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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Messen der
Wellenlänge
von optischen Wellen und, insbesondere auf die Messung der Wellenlängen von
kurzen optischen Impulsen und auf Hochgenauigkeitsmessungen von
optischen Wellenlängen.
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Es
gibt ein Bedürfnis
im Umfeld der optischen Kommunikationen für den Gebrauch von Kurzimpulslichtern,
für hohe
Bitraten Übertragung
und für optisch
reine Lichtquellen für
die Wellenlängenteilung,
das Multiplexing und die Soliton-Impulsübertragung.
Bei der Kommunikationsdiagnostik ist es wünschenswert, die Wellenlänge eines
einzelnen optischen Impulses zu bestimmen, weil man die Wellenlänge von
Impuls zu Impuls unterscheiden kann. Wenn die Anzahl der gebündelten
Kanäle
entlang einer Einzelfaser ansteigt, ist es ebenso wichtig, die Wellenlängenmessung
mit steigender Genauigkeit zu erhalten.
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Bei
optischen Erfassungsanwendungen besteht ein erhöhter Bedarf von kurz gepulsten
optischen Hochleistungsquellen mit hoher Wellenlängenstabilität zwischen
den Impulsen. Die genaue Wellenlängenmessung
bei diesen Quellen ist essentiell.
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Es
gibt eine gegenwärtige
Beschränkung
bei der genauen Wellenlängenmessung
von Kurzimpulsen bei den bekannten Vorrichtungen, wie z.B. dem Monochromator,
welcher das Scannen eines dispersiven Elements über eine Zeit erfordert, welche
kürzer
als die Dauer des Impulses ist. Diese ist nicht brauchbar, wenn
der Impuls kurz ist. Eine andere bekannte Technik arbeitet mit dem
Erkennen von gestreutem Licht von einem dispersiven Element durch eine
Anordnung von Detektoren. Diese ist wieder bei kurzen Impulsen nicht
verwendbar, da die Interferenz-Weglänge durch die Impulsbreite
begrenzt wird. Beide dieser Techniken können mit etwas Erfolg verwendet
werden, um die durchschnittliche Wellenlänge von einer Anzahl von Impulsen
zu messen, jedoch sind sie ungeeignet für eine genaue Bestimmung der Wellenlänge jedes
einzelnen Impulses.
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EP 0 681 172 offenbart ein
System, bei dem sich bekannte Wellenlängen bei der gleichen Geschwindigkeit
in einer optischen Faser bewegen (Wellenlängen, die sich mit der gleichen
Geschwindigkeit bewegen, werden zum Darstellen von Nulldispersion
genannt). Dieses System ist vorgesehen, um anzugeben, wo in der
Faser zwei Wellenlängen
die Nulldispersion haben. Es kann nicht verwendet werden, um Wellenlängen einer
Lichtquelle zu messen.
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JP
A 9 079 941 offenbart ein System, welches die Verbreitung der Rückstreuung
entlang einer Faser misst (unter Verwendung einer Quelle mit bekannter
Wellenlänge),
welche jedoch nicht die Wellenlänge
der Quelle misst.
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Diese
Erfindung verwendet die Rückstreuung
in optischen Fasern, um den kurzen Impuls in einen längeren Impuls
um zu formen, welcher auch die Wellenlängenanalyse durch bekannte
Techniken erlaubt. Das Rückstreuverfahren
sieht auch einen Mechanismus für
die hoch genaue Messung der Wellenlänge vor, welche die Technik
verwendet, die in der vorliegenden Erfindung beschrieben wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dort ein System zum Messen der Wellenlänge einer
gepulsten oder kontinuierlichen Lichtquelle vorgesehen, wie in Anspruch
1 dargelegt ist.
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Die
Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Messen der Wellenlänge einer
gepulsten oder kontinuierlichen Lichtquelle vor, wie in Anspruch
7 dargelegt ist.
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Die
optische Faser kann eine Singlemodefaser oder eine Multimodefaser
sein und kann zugeschnittene Dotierlevel oder viele unterschiedliche
Dotierschichten haben, um die Rückstreuung
zu steigern. Die optische Faser kann physikalisch moduliert sein,
um den Effekt jeder Leistungsvariation bei dem Rückstreusignal infolge von kohärenter Interferenz zu
reduzieren. Die optische Faser kann auch Doppelbrechung aufweisen
und selektive Polarisationskomponenten umfassen.
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Im
Gebrauch wird Licht einer Testquelle, deren Wellenlänge zu messen
ist, an eine optische Faser übertragen,
und das zurück
gestreute Licht wird zurück
in der Faser übertragen.
Die Dauer des von der Testquelle ausgestrahlten Lichts kann kurz
sein, aber die Dauer des zurück
gestreuten Lichts wird relativ lang sein. Das zurück gestreute
Licht wird überwiegend
dieselbe Wellenlänge,
wie das übertragene Licht
haben. Diese kann direkt gemessen werden, um die Wellenlänge der
Testquelle zu bestimmen. Das zurück
gestreute Licht enthält
auch eine Brillouin-Komponente, welche eine Frequenzverschiebung
von der Wellenlänge
der Quelle hat, die umgekehrt proportional zu der Wellenlänge der
Quelle ist. Messungen dieser Brillouin-Verschiebung kann die Wellenlänge der
Quelle mit hoher Genauigkeit ergeben.
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Eine
höhere
Genauigkeit kann noch durch Vergleich der Testwellenlänge mit
der bekannten Wellenlänge
eines Referenzsignals durch Verwenden eines Interferometers erhalten
werden. Der Unterschied bei den Interferenz Ordnungen der beiden Signale
kann mit einer gröberen
Wellenlängenmessung
bestimmt werden, wie mit der Messung der Brillouin-Verschiebung,
und die hohe Genauigkeit kann von dem Interferometer-Messwert erhalten
werden. Das Interferometer kann durch Modulation einer Referenzquelle
bei einer bekannten Frequenz kalibriert werden.
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Wenn
Licht durch eine optische Faser verbreitet wird, wird ein kleiner
Teil zurückgestreut.
Das verbreitete Licht erzeugt zurück gestreutes Licht für die Dauer
seines zweimaligen Durchganges durch die optische Faser. Dies hat
den Effekt, dass ein kurzer Impuls ein kontinuierliches zurück gestreutes
Signal erzeugt, wobei die Dauer des Signals die doppelte Zeit ist,
genommen vom einfallenden Impuls bis zur Durchquerung der Faser,
eine Zeit, welche signifikant länger
sein kann, als die Dauer des eingehenden Impulses. Somit wird, wie
in der vorliegenden Erfindung beschrieben, ein kurzer Impuls mit
vorher ungenau bestimmter Wellenlänge in ein langes zurück gestreutes
Signal umgewandelt, welches genau spektral analysiert werden kann.
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Das
zurück
gestreute Signal umfasst überwiegend
drei Komponenten. Das elastisch gestreute Rayleigh-Signal, welches
dieselbe Wellenlänge
hat, wie das Eingangssignal, und die signifikant schwächeren unelastisch
gestreuten Brillouin-Stokes- und Anti-Stokes Signale, welche einen
charakteristischen Wellenlängenunterschied
von dem Rayleigh-Signal haben.
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Die
Wellenlänge
des eingehenden Lichtimpulses kann direkt aus der Wellenlänge des
Rayleigh-Signals unter Verwendung bekannter Techniken gemessen werden,
so wie vorher angegeben. Jedoch kann die Wellenlänge aus der Analyse des Brillouin-Signals mit großer Genauigkeit
gemessen werden. Der Frequenzabstand des Brillouin-Signals von dem
Rayleigh-Signal ist umgekehrt proportional zu der Wellenlänge des
eingehenden Lichts. Infolge dessen kann durch Messen der Frequenzverschiebung
des zurück
gestreuten Brillouin-Signals die Wellenlänge des Quellsignals bestimmt
werden. Des Weiteren ist es möglich,
die Brillouin-Verschiebung sehr genau mit der Verwendung von Interferenz-Spektrometern
zu bestimmen, wie z.B. dem Fabry-Perot-Interferometer, und infolge
dessen die Wellenlänge
der Quelle genau zu messen. In diesem Fall wird das zurück gestreute
Brillouin Signal durch Vergleich mit der Brillouin-Verschiebung
kalibriert, welche durch eine Quelle mit bekannter Wellenlänge bei der
Faser erzeugt wird, die bei einer bekannten Temperatur gehalten
wird. Sogar eine höhere
Genauigkeit kann durch Messen der relativen Frequenz des Rayleigh-Signals
in Bezug auf eine Referenzquelle mit einer bekannten Wellenlänge erhalten
werden.
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Die
Referenzquelle kann eine singlemode oder eine multimude kohärente Quelle
mit bekannter Wellenlänge
sein, und sie kann ein Gaslaser oder Festkörperlaser sein.
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Hierbei
werden das Rayleigh-Signal und das Referenzsignal simultan mit einem
Interferometer gescannt, z.B. mit einem Fabry-Perot-Interferometer, um
den offensichtlichen Frequenzabstand mit einer sehr hohen Genauigkeit
zu messen. Der gesamte Frequenzabstand zwischen den beiden Signalen wäre der durch
den kalibrierten Interferometer-Scan offensichtlichen gemessene,
zuzüglich
einer ganzen Zahl von freien Spektralbereichen (der freie Spektralbereich
ist die Frequenz, über
die ein Interferenzmuster sich selbst wiederholt, z.B. zwei optische
Quellen, deren Frequenzen sich durch eine ganze Zahl von freien
Spektralbereichen unterscheidet, würden überlagert sein). Bei diesem
System würde
eine grobe Wellenlängenmessung
die Anzahl der freien Spektralbereiche bestimmen, welche die beiden Quellen
trennen, während
der Interferometer-Messwert eine genaue Bestimmung der Wellenlänge der Testquelle
ermöglicht.
Wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben, würde eine teilweise nützliche Konfiguration
die Brillouin-Verschiebung verwenden, um die grobe Wellenlängenmessung
vorzusehen.
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Die
Referenzquelle und/oder die Testquelle und/oder das zurück gestreute
Signal kann verstärkt und/oder
abgeschwächt
werden, um die Stärke
des gemessenen zurück
gestreuten Signals und des gemessenen Referenzsignals für eine effiziente
Erkennung anzupassen, und es können
optische Isolatoren verwendet werden, um Instabilitäten bei
den Laserquellen zu verhindern.
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Die
optische Referenzfaser kann in einer Schleife angeordnet sein, so
dass das Testlicht zirkuliert. Das eingegebene Licht kann in die
Schleife eingeführt
werden, und das zurück
gestreute Licht von der Schleife durch einen Koppler gesammelt werden, welcher
asymmetrisch oder ein optischer Schalter sein kann, wie z.B. ein
elektroop tischer Modulator. Ein optischer Verstärker kann in die Schleife eingeführt werden,
um ein Hochsignallevel zu erhalten, nämlich wenn das eingehende Licht
ein einzelner Impuls ist. Solch eine Schleife kann auch zusätzlich eine
Strecke einer Referenzfaser verwenden. Hier würde das in die Schleife eingebrachte
Licht graduell in die Referenzfaser geführt, um ein relativ konstantes
Signal zu erhalten. Ein optischer Verstärker kann wieder in der Schleife
angeordnet werden, um die Stärke
des zirkulierenden Lichts beizubehalten.
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Die
Erfindung kann eine genaue Messung der Brillouin-Frequenzen und
des freien Spektralbereiches des Interferometers durch die Verwendung eines
optischen Modulators, wie beschrieben, vorsehen. Wenn Licht einer
Frequenz moduliert wird (welche sehr genau bestimmt werden kann),
dann werden Seitenlappen (side lobes) mit diesem Frequenzabstand
von der zentralen optischen Frequenz erzeugt. Der freie Spektralbereich
eines Interferometers kann durch Betrachtung des Spektrums einer
optischen Referenzquelle kalibriert werden, während die Lichtquelle moduliert
wird. Die Frequenzmodulation, bei der die Seitenlappen von einem
freien Spektralbereich die Seitenlappen von dem nächsten überlappen,
ist exakt die Hälfte
des freien Spektralbereichs. Auch wenn es erforderlich ist, die
Wellenlänge einer
kontinuierlichen Quelle zu messen, anstelle einer gepulsten Quelle,
kann dann das eingehende Licht bis zu den Seitenlappen, welche die
Brillouin-Peaks überlappen,
moduliert werden, um die Brillouin-Verschiebung genau zu messen.
Wenn die Wellenlänge
einer gepulsten Quelle gemessen wird, können dann die Spektralcharakteristika
des Interferometers durch die Messung des beobachteten Abstandes
der bekannten Seitenlappen kalibriert werden, welche durch den Modulator
erzeugt werden. Der Modulator kann ein elektrooptischer Modulator, eine
integrierte Optik, eine Faseroptik oder eine Bulk-Anordnung mit
hoher Frequenzantwort sein.
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Die
Hochfrequenz kann so sein, dass das nach oben verschobene Licht
von einer Interferenzordnung das nach unten verschobene Licht von
der nächsten überlappt, oder
höhere
Hochfrequenzen können
verwendet werden, so dass nicht benachbarte Ordnungen überlappen.
Dieser letzte Fall wird den Vorteil des Anpassens bzw. des Einstellens
(gearing) haben, um eine noch genauere freie Spektralbereichsmessung
durchzuführen.
Der freie Spektralbereich und der Scanbereich können ausgewählt werden, so dass die Messgenauigkeit
optimiert wird.
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Alternativ
kann der freie Spektralbereich des Interferometers durch Messen
des Frequenzabstandes der beiden optischen Signale mit einem bekannten
optischen Frequenzunterschied bestimmt werden. Solche Signale können zwei
Linien eines stabilisierten Multimodelasers sein.
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Die
optischen Signale werden in elektrische Signale umgewandelt und
einem Computer zugeführt
und in der gewünschten
Form aufgezeichnet. Ausgehend von den Analysen des Spektrums, welches
durch das Interferometer und die Messungen des zeitlichen Verhaltens
erhalten werden, kann die vorliegende Erfindung verwendet werden,
um die Linienbreite einer Testquelle zu messen und um jede Spektraleigenschaft
zu prüfen.
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 ein
Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung ist, bei dem eine Referenzquelle verwendet
wird und ihr Ausgang direkt in ein Interferometer geführt wird,
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2A, 2B, 2C, 2D, 2E und 2F Diagramme
sind, die den Gebrauch einer Zirkulationsschleife als das Referenzsignal
zeigen, und
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3 ein
Diagramm ist, welches die zeitlichen Eigenschaften und die Spektraleigenschaften eines
kurzen Lichtimpulses und des zurück
gestreuten Signals, welches entsteht, zeigen.
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine Testlichtquelle 1 durch
eine optische Faser 2 mit einem optischen Isolator 3 und
dann mit einem Koppler 6 verbunden. Ein optischer Verstärker 5 kann
Licht von der Testquelle und/oder das zurückkehrende gestreute Signal
verstärken,
wenn das Signalniveau niedrig ist. Der Koppler 6 ist mit
der optischen Referenzfaser 7 verbunden, in der das zurück gestreute
Signal erzeugt wird. Die optische Referenzfaser kann physikalisch
unter Verwendung einer Dehneinrichtung 8 (stretching apparatus)
moduliert werden. Ein optischer Modulator 4 kann verwendet
werden, um die Verstärkung
der Testquelle 1 zu modulieren.
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Die
Referenzquelle 16 ist durch die optische Faser mit einem
optischen Modulator 17 und dann mit einem optischen Isolator 18 verbunden,
welcher mit einem Koppler 11 verbunden ist. Licht von der
Referenzquelle kann mit einem optischen Dämpfer 19 gedämpft bzw.
abgeschwächt
werden, um näherungsweise
den Level des Referenzsignals an den Level des zurück gestreuten
Rayleigh-Signals anzupassen.
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Ein
Modulator 17 kann zum Modulieren des Ausganges der Referenzquelle,
um den freien Spektralbereich zu kalibrieren, und zur Frequenzkalibrierung
des Interferometers 12 verwendet werden. Ein Hochgeschwindigkeitsdetektor 15 kann
verwendet werden, um direkt das eingegebene Licht zu erfassen, um
die zeitlichen Eigenschaften der Testquelle zu messen. Ein optischer
Modulator 4 kann verwendet werden, um den Ausgang der Testquelle 1 zu sperren
und so auszuwählen,
welche Impulse in der optischen Faser zu einem gegebenen Zeitpunkt
verbreitet werden. Dies ist notwendig, wenn die Impulswiederkehrzeit
geringer ist, als die Zeit zur Hin- und Rückdurchquerung der Faser.
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Das
Interferometer 12 ist mit dem Koppler 11 durch
die optische Faser verbunden und empfängt das zurück gestreute Licht, welches
durch die Testquelle 1 und durch direkte Beleuchtung von
der Referenzquelle 16 erzeugt wird. Ein optischer Bandpassfilter 10 kann
verwendet werden, um jedes Bandbreitenlicht zu reduzieren, welches
durch einen der optischen Verstärker 5 und 9 erzeugt
wird, verwendend zum Erfassen. Das optische Signal wird in ein elektrisches
Signal in dem Photodetektor 13 umgewandelt, und die elektrischen
Signale werden in dem Computer 14 analysiert.
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Im
Gebrauch zirkuliert Licht in der Schleife, wo es durch den optischen
Verstärker
verstärkt
werden kann. Der Verstärker
kann konfiguriert werden, um die Dämpfung bzw. Abschwächung des
eingehenden Lichts zu reduzieren, um die Dämpfung des eingehenden Lichts
aufzuheben, oder um die Stärke des
eingehenden Lichts zu erhöhen,
da das eingehende Licht in der Schleife zirkuliert. Vorzugsweise wird
der Verstärker
wenigstens die Dämpfung
des eingehenden Lichts aufheben, so dass das eingehende Licht zirkulieren
wird und das zurück
gestreute Licht erzeugt wird, solange der Verstärker im Betrieb ist. Dieser
Betriebsmodus erlaubt eine genaue Messung der kontinuierlichen Lichtwelle
von gepulstem Licht und von einzelnen Impulsen.
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In 2A zirkuliert
Licht in der Schleife herum, welches in der Schleife erzeugtes zurück gestreutes
Licht bewirkt. Die Position des Verstärkers in der Schleife, welche
viele Kilometer lang sein kann, kann gewählt werden, um das zurück gestreute
Licht zu optimieren.
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In 2B ist
eine zusätzliche
Strecke einer Faser der Anordnung, wie in 2A gezeigt,
an dem zweiten Ausgangsport des Kopplers angefügt. Dies erhöht den Anteil
des zurück
gestreuten Lichts.
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In 2C ist
eine zweite Schleife hinzugefügt,
welche in der gleichen Weise, wie in 2A beschrieben,
funktioniert. Diese Anordnung erhöht wieder den Anteil des zurück gestreuten
Lichts in dem Fall, der in 2A gezeigt
ist.
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2D zeigt
eine ähnliche
Anordnung, wie die in 2A gezeigt, jedoch mit der Erfassungseinrichtung,
welche in einer unterschiedlichen Position angeordnet ist.
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2E zeigt
eine Anordnung, bei der das eingehende Licht in der Schleife zirkuliert
und einen Teil dieses zirkulierenden Lichts in eine Strecke der optischen
Faser führt.
Das zurück
gestreute Signal wird von dieser Strecke der Faser gemessen. In
dieser Anordnung kann es bevorzugt sein, verschiedene Arten von
Fasern für
die Schleife und die Strecke der Faser zu haben, welche die Rückstreuung
erzeugen.
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2F zeigt
eine ähnliche
Anordnung wie die in 2E, jedoch arbeitet diese mit
zwei Strecken der Faser, um das zurück gestreute Signal zu erhöhen. Die
Erfassungseinrichtung ist vor der Schleife angeordnet, so dass sie
das zurück
gestreute Licht von beiden Fasern auffangen kann.
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Bezug
nehmend auf 3 ist der sich vorwärts ausbreitende
Impuls kurz, bezogen auf die Dauer (a) und somit ist seine Fourier-Transformierung
breit, bezogen auf die Frequenz (b). Die zentrale Frequenz ist schlecht
zu bestimmen. Das zurück
gestreute Signal ist lang, bezogen auf die Dauer (c) und somit ist
seine Fourier-Transformation
schmal, bezogen auf die Frequenz (d). Die zentrale Frequenz ist gut
bestimmbar und somit kann sie genau gemessen werden. Zudem haben
die beiden erzeugten Brillouin-Peaks eine gut bestimmbare Frequenz
(e) und ihr Abstand von dem Rayleigh-Peak kann gemessen werden,
um die Wellenlänge
der Testquelle zu bestimmen, wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben.