WO2013171155A1 - ZEITLINSENAUFBAU MIT VARIABLER VERGRÖßERUNG - Google Patents

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WO2013171155A1
WO2013171155A1 PCT/EP2013/059801 EP2013059801W WO2013171155A1 WO 2013171155 A1 WO2013171155 A1 WO 2013171155A1 EP 2013059801 W EP2013059801 W EP 2013059801W WO 2013171155 A1 WO2013171155 A1 WO 2013171155A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
resonator
time lens
dispersive element
signal
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Application number
PCT/EP2013/059801
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Von Freymann
Stefan Weber
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2013171155A1 publication Critical patent/WO2013171155A1/de

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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 present invention claims the priority of DE 10 2012 104 193.8.
  • the invention relates to methods and apparatus for measuring fast and ultrafast optical or electrical signals based on the time-stretching of these variable-magnification signals.
  • ultrashort optical signals ⁇ 1 ps
  • high-frequency electrical signals > 30 GHz
  • THz spectroscopy THz pulses of a few picosecond pulse duration are generated. This technology is undergoing a process of continuous development and is used in many areas, such as safety engineering, quality control in the pharmaceutical and food industries, and materials testing.
  • ultrashort pulses are used to study processes in the field of ultrafast photonics Page 2
  • the basic principle for measuring periodic or non-periodic, ultrafast optical or electrical signals consists of a pulsed light source followed by a dispersive element. On the linearly chirped by the first dispersive element laser pulse, the electronic or optical signal to be measured is impressed in a time lens. By a second dispersive element, the signal is stretched in time. With the help of this method, the single-shot measurement of unique non-periodic ultrafast signals is possible. See, for example, US 5,453,871.
  • the time lens is realized for electrical signals by an electro-optical modulator.
  • This modulator can be constructed of crystalline materials, polymers or dye-doped polymers, and different geometries, such as e.g. Mach Zehnder, Directional Coupling or others.
  • the time lens and its imaging properties are determined by the half-wave voltage as well as the frequency and the amplitude of the signal to be measured.
  • the transformation is performed by a four-wave mixing process in e.g. realized a non-linear optical crystal.
  • optical amplifiers eg, erbium-doped fiber amplifier (EDFA), Raman amplifiers
  • EDFA erbium-doped fiber amplifier
  • Raman amplifiers Raman amplifiers
  • Compensated element D2 A gain after the dispersive elements results in undesirable noise effects that adversely affect the signal-to-noise ratio.
  • the object of the present invention is to provide a time lens which enables a variable magnification factor as well as improved gain. Furthermore, corresponding methods and uses are to be found.
  • the object is achieved in particular by a time lens structure comprising a resonator structure connected downstream of the time lens.
  • the construction according to the invention is a time lens structure comprising a resonator structure arranged downstream of the time lens, in particular a fiber-based resonator structure or free-jet resonator structure. page 4
  • the subject of the present invention is accordingly a time lens structure comprising a pulsed light source, in particular a pulsed laser, a first dispersive element, a time lens arranged after the dispersive element, in which the input signal is impressed onto the signal coming from the dispersive element, characterized in that the time lens structure has a resonator structure connected downstream of a time lens.
  • an already chirped light source in particular a chirped laser source
  • a chirped light source in particular a chirped laser source, already has a dispersive element, so that a further element in front of the time lens is not needed.
  • the Zeitlinsenup invention may consist in a preferred embodiment of the specified components.
  • a linear resonator or a circular resonator is used as resonator structure.
  • Objects of the present invention are accordingly also a linear resonator or a circular resonator, in particular for use in time lens assemblies.
  • the linear resonator according to the present invention comprises the following elements:
  • a2) a light combiner through which the light is conducted into the resonator, a3) optionally at least one optical amplifier, preferably a Raman amplifier,
  • b2) a light combiner through which the light is conducted into the resonator, b3) optionally at least one optical amplifier, preferably a Raman amplifier,
  • a light divider through which the light from the resonator is passed to the detector.
  • the light can be decoupled by a partially transparent end mirror a1) or by a partially transparent fiber Bragg grating b1) and then dispense with the light splitter a5) or b5).
  • the linear resonator consists of the specified elements.
  • the circular resonator according to the present invention comprises the following elements:
  • c1) a light combiner through which the light is conducted into the resonator, c2) optionally at least one optical amplifier, preferably a Raman amplifier,
  • a light divider via which the light is conducted from the resonator to the detector.
  • the circular resonator consists of the specified elements.
  • a variant of the time lens construction according to the invention is characterized in that the signal coming from the time lens is passed via a circulator to the light combiner of the linear resonator and the signal coming from the light combiner of the linear resonator is passed via this circulator to a detector.
  • the light divider in this case acts as light combiner or light divider depending on the direction of incidence of the light. In the partial direction, a fiber divides into two fibers with a certain division ratio. If light falls into one or two of these arms, this light is guided into one arm and combined.
  • a pulsed light source in particular a laser, generates ultrashort optical pulses with a large spectral bandwidth, which are temporally stretched in a first dispersive element.
  • a time lens modulator
  • the signal to be measured is impressed on the optical carrier signal.
  • signals with a time duration smaller than the pulse duration of the optical carrier signal can be detected at the modulator input.
  • the recording time is therefore determined by the pulse duration of the light source and the first dispersive element and can range from a few tens of femtoseconds to a few tens of nanoseconds.
  • this information can be introduced into the repetition rate of the light source. Taking into account the propagation speed and distance to the modulator can thus be done a vote.
  • a detector (optically or electronically depending on the type of signal) must generate a trigger signal in front of the modulator, which can be passed on to the pulsed light source. This is next to one Page 7 rapid detector to generate the trigger signal, as well as fast processing electronics. Furthermore, the light source must provide fast response, minimizes the distance between the light source and the laser, and maximizes the distance between the detector for the trigger signal to the modulator. Also, the transmission length of the trigger signal to the light source must be minimized. Another possibility for generating a temporal overlap between signal and carrier pulse is the use of a delay path in the path of the carrier signal. With a corresponding repetition rate of the light source, a simultaneous arrival of the carrier signal and the signal to be measured can thus be ensured.
  • the correspondingly modulated signal is coupled into a resonator via a light combiner, preferably into a fiber-based resonator (free-space option).
  • a second dispersive element on the other hand an optical Raman amplifier or EDFA (erbium-doped fiber amplifier) is introduced.
  • EDFA erbium-doped fiber amplifier
  • the same resonator geometry can also be used for the variation of the first dispersive element, which is arranged in front of the time lens, and the time lens structure according to the invention accordingly comprise two resonators.
  • the resonator can be realized in various ways in the context of the present invention.
  • a linear resonator can be constructed from two end mirrors, between which the light pulse reciprocates. Between these two mirrors are the dispersive element (s) and the optical amplifier as well as the inputs and outputs page 8
  • Decoupling elements (light combiner and divider).
  • a second preferred variant according to the invention represents a ring structure as a resonator shape.
  • the modulated signal is coupled into the ring resonator via a light combiner.
  • the signal then passes through the optical amplifier, at least one dispersive element, filters and possibly additionally required components, such as insulators for securing the other components.
  • the above-mentioned sequence of components is not relevant and can be changed.
  • a temporal zoom property is achieved.
  • the number of revolutions is determined with a photosensitive detector. The signal from this detector is used to trigger the downstream analysis electronics.
  • the multiple passage through the time lens downstream resonator and thus the second dispersive element reduces the required dispersion of the second element and thus causes a cost optimization, which grows with a larger magnification factor. Furthermore, the optical losses are minimized with this method.
  • the benefit of the resonator geometry in the first dispersion element before modulation, i. before the time lens, can be used to improve the image sharpness and to produce other magnification factors.
  • the fact that in the present invention the signal is amplified in each round has positive effects on signal quality. According to the invention, not a very weak signal must be extremely post-amplified or preamplified, but the signal moves, caused by the losses per revolution, at a very stable level.
  • this peak power decrease can also be compensated by the amplifier integrated in the resonator.
  • the amplification in a Raman amplifier takes place either in a special optical fiber with high Raman gain coefficient or in a standard fiber.
  • the reinforcement in an EDFA takes place in a few meters long erbium-doped glass fiber.
  • Advantages of this type of amplifier are the high achievable gain values and the very short fiber length.
  • the noise effects are greater than with Raman amplifier, as amplified only after the dispersion path and thus a weak, possibly strongly noisy signal must be amplified, which also mitigates the noise components disproportionately.
  • Fibers preferred according to the invention are accordingly special Raman fibers in which only lengths of a few kilometers are necessary. The exact length can be chosen based on the required gain and magnification per revolution to be achieved.
  • fiber lengths between 0.5 and 10 km, preferably 1 to 5 km, more preferably 2.5 to 3.5 km and most preferably 3 km are used.
  • an adaptation of the repetition rate of the optical pulse source may be necessary. This prevents a subsequent pulse from being superimposed on a signal that has already been conducted in the resonator and widened.
  • Another way around this negative effect consists of filtering out individual pulses from the continuously existing pulse train, determined by the laser characteristic.
  • Repetition rate of the light source transit time in the resonator, magnification factor
  • the residual light remaining in the resonator can be eliminated by a switchable damping.
  • the trigger signal can be used at the detector. To realize this switchable damping different variants can be used in the context of the present invention.
  • Preferred variants are selected from the group consisting of electroabsorption modulators, switchable fiber - based dampers, reduction of the fiber quality by stress on the fiber (bending, elongation and thereby cross section change by means of piezo crystal), Pockels cells, switching off the amplification (takes a long time, never completely eliminated, heavy use of the Pump laser / pump laser) or combinations thereof.
  • the present invention also provides a method for eliminating the light output in one of the described resonators after coupling out of the resonator by triggering the attenuation by utilizing the trigger signal, characterized in that
  • the detector or the analysis electronics preferably consists of a photosensitive detector (photodiode), which converts the optical signal into an electrical signal and z. B. to a commercial oscilloscope or a fast analog-to-digital converter passes. From the bandwidth of the detector and the oscilloscope or other recording units results in the maximum temporal resolution of the output signal. If the magnification factor M of the time lens system is taken into account, the result is an M-times higher temporal resolution of the signal present at the modulator. This allows a temporal resolution in the sub-picosecond range.
  • the thus selected in electrical form signal can be amplified by means of electrical amplifier before it is forwarded to the transmitter to possibly achieve a better signal-to-noise ratio and / or greater signal power.
  • the resonator system according to the invention can also be used to detect continuous signals by using a plurality of identical or differing resonators.
  • a plurality of resonators are arranged in parallel.
  • the light pulses of the light source are spectrally divided into several individual pulses with the aid of wavelength-division multiplexing (WDMs) and delayed in time over different distances.
  • WDMs wavelength-division multiplexing
  • a continuous signal can thus be superimposed on the modulator.
  • These individual segments then pass through a parallel arrangement of resonators and are each detected by a photosensitive detector and forwarded for analysis, preferably to a multi-channel oscilloscope.
  • the resonator system according to the invention is due to the use of further elements with small dispersion and therefore low cost in Page 13
  • Resonator expandable to achieve other magnification factors.
  • the advantage of the resonator structure according to the invention is that a large effect is brought about by a small change in the dispersion after a large number of circulations.
  • the linear resonator may also comprise chirped fiber Bragg gratings instead of end mirrors. These have a defined dispersion and serve as a dispersive element.
  • the fiber Bragg gratings eliminate the need for a dispersive element in the resonator since the fiber Bragg gratings themselves provide this dispersion. It may be necessary to change the amplifier unit, which is due to the omission of the fiber link as a potential gain medium. Nevertheless, it is possible in the context of the present invention to arrange one or more further dispersive elements in the resonator despite the use of fiber Bragg gratings.
  • circulators and other fiber Bragg gratings can be introduced into the system and thus enable a subsequently variable magnification. It is also possible, via circulators, to introduce further dispersive elements, in connection with mirrors, into the system.
  • the ring resonator according to the invention has the advantage that no losses occur through the end mirrors or fiber Bragg gratings.
  • no power component is sent back to the light source by the coupling element due to the unidirectional operation, so that a hedging by an insulator can be omitted, which has a positive effect on the loss balance, both in the resonator (no unnecessary decoupling, about 0.3 dB ) as well as before the resonator (omission of the isolator, approx. 0.5 dB).
  • the amplifier unit can thus also be operated unidirectionally, which can also have a positive effect on the cost balance.
  • the two resonator structures may be either of the linear type, both of the ring type, or one of the linear type and the other of the ring type.
  • the light splitters used may be variable, ie that the proportion of rays which is transmitted, is variable, so that an additional flexibility is made possible.
  • the subject matter of the present invention is also a time lens design for detecting continuous signals
  • the light pulses of the light source are spectrally divided into a plurality of individual pulses by a wavelength-division multiplexing method and are temporally delayed relative to each other over distances of different lengths,
  • v2 are recombined by another wavelength division multiplexing method and detected by a detector as a continuous signal
  • linear resonators or circular resonators according to the invention are used as resonators.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation of FIG. 1:
  • FIG. 1 schematically represents a prior art time lens assembly, as shown, for example, in US Pat. No. 5,453,871.
  • a time lens arrangement comprising a pulsed light source 100, a first dispersive element 101, a time lens 102 arranged after the dispersive element, in which the input signal 001 is impressed on the signal coming from the dispersive element, and a second dispersive one arranged behind the time lens 102 Element 101 and an optical amplifier 112 are shown.
  • a resonator is not described in the prior art.
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of FIG. 1
  • FIG. 2 shows a time lens structure according to the invention comprising a linear resonator with two dispersive elements 101 and mirrors 103.
  • the inventive structure is a Zeitlinsentown comprising a time lens 102 downstream resonator, in particular a fiber-based resonator or Freistahl resonator inconvenience.
  • Shown is a time lens assembly comprising a pulsed light source 100, a first dispersive element 101, a time lens 102 arranged after the dispersive element 101, in which the input signal 001 is impressed onto the signal coming from the dispersive element 101, and a subsequently arranged liner resonator at its ends two mirrors 103, a light combiner 104 through which the light is conducted into the resonator, a Raman amplifier 105, two dispersive elements 101 on both sides of the Raman amplifier 105 and a light splitter 106, through which the light from the resonator is passed to the detector 107.
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of FIG. 3
  • FIG. 3 shows a time lens structure according to the invention essentially similar to FIG. 2, again comprising a linear resonator with, in contrast to FIG. 2, only one dispersive element 101 and two mirrors 103.
  • the dispersive element 101 is arranged between light combiner 104 and Raman amplifier 105 and, in FIG. 3 b, between Raman amplifier 105 and light divider 106.
  • Page 17
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation of FIG. 4
  • FIG. 4 shows a time lens structure according to the invention comprising a linear resonator in which instead of the mirrors 103 fiber Bragg gratings 108 are used in which dispersive elements 101 have been dispensed with due to the dispersive properties of the fiber Bragg gratings 108.
  • a time lens structure comprising a pulsed light source 100, a dispersive element 101, a time lens 102 arranged after the dispersive element 101, in which the input signal 001 is impressed on the signal coming from the dispersive element 101, and a subsequent one arranged linear resonator, comprising at its ends two fiber Bragg gratings 108, a light combiner 104 through which the light is conducted into the resonator, a Raman amplifier 105 and a light divider 106, through which the light from the resonator to the detector 107 is passed .
  • FIG. 5 is a diagrammatic representation of FIG. 5
  • Figure 5 shows a variant of the Zeitlinsentowns again in which the coming of the time lens 102 signal via a circulator 109 to the light combiner 104 of the linear resonator, comprising two mirrors 103, a dispersive element 101 and a Raman amplifier 105, and directed from the Light combiner 104 (the same time acts as a light divider) of the linear resonator signal is again passed through this circulator 109 to a detector 107.
  • FIG. 6 is a diagrammatic representation of FIG. 6
  • FIG. 6 shows a possible embodiment of the time lens structure according to the invention comprising a circular resonator.
  • the signal coming from the time lens 102 is directed into the circular resonator from which a certain, variable portion is passed via a light divider 106 to the detector 107, while the remaining portion is combined via the light combiner 104 with further coming from the time lens 102 signal.
  • the circular resonator of FIG. 6 also shows a Raman amplifier 105, a dispersive element 101, a filter 110 and an isolator 111.

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Abstract

Zeitlinsenaufbau umfassend eine gepulste Lichtquelle, ein erstes dispersives Element, eine nach dem dispersiven Element angeordnete Zeitlinse, in der das Eingangssignal mit dem aus dem dispersiven Element kommenden Signal überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitlinsenaufbau einen einer Zeitlinse nachgeschalteten Resonatoraufbau aufweist und Verwendung des Aufbaus.

Description

Seite 1
Zeitlinsenaufbau mit variabler Vergrößerung
Die vorliegende Erfindung nimmt die Priorität der DE 10 2012 104 193.8 in Anspruch.
Alle in der vorliegenden Anmeldung zitierten Dokumente sind durch Verweis vollumfänglich in die vorliegende Offenbarung einbezogen (= incorporated by reference in their entirety). Die Erfindung betrifft Methoden und Geräte zur Messung schneller und ultraschneller optischer oder elektrischer Signale, basierend auf der zeitlichen Dehnung dieser Signale mit variabler Vergrößerung.
Stand der Technik:
Die Weiterentwicklung in der elektrischen Höchstfrequenztechnik und optischen Ultrakurzzeit-Physik fordert Messgeräte zur Detektion dieser Signale. Mittels herkömmlichen Messsystemen, wie Autokorrelatoren, Kreuzkorrelatoren und »Frequency Resolved Optical Gating« (FROG) können ultrakurze optische Signale nur durch wiederholtes Messen gleichartiger, reproduzierbarer Signale erfasst werden. Darüber hinaus gibt es Methoden wie »Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-Field Reconstruction« (SPIDER) die einmalige, nicht-periodische, ultraschnelle optische Signale messen können. Die maximale Aufnahmedauer ist dabei auf wenige Picosekunden begrenzt. Die heute verfügbaren Fotodioden und Oszilloskope haben eine Bandbreite von maximal 60 GS/s, die zur Messung von Signalen mit einer Bandbreite von bis zu 30 GHz Verwendung finden können.
Die Messbarkeit von ultrakurzen optischen Signalen (<1 ps) und elektrischen Höchstfrequenzsignalen (>30 GHz) findet in vielen Bereichen der Forschung und Industrie Anwendung. Bei der THz-Spektroskopie werden THz-Pulse von einigen Picosekunden Pulsdauer erzeugt. Diese Technik ist in einem stetigen Weiterentwicklungsprozess begriffen und findet in vielen Bereichen, wie Sicherheitstechnik, Qualitätskontrolle in der Pharma- und Lebensmittelindustrie und Materialuntersuchung Verwendung. In dem Gebiet der ultraschnellen Photonik werden ultrakurze Pulse zur Untersuchung von Prozessen im Seite 2
Femtosekunden-Bereich verwendet und detektiert. Insbesondere in der Telekommunikationstechnik werden immer höhere Datenraten genutzt, die zum einen erzeugt, zum anderen detektiert werden müssen. Das grundlegende Prinzip zur Messung von periodischen oder nichtperiodischen, ultraschnellen optischen oder elektrischen Signalen, besteht aus einer gepulsten Lichtquelle gefolgt von einem dispersiven Element. Auf den durch das erste dispersive Element linear gechirpten Laserimpuls wird in einer Zeitlinse das zu messende elektronische oder optische Signal aufgeprägt. Durch ein zweites dispersives Element wird das Signal zeitlich gedehnt. Mit Hilfe dieser Methode ist die Einzel-Schuss-Messung einmaliger nichtperiodischer ultraschneller Signale möglich. Siehe hierzu beispielsweise die US 5,453,871 .
Die Zeitlinse wird für elektrische Signale durch einen elektrooptischen Modulator verwirklicht. Dieser Modulator kann aus kristallinen Materialien, Polymeren oder Farbstoff-dotierten Polymeren aufgebaut sein und verschiedene Geometrien, wie z.B. Mach-Zehnder, »Directional-Coupling« oder andere aufweisen. Die Zeitlinse und deren Abbildungseigenschaften werden von der Halbwellenspannung sowie der Frequenz und der Amplitude des zu messenden Signals bestimmt.
Im Falle optischer Signale wird die Transformation durch einen Vierwellenmischprozess in z.B. einem nicht-linear optischen Kristall realisiert. Stand der Technik ist die Nutzung fest vorgegebener, vor Aufbau des Systems definierten Dispersionen der beiden dispersiven Elemente D1 und D2. Daraus folgt eine feste, unveränderliche Vergrößerung M=D2/D1 + 1 .
Entsprechende Darstellungen sind beispielsweise aus Kolner, B.H., „Spacetime duality and the theory of temporal imaging", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 30 (1994), Nr. 8, Seiten 1951 -1963 zu entnehmen.
Die unvermeidlichen Signalverluste in diesen Systemen auf Grund der Komponenten, wie Dispersionselementen, Faserbauteilen usw., werden mit Hilfe eines oder mehrerer optischer Verstärker (z. B. »Erbium-doped fiber amplifier« (EDFA), Raman-Verstärker), vor oder nach den dispersiven Elementen, im Fall von J. Chou et al. „Femtosecond real-time Single shot digitizer", Applied Physics Letters 91 161105 (2007), auch im dispersiven Seite 3
Element D2 kompensiert. Durch eine Verstärkung nach den dispersiven Elementen ergeben sich ungewünschte Rauscheffekte, die das Signal-zuRausch-Verhältnis negativ beeinflussen.
Ähnliche Ausgestaltungen sind beispielsweise auch aus WO 2010/045339 A2, US 7,821 ,633 B2, US 6,288,659 B1 , WO 2010/091180 A2, US 7,411 ,683 B2, US 2009/0110004 A1 , US 2010/0201345 A1 , US 2010/0245835 A1 und US 7,369,778 B2 bekannt.
Aufgabe:
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Zeitlinse, die einen variablen Vergrößerungsfaktor sowie verbesserte Verstärkung ermöglicht. Ferner sollen entsprechende Verfahren und Verwendungen gefunden werden.
Lösung:
Die Aufgabe wird insbesondere durch einen Zeitlinsenaufbau umfassend einen der Zeitlinse nachgeschalteten Resonatoraufbau gelöst.
Es besteht damit die Möglichkeit, in den modulierten Puls zeitlich hinein zu zoomen, was mit den bisher bekannten Systemen nicht möglich ist.
Weitere Lösungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen.
Detaillierte Beschreibung:
In der folgenden Beschreibung und in den folgenden Zeichnungen sind gleiche Teile beziehungsweise Merkmale in Beschreibung und den Zeichnungen durch die gleichen Ziffern bezeichnet. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Aus Gründen der Klarheit und zur einfacheren Darstellung können einige Merkmale der Erfindung übertrieben groß oder in schematischer Form dargestellt sein, ebenso können demgemäß einige Details von konventionellen bzw. bekannten Elementen nicht dargestellt sein.
Der erfindungsgemäße Aufbau ist ein Zeitlinsenaufbau umfassend einen der Zeitlinse nachgeschalteten Resonatoraufbau, insbesondere einen faserbasierten Resonatoraufbau oder Freistrahlresonatoraufbau. Seite 4
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Zeitlinsenaufbau umfassend eine gepulste Lichtquelle, insbesondere ein gepulster Laser, ein erstes dispersives Element, eine nach dem dispersiven Element angeordnete Zeitlinse, in der das Eingangssignal auf das aus dem dispersiven Element kommenden Signal aufgeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitlinsenaufbau einen einer Zeitlinse nachgeschalteten Resonatoraufbau aufweist.
Anstelle der gepulsten Lichtquelle und des ersten dispersiven Elements kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine bereits gechirpte Lichtquelle, insbesondere gechirpte Laserquelle, eingesetzt werden. Eine gechirpte Lichtquelle, insbesondere gechirpte Laserquelle, besitzt bereits ein dispersives Element, so dass ein weiteres Element vor der Zeitlinse nicht benötigt wird. Dabei kann der erfindungsgemäße Zeitlinsenaufbau in einer bevorzugten Ausgestaltung aus den angegebenen Bauteilen bestehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden als Resonatoraufbau bevorzugt ein Linearresonator oder ein Zirkularresonator verwendet.
Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind demgemäß auch ein Linearresonator bzw. ein Zirkularresonator, insbesondere zur Verwendung in Zeitlinsenaufbauten. Der Linearresonator gemäß vorliegender Erfindung umfasst die folgenden Elemente:
a1 ) zwei Spiegel an seinen Enden,
a2) einen Lichtkombinierer über den das Licht in den Resonator geleitet wird, a3) optional mindestens einen optischen Verstärker, bevorzugt einen Raman- Verstärker,
a4) mindestens ein dispersives Element,
a5) einen Lichtteiler, über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor geleitet wird,
oder alternativ Seite 5 b1 ) zwei Faser-Bragg-Gitter an seinen Enden,
b2) einen Lichtkombinierer über den das Licht in den Resonator geleitet wird, b3) optional mindestens einen optischen Verstärker, bevorzugt einen Raman- Verstärker,
b4) optional mindestens ein dispersives Element,
b5) einen Lichtteiler, über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor geleitet wird.
In einer Variante der vorliegenden Erfindung kann die Auskopplung des Lichtes durch einen teildurchlässigen Endspiegel a1 ) bzw. durch ein teildurchlässig betriebenes Faser-Bragg-Gitter b1 ) erfolgen und dann auf den Lichtteiler a5) bzw. b5) verzichtet werden.
In einer Variante der vorliegenden Erfindung besteht der Linearresonator aus den angegebenen Elementen.
Der Zirkularresonator gemäß vorliegender Erfindung umfasst die folgenden Elemente:
c1 ) einen Lichtkombinierer über den das Licht in den Resonator geleitet wird, c2) optional mindestens einen optischen Verstärker, bevorzugt einen Raman- Verstärker,
c3) mindestens ein dispersives Element,
c4) optional mindestens einen Filter,
c5) optional mindestens einen Isolator,
c6) einen Lichtteiler, über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor geleitet wird.
In einer Variante der vorliegenden Erfindung besteht der Zirkularresonator aus den angegebenen Elementen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, die optischen Verstärker a3), b3) bzw. c2) in den Resonatoren zu verwenden, d.h. in bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind diese obligatorisch. Seite 6
Eine Variante des erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbaus ist dadurch gekennzeichnet, dass das von der Zeitlinse kommende Signal über einen Zirkulator auf den Lichtkombinierer des Linearresonators geleitet und das aus dem Lichtkombinierer des Linearresonators kommende Signal über diesen Zirkulator auf einen Detektor geleitet wird.
Der Lichtteiler in diesem Fall wirkt je nach Einfallrichtung des Lichtes als Lichtkombinierer oder Lichtteiler. In Teilrichtung teilt sich eine Faser in zwei Fasern mit einem bestimmten Teilungsverhältnis auf. Fällt nun Licht in einen oder zwei dieser Arme ein, so wird dieses Licht in den einen Arm geführt und kombiniert.
Eine gepulste Lichtquelle, insbesondere ein Laser, erzeugt ultrakurze optische Pulse mit einer großen spektralen Bandbreite, die in einem ersten dispersiven Element zeitlich gedehnt werden. In einer Zeitlinse (Modulator) wird das zu messende Signal auf das optische Trägersignal aufgeprägt. Dabei können Signale mit einer zeitlichen Dauer kleiner als die Pulsdauer des optischen Trägersignals am Modulatoreingang erfasst werden. Die Aufnahmedauer wird daher von der Pulsdauer der Lichtquelle und dem ersten dispersiven Element bestimmt und kann von einigen 10 Femtosekunden bis hin zu einigen 10 Nanosekunden reichen. Um in der Zeitlinse (Modulator) eine optimale Überlagerung zwischen optischem Trägersignal aus der Lichtquelle und dem zu messenden Signal zu erreichen, bedarf es einer Triggerung zwischen Aussendung des Lichtpulses und Eintreffen des Signals, sowie einer möglichst exakten Anpassung der Gruppengeschwindigkeiten im Modulator zwischen Trägerpuls und Signal. Dies kann durch die Geometrie sowie die Materialwahl gewährleistet werden.
Ist die zeitliche Repetitionsrate des zu messenden Signals bekannt, kann diese Information in die Repetitionsrate der Lichtquelle eingebracht werden. Unter Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und Distanz zum Modulator kann somit eine Abstimmung erfolgen.
Liegt ein Signal ohne feste Repetitionsrate vor, muss ein Detektor (optisch oder elektronisch je nach Signalart) vor dem Modulator ein Triggersignal erzeugen, das an die gepulste Lichtquelle übergeben werden kann. Dazu ist neben einem Seite 7 schnellen Detektor zur Erzeugung des Triggersignals auch eine schnelle Verarbeitungselektronik von Nöten. Des Weiteren muss die Lichtquelle ein schnelles Ansprechverhalten aufzeigen sowie die Distanz zwischen Lichtquelle und Laser minimiert und die Distanz zwischen Detektor für das Triggersignal zum Modulator maximiert sein. Auch die Übertragungslänge des Triggersignals zur Lichtquelle muss minimiert sein. Eine weitere Möglichkeit einen zeitlichen Überlapp zwischen Signal und Trägerpuls zu erzeugen, ist die Nutzung einer Verzögerungsstrecke in der Wegstrecke des Trägersignals. Bei entsprechender Repetitionsrate der Lichtquelle kann so ein gleichzeitiges Eintreffen vom Trägersignal und zu messendem Signal gewährleistet werden.
Das entsprechend modulierte Signal wird erfindungsgemäß über einen Lichtkombinierer in einen Resonator eingekoppelt, bevorzugt in einen faserbasierten Resonator (Freistrahloption). In den Resonator wird zum einen ein zweites dispersives Element, zum anderen ein optischer Raman-Verstärker oder EDFA (Erbium-dotierter Faser-Verstärker) eingebracht. Über einen Lichtteiler mit definiertem Teilungsverhältnis wird bei jedem Umlauf ein Teil der Pulsleistung ausgekoppelt. In einer Variante der vorliegenden Erfindung kann der Lichtteiler so ausgestaltet sein, dass dessen Teilungsverhältnis variiert werden kann.
In einer Variante der vorliegenden Erfindung kann die gleiche Resonatorgeometrie auch zur Variation des ersten dispersiven Elements, welches vor der Zeitlinse angeordnet ist, genutzt werden und der erfindungsgemäße Zeitlinsenaufbau demgemäß zwei Resonatoren umfassen.
Der Resonator kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Arten verwirklicht werden.
In einer ersten erfindungsgemäß bevorzugten Variante kann ein linearer Resonator aus zwei Endspiegeln aufgebaut werden, zwischen denen der Lichtpuls hin und herläuft. Zwischen diesen beiden Spiegeln befinden sich das oder die dispersiven Elemente und der optische Verstärker sowie die Ein- und Seite 8
Auskoppelelemente (Lichtkombinierer und -teiler).
Eine zweite erfindungsgemäß bevorzugte Variante stellt eine Ringstruktur als Resonatorform dar. Dabei wird das modulierte Signal über einen Lichtkombinierer in den Ringresonator eingekoppelt. Anschließend durchläuft das Signal den optischen Verstärker, mindestens ein dispersives Element, Filter sowie gegebenenfalls zusätzlich benötigte Bauteile, wie Isolatoren zur Absicherung der anderen Bauteile. Dabei ist die eben genannte Reihenfolge der Bauteile nicht maßgeblich und kann verändert werden.
Aus der Anzahl der Umläufe N bestimmt sich die Gesamtdispersion des zweiten Elements D2ges zu D2ges=N*D2 und damit auch die erzielte Vergrößerung M. Somit wird eine zeitliche Zoom-Eigenschaft erzielt. Die Anzahl der Umläufe wird mit einem photosensitiven Detektor ermittelt. Das Signal von diesem Detektor wird zur Triggerung der nachgeschalteten Analyseelektronik genutzt.
Mit diesem Aufbau können ohne zusätzliche Kosten und Abänderungen im Aufbau verschiedene Vergrößerungsfaktoren M=1 +(N* D2)/D1 erreicht werden. Dies macht den flexiblen Einsatz in diversen Einsatzgebieten möglich.
Das mehrfache Durchlaufen des der Zeitlinse nachgeschalteten Resonators und damit des zweiten dispersiven Elements reduziert die benötigte Dispersion des zweiten Elementes und bewirkt somit eine Kostenoptimierung, die mit größerem Vergrößerungsfaktor wächst. Des Weiteren werden auch die optischen Verluste mit dieser Methode minimiert.
Das Nutzen der Resonatorgeometrie im ersten Dispersionselement vor Modulation, d.h. vor der Zeitlinse, kann zur Verbesserung der Abbildungsschärfe und zur Erzeugung anderer Vergrößerungsfaktoren eingesetzt werden.
Durch die Integration eines optischen Verstärkers in den Resonator wird der Seite 9
Puls bei jedem Durchgang verstärkt und somit die Verluste durch die, im Resonator befindlichen, Bauteile (über-) kompensiert.
Die Verstärkungsmethode der vorliegenden Erfindung weist deutliche Vorteile auf:
Durch das Nutzen von mindestens zwei Pumpquellen bzw. durch das Aufteilen einer Pumpquelle in mindestens zwei Teilstrahlen im Raman- oder EDFA- Verstärker kann gleichzeitig in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Resonators verstärkt werden.
Dies hat eine optimale Unterdrückung von Rauschen bei gleichzeitiger hoher (>10 dB) Verstärkung zu Folge.
Auch die Tatsache, dass bei der vorliegenden Erfindung das Signal in jedem Umlauf verstärkt wird, hat positive Auswirkungen auf die Signalqualität. Erfindungsgemäß muss kein sehr schwaches Signal extrem nach- bzw. vorverstärkt werden, sondern das Signal bewegt sich, bewirkt durch die Verluste pro Umlauf, auf einem sehr stabilen Niveau.
Auf Grund der Dispersion und der damit einhergehenden Verbreiterung des Signals ist immer auch eine Peakleistungsabnahme zu beobachten, die im Einklang zum Erhaltungssatz der Energie steht. Durch diesen Effekt sinkt die Peakleistung des Signals um einige Größenordnungen. Die exakte Abnahme ist abhängig von der durchlaufenen Dispersion und damit von der Anzahl der Umläufe.
Allerdings kann vorteilhafterweise aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch diese Peakleistungsabnahme durch den in den Resonator integrierten Verstärker kompensiert werden.
Die Verstärkung bei einem Raman-Verstärker findet entweder in einer speziellen Lichtleiterfaser mit hohem Raman-Verstärkungskoeffizient oder in einer Standard-Faser statt.
Bei beiden Faserarten ist eine negative Dispersion entscheidend.
Bei den speziellen Raman-Fasern ist dies auf Grund der Materialzusammensetzung in der Faser typischerweise gegeben.
Ein weiterer entscheidender Aspekt sind die Verluste durch die zur Verstärkung genutzten Faserelemente. Bei den herkömmlichen Standard-Fasern werden Längen von größer 50 km benötigt, um eine entsprechende Verstärkung zu Seite 10 erzielen.
Ein Fachmann kann die entsprechende Faserauswahl aufgrund seines Fachwissens ohne weiteres treffen.
Hingegen findet die Verstärkung bei einem EDFA in einer wenige Meter langen Erbium-dotierten Glasfaser statt. Vorteile von diesem Verstärkertyp sind die hohen erzielbaren Verstärkungswerte und die sehr geringe Faserlänge. Allerdings sind die Rauscheinflüsse größer als bei Raman-Verstärker, da erst nach der Dispersionsstrecke verstärkt wird und damit ein schwaches, evtl. stark rauschbehaftetes Signal verstärkt werden muss, was auch die Rauschanteile überproportional mitverstärkt.
Erfindungsgemäß bevorzugte Fasern sind demgemäß spezielle Raman-Fasern, bei denen nur Längen von einigen wenigen Kilometer nötig sind. Die genaue Länge kann dabei ausgehend von der benötigten Verstärkung und zu erzielender Vergrößerung pro Umlauf gewählt werden.
In einer Variante der vorliegenden Erfindung werden Faserlängen zwischen 0,5 und 10 km, bevorzugt 1 bis 5 km, besonders bevorzugt 2,5 bis 3,5 km und höchst bevorzugt 3 km eingesetzt. Je nach gewünschter Vergrößerung und der damit nötigen Anzahl an Umläufen kann eine Anpassung der Repetitionsrate der optischen Pulsquelle notwendig sein. Dadurch wird verhindert, dass sich ein nachfolgender Puls überlagernd auf ein bereits im Resonator geführtes und verbreitertes Signal setzt. Eine weitere Möglichkeit diesen negativen Effekt zu umgehen, besteht aus dem Herausfiltern einzelner Pulse aus dem kontinuierlich vorhandenen Pulszug, bestimmt durch die Lasercharakteristik.
Dennoch ist es möglich, je nach Länge des Resonators und der damit einhergehenden Umlaufzeit der Signale im Resonator, mehrere Signale gleichzeitig im Resonator zu führen und zu verbreitern. Hierbei ist jedoch eine Kodierung der Signale nötig bzw. nützlich, um diese nach verlassen des Resonators eindeutig zuordnen zu können. Diese Kodierung kann im Modulator stattfinden, indem vor oder nach dem Signal eine definierte Information (Bitfolge, analoge Signalfolge) auf das Trägersignal aufgeprägt wird. Dadurch ist es möglich, die maximal mögliche Signalabfolge (abhängig von Seite 11
Repetitionsrate der Lichtquelle, Laufzeit im Resonator, Vergrößerungsfaktor) zu erhöhen.
Nach der gewünschten Anzahl an Umläufen im Resonator und damit gewünschter Vergrößerung und erfolgter Auskopplung des Leistungsanteils, bestimmt durch das Teilungsverhältnis des genutzten Lichtteilers, kann das im Resonator verbliebene Restlicht durch eine schaltbare Dämpfung eliminiert werden. Zur Triggerung der Dämpfung kann das Triggersignal am Detektor genutzt werden. Um diese schaltbare Dämpfung zu realisieren sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Varianten einsetzbar. Bevorzugte Varianten sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Elektroabsorptionsmodulatoren, schaltbaren faserbasierten Dämpfern, Reduzierung der Fasergüte durch Stress auf die Faser (Biegung, Längendehnung und dadurch Querschnittsänderung mittels Piezokristall), Pockelszellen, Abschaltung der Verstärkung (dauert lange, nie ganz eliminiert, starke Beanspruchung des Pumplasers/der Pumplaser) oder Kombinationen davon.
Bei Nutzung eines Lichtteilers in Form eines optischen Schalters kann auch die gesamte Lichtleistung aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Dies ist für eine möglichst große Signalamplitude zu bevorzugen. Dadurch wird ein Verfahren zur Elimination der verbleibenden Listleistung im Resonator überflüssig. Als Triggerung der vollständigen Auskopplung mittels optischem Schalter kann ein Triggersignal der genutzten Lichtquelle in Zusammenspiel mit einer zuvor ermittelten Verzögerung, abhängig von der gewünschten Vergrößerung, genutzt werden. Entsprechend ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Elimination der Lichtleistung in einem der beschriebenen Resonatoren nach erfolgter Auskopplung aus dem Resonator durch Triggerung der Dämpfung unter Ausnutzung des Triggersignals, dadurch gekennzeichnet, dass
die Triggerung durch Elektroabsorptionsmodulatoren, schaltbare faserbasierte Seite 12
Dämpfer, Reduzierung der Fasergüte durch Stress auf die Faser, Pockelszellen, Abschaltung der Verstärkung oder durch optische Schalter oder Kombinationen davon erfolgt. Der Detektor bzw. die Analyseelektronik besteht bevorzugt aus einem photosensitiven Detektor (Photodiode), der das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandelt und es z. B. an ein handelsübliches Oszilloskop oder einen schnellen Analog-Digital-Konverter übergibt. Aus der Bandbreite des Detektors und des Oszilloskops bzw. anderer Aufzeichnungseinheiten ergibt sich die maximale zeitliche Auflösung des Ausgangssignals. Wird der Vergrößerungsfaktor M des Zeitlinsen-Systems mitberücksichtigt, so ergibt sich eine M-fach höhere zeitliche Auflösung des am Modulator anliegenden Signals. Dadurch ist eine zeitliche Auflösung im Sub-Picosekunden-Bereich möglich. Das so selektierte in elektrischer Form vorliegende Signal kann mittels elektrischer Verstärker nachverstärkt werden, bevor es zur Auswerteelektronik weitergeleitet wird, um gegebenenfalls ein besseres Signal-zu-Rausch- Verhältnis und/oder größere Signalleistung zu erzielen. Das erfindungsgemäße Resonatorsystem ist durch die Verwendung mehrerer gleichartiger oder sich unterscheidender Resonatoren auch zur Detektion von kontinuierlichen Signalen nutzbar.
Dabei werden dann mehrere Resonatoren parallel angeordnet. Die Lichtpulse der Lichtquelle werden mit Hilfe von »wavelength-division multiplexering« (WDMs) spektral in mehrere Einzelpulse aufgeteilt und über unterschiedlich lange Wegstrecken zeitlich gegeneinander verzögert. In Kombination mit einer ausreichend hohen Repetitionsrate der Laserquelle kann somit ein kontinuierliches Signal am Modulator überlagert werden. Diese Einzelsegmente durchlaufen anschließend eine parallele Anordnung von Resonatoren und werden von jeweils einem photosensitiven Detektor erfasst und zur Analyse weitergeleitet, bevorzugt an ein Mehrkanaloszilloskop.
Das erfindungsgemäße Resonatorsystem ist durch die Verwendung von weiteren Elementen mit kleiner Dispersion und daher geringen Kosten im Seite 13
Resonator zur Erzielung anderer Vergrößerungsfaktoren erweiterbar.
Dabei ist der Vorteil des erfindungsgemäßen Resonatoraufbaus, dass durch eine kleine Änderung der Dispersion nach einer Vielzahl an Umläufen eine große Wirkung nach sich gezogen wird.
Der lineare Resonator kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung an Stelle von Endspiegeln auch gechirpte Faser-Bragg-Gitter enthalten. Diese weisen eine definierte Dispersion auf und dienen als dispersives Element. Durch die Faser-Bragg-Gitter entfällt der Bedarf an einem dispersiven Element im Resonator, da die Faser-Bragg-Gitter diese Dispersion selber bereitstellen. Dabei werden evtl. Änderungen der Verstärkereinheit nötig, die sich durch den Wegfall der Faserstrecke als potenzielles Verstärkungsmedium begründen. Gleichwohl ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, trotz Verwendung von Faser-Bragg-Gittern ein oder mehrere weitere dispersive Elemente im Resonator anzuordnen.
Über Zirkulatoren können auch weitere Faser-Bragg-Gitter in das System eingebracht werden und ermöglichen so eine nachträglich veränderbare Vergrößerung. Ebenfalls möglich ist es, über Zirkulatoren weitere dispersive Elemente, in Zusammenhang mit Spiegeln, in das System einzubringen.
Der erfindungsgemäße Ringresonator weist den Vorteil auf, dass keine Verluste durch die Endspiegel bzw. Faser-Bragg-Gitter entstehen. Darüber hinaus wird durch das Einkoppelelement aufgrund des unidirektionaler Betriebs kein Leistungsanteil zurück zur Lichtquelle gesendet, so dass damit eine Absicherung durch einen Isolator entfallen kann, was sich positiv auf die Verlustbilanz auswirkt, sowohl im Resonator (keine unnötige Auskopplung, ca. 0,3 dB) als auch bereits vor dem Resonator (Wegfall des Isolators, ca. 0,5 dB). Die Verstärkereinheit kann somit auch unidirektional betreibbar sein, was sich ebenfalls positiv auf die Kostenbilanz auswirken kann.
Bei der erfindungsgemäßen Variante, bei der sowohl das vor, als auch das nach der Zeitlinse angeordnete dispersive Element durch Resonatoraufbauten Seite 14 variiert werden, können die beiden Resonatoraufbauten entweder beide vom linearen Typus sein, beide von Ringtypus sein oder der eine von linearen Typus und der andere vom Ringtypus. In einer Variante der vorliegenden Erfindung können die eingesetzten Lichtteiler variabel sein, d.h. dass der Strahlenanteil, der durchgelassen wird, veränderlich ist, so dass eine zusätzliche Flexibilität ermöglicht wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Zeitlinsenaufbau verwendet werden zur
Messung schneller und ultraschneller, kontinuierlicher und gepulster, analoger und digitaler, sich wiederholender und einmalig vorliegender elektrischer Signale,
Messung schneller und ultraschneller, kontinuierlicher und gepulster, analoger und digitaler, sich wiederholender und einmalig vorliegender optischer Signale, unter Nutzung von Vierwellenmischkristallen anstelle von elektrooptischen Modulatoren,
Komprimierung von, auf den gechirpten Lichtpuls aufgeprägten Signalen zur Datenverdichtung, wobei dann eine entsprechende Anpassung der Vorzeichen der Dispersionselemente notwendig sein kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Zeitlinsenaufbau zur Detektion von kontinuierlichen Signalen umfassend
eine gepulste Lichtquelle,
ein erstes dispersives Element,
eine nach dem dispersiven Element angeordnete Zeitlinse, in der das Eingangssignal auf das aus dem dispersiven Element kommenden Signal aufgeprägt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
i) die Lichtpulse der Lichtquelle durch ein Wellenlängenmultiplexverfahren spektral in mehrere Einzelpulse aufgeteilt und über unterschiedlich lange Wegstrecken zeitlich gegeneinander verzögert werden,
ii) durch ausreichend hohe Repetitionsrate der Lichtquelle ein kontinuierliches Signal an der Zeitlinse überlagert wird, Seite 15 iii) mehrere Resonatoren nach der Zeitlinse parallel angeordnet werden, iv) die Einzelpulse anschließend die parallele Anordnung der Resonatoren durchlaufen und
vi ) anschließend von jeweils einem Detektor erfasst werden, oder
v2) durch ein weiteres Wellenlängenmultiplexverfahren wieder zusammengeführt und von einem Detektor als kontinuierliches Signal erfasst werden,
wobei als Resonatoren die erfindungsgemäßen Linearresonatoren oder erfindungsgemäßen Zirkularresonatoren eingesetzt werden.
Die verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, z.B. aber nicht ausschließlich diejenigen der verschiedenen Variante und/oder der verschiedenen abhängigen Ansprüche, können dabei in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden.
Kurze Beschreibung der Figuren:
Bezugszeichenliste:
001 Eingangssignal
100 gepulste Lichtquelle, insbesondere Laser,
101 dispersives Element
102 Zeitlinse
103 Spiegel
104 Lichtkombinierer
105 Raman-Verstärker
106 Lichtteiler
107 Detektor
108 Faser-Bragg-Gitter
109 Zirkulator
110 Filter
111 Isolator
112 Optischer Verstärker
Gleiche Ziffern in den Figuren bedeuten gleiche Elemente. Seite 16
Figur 1 :
Figur 1 gibt schematisch einen Zeitlinsenaufbau des Standes der Technik wieder, wie er beispielsweise in US 5,453,871 dargestellt ist.
Es wird ein Zeitlinsenaufbau umfassend eine gepulste Lichtquelle 100, ein erstes dispersives Element 101 , eine nach dem dispersiven Element angeordnete Zeitlinse 102, in der das Eingangssignal 001 auf das aus dem dispersiven Element kommenden Signal aufgeprägt wird, und ein zweites nach der Zeitlinse 102 angeordnetes dispersives Element 101 sowie ein optischer Verstärker 112 gezeigt.
Ein Resonator ist im Stand der Technik nicht beschrieben.
Figur 2:
Figur 2 gibt einen erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbau umfassend einen Linearresonator mit zwei dispersiven Elementen 101 und Spiegeln 103 wieder. Der erfindungsgemäße Aufbau ist ein Zeitlinsenaufbau umfassend einen der Zeitlinse 102 nachgeschalteten Resonatoraufbau, insbesondere einen faserbasierten Resonatoraufbau oder Freistahl resonatoraufbau.
Gezeigt ist ein Zeitlinsenaufbau umfassend eine gepulste Lichtquelle 100, ein erstes dispersives Element 101 , eine nach dem dispersiven Element 101 angeordnete Zeitlinse 102, in der das Eingangssignal 001 auf das aus dem dispersiven Element 101 kommenden Signal aufgeprägt wird, und ein danach angeordneter Linerresonator, umfassend an seinen Enden zwei Spiegel 103, einen Lichtkombinierer 104 über den das Licht in den Resonator geleitet wird, einen Raman-Verstärker 105, zwei dispersive Element 101 zu beiden Seiten des Raman-Verstärkers 105 und einen Lichtteiler 106, über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor 107 geleitet wird.
Figur 3:
Figur 3 gibt einen erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbau im wesentlichen wie Figur 2 wieder umfassend einen Linearresonator mit im Gegensatz zu Figur 2 nur einem dispersiven Element 101 und zwei Spiegeln 103 wieder. In Figur 3a wird das dispersive Element 101 zwischen Lichtkombinierer 104 und Raman- Verstärker 105 angeordnet gezeigt und in Figur 3b zwischen Raman-Verstärker 105 und Lichtteiler 106. Seite 17
Figur 4:
Figur 4 gibt einen erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbau umfassend einen Linearresonator wieder, bei dem anstelle der Spiegel 103 Faser-Bragg-Gitter 108 verwendet werden bei dem aufgrund der dispersiven Eigenschaften der Faser-Bragg-Gitter 108 auf dispersive Elemente 101 verzichtet wurde.
Der erfindungsgemäße Aufbau gemäß Figur 4 ist ein Zeitlinsenaufbau umfassend eine gepulste Lichtquelle 100, ein dispersives Element 101 , eine nach dem dispersiven Element 101 angeordnete Zeitlinse 102, in der das Eingangssignal 001 auf das aus dem dispersiven Element 101 kommende Signal aufgeprägt wird, und ein danach angeordneter Linearresonator, umfassend an seinen Enden zwei Faser-Bragg-Gitter 108, einen Lichtkombinierer 104 über den das Licht in den Resonator geleitet wird, einen Raman-Verstärker 105 und einen Lichtteiler 106, über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor 107 geleitet wird,
Figur 5:
Figur 5 gibt eine Variante des erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbaus wieder bei dem das von der Zeitlinse 102 kommende Signal über einen Zirkulator 109 auf den Lichtkombinierer 104 des Linearresonators, umfassend zwei Spiegel 103, ein dispersives Element 101 und einen Raman-Verstärker 105, geleitet und das aus dem Lichtkombinierer 104 (der hier gleichzeitig als Lichtteiler wirkt) des Linearresonators kommende Signal wieder über diesen Zirkulator 109 auf einen Detektor 107 geleitet wird.
Figur 6:
Figur 6 gibt eine mögliche Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Zeitlinsenaufbau umfassend einen Zirkularresonator wieder. Dabei wird das von der Zeitlinse 102 kommende Signal in den Zirkularresonator geleitet aus dem ein bestimmter, variabler Anteil über einen Lichtteiler 106 zum Detektor 107 geleitet wird, während der restliche Anteil über den Lichtkombinierer 104 mit weiterem von der Zeitlinse 102 kommenden Signal kombiniert wird.
Der Zirkularresonator der Figur 6 zeigt daneben noch einen Raman-Verstärker 105, ein dispersives Element 101 , einen Filter 110 und einen Isolator 111 .

Claims

Seite 18
Zeitlinsenaufbau mit variabler Vergrößerung
Ansprüche: 1. Zeitlinsenaufbau umfassend
eine gepulste Lichtquelle (100),
ein erstes dispersives Element (101),
eine nach dem dispersiven Element (101) angeordnete Zeitlinse (102), in der das Eingangssignal (001) auf das aus dem dispersiven Element kommenden Signal aufgeprägt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitlinsenaufbau
einen einer Zeitlinse (102) nachgeschalteten Resonatoraufbau aufweist.
2. Zeitlinsenaufbau nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der gepulsten Lichtquelle (100) und dem ersten dispersiven
Element (101 ) eine gechirpte Lichtquelle, insbesondere eine gechirpte Laserquelle, eingesetzt wird.
3. Zeitlinsenaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er aus den angegebenen Bauteilen besteht.
4. Zeitlinsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonatoraufbau ein Linearresonator oder ein Zirkularresonator verwendet wird.
5. Zeitlinsenaufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearresonator die folgenden Elemente umfasst oder daraus besteht a1) zwei Spiegel (103) an seinen Enden,
a2) einen Lichtkombinierer (104) über den das Licht in den Resonator geleitet wird,
a3) optional mindestens einen optischen Verstärker (105), bevorzugt einen Raman-Verstärker (105), insbesondere auf Basis von
Raman-Fasern
a4) mindestens ein dispersives Element (101), Seite 19 a5) einen Lichtteiler (106), über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor (107) geleitet wird,
oder alternativ
b1) zwei Faser-Bragg-Gitter (108) an seinen Enden,
b2) einen Lichtkombinierer (104) über den das Licht in den Resonator geleitet wird,
b3) optional mindestens einen optischen Verstärker (105), bevorzugt einen Raman-Verstärker (105), insbesondere auf Basis von Raman-Fasern,
b4) optional mindestens ein dispersives Element (101),
b5) einen Lichtteiler (106), über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor (107) geleitet wird.
Zeitlinsenaufbau nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Linearresonator die Auskopplung des Lichtes
durch einen teildurchlässigen Endspiegel a1) erfolgt und kein Lichtteiler a5) umfasst ist
oder
durch ein teildurchlässig betriebenes Faser-Bragg-Gitter b1) erfolgt und kein Lichteiler b5) umfasst ist.
Zeitlinsenaufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zirkularresonator die folgenden Elemente umfasst oder daraus besteht c1) einen Lichtkombinierer (104) über den das Licht in den Resonator geleitet wird,
c2) optional mindestens einen optischen Verstärker (105), bevorzugt einen Raman-Verstärker (105), insbesondere auf Basis von Raman-Fasern,
c3) mindestens ein dispersives Element (101 ),
c4) optional mindestens einen Filter (110),
c5) optional mindestens einen Isolator (111),
c6) einen Lichtteiler (106), über den das Licht aus dem Resonator zum Detektor (107) geleitet wird. Seite 20
Zeitlinsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Zeitlinse (102) kommende Signal über einen Zirkulator (109) auf den Lichtkombinierer (104) des Linearresonators geleitet und das aus dem Lichtkombinierer (104) des Linearresonators kommende Signal über diesen Zirkulator (109) auf einen Detektor ( 07) geleitet wird.
Zeitlinsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Lichtquelle (100) ein gepulster Laser ist.
Zeitlinsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er anstelle des ersten dispersiven Elements (101) einen der Zeitlinse (102) vorgeschalteten weiteren Resonatoraufbau aufweist.
11. Zeitlinsenaufbau zur Detektion von kontinuierlichen Signalen umfassend eine gepulste Lichtquelle (100),
ein erstes dispersives Element (101),
eine nach dem dispersiven Element (101) angeordnete Zeitlinse (102), in der das Eingangssignal (001) auf das aus dem dispersiven Element kommenden Signal aufgeprägt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
i) die Lichtpulse der Lichtquelle (100) durch ein Wellenlängenmultiplexverfahren spektral in mehrere Einzelpulse aufgeteilt und über unterschiedlich lange Wegstrecken zeitlich gegeneinander verzögert werden,
ii) durch ausreichend hohe Repetitionsrate der Lichtquelle ein kontinuierliches Signal an der Zeitlinse (102) überlagert wird, iii) mehrere Resonatoren nach der Zeitlinse (102) parallel angeordnet werden,
iv) die Einzelpulse anschließend die parallele Anordnung der
Resonatoren durchlaufen und
vi) anschließend von jeweils einem Detektor (107) erfasst werden, Seite 21 oder
v2) durch ein weiteres Wellenlängenmultiplexverfahren wieder zusammengeführt und von einem Detektor als kontinuierliches Signal erfasst werden,
wobei als Resonatoren Linearresonatoren nach Anspruch 5 oder 6 oder
Zirkularresonatoren nach Anspruch 7 eingesetzt werden und wobei die optischer Verstärker a3), b3), c2) optional sind.
12. Zeitlinsenaufbau nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der gepulsten Lichtquelle (100) und dem ersten dispersiven
Element (101) eine gechirpte Lichtquelle, insbesondere eine gechirpte Laserquelle, eingesetzt wird.
13. Zeitlinsenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Eingangsignal (001 ) ohne feste
Repetitionsrate ein optischer oder elektronischer Detektor vor der Zeitlinse (102) ein Triggersignal erzeugt, das an die gepulste Lichtquelle (100) oder die gechirpte Lichtquelle übergeben wird. 14. Verwendung der Zeitlinsenaufbauten nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur
I) Messung schneller und ultraschneller, kontinuierlicher und gepulster, analoger und digitaler, sich wiederholender und einmalig vorliegender elektrischer Signale, oder, unter Nutzung von Vierwellenmischkristallen anstelle von elektrooptischen
Modulatoren, optischer Signale,
II) Komprimierung von, auf den gechirpten Lichtpuls aufgeprägten Signalen zur Datenverdichtung. 15. Verfahren zur Elimination der Lichtleistung in einem der in Ansprüchen 4 bis 7 beschriebenen Resonatoren nach erfolgter Auskopplung aus dem Resonator durch Triggerung der Dämpfung unter Ausnutzung des Triggersignals, dadurch gekennzeichnet, dass
die Triggerung durch Elektroabsorptionsmodulatoren, schaltbare Seite 22 faserbasierte Dämpfer, Reduzierung der Fasergüte durch Stress auf die Faser, Pockelszellen, Abschaltung der Verstärkung oder durch optische
Schalter oder Kombinationen davon erfolgt.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110174806A (zh) * 2019-05-23 2019-08-27 浙江工业大学 一种基于时间透镜成像的2的n次幂倍光脉宽放大系统
WO2020232790A1 (zh) * 2019-05-17 2020-11-26 华南理工大学 超快光场的信息实时测量系统

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014105139B4 (de) * 2014-04-10 2016-06-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Spektrometer mit einem optischen Wellenlänge-Zeit-Wandler
DE102014111309B3 (de) * 2014-08-07 2016-02-11 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Zeitaufgelöstes Spektrometer und Verfahren zum zeitaufgelösten Erfassen eines Spektrums einer Probe
DE102015112157B4 (de) * 2015-07-24 2023-11-16 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren und System zur spektralen Analyse von Pulsen elektromagnetischer Strahlung

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5453871A (en) 1989-06-14 1995-09-26 Hewlett-Packard Company Temporal imaging with a time lens
US6288659B1 (en) 1998-02-27 2001-09-11 The Regents Of The University Of California Data conversion using time manipulation
US7369778B2 (en) 2002-12-30 2008-05-06 Lucent Technologies Inc. Dispersion compensation method and apparatus
US7411683B2 (en) 2005-12-30 2008-08-12 Lucent Technologies Inc. Electric field measurement of optical waveforms
US20090110004A1 (en) 2007-10-29 2009-04-30 Chou Jason T Time-domain gated filter for RF communication systems
WO2010045339A2 (en) 2008-10-14 2010-04-22 Cornell University Apparatus for imparting phase shift to input waveform
WO2010091180A2 (en) 2009-02-05 2010-08-12 Cornell University High-speed optical sampling by temporal stretching using four-wave mixing
US20100201345A1 (en) 2008-11-21 2010-08-12 The Regents Of The University Of California Time stretch enhanced recording scope
US20100245835A1 (en) 2006-06-27 2010-09-30 Corey Vincent Bennett Ultrafast chirped optical waveform recorder using referenced heterodyning and a time microscope
US7821633B2 (en) 2006-03-28 2010-10-26 The Regents Of The University Of California Apparatus and method for Raman spectroscopy and microscopy with time domain spectral analysis

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7593643B2 (en) * 2004-07-26 2009-09-22 Stc. Unm Method and apparatus for femtosecond communication

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5453871A (en) 1989-06-14 1995-09-26 Hewlett-Packard Company Temporal imaging with a time lens
US6288659B1 (en) 1998-02-27 2001-09-11 The Regents Of The University Of California Data conversion using time manipulation
US7369778B2 (en) 2002-12-30 2008-05-06 Lucent Technologies Inc. Dispersion compensation method and apparatus
US7411683B2 (en) 2005-12-30 2008-08-12 Lucent Technologies Inc. Electric field measurement of optical waveforms
US7821633B2 (en) 2006-03-28 2010-10-26 The Regents Of The University Of California Apparatus and method for Raman spectroscopy and microscopy with time domain spectral analysis
US20100245835A1 (en) 2006-06-27 2010-09-30 Corey Vincent Bennett Ultrafast chirped optical waveform recorder using referenced heterodyning and a time microscope
US20090110004A1 (en) 2007-10-29 2009-04-30 Chou Jason T Time-domain gated filter for RF communication systems
WO2010045339A2 (en) 2008-10-14 2010-04-22 Cornell University Apparatus for imparting phase shift to input waveform
US20100201345A1 (en) 2008-11-21 2010-08-12 The Regents Of The University Of California Time stretch enhanced recording scope
WO2010091180A2 (en) 2009-02-05 2010-08-12 Cornell University High-speed optical sampling by temporal stretching using four-wave mixing

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHOU JASON ET AL: "Femtosecond real-time single-shot digitizer", APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US, vol. 91, no. 16, 16 October 2007 (2007-10-16), pages 161105 - 161105, XP012099696, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.2799741 *
J. CHOU ET AL.: "Femtosecond real-time single shot digitizer", APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 91, 2007, pages 161105, XP012099696, DOI: doi:10.1063/1.2799741
KOLNER, B.H.: "Space- time duality and the theory of temporal imaging", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, vol. 30, no. 8, 1994, pages 1951 - 1963, XP002980366, DOI: doi:10.1109/3.301659
RAJEEV KHARE ET AL: "Temporal Stretching of Laser Pulses, Coherence and Ultrashort Pulse Laser Emission", COHERENCE AND ULTRASHORT PULSE LASER EMISSION, 30 November 2010 (2010-11-30), XP055075575, Retrieved from the Internet <URL:http://cdn.intechopen.com/pdfs/12760/InTech-Temporal_stretching_of_laser_pulses.pdf> [retrieved on 20130819] *
STEFAN WEBER ET AL: "A resonator-based time-stretch oscilloscope with variable magnification", CLEO: QELS, 1 January 2013 (2013-01-01), XP055075574 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020232790A1 (zh) * 2019-05-17 2020-11-26 华南理工大学 超快光场的信息实时测量系统
CN110174806A (zh) * 2019-05-23 2019-08-27 浙江工业大学 一种基于时间透镜成像的2的n次幂倍光脉宽放大系统

Also Published As

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