WO2008034420A2 - Verfahren und anordnung zum abtasten optischer signale und zum bilden entsprechender abtastwerte - Google Patents

Verfahren und anordnung zum abtasten optischer signale und zum bilden entsprechender abtastwerte Download PDF

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WO2008034420A2
WO2008034420A2 PCT/DE2007/001662 DE2007001662W WO2008034420A2 WO 2008034420 A2 WO2008034420 A2 WO 2008034420A2 DE 2007001662 W DE2007001662 W DE 2007001662W WO 2008034420 A2 WO2008034420 A2 WO 2008034420A2
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pulses
optical
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Inventor
Holger Quast
Dieter Bimberg
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Technische Universität Berlin
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains

Definitions

  • the invention relates to a method of sampling optical signals and forming corresponding samples.
  • averaging a plurality of pulses is averaged to perform averaging.
  • a reliable and accurate measurement of individual optical pulses without time averaging is not yet known.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for scanning an optical signal, which also allows the scanning of individual optical pulses.
  • a method for scanning a single optical pulse and for forming samples which characterize the pulse progression of the optical pulse to be scanned, in which a sequence of consecutive optical scanning pulses having different optical wavelengths is formed Sampling pulses, the pulse to be sampled is scanned to form modulated sampling pulses, and the modulated sampling pulses are wavelength-individually measured to form the sampled values.
  • a significant advantage of the method according to the invention is the fact that can be measured with this also individual optical pulses with a width of only a few picoseconds.
  • the difficulty with such a measurement lies in the necessary time resolution.
  • a time resolution which is at least 10 times higher, ie a resolution in the femtosecond range, is necessary.
  • the corresponding temporal resolution is achieved in the method according to the invention by using a different optical wavelength for each optical scanning pulse. Due to the different wavelengths, it is possible after a scan to evaluate the wavelength-individually formed modulated sampling pulses formed during the scan.
  • the scanning pulses are wavelength-individually treated, they can be detected individually without any problems, even though they have only a very small or minimal temporal deviation. have states from each other and are thus temporally hardly separated from each other.
  • the inventive idea is to measure separately in time successively modulated sampling pulses separated from each other by these wavelengths are processed individually; This also allows, for example, a simultaneous measurement and parallel evaluation of the modulated sampling pulses.
  • Wavelength-individual processing is possible in a particularly simple and hence advantageous manner if the modulated scanning pulses are spatially separated from each other as a function of wavelength and the spatially separated scanning pulses are measured individually or separately to form the sampled values.
  • a wavelength-individual processing is thus preferably carried out in that the modulated sampling pulses are first spatially separated from each other; Separation or separation of the scanning pulses can be effected by a simple wavelength-separating element, such as an optical grating.
  • sampling pulses can be modulated particularly simply and thus advantageously by changing the polarization of each sampling pulse as a function of the amplitude of the pulse to be sampled which it has at the time of occurrence of the respective sampling pulse, whereby polarization-modulated sampling pulses are formed and the polarization-modulated positions of the polarization-modulated scanning pulses are measured to form the sampled values.
  • the sampling pulses can be amplitude-modulated by modulating the amplitude of each sampling pulse as a function of the amplitude of the pulse to be sampled which it has at the time of occurrence of the respective sampling pulse. are formed, and the amplitudes of the amplitude-modulated sampling pulses are measured to form the sampling values.
  • the temporal scanning pulse length of the temporally successive optical scanning pulses is smaller than the pulse length of the pulse to be scanned.
  • the sampling pulses and the pulse to be sampled may be fed to a polarization rotator which rotates the polarization of each sampling pulse as a function of the amplitude of the pulse to be sampled which it has at the time of occurrence of the respective sampling pulse.
  • a polarization rotation is preferably converted into an amplitude modulation with a polarization filter.
  • the polarization rotation can be carried out particularly simply and thus advantageously with a nonlinear optical fiber.
  • the measurement of the amplitudes of the amplitude-modulated sampling pulses is preferably carried out with the aid of a spectrometer.
  • the amplitudes of the amplitude-modulated scanning pulses are measured with the aid of a multichannel spectrometer which has an individual measuring channel for each wavelength of the scanning pulses; each sampling pulse is in this case preferably measured with its individual measuring channel.
  • a measurement of the amplitudes of the amplitude-modulated sampling pulses can also take place, for example, with the aid of a CCD camera. With regard to a high measuring speed, it is considered advantageous if the amplitudes of the amplitude-modulated scanning pulses are measured simultaneously.
  • the sequence of the temporally successive sampling pulses can be set particularly easily and thus advantageously by forming an auxiliary optical pulse having a comb-shaped wavelength spectrum with an auxiliary laser, feeding the auxiliary pulse into a wavelength divider with which generates a multiplicity of injection pulses each having a different central wavelength
  • Each injection pulse is in each case fed into an individually assigned main laser, whereby it is excited to generate a main pulse with the wavelength of the injection pulse injected, and the main pulses of the main laser can be used as sampling pulses.
  • the main pulses can, for example, be fed back into the wavelength divider - directly or indirectly - and directed by the latter - indirectly or directly - to the scanning device.
  • the temporal order of the main pulses is preferably adjusted by measuring the optical path length between the auxiliary laser and the main lasers differently.
  • the timing of the main pulses can be adjusted by varying the optical path length between the main lasers and the scanner differently.
  • the control of the main laser is preferably carried out in each case with an individual electrical control signal, wherein the optical injection pulses for each main laser are respectively generated such that each injection pulse arrives in its associated main laser at a time at which the charge carrier density due to the control signal in the respective main laser has just reached or just exceeds the threshold charge density.
  • the optical auxiliary pulse is preferably generated by applying an auxiliary electrical control signal to the auxiliary laser, wherein the auxiliary control signal is applied to the auxiliary laser time before the control signal to the respective main laser and wherein the time difference between the application of the control signal to the respective main laser and the application of the auxiliary control signal to the auxiliary laser of the period which requires the optical injection pulse from the auxiliary laser to the respective main laser.
  • the temporal offset between the electrical control and auxiliary control signal is effected, for example, by the e- lectric runtime of the control signal to the respective main laser and that of the auxiliary control signal to the auxiliary laser are suitably selected.
  • the electrical control signals for the main laser and the auxiliary control signal for the auxiliary laser are generated with the same signal generator, wherein the signal generator is connected in each case via a main control line to the main lasers and via an auxiliary control line to the auxiliary laser.
  • control signal for each main laser and the auxiliary control signal for the auxiliary laser can be generated with two or more synchronized signal generators, wherein the one signal generator via an auxiliary control line with the
  • Auxiliary laser and the one or more signal generators are connected via individual master control lines with the main lasers.
  • the length of the first main laser is the length of the first main laser.
  • Main control line in each case chosen so that the duration of the control signal to the main laser is as large as the maturity which results from addition of the transit time which the auxiliary control signal requires via the auxiliary control line to the auxiliary laser and the time which elapses after the generation of the auxiliary pulse until the arrival of the optical injection pulse in the respective main laser.
  • auxiliary laser and / or main laser for example, inexpensive Fabry-Perot laser can be used.
  • the invention also relates to an apparatus for sampling an optical signal and for forming samples indicative of the pulse history of the optical signal to be sampled.
  • a device for scanning a single optical pulse and forming samples which characterize the pulse progression of the optical pulse to be scanned is provided with a pulse device for generating a sequence of successive optical scanning pulses having different optical wavelengths, one of the pulse devices downstream Abtasteinrich- device which modulates the sampling pulses of the pulse means in response to the amplitude of the pulse to be scanned, which has this at the time of occurrence of the respective Abtastpulses, and forms modulated sampling pulses, and a downstream of the scanning device, the modulated scan pulses wavelength individually to form the samples.
  • the pulse device comprises:
  • an auxiliary laser for forming an auxiliary optical pulse having a comb-shaped wavelength spectrum
  • auxiliary laser wavelength divider which generates a plurality of injection pulses, each having a different central wavelength when applied to the comb-shaped wavelength spectrum
  • main lasers which are arranged downstream of the wavelength divider and output side forming the sampling pulses, as soon as their emission by an injected injection pulse is stimulated.
  • FIG. 2 shows, by way of example, the time profile of the optical scanning pulses used in the arrangement according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows, by way of example, the time profile of a single optical pulse to be scanned.
  • FIG. 4 shows by way of example the amplitude-modulated sampling pulses resulting from a sampling over time
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a pulse device that can be used in the arrangement according to FIG. 1,
  • FIG. 6 shows by way of example a comb-like output spectrum of an auxiliary laser of the pulse device according to FIG. 5,
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a scanning device which can be used in the arrangement according to FIG. 1,
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a measuring device which can be used in the arrangement according to FIG. 1, and
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of the internal structure of main lasers for the pulse device according to FIG. 5.
  • FIG. 1 shows a device 10 for scanning a single optical pulse LP and for forming samples AW1-AW5, which characterize the temporal pulse progression of the optical pulse LP to be scanned.
  • the device 10 has a pulse device 20, which forms the output side optical scanning pulses APl - AP5.
  • the sampling pulses AP1-AP5 follow each other in time and have different wavelengths.
  • FIG. 2 shows, by way of example, the time curve of the amplitude (or the power) of the optical scanning pulses AP1-AP5. It can be seen that the scanning pulses occur in succession and that each optical scanning pulse has an individual wavelength: the wavelength of the optical scanning pulse APl is ⁇ l, that of the optical scanning pulse AP2 is ⁇ 2, etc. For example:
  • a scanning device 30 Downstream of the pulse device 20 is a scanning device 30, which is acted on the input side with the optical scanning pulses AP1-AP5 and with the optical single pulse LP to be scanned.
  • the time profile of the amplitude A (t) or the power of the optical pulse LP to be scanned is shown by way of example in FIG.
  • the scanning device forms with the optical scanning pulses AP1-AP5 as well as with the individual optical pulse LP to be scanned on the output side amplitude-modulated scanning pulses AP1 '- AP5'.
  • a measuring device 40 Downstream of the scanning device 30 is a measuring device 40, which forms the sampling values AW1-AW5 from the amplitude-modulated sampling pulses AP1-AP5 'supplied by the sampling device 30 and outputs them on the output side.
  • the arrangement according to FIG. 1 is operated, for example, as follows:
  • the optical scanning pulses shown in Figure 2 are formed, which follow each other in time and have different wavelengths. These arrive at the scanning device 30 and serve to scan the optical pulse LP to be scanned.
  • the sampling device is designed such that it modulates the amplitude of each sampling pulse AP1 to AP5 of the pulse device 20 as a function of the amplitude A (t) of the pulse LP to be sampled, which has this at the time t of the occurrence of the respective sampling pulse AP1-AP5 forms in this way the amplitude modulated sampling pulses APl '- AP5'.
  • the amplitude-modulated optical scanning pulses APl '- AP5' are shown by way of example in FIG.
  • the amplitude A2 of the amplitude-modulated sampling pulse AP2 ' is therefore the largest, since it arrives at a time t2 in the sampling device 30, in which the optical pulse LP to be sampled has its greatest amplitude A (t2).
  • the third amplitude-modulated sample AP3 ' has the second largest amplitude A3, since this occurs at a time t3 in the scanner 30, to which the optical pulse LP to be sampled is correspondingly large.
  • the remaining amplitudes A1, A4 and A5 of the amplitude-modulated sampling pulses are obtained in a corresponding manner.
  • the amplitude-modulated sampling pulses AP1 '- AP5' reach the measuring device 40, which measures these wavelength-individually and forms the corresponding sampling values AW1-AW5.
  • the measuring device 40 is configured in such a way that it initially separates the amplitude-modulated sampling pulses AP1 '- AP5' arriving in succession in terms of wavelength and measures the wavelength-separated signals individually.
  • the measuring device 40 may be, for example, a multi-channel spectrometer.
  • the measuring device can, for example, have a wavelength-splitting optical grating with a downstream CCD line, for example a CCD camera.
  • the measuring device 40 is thus able to temporally at the same time, the amplitude modulated sampling pulses APl '- AP5' arriving in quick succession because it has previously carried out a local separation of the scanning pulses as a function of their wavelength.
  • the measuring device 40 therefore does not have to measure the incoming scanning pulses in a time-resolved manner, for example in the femtosecond range; rather, only a non-time-critical measurement of the amplitude of the scanning pulses AP1 '- AP5' as a function of the respective wavelength is required.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the pulse device 20 according to FIG. It can be seen that the pulse device 20 has an electrical signal generator 100, whose output side an auxiliary laser 110 and five main lasers 120, 125, 130, 135 and 140 are arranged downstream.
  • the lasers can be formed, for example, by gain-switched Fabry-Perot lasers.
  • the connecting lines between the electrical signal generator 100 and the auxiliary laser on the one hand and the main lasers on the other hand include u. a. an auxiliary electric control line HL for connection to the auxiliary laser 110; and main electrical control lines ST1-ST5 for connecting the five main lasers.
  • the auxiliary laser 110 is optically connected to a terminal of an optical circulator 150 by means of an optical waveguide 150.
  • the optical circulator 160 has another terminal connected to an input A170 of an optical wavelength divider 170.
  • a third terminal of the optical circulator 160 forms an output A20 of the pulse device 20.
  • the optical wavelength divider 170 has a total of five optical outputs, one of which is connected to one of the main lasers 120, 125, 130, 135 and 140.
  • a control signal is generated, for example in the form of a control pulse EP, which reaches the auxiliary laser 110 via the electrical auxiliary control line HL as an auxiliary control signal SH.
  • the auxiliary laser 110 then generates an auxiliary optical pulse OHP with a comb-shaped spectrum.
  • the spectrum A ( ⁇ ) of the auxiliary pulse OHP is shown by way of example in FIG. It can be seen that the comb-shaped spectrum of the auxiliary pulse OHP has five transmission wavelengths, which are identified by the reference symbol ⁇ 1- ⁇ 5.
  • the auxiliary optical pulse OHP of the auxiliary laser 110 passes via the optical waveguide 150 and the optical circulator 160 to the optical wavelength divider 170, which splits the comb-shaped spectrum of the auxiliary optical pulse and generates on the output side a plurality of optical injection pulses IP1-IP5 each having a different central wavelength.
  • the optical wavelength divider 170 generates an injection pulse IP1 having an optical wavelength ⁇ 1 for the main laser 120.
  • An injection pulse IP2 having the optical wavelength ⁇ 2 comes to the second main laser 125;
  • the remaining main lasers are supplied with injection pulses IP3, IP4 and IP5 each having an individual wavelength ⁇ 3, ⁇ 4 and ⁇ 5.
  • Each of the main lasers is also electrically driven via the control pulse EP in such a way that it reaches its population inversion precisely when the respective optical injection pulse IP1-IP5 from the optical wavelength divider 170 enters. In this way it is achieved that the main lasers emit radiation at a specific point in time, namely, exactly when the respective injection pulse arrives.
  • the timings at which the injection pulses IP1-IP5 arrive in their respective main laser are staggered in time to achieve a sequential emission of the optical scanning pulses AP1-AP5, as shown in FIG.
  • German Offenlegungsschrift DE 102 45 717 With regard to the timing triggering of optical pulses with the aid of injection pulses, reference is made to German Offenlegungsschrift DE 102 45 717, in which the corresponding activation of a main laser with an auxiliary laser is described in detail.
  • the generation of the optical scanning pulse AP1 is explained in more detail with reference to the main laser 120: If the injection pulse IP1 arrives at the wavelength ⁇ 1 from the wavelength divider 170 in the main laser 120, this is - as already explained - due to the timely arrival of the laser electrical drive pulse STl in its population inversion, so that it can directly form its optical scanning pulse APl and output on the output side.
  • the optical scanning pulse APl passes via the wavelength divider 170 to the optical circulator 160, which emits it at the output A20 of the pulse device 20. Since the injection pulse IP1 has the wavelength ⁇ 1, the optical scanning pulse AP1 is also generated at the wavelength ⁇ 1, since it is an induced emission.
  • the main lasers are to be selected in such a way that they are emissive on the respective desired wavelength ⁇ l- ⁇ 5; If necessary, an optical readjustment of the laser can be effected by a temperature control.
  • the other main lasers operate: As soon as the injection pulses IP2-IP5 arrive at the respective wavelengths ⁇ 2- ⁇ 5 in the main lasers, they produce on the output side the corresponding optical scanning pulses AP2-AP5 with the corresponding wavelengths ⁇ 2- ⁇ 5.
  • the optical scanning pulses are generated successively in time, as already shown in FIG
  • the optical path length between the auxiliary laser 110 and the main laser 120 is to be generated first
  • the optical path length between the auxiliary laser 110 and the main laser 120 is correspondingly shorter than the corresponding path lengths to the other main lasers.
  • the optical path length between the auxiliary laser 110 and the fifth main laser 140, with which the fifth sampling pulse AP5 is formed, is accordingly the longest.
  • the different optical path lengths thus make it possible to generate the individual optical scanning pulses AP1-AP5 one after the other in time and to output them in time at the output A20 of the pulse device.
  • the electrical activation should be coordinated by the main control signals ST1-ST5 in a corresponding manner.
  • Such temporal coordination can be achieved, for example, by dimensioning the main electrical control lines SL1-SL5 to be of different lengths so that the control pulse EP arrives at different times in the respective main laser.
  • delay lines can also be provided within the main lasers with which the individual delay can be set.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of the scanning device 30 according to FIG. It can be seen that the scanning device 30 has on the input side a 3dB divider 200 to which a highly non-linear glass fiber 210 (shown schematically in a rolled-up state) is arranged downstream. On the output side, the optical fiber 210 is connected to a polarization filter 220, which forms an output of the scanning device 30.
  • the high-nonlinear fiber 210 and the polarizer 220 may form a Kerr switch.
  • the scanning device 30 according to FIG. 7 operates as follows:
  • optical scanning pulses APl - AP5 and the scanned optical pulse LP are coupled together in the highly nonlinear optical fiber 210. Due to the non-linearity of the optical fiber 210, there is a polarization rotation of the optical scanning pulses AP1-AP5 as a function of the respective amplitude of the pulse LP to be scanned. Specifically, the greater the amplitude of the pulse LP to be sampled, the more the polarization of the optical scanning pulses AP1-AP5 is rotated (see Kerr switch, eg described in the dissertation "Interferometric Gates for All-Optical Signal Processing").
  • the optical scanning pulses AP1-AP5 will thus have different polarization positions at the output of the optical fiber 210.
  • Amplitude modulation is converted, so that at the output of the polarizing filter 220 and thus at the output of the scanning device 30, the amplitude-modulated sampling pulses APl '- AP5' are formed according to Figure 1.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of the measuring device 40.
  • One recognizes a wavelength splitter 300, to which a CCD camera 310 with a CCD line 320 is arranged downstream.
  • the task of the wavelength splitter 300 is to spatially separate the amplitude-modulated sampling pulses APL'-AP5 ', which arrive immediately after one another in succession, and to route them to different measuring points 320a-32Oe of the CCD line 320.
  • the spatial splitting of the amplitude-modulated scanning pulses APL '- AP5' onto the different measuring points 320a-320e makes it possible achieve that they need not be measured with the CCD camera temporally resolved, but instead can be measured in parallel time.
  • the CCD camera 310 can thus simultaneously measure the incoming amplitude-modulated sampling pulses AP1 '- AP5' and at the same time output them at their output as sample values AW1 -AW5.
  • a time resolution or a temporal Nachont messenger is not required.
  • FIG. 9 shows, by way of example, the internal structure of the main laser, using the example of the main laser 120.
  • a preamplifier 400 for amplifying the control signal ST1 is identified at the input E120.
  • the preamplifier 400 is followed by a preferably adjustable delay line 410, with which a timing can be made such that the main laser - as explained above - reaches its population inversion as closely as possible when the injection pulse IPl arrives in the laser, so that the emission time as accurately as possible and spontaneous emission is avoided.
  • a signal generator 420 Connected downstream of the delay line 410 is a signal generator 420, which on the output side generates, for example, a sawtooth signal.
  • the signal of the signal generator 420 is fed into a Fabry-Perot laser diode 430, to which also a DC voltage Ub is applied.
  • EP control pulse LP to be scanned optical pulse

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Abstract

Erfindungsgemäß vorgesehen ist u. a. ein Verfahren zum Abtasten eines einzelnen optischen Pulses (LP) und zum Bilden von Abtastwerten (AW1-AW5), die den Pulsverlauf des abzutastenden optischen Pulses kennzeichnen, bei dem eine Abfolge zeitlich aufeinander folgender optischer Abtastpulse (AP1-AP5) gebildet wird, die unterschiedliche optische Wellenlängen (1-5) aufweisen, mit den Abtastpulsen der abzutastende Puls unter Bildung modulierter Abtastpulse (AP1'-AP5') abgetastet wird und die modulierten Abtastpulse (AP1'-AP5') wellenlängenindividuell unter Bildung der Abtastwerte gemessen werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zum Abtasten optischer Signale und zum Bilden entsprechender Abtastwerte
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtasten optischer Signale und zum Bilden entsprechender Abtastwerte.
Es gibt eine Vielzahl an Veröffentlichungen zum optischen Ab- tasten (sampling) , die, obwohl sie teilweise nur eine sehr kurze Messzeit benötigen und quasi in „Echtzeit" arbeiten, keine Messung einzelner optischer Pulse, also keine „Einzel- schussmessung" ermöglichen. Erwähnt seien in diesem Zusammenhang die Veröffentlichungen "Recent progress toward real-time measurement of ultrashort laser pulses" (Kane, D. J.; IEEE
Journal of Quantum Electronics, 1999, 35(4), Seiten 421-431), "Highly sensitive differential tomographic technique for real-time ultrashort puls characterization" (I. Kang und C. Dorrer; Optics Letters, 2005, 30(12), Seiten 1545-1547), "Real-time implementation of linear spectrograms for the characterization of high bit-rate optical pulse trains" (C. Dorres und I. Kang; IEEE Photonics Technology Letters, 2004, 16(3), Seiten 858-860), "160-Gb/s optical sampling by gain- transparent four-wave mixing in a semiconductor optical am- plifier" (S. Diez, R. Ludwig, C. Schmidt, U. Feiste, H. G. Weber; IEEE Photonics Technology Leiters, 1999, 11(11), Seiten 1402-1404) und "Sampling pulses with semiconductor optical amplifiers" (L.A. Jiang, E. P. Ippen, U. Feiste, S. Diez, E. Hillinger, C. Schmidt, H. G. Weber; IEEE Journal of Quantum Electronics, 2001, 37(1), Seiten 118-126).
Bei all diesen Verfahren wird über eine Vielzahl an Pulsen gemittelt, um eine Mittelwertbildung durchzuführen. Eine zuverlässige und genaue Messung einzelner optischer Pulse ohne zeitliche Mittelung ist bisher nicht bekannt. Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abtasten eines optischen Signals anzugeben, das auch das Abtasten einzelner optischer Pulse ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Abtasten eines einzelnen optischen Pulses und zum Bilden von Abtastwerten, die den Pulsverlauf des abzutastenden optischen Pulses kennzeichnen, vorgesehen, bei dem eine Abfolge zeitlich aufeinander folgender optischer Abtastpulse gebildet wird, die unter- schiedliche optische Wellenlängen aufweisen, mit den Abtastpulsen der abzutastende Puls unter Bildung modulierter Abtastpulse abgetastet wird und die modulierten Abtastpulse wellenlängenindividuell unter Bildung der Abtastwerte gemessen werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass sich mit diesem auch einzelne optische Pulse mit einer Breite von nur wenigen Pikosekunden vermessen lassen. Die Schwierigkeit bei einer derartigen Messung liegt in der notwendigen Zeitauflösung. Bei einem abzutastenden optischen Puls mit einer Breite von nur wenigen Pikosekunden ist eine mindestens um den Faktor 10 höhere Zeitauflösung, also eine Auflösung im Femtosekundenbereich, notwendig. Die entsprechende zeitliche Auflösung wird bei dem erfindungsge- mäßen Verfahren dadurch erreicht, dass für jeden optischen Abtastpuls eine andere optische Wellenlänge verwendet wird. Aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen ist es nach einem Abtasten möglich, die im Rahmen der Abtastung gebildeten modulierten Abtastpulse wellenlängenindividuell auszuwerten. Dadurch, dass die Abtastpulse wellenlängenindividuell behandelt werden, lassen sich diese problemlos einzeln detektie- ren, obwohl sie nur sehr geringe bzw. geringste zeitliche Ab- stände voneinander aufweisen und zeitlich somit kaum voneinander zu trennen sind. Mit anderen Worten besteht der erfinderische Gedanke also darin, zeitlich dicht aufeinander folgende modulierte Abtastpulse getrennt voneinander zu messen, indem diese wellenlängenindividuell verarbeitet werden; dies ermöglicht beispielsweise auch eine zeitgleiche Messung und parallele Auswertung der modulierten Abtastpulse.
Besonders einfach und damit vorteilhaft ist eine wellenlän- genindividuelle Verarbeitung möglich, wenn die modulierten Abtastpulse voneinander wellenlängenabhängig räumlich getrennt werden und die räumlich getrennten Abtastpulse individuell bzw. separat unter Bildung der Abtastwerte gemessen werden. Dadurch, dass die modulierten Abtastpulse voneinander getrennt werden, lassen sich diese problemlos getrennt voneinander und einzeln detektieren, obwohl sie zeitlich kaum voneinander zu trennen wären. Eine wellenlängenindividuelle Verarbeitung erfolgt vorzugsweise also dadurch, dass die modulierten Abtastpulse zunächst voneinander örtlich separiert werden; ein Auftrennen bzw. Separieren der Abtastpulse kann durch ein einfaches wellenlängenseparierendes Element, wie z B. ein optisches Gitter, erfolgen.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lassen sich die Ab- tastpulse modulieren, indem die Polarisation eines jeden Abtastpulses in Abhängigkeit von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses aufweist, verändert wird, wodurch pola- risationsmodulierte Abtastpulse gebildet werden und die PoIa- risationslagen der polarisationsmodulierten Abtastpulse unter Bildung der Abtastwerte gemessen werden.
Alternativ oder zusätzlich können die Abtastpulse amplitudenmoduliert werden, indem die Amplitude eines jeden Abtastpul- ses in Abhängigkeit von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses aufweist, moduliert wird, wodurch amplitudenmo- dulierte Abtastpulse gebildet werden, und die Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse unter Bildung der Abtast- werte gemessen werden.
Im Hinblick auf eine möglichst große Messgenauigkeit wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die zeitliche Abtastpulslänge der zeitlich aufeinander folgenden optischen Abtastpulse kleiner als die Pulslänge des abzutastenden Pulses ist.
Die Abtastpulse und der abzutastende Puls können beispielsweise in einen Polarisationsdreher eingespeist werden, der die Polarisation eines jeden Abtastpulses in Abhängigkeit von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses aufweist, dreht. Eine solche Polarisationsdrehung wird vorzugsweise mit einem Polarisationsfilter in eine Amplitudenmodulation umgewandelt.
Die Polarisationsdrehung kann besonders einfach und damit vorteilhaft mit einer nichtlinearen Lichtleitfaser durchgeführt werden .
Das Ausmessen der Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse wird vorzugsweise mit Hilfe eines Spektrometers durchgeführt.
Besonders bevorzugt werden die Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse mit Hilfe eines Mehrkanal-Spektrometers gemessen, das für jede Wellenlänge der Abtastpulse einen in- dividuellen Messkanal aufweist; jeder Abtastpuls wird in diesem Falle vorzugsweise mit seinem individuellen Messkanal ausgemessen.
Ein Ausmessen der Amplituden der amplitudenmodulierten Ab- tastpulse kann beispielsweise auch mit Hilfe einer CCD-Kamera erfolgen. Im Hinblick auf eine hohe Messgeschwindigkeit wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse gleichzeitig gemessen werden.
Die Abfolge der zeitlich aufeinander folgenden Abtastpulse lässt sich besonders einfach und damit vorteilhaft einstellen, indem mit einem Hilfslaser ein optischer Hilfspuls mit einem kammförmigen Wellenlängenspektrum gebildet wird, der Hilfspuls in einen Wellenlängenteiler eingespeist wird, mit dem eine Vielzahl an Injektionspulsen mit jeweils einer unterschiedlichen Zentralwellenlänge erzeugt wird, jeder Injektionspuls jeweils in einen individuell zugeordneten Hauptlaser eingespeist wird, wodurch dieser zur Erzeugung eines Hauptpulses mit der Wellenlänge des eingespeisten Injektions- pulses angeregt wird, und die Hauptpulse der Hauptlaser als Abtastpulse weiter verwendet werden.
Die Hauptpulse können beispielsweise in den Wellenlängenteiler - mittelbar oder unmittelbar - zurückgespeist und von diesem - mittelbar oder unmittelbar - zur Abtasteinrichtung geleitet werden.
Die zeitliche Reihenfolge der Hauptpulse wird vorzugsweise eingestellt, indem die optische Weglänge zwischen dem Hilfs- laser und den Hauptlasern unterschiedlich bemessen wird.
Auch kann die zeitliche Reihenfolge der Hauptpulse eingestellt werden, indem die optische Weglänge zwischen den Hauptlasern und der Abtasteinrichtung unterschiedlich bemes- sen wird.
Die Ansteuerung der Hauptlaser erfolgt bevorzugt jeweils mit einem individuellen elektrischen Steuersignal, wobei die optischen Injektionspulse für jeden Hauptlaser jeweils derart erzeugt werden, dass jeder Injektionspuls in seinem zugeordneten Hauptlaser zu einem Zeitpunkt eintrifft, zu dem die Ladungsträgerdichte aufgrund des Steuersignals in dem jeweili- gen Hauptlaser die Schwellladungsträgerdichte gerade erreicht hat oder gerade überschreitet.
Der optische Hilfspuls wird vorzugsweise durch Anlegen eines elektrischen Hilfssteuersignals am Hilfslaser generiert, wobei das Hilfssteuersignal am Hilfslaser zeitlich vor dem Steuersignal am jeweiligen Hauptlaser angelegt wird und wobei die Zeitdifferenz zwischen dem Anlegen des Steuersignals am jeweiligen Hauptlaser und dem Anlegen des Hilfssteuersignals am Hilfslaser der Zeitspanne entspricht, die der optische Injektionspuls vom Hilfslaser zum jeweiligen Hauptlaser benötigt.
Der zeitliche Versatz zwischen elektrischem Steuer- und Hilfssteuersignal wird beispielsweise bewirkt, indem die e- lektrische Laufzeit des Steuersignals zum jeweiligen Hauptlaser und die des Hilfssteuersignals zum Hilfslaser geeignet gewählt werden.
Beispielsweise werden die elektrischen Steuersignale für die Hauptlaser und das Hilfssteuersignal für den Hilfslaser mit demselben Signalgenerator erzeugt, wobei der Signalgenerator jeweils über eine HauptSteuerleitung mit den Hauptlasern und über eine Hilfsteuerleitung mit dem Hilfslaser verbunden wird.
Alternativ kann das Steuersignal für jeden Hauptlaser und das Hilfssteuersignal für den Hilfslaser mit zwei oder mehr synchronisierten Signalgeneratoren erzeugt werden, wobei der ei- ne Signalgenerator über eine Hilfssteuerleitung mit dem
Hilfslaser und der oder die weiteren Signalgeneratoren über individuelle Hauptsteuerleitungen mit den Hauptlasern verbunden werden.
Vorzugsweise wird für jeden Hauptlaser die Länge der
Hauptsteuerleitung jeweils so gewählt, dass die Laufzeit des Steuersignals zum Hauptlaser so groß ist wie die Laufzeitsum- me, die sich durch Addition aus der Laufzeit, die das Hilfs- steuersignal über die Hilfsteuerleitung zum Hilfslaser benötigt, und der Zeit, die nach dem Erzeugen des Hilfspulses bis zum Eintreffen des optischen Injektionspulses in dem jeweili- gen Hauptlaser vergeht, ergibt.
Als Hilfslaser und/oder Hauptlaser können beispielsweise kostengünstige Fabry-Perot-Laser verwendet werden.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Vorrichtung zum Abtasten eines optischen Signals und zum Bilden von Abtastwerten, die den Pulsverlauf des abzutastenden optischen Signals kennzeichnen.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist diesbezüglich eine Vorrichtung zum Abtasten eines einzelnen optischen Pulses und Bilden von Abtastwerten, die den Pulsverlauf des abzutastenden optischen Pulses kennzeichnen, mit einer Pulseinrichtung zum Erzeugen einer Abfolge zeitlich aufeinander folgender optischer Ab- tastpulse, die unterschiedliche optische Wellenlängen aufweisen, einer der Pulseinrichtung nachgeordneten Abtasteinrich- tung, die die Abtastpulse der Pulseinrichtung in Abhängigkeit von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses auf- weist, moduliert und in dieser Weise modulierte Abtastpulse bildet, und einer der Abtasteinrichtung nachgeordneten Messeinrichtung, die die modulierten Abtastpulse wellenlängenindividuell unter Bildung der Abtastwerte misst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Unteransprüchen angegeben. Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Als selbständige Erfindung angesehen wird außerdem eine Pulseinrichtung zum Bilden einer Abfolge zeitlich aufeinander folgender optischer Abtastpulse, die unterschiedliche optische Wellenlängen aufweisen. Erfindungsgemäß umfasst die Pulseinrichtung :
- einen Hilfslaser zum Bilden eines optischen Hilfspulses mit einem kammförmigen Wellenlängenspektrum,
- einen dem Hilfslaser ausgangsseitig nachgeordneten Wellenlängenteiler, der bei Anliegen des kammförmigen Wellenlängenspektrums eine Vielzahl an Injektionspulsen mit jeweils einer unterschiedlichen Zentralwellenlänge erzeugt, und - einer Mehrzahl an Hauptlasern, die dem Wellenlängenteiler nachgeordnet sind und ausgangseitig die Abtastpulse bilden, sobald deren Emission durch einen eingespeisten Injektionspuls angeregt wird.
Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Pulseinrichtung wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Abtasten eines einzelnen optischen Pulses und Bilden von Abtastwerten verwiesen. Entsprechendes gilt für vorteilhafte Ausgestaltungen der erfin- dungsgemäßen Pulseinrichtung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Abtasten eines einzelnen optischen Pulses,
Figur 2 beispielhaft den zeitlichen Verlauf der bei der Anordnung gemäß Figur 1 eingesetzten optischen Ab- tastpulse,
Figur 3 beispielhaft den zeitlichen Verlauf eines einzelnen abzutastenden optischen Pulses,
Figur 4 beispielhaft die sich durch eine Abtastung ergebenden amplitudenmodulierten Abtastpulse im zeitlichen Verlauf, Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für eine Pulseinrichtung, die bei der Anordnung gemäß Figur 1 einsetzbar ist,
Figur 6 beispielhaft ein kammartiges Ausgangsspektrum eines Hilfslasers der Pulseinrichtung gemäß Figur 5,
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel für eine Abtasteinrichtung, die in der Anordnung gemäß Figur 1 eingesetzt wer- den kann,
Figur 8 ein Ausführungsbeispiel für eine Messeinrichtung, die in der Anordnung gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann, und
Figur 9 ein Ausführungsbeispiel für den internen Aufbau von Hauptlasern für die Pulseinrichtung gemäß Figur 5.
In den Figuren 1 bis 9 werden der Übersichtlichkeit halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
In der Figur 1 erkennt man eine Vorrichtung 10 zum Abtasten eines einzelnen optischen Pulses LP und zum Bilden von Abtastwerten AW1-AW5, die den zeitlichen Pulsverlauf des abzutastenden optischen Pulses LP kennzeichnen.
Die Vorrichtung 10 weist eine Pulseinrichtung 20 auf, die ausgangsseitig optische Abtastpulse APl - AP5 bildet. Die Abtastpulse APl - AP5 folgen zeitlich aufeinander und weisen unterschiedliche Wellenlängen auf.
In der Figur 2 ist der zeitliche Verlauf der Amplitude (bzw. der Leistung) der optischen Abtastpulse APl - AP5 beispiel- haft näher dargestellt. Man erkennt, dass die Abtastpulse nacheinander auftreten und dass jeder optische Abtastpuls jeweils eine individuelle Wellenlange aufweist: Die Wellenlange des optischen Abtastpulses APl beträgt λl, die des optischen Abtastpulses AP2 beträgt λ2 usw. Beispielsweise gilt:
λl < λ2 < λ3 < λ4 < λ5
Der Pulseinrichtung 20 nachgeordnet ist eine Abtasteinrichtung 30, die eingangsseitig mit den optischen Abtastpulsen AP1-AP5 sowie mit dem abzutastenden optischen Einzelpuls LP beaufschlagt ist. Der zeitliche Verlauf der Amplitude A(t) bzw. der Leistung des abzutastenden optischen Pulses LP ist in der Figur 3 beispielhaft gezeigt.
Die Abtasteinrichtung bildet mit den optischen Abtastpulsen AP1-AP5 sowie mit dem abzutastenden optischen Einzelpuls LP ausgangseitig amplitudenmodulierten Abtastpulse APl' - AP5' .
Der Abtasteinrichtung 30 nachgeordnet ist eine Messeinrichtung 40, die aus den von der Abtasteinrichtung 30 gelieferten amplitudenmodulierten Abtastpulsen APl' - AP5' die Abtastwer- te AWl - AW5 bildet und diese ausgangsseitig abgibt.
Die Anordnung gemäß Figur 1 wird beispielsweise wie folgt betrieben:
In der Pulseinrichtung 20 werden die in der Figur 2 gezeigten optischen Abtastpulse gebildet, die zeitlich aufeinander folgen und unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Diese gelangen zu der Abtasteinrichtung 30 und dienen zum Abtasten des abzutastenden optischen Pulses LP. Die Abtasteinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie die Amplitude eines jeden Abtastpulses APl bis AP5 der Pulseinrichtung 20 in Abhängigkeit von der Amplitude A(t) des abzutastenden Pulses LP, die dieser zum Zeitpunkt t des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses APl - AP5 aufweist, moduliert und in dieser Weise die amplitudenmodulierten Abtastpulse APl' - AP5' bildet. Die amplitudenmodulierten optischen Abtastpulse APl' - AP5' sind beispielhaft in der Figur 4 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur die Kurvenverläufe der Abtastpulse APl', AP3' und AP4' gezeigt; von den amplitudenmodulierten Abtastpulsen AP2' und AP5' sind nur die Amplitudenwerte A2 und A5 eingezeichnet.
Man erkennt, dass die Amplituden A1-A5 der amplitudenmodulierten Abtastpulse AP1-AP5 umso größer sind, je größer die jeweilige Amplitude A(t) des abzutastenden optischen Pulses
LP zu dem jeweiligen Abtastzeitpunkt t ist. Demgemäß ist also die Amplitude A2 des amplitudenmodulierten Abtastpulses AP2' am größten, da dieser zu einem Zeitpunkt t2 in der Abtasteinrichtung 30 eintrifft, in der der abzutastende optische Puls LP seine größte Amplitude A(t2) aufweist. In entsprechender Weise weist der dritte amplitudenmodulierte Abtastwert AP3' die zweitgrößte Amplitude A3 auf, da dieser zu einem Zeitpunkt t3 in der Abtasteinrichtung 30 eintritt, zu dem der abzutastende optische Puls LP entsprechend groß ist. Die übri- gen Amplituden Al, A4 und A5 der amplitudenmodulierten Abtastpulse ergeben sich in entsprechender Weise.
Die amplitudenmodulierten Abtastpulse APl' - AP5' gelangen zu der Messeinrichtung 40, die diese wellenlängenindividuell ausmisst und die entsprechenden Abtastwerte AWl - AW5 bildet. Die Messeinrichtung 40 ist hierfür derart ausgestaltet, dass sie die nacheinander eintreffenden amplitudenmodulierten Abtastpulse APl' — AP5' zunächst wellenlängenmäßig separiert und die wellenlängenseparierten Signale einzeln ausmisst.
Bei der Messeinrichtung 40 kann es sich beispielsweise um ein Mehrkanalspektrometer handeln. Die Messeinrichtung kann beispielsweise ein wellenlängensplittendes optisches Gitter mit einer nachgeschalteten CCD-Zeile, zum Beispiel einer CCD- Kamera, aufweisen. Die Messeinrichtung 40 ist somit in der Lage, die zeitlich kurz nacheinander eintreffenden amplitudenmodulierten Abtastpulse APl' - AP5' zeitlich gleichzeitig zu messen, da sie zuvor eine örtliche Auftrennung der Abtastpulse in Abhängigkeit von deren Wellenlänge durchgeführt hat. Die Messeinrichtung 40 muss also die eintreffenden Abtastpulse nicht zeitaufgelöst beispielsweise im Femtosekundenbereich messen/ vielmehr ist lediglich eine zeitunkritische Messung der Amplitude der Abtastpulse APl' - AP5' in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge erforderlich.
In der Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel für die Pulsein- richtung 20 gemäß Figur 1 gezeigt. Man erkennt, dass die Pulseinrichtung 20 einen elektrischen Signalgenerator 100 aufweist, dem ausgangsseitig ein Hilfslaser 110 sowie fünf Hauptlaser 120, 125, 130, 135 und 140 nachgeordnet sind. Die Laser können beispielsweise durch gewinngeschaltete Fabry- Perot-Laser gebildet sein.
Die Verbindungsleitungen zwischen dem elektrischen Signalgenerator 100 und dem Hilfslaser einerseits sowie den Hauptlasern andererseits umfassen u. a. eine elektrische Hilfssteu- erleitung HL zum Anschluss an den Hilfslaser 110 sowie elektrische Hauptsteuerleitungen STl - ST5 zum Anschluss der fünf Hauptlaser.
Der Hilfslaser 110 ist optisch mittels eines optischen Licht- Wellenleiters 150 an einen Anschluss eines optischen Zirkula- tors 150 angeschlossen. Der optische Zirkulator 160 weist einen weiteren Anschluss auf, der mit einem Eingang A170 eines optischen Wellenlängenteilers 170 verbunden ist. Ein dritter Anschluss des optischen Zirkulators 160 bildet einen Ausgang A20 der Pulseinrichtung 20.
Der optische Wellenlängenteiler 170 weist insgesamt fünf optische Ausgänge auf, von denen jeweils einer mit einem der Hauptlaser 120, 125, 130, 135 und 140 verbunden ist.
Die Anordnung gemäß Figur 5 wird wie folgt betrieben: Mit dem elektrischen Signalgenerator 100 wird ein Steuersignal beispielsweise in Form eines Steuerpulses EP erzeugt, der über die elektrische Hilfssteuerleitung HL als Hilfssteuer- signal SH zum Hilfslaser 110 gelangt. Der Hilfslaser 110 er- zeugt daraufhin einen optischen Hilfspuls OHP mit einem kamm- förmigen Spektrum. Das Spektrum A(λ) des Hilfspulses OHP ist in der Figur 6 beispielhaft gezeigt. Man erkennt, dass das kammförmige Spektrum des Hilfspulses OHP fünf Sendewellenlängen aufweist, die mit dem Bezugszeichen λl - λ5 gekennzeich- net sind.
Der optische Hilfspuls OHP des Hilfslasers 110 gelangt über den Lichtwellenleiter 150 und den optischen Zirkulator 160 zu dem optischen Wellenlängenteiler 170, der das kammförmige Spektrum des optischen Hilfspulses aufspaltet und ausgangs- seitig eine Vielzahl an optischen Injektionspulsen IP1-IP5 mit jeweils einer unterschiedlichen Zentralwellenlänge erzeugt. Konkret erzeugt der optische Wellenlängenteiler 170 einen Injektionspuls IPl mit einer optischen Wellenlänge λl für den Hauptlaser 120. Ein Injektionspuls IP2 mit der optischen Wellenlänge λ2 gelangt zum zweiten Hauptlaser 125; in entsprechender Weise werden die übrigen Hauptlaser mit Injektionspulsen IP3, IP4 und IP5 mit jeweils einer individuellen Wellenlänge λ3, λ4 und λ5 versorgt.
Jeder der Hauptlaser wird über den Steuerpuls EP außerdem e- lektrisch derart angesteuert, dass er seine Besetzungsinversion gerade dann erreicht, wenn der jeweilige optische Injektionspuls IP1-IP5 vom optischen Wellenlängenteiler 170 ein- trifft. In dieser Weise wird erreicht, dass die Hauptlaser jeweils zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt Strahlung emittieren, nämlich genau dann, wenn der jeweilige Injektionspuls eintrifft. Die Zeitpunkte, zu denen die Injektionspulse IPl- IP5 in ihrem jeweiligen Hauptlaser eintreffen, sind zeitlich versetzt, um ein zeitlich aufeinander folgendes Emittieren der optischen Abtastpulse AP1-AP5, wie dies in der Figur 2 gezeigt ist, zu erreichen. Bezüglich des zeitlichen Triggerns optischer Pulse mit Hilfe von Injektionspulsen sei auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 45 717 verwiesen, in der die entsprechende Ansteuerung eines Hauptlasers mit einem Hilfslaser im Detail beschrieben ist. Durch das zeitlich versetzte elektrische und optische Ansteuern der Hauptlaser - relativ zueinander - wird also sichergestellt, dass diese zu ganz bestimmten Zeitpunkten, und zwar nacheinander die optischen Abtastpulse APl - AP5 bilden.
Zur Verdeutlichung der Funktionsweise wird das Erzeugen des optischen Abtastpulses APl anhand des Hauptlasers 120 näher erläutert: Trifft der Injektionspuls IPl mit der Wellenlänge λl vom Wellenlängenteiler 170 in dem Hauptlaser 120 ein, so befindet sich dieser - wie bereits erläutert - aufgrund des zeitlich abgestimmten Eintreffens des elektrischen Ansteuerpulses STl in seiner Besetzungsinversion, so dass dieser unmittelbar seinen optischen Abtastpuls APl bilden und aus- gangsseitig abgeben kann. Der optische Abtastpuls APl gelangt über den Wellenlängenteiler 170 zum optischen Zirkulator 160, der diesen am Ausgang A20 der Pulseinrichtung 20 abgibt. Da der Injektionspuls IPl die Wellenlänge λl aufweist, wird der optische Abtastpuls APl ebenfalls mit der Wellenlänge λl erzeugt, da es sich um eine induzierte Emission handelt. Die Hauptlaser sind entsprechend derart auszuwählen, dass sie auf der jeweiligen Sollwellenlänge λl-λ5 emissionsfähig sind; ggf. kann eine optische Nachjustage der Laser durch eine Temperatursteuerung erfolgen.
In entsprechender Weise arbeiten die anderen Hauptlaser: Sobald in den Hauptlasern die Injektionspulse IP2-IP5 mit den jeweiligen Wellenlängen λ2-λ5 eintreffen, so erzeugen diese ausgangsseitig die entsprechenden optischen Abtastpulse AP2 - AP5 mit den entsprechenden Wellenlängen λ2-λ5.
Um nun zu erreichen, dass die optischen Abtastpulse zeitlich nacheinander erzeugt werden, wie dies in der Figur 2 bereits gezeigt und erläutert wurde, ist die optische Weglänge zwischen dem Hilfslaser 110 und jedem der Hauptlaser beispielsweise individuell abgestimmt: Da der optische Abtastpuls APl als erster erzeugt werden soll, ist die optische Weglänge zwischen dem Hilfslaser 110 und dem Hauptlaser 120 entsprechend kürzer als die entsprechenden Weglängen zu den anderen Hauptlasern. Die optische Weglänge zwischen dem Hilfslaser 110 und dem fünften Hauptlaser 140, mit dem der fünfte Abtastpuls AP5 gebildet wird, ist demgemäß am längsten. Die un- terschiedlichen optischen Weglängen ermöglichen es somit, die einzelnen optischen Abtastpulse APl - AP5 zeitlich nacheinander zu erzeugen und zeitlich aufeinander folgend am Ausgang A20 der Pulseinrichtung abzugeben.
Um zu erreichen, dass die Hauptlaser jeweils dann ihre Besetzungsinversion erreichen, wenn die Injektionspulse eintreffen, sollte die elektrische Ansteuerung durch die Hauptsteuersignale STl - ST5 entsprechend zeitlich koordiniert werden. Eine solche zeitliche Koordination kann beispielsweise da- durch erfolgen, dass die elektrischen Hauptsteuerleitungen SLl - SL5 entsprechend unterschiedlich lang dimensioniert werden, damit der Steuerpuls EP zu unterschiedlichen Zeitpunkten in dem jeweiligen Hauptlaser eintrifft. Alternativ können auch Verzögerungsleitungen innerhalb der Hauptlaser vorgesehen sein, mit denen sich die individuelle Verzögerung einstellen lässt.
In der Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel für die Abtasteinrichtung 30 gemäß Figur 1 gezeigt. Man erkennt, dass die Ab- tasteinrichtung 30 eingangsseitig einen 3dB-Teiler 200 aufweist, dem eine hoch-nichtlineare Glasfaser 210 (schematisch dargestellt in einem aufgerollten Zustand) nachgeordnet ist. Ausgangsseitig steht die Glasfaser 210 mit einem Polarisationsfilter 220 in Verbindung, das einen Ausgang der Abtastein- richtung 30 bildet. Die hoch-nichtlineare Glasfaser 210 und das Polarisationsfilter 220 können beispielsweise einen Kerr- Switch bilden. Die Abtasteinrichtung 30 gemäß Figur 7 arbeitet wie folgt:
Die an den beiden Eingängen des 3dB-Teilers 200 anliegenden optischen Abtastpulse APl - AP5 sowie der abzutastende optische Puls LP werden gemeinsam in die hoch-nichtlinare Glasfaser 210 eingekoppelt. Aufgrund der Nichtlinearität der Glasfaser 210 kommt es zu einer Polarisationsdrehung der optischen Abtastpulse APl - AP5 in Abhängigkeit von der jeweili- gen Amplitude des abzutastenden Pulses LP. Konkret wird die Polarisation der optischen Abtastpulse APl - AP5 umso mehr gedreht, je größer die Amplitude des abzutastenden Pulses LP ist (vgl. Kerr-Schalter, z. B. beschrieben in der Dissertation „Interferometric Gates for All-Optical Signal Proces- sing", Diplom-Physiker CoIja Schubert aus Berlin von der Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften der Technischen Universität Berlin) . Am Ausgang der Glasfaser 210 werden somit die optischen Abtastpulse APl - AP5 unterschiedliche Polarisationslagen aufweisen. Die hervorgerufene Polari- sationsdrehung wird in dem Polarisationsfilter 220 in eine
Amplitudenmodulation umgewandelt, so dass am Ausgang des Polarisationsfilters 220 und damit am Ausgang der Abtasteinrichtung 30 die amplitudenmodulierten Abtastpulse APl' - AP5' gemäß Figur 1 gebildet werden.
In der Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel für die Messeinrichtung 40 dargestellt. Man erkennt einen Wellenlängensplitter 300, dem eine CCD-Kamera 310 mit einer CCD-Zeile 320 nachgeordnet ist.
Die Aufgabe des Wellenlängensplitters 300 besteht darin, die zeitlich unmittelbar nacheinander eintreffenden amplitudenmodulierten Abtastpulse APl' - AP5' nach der Wellenlänge örtlich zu separieren und zu unterschiedlichen Messstellen 320a- 32Oe der CCD-Zeile 320 zu leiten. Durch die räumliche Auf- splittung der amplitudenmodulierten Abtastpulse APl' - AP5' auf die unterschiedlichen Messstellen 320a-320e lässt sich erreichen, dass diese mit der CCD-Kamera nicht zeitlich aufgelöst gemessen werden müssen, sondern stattdessen zeitlich parallel gemessen werden können. Die CCD-Kamera 310 kann somit die eintreffenden amplitudenmodulierten Abtastpulse APl' - AP5' gleichzeitig messen und gleichzeitig an ihrem Ausgang als Abtastwerte AWl -AW5 ausgeben. Eine zeitliche Auflösung bzw. ein zeitliches Nacheinandermessen ist nicht erforderlich.
Die Figur 9 zeigt beispielhaft den inneren Aufbau der Hauptlaser am Beispiel des Hauptlasers 120. Man erkennt am Eingang E120 einen Vorverstärker 400 zum Verstärken des Steuersignals STl. Dem Vorverstärker 400 nachgeschaltet ist eine vorzugsweise einstellbare Verzögerungsleitung 410, mit der sich eine zeitliche Abstimmung derart vornehmen lässt, dass der Hauptlaser - wie eingangs erläutert - möglichst genau dann seine Besetzungsinversion erreicht, wenn der Injektionspuls IPl im Laser eintrifft, damit der Emissionszeitpunkt möglichst exakt eingehalten und spontane Emission vermieden wird.
Der Verzögerungsleitung 410 nachgeschaltet ist ein Signalgenerator 420, der ausgangsseitig beispielsweise ein Sägezahnsignal erzeugt. Das Signal des Signalgenerators 420 wird in eine Fabry-Perot-Laserdiode 430, an der außerdem eine Gleich- Spannung Ub anliegt, eingespeist.
Bezugszeichenliste
10 Vorrichtung zum Abtasten eines optischen Signals 20 Pulseinrichtung
30 Abtasteinrichtung
40 Messeinrichtung
100 Signalgenerator
110 Hilfslaser 120,125 Hauptlaser
130,135 Hauptlaser
140 Hauptlaser
150 Lichtwellenleiter
160 Zirkulator 170 Wellenlängenteiler
200 3dB-Teiler
210 Glasfaser
220 Polarisationsfilter
300 Wellenlängensplitter 310 CCD-Kamera
320 CCD-Zeile
320a-e Messstellen
A20 Ausgang
A170 Anschluss E120 Eingang
AP1-AP5 Abtastpuls
AP1'-AP5' amplitudenmodulierter Abtastpuls
AW1-AW5 Abtastwert
EP Steuerpuls LP abzutastender optischer Puls
SL1-SL5 Hauptsteuerleitung
HL Hilfssteuerleitung
ST1-ST5 Hauptsteuersignal
SH Hilfssteuersignal

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Abtasten eines einzelnen optischen Pulses (LP) und zum Bilden von Äbtastwerten (AW1-AW5) , die den PuIs- verlauf des abzutastenden optischen Pulses kennzeichnen, bei dem
- eine Abfolge zeitlich aufeinander folgender optischer Abtastpulse (AP1-AP5) gebildet wird, die unterschiedliche optische Wellenlängen (λl-λ5) aufweisen, - mit den Abtastpulsen der abzutastende Puls unter Bildung modulierter Abtastpulse (APl' -AP5') abgetastet wird und -die modulierten Abtastpulse (APl' -AP5') wellenlängenindividuell unter Bildung der Abtastwerte gemessen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
-die modulierten Abtastpulse (APl' -AP5') voneinander wellenlängenabhängig räumlich getrennt werden und
- die räumlich getrennten Abtastpulse individuell unter Bildung der Abtastwerte gemessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastpulse moduliert werden, indem die Polarisation eines jeden Abtastpulses in Abhängigkeit von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt des Auf- tretens des jeweiligen Abtastpulses aufweist, verändert wird, wodurch polarisationsmodulierte Abtastpulse (AP1'-AP57) gebildet werden und die Polarisationslagen der polarisationsmo- dulierten Abtastpulse unter Bildung der Abtastwerte gemessen werden.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastpulse amplitudenmoduliert werden, indem die Amplitude eines jeden Abtastpulses in Abhängigkeit von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die die- ser zum Zeitpunkt des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses aufweist, moduliert wird, wodurch amplitudenmodulierte Abtastpulse (APl' -AP5') gebildet werden, und die Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse unter Bildung der Äbtastwerte gemessen werden.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Abtastpulslänge der zeitlich aufeinander folgenden optischen Abtastpulse (AP1-AP5) kleiner als die Pulslänge des abzutastenden Pulses ist.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastpulse und der abzutastende
Puls in einen Polarisationsdreher (210) eingespeist werden, der die Polarisation eines jeden Abtastpulses in Abhängigkeit von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses auf- weist, dreht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsdrehung mit einem Polarisationsfilter (220) zu einer Amplitudenmodulation genutzt wird.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche β-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsdrehung mit einer nichtlinearen Lichtleitfaser (210) durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse mit Hilfe eines Spektrometers gemessen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, - dass die Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse mit Hilfe eines Mehrkanal-Spektrometers gemessen werden, das für jede Wellenlänge der Abtastpulse einen individuellen Messkanal aufweist, und
- dass jeder Abtastpuls mit seinem individuellen Messkanal ausgemessen wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der amplitudenmodulierten Abtastpulse mit Hilfe einer CCD-Kamera gemessen werden.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der zeitlich aufeinander folgenden Abtastpulse eingestellt wird, indem
-mit einem Hilfslaser (110) ein optischer Hilfspuls (OHP) mit einem kammförmigen Wellenlängenspektrum gebildet wird, — der Hilfspuls in einen Wellenlängenteiler (170) eingespeist wird, mit dem eine Mehrzahl an Injektionspulsen (IP1-IP5) mit jeweils einer unterschiedlichen Zentralwellenlänge (λl- λ5) erzeugt wird, —jeder Injektionspuls jeweils in einen individuell zugeordneten Hauptlaser (120, 125, 130, 135, 140) eingespeist wird, wodurch dieser zur Erzeugung eines Hauptpulses (APl- AP5) mit der Wellenlänge des eingespeisten Injektionspulses angeregt wird, und die Hauptpulse der Hauptlaser als Ab- tastpulse weiter verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptpulse in den Wellenlängenteiler - mittelbar oder unmittelbar - zurückgespeist und von diesem - mittelbar oder unmittelbar - zur Abtasteinrichtung geleitet werden.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 12-13, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Reihenfolge der Hauptpulse eingestellt wird, indem die optische Weglänge zwi- sehen dem Hilfslaser und den Hauptlasern unterschiedlich bemessen wird.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 12-14, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Reihenfolge der Hauptpulse eingestellt wird, indem die optische Weglänge zwischen den Hauptlasern und der Abtasteinrichtung unterschiedlich bemessen wird.
16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 12-15, dadurch gekennzeichnet, dass
-die Hauptlaser jeweils mit einem elektrischen Steuersignal (ST1-ST5) angesteuert werden und
-die optischen Injektionspulse für jeden Hauptlaser jeweils derart erzeugt werden, dass jeder Injektionspuls in seinem zugeordneten Hauptlaser zu einem Zeitpunkt eintrifft, zu dem die Ladungsträgerdichte aufgrund des Steuersignals in dem jeweiligen Hauptlaser die Schwellladungsträgerdichte gerade erreicht hat oder gerade überschreitet.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Hilfspuls (OHP) durch Anlegen eines elektrischen Hilfs- Steuersignals (HL) am Hilfslaser generiert wird,
- wobei das Hilfssteuersignal am Hilfslaser zeitlich vor dem Steuersignal am jeweiligen Hauptlaser angelegt wird und
- wobei die Zeitdifferenz zwischen dem Anlegen des Steuersignals am jeweiligen Hauptlaser und dem Anlegen des Hilfs- Steuersignals am Hilfslaser der Zeitspanne entspricht, die der optische Injektionspuls vom Hilfslaser zum jeweiligen Hauptlaser benötigt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Versatz zwischen elektrischem Steuer- und
Hilfssteuersignal bewirkt wird, indem die elektrische Laufzeit des Steuersignals zum jeweiligen Hauptlaser und die des Hilfssteuersignals zum Hilfslaser geeignet gewählt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Steuersignale für die Hauptlaser und das Hilfssteuersignal für den Hilfslaser mit demselben Signalgenerator (100) erzeugt werden, wobei der Signalgenerator jeweils über eine Hauptsteuerleitung mit den Hauptlasern und über eine Hilfsteuerleitung mit dem Hilfslaser verbunden wird.
20. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal für jeden Hauptlaser und das Hilfssteuersignal für den Hilfslaser mit zwei oder mehr synchronisierten Signalgeneratoren erzeugt werden, wobei der ei- ne Signalgenerator über eine Hilfssteuerleitung mit dem
Hilfslaser und der oder die weiteren Signalgeneratoren über individuelle Hauptsteuerleitungen mit den Hauptlasern verbunden werden.
21. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 12-20, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Hauptlaser die Länge der Hauptsteuerleitung (SL1-SL5) jeweils so gewählt wird, dass die Laufzeit des Steuersignals (ST1-ST5) zum Hauptlaser so groß ist wie die Laufzeitsumme, die sich durch Addition aus der Laufzeit, die das Hilfssteuersignal (HL) über die
HilfSteuerleitung (SH) zum Hilfslaser benötigt, und der Zeit, die nach dem Erzeugen des Hilfspulses bis zum Eintreffen des optischen Injektionspulses in dem jeweiligen Hauptlaser vergeht, ergibt.
22. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 12-21, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfslaser ein Fabry-Perot- Laser verwendet wird.
23. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 12-22, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptlaser ein Fabry-Perot- Laser verwendet wird.
24. Vorrichtung (10) zum Abtasten eines einzelnen optischen Pulses (LP) und Bilden von Abtastwerten (AWl-AW5) , die den Pulsverlauf des abzutastenden optischen Pulses kennzeichnen, mit
- einer Pulseinrichtung (20) zum Erzeugen einer Abfolge zeitlich aufeinander folgender optischer Abtastpulse (AP1-AP5) , die unterschiedliche optische Wellenlängen ( (λl-λ5) aufweisen, - einer der Pulseinrichtung nachgeordneten Abtasteinrichtung (30) , die die Abtastpulse der Pulseinrichtung in Abhängigkeit von der Amplitude ((A(t))des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt (t) des Auftretens des jeweiligen Ab- tastpulses aufweist, moduliert und in dieser Weise modulierte Abtastpulse (APl' -AP5') bildet, und
- einer der Abtasteinrichtung nachgeordneten Messeinrichtung (40), die die modulierten Abtastpulse wellenlängenindividuell unter Bildung der Abtastwerte misst.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung einen Polarisationsdreher (210) aufweist, der die Polarisation eines jeden Abtastpulses in Abhängigkeit von der Amplitude des abzutastenden Pulses, die dieser zum Zeitpunkt des Auftretens des jeweiligen Abtastpulses aufweist, dreht.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung ein Polarisationsfilter (220) auf- weist, das in Abhängigkeit von der Polarisationsdrehung eine Amplitudenmodulation bildet.
27. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 24-
26, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung einen Kerr-Schalter aufweist oder durch einen solchen gebildet ist.
28. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 24- 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung ein Spektrometer aufweist oder durch ein solches gebildet ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer ein Mehrkanal-Spektrometer ist, das für jede Wellenlänge der Abtastpulse einen individuellen Messkanal aufweist.
30. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 24-
29, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung eine CCD-Kamera aufweist oder durch eine solche gebildet ist.
31. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 24-
30, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulseinrichtung umfasst:
- einen Hilfslaser (110) zum Bilden eines optischen Hilfspul- ses (OHP) mit einem kammförmigen Wellenlängenspektrum,
- einen dem Hilfslaser ausgangsseitig nachgeordneten Wellen- längenteiler (170), der bei Anliegen des kammförmigen Wellenlängenspektrums eine Vielzahl an Injektionspulsen (IPl- IP5) mit jeweils einer unterschiedlichen Zentralwellenlänge erzeugt, und
-einer Mehrzahl an Hauptlasern (120, 125, 130, 135, 140), die dem Wellenlängenteiler nachgeordnet sind und ausgang- seitig Abtastpulse (AP1-AP5) bilden, sobald deren Emission durch einen eingespeisten Injektionspuls angeregt wird.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenteiler optisch zwischen die Hauptlaser und die Abtasteinrichtung geschaltet ist.
33. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 24- 32, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Weglängen zwi- sehen dem Hilfslaser und den Hauptlasern unterschiedlich sind und/oder dass die optischen Weglängen zwischen den Hauptlasern und der Abtasteinrichtung unterschiedlich sind.
34. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 24- 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfslaser mit einem e- lektrischen Hilfssteuersignal derart beaufschlagt ist, dass die optischen Injektionspulse in den Hauptlasern jeweils zu einem Zeitpunkt eintreffen, zu dem die Ladungsträgerdichte in dem jeweiligen Hauptlaser die Schwellladungsträgerdichte ge- rade erreicht hat oder gerade überschreitet.
35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, - dass das Hilfssteuersignal an dem Hilfslaser anliegt, bevor das Steuersignal an dem jeweiligen Hauptlaser anliegt, und
-dass die Zeitdifferenz zwischen jedem Steuersignal und dem
Hilfssteuersignal derart bemessen ist, dass sie der Zeit- spanne entspricht, die nach dem Erzeugen des Hilfspulses bis zum Eintreffen des optischen Injektionspulses in dem jeweiligen Hauptlaser vergeht.
36. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 24-35, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfslaser und/oder die
Hauptlaser durch einen Halbleiterlaser, insbesondere einen Fabry-Perot-Laser, gebildet sind.
37. Pulseinrichtung zum Bilden einer Abfolge zeitlich aufein- ander folgender optischer Abtastpulse (AP1-AP5) , die unterschiedliche optische Wellenlängen (λl-λ5) aufweisen, insbesondere für eine Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 24-36, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulseinrichtung umfasst: - einen Hilfslaser (110) zum Bilden eines optischen Hilfspulses (OHP) mit einem kammförmigen Wellenlängenspektrum,
- einen dem Hilfslaser ausgangsseitig nachgeordneten Wellenlängenteiler (170), der bei Anliegen des kammförmigen Wellenlängenspektrums eine Vielzahl an Injektionspulsen (IPl- IP5) mit jeweils einer unterschiedlichen Zentralwellenlänge erzeugt, und -einer Mehrzahl an Hauptlasern (120, 125, 130, 135, 140), die dem Wellenlängenteiler nachgeordnet sind und ausgang- seitig die Abtastpulse (AP1-AP5) bilden, sobald deren Emis- sion durch einen eingespeisten Injektionspuls angeregt wird.
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