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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Messen eines veränderlichen
Anteils des Einfügungsverlustes
einer optischen Vorrichtung, der abhängt von einem Polarisationszustand
des einfallenden Lichtes, also des polarisationsabhängigen Verlustes.
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Hintergrund
der Erfindung
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Im
Zuge der Entwicklung von optischer Nachrichtentechnologie mit sehr
hohen Geschwindigkeiten sind verschiedene optische Elemente entwickelt
worden. Um die Eigenschaften dieser optischen Elemente effektiv
zu beurteilen, benötigt
die optische Nachrichtenindustrie optische Messinstrumente mit hoher
Verlässlichkeit
und hohen Messgeschwindigkeiten. Insbesondere, da die Einführung von Übertragungsverfahren
basierend auf Wavelength Division Multiplexing (WDM) die Notwendigkeit
vergrößert, die
Merkmale von optischen Vorrichtungen in Bezug auf verschiedene Wellenlängen über breite
Wellenlängenbereiche
zu messen, steigen auch die Anforderungen an optische Messinstrumenten
in Bezug auf die Messgeschwindigkeit.
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Unter
den verschiedenen Spezifikationen von optischen Elementen ist insbesondere
der polarisationsabhängige
Verlust (PDL; Polarization-Dependent Loss) dadurch gekennzeichnet,
dass seine Messung sehr schwierig ist und eine lange Messzeit benötigt. Ferner
ist der PDL eins der bedeutenderen Merkmale von optischen Vorrichtungen
und benötigt
eine strikte Qualitätskontrolle,
da er eine Verschlechterung des Signals bewirken kann, wenn die
Geschwindigkeit der optischen Datenkommunikation zunimmt.
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Der
Einfügungsverlust
oder PDL von optischen Vorrichtungen ist definiert als das Verhältnis der
Intensität
des eingegebenen optischen Signals zur Intensität des ausgegebenen optischen
Signals und hängt
von der Polarisation des einfallenden Lichts ab. Der PDL, der durch
diese Merkmale gegeben ist, wird im Allgemeinen wie folgt gemessen.
Zunächst
wird einfallendes Licht in einen Prüfling (DUT; Device Under Test),
dessen PDL gemessen werden soll, gege ben, während die Polarisation des
einfallenden Lichtes variiert wird und die Intensität des einfallenden
Lichtes konstant gehalten wird. Daraufhin wird die Intensität des ausgegebenen Lichtes
gemessen. Der PDL wird aus dem Verhältnis des maximalen Outputs
Pmax zum maximalen Output Pmax, wie
in der folgenden Gleichung 1 definiert, erhalten:
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Herkömmliche
Verfahren zur Messung des wie oben definierten PDLs umfassen das
Verfahren des Scannens aller Zustände und das Mueller-Matrix-Verfahren.
Im Verfahren des Scannens aller Zustände werden die Polarisationszustände des
einfallenden Lichtes so verschieden wie möglich gebildet und die Intensität des ausgehenden
Lichtes gemessen, um so den maximalen Ausgangswert und den minimalen
Ausgangswert zu erhalten. Eine Beschreibung dieses Verfahrens folgt.
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1 zeigt
die Struktur einer Vorrichtung zum Messen des PDLs nach dem Verfahren
des Scannens aller Zustände.
Wie in 1 dargestellt, hat eine Laserdiode 100 ein
Ausgangssignal mit vorbestimmten Polarisationszustand und Intensität. Das Ausgangssignal
von der Laserdiode 100 breitet sich primär entlang
einem Polarisationsanpasser 110 aus, wobei der Polarisationsanpasser 110 einige
Wellen- oder Verzögerungsplatten
aus Lichtleitfasern aufweist. Eine Veränderung der Winkel der Wellenplatten
ermöglicht
es, den Polarisationszustand des einfallenden Lichtes, welches in
dem DUT 130 über
eine Lichtleitfaser 120 eintritt, anzupassen. Ein Lichtleistungsmesser
misst die Intensität
des optischen Ausgangssignals vom DUT 130. Mit anderen
Worten werden die Wellenplatten des Polarisationsanpassers 110 einem
Scanvorgang über
die Winkel unterworfen, so dass das optische Eingangssignal alle
Polarisationszustände
aufweist, nachdem es sich entlang des DUTs 130 ausbreitet,
wonach die maximalen und minimalen Werte des polarisierten optischen
Ausgangssignals für
eine bestimmte Zeitdauer entnommen werden, um die PDL-Werte zu berechnen.
Der größte Nachteil
dieser Vorrichtung besteht jedoch darin, dass in der Regel mechanische
Polaristionsanpasser verwendet werden, so dass sich die Messzeit
auf ungefähr
5 bis 10 Sekunden verlängert,
wodurch die Vorrichtung nur schwer an Produktionsstellen genutzt
werden kann. Hingegen werden mit dem Mueller-Matrix-Verfahren der
maximale Ausgangswert und der minimale Ausgangswert durch mathematische
Berechnungen erhalten und zwar unter Verwendung der Ausgangswerte
für vier
genau bekannte Eingangspolarisationszustände. Ein detailliertes Messverfahren
hierfür
ist im US-Patent Nr. 5,371,597 (Favin et. al.) offenbart. Nach diesem
US-Patent Nr. 5,371,597 werden Polarisationsanpasser, darunter manuelle
und automatische Polarisationsanpasser verwendet, um die vier bekannten
Polarisationszustände
eines optischen Eingangssignals am vorderen Ende eines DUTs zu erhalten.
Beispiele für
automatische Polarisationsanpasser sind Halb- und Viertelwellenplatten, welche
gedreht werden, um die Polarisation anzupassen. Dieses Verfahren
unterliegt jedoch bestimmten Beschränkungen, da ein Kalibrierungsschritt
unvermeidlich ist, um das Verhältnis
zwischen der Intensität
des optischen Eingangssignals und der Intensität des optischen Ausgangssignals
des DUTs in Bezug auf jeden der vier Polarisationszustände zu bestimmen
und der Messvorgang erfordert, dass die resultierenden Werte der vier
Polarisationszustände
nach ihrer Eingabe korrekt erhalten werden. Aus diesem Grunde ist
es unumgänglich,
dass die Eingangspolarisationszustände keinen Störungen unterliegen.
Ein Problem besteht jedoch darin, dass Störungen der Eingangspolarisationszustände unerlässlich sind,
falls der Messvorgang über
eine längere Zeit
durchgeführt
wird.
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Die
US-A-614477 beschreibt ein System zur Messung von optischen Eigenschaften,
welche die optischen Eigenschaften einer optischen Vorrichtung messen
kann, ohne vom polarisationsabhängigen
Verlust von optischen Komponenten in dem System zum Messen der optischen
Eigenschaften beeinflusst zu werden. Das System zum Messen von optischen
Eigenschaften umfasst eine optische Mehrwellenquelle zum Erzeugen
eines Signallichts einer linearen Polarisierung, einen Polarisationsscrambler
zum Scrambeln der Polarisationsrichtung des Signallichts, welches
einem Prüfling
(DUT) zugeführt
wird und eine Durchschnittsleistungsmesseinheit zum Messen einer
Durchschnittsleistung des von dem DUT ausgegebenen Signallichts
für jede einzelne
der Wellenlängen
des Signallichts.
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Die
US-A-5633959 beschreibt eine Vorrichtung zum Ändern des Polarisationszustandes,
welche den Polarisationszustand von einfallenden polarisierten Licht,
das in eine Lichtleitfaser eintritt, in jede beliebige Richtung
verändern
und ausgeben kann. Diese Vorrichtung zum Ändern des Polarisationszustandes
enthält drei
Lichtleitfasern, welche die Polarisationsebene erhalten, und in
Serie mit zwei die Polarisationsebene ändernden Teilen verbunden sind.
Die drei die Polarisationsebene erhaltenden Lichtleitfasern sind
so an den die Polarisationsebene ändernden Teilen verbunden,
dass die optische Achse von benachbarten optischen Fasern gegeneinander
um einen Winkel von 45 Grad bezüglich
der Faserachse gedreht wird.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Es
ist eine technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zum Messen von PDL bereitzustellen, die in der
Lage sind, die Wahrscheinlichkeit von Störungen der Polarisation des
einfallenden Lichtes zu verringern, indem die Messung des polarisationsabhängigen Verlustes
innerhalb einer relativ kurzen Zeit beendet wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen der PDL sehr schnell
nach einem Verfahren des Scannens aller Zustände gemessen werden kann, indem
Polarisationsmodulatoren mit einer Modulationsgeschwindigkeit von
mehreren 100 kHz oder mehr verwendet werden.
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Um
diese Aufgaben zu erreichen, wird eine Vorrichtung zum Messen von
polarisationsabhängigen Verlusten
bereitgestellt. Die Vorrichtung enthält
- (a)
eine Lichtquelle;
- (b) einen Polarisator zum Umwandeln des von der Lichtquelle
ausgestrahlten Lichts in polarisiertes Licht;
- (c) einen Polarisationsscrambler zum Modulieren des Polarisationszustandes
des polarisierten Lichts mit einer Frequenz F, wobei der Polarisationsscrambler
umfasst:
- (c-1) Lichtwellenleiter-Doppelbrechungsmodulatoren mit mindestens
drei zylindrischen piezoelektrischen Elementen sowie Lichtleitern,
die jeweils unterbrechungslos um die äußeren Wände der piezoelektrischen Elemente
gewickelt sind, und
- (c-2) mit einem gemeinsamen Takt synchronisierte Wechselspannungsquellen
zum Anlegen von Wechselspannungen an die entsprechenden Lichtwellenleiter-Doppelbrechungsmodulatoren,
wobei die Wechselspannung eine Frequenz hat, die dem Produkt einer
ganzen Zahl entspricht, die bezüglich
einer bestimmten Frequenz F prim ist;
- (d) einen Photodetektor, welcher die optische Leistung des durch
den Prüflings übertragenen
Ausgangslicht erfasst, wenn das Ausgangslicht des Polarisationsscramblers
durch einen zu testenden Prüfling
läuft;
- (e) einen ADC, der mit dem gemeinsamen Takt synchronisiert ist,
zum Bereitstellen einer Lichtstärkenvariation
des Ausgangslichts mit einer Periode 1/F; und
- (f) eine digitale Signalverarbeitungseinheit, welche den Durchschnitt
der periodischen Lichtstärkenvariation des
Ausgangslichtes vom ADC ermittelt, um das jeden Messvorgang begleitende
Rauschen zu unterbinden.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen
von polarisationsabhängigen
Verlusten bereitgestellt. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte:
Bereitstellen
von polarisiertem einfallenden Licht; Zuführen des einfallenden Lichts
in einen Polarisationsscrambler und Ausgeben eines polarisationsverwürfelten
Ausgangslichts mit einer vorbestimmten Frequenz F, wobei der Polarisationsscrambler
umfasst: Lichtwellenleiter-Doppelbrechungsmodulatoren mit mindestens drei
zylindrischen piezoelektrischen Elementen sowie Lichtwellenleitern,
die jeweils unterbrechungslos um die äußeren Wände der piezoelektrischen Elemente
gewickelt sind, und mit einem gemeinsamen Takt synchronisierte Wechselspannungsquellen
zum Anlegen von Wechselspannungen an die entsprechenden Lichtwellenleiter-Doppelbrechungsmodulatoren,
wobei jede der Wechselspannungen eine Frequenz hat, die dem Produkt einer
ganzen Zahl entspricht, die prim zur vorbestimmten Frequenz F ist,
entspricht;
Durchlaufenlassen des vom Polarisationsscramblers
ausgegebenen Lichts durch einen optischen zu testenden Prüflings;
Erfassen
eines Outputs des Lichts, das den optischen Prüfling durchlaufen hat, mit
einem Photodetektor; und
Ermitteln des Durchschnitts der erfassten
Werte des Photodetektors bezüglich
einer Doppelbrechungsmodulation mit einer konstanten Periode, um
die polarisationsabhängigen
Verluste aus einem Verhältnis
von maximalem Output zum minimalen Output der Periode zu berechnen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
die Struktur einer Vorrichtung zum Messen des PDL nach dem Verfahren
des Scannens und allen Zuständen;
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2 zeigt
die Struktur einer Vorrichtung zum Messen von PDL nach einer Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ist
ein Graph, der die PDL-Werte einer optischen Vorrichtung darstellt,
die mit einer Vorrichtung und einem Verfahren nach der Erfindung
gemessen wurden, wobei bekannt ist, dass die optische Vorrichtung einen
PDL-Wert von 2,42 dB bei 1550 nm hat; und
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4 ist
ein Graph, der den Einfluss aufgrund der Variation der Eingangspolarisation
bei einer Vorrichtung und einem Verfahren nach der Erfindung darstellt.
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Bester Weg, die Erfindung
auszuführen
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Im
Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben.
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2 zeigt
die Struktur einer Vorrichtung zum Messen von PDL nach einer Ausführungsform
der Erfindung. Eine Vorrichtung und ein Verfahren der Erfindung
werden mit Bezug auf die Struktur in 2 beschrieben.
Wie in 2 dargestellt, wird ein einfallendes optisches
Signal mit einem bestimmten Polarisationszustand erhalten, von einer
Einrichtung 300 zum Bereitstellen von einfallendem Licht,
die eine Lichtquelle 302, wie z.B. einen einstellbaren
Laser oder eine Distributed Feed Back (DFB) Laserdiode, einen Isolator 304 und einen
Polarisator 306 enthält,
und dann in einen Polarisationsscrambler 310 gegeben. Der
in der Vorrichtung nach dieser Ausführungsform verwendete Polarisationsscrambler 310 enthält Lichtwellenleiter-Doppelbrechungsmodulatoren
mit drei zylindrischen piezoelektrischen Elementen sowie Lichtwellenleitern,
die jeweils unterbrechungslos um die äußeren Wände der piezoelektrischen Elemente
gewickelt sind, wobei ein Lichtwellenleiter, der zwei benachbarte
Modulatoren miteinander verbindet, so verdreht ist, dass die Doppelbrechungsachsen
einen Winkel von 48 Grad einschließen. Für die Lichtwellenleiter kann
eine relativ günstige
optische Monomodefaser oder wahlweise ein polarisationserhaltender
Lichtwellenleiter verwendet werden.
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Die
optischen Doppelbrechungsmodulatoren werden jeweils von einer ein
Steuersignal erzeugenden Einheit 370 gesteuert, die Wechselspannungsquellen
enthält,
die in Bezug auf die Lichtwellenleiter-Doppelbrechungsmodulatoren
mit einem gemeinsamen Takt synchronisiert sind und eine Wechselspannung
mit einer Frequenz, die dem Produkt einer ganzen Zahl, die zu einer
bestimmten Frequenz F prim ist, an jeden Lichtwellenleiter- Doppelbrechungsmodulator
anlegt.
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D.h.,
drei Frequenzen f, f2, f3 werden
nach der folgenden Gleichung 2 bestimmt: (f1f2f3) = F*(k, l, m) Gleichung 2wobei
k, l und m ganze Zahlen sind, die zueinander prim sind.
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Für die Frequenz
F kann ein Wert aus der Frequenzgruppe mit 1 khZ, 2 kHz, 5 khZ und
10 kHz ausgewählt
werden. In der vorliegenden Ausführungsform
werden die drei Modulatoren jeweils mit sinusförmigen Wellenformen von f1 = 770 kHz, f2 =
950 kHz und f3 = 1070 kHz moduliert. Die
Modulationsamplitude ist vorzugsweise so angepasst, dass sie die
Bedingung von mindestens 3,14 oder mehr bezüglich jedes einzelnen der drei
Modulatoren erfüllt,
und ist in dieser Ausführungsform
auf Φm1 = 4,36 rad, Φm2 =
5 rad, Φm3 = 5,8 rad gesetzt. Diese Werte ermöglichen
eine Polarisationsvariation mit der die Poincare-Kugel komplett
abgedeckt werden kann. Mit anderen Worten werden somit alle Polarisationszustände erzeugt,
die eine Anwendung des Verfahrens zum Scannen aller Polarisationszustände in einer
Periode ermöglichen.
Nach dem Durchlaufen des Scramblers 310 tritt das optische
Signal in den DUT 320 ein. Da die Variation des Polarisationszustandes des
in den DUT 320 einfallenden optischen Signals sich mit
einem Intervall der zeitlichen Periode T (1/F) wiederholt, wiederholt
sich auch die Intensitätsvariation
des optischen Signals, das durch den DUT 320 gelaufen ist,
mit der Periode T. Nach Durchlaufen des DUTs 320 passiert
das optische Signal einen Photodetektor 330 und einen Hochgeschwindigkeitsverstärker 340 in
dieser Reihenfolge, und wird von einem Analog-Digital-Wandler (ADC
Analog-Digital-Converter) 350 in für die weitere Verarbeitung
passender Weise moduliert. Der ADC 350 ist dabei mit dem
Takt synchronisiert, der die Perioden der Modulationssignale der
Polarisationsmodulatoren im Polarisationsscrambler 310 bestimmt.
Um das Rauschen durch den Photodetektor 330 zu reduzieren,
wird in dieser Ausführungsform
ein Durchschnittswertverfahren verwendet. Der Durchschnittswert des
optischen Signals wird in einer Signalverarbeitungseinheit 360 gebildet,
nachdem das Signal wie oben beschrieben im ADC 350 umgewandelt
wurde. Dieses Bilden des Durchschnittswertes verringert das Rauschen, das
jeden Messvorgang begleitet. Da der größte gemeinsame Faktor der Modulationsfrequenzen
10 khZ beträgt,
hat das modulierte optische Signal eine Periode von 100 μs. In diesem
Falle sind die Polarisationsmodulatoren im Polarisationsscrambler 310 mit
dem ADC 350 wie oben beschrieben synchronisiert, um einen Echtzeit-Durchschnittswertbilder
zu realisieren, der 1000 mal einen Durchschnittswert einer Wellenform
von 100 μs
bilden kann. Somit beträgt
die Messzeit in diesem Falle 0,1 sec, was einem Wert von 100 μs multipliziert mit
1000 entspricht. Wenn der oben beschriebene Durchschnittswertbildungsprozess
beendet ist, wird der gemessene Wert auf einer Anzeigeeinheit angezeigt.
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3 ist
ein Graph, der die PDL-Werte einer optischen Vorrichtung, die mit
einer Vorrichtung und einem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
gemessen wurde, anzeigt, wobei bekannt ist, dass die optische Vorrichtung
einen PDL-Wert von 2,42 dB bei 1550 nm aufweist. Zum Vergleich sind
auch die mit herkömmlichen
Messvorrichtungen- und verfahrenen gemessenen PDL-Werte dargestellt.
Bei der Messung des PDL wird die Wellenlänge des in die optische Vorrichtung
einfallenden Lichtes mit einem Intervall von 10 nm im Bereich von
1520 nm bis 1590 nm variiert. Im Graphen stellen Kreise Messwerte
dar, die mit einer herkömmlichen
Vorrichtung gemessen wurde (Beispiel A) und zwar nach dem Verfahren
des Scannens aller Zustände, und
Dreiecke stellen die mit einer weiteren herkömmlichen Vorrichtung (Beispiel
B) nach dem Mueller-Matrix-Verfahren gemessenen Messwerte dar. Wie
aus 3 ersichtlich, geben diese drei Verfahren sehr ähnliche
PDL-Werte an und zwar mit einem Messfehler von ±1% oder weniger. Obwohl die
drei Messverfahren, wie der obige Vergleich zeigt, sehr ähnliche
PDL-Werte für
die gleiche optische Vorrichtung angeben, ist das Ergebnis, dass
mit der Vorrichtung und dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung
erzielt wird, in Bezug auf die Messzeit überragend. Zur Messung der
PDL-Werte bei einer Wellenlänge
werden in den Beispielen A und B jeweils Messzeiten von 10 bzw.
2 sec benötigt,
wobei die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung eine Messzeit
von nur 0,1 sec benötigen.
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4 ist
ein Graph, der den Einfluss der Variation der Eingangspolarisation
nach einer Vorrichtung und einem Verfahren der Erfindung darstellt.
Mit anderen Worten zeigt 4 die PDL-Werte, die von einem optischen
Signal gemessen wurden, welches durch die optische Vorrichtung gelaufen
ist, indem optische Signal mit dreihundert verschiedenen Polarisationszuständen in
den Polarisationsscrambler 310 in 2 angelegt
werden. Aus 4 ist ersichtlich, dass die
Abweichung der gemessenen PDL-Werte über alle Polarisationszustände nur ±1% oder
weniger beträgt.
Dies beweist, dass jedes optische Signal, dass durch den Polarisationsscrambler
läuft,
allen Arten von Polarisationszuständen nach dem Verfahren und
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung unterliegt.
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Tabelle
1 zeigt die Anzahl der Durchschnittswerte und die Variation der
PDL-Werte, wenn die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung
in einer Umgebung mit signifikantem Rauschen verwendet werden. Der PDL-Wert
der optischen Vorrichtung beträgt
0,717 dB, gemessen mit der in 1 gezeigten
Vorrichtung.
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Wie
in Tabelle 1 dargestellt, können
mit der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung selbst
bei großem
Rauschen korrekte Messwerte in kurzer Zeit erzielt werden.
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Mit
der Vorrichtung und dem Verfahren zum Messen des PDLs nach der oben
beschriebenen Erfindung wird der Mittelwert durch wiederholtes Messen
der Eingangspolarisation sowie periodischem Scrambeln derselben
zur Erhöhung
der Messpräzision
erhalten. Ferner verwendet die Erfindung ein Polarisationsscrambler,
der zu einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb in der Lage ist, was die
Messgeschwindigkeit vergrößert.
