EP2172817A2

EP2172817A2 - Detection of variations of a time delay between optical or electric signals

Info

Publication number: EP2172817A2
Application number: EP09010549A
Authority: EP
Inventors: Florian Löhl; Holger Schlarb; Frank Ludwig; Matthias Felber; Johann Zemella; Axel Winter
Original assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Current assignee: Deutsches Elektronen Synchrotron DESY
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2029-08-17
Also published as: SI2172817T1; US20100098408A1; JP2010066255A; DE102008045359B3; EP2172817A3; JP5543742B2; EP2172817B1; US8242767B2

Abstract

The method involves modulating light signal (1) or light reference signal (3) based on electrical or electrical reference signals respectively. The light signal and light reference signal are received by a photodetector (5). The electrical response signal (15) having frequency spectrum depending on interval of time is outputted at an output (13) of photodetector. The harmonic is filtered from the frequency spectrum of electrical response signal for detecting changes in the interval of time. An independent claim is included for apparatus for detecting change in interval of time between electrical signal and electrical reference signal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von Veränderungen eines Zeitabstands zwischen einem optischen oder elektrischen Signal und einem optischen oder elektrischen Referenzsignal. Außerdem betrifft die Erfindung eine Verwendung des Verfahrens zum Synchronisieren eines optischen oder elektrischen Signals mit einem optischen oder elektrischen Referenzsignal.The present invention relates to a method and apparatus for detecting changes in a time interval between an optical or electrical signal and an optical or electrical reference signal. Moreover, the invention relates to a use of the method for synchronizing an optical or electrical signal with an optical or electrical reference signal.

Es ist in zahlreichen zeitkritischen Anwendungsgebieten wie beispielsweise Telekommunikation, Datenübertragung, Vermessungstechnik, Navigationssystemen oder in großen Forschungsanlagen von Bedeutung, optische oder elektrische Signale hochpräzise zu synchronisieren. In bestimmten Anwendungen kann eine Synchronisation eines optischen oder elektrischen Signals mit einem optischen oder elektrischen Referenzsignal im Bereich von Femtosekunden, d.h. 10^-15 s, erforderlich sein. Es ist für eine Synchronisation von solcher Präzision erforderlich, Veränderungen des Zeitabstands zwischen zwei Signalen hochpräzise zu detektieren, um daraufhin den Zeitabstand zwischen zwei Signalen stabilisieren zu können.It is in many time-critical application areas such as telecommunications, data transmission, surveying, navigation systems or in large research facilities of importance to synchronize optical or electrical signals with high precision. In certain applications, synchronization of an optical or electrical signal with an optical or electrical reference signal in the range of femtoseconds, ie 10 ^-15 s, may be required. It is necessary for a synchronization of such precision to detect changes in the time interval between two signals with high precision, in order then to be able to stabilize the time interval between two signals.

Da das Licht in einer Femtosekunde nur etwa 0,3 µm Wegstrecke zurücklegt, wird unmittelbar deutlich, dass selbst minimale Längenänderungen, beispielsweise durch Temperaturausdehnung von optischen Komponenten, zu Veränderungen des Zeitabstands zwischen einem optischen Signal und einem optischen Referenzsignal führen können. Dies betrifft insbesondere die Übertragung von Lichtsignalen in einem langen Glasfaser-Lichtleiter. Um etwaige Längenänderungen des Übertragungswegs korrigieren zu können, muss die Veränderung des Zeitabstands zwischen einem optischen Signal und einem optischen Referenzsignal femtosekundengenau detektiert werden.Since the light only covers a distance of about 0.3 μm in a femtosecond, it immediately becomes clear that even minimal changes in length, for example due to temperature expansion of optical components, can lead to changes in the time interval between an optical signal and an optical reference signal. This applies in particular to the transmission of light signals in a long fiber optic light guide. In order to be able to correct any changes in length of the transmission path, the change in the time interval between an optical signal and an optical reference signal must be detected femtosekundengenau.

Insbesondere für den Betrieb von Freie Elektronen Lasern im UV- oder Röntgenbereich, wie beispielsweise dem Freie-Elektronen-Laser in Hamburg (FLASH) und dem Europäischen Freie-Elektronen-Laser (XFEL), ist eine femtosekundengenaue Synchronisation diverser Komponenten im Beschleuniger erforderlich. Die zu synchronisierenden Komponenten sind im Falle des XFEL bis zu 3,5 km voneinander entfernt, so dass koaxiale Verteilungssysteme an ihre Grenzen kommen.In particular, for the operation of free electron lasers in the UV or X-ray range, such as the free-electron laser in Hamburg (FLASH) and the European Free-Electron Laser (XFEL), a femtosekundengenau synchronization of various components in the accelerator is required. In the case of the XFEL, the components to be synchronized are up to 3.5 km apart so that coaxial distribution systems reach their limits.

Typischerweise wird ein Referenz-Pulslaser dazu verwendet, ein gemeinsames optisches Referenzsignal zu allen zu synchronisierenden Komponenten zu übertragen. Der Referenz-Pulslaser selbst wird üblicherweise mit einem elektrischen Ursprungsreferenzsignal synchronisiert, das z.B. ein Mikrowellenoszillator vorgibt. Die mit dem Referenz-Pulslaserstrahl zu synchronisierenden Komponenten verwenden entweder optische oder elektrische Signale, die mit dem optischen Referenzsignal des Referenz-Pulslasers synchronisiert werden müssen. Solch eine Komponente in einem Beschleuniger könnte beispielsweise ein Ankunftszeitmonitor sein, der dazu dient, die Ankunftszeit von Elektronenpulsen zu bestimmen. Dafür benötigt der Ankunftszeitmonitor ein optisches oder elektrisches Signal, das beispielsweise mit den Signalen anderer Ankunftszeitmonitore an anderen Stellen des Beschleunigers synchronisiert ist. Alle Ankunftszeitmonitore bedienen sich daher dem gemeinsamen optischen Referenzsignal des Referenz-Pulslasers. Problematisch ist dabei allerdings, dass jede Abzweigung des Referenzsignals zu einer Komponente unterschiedlichen äußeren Bedingungen, wie beispielsweise Temperatureinflüssen, ausgesetzt ist und somit die Weglängen des Referenzsignals zu den einzelnen Komponenten Schwankungen ausgesetzt sind, die nicht miteinander korreliert sind und die Synchronisation der Signale stören.Typically, a reference pulse laser is used to transmit a common optical reference signal to all components to be synchronized. The reference pulse laser itself is usually synchronized with an electrical origin reference signal, which specifies, for example, a microwave oscillator. The components to be synchronized with the reference pulse laser beam use either optical or electrical signals that must be synchronized with the reference optical signal of the reference pulse laser. Such a component in an accelerator could be, for example, an arrival time monitor which serves to determine the arrival time of electron pulses. For this, the arrival time monitor requires an optical or electrical signal that is synchronized, for example, with the signals of other time of arrival monitors elsewhere in the accelerator. All arrival time monitors therefore use the common reference optical signal of the reference pulse laser. However, the problem here is that each branch of the reference signal to a component is exposed to different external conditions, such as temperature effects, and thus the path lengths of the reference signal to the individual components are exposed to fluctuations that are not correlated with each other and interfere with the synchronization of the signals.

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, einen nichtlinearen Kristall dazu zu verwenden, zwei optische Pulssignale, die einen Überlapp haben, zu korrelieren und eine steile Flanke der Korrelation zur hochpräzisen Synchronisation zu verwenden. Nachteilig an den bekannten Verfahren ist allerdings, dass die Korrelation abhängig ist von der Polarisation der Signale. Außerdem ist das Verfahren stark abhängig von den Pulslängen, die im Übrigen einen zeitlichen Überlapp haben müssen.It is known in the art to use a non-linear crystal to correlate two optical pulse signals that have an overlap and to use a steep slope of the correlation for high-precision synchronization. A disadvantage of the known methods, however, is that the correlation is dependent on the polarization of the signals. In addition, the method is highly dependent on the pulse lengths, which must have a temporal overlap, moreover.

Dementsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine verbesserte Verwendung zur femtosekundengenauen Synchronisation von optischen oder elektrischen Signalen bietet.Accordingly, it is the object of the present invention to provide a method and apparatus that overcomes the disadvantages of the prior art and provides improved use for femtosecond synchronization of optical or electrical signals.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bzw. 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.This object is achieved by the method and apparatus according to claims 1 and 11, respectively. Preferred embodiments of the invention are the subject of the respective dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion von Veränderungen eines Zeitabstands zwischen einem optischen oder elektrischen Signal und einem optischen oder elektrischen Referenzsignal unter Verwendung eines Photodetektors bereitgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

falls das Signal elektrisch ist, Modulieren eines optischen Signals in Abhängigkeit des elektrischen Signals,
falls das Referenzsignal elektrisch ist, Modulieren eines optischen Referenzsignals in Abhängigkeit des elektrischen Referenzsignals,
Empfangen des optischen Signals und des optischen Referenzsignals mit dem Photodetektor,
Ausgeben eines elektrischen Antwortsignals an einem Ausgang des Photodetektors, wobei das elektrische Antwortsignal ein Frequenzspektrum aufweist, das vom Zeitabstand abhängt,
Filtern einer ausgewählten Harmonischen aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals und
Detektieren von Veränderungen des Zeitabstands aus Veränderungen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen.

According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of detecting changes in a time interval between an optical or electrical signal and an optical or electrical reference signal using a photodetector. The method comprises the following steps:

if the signal is electrical, modulating an optical signal in response to the electrical signal,
if the reference signal is electrical, modulating an optical reference signal in response to the reference electrical signal,
Receiving the optical signal and the optical reference signal with the photodetector,
Outputting an electrical response signal at an output of the photodetector, the electrical response signal having a frequency spectrum that depends on the time interval,
Filtering a selected harmonic from the frequency spectrum of the output electrical response signal and
Detecting changes in the time interval from changes in the amplitude of the selected harmonics.

Das Verfahren kann in vier verschiedenen Modi zum Einsatz kommen, die in folgender Tabelle dargestellt sind: Verfahrensmodus Signal Referenzsignal optisch-optisch optisch optisch optisch-elektrisch optisch elektrisch elektrisch-optisch elektrisch optisch elektrisch-elektrisch elektrisch elektrisch The method can be used in four different modes, which are shown in the following table: process mode signal reference signal optical-optical optical optical optoelectrically optical electrical electro-optically electrical optical electrically-electrically electrical electrical

Im Falle eines elektrischen Signals oder elektrischen Referenzsignals, also in allen Verfahrensmodi außer optisch-optisch, ist es zunächst notwendig, dass ein optisches Signal bzw. optisches Referenzsignal in Abhängigkeit des elektrischen Signals bzw. elektrischen Referenzsignals moduliert wird. Vorzugsweise wird dabei die Amplitude des optischen Signals bzw. des optischen Referenzsignals in Abhängigkeit des elektrischen Signals bzw. elektrischen Referenzsignals moduliert. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich der Zeitabstand auf die Zeitspanne zwischen einem ursprünglichen optischen oder elektrischen Signal und dem ursprünglichen optischen oder elektrischen Referenzsignal bezieht. Es kann also im Falle eines elektrischen Signals oder elektrischen Referenzsignals sein, dass sich eine Veränderung dieses Zeitabstands nicht in Form einer Veränderung des Zeitabstands zwischen dem modulierten optischen Signal bzw. optischen Referenzsignal ausdrückt, sondern beispielsweise nur in Form einer Amplitudenmodulation. Falls das Signal und das Referenzsignal, dessen Zeitabstand zu detektieren ist, optisch sind, d.h. im Verfahrensmodus optisch-optisch, sind die Modulationsschritte nicht notwendig.In the case of an electrical signal or electrical reference signal, ie in all process modes except optically-optical, it is first necessary that an optical signal or optical reference signal is modulated in dependence of the electrical signal or electrical reference signal. Preferably, the amplitude of the optical signal or of the optical reference signal is modulated in dependence on the electrical signal or electrical reference signal. It should be noted at this point that the time interval refers to the time span between an original optical or electrical signal and the original reference optical or electrical signal. Thus, in the case of an electrical signal or electrical reference signal, it may be that a change in this time interval is not in the form of a change in the time interval between the modulated expresses optical signal or optical reference signal, but for example only in the form of an amplitude modulation. If the signal and the reference signal, the time interval of which is to be detected, are optical, ie, optical-optical in the process mode, the modulation steps are not necessary.

Das optische Signal und das optische Referenzsignal werden mit demselben Photodetektor empfangen. Dadurch werden Unterschiede zwischen verschiedenen Photodetektoren vermieden und systematische Fehler bei der Detektion des Zeitabstands minimiert. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass das optische Signal und das optische Referenzsignal eine gemeinsame Quelle haben können und/oder Abzweigungen desselben optischen Signals sein können.The optical signal and the optical reference signal are received with the same photodetector. This avoids differences between different photodetectors and minimizes systematic errors in the detection of the time interval. It should be noted at this point that the optical signal and the reference optical signal may have a common source and / or branches of the same optical signal.

Das erfinderische Verfahren hat gegenüber bekannten Verfahren unter anderem den Vorteil, dass es unabhängig ist von der Polarisation des optischen Signals oder des optischen Referenzsignals und außerdem über einen weiten Bereich unabhängig ist von den jeweiligen Pulsbreiten. Darüber hinaus müssen sich die Pulse des Signals und die Pulse des Referenzsignals nicht zeitlich überlappen. Das vorgeschlagene Verfahren bietet eine Vielzahl von möglichen zeitlichen Versätzen zwischen optischem Signal und optischem Referenzsignal die zur Detektion der zeitlichen Veränderung geeignet sind. Es müssen also nur unwesentliche zusätzliche Wegstreckenlängen eingefügt werden, um einen geeigneten Arbeitspunkt zu gewährleisten.The inventive method has, among other things, the advantage over known methods that it is independent of the polarization of the optical signal or of the optical reference signal and also independent of the respective pulse widths over a wide range. In addition, the pulses of the signal and the pulses of the reference signal do not have to overlap in time. The proposed method offers a multiplicity of possible time offsets between the optical signal and the optical reference signal which are suitable for detecting the temporal change. Thus, only insignificant additional path lengths must be inserted to ensure a suitable operating point.

Vorzugsweise wird das optische Signal und/oder das optische Referenzsignal durch einen oder mehrere modengekoppelte Kurzpulslaser erzeugt. Das optische Signal und/oder das optische Referenzsignal sind vorzugsweise periodische Pulssignale mit einer im Vergleich zur Periodendauer relativ kleinen Pulsbreite von beispielsweise einem Bruchteil einer Pikosekunde. Die Periodendauer bei einem üblicherweise mit 50 bis 250 MHz Pulsfrequenz betriebenen Kurzpulslaser beträgt hingegen 4 bis 20 Nanosekunden, was einer Weglänge des Lichts von 1,2 bis 6 Metern entspricht. Es ist also ein großer Vorteil der Erfindung, dass nicht derartig lange Wegstreckenlängen eingefügt werden müssen, um einen Überlapp der Pulse mit einer Breite entsprechend einer Wegstrecke des Lichts von weniger als 0,3 Millimetern zu gewährleisten.Preferably, the optical signal and / or the optical reference signal is generated by one or more mode-locked short-pulse lasers. The optical signal and / or the optical reference signal are preferably periodic pulse signals having a relatively small pulse width, for example a fraction of a picosecond, compared to the period duration. The period duration with a usually with 50 to 250 MHz pulse frequency operated short-pulse laser, however, is 4 to 20 nanoseconds, which corresponds to a path length of light from 1.2 to 6 meters. It is therefore a great advantage of the invention that it is not necessary to insert such long path lengths in order to ensure an overlap of the pulses with a width corresponding to a distance of the light of less than 0.3 millimeters.

Es ist von Vorteil, wenn der Zeitabstand auf einen Wert im Bereich von 0,4 bis 0,6, vorzugsweise 0,45 bis 0,55, der Periodendauer des optischen Signals eingestellt wird. Es hat sich herausgestellt, dass dadurch bei geeigneter Wahl der Harmonischen eine maximale Sensitivität für Veränderungen erreicht werden kann. Vorzugsweise ist die ausgewählte Harmonische eine Harmonische von hoher Ordnung, d.h. zum Beispiel von der Ordnung 5 oder höher. Es hat sich nämlich ebenfalls gezeigt, dass bei den Harmonischen höherer Ordnung, insbesondere der Ordnung 5 oder höher, die Sensitivität für Veränderungen besonders groß ist und eine Vielzahl von Zeitabständen als sinnvolle Arbeitspunkte dienen können. Die größtmögliche auszuwählende Ordnung wird durch die Bandbreite des Photodetektors und die Filterbreite der Filtereinheit begrenzt, da diese die Anzahl der Ordnungen einschränkt, deren Amplitude noch sinnvoll gemessen werden bzw. gefiltert werden kann.It is advantageous if the time interval is set to a value in the range from 0.4 to 0.6, preferably 0.45 to 0.55, of the period of the optical signal. It has been found that with a suitable choice of the harmonics a maximum sensitivity for changes can be achieved. Preferably, the selected harmonic is a high order harmonic, i. for example of order 5 or higher. In fact, it has also been shown that in the case of higher-order harmonics, in particular order 5 or higher, the sensitivity to changes is particularly great and a multiplicity of time intervals can serve as meaningful operating points. The largest possible order to be selected is limited by the bandwidth of the photodetector and the filter width of the filter unit, since this limits the number of orders whose amplitude can still be meaningfully measured or filtered.

Das Frequenzspektrum kann sich z.B. mit Hilfe der Fourieranalyse bzw. -transformation aus dem Zeitsignal ergeben, wobei sich das Zeitsignal als Summe von Harmonischen darstellen lassen kann, wie z.B.: $A (t) = \sum_{n = 0}^{\infty} A_{n} \cdot \sin (n 2 π \cdot f_{0} t + φ_{n}),$

wobei A(t) das gemeinsame Signal aus optischem Signal und optischem Referenzsignal in Form einer Amplitude A als Funktion der Zeit t ist, n die Ordnung der Harmonischen ist, A_n die Amplitude der Harmonischen n-ter Ordnung ist, f₀ eine Grundfrequenz ist und ϕ _n die Phasenverschiebung der Harmonischen n-ter Ordnung ist. Das diskrete Frequenzspektrum enthält dann die Amplituden A_n der jeweiligen Frequenzanteile als Funktion der Frequenz nf₀, die der Frequenz der Harmonischen n-ter Ordnung entspricht. Für den Fall, dass das optische Signal und das optische Referenzsignal die gleiche Periodendauer T₀ bzw. die gleiche Pulsfrequenz f₀=1/T₀, die gleiche Amplitude A_t und einen Zeitabstand ΔT haben, gilt: A₀=cA_t, A_k=0, A_2k=A₀, wenn ΔT= T₀ /(2k) für k=1,2,...,N und ϕ ₀=0. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich die Erfindung nicht auf Harmonische in der Darstellung von Gleichung (1) beschränkt, sondern eine beliebige Darstellung haben können.The frequency spectrum can result, for example, from the time signal with the aid of Fourier analysis or transformation, wherein the time signal can be represented as the sum of harmonics, such as:

A (t) = Σ_{n = 0}^{\infty} A_{n} \cdot \sin (n 2 π \cdot f_{0} t + φ_{n}) .

where A (t) the common signal of optical signal and optical reference signal in the form of an amplitude A as a function is the time t, n is the harmonic order, A _{n is} the amplitude of the n-order harmonic, f _{0 is} a fundamental frequency, and φ _{n is} the phase shift of the n-th order harmonics. The discrete frequency spectrum then contains the amplitudes A _{n of} the respective frequency components as a function of the frequency nf ₀ , which corresponds to the frequency of the nth order harmonics. In the event that the optical signal and the optical reference signal have the same period T ₀ or the same pulse frequency f ₀ = 1 / T ₀ , the same amplitude A _t and a time interval Δ T , A ₀ = cA _t , A _k = 0, A _2k = A ₀ , if Δ T = T ₀ / (2k) for k = 1,2, ..., N and φ ₀ = 0. It should be noted at this point that the invention is not limited to harmonics in the representation of equation (1), but may have any representation.

Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, das Detektieren von Veränderungen des Zeitabstands aus Veränderungen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen durchzuführen. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, dass eine Veränderung der Amplitude der ausgewählten Harmonischen als direktes Maß für die Veränderung des Zeitabstands dient. Da das Frequenzspektrum vom Zeitabstand abhängt, verändert sich die Einhüllende in Abhängigkeit des Zeitabstands. Es ist nun vorteilhaft, wenn für das Filtern eine Harmonische mit einer Frequenz ausgewählt wird, bei der der Betrag des Gradienten der Einhüllenden des Frequenzspektrums maximal ist. Dann ist die Amplitude der ausgewählten Harmonischen maximal sensitiv für Veränderungen des Zeitabstands. Alternativ zu der geeigneten Auswahl der Harmonischen kann auch der Zeitabstand so eingestellt werden, dass eine für die Auswahl gewünschte Harmonische diese Eigenschaft hat.There are various ways to perform the detection of changes in the time interval from changes in the amplitude of the selected harmonics. A simple possibility is that a change in the amplitude of the selected harmonic serves as a direct measure of the change in the time interval. Since the frequency spectrum depends on the time interval, the envelope changes as a function of the time interval. It is now advantageous if, for the filtering, a harmonic with a frequency is selected at which the magnitude of the gradient of the envelope of the frequency spectrum is maximal. Then the amplitude of the selected harmonic is maximally sensitive to changes in the time interval. As an alternative to the appropriate selection of the harmonics, the time interval can also be set so that a harmonic desired for the selection has this property.

Nachteilig an dieser Möglichkeit ist die Abhängigkeit von Amplitudenschwankungen des optischen Signals oder optischen Referenzsignals. Nur bei sehr konstanter Amplitude des optischen Signals oder optischen Referenzsignals eignet sich eine Veränderung der Amplitude der ausgewählten Harmonischen als direktes Maß für die Veränderung des Zeitabstands. Andernfalls würden Amplitudenschwankungen des optischen Signals oder optischen Referenzsignals fälschlich als Veränderung des Zeitabstands interpretiert.A disadvantage of this possibility is the dependence on amplitude fluctuations of the optical signal or optical reference signal. Only at very constant amplitude of the optical Signal or optical reference signal is a change in the amplitude of the selected harmonic as a direct measure of the change in the time interval. Otherwise, amplitude fluctuations of the optical signal or optical reference signal would be erroneously interpreted as a change in the time interval.

Daher kann es vorteilhaft sein, wenn zusätzlich eine zweite ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals gefiltert wird und eine Veränderung der Differenz zwischen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen und der Amplitude der zweiten ausgewählten Harmonischen als Maß für die Veränderung des Zeitabstands dient. Die Differenz zwischen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen und der Amplitude der zweiten ausgewählten Harmonischen ist nämlich weitestgehend unabhängig von Amplitudenschwankungen, da diese sich auf beide ausgewählte Harmonische gleich auswirken. Vorzugsweise hat die zweite ausgewählte Harmonische eine Ordnung, die um eins kleiner oder größer ist als die Ordnung der ausgewählten Harmonischen. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die Amplitudendifferenz von Harmonischen benachbarter Ordnungen, insbesondere bei einem Zeitabstand nahe der halben Periodendauer, besonders sensitiv auf Veränderungen des Zeitabstands ist. Es hat sich ebenfalls herausgestellt, dass mögliche Fehler, die durch den Photodetektor und/oder die nachgeschaltete Elektronik und/oder die Filtereinheit besonders klein für benachbarte Harmonische sind.Therefore, it may be advantageous to additionally filter a second selected harmonic from the frequency spectrum of the output electrical response signal and use a variation in the difference between the amplitude of the selected harmonic and the amplitude of the second selected harmonic as a measure of the change in the time interval. Namely, the difference between the amplitude of the selected harmonic and the amplitude of the second selected harmonic is largely independent of amplitude variations, since these have the same effect on both selected harmonics. Preferably, the second selected harmonic has an order one less than or greater than the order of the selected harmonic. It has been found that the amplitude difference of harmonics of adjacent orders, especially at a time interval close to half the period, is particularly sensitive to changes in the time interval. It has also been found that possible errors caused by the photodetector and / or the downstream electronics and / or the filter unit are particularly small for adjacent harmonics.

Es kann aus messtechnischen Gründen auch von Vorteil sein, eine Harmonische so auszuwählen oder den Zeitabstand so einzustellen, dass bei der Frequenz der ausgewählten Harmonischen der Betrag der Einhüllenden des Frequenzspektrums minimal ist. Bei gleicher Amplitude von optischem Signal und optischem Referenzsignal und geeignetem Zeitabstand kann die ausgewählte Harmonische ausgelöscht sein, sodass eine Messung der Amplitude am Nullpunkt stattfinden kann, was für bestimmte Anwendungen von Vorteil ist. Nachteilig ist daran allerdings, dass sich das Signal nur mit weiteren Hilfsmitteln mit dem Referenzsignal synchronisieren lässt, da die Amplitudenänderung am Nullpunkt keine Information über die Richtung einer Veränderung des Zeitabstands enthält.It may also be advantageous for metrological reasons to select a harmonic or to set the time interval such that the frequency of the envelope of the frequency spectrum is minimal at the frequency of the selected harmonic. With the same amplitude of optical signal and optical reference signal and suitable time interval, the selected harmonic can be extinguished, so that a measurement of the amplitude at zero, which is advantageous for certain applications. A disadvantage, however, is that the signal can be synchronized with the reference signal only with further aids, since the change in amplitude at the zero point contains no information about the direction of a change in the time interval.

Um die Richtung einer Veränderung des Zeitabstands zu bestimmen, kann es vorteilhaft sein, wenn das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:

Empfangen des optischen Signals oder des optischen Referenzsignals mit einem zweiten Photodetektor,
Ausgeben eines zweiten elektrischen Antwortsignals an einem Ausgang des zweiten Photodetektors, wobei das zweite elektrische Antwortsignal ein Frequenzspektrum aufweist,
Filtern einer Referenz-Harmonischen aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen zweiten elektrischen Antwortsignals, wobei die Referenz-Harmonische und die ausgewählte Harmonische gleicher Ordnung sind,
Mischen der Referenz-Harmonischen und der ausgewählten gefilterten Harmonischen in einem Mischer,
Ausgeben eines Ausgangssignals an einem Ausgang des Mischers und
Detektieren von Veränderungen des Zeitabstands, wobei Veränderungen der Amplitude des Ausgangssignals als Maß für Veränderungen des Zeitabstands dienen.

In order to determine the direction of a change of the time interval, it may be advantageous if the method comprises the following further steps:

Receiving the optical signal or the reference optical signal with a second photodetector,
Outputting a second electrical response signal at an output of the second photodetector, the second electrical response signal having a frequency spectrum,
Filtering a reference harmonic from the frequency spectrum of the output second electrical response signal, wherein the reference harmonic and the selected harmonic are of the same order,
Mixing the reference harmonics and the selected filtered harmonics in a mixer,
Outputting an output signal at an output of the mixer and
Detecting changes in the time interval, wherein changes in the amplitude of the output signal serve as a measure of changes in the time interval.

Die Referenz-Harmonische und die ausgewählte gefilterte Harmonische werden beim Mischen vorzugsweise multipliziert. Wenn beide Schwingungen phasengleich in den Mischer geführt werden, kann man den Mischer als "Amplitudendetektor" verwenden. Das Produkt von Referenz-Harmonischer und ausgewählter gefilterter Harmonischer ist ein Ausgangssignal, das mit doppelter Frequenz um eine bestimmte Amplitude oszilliert. Beispielsweise mit einem Tiefpassfilter, der den oszillierenden Anteil des Ausgangssignals entfernt, lässt sich die vorzeichenbehaftete Amplitudenänderung des Ausgangssignals extrahieren. Die Amplitudenänderung des Ausgangssignals hat dabei ein Vorzeichen, das von der Richtung der Veränderung des Zeitabstands abhängt, sodass aus dem Ausgangssignal die Richtung der Veränderung des Zeitabstands bestimmt und entsprechend geregelt werden kann.The reference harmonic and the selected filtered harmonic are preferably multiplied during mixing. If both oscillations are fed into the mixer in phase, the mixer can be used as an "amplitude detector". The product of the reference harmonic and selected filtered harmonic is an output signal that oscillates at twice the frequency of a certain amplitude. For example with a low-pass filter which removes the oscillating component of the output signal, the signed amplitude change of the output signal can be extracted. The change in amplitude of the output signal has a sign that depends on the direction of the change in the time interval, so that the direction of the change in the time interval can be determined from the output signal and controlled accordingly.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn eine Verzögerungseinrichtung dazu verwendet wird, das optische Signal und/oder das optische Referenzsignal um eine ausgewählte Zeitspanne zu verzögern. Solch eine Verzögerungseinrichtung kann beispielsweise eine Verlängerung der Wegstrecke des optischen Signals und/oder des optischen Referenzsignals sein.It is also advantageous if a delay device is used to delay the optical signal and / or the optical reference signal by a selected period of time. Such a delay device may, for example, be an extension of the path of the optical signal and / or of the optical reference signal.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Synchronisieren eines optischen oder elektrischen Signals mit einem optischen oder elektrischen Referenzsignal bereitgestellt, wobei der Zeitabstand in Abhängigkeit der durch das Verfahren detektierten Veränderung des Zeitabstands geregelt wird. Vorzugsweise wird der Zeitabstand mittels einer Rückkopplung geregelt. Es kann besonders vorteilhaft sein, die Differenz zwischen den Amplituden von zwei ausgewählten Harmonischen benachbarter Ordnung auf null zu regeln.According to a second aspect of the invention, there is provided a use of the above-described method for synchronizing an optical or electrical signal with an optical or electrical reference signal, the time interval being controlled in dependence on the change in the time interval detected by the method. Preferably, the time interval is regulated by means of a feedback. It may be particularly advantageous to control the difference between the amplitudes of two selected adjacent order harmonics to zero.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Detektion von Veränderungen eines Zeitabstands zwischen einem optischen oder elektrischen Signal und einem optischen oder elektrischen Referenzsignal mit einem Photodetektor, einer Filtereinheit und einem Messgerät bereitgestellt, wobei
im Falle eines elektrischen Signals und/oder elektrischen Referenzsignals mindestens ein elektro-optischer Modulator vorgesehen ist, der dazu ausgestaltet ist, ein optisches Signal bzw. optisches Referenzsignal in Abhängigkeit des elektrischen Signals bzw. elektrischen Referenzsignals zu modulieren,
der Photodetektor dazu ausgestaltet ist, das optische Signal und das optische Referenzsignal zu empfangen und ein elektrisches Antwortsignal an einem Ausgang des Photodetektors auszugeben, wobei das elektrische Antwortsignal ein Frequenzspektrum aufweist, das vom Zeitabstand abhängig ist,
die Filtereinheit mit dem Ausgang des Photodetektors verbunden und dazu ausgestaltet ist, eine ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals zu filtern und
das Messgerät mit der Filtereinheit verbunden und dazu ausgestaltet ist und Veränderungen des Zeitabstands aus Veränderungen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen zu detektieren.According to a third aspect of the invention, there is provided an apparatus for detecting changes in a time interval between an optical or electrical signal and an optical or electrical reference signal having a photodetector, a filter unit and a meter, wherein
in the case of an electrical signal and / or electrical reference signal, at least one electro-optical modulator is provided, which is designed to an optical signal or optical reference signal in dependence to modulate the electrical signal or electrical reference signal,
the photodetector is configured to receive the optical signal and the optical reference signal and to output an electrical response signal at an output of the photodetector, the electrical response signal having a frequency spectrum that is a function of the time interval,
the filter unit is connected to the output of the photodetector and configured to filter a selected harmonic from the frequency spectrum of the output electrical response signal, and
the meter is connected to the filter unit and configured to detect changes in the time interval from changes in the amplitude of the selected harmonics.

Der Photodetektor weist vorzugsweise eine hohe Bandbreite auf, sodass das Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals mindestens 5 Harmonische umfasst. Die Zeitauflösung der Detektion ist durch die Messgenauigkeit des Messgeräts begrenzt, sodass es vorteilhaft ist, wenn das Messgerät eine Messgenauigkeit von mindestens δA/A=10^-3, vorzugsweise von mindestens δA/A=10^-4, für die Amplitude der ausgewählten Harmonischen hat.The photodetector preferably has a high bandwidth, so that the frequency spectrum of the output electrical response signal comprises at least 5 harmonics. The time resolution of the detection is limited by the measurement accuracy of the meter, so it is advantageous if the meter has a measurement accuracy of at least δ A / A = 10 ^-3 , preferably at least δ A / A = 10 ^-4 , for the amplitude of the selected Has harmonics.

Es kann weiterhin von Vorteil sein, wenn die Vorrichtung eine zweite Filtereinheit aufweist, die mit dem Ausgang des Photodetektors verbunden und dazu ausgestaltet ist, eine zweite ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals zu filtern, wobei das Messgerät mit der zweiten Filtereinheit verbunden und dazu ausgestaltet ist, Veränderungen des Zeitabstands aus Veränderungen der Differenz zwischen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen und der Amplitude der zweiten ausgewählten Harmonischen zu detektieren. Mit dieser Vorrichtung kann das oben beschriebene Verfahren derart durchgeführt werden, dass die Detektion von Veränderungen des Zeitabstands unabhängig von Amplitudenschwankungen des optischen Signals oder optischen Referenzsignals ist.It may also be advantageous if the device comprises a second filter unit connected to the output of the photodetector and configured to filter a second selected harmonic from the frequency spectrum of the output electrical response signal, the measuring device being connected to the second filter unit and is adapted to changing the time interval from changes in the difference between the amplitude of the selected harmonic and the amplitude of the second selected harmonic to detect. With this device, the method described above can be performed such that the detection of changes in the time interval is independent of amplitude fluctuations of the optical signal or optical reference signal.

Vorzugsweise ist mindestens eine Filtereinheit in dem Messgerät integriert, d.h. die Verbindung zwischen mindestens einer Filtereinheit und dem Messgerät ist innerhalb des Messgeräts gewährleistet. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung eine Verzögerungseinrichtung aufweist, die dazu ausgestaltet ist, das optische Signal und/oder das optische Referenzsignal um eine ausgewählte Zeitspanne zu verzögern. Damit kann der Zeitabstand gewünscht eingestellt werden. Solch eine Verzögerungseinrichtung kann beispielsweise eine Verlängerung der Wegstrecke des optischen Signals und/oder des optischen Referenzsignals sein.Preferably, at least one filter unit is integrated in the meter, i. the connection between at least one filter unit and the meter is guaranteed within the meter. It may also be advantageous if the device has a delay device that is configured to delay the optical signal and / or the optical reference signal by a selected period of time. Thus, the time interval can be set desired. Such a delay device may, for example, be an extension of the path of the optical signal and / or of the optical reference signal.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung einen zweiten Photodetektor, eine weitere Filtereinheit und einen Mischer auf, wobei
der zweite Photodetektor dazu ausgestaltet ist, das optische Signal oder das optische Referenzsignal zu empfangen und ein zweites elektrisches Antwortsignal an einem Ausgang des zweiten Photodetektors auszugeben, wobei das zweite elektrische Antwortsignal ein Frequenzspektrum aufweist,
die weitere Filtereinheit mit dem Ausgang des zweiten Photodetektors verbunden und dazu ausgestaltet ist, eine ausgewählte Referenz-Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen zweiten elektrischen Antwortsignals zu filtern, wobei die Referenz-Harmonische und die ausgewählte Harmonische gleicher Ordnung sind,
der Mischer einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei der erste Eingang mit der Filtereinheit verbunden ist und der zweite Eingang mit der weiteren Filtereinheit verbunden ist, und
der Mischer dazu ausgestaltet ist, die Referenz-Harmonische und die ausgewählte gefilterte Harmonische zu mischen, ein Ausgangssignal an dem Ausgang des Mischers auszugeben, wobei aus Veränderungen der Amplitude des Ausgangssignals Veränderungen des Zeitabstands detektierbar sind.In an advantageous embodiment, the device has a second photodetector, a further filter unit and a mixer, wherein
the second photodetector is configured to receive the optical signal or the optical reference signal and to output a second electrical response signal at an output of the second photodetector, the second electrical response signal having a frequency spectrum,
the further filter unit is connected to the output of the second photodetector and configured to filter a selected reference harmonic from the frequency spectrum of the output second electrical response signal, wherein the reference harmonic and the selected harmonic are of the same order,
the mixer has a first input, a second input and an output, the first input being connected to the first input Filter unit is connected and the second input is connected to the further filter unit, and
the mixer is configured to mix the reference harmonic and the selected filtered harmonic, output an output signal at the output of the mixer, and changes in the amplitude of the output signal are indicative of changes in the time interval.

Der Mischer und die weitere Filtereinheit können in dem Messgerät integriert sein. Des Weiteren kann das Messgerät über eine Rückkopplung mit einer Steuereinheit verbunden sein, wobei die Steuereinheit dazu ausgestaltet ist, den Zeitabstand zu regeln. Die Steuereinheit kann beispielsweise die Repetitionsrate des Referenzlasers steuern. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn der Referenzlaser selbst mit einem elektrischen Referenzsignal eines Mikrowellenoszillators synchronisiert werden soll, d.h. die Vorrichtung das Verfahren im Modus optisch-elektrisch durchführen soll. Andererseits kann die Steuereinheit auch ein elektrisches Signal nachregeln, das mit dem optischen Referenzsignal des Referenzlasers synchronisiert werden soll, wobei also die Vorrichtung das Verfahren im Modus elektrisch-optisch durchführen soll.The mixer and the further filter unit can be integrated in the measuring device. Furthermore, the measuring device may be connected via a feedback to a control unit, wherein the control unit is configured to regulate the time interval. The control unit can, for example, control the repetition rate of the reference laser. This is useful, for example, if the reference laser itself is to be synchronized with an electrical reference signal of a microwave oscillator, i. the device is to perform the process in optical-electrical mode. On the other hand, the control unit can also readjust an electrical signal which is to be synchronized with the reference optical signal of the reference laser, in which case the device should perform the method in the mode of electrical-optical.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren 1 bis 12 detaillierter beschrieben.Hereinafter, preferred embodiments of the invention with reference to the accompanying FIGS. 1 to 12 described in more detail.

Figuren 1 und 2 zeigen zwei schematische Darstellungen einer ersten bzw. zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung. Figures 1 and 2 show two schematic representations of a first and second advantageous embodiment of the invention.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Verwendung der Erfindung für eine Längenkorrektur der Wegstrecke des Signals. FIG. 3 shows a schematic representation of a possible use of the invention for a length correction of the path of the signal.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung. FIG. 4 shows a schematic representation of a third embodiment of the invention.

Figuren 5 und 6 zeigen schematische Darstellungen einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit zwei verschiedenen Verwendungen zur Synchronisation. Figures 5 and 6 show schematic representations of a fourth embodiment of the invention with two different uses for synchronization.

Figuren 7 bis 11 zeigen schematische Darstellungen von optischen Signalen und optischen Referenzsignalen jeweils als Funktion der Zeit und als Funktion der Frequenz für verschiedene Werte des Zeitabstands. FIGS. 7 to 11 12 show schematic representations of optical signals and optical reference signals, respectively, as a function of time and as a function of frequency for different values of the time interval.

Figur 12 zeigt die Amplitudendifferenz der ausgewählten Harmonischen der Ordnung 44 und 45 als Funktion des Zeitabstands. FIG. 12 shows the amplitude difference of the selected harmonic of order 44 and 45 as a function of time interval.

Figur 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei ein optisches Signal 1 und ein optisches Referenzsignal 3 auf einen Photodetektor 5 treffen, dessen Ausgang mit einer Filtereinheit 7 in einem Messgerät 9 verbunden ist. Das optische Signal 1 und das optische Referenzsignal 3 sind in diesem Beispiel Laserpulse mit gleicher Periodendauer T₀ bzw. einer Pulsrate f₀=1/T₀, wobei das optische Signal 1 und das optische Referenzsignal 3 durch denselben Lichtleiter 11 auf den Photodetektor 5 geführt sind. Die Amplituden A_t des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 sind zeitlich konstant und gleich groß. Zwischen den Pulsen des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 liegt ein Zeitabstand von ΔT. FIG. 1 shows a first preferred embodiment of the invention, wherein an optical signal 1 and an optical reference signal 3 meet a photodetector 5, the output of which is connected to a filter unit 7 in a measuring device 9. The optical signal 1 and the optical reference signal 3 are in this example laser pulses with the same period T ₀ and a pulse rate f ₀ = 1 / T ₀ , wherein the optical signal 1 and the optical reference signal 3 guided by the same light guide 11 to the photodetector 5 are. The amplitudes A _{t of} the optical signal 1 and the optical reference signal 3 are constant in time and the same size. Between the pulses of the optical signal 1 and the optical reference signal 3 is a time interval of Δ T.

Empfängt nun der Photodetektor 5 das optische Signal 1 und das optische Referenzsignal 3, so gibt dieser an einem Ausgang 13 des Photodetektors 5 ein elektrisches Antwortsignal 15 aus. Das elektrische Antwortsignal 15 weist ein Frequenzspektrum auf, das vom Zeitabstand ΔT abhängt. Mittels der Filtereinheit 7 wird nun eine ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals 15 gefiltert und dessen Amplitude mit dem Messgerät 9 gemessen. Es lassen sich dann aus Veränderungen der gemessenen Amplitude der ausgewählten Harmonischen Veränderungen des Zeitabstands ΔT detektieren. Zum Beispiel ist dies bei zeitlich konstanter Amplitude A_t des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 aus Veränderungen der gemessenen Amplitude als direktes Maß möglich.If the photodetector 5 now receives the optical signal 1 and the optical reference signal 3, it outputs an electrical response signal 15 at an output 13 of the photodetector 5. The electrical response signal 15 has a frequency spectrum which depends on the time interval Δ T. By means of the filter unit 7, a selected harmonic from the frequency spectrum of the output electrical response signal 15 is filtered and its amplitude measured by the measuring device 9. It is then possible to detect changes in the measured amplitude of the selected harmonic changes in the time interval Δ T. For example, with temporally constant amplitude A _{t of} the optical signal 1 and the optical reference signal 3, this is possible from changes in the measured amplitude as a direct measure.

Beispielhaft sind in den Figuren 7 bis 11 die Amplitude des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 jeweils oben als Funktion der Zeit t und unten als Funktion der Frequenz f für Zeitabstände ΔT=0, 0,01·T₀, 0,02·T₀, 0,2·T₀ und 0,48·T₀ gezeigt. Das optische Signal 1 und das optische Referenzsignal 3 haben die gleiche Amplitude A_t, die gleiche Pulsform und die gleiche Periodendauer T₀ bzw. eine Pulsrate f₀=1/T₀. In Figur 7 ist der Zeitabstand ΔT=0, so dass die Pulse des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 exakt übereinanderliegen. Die untere Darstellung der Amplitude des elektrischen Antwortsignals 15 stellt daher das diskrete Frequenzspektrum dar, wobei die Harmonischen bis zur 46. Ordnung gezeigt sind. Für einen Zeitabstand ΔT=0, wie in Figur 7 gezeigt, ist diese Ausführungsform des Verfahrens weniger geeignet, da die Amplitude aller Harmonischen A₀ beträgt. Eine sehr kleine Änderung vom Zeitabstand ΔT=0 würde sich nur auf die Amplitude von Harmonischen sehr hoher Ordnung auswirken, welche ggf. nicht mehr von der Bandbreite des Photodetektors 5 abgedeckt oder durch die Filtereinheit 7 filterbar sind und daher nicht mehr sinnvoll erfasst werden können. In Figur 8 ist gezeigt wie das Frequenzspektrum für einen Wert des Zeitabstands ΔT=0,01·T₀ aussieht. Das Frequenzspektrum hat für ΔT=0,01·T₀ eine Einhüllende 17, die die Form einer Kosinus-Kurve A(f)=0,5·A₀(1+cos(0,01-2πf/f₀)) hat. Damit sind die Harmonischen der Ordnungen 50, 150, 250,..., usw. jeweils ausgelöscht. Am sensitivsten für Veränderungen des Zeitabstands ΔT=0,01·T₀ ist innerhalb der Bandbreite des Photodetektors die Amplitude der 25. Harmonischen, da der Betrag des Gradienten der Einhüllenden 17 bei der Frequenz f=25·f₀ am größten ist.Exemplary are in the FIGS. 7 to 11 the amplitude of the optical signal 1 and of the optical reference signal 3 in each case above as a function of the time t and below as a function of the frequency f for time intervals ΔT = 0, 0.01 × T ₀ , 0.02 × T ₀ , 0.2 × T ₀ and 0.48 · T ₀ shown. The optical signal 1 and the optical reference signal 3 have the same amplitude A _t , the same pulse shape and the same period T ₀ and a pulse rate f ₀ = 1 / T ₀ . In FIG. 7 is the time interval Δ T = 0, so that the pulses of the optical signal 1 and the optical reference signal 3 are exactly superimposed. The lower representation of the amplitude of the electrical response signal 15 therefore represents the discrete frequency spectrum, with the harmonics up to 46th order. For a time interval Δ T = 0, as in FIG. 7 As shown, this embodiment of the method is less suitable since the amplitude of all harmonics A is ₀ . A very small change of the time interval Δ T = 0 would only affect the amplitude of harmonics of very high order, which may no longer be covered by the bandwidth of the photodetector 5 or filterable by the filter unit 7 and therefore can not be meaningfully detected , In FIG. 8 It is shown how the frequency spectrum looks for a value of the time interval Δ T = 0.01 × T ₀ . The frequency spectrum has for Δ T = 0.01 * T ₀ an envelope 17 which takes the form of a cosine curve A (f) = 0.5 * A ₀ (1 + cos (0.01-2πf / f ₀ )) Has. Thus, the harmonics of the orders 50, 150, 250, ..., etc. are extinguished respectively. The most sensitive to changes in the time interval ΔT = 0.01 * T ₀ is the amplitude of the 25th harmonic within the bandwidth of the photodetector since the magnitude of the gradient of the envelope 17 is greatest at the frequency f = 25 * f ₀ .

Aus den Figuren 9 bis 11 wird deutlich, dass für die Form der Einhüllenden 17 als Funktion der Frequenz f und des Zeitabstands ΔT gilt: $A (f, Δ T) = 0, 5 \cdot A_{0} (1 + \cos (Δ T / T_{0} \cdot 2 πf / f_{0})) .$

From the FIGS. 9 to 11 it is clear that f as a function of frequency and the time interval Δ T is true for the shape of the envelope 17:

A (f . Δ T) = 0.5 \cdot A_{0} (1 + \cos (Δ T / T_{0} \cdot 2 πf / f_{0})),

Das bedeutet, dass die Einhüllende 17 eine Periodenlänge von f₀·T₀ /ΔT hat. Bei einem Zeitabstand von beispielsweise ΔT=T₀ /2 ist genau jede zweite Harmonische ausgelöscht, nämlich diejenigen mit ungerader Ordnung. In Figur 9 ist z.B. gezeigt wie die 25. Harmonische ausgelöscht ist, wenn der Zeitabstand ΔT=0,02·T₀ beträgt.This means that the envelope 17 has a period length of f ₀ · T ₀ / Δ T. At an interval of, for example, Δ T = T _0/2, every second harmonic is canceled exactly, namely those with odd order. In FIG. 9 For example, it shows how the 25th harmonic is extinguished when the time interval ΔT = 0.02 × T ₀ .

Es wird aus den Figuren 7 bis 11 unmittelbar deutlich, dass bei geeigneter Auswahl einer Harmonischen die Sensitivität für Veränderungen des Zeitabstands prinzipiell größer ist für Harmonische höherer Ordnungen, d.h. mindestens der Ordnung 5 oder höher. Besonders geeignet können diejenigen Harmonischen sein, bei denen der Betrag des Gradienten der Einhüllenden 17 maximal ist, z.B. in Figur 10 die Ordnungen 1, 4, 6, 9, 11, 14, 16 ,..., usw. für ΔT=0,2·T₀. Von diesen besonders geeigneten Harmonischen ist die höchste noch sinnvoll messbare Ordnung innerhalb der Bandbreite des Photodetektors, beispielsweise die 46. Ordnung, am sensitivsten auf eine Veränderung des Zeitabstands ΔT. It will be out of the FIGS. 7 to 11 It is immediately clear that with a suitable selection of a harmonic, the sensitivity to changes in the time interval is in principle greater for harmonics of higher orders, ie at least of order 5 or higher. Particularly suitable may be those harmonics in which the amount of the gradient of the envelope 17 is a maximum, for example in FIG. 10 the orders 1, 4, 6, 9, 11, 14, 16, ..., and so on for Δ T = 0.2 · T _0th Of these particularly suitable harmonics, the highest order still sensibly measurable within the bandwidth of the photodetector, for example the 46th order, is most sensitive to a change in the time interval ΔT .

Wie in Figur 9 gezeigt, kann es aber auch sinnvoll sein, eine Harmonische auszuwählen, die für den eingestellten Zeitabstand ΔT ausgelöscht ist. Die Einhüllende 17 hat an dieser Stelle zwar ein Minimum, d.h. der Betrag des Gradienten ist null, sodass die Sensitivität für Veränderungen des Zeitabstands ΔT verhältnismäßig gering ist, aber es kann damit auf den Nullpunkt geregelt werden. Dies kann messtechnisch von Vorteil sein. Problematisch ist dabei allerdings, das eine Veränderung der Amplitude durch eine Veränderung des Zeitabstands ΔT keine Information über die Richtung der Veränderung des Zeitabstands ΔT enthält. Es sind also weitere Hilfsmittel notwendig, um die Richtung der Veränderung des Zeitabstands ΔT festzustellen.As in FIG. 9 shown, but it can also be useful to select a harmonic that is wiped out for the set time interval Δ T. The envelope 17 has a minimum at this point, ie the magnitude of the gradient is zero, so that the sensitivity to changes in the time interval Δ T is relatively small, but it can thus be regulated to the zero point. This can be metrologically advantageous. The problem is, however, that a change in the amplitude by a change in the time interval Δ T contains no information about the direction of change in the time interval Δ T. So there are more tools necessary to determine the direction of change in the time interval Δ T.

Außerdem wird deutlich, dass die Sensitivität für Werte des Zeitabstands in der Nähe von ΔT=T₀ /2, d.h. im Bereich von 0,4 bis 0,6, oder vorzugsweise 0,45 bis 0,55, besonders hoch ist, da in diesem Bereich die Einhüllende 17 eine kurze Periodenlänge und somit hohe Gradienten aufweist.It is also clear that the sensitivity values for the time interval near Δ T = T _0/2, that is in the range of 0.4 to 0.6, or preferably, is 0.45 to 0.55 particularly high since In this area, the envelope 17 has a short period length and thus high gradients.

Eine zweite vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 2 gezeigt, wobei die Vorrichtung eine zweite Filtereinheit 19 aufweist, die mit dem Messgerät 9 verbunden und in diesem integriert ist und auch mit dem Ausgang des Photodetektors 5 verbunden ist. Die zweite Filtereinheit 19 ist dazu ausgestaltet, eine zweite ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen elektrischen Antwortsignals 15 zu filtern. Das Messgerät 9 ist dazu ausgestaltet, die Differenz zwischen der Amplitude der ausgewählten Harmonischen und der Amplitude der zweiten ausgewählten Harmonischen zu bilden und aus Veränderungen der Differenz Veränderungen des Zeitabstands ΔT zu detektieren.A second advantageous embodiment of the invention is in FIG. 2 shown, wherein the device comprises a second filter unit 19 which is connected to the measuring device 9 and integrated therein and is also connected to the output of the photodetector 5. The second filter unit 19 is configured to filter a second selected harmonic from the frequency spectrum of the output electrical response signal 15. The meter 9 is adapted to form the difference between the amplitude of the selected harmonic and the amplitude of the second selected harmonic, and to detect changes in the time interval Δ T from changes in the difference.

In Figuren 11 und 12 ist gezeigt wie bei einem Zeitabstand ΔT=0,48·T₀ die 45. Harmonische und die 44. Harmonische ausgewählt und gefiltert wird, die Amplituden A₄₅ und A₄₄ gemessen werden und die Differenz ΔA=A₄₄-A₄₅ gebildet wird. Die Differenz ΔA ist weitestgehend unabhängig von Schwankungen der Amplitude A_t des optischen Signals 1 oder des optischen Referenzsignals 3, da sich diese auf beide Amplituden A₄₅ und A₄₄ gleich auswirken und somit die Differenz ΔA unberührt lassen. Figur 12 zeigt die Differenz ΔA=A₄₄-A₄₅ als Funktion des Zeitabstands ΔT. Es wird hier besonders deutlich wie stark die Differenz ΔA vom Zeitabstand ΔT abhängt. Der Arbeitspunkt für ΔT=0,48·T₀ aus Figur 11 ist als offener Kreis eingetragen. Die höchste Sensitivität für Veränderungen von ΔT hat die Differenz ΔA in einem der (2k-1) Nulldurchgänge, wobei hier für die ausgewählte 45. Ordnung k=45 gilt, da dort der Betrag der Steigung maximal ist. Zusätzlich hat man dort den Vorteil, auf einen Wert ΔA=0 regeln zu können. Die Steigung ist an einem Nulldurchgang nahe ΔT=T₀ /2 am größten, d.h. $\frac{ⅆ (Δ A)}{ⅆ (Δ T)} \approx 4 π (2 k - 1) \frac{A_{S}}{T_{0}} .$

In FIGS. 11 and 12 FIG. 3 shows how the 45th harmonic and the 44th harmonic are selected and filtered, the amplitudes A ₄₅ and A _{44 are} measured and the difference Δ A = A ₄₄ -A _{45 is} formed at a time interval Δ T = 0.48 · T ₀ becomes. The difference Δ A is largely independent of fluctuations in the amplitude A _{t of} the optical signal 1 or the optical reference signal 3, since these have the same effect on both amplitudes A ₄₅ and A ₄₄ and thus leave the difference Δ A untouched. FIG. 12 shows the difference Δ A = A ₄₄ -A ₄₅ as a function of the time interval Δ T. It is particularly clear here how much the difference Δ A depends on the time interval Δ T. The operating point for Δ T = 0.48 · T ₀ off FIG. 11 is registered as an open circle. The highest sensitivity to changes of Δ T is the difference Δ A in one of the (2k-1) zero crossings, wherein = true here for the selected 45th order k 45, since there, the amount of the slope is maximum. In addition, one has the advantage there to be able to regulate to a value Δ A = 0 . The slope is at a zero crossing near Δ T = T _0/2 at the most, ie

\frac{ⅆ (Δ A)}{ⅆ (Δ T)} \approx 4 π (2 k - 1) \frac{A_{S}}{T},

Aus der Gleichung (3) wird unmittelbar deutlich, dass die Sensitivität für Harmonische größerer Ordnungen größer ist als für Harmonische kleinerer Ordnungen. Ein bevorzugter Arbeitspunkt (in Figur 12 als schwarzer Punkt dargestellt) könnte am Nulldurchgang bei ΔT=T₀ /2[1-1/(2k-1)] liegen, auf den in einem Arbeitsbereich ΔT∈[T₀ /2-T₀ /(2k-1), T₀ /2] auf ΔA=0 geregelt werden kann. Aus Figur 12 wird auch die Vielzahl von ΔT-Werten als möglicher Arbeitspunkt deutlich.From equation (3) it is immediately clear that the sensitivity is greater for harmonics of larger orders than for harmonics of smaller orders. A preferred operating point (in FIG. 12 shown as a black dot) could be at the zero crossing at Δ T = T _0/2 [1-1 / (2k-1)] lie on in a workspace Δ t∈ [T _0/2 T ₀ / (2k-1 ), T _0/2 ] can be controlled to Δ A = 0 . Out FIG. 12 Also, the large number of ΔT values becomes clear as a possible operating point.

Figur 3 zeigt eine mögliche Verwendung der Erfindung für eine Längenkorrektur der Wegstrecke eines optischen Signals 1, das ein Ankunftszeitmonitor 21 benötigt, um mit anderen Komponenten (nicht gezeigt) synchronisiert zu werden. Dazu wird ein optisches Ursprungssignal 24 von einem modengekoppelten Kurzpulslaser 23 erzeugt, von dem mit einem ersten halbdurchlässigen Spiegel 25 das optische Signal 1 abgezweigt wird. Das Ursprungssignal 24 wird auch zu den anderen Komponenten geleitet, die sich in gleicher Weise ein optisches Signal 1 für die Synchronisation abzweigen. Vom ersten Spiegel 25 wird das Signal 1 über einen Lichtleiter 27 zum Ankunftszeitmonitor 21 geführt. Wenn sich nun die Länge des Lichtleiters 27 beispielsweise durch Temperatureinfluss ändert, so kann dies die Synchronisation mit anderen Komponenten beeinträchtigen. Um also eine etwaige Längenänderung des Lichtleiters 27 zu detektieren, kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Dazu wird mittels eines zweiten halbdurchlässigen Spiegels 29, der sich am Ende des Lichtleiters 27 befindet, das am Ankunftszeitmonitor 21 liegt, ein Referenzsignal 3 erzeugt, das eine Reflexion um 180° des Signals 1 darstellt. Das Referenzsignal 3 läuft also im Lichtleiter 27 dem Signal 1 in anderer Richtung entgegen. Ein dritter Spiegel 31, der sich am Ende des Lichtleiters 27 befindet, das am ersten Spiegel 25 liegt, reflektiert das Referenzsignal 3 wieder um 180° in Richtung des Signals 1. Ein vierter halbdurchlässiger Spiegel 33 an einer beliebigen Stelle des Lichtleiters 27 zwischen dem zweiten 29 und dritten Spiegel 31 zweigt dann sowohl das Signal 1 als auch das Referenzsignal 3 ab auf einen Photodetektor 5. Das Referenzsignal 3 hat dann im Gegensatz zum Signal 1 die Wegstrecke zwischen dem zweiten 29 und dritten Spiegel 31, also in etwa die Länge des Lichtleiters 27, zweimal durchlaufen, bevor der Photodetektor 5 erreicht wird. Die Positionen des zweiten 29 und/oder des dritten Spiegels 31 können so eingestellt werden, dass die Pulse des Signals 1 und des Referenzsignals 3 einen gewünschten Zeitabstand ΔT haben. Dies ist vorzugsweise ein Abstand im Bereich von 0,45 bis 0,55 der Periodendauer T₀ des Signals 1 bzw. des Referenzsignals 3. Ein mit dem Ausgang 13 des Photodetektors 5 verbundenes Messgerät 9 kann nun mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Veränderung des Zeitabstands ΔT detektieren. Solch eine Veränderung ergibt sich dann, wenn sich beispielsweise die Länge des Lichtleiters 27 ändert, da das Referenzsignals 3 diese zweimal mehr als das Signal 1 durchlaufen hat. Diese detektierte Änderung kann beispielsweise nun als Information zu einem Stellglied 32 geführt werden, das dazu ausgestaltet ist, die Länge der Wegstrecke des Lichts zwischen dem zweiten 29 und dritten Spiegel 31 nachzuregeln, um die Längenänderung des Lichtleiters 27 zu kompensieren. FIG. 3 FIG. 12 shows a possible use of the invention for a length correction of the path of an optical signal 1 that requires an arrival time monitor 21 to be synchronized with other components (not shown). For this purpose, an optical original signal 24 is generated by a mode-locked short-pulse laser 23, from which the optical signal 1 is branched off with a first semitransparent mirror 25. The original signal 24 is also routed to the other components, which similarly branch off an optical signal 1 for synchronization. From the first mirror 25, the signal 1 via a light guide 27 to the arrival time monitor 21st guided. If, for example, the length of the light guide 27 changes as a result of the influence of temperature, this can impair the synchronization with other components. Thus, in order to detect a possible change in length of the optical fiber 27, the inventive method can be used. For this purpose, by means of a second semitransparent mirror 29, which is located at the end of the light guide 27, which is located at the arrival time monitor 21, a reference signal 3 is generated which represents a reflection by 180 ° of the signal 1. The reference signal 3 thus runs in the light guide 27 to the signal 1 in the opposite direction. A third mirror 31, which is located at the end of the light guide 27, which is located on the first mirror 25, again reflects the reference signal 3 by 180 ° in the direction of the signal 1. A fourth semitransparent mirror 33 at an arbitrary position of the light guide 27 between the second 29 and third mirror 31 then branches off both the signal 1 and the reference signal 3 from a photodetector 5. The reference signal 3 has then in contrast to the signal 1, the distance between the second 29 and third mirror 31, that is approximately the length of the light guide 27, pass twice before the photodetector 5 is reached. The positions of the second 29 and / or the third mirror 31 can be adjusted so that the pulses of the signal 1 and the reference signal 3 having a desired time interval Δ T. This is preferably a distance in the range of 0.45 to 0.55 of the period T _{0 of} the signal 1 and the reference signal 3. A connected to the output 13 of the photodetector 5 measuring device 9 can now with the inventive method, a change in the time interval Δ T detect. Such a change occurs when, for example, the length of the light guide 27 changes, since the reference signal 3 has passed through this twice as much as the signal 1. This detected change, for example, can now be carried as information to an actuator 32, which is configured to the length of the path of the light between the second 29 and third Regulate mirror 31 to compensate for the change in length of the light guide 27.

Figur 4 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei ein zweiter Photodetektor 33, eine weitere Filtereinheit 35 und ein Mischer 37 verwendet wird, um Veränderungen des Zeitabstands zu detektieren. Dies kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn die Amplitude der ausgewählten Harmonischen bei dem Sollwert des Zeitabstands ΔT ausgelöscht ist und auf diesen Nullwert geregelt werden soll. Das Vorzeichen der Amplitudenänderung eines Ausgangssignals am Mischer 37 liefert dann eine Information über die Richtung einer Veränderung des Zeitabstands ΔT. Beispielsweise kann mit einem Tiefpassfilter 49, der den oszillierenden Anteil des Ausgangssignals entfernt, die vorzeichenbehaftete Amplitudenänderung des Ausgangssignals extrahiert werden. Die Amplitudenänderung des Ausgangssignals hat dann ein Vorzeichen, das von der Richtung der Veränderung des Zeitabstands abhängt, sodass aus dem Ausgangssignal die Richtung der Veränderung des Zeitabstands bestimmt und entsprechend geregelt werden kann. FIG. 4 shows a third preferred embodiment of the invention, wherein a second photodetector 33, a further filter unit 35 and a mixer 37 is used to detect changes in the time interval. This may for example be advantageous when the amplitude of the selected harmonic is extinguished at the set value of the time interval Δ T and is to be regulated to this zero value. The sign of the change in amplitude of an output signal at the mixer 37 then provides information about the direction of a change in the time interval Δ T. For example, with a low-pass filter 49 which removes the oscillating component of the output signal, the signed amplitude change of the output signal can be extracted. The amplitude change of the output signal then has a sign that depends on the direction of the change of the time interval, so that the direction of the change of the time interval can be determined from the output signal and controlled accordingly.

Der zweite Photodetektor 33 ist dazu ausgestaltet, ein abgezweigtes optisches Signal 1 zu empfangen und ein zweites elektrisches Antwortsignal 39 an einem Ausgang 41 des zweiten Photodetektors 33 auszugeben. Das zweite elektrische Antwortsignal 39 weist dabei auch ein Frequenzspektrum auf. Die weitere Filtereinheit 35 ist mit dem Ausgang 41 des zweiten Photodetektors verbunden und dazu ausgestaltet, eine ausgewählte Referenz-Harmonische aus dem Frequenzspektrum des ausgegebenen zweiten elektrischen Antwortsignals 39 zu filtern. Die Referenz-Harmonische hat dabei die gleiche Ordnung wie die ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum, das der erste Photodetektor 5 mit dem elektrischen Antwortsignal 15 ausgibt. Der Mischer 37 weist einen ersten Eingang 43, einen zweiten Eingang 45 und einen Ausgang 47 auf, wobei der erste Eingang 43 mit der ersten Filtereinheit 7 verbunden ist und der zweite Eingang 45 mit der weiteren Filtereinheit 35 verbunden ist. Der Mischer 37 ist dazu ausgestaltet, die Referenz-Harmonische und die ausgewählte gefilterte Harmonische zu mischen, das Ausgangssignal an dem Ausgang 47 des Mischers 37 auszugeben, wobei aus der vorzeichenbehafteten Amplitudenänderung des Ausgangssignals eine Veränderung des Zeitabstands ΔT detektierbar ist. Der Mischer 37 und die weitere Filtereinheit 35 können auch in einem Messgerät 9 integriert sein.The second photodetector 33 is configured to receive a branched optical signal 1 and output a second electrical response signal 39 to an output 41 of the second photodetector 33. The second electrical response signal 39 also has a frequency spectrum. The further filter unit 35 is connected to the output 41 of the second photodetector and configured to filter a selected reference harmonic from the frequency spectrum of the output second electrical response signal 39. The reference harmonic has the same order as the selected harmonic from the frequency spectrum that the first photodetector 5 outputs with the electrical response signal 15. The mixer 37 has a first input 43, a second input 45 and an output 47, wherein the first input 43 is connected to the first filter unit 7 and the second input 45 is connected to the further filter unit 35. The mixer 37 is adapted to mix the reference harmonic and the selected filtered harmonic output the output signal at the output 47 of the mixer 37, wherein in the signed amplitude change of the output signal a change of the time interval Δ T is detectable. The mixer 37 and the further filter unit 35 can also be integrated in a measuring device 9.

In den Figuren 5 und 6 ist eine vierte Ausführungsform der Erfindung mit verschiedenen Verwendungen zur Synchronisation gezeigt. In Figur 5 ist gezeigt wie die Repetitionsrate eines Kurzpulslasers 23 mit einem elektrischen Referenzsignal eines Mikrowellenoszillators 51 synchronisiert wird, d.h. das Verfahren im Modus optisch-elektrisch verwendet wird. Analog zu der in Figur 4 gezeigten dritten Ausführungsform wird zunächst ein zweiter Photodetektor 33 und eine weitere Filtereinheit 35 verwendet, um aus einem abgezweigten optischen Referenzsignal 3, das dem Kurzpulslaser 23 entspringt, eine ausgewählte Referenz-Harmonische zu filtern. Aus dem Referenzsignal 3 wird außerdem das optische Signal 1 abgezweigt, das über eine Verzögerungseinrichtung 53, beispielsweise in Form einer Verlängerung der optischen Wegstrecke, geleitet wird. Das optische Referenzsignal 3 durchläuft daraufhin einen elektro-optischen Modulator 55, der die Amplitude A_t der Pulse des Referenzsignals 3 in Abhängigkeit des elektrischen Referenzsignals moduliert, das durch den Mikrowellenoszillator 51 erzeugt wird und am Eingang des elektro-optischen Modulators 55 anliegt. Das optische Signal 1 wird daraufhin wieder mit dem nunmehr amplitudenmodulierten optischen Referenzsignal 3 zusammengeführt. Die Verzögerungseinrichtung 53 ist dabei so eingestellt, dass zwischen den Pulsen des amplitudenmodulierten optischen Referenzsignals 3 und den Pulsen des optischen Signals 1 ein Gangunterschied von T₀/2 herrscht. Dieser Gangunterschied ist nicht mit dem Zeitabstand ΔT zu verwechseln, der sich in dieser Ausführungsform auf das optische Signal 1 und das elektrische Referenzsignal bezieht. Auf den ersten Photodetektor 5 treffen also mit einer Frequenz 2f₀ Laserpulse, von denen jeder zweite Puls in Abhängigkeit des elektrischen Referenzsignals amplitudenmoduliert ist. Die Periodendauer T₀ des optischen Referenzsignals 3 und der des elektrischen Referenzsignals sind gleich und die Amplitudenmodulation erstreckt sich nach Möglichkeit über die gesamte Amplitude. Der elektro-optische Modulator 55 könnte das optische Referenzsignal 3 beispielsweise so modulieren, dass bei einem Zeitabstand ΔT=0 alle modulierten Pulse eine Amplitude von A_t /2 haben, wobei die Pulse des Referenzsignals 3 genau mit den Nulldurchgängen des elektrischen Referenzsignals zusammenfallen. Je nachdem, wie sich der Zeitabstand ΔT zwischen dem optischen Signal 1 und dem elektrischen Referenzsignal ändert, wird die Amplitude des optischen Referenzsignals 3 nach oben oder nach unten moduliert. Ist die Amplitude des optischen Signals 1 ebenfalls auf eine Amplitude A_t /2 eingestellt, so ergibt sich bei einem Zeitabstand ΔT=0 ein Frequenzspektrum, bei dem jede zweite Harmonische ausgelöscht ist, nämlich diejenigen ungerader Ordnung. Wählt man nun eine Harmonische ungerader Ordnung aus dem Frequenzspektrum aus, das der erste Photodetektor 5 mit dem elektrischen Antwortsignal 15 ausgibt, so kann wie oben bereits beschrieben auf eine minimale Amplitude geregelt werden. Sobald sich nämlich ein Zeitabstand ΔT≠0 ergibt, führt die Amplitudenmodulation des Referenzsignals 3 zu einem Anstieg der Amplitude der ausgewählten Harmonischen ungerader Ordnung.In the Figures 5 and 6 A fourth embodiment of the invention having various uses for synchronization is shown. In FIG. 5 It is shown how the repetition rate of a short-pulse laser 23 is synchronized with an electrical reference signal of a microwave oscillator 51, that is, the method is used in the optical-electrical mode. Analogous to the in FIG. 4 3, a second photodetector 33 and a further filter unit 35 are first used to filter a selected reference harmonic from a branched optical reference signal 3, which originates from the short-pulse laser 23. From the reference signal 3, the optical signal 1 is also branched off, which is passed via a delay device 53, for example in the form of an extension of the optical path. The optical reference signal 3 then passes through an electro-optical modulator 55, which modulates the amplitude A _{t of} the pulses of the reference signal 3 as a function of the electrical reference signal generated by the microwave oscillator 51 and applied to the input of the electro-optical modulator 55. The optical signal 1 is then combined again with the now amplitude-modulated optical reference signal 3. The delay device 53 is adjusted such that between pulses of the amplitude-modulated optical reference signal 3 and the pulses of the optical signal 1, a path difference of T _0/2 prevails. This gait difference is not to be confused with the time interval Δ T, which refers in this embodiment to the optical signal 1 and the reference electrical signal. The first photodetector 5 thus has laser pulses at a frequency 2f ₀ , of which every second pulse is amplitude-modulated as a function of the electrical reference signal. The period T _{0 of} the reference optical signal 3 and the reference electrical signal are equal and the amplitude modulation extends as far as possible over the entire amplitude. The electro-optical modulator 55 could, for example, modulate the optical reference signal 3 so that at a time interval Δ T = 0 all modulated pulses have an amplitude of A _t / 2 , the pulses of the reference signal 3 coinciding exactly with the zero crossings of the electrical reference signal. Depending on how the time interval Δ T varies between the optical signal 1 and the reference electrical signal, the amplitude of the optical reference signal 3 is modulated up or down. If the amplitude of the optical signal 1 is likewise set to an amplitude A _t / 2 , a frequency spectrum results at a time interval Δ T = 0 at which every second harmonic is extinguished, namely those of an odd order. If one now selects a harmonic of an odd order from the frequency spectrum which the first photodetector 5 outputs with the electrical response signal 15, it is possible to control to a minimum amplitude as already described above. Namely, as soon as a time interval Δ T ≠ 0 results, the amplitude modulation of the reference signal 3 leads to an increase in the amplitude of the selected harmonic odd order.

Analog zur dritten Ausführungsform lässt sich dann auf einen Nullwert oder Minimalwert der Amplitude der ausgewählten Harmonischen regeln, die bei einem Sollwert des Zeitabstands ΔT=0 ausgelöscht ist. Die von dem zweiten Photodetektor 33 aufgenommene und mit der weiteren Filtereinheit 35 gefilterte Referenz-Harmonische hat dabei die gleiche Ordnung wie die ausgewählte Harmonische aus dem Frequenzspektrum, das der erste Photodetektor 5 mit dem elektrischen Antwortsignal 15 ausgibt. Da sich bei Ausführungsformen des Verfahrens im Modus optisch-elektrisch bzw. elektrisch-optisch, bei dem das optische Referenzsignal 3 bzw. das optische Signal 1 amplitudenmoduliert wird, eine Veränderung des Zeitabstands ΔT nicht durch eine Veränderung des Gangunterschieds zwischen den Pulsen des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 ausdrückt, sollte in diesem Fall die Sensitivität auf Veränderungen des Gangunterschieds minimiert werden. Eine Veränderung des Gangunterschieds kann beispielsweise durch eine Längenänderung der Wegstrecke des optischen Signals 1 bzw. des optischen Referenzsignals 3 hervorgerufen werden. Es kann daher für diese Ausführungsformen vorteilhaft sein, wenn eine Harmonische niedriger Ordnung ausgewählt wird, um beispielsweise den Einfluss von Längenänderungen der Wegstrecke des optischen Signals 1 bzw. des optischen Referenzsignals 3 zu minimieren. Um auch hier eine Veränderung des Zeitabstands ΔT aus einer Veränderung einer vorzeichenbehafteteten Amplitudenänderung eines Ausgangssignals eines Mischers 37 zu detektieren, ist auch hier ein Mischer 37 vorgesehen, der einen ersten Eingang 43, einen zweiten Eingang 45 und einen Ausgang 47 aufweist, wobei der erste Eingang 43 mit der ersten Filtereinheit 7 verbunden ist und der zweite Eingang 45 mit der weiteren Filtereinheit 35 verbunden ist. Der Mischer 37 ist dazu ausgestaltet, die Referenz-Harmonische und die ausgewählte gefilterte Harmonische zu mischen, ein Ausgangssignal an dem Ausgang 47 des Mischers 37 auszugeben, wobei aus der vorzeichenbehafteten Amplitudenänderung des Ausgangssignals eine Veränderung des Zeitabstands ΔT detektierbar ist. Der Mischer 37 und die weitere Filtereinheit 35 sind hier in einem Messgerät 9 integriert.Analogously to the third embodiment, it is then possible to control to a zero value or minimum value of the amplitude of the selected harmonic which is extinguished at a setpoint value of the time interval ΔT = 0 . The reference harmonic picked up by the second photodetector 33 and filtered by the further filter unit 35 has the same order as the selected one Harmonic from the frequency spectrum that outputs the first photodetector 5 with the electrical response signal 15. Since in embodiments of the method in the optical-electrical or electro-optical mode, in which the optical reference signal 3 and the optical signal 1 is amplitude modulated, a change in the time interval Δ T is not due to a change in the path difference between the pulses of the optical signal 1 and the optical reference signal 3, the sensitivity to changes in the retardation should be minimized in this case. A change in the path difference can be caused for example by a change in length of the path of the optical signal 1 and the optical reference signal 3. It may therefore be advantageous for these embodiments if a low order harmonic is selected to minimize, for example, the influence of changes in the length of the path of the optical signal 1 and the optical reference signal 3, respectively. In order to detect a change in the time interval Δ T from a change in a signed amplitude change of an output signal of a mixer 37 here too, a mixer 37 is provided which has a first input 43, a second input 45 and an output 47, wherein the first Input 43 is connected to the first filter unit 7 and the second input 45 is connected to the further filter unit 35. The mixer 37 is adapted to mix the reference harmonic and the selected filtered harmonic output an output signal at the output 47 of the mixer 37, wherein in the signed amplitude change of the output signal a change of the time interval Δ T is detectable. The mixer 37 and the further filter unit 35 are integrated here in a measuring device 9.

Im Falle der in Figur 5 gezeigten Synchronisation der Repetitionsrate des Kurzpulslasers 23 mit dem elektrischen Referenzsignal des Mikrowellenoszillators 51 ist der Ausgang 47 des Mischers 37 über eine Rückkopplung 57 mit einer Steuereinheit 59 des Kurzpulslasers 23 verbunden, die dazu ausgestaltet ist, die Repetitionsrate des Kurzpulslasers 23 mittels des Ausgangssignals zu steuern und somit den Zeitabstand ΔT zu regeln.In the case of in FIG. 5 shown synchronization of the repetition rate of the short pulse laser 23 with the electrical reference signal of the microwave oscillator 51 the output 47 of the mixer 37 is connected via a feedback 57 to a control unit 59 of the short pulse laser 23, which is adapted to control the repetition rate of the pulsed laser 23 by means of the output signal and hence to regulate the time interval Δ T.

Figur 6 stimmt bis auf die Rückkopplung mit Figur 5 überein, wobei die Rollen des optischen Signals 1 und des optischen Referenzsignals 3 vertauscht sind. Hier wird also nicht das optische Signal 1 mit einem elektrischen Referenzsignal synchronisiert, sondern umgekehrt ein elektrisches Signal mit dem optischen Referenzsignal 3 synchronisiert, d.h. das Verfahren im Modus elektrisch-optisch verwendet. Das optische Referenzsignal 3 wird hier aus dem optischen Signal 1 des Kurzpulslasers 23 abgezweigt, wobei das optische Signal 1 entsprechend dem elektrischen Signal durch einen elektro-optischen Modulator 55 amplitudenmoduliert wird. Für die entsprechende Synchronisation des elektrischen Signals ist hierbei der Ausgang 47 des Mischers 37 über eine Rückkopplung 57 mit einer Steuereinheit 59 des Mikrowellenoszillators 51 verbunden, die dazu ausgestaltet ist, die Phasenverschiebung des Mikrowellenoszillators 51 mittels der vorzeichenbehafteten Amplitudenänderung des Ausgangssignals zu steuern und somit den Zeitabstand ΔT zu regeln. FIG. 6 agrees except for the feedback FIG. 5 match, with the roles of the optical signal 1 and the optical reference signal 3 are reversed. Here, therefore, not the optical signal 1 is synchronized with an electrical reference signal, but conversely, an electrical signal synchronized with the optical reference signal 3, that is, the method used in the mode of electrical-optical. The optical reference signal 3 is branched off here from the optical signal 1 of the short-pulse laser 23, the optical signal 1 being amplitude-modulated in accordance with the electrical signal by an electro-optical modulator 55. For the corresponding synchronization of the electrical signal in this case the output 47 of the mixer 37 is connected via a feedback 57 to a control unit 59 of the microwave oscillator 51, which is designed to control the phase shift of the microwave oscillator 51 by means of the signed amplitude change of the output signal and thus the time interval to regulate Δ T.

Claims

A method for the detection of changes in a time spacing (Δ T) between an optical (1) or electrical signal and an optical (3) or the reference electrical signal using a photodetector (5) comprising the steps of: if the signal is electrical, modulating an optical signal (1) in response to the electrical signal,

if the reference signal is electrical, modulating an optical reference signal (3) as a function of the electrical reference signal,

Receiving the optical signal (1) and the optical reference signal (3) with the photodetector (5),

Outputting an electrical response signal (15) at an output (13) of the photodetector (5), the electrical response signal (15) having a frequency spectrum which depends on the time interval (Δ T ),

- Filtering a selected harmonic from the frequency spectrum of the output electrical response signal (15) and

- Detecting changes in the time interval (Δ T ) from changes in the amplitude of the selected harmonics.

The method of claim 1, wherein the optical signal (1) and / or the optical reference signal (3) is generated by one or more mode-locked short-pulse lasers (23).

Method according to Claim 1 or 2, wherein the time interval (Δ T ) is set to a value in the range from 0.4 to 0.6, preferably 0.45 to 0.55, of the period duration ( T ₀ ) of the optical signal (1) becomes.

Method according to one of the preceding claims, wherein the selected harmonic is a high order harmonic, i. of order 5 or higher.

A method as claimed in any one of the preceding claims, further comprising filtering a second selected harmonic from the frequency spectrum of the output electrical response signal (15) and varying the difference (Δ A ) between the amplitude of the selected harmonic and the amplitude of the second selected harmonic as a measure of the change of the time interval (Δ T ) serves.

The method of claim 5, wherein the second selected harmonic has an order one less than or greater than the order of the selected harmonic.

Method according to one of the preceding claims, wherein at least one harmonic is selected or the time interval (ΔT) is adjusted such that at the frequency of the selected harmonic the magnitude of the gradient of the envelope (17) of the frequency spectrum is maximal.

Method according to one of claims 1 to 6, wherein at least one harmonic is selected or the time interval (Δ T ) is adjusted so that at the frequency of the selected harmonic the amount of the envelope (17) of the frequency spectrum is minimal.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method comprises the following further steps: Receiving the optical signal (1) or the optical reference signal (3) with a second photodetector (33),

- Outputting a second electrical response signal (39) at an output (41) of the second photodetector (33), wherein the second electrical response signal (39) has a frequency spectrum,

Filtering a reference harmonic from the frequency spectrum of the output second electrical response signal (39), wherein the reference harmonic and the selected harmonic are of the same order,

Mixing the reference harmonics and the selected filtered harmonics in a mixer (37),

Outputting an output signal at an output (47) of the mixer (37) and

- Detecting changes in the time interval (Δ T ), wherein changes in the amplitude of the output signal as a measure of changes in the time interval (Δ T ) are used.

Method according to one of the preceding claims, wherein the optical signal (1) and / or the optical reference signal (3) is delayed by a selected period of time by means of a delay device (53).

Device for detection of changes in a time spacing (Δ T) between an optical (1) or electrical signal and an optical (3) or the reference electrical signal with a photodetector (5), a filter unit (7) and a measuring device (9), wherein
in the case of an electrical signal and / or electrical reference signal at least one electro-optical modulator (55) is provided, which is adapted to an optical signal (1) or optical reference signal (3) in response to the electrical signal or electrical reference signal modulate,
the photodetector (5) is adapted to receive the optical signal (1) and the optical reference signal (3) and an electrical response signal (15) to a Output output (13) of the photodetector (5), wherein the electrical response signal (15) has a frequency spectrum that is dependent on the time interval (Δ T ),
the filter unit (7) is connected to the output (13) of the photodetector (5) and adapted to filter a selected harmonic from the frequency spectrum of the output electrical response signal (15), and
the measuring device (9) is connected to the filter unit (7) and configured to detect changes in the time interval (Δ T ) from changes in the amplitude of the selected harmonics.

Apparatus according to claim 11, wherein the apparatus comprises a second filter unit (19) connected to the output (13) of the photodetector (5) and adapted to filter a second selected harmonic from the frequency spectrum of the output electrical response signal (15) wherein the meter (9) is connected to the second filter unit (19) and configured to detect changes in the time interval (Δ T ) from changes in the difference (Δ A ) between the amplitude of the selected harmonic and the amplitude of the second selected harmonic ,

Apparatus according to claim 11 or 12, wherein the apparatus comprises a delay means (53) arranged to delay the optical signal (1) and / or the reference optical signal (3) by a selected period of time.

Apparatus according to any one of claims 11 to 13, wherein the apparatus comprises a second photodetector (33), a further filter unit (35) and a mixer (37), wherein
the second photodetector (33) is configured to receive the optical signal (1) or the optical reference signal (3) receive and output a second electrical response signal (39) at an output (41) of the second photodetector (33), the second electrical response signal (39) having a frequency spectrum,
the further filter unit (35) is connected to the output (41) of the second photodetector (33) and adapted to filter a selected reference harmonic from the frequency spectrum of the output second electrical response signal (39), the reference harmonics and the are selected harmonics of the same order,
the mixer (37) has a first input (43), a second input (45) and an output (47), wherein the first input (43) is connected to the filter unit (5) and the second input is connected to the further filter unit (5). 35), and
the mixer (37) is adapted to mix the reference harmonic and the selected filtered harmonic, output an output signal at the output (47) of the mixer (37), and changes in the amplitude of the output signal change the time interval (Δ T ) are detectable.

Device according to one of claims 11 to 14, wherein the measuring device (9) via a feedback to a control unit (57) is connected, wherein the control unit (57) is adapted to control the time interval (Δ T ).