmessung der Frequenz des Lokaloszillatorsignals, wenn das Lokaloszillatorsignal einen Frequenzbereich durchläuft. Der Frequenzzähler gibt unverzögerte Frequenzinformationen, durch eine elektrische Verbindung 256, an einen oder beide der Heterodynempfänger 212 und den Prozessor 216, zur Verwendung in der optischen Spektralanalyse aus. Die unverzögerte Frequenzinformation des durchlaufenden Lokaloszillators wird verwendet, um die Lokaloszillatorfrequenz zu bestimmen, bei der das Heterodynsignal detektiert wird. Frequenzzähler sind im Gebiet der optischen Nachrichtenübertragung bekannt und werden nicht weiter beschrieben. Obwohl ein Frequenzzählerabgriff und Frequenzzähler in der Ausführungsform von 2 abgebildet sind, versteht es sich, daß Frequenzinformationen von einer anderen Quelle bereit gestellt werden können, etwa von der Lokaloszillatorquelle selbst.
Der Lokaloszillatorabgriff 240 ist zwischen der Lokaloszillatorquelle 205 und dem Heterodynkoppler 210 in die Lokaloszillatorfaser 208 integriert. Der Lokaloszillatorabgriff leitet einen Anteil des Lokaloszillatorsignals 206 an den Lokaloszillatorempfänger 242 ab. In einer Ausführungsform umfaßt der Lokaloszillatorabgriff einen optischen Koppler 258 und eine Abgriffaser 260.
Der Lokaloszillatorempfänger 242 ist mit dem Lokaloszillatorabgriff 240 optisch verbunden um die Lokaloszillatorsignalleistung 206 zu messen, bevor das Lokaloszillatorsignal mit dem Eingangssignal 202 kombiniert wird. Weil der Lokaloszillatorempfänger nur einen Anteil des Lokaloszillatorsignals mißt, muß das Lokaloszillatorsignal skaliert werden, um die tatsächliche Lokaloszillatorsignalleistung (P_LO(t)) wiederzugeben. Skalierung des Lokaloszillatorsignals wird vorzugsweise vom Prozessor ausgeführt, obwohl die Skalierungsberechnung auch von einem anderen System oder Systemen ausgeführt werden kann. Der Lokaloszillatorempfänger überträgt die Lokaloszillatorsignalmessung an den Prozessor 216 durch eine elektrische Verbindung 262 zwischen dem Lokaloszillatorempfänger und dem Prozessor.
Der Heterodynkoppler 210 kombiniert das Eingangssignal 202 und das Lokaloszillatorsignal 206 in einen gemeinsamen Wellenleiter. Wie in 2 gezeigt ist, kombiniert der Heterodynkoppler das Eingangssignal und das Lokaloszillatorsignal und gibt er das kombinierte Signal in eine Ausgangsfaser 218 ein. Obwohl nur eine Ausgangsfaser in 2 gezeigt ist, kann mehr als eine Ausgangsfaser verwendet werden, um einen Teil des kombinierten optischen Signals an den optischen Empfänger zu übertragen. Eine Ausführungsform des optischen Heterodyndetektionssystems, die zwei Ausgangsfasern umfaßt, wird unten mit Bezug auf 3 beschrieben.
Der Heterodynkoppler 210 kann ein optisch gerichteter 3dB Faserkoppler sein, obwohl andere optische Koppler verwendet werden können. In einer Ausführungsform ist der optische Koppler im wesentlichen unabhängig von der Polarisation des Eingangssignals 202 und des Lokaloszillatorsignals 206. In einer Ausführungsform polarisiert der optische Koppler das kombinierte optische Signal nicht.
Die Ausgangsfaser 218, die mit dem optischen Koppler 210 verbunden ist, überträgt das kombinierte optische Signal an den Heterodynempfänger 212. Andere optische Wellenleiter können anstatt der optischen Einmodenfaser verwendet werden. Alternativ kann das kombinierte optische Signal an den optischen Empfänger ohne die Verwendung eines Wellenleiters durch den freien Raum übertragen werden,.
Der Heterodynempfänger 212 ist verbunden, um das kombinierte optische Signal vom optischen Koppler 210 zu erhalten, und erzeugt ein elektrisches Signal in Antwort auf das kombinierte optische Signal. Obwohl es nicht abgebildet ist, kann der optische Empfänger Fotodetektoren, Signalverstärker, und Filter umfassen, wie im Gebiet bekannt ist. Das elektrische Signal, das vom Heterodynempfänger 212 erzeugt wurde, wird dem Prozessor 216 über eine elektrische Verbindung 264 zur Verfügung gestellt. Als Alternative zu einem fotodetektorbasierten optischen Empfänger kann der Heterodynempfänger andere Detektionsvorrichtungen verwenden, etwa ein nichtlineares Mischelement.
Der Prozessor 216 umfaßt einen Multifunktionsprozessor, der die elektrischen Signale vom Heterodynempfänger 212, dem Signalempfänger 232, dem Lokaloszillatorempfänger 242, und dem Frequenzzähler 238 empfängt und den heterodynen Term vom Heterodynempfänger isoliert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das für einen optischen Parameter des Eingangssignals 202 indikativ ist. Der Prozessor kann sowohl einen analogen Signalverarbeitungsschaltkreis, als auch einen digitalen Signalverarbeitungsschaltkreis umfassen, oder beide, wie im Gebiet der elektrischen Signalverarbeitung bekannt ist. In einer Ausführungsform werden Analogsignale von den Empfängern in Digitalsignale umgewandelt, und die Digitalsignale werden anschließend verarbeitet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen.
In der Anwendung pflanzt sich ein Eingangssignal 202 durch die Eingangsfaser 204 zum Heterodynkoppler 210 fort. Ein Anteil des Eingangssignals wird vom Signalabgriff 230 abgeleitet und vom Signalempfänger 232 detektiert. Ein elektrisches Signal, das für die Eingangssignalleistung repräsentativ ist, wird über die elektrische Verbindung 250 an den Prozessor 216 übertragen.
Zugleich pflanzt sich das durchlaufende Lokaloszillatorsignal 206, das von der Lokaloszillatorquelle 205 erzeugt wurde, durch die Lokaloszillatorfaser 208 zum Heterodynkoppler 210 fort. Ein Anteil des Lokaloszillatorsignals wird vom Frequenzzählerabgriff 236 abgeleitet und vom Frequenzzähler 238 detektiert. Eine Echtzeitmessung der Lokaloszillatorfrequenz wird über die elektrische Verbindung 256 zum Prozessor 216 übertragen. Ein weiterer Anteil des durchlaufenden Lokaloszillatorsignals wird durch den Lokaloszillatorabgriff 240 abgeleitet und vom Lokaloszillatorempfänger 242 detektiert. Ein elektrisches Signal, das für die Lokaloszillatorsignalleistung repräsentativ ist, wird über die elektrische Verbindung 262 zum Prozessor übertragen.
Die übrigen Anteile des Eingangssignals 202 und des durchlaufenden Lokaloszillatorsignals 206 werden vom Heterodynkoppler 210 in ein kombiniertes optisches Signal kombiniert. Das kombinierte optische Signal wird in die Ausgangsfaser 218 ausgegeben und zum Heterodynempfänger 212 übertragen. Das kombinierte optische Signal wird vom Heterodynempfänger detektiert, und in Antwort auf das kombinierte optische Signal wird ein elektrisches Signal i(t) erzeugt. Das elektrische Signal wird vom Prozessor 216 verarbeitet um das Heterodynsignal zu isolieren. Das Heterodynsignal, das durch Kombination des Eingangssignals und des Lokaloszillatorsignals erzeugt wurde, wird überwacht, um einen optischen Parameter des Eingangssignals zu ermitteln, etwa Wellenlänge, Frequenz, oder Amplitude.
Wie oben beschrieben umfaßt die vom Prozessor 216 ausgeführte Signalverarbeitung die Berechnung der Terme der Gesamtleistung P_S(t) und P_LO(t), indem die Messung der Leistung des Eingangssignals 202 und des durchlaufenden Lokaloszillatorsignals 206 skaliert wird, und dann die skalierten Messungen des Signals, das in Antwort auf das kombinierte optische Signal erzeugt wurde, subtrahiert werden.
Obwohl das System von 2 so beschrieben wurde, daß es einen Signalabgriff und Empfänger für sowohl das Eingangssignal 202, als auch das Lokaloszillatorsignal 206 umfaßt, kann eine alternative Ausführungsform des Systems nur einen Signalabgriff und Empfänger umfassen. Wenn zum Beispiel das Eingangssignal die dominierende Quelle des Rauschens ist, kann eine signifikante Verringerung des Rauschens erreicht werden, wenn nur die Eingangssignalleistung gemessen wird, und die entsprechende Subtraktion nur auf das Eingangssignalrauschen angewandt wird.
3 ist eine Abbildung einer weiteren Ausführungsform eines optischen Heterodyndetektionssystems, das die Messung eines Anteils des Eingangssignals 302 und des Lokaloszillatorsignals 306 umfaßt. Das System von 3 umfaßt zwei Ausgangsfasern 318 und 322, die das kombinierte optische Signal an den Heterodynempfänger 312 übertragen. Wie im Gebiet der optischen Heterodyndetektionssysteme bekannt ist, können der Heterodynempfänger und der Prozessor 316, wie in 3 gezeigt ist, zusammen mit den zwei kombinierten optischen Signalen in den Fasern 318 und 320 dazu verwendet werden, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das unabhängig vom Polarisationszustand des Eingangssignals ist und das symmetrisch bezüglich der Komponente des Intensitätsrauschens des kombinierten optischen Signals ist.
Ein Verfahren zur Überwachung eines optischen Signals, das optische Heterodyndetektion verwendet, wird hier beschrieben und in den Verfahrensfließbildern der 4A – 4D abgebildet. In einem Schritt 402 wird ein erstes optisches Signal bereitgestellt. In einem Schritt 404 wird ein zweites optisches Signal bereitgestellt, wobei entweder das erste oder das zweite optische Signal ein Lokaloszillatorsignal und das andere Signal ein Eingangssignal ist. In einem Schritt 406 wird ein Anteil des ersten optischen Signals gemessen, bevor das erste optische Signal mit dem zweiten optischen Signal kombiniert wird. In einem Schritt 408 wird ein erstes elektrisches Signal erzeugt, das für den gemessenen Anteil des ersten optischen Signals repräsentativ ist. In einem Schritt 410 wird das erste optische Signal mit dem zweiten optischen Signal kombiniert, um ein kombiniertes optisches Signal zu erzeugen. In einem Schritt 412 wird ein drittes elektrisches Signal erzeugt, das für das kombinierte optische Signal repräsentativ ist. In einem Schritt 414 wird ein Ausgangssignal erzeugt, das indikativ für einen optischen Parameter des Eingangssignals ist, indem das erste elektrische Signal verwendet wird, um das Signalrauschen, das vom ersten optischen Signal dem dritten elektrischen Signal beigesteuert wird, zu verringern.
In einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren von 4A einen zusätzlichen Schritt 416, wie in 4B gezeigt ist, in dem das Rauschen berechnet wird, das vom ersten optischen Signal dem dritten elektrischen Signal beigesteuert wird, indem das erste elektrische Signal verwendet wird und das berechnete Rauschen vom dritten elektrischen Signal subtrahiert wird.
In einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren von 4A einen zusätzlichen Schritt 407, wie in 4C gezeigt ist, in dem ein Anteil des zweiten optischen Signals gemessen wird, bevor das zweite optische Signal mit dem ersten optischen Signal kombiniert wird, und ein zweites elektrisches Signal erzeugt wird, das repräsentativ für den gemessenen Anteil des zweiten optischen Signals ist. Ein zusätzlicher Schritt 418 umfaßt das Berechnen des Rauschens, das dem dritten elektrischen Signal vom ersten optischen Signal beigesteuert wird, unter Verwendung des ersten elektrischen Signals, das Subtrahieren des berechneten Rauschens vom dritten elektrischen Signal, das Berechnen des Rauschens, das dem dritten elektrischen Signal vom zweiten optischen Signal beigesteuert wird, unter Verwendung des zweiten elektrischen Signals, und das Subtrahieren des berechneten Rauschens vom dritten elektrischen Signal.
In einer Ausführungsform umfaßt das Verfahren von 4A einen zusätzlichen Schritt 420, wie in 4D gezeigt ist, in dem die Übertragung des Eingangssignals blockiert wird, bevor das Eingangssignal mit dem Lokaloszillatorsignal kombiniert wird, und Kalibrierungsinformationen erzeugt werden, die verwendet werden, um das Ausgangssignal zu erzeugen.
Um mit den oben beschriebenen optischen Heterodyndetektionssystemen und -verfahren genaue Messungen zu erhalten, kann es notwendig sein, einige der Systemvorrichtungen zu kalibrieren. Zurückverweisend beispielsweise auf 2 können Kalibrierungen des Systems erreicht werden, indem die Übertragung des Eingangssignals 202 durch die Verwendung des optischen Schalters 224 blockiert wird. Zum Beispiel können der Kopplungskoeffizient des Heterodynkopplers 210 und des Lokaloszillatorabgriffkopplers 258, wenn das Eingangssignal durch den optischen Schalter völlig von der Übertragung blockiert ist, als Funktion der Wellenlänge ermittelt werden, indem das Lokaloszillatorsignal 206 einen großen Wellenlängenbereich durchläuft. Zusätzlich können die Empfindlichkeit des Heterodynempfängers 212 und des Lokaloszillatorempfängers 242 als Funktion der Wellenlänge ermittelt werden, indem das Lokaloszillatorsignal durchläuft, während das Eingangssignal völlig blockiert ist. Der Kopplungskoeffizient des Signalabgriffkopplers 246 kann ermittelt werden, indem die Lokaloszillatorsignalquelle 205 abgestellt wird und nur das Eingangssignal 202 in das optische Heterodyndetektionssystem zugelassen wird.
Bezugnehmend auf das Überwachungssystem von 3 kann die Verteilung des Lokaloszillatorsignals 306 in den Empfänger 312 als Funktion der Wellenlänge ermittelt werden, indem das Lokaloszillatorsignal durchläuft, während das Eingangssignal 302 durch den optischen Schalter 324 völlig blockiert ist. Vorzugsweise ist das Lokaloszillatorsignal annähernd symmetrisch zwischen den Ausgangsfasern 318 und 322 verteilt, wenn Polarisationsdiversitätdetektion vorgesehen ist. Wenn das Lokaloszillatorsignal nicht symmetrisch zwischen den Ausgangsfasern verteilt ist, kann die Leistungsverteilung des Lokaloszillatorsignals unter Verwendung des Polarisationsreglers 320 angepaßt werden.
Obwohl beschrieben wurde, daß die optischen Komponenten des optischen Heterodyndetektionssystems mit optischen Fasern verbunden sind, können die einzelnen Vorrichtungen auf einer monolithischen Vorrichtung integriert werden, etwa einem ebenen Wellenleiterschaltkreis. Alternativ können die optischen Elemente durch freien Raum verbunden sein.

Claims

System für optische Heterodyndetektion, das folgendes umfaßt: einen Empfänger (232, 242) zum Messen eines Anteils eines ersten optischen Signals bevor das erste optische Signal mit einem zweiten optischen Signal kombiniert wird, und zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals, welches für den gemessenen Anteil des ersten optischen Signals repräsentativ ist, wobei entweder das erste oder das zweite optische Signal ein Lokaloszillatorsignal und das andere Signal ein Eingangssignal ist; einen optischen Koppler (210), der einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang hat, wobei der erste Eingang optisch verbunden ist, um das erste optische Signal zu empfangen, der zweite Eingang optisch verbunden ist, um das zweite optische Signal zu empfangen, wobei der optische Koppler einen Ausgang zum Ausgeben eines kombinierten optischen Signals hat, welches das erste optische Signal und das zweite optische Signal enthält; einen Heterodynempfänger (212), der einen Eingang zum Empfangen des kombinierten optischen Signals von dem optischen Koppler und einen Ausgang zum Ausgeben eines dritten elektrischen Signals aufweist, welches für das kombinierte optische Signal repräsentativ ist, wobei das dritte elektrische Signal ein Heterodynsignal umfaßt; und einen Prozessor (216) zum Empfangen des ersten elektrischen Signals und des dritten elektrischen Signals und zum Erzeugen eines Ausgangsignals, welches für einen optischen Parameter des Eingangssignals kennzeichnend ist, in Antwort auf das Heterodynsignal und das erste elektrische Signal.
System nach Anspruch 1, bei dem der Prozessor (216) Mittel zum Verwenden des ersten elektrischen Signals zum Verringern von Rauschen in dem dritten elektrischen Signal umfaßt, das von dem ersten optischen Signal beigesteuert wird.
System nach Anspruch 2, in dem der Prozessor (216) Mittel zum Verwenden des ersten elektrischen Signals zum Berechnen des Signalrauschens in dem dritten elektrischen Signal umfaßt, das von dem ersten optischen Signal beigesteuert wird.
System nach Anspruch 3, in dem der Prozessor (216) ferner Mittel zum Subtrahieren des berechneten Signalrauschens, welches mit dem ersten optischen Signal zusammenhängt, von dem dritten elektrischen Signal hat, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Heterodynsignals zu verbessern.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner einen zweiten Empfänger (232, 242) zum Messen eines Anteils des zweiten optischen Signals, bevor das zweite optische Signal mit dem ersten optischen Signal kombiniert ist, umfaßt, und zum Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals, welches für den gemessenen Anteil des zweiten optischen Signals repräsentativ ist, wobei der Prozessor (216) ferner Mittel zum Benutzen des zweiten elektrischen Signals zum Verringern des Signalrauschens in dem dritten elektrischen Signal umfaßt, das von dem zweiten optischen Signal beigesteuert wird.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner einen optischen Schalter (224) umfaßt, der mit dem Eingang (224) assoziiert ist, zum Blockieren des Eingangssignals in einem optischen Pfad, der sich stromaufwärts des optischen Kopplers (210) befindet.
Verfahren zum Überwachen eines optischen Signals unter Verwendung einer optischen Heterodyndetektion, das folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen (402) eines ersten optischen Signals; Bereitstellen (404) eines zweiten optischen Signals, wobei entweder das erste oder das zweite optische Signal ein Lokaloszillatorsignal und das andere Signal ein Eingangssignal ist; Messen (406) eines Anteils des ersten optischen Signals bevor das erste optische Signal mit dem zweiten optischen Signal kombiniert wird; Erzeugen (408) eines ersten elektrischen Signals, welches repräsentativ für den gemessenen Anteil des ersten optischen Signals ist; Kombinieren (410) des ersten optischen Signals mit dem zweiten optischen Signal um ein kombiniertes optisches Signal zu erzeugen; Erzeugen (412) eines dritten elektrischen Signals, das für das kombinierte optische Signal repräsentativ ist; und Erzeugen (414) eines Ausgangssignals, welches für einen optischen Parameter des Eingangssignals kennzeichnend ist, wobei der Schritt des Erzeugens des Ausgangssignals einen Schritt umfaßt, in dem das erste elektrische Signal verwendet wird, um Signalrauschen in dem dritten elektrischen Signal zu verringern, wobei das Signalrauschen von dem ersten optischen Signal beigesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Schritt des Verwendens (414) des ersten elektrischen Signals zum Verringern des Signalrauschens einen Schritt (416) umfaßt, in dem das Rauschen, welches dem dritten elektrischen Signal von dem ersten optischen Signal beigesteuert wird, unter Verwendung des ersten elektrischen Signals berechnet wird, und das berechnete Rauschen von dem dritten elektrischen Signal abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, welches ferner die folgenden Schritte umfaßt: Messen (407) eines Anteils des zweiten optischen Signals bevor das zweite optische Signal mit dem ersten optischen Signal kombiniert wird; Erzeugen eines zweiten elektrischen Signals, welches für den gemessenen Anteil des zweiten optischen Signals repräsentativ ist; Berechnen (418) des Rauschens, welches dem dritten elektrischen Signal von dem ersten optischen Signal beigesteuert wird, unter Verwendung des ersten elektrischen Signals, und Subtrahieren des berechneten Rauschens von dem dritten elektrischen Signal; und Berechnen des Rauschens, welches dem dritten elektrischen Signal von dem zweiten optischen Signal beigesteuert wird, unter Verwendung des zweiten elektrischen Signals, und Subtrahieren des berechneten Rauschens von dem dritten elektrischen Signal.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, welches ferner die folgenden Schritte umfaßt: Blockieren (420) der Transmission des Eingangssignals bevor das Eingangssignal mit dem Lokaloszillatorsignal kombiniert ist; und Erzeugen von Kalibrierungsinformation, die verwendet wird, um das Ausgangssignal zu erzeugen.