EP2280301B1 - Verzögerung optischer Einzelpulse oder Pulssequenzen - Google Patents

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EP2280301B1
EP2280301B1 EP10167582A EP10167582A EP2280301B1 EP 2280301 B1 EP2280301 B1 EP 2280301B1 EP 10167582 A EP10167582 A EP 10167582A EP 10167582 A EP10167582 A EP 10167582A EP 2280301 B1 EP2280301 B1 EP 2280301B1
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EP
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signal
delayed
frequency
pulse
optical
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Thomas Schneider
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Deutsche Telekom AG
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Deutsche Telekom AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2676Optically controlled phased array

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for delaying individual optical pulses and / or pulse sequences.
  • the invention also relates to the use of the method for driving "phased array" antennas
  • the artificial delay and the associated quasi-storage of light pulses offers a variety of applications, especially in time-resolved spectroscopy, nonlinear optics, optical coherence tomography and optical communications.
  • the delay and storage of individual optical pulse packets is considered a key technology for the future of the Internet.
  • a method for delaying a prior art optical signal is also known from the following article: Csar Jauregui Misas; Periklis Petropoulos; and David J Richardson: "Slowing Pulse to c / 10 With Subwatt Power Levels and Low Latency Using Brillouin Amplification in a Bismuth-Oxide Optical Fiber,” from the JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, published 01/01/2007 ,
  • optical waveguides In contrast, systems that reduce group velocity in optical waveguides operate throughout the transparency region of the waveguide. Since such optical waveguides are standard components of optical communications technology, they can be easily integrated into existing systems. However, a distortion-free delay of more than one bit is not possible with such systems.
  • SBS stimulated Brillouin scattering
  • short pulses of 2ns can be stored in an optical fiber for up to 12ns.
  • the pulse is written using SBS into a long-lasting acoustic stimulation of the fiber.
  • This excitation which results in an acoustic wave in the fiber, can then be interrogated with a second signal with a time delay.
  • the write and interrogation pulse must have a large optical power of several watts. Such high performance can no longer be achieved with standard telecommunications components.
  • the storage time is limited by the lifetime of the acoustic stimulation, so that much larger storage times are not possible.
  • the object of the invention is therefore to propose a method and a system that can be easily implemented and with which it is possible to delay individual pulses of any shape and / or pulse packets for a variable period as possible distortion-free and / or store.
  • the basic idea of the invention is based on the coherence between the spectral and the temporal representation of a signal governed by the laws of Fourier transformation is determined.
  • the spectral shape of a pulse in the frequency range F Purse ( v ) can be calculated from the pulse in the time domain f pulses ( t ) via the Founertransformation, where t is the time and v denotes the frequency.
  • the spectral representation of a pulse can be converted into its temporal representation with the aid of the so-called inverse Fourier transformation.
  • a Gaussian pulse has a Gaussian frequency spectrum in the time domain and vice versa.
  • the spectrum of a rectangular pulse follows a so-called splitting function (sin (x) / x).
  • the inventive method is also suitable for the optical control of "phased array” antennas.
  • These antennas consist of a one- or two-dimensional field ("array") of similar antenna elements.
  • the radiation and reception characteristics of the antenna array is determined by the complex current of each individual element of the array. Since a complex current is to be controlled, its magnitude and phase must be changeable for each element. If such antennas are to operate in a wide frequency range, the change of the phase is not sufficient since this only applies to a single frequency.
  • the antenna exhibits different emission and reception characteristics for each individual frequency from which the broadband signal is made. However, if time is controlled instead of the phase, the array factor is frequency independent and the antenna broadband.
  • f Pulse t * f t ⁇ - ⁇ ⁇ f Pulse ⁇ ⁇ f ⁇ t - ⁇ d ⁇
  • each frequency component of the comb is weighted with the corresponding amplitude of the pulse distribution (see FIG. 1 (d) ).
  • equation (4) describes an infinite sequence of temporal copies of the original pulse with the time interval ⁇ (see FIG Figure 1 (c) ).
  • a distortion-free pulse delayed by nx ⁇ can be recovered from the system if f s ( t ) is delayed in time Square wave signal is multiplied in the time domain (see Figure 1 (c) ).
  • the height and width of the rectangular function is determined by the pulse.
  • the pulse energy corresponds to the integral over its spectral distribution. Therefore, the number of achievable copies is not unlimited. A limited number of copies only by the Parseval Theorem results only if the multiplication with the frequency comb can actually be performed only for individual frequencies. In practice, not only individual frequencies, but a whole frequency bandwidth are affected in the multiplications. The maximum achievable time delay is inversely proportional to this bandwidth.
  • FIG. 2 The basic idea of the procedure is in FIG. 2 shown.
  • a signal 1 is multiplied in the frequency domain by a frequency comb 2 by means of the multiplier 3.
  • the spectral extent of the frequency comb corresponds to the bandwidth of the signal to be delayed 1.
  • the result is a pulse train 4 with equidistant copies of the input signal in the time domain.
  • One of these copies is extracted by a time domain multiplication with a square wave signal 5 in a modulator 6.
  • the result is a distortion-free, delayed copy of the input signal 7.
  • the input signal 1 is stored by this procedure until it is extracted.
  • a passive filter is used.
  • This filter must absorb single, equidistant frequency components of the signal as narrow as possible, since the bandwidth determines the maximum delay.
  • Such comb filters can be achieved by means of stretcher-compressor grid arrangements, in the space between which two lenses form a Fourier plane in which a spatial light modulator is located.
  • the Resolution of a grating is on the order of 0.1 nm, which corresponds to a carrier wavelength of 1550nm a frequency resolution of 12.5GHz and thus a maximum achievable delay of 80ps. With such structures, delays in the picosecond range can be achieved.
  • FIG. 3 Another possible technical implementation of the method is in FIG. 3 shown.
  • the modulation of the spectrum of the optical input signal 8 with the frequency comb 9 is done using the SBS in a standard single mode glass fiber 10.
  • the frequency comb 9 is coupled in the opposite direction of propagation of the signal 8 via the ports a ⁇ b in the circulator 11 in the fiber 10 .
  • the frequency comb 9 is generated in this case by modulating an optical carrier 12 with a signal of a sine generator 13 in a dual drive Mach-Zehnder modulator 14.
  • the frequency of the sine signal defines the frequency spacing between the individual lines.
  • the spectral extent of the frequency comb corresponds to the bandwidth of the signal 8.
  • the multiplication of the frequency comb with the signal spectrum in the frequency domain is performed by means of the stimulated Brillouin scattering (SBS).
  • SBS stimulated Brillouin scattering
  • the SBS in a waveguide, such as the fiber used is an interaction between counterpropagating waves mediated by an acoustic wave. In doing so, a pump wave propagating in one direction produces a gain for a reverse frequency-shifted wave. On the other hand, if the center frequency of the opposite wave is shifted upwards, it produces a loss.
  • Each of the narrowband frequency lines of the frequency comb coupled into the fiber can be seen as a pump wave in this sense. By means of a corresponding frequency shift with respect to the spectrum of the opposite signal, each line of the frequency comb generates a gain or a loss for a narrowband part of the signal spectrum.
  • the acoustic wave in the waveguide determines the frequency shift f B and the bandwidth ⁇ of the gain or loss generated by SBS.
  • the frequency component f P of the comb amplifies the part of the pulse spectrum that fits within the bandwidth ⁇ when it is shifted down in frequency by f P [S1] -f B. On the other hand, it attenuates this part as it moves up in frequency by f P [S2] + f B was moved.
  • SSMF single mode fiber
  • the Brillouin shift f B is about 11 GHz, with the bandwidth ⁇ 10-30 MHz. This bandwidth determines the spectral component cut out of the signal spectrum, and hence the maximum time delay, which in this case is between 33 ns and 50 ns. This value can be increased by saturation effects to a delay of 100 ns. Further increases are possible, for example, with waveguides with a narrower SBS bandwidth.
  • the individual profit and loss components do not overlap.
  • the gain may overlap with the loss range at f P if the total frequency comb is greater than f B. Accordingly, the maximum bandwidth of the pulse to be delayed results in f B , This bandwidth can be increased by additional pump sources.
  • the SBS can be used as an amplifier, which shifts the frequency comb upwards by f B. This has the advantage that the delayed pulses are simultaneously amplified.
  • a plurality of time-shifted copies 15 of the original signal can be generated. These are available at the output c of the circulator 11.
  • the excision of the respective delayed signal 16 in the time domain can be done by a Mach-Zehnder modulator 17, which is driven by a rectangular pulse 19 generated by a rectangular generator 18.
  • the width and height of the rectangular pulse 19 is determined by the signal to be delayed (equation (5)).
  • the arrival of the optical signal can be interrogated by an additional photodiode.
  • the electrical trigger pulse may then be electronically delayed to adjust the square wave signal to the respective desired delayed copy of the input signal.
  • FIG. 4 shows different storage times generated by the described method from 10 ns to 40 ns for a 101 pulse sequence.
  • the curve 20 is the reference; the signal at the output of the system when the frequency comb is off.
  • FIG. 5 shows the use of the method according to the invention for controlling a phased array antenna.
  • the thicker solid lines indicate optical connections, while the broken lines indicate electrical connections.
  • the transferred from the electrical to the optical pulse 21 is amplified, the result is a pulse train 22.
  • Duplication is in this case with the described multiplication of the pulse spectrum with a frequency comb with the help of the SBS in a SSMF 23.
  • the pulse train 22 is split with a 1 / n coupler 23, where n is the number of antenna elements of the array.
  • the n pulse trains 24 each go through one of n switches 25. Each switch turns off one of the pulses from the pulse train in the manner described above.
  • Photodiodes 28 convert the optical pulse back into the electrical range and control the individual antenna elements 29 with the thus changed complex current.
  • FIG. 6 An alternative embodiment of such an antenna array shows FIG. 6 ,
  • the original electrical signal must first be converted to the optical range.
  • the optical wave of a laser diode 30 with a modulator 31 in response to the electrical signal from the generator 32 is changed.
  • the multiplication of the optical signal spectrum with the frequency comb takes place in accordance with the method described above with the aid of the SBS in an SSMF 33.
  • the corresponding frequency comb is made by modulating a second Laser diode 36 with a dual-drive Mach-Zehnder modulator 35 generates.
  • the modulator 35 is driven by the sine signal of a generator 34.
  • the frequency comb is coupled via the port z ⁇ x of the circulator 37 in the SSMF 33.
  • the resulting pulse train is decoupled via the port x ⁇ y of the circulator 37 and fed to a 1 / n Doppler 38.
  • the single delayed pulse is cut out of the pulse train for each antenna element by means of a switch 39.
  • the amplitude is changed with an amplifier / attenuator 40 and a photodiode 41 converts the optical signal back into the electrical range. With these different in time and phase electrical signals each antenna element 42 is driven.
  • an electrical control system 43 which is triggered by the electrical input signal 32. This defines both the frequency of the sinusoidal signal which is generated in 34, as well as the time shift of the square-wave pulses and the amplitudes of the signals. The control of the radiation characteristic of the antenna array is accordingly performed with the control system 43.
  • the method described above is performed for each of the antenna elements.

Landscapes

  • Optical Communication System (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Verzögerung optischer Einzelpulse und/oder Pulssequenzen. Die Erfindung betrifft auch den Einsatz des Verfahrens zur Ansteuerung von "Phased-Array" Antennen
  • Die künstliche Verzögerung und die damit verbundene Quasi-Speicherung von Lichtpulsen bietet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere in der zeitaufgelösten Spektroskopie, der nichtlinearen Optik, der optischen Kohärenz-Tomographie und der optischen Nachrichtentechnik. Insbesondere wird die Verzögerung und Speicherung einzelner optischer Pulspakete als Schlüsseltechnologie für die Zukunft des Internet angesehen.
  • Ein Verfahren zur Verzögerung eines optischen Signals nach dem Stand der Technik ist auch aus dem folgenden Artikel bekannt: Csar Jauregui Misas; Periklis Petropoulos; und David J Richardson: " Slowing of Pulses to c/10 With Subwatt Power Levels and Low Latency Using Brillouin Amplification in a Bismuth-Oxide Optical Fiber,"aus dem JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, publiziert am 01.01.2007.
  • Da nur die optische Verzögerung von Pulsen die Möglichkeit bietet, sogenannte "Phased-Array' Antennen mit einer hohen Bandbreite zu betreiben, wurden bislang einige Mechanismen zur Verzögerung optischer Pulse respektive zu deren Speicherung vorgeschlagen. Zu nennen seien beispielsweise die Reflexion an einem Gitter, die Verzögerung in Resonatorstrukturen und die künstliche Verlangsamung der Gruppengeschwindigkeit in Materialsystemen und optischen Wellenleitern. Jede dieser Methoden hat bestimmte Vor- und Nachteile bezüglich der maximalen Verzögerungszeit, des Grades an Verzerrung, die dem Puls zugefügt wird, der Geschwindigkeit der Änderung und der möglichen Kontrolle des Systems, sowie der strukturellen Komplexität.
  • In Materialsystemen, beispielsweise in Bose-Einstein Kondensaten, konnten Lichtpulse für kurze Zeit gespeichert werden. Diese Systeme bedürfen jedoch eines hohen experimentellen Aufwandes und sind daher in der Praxis kaum einsetzbar. Zudem muss die Frequenz des zu speichernden Lichts exakt mit der Resonanzfrequenz der Ionen oder Atome des jeweiligen Materialsystems übereinstimmen. Eine Anwendung bei Wellenlängen, wie sie in der optischen Nachrichtentechnik eingesetzt werden, ist daher nahezu aufgeschlossen. Auch sind die Resonanzfrequenzen der Ionen oder Moleküle besonders schmalbandig, so dass der Bandbreite der so verzögerbaren optischen Pulse enge Grenzen gesetzt sind.
  • Im Gegensatz dazu arbeiten Systeme, bei denen die Gruppengeschwindigkeit in optischen Wellenleitem herabgesetzt wird, im gesamten Transparenzbereich des Wellenleiters. Da solche optischen Wellenleiter Standardkomponenten der optischen Nachrichtentechnik sind, können diese einfach in bestehende Systeme integriert werden. Eine verzerrungsfreie Verzögerung von mehr als einem Bit ist mit solchen Systemen allerdings bislang nicht möglich.
  • Mit Hilfe der stimulierten Brillouin Streuung (SBS) können kurze Pulse von 2ns für eine Dauer von bis zu 12ns in einer optischen Faser gespeichert werden. Dazu wird der Puls mit Hilfe von SBS in eine langlebige akustische Anregung der Faser geschrieben. Diese Anregung, die in einer akustischen Welle in der Faser resultiert, kann dann mit einem zweiten Signal zeitlich verzögert abgefragt werden. Für die Umsetzung dieser Methode müssen der Schreib- und Abfragepuls allerdings eine große optische Leistung von mehreren Watt aufweisen. Derart hohe Leistungen lassen sich nicht mehr mit Standardkomponenten der Nachrichtentechnik erzielen. Außerdem ist die Speicherzeit durch die Lebenszeit der akustischen Anregung begrenzt, so dass viel größere Speicherzeiten nicht möglich sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ein System vorzuschlagen, das sich einfach umsetzen lässt und mit dem es möglich ist, Einzelpulse einer beliebigen Form und/oder Pulspakete für einen veränderbaren Zeitraum möglichst verzerrungsfrei zu verzögern und/oder zu speichern. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung, eine besondere Verwendung für das Verfahren und das System vorzuschlagen.
  • Diese Aufgaben werden mit dem Verfahren nach Anspruch 1, dem System nach Anspruch 6 und der Verwendung nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
  • Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Kohärenz zwischen der spektralen und der zeitlichen Repräsentation eines Signals die durch die Gesetze der Fouriertransformation bestimmt wird. Die spektrale Form eines Pulses im Frequenzbereich F Purse(v) kann aus dem Puls im Zeitbereich f Pulse(t) über die Founertransformation berechnet werden, wobei mit t die Zeit und mit v die Frequenz bezeichnet ist. Bekanntlich kann mit Hilfe der sogenannten inversen Fouriertransformation die spektrale Repräsentanz eines Pulses in seine zeitliche Repräsentanz überführt werden. So hat beispielsweise ein Gaussförmiger Puls im Zeitbereich ein Gaussförmiges Frequenzspektrum und umgekehrt. Hingegen folgt das Spektrum eines Rechteckpulses einer so genannten Spaltfunktion (sin(x) / x).
  • Neben dem Speichern und Verzögern beliebiger optischer Signale, wie Pulsen, Pulssequenzen und Pulsbursts, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur optischen Steuerung von "Phased-Array" Antennen. Diese Antennen bestehen aus einem ein- oder zweidimensionalen Feld ("Array") gleichartiger Antennenelemente. Die Abstrahl- und Empfangscharakteristik des Antennenfeldes wird durch den komplexen Strom jedes einzelnen Elements des Arrays bestimmt. Da ein komplexer Strom zu steuern ist, müssen sein Betrag und seine Phase für jedes Element veränderbar sein. Wenn derartige Antennen in einem breiten Frequenzbereich arbeiten sollen, reicht die Änderung der Phase nicht aus, da diese nur für eine einzelne Frequenz gilt. Die Antenne zeigt unterschiedliche Abstrahl- und Empfangscharakteristiken für jede einzelne Frequenz aus der das breitbandige Signal besteht. Wird statt der Phase jedoch die Zeit gesteuert, ist der Array-Faktor frequenzunabhängig und die Antenne breitbandig. Die Steuerung solcher "Phased-Array" Antennen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nachfolgend beschrieben.
  • Nachfolgend wird die der Erfindung zugrundeliegende Theorie und die erfindungsgemäße Verfahrensweise anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
  • Figur 1:
    den Zusammenhang zwischen Frequenz- und Zeitbereich,
    Figur 2:
    die Grundidee des Verfahrens in einem Schema,
    Figur 3:
    einen Aufbau zur Umsetzung des Verfahrens,
    Figur 4:
    ein mit dem Verfahren erzieltes Ergebnis,
    Figur 5:
    eine alternative Ausführungsform und
    Figur 6:
    eine weitere alternative Ausführungsform.
  • Zunächst zur Theorie: Nach dem Faltungstheorem der Fouriertransformation erzeugt die Multiplikation des Pulsspektrums F Pulse(v) mit einer spektralen Verteilung F(v) im Frequenzbereich, eine Faltung zwischen den beiden jeweiligen Zeitfunktionen f Pulse(t) und f(t) im Zeitbereich. F Pulse v × F v f Pulse t * f t
    Figure imgb0001
  • Dabei zeigt das "x" die Multiplikationan, während der Pfeil die inverse Fouriertransformation aus dem Frequenz- in den Zeitbereich beschreibt. Der Stern repräsentiert die Faltung. f Pulse t * f t = - f Pulse τ f t - τ τ
    Figure imgb0002
  • Wird das Pulsspektrum mit n Frequenzkomponenten multipliziert, die alle denselben Abstand zueinander aufweisen δ(v-nΔv) ("Dirac-Frequenzkamm"), so wird das Pulsspektrum abgetastet. Das heißt, jede Frequenzkomponente des Kamms wird mit der korrespondierenden Amplitude der Pulsverteilung gewichtet (siehe Figur 1 (d)). F S v = n = - f Pulse n Δ v δ v - n Δ v
    Figure imgb0003
  • Nach dem Faltungstheorem der Fouriertransformation (Gleichungen 1 und 2) folgt für das im Frequenzbereich abgetastete Signal F s(v) im Zeitbereich: F S t = 1 Δ v n = - f Pulse t - n Δ v
    Figure imgb0004
  • Wenn demnach Δτ = 1/Δv größer ist, als die zeitliche Breite des Pulses, dann beschreibt die Gleichung (4) eine unendliche Folge zeitlicher Kopien des Originalpulses mit dem zeitlichen Abstand Δτ (siehe Figur 1 (c)). Demnach kann ein verzerrungsfreier und um n x Δτ verzögerter respektive gespeicherter Puls aus dem System zurück gewonnen werden, wenn f s(t) mit einem zeitlich verzögerten Rechtecksignal im Zeitbereich multipliziert wird (siehe Figur 1 (c)). Die Höhe und Breite der Rechteckfunktion wird Dabei durch den Puls bestimmt. f Pulse t - n Δ τ = f S t Δ v rect Δ v t - n Δ τ
    Figure imgb0005
  • Da ein physikalisch realisierbares System dem Kausalitätsprinzip unterliegt, kann am Ausgang kein Signal erscheinen, bevor der Puls auf das System trifft. Daher gilt für n in den Gleichungen (3), (4) und (5): 0 n .
    Figure imgb0006
  • Außerdem entspricht nach dem Theorem von Parseval die Pulsenergie dem Integral über seine spektrale Verteilung. Daher ist die Anzahl der erzielbaren Kopien nicht unbegrenzt. Eine lediglich durch das Parsevalsche Theorem begrenzte Anzahl von Kopien ergibt sich nur, wenn die Multiplikation mit dem Frequenzkamm tatsächlich nur für einzelne Frequenzen durchgeführt werden kann. In Praxis werden bei den Multiplikationen nicht nur einzelne Frequenzen, sondern eine ganze Frequenzbandbreite beeinflusst. Die maximal erzielbare zeitliche Verzögerung ist invers proportional zu dieser Bandbreite.
  • Die grundsätzliche Idee des Verfahrens ist in Figur 2 dargestellt. Ein Signal 1 wird im Frequenzbereich mit einem Frequenzkamm 2 vermittels des Multiplikators 3 multipliziert. Die spektrale Ausdehnung des Frequenzkamms entspricht dabei der Bandbreite des zu verzögernden Signals 1. Als Ergebnis ergibt sich ein Pulszug 4 mit äquidistanten Kopien des Eingangssignals im Zeitbereich. Eine dieser Kopien wird durch eine Zeitbereichs-Multiplikation mit einem Rechtecksignal 5 in einem Modulator 6 extrahiert. Das Ergebnis ist eine verzerrungsfreie, verzögerte Kopie des Eingangssignals 7. Im Ergebnis wird das Eingangssignal 1 durch diese Verfahrensweise so lange gespeichert, bis es extrahiert wird.
  • Aus dem Eingangspuls lässt sich auch ein Pulszug formen, wenn statt der Multiplikation mit dem Frequenzkamm in der ersten Stufe ein passives Filter eingesetzt wird. Dieses Filter muss einzelne, äquidistante Frequenzanteile des Signals möglichst schmalbandig absorbieren, da die Bandbreite die maximale Verzögerung bestimmt. Derartige Kammfilter lassen sich mit Hilfe von Stretcher-Kompressor-Gitteranordnungen erzielen, in deren Zwischenraum zwei Linsen eine Fourier-Ebene bilden, in der sich ein räumlicher Lichtmodulator befindet. Die Auflösung eines Gitters liegt in der Größenordnung von 0.1 nm, was bei einer Trägerwellenlänge von 1550nm einer Frequenzauflösung von 12.5GHz und damit einer maximal erzielbaren Verzögerung von 80ps entspricht. Mit solchen Strukturen lassen sich Verzögerungen im Pikosekunden-Bereich erzielen.
  • Eine andere mögliche technische Umsetzung des Verfahrens ist in Figur 3 gezeigt. Die Modulation des Spektrums des optischen Eingangssignals 8 mit dem Frequenzkamm 9 geschieht mit Hilfe der SBS in einer Standard Einmodenglasfaser 10. Dazu wird der Frequenzkamm 9 in der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung des Signals 8 über die Ports a → b in den Zirkulator 11 in die Faser 10 eingekoppelt. Der Frequenzkamm 9 wird in diesem Fall durch eine Modulation eines optischen Trägers 12 mit einem Signal eines Sinusgenerators 13 in einem Dual Drive Mach-Zehnder modulator 14 erzeugt. Die Frequenz des Sinussignals definiert dabei den Frequenzabstand zwischen den einzelnen Linien. Die spektrale Ausdehnung des Frequenzkamms entspricht der Bandbreite des Signals 8.
  • Die Multiplikation des Frequenzkamms mit dem Signalspektrum im Frequenzbereich wird mit Hilfe der stimulierten Brillouin Streuung (SBS) durchgeführt. Die SBS in einem Wellenleiter, wie der verwendeten Faser, ist eine Wechselwirkung zwischen sich entgegengesetzt ausbreitenden Wellen, die durch eine akustische Welle vermittelt wird. Dabei produziert eine Pumpwelle, die sich in einer Richtung ausbreitet, einen Gewinn für eine gegenläufige in der Frequenz nach unten verschobene Welle. Ist die Mittenfrequenz der gegenläufigen Welle hingegen nach oben verschoben, so produziert sie einen Verlust. Jede der schmalbandigen Frequenzlinien des in die Faser eingekoppelten Frequenzkamms lässt sich in diesem Sinne als Pumpwelle sehen. Durch eine entsprechende Frequenzverschiebung in Bezug auf das Spektrum des gegenläufigen Signals erzeugt jede Linie des Frequenzkamms einen Gewinn respektive einen Verlust für einen schmalbandigen Teil des Signalspektrums.
  • Die akustische Welle im Wellenleiter bestimmt die Frequenzverschiebung f B und die Bandbreite γ des durch SBS erzeugten Gewinns respektive Verlusts. Die Frequenzkomponente f P des Kamms verstärkt den Teil des Pulsspektrums, der in die Bandbreite γ passt, wenn er in der Frequenz um fP[S1] - fB nach unten verschoben ist. Hingegen dämpft sie diesen Teil, wenn er in der Frequenz um fP[S2] + fB nach oben verschoben wurde. In einer Einmodenglasfaser ("SSMF") ist die Brillouin Verschiebung f B ungefähr 11 GHz, wobei die Bandbreite γ ≈ 10 - 30 MHz ist. Diese Bandbreite bestimmt den spektralen Anteil, der aus dem Signalspektrum herausgeschnitten wird und damit auch die maximale Zeitverzögerung, die in diesem Fall zwischen 33 ns und 50 ns ist. Dieser Wert lässt sich durch Sättigungseffekte auf eine Verzögerung von 100 ns steigern. Weitere Steigerungen sind beispielsweise durch Wellenleiter mit einer schmaleren SBS-Bandbreite möglich.
  • So lange die Frequenz des modulierenden Sinussignals größer als γ ist, überlappen die einzelnen Gewinn- und Verlustanteile nicht. Andererseits kann aber der Gewinnmit dem Verlustbereich bei f P überlappen, wenn der gesamte Frequenzkamm größer als f B ist. Demnach ergibt sich die maximale Bandbreite des zu verzögernden Pulses zu f B, Diese Bandbreite kann durch zusätzliche Pumpquellen vergrößert werden. Die SBS kann als Verstärker eingesetzt werden, was den Frequenzkamm um f B nach oben verschiebt. Das hat den Vorteil, dass die verzögerten Pulse gleichzeitig verstärkt werden.
  • Durch die Multiplikation des Signalspektrums mit dem Frequenzkamm vermittels SBS können mehrere zeitlich verschobene Kopien 15 des Ursprungssignals erzeugt werden. Diese stehen am Ausgang c des Zirkulators 11 zur Verfügung. Das Ausschneiden des jeweiligen verzögerten Signals 16 im Zeitbereich kann durch einen Mach-Zehnder Modulator 17 geschehen, der durch einen von einem Rechteckgenerator 18 erzeugten Rechteckpuls 19 angesteuert wird. Die Breite und Höhe des Rechteckpulses 19 wird durch das zu verzögernde Signal bestimmt (Gleichung (5)). Zur Triggerung des Rechtecksignals kann das Eintreffen des optischen Signals durch eine zusätzliche Photodiode abgefragt werden. Der elektrische Triggerimpuls kann dann elektronisch verzögert werden um das Rechtecksignal auf die jeweilig gewünschte verzögerte Kopie des Eingangssignals einzustellen.
  • Figur 4 zeigt unterschiedliche mit dem beschriebenen Verfahren erzeugte Speicherzeiten von 10 ns bis 40 ns für eine 101 Pulssequenz. Die Kurve 20 ist die Referenz; das Signal am Ausgang des Systems, wenn der Frequenzkamm ausgeschaltet ist.
  • Der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Kopien Δτ = 1/Δv wird durch die Frequenz des Sinussignals respektive des Sinusgenerators 13 bestimmt. Demzufolge kann die Verzögerung und damit die Speicherzeit durch eine einfache Veränderung der Sinusfrequenz und eine Zeitverschiebung der Bechteckfunktion erfolgen. Wenn Speicherzeiten kleine als 1 Bit benötigt werden, wird Δv kleiner als die natürliche Brillouin Bandbreite gemacht. In diesem Fall produziert der Frequenzkamm einen einzelnen verbreiterten Brillouin Gewinn. Dieser verzögert das Pulsspektrum durch die Gruppenbrechungsindexänderung, die durch SBS hervorgerufen wird.
  • Figur 5 zeigt den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer Phased-Array Antenne. In der Figur 5, wie auch in der Figur 6 bezeichnen die stärkeren durchgängigen Linien optische Verbindungen, während die unterbrochenen Linien elektrische Verbindungen bezeichnen. Der aus dem elektrischen in den optischen Bereich überführte Puls 21 wird vervielfältigt, wobei das Ergebnis ein Pulszug 22 ist. Die Vervielfältigung geschieht in diesem Fall mit der beschriebenen Multiplikation des Pulsspektrums mit einem Frequenzkamm unter Zuhilfenahme der SBS in einer SSMF 23. Der Pulszug 22 wird mit einem 1/n Koppler 23 aufgeteilt, wobei n die Anzahl der Antennenelemente des Arrays ist. Die n Pulszüge 24 gehen jeweils durch einen von n Schaltern 25. Jeder Schalter schaltet einen der Pulse aus dem Pulszug in oben beschriebener Weise heraus. Dazu wird er von einem getriggerten Rechteckpuls, der in einer der Einheiten 26 erzeugt wird, angesteuert. Die Amplitude der unterschiedlich verzögerten Pulse 27 wird durch ein nicht gezeigtes Dämpfungs- oder Verstärkungsglied verändert. Photodioden 28 wandeln den optischen Puls wieder in den elektrischen Bereich und steuern mit dem somit veränderten komplexen Strom die einzelnen Antennenelemente 29.
  • Eine alternative Ausführungsform eines solchen Antennenarrays zeigt Figur 6. Das ursprüngliche elektrische Signal muss zunächst in den optischen Bereich gewandelt werden. Dazu wird die optische Welle einer Laserdiode 30 mit einem Modulator 31 in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal aus dem Generator 32 verändert. Die Multiplikation des optischen Signalspektrums mit dem Frequenzkamm findet entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren mit Hilfe der SBS in einer SSMF 33 statt. Der entsprechende Frequenzkamm wird durch Modulation einer zweiten Laserdiode 36 mit einem Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator 35 erzeugt. Der Modulator 35 wird mit dem Sinussignal eines Generators 34 angesteuert.
  • Der Frequenzkamm wird über das Tor z → x des Zirkulators 37 in die SSMF 33 eingekoppelt. Der entstehende Pulszug wird über das Tor x → y des Zirkulators 37 ausgekoppelt und einem 1/n Doppler 38 zugeführt. Dieser teilt die Pulszüge auf die einzelnen Antennenelemente auf. Der einzelne verzögerte Puls wird für jedes Antennenelement vermittels eines Schalters 39 aus dem Pulszug ausgeschnitten. Die Amplitude wird mit einem Verstärker/Abschwächer 40 verändert und eine Photodiode 41 wandelt das optische Signal wieder in den elektrischen Bereich. Mit diesen in der Zeit und Phase unterschiedlichen elektrischen Signalen wird jedes Antennenelement 42 angesteuert.
  • Zur Steuerung der Sendecharakteristik dient ein elektrisches Steuersystem 43, das von dem elektrischen Eingangssignal 32 getriggert wird. Dieses definiert sowohl die Frequenz des Sinussignals welches in 34 erzeugt wird, als auch die zeitliche Verschiebung der Rechteckpulse und die Amplituden der Signale. Die Steuerung der Abstrahlcharakteristik des Antennenarrays wird dementsprechend mit dem Steuersystem 43 durchgeführt.
  • Soll die Antenne nicht senden sondern empfangen, wird das oben beschriebene Verfahren für jedes der Antennenelemente durchgeführt.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Verzögerung und/oder zur Speicherung eines optischen Signales (8), das sich in einem Wellenleiter (10) ausbreitet,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das zu verzögernde Signal (8) im Frequenzbereich mit einem zweiten Signal (9), das n Frequenzkomponenten aufweist, überlagert wird, wobei die spektrale Ausdehnung des zweiten Signals (9) der Bandbreite des zu verzögernden Signals (8) entspricht, wobei aus der Überlagerung ein Pulszug (15) mit äquidistanten Kopien des zu verzögernden Signals (8) im Zeitbereich gewonnen wird und wobei eine der Kopien (16) extrahiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das zweite Signal (9) ein Frequenzkamm ist, bei dem alle n Frequenzkomponenten denselben Abstand zueinander aufweisen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Überlagerung eine Multiplikation im Frequenzbereich ist, die insbesondere mittels stimulierter Brillouin Streuung (SBS) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kopie vermittels eines Modulators durch eine Zeitbereichs-Multiplikation mit einem Rechtecksignal (19) extrahiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass aus dem zu verzögernden Signal (8) ein Pulszug geformt wird, indem ein passives Filter eingesetzt wird, das einzelne, äquidistante Frequenzanteile des zu verzögernden Signals schmalbandig absorbiert oder extrahiert.
  6. System zur Verzögerung und/oder zur Speicherung eines optischen Signals (8) insbesondere zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    einen Wellenleiter (10), in dem sich das zu verzögernde Signal (8) in Vorwärtsrichtung ausbreitet,
    eine Quelle zur Erzeugung eines zweiten Signals (9), insbesondere eines Frequenzkamms, das n Frequenzkomponenten aufweist,
    ein Mittel (11) zur Einkopplung des zweiten Signals in den Wellenleiter (10) entgegen des sich in Vorwärtsrichtung ausbreitenden zu verzögernden Signals (8), wobei der Wellenleiter (10) derart ausgebildet ist, dass zwischen dem zu verzögernden Signal (8) und dem zweiten Signal (9) stimulierte Brillouin Streuung (SBS) stattfindet,
    ein Mittel (11) zur Auskopplung des in Vorwärtsrichtung propagierenden Pulszuges (15) enthaltend zeitlich verschobene Kopien des zu verzögernden Signals im Zeitbereich und
    ein Mittel (17) zum Ausschneiden einer der verschobenen Kopien.
  7. System nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Mittel zum Ausschneiden des verzögerten Signals einen von einem Rechteckpuls (19) angesteuerten Modulator (17) aufweist.
  8. System nach Anspruch 6 oder 7,
    gekennzeichnet durch
    eine Standard Einmodenglasfaser (10) zur Modulation des optischen zu verzögernden Signals mit dem Frequenzkamm.
  9. Einsatz des Verfahrens oder des Systems nach einem der vorherigen Ansprüche zur Steuerung einer Phased-Array Antenne,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Pulszug entsprechend der Anzahl der anzusteuernden Antennenelemente aufgeteilt wird,
    dass für jedes Antennenelement jeweils ein Puls aus dem Pulszug herausgetrennt wird,
    dass jeder der herausgetrennten optischen Pulse in den elektrischen Bereich transformiert wird und
    dass mit jedem transformierten elektrischen Puls ein Antennenelement angesteuert wird.
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