DE102011122232A1

DE102011122232A1 - System zum Erzeugen eines Schwebungssignals

Info

Publication number: DE102011122232A1
Application number: DE102011122232A
Authority: DE
Inventors: Michael Mei; Ronald Holzwarth; Marc Fischer
Original assignee: Menlo Sys GmbH; Menlo Systems GmbH
Current assignee: Menlo Sys GmbH; Menlo Systems GmbH
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-27
Also published as: US20130163914A1; EP2608327A1; US8995796B2; EP2608327B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein System (1) zum Erzeugen eines (Hochfrequenz-)Schwebungssignals. Das System umfasst eine erste Lichtquelle (3) mit einem Multimoden-Spektrum, eine zweite Lichtquelle (4) und eine Koppel- und Filteranordnung (5) mit einem ersten Anschluss (6) zum Einkoppeln von Licht von der ersten Lichtquelle (3) sowie einem zweiten Anschluss (7) zum Einkoppeln von Licht von der zweiten Lichtquelle (4). Ferner ist ein Detektor (11) vorgesehen, dem Licht beider Lichtquellen (3, 4) zuführbar ist. Die Koppel- und Filteranordnung (5) umfasst einen Spektralfilter (20, 28) zum Herausfiltern einer oder mehreren Moden aus dem Spektrum der ersten Lichtquelle (3) sowie einen ersten faseroptischen Koppler (17, 23, 26) zum Koppeln des Lichts der zweiten Lichtquelle (4) und des noch nicht gefilterten oder des bereits gefilterten Lichts der ersten Lichtquelle (3). Die Koppel- und Filteranordnung (5) ist erfindungsgemäß rein faseroptisch konfiguriert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Erzeugen eines elektronischen Schwebungssignals, in der Regel in Form eines Hochfrequenzsignals, aus zwei primären optischen Signalen.
Als Hochfrequenzsignal wird dabei ein elektromagnetisches Signal im Frequenzbereich von etwa 1 kHz bis circa 300 GHz verstanden, speziell bzw. im engeren Sinne von 1 MHz bis 10 GHz. Als optische Signale werden hingegen elektromagnetische Signale im Frequenzbereich von etwa 1 THz bis 3000 THz verstanden. Zu letzterem Frequenzbereich zählt nicht nur das sichtbare Licht, sondern auch infrarotes oder ultraviolettes Licht.
Ein solches System beinhaltet üblicherweise zwei Quellen von kohärentem Licht (Laser) und ein optisches System zur Überlagerung und Filterung der beiden kohärenten Lichtfelder. Die beiden Quellen kohärenter Strahlung können jeweils Dauerstrichlaser oder gepulste Laser oder Frequenzkämme sein. Dabei kann der Dauerstrichlaser ein Gas-, Dioden-, Faser- oder Festkörperlaser sein. Der gepulste Laser kann ein Gas-, Dioden-, Faser- oder Festkörperlaser sein. Der Frequenzkamm kann durch einen Kurzpulslaser oder aber durch nichtlineare Effekte erzeugt werden (z. B. Mikrokämme gemäß EP 1 988 435 A1 oder US 2008/0285608 A1 ).
Eine Vielzahl von Anwendungen erfordert die Stabilisierung eines Lasers auf eine Referenz oder die Vermessung eines Lasers gegen eine Referenz. Diese Referenz kann eine optische Referenz sein oder eine Radiofrequenzreferenz (d. h. Hochfrequenz-Referenz wie z. B. eine Rb- oder Cs-Atomuhr, ein H-Maser oder ein GPS-Empfänger). Die optische Referenz kann ein anderer Laser sein entweder bei einer nahezu gleichen optischen Frequenz oder bei einer anderen optischen Frequenz. Im ersten Fall werden die beiden Laser unmittelbar in einem System überlagert und vermessen oder stabilisiert. Im letzteren Fall kann ein Frequenzkamm die Differenz der beiden optischen Frequenzen phasenkohärent überbrücken. Hier sind zwei Systeme vorteilhaft zur Überlagerung der optischen Referenz mit dem Frequenzkamm, und zur Überlagerung des zu stabilisierenden oder zu vermessenden Lasers mit dem Frequenzkamm. Bei Stabilisierung oder Vermessung gegen eine Radiofrequenzreferenz dient diese zur Stabilisierung des Frequenzkammes. Der zu vermessende oder zu stabilisierenden Laser wird wieder mit dem Frequenzkamm überlagert. Umgekehrt kann der Frequenzkamm auf eine optische Referenz stabilisiert werden. Hierzu sind bis zu zwei Systeme erforderlich zur Stabilisierung der beiden Freiheitsgrade Repetitionsrate und Offsetfrequenz des Frequenzkammes.
Ein System zum Erzeugen eines Schwebungssignals in Form eines Hochfrequenzsignals aus zwei optischen Signalen ist in der DE 10 2004 037 549 A1 beschrieben. Dieses System ist dabei für die Telekommunikationstechnik ausgelegt. In einen Lichtwellenleiter wird das Licht zweier Pumplaser gegenläufig zu dem Licht eines Signallasers eingestrahlt. Dabei entstehen offenbar Seitenbänder, die einer Photodiode zugeführt und dort gemessen werden.
Die US 2003/0223757 A1 beschreibt ein System zum Erzeugen eines RF-Frequenzstandards (RF steht dabei für Radio Frequency, d. h. Hochfrequenz). Hier wird das Licht eines cw-Lasers moduliert, um einen optischen Frequenzkamm zu erzeugen. In zwei getrennten Pfaden wird aus dem Frequenzkamm jeweils eine Frequenzkomponente herausgefiltert. Mittels dieser beiden herausgefilterten Frequenzkomponenten wird durch eine Überlagerung auf einem Detektor ein RF-Schwebungssignal erzeugt.
Die JP 02257026 A und die DE 196 33 428 A1 offenbaren jeweils optische Systems, in denen Licht einer durchstimmbaren Lichtquelle überlagert wird mit Messlicht unbekannter Frequenzkomponenten. Die DE 196 33 428 A1 schlägt dabei einen Depolarisator für das durchstimmbare Licht vor. Die JP 02257026 A schlägt vor, das Hochfrequenzsignal zum Messen der Frequenzstabilität eines Lasers zu verwenden.
Die US 2006/0251424 A1 offenbart eine weitere Anordnung zum Erzeugen von RF-Schwebungssignalen. Dabei wird in einer beispielsweise durch Erzeugen eines Bragg-Gitters nachbehandelten optischen Faser ein Frequenzkamm erzeugt und mit der Linie eines weiteren Lasers zur Überlagerung gebracht, um ein Schwebungssignal zu erzeugen.
Die Frequenzstabilisierung von Frequenzkammgeneratoren unter Verwendung hochfrequenter Schwebungssignale wird in der DE 100 44 404 A1 , der DE 10 2005 035 173 A1 und der DE 199 11 103 B4 sowie in der EP 1 372 275 B1 beschreiben. Als Frequenzkammgenerator ist dort jeweils ein Kurzpuls- oder Ultrakurzpuls-Oszillator vorgesehen, d. h. ein modengekoppelter Laser mit Pulsdauern im Bereich von Femto- (fs) bis zu Nanosekunden (ns). Führt man eine Fourier-Transformation vom Zeitraum in den Frequenzraum durch, entspricht der Folge von Laserpulsen im Frequenzraum ein „Frequenzkamm”. Er setzt sich zusammen aus einer Vielzahl von scharten δ-ähnlichen Funktionen bei verschiedenen diskreten Frequenzen, Moden f_n genannt. Benachbarte Moden haben voneinander einen Abstand Δf, der genau der Pulswiederholfrequenz (= Repetitionsrate) des Oszillators entspricht und der daher durch die optische Weglänge der Pulse im Oszillator bestimmt ist.
Allerdings liegen die Moden des Frequenzkamms im Normalfall nicht exakt bei einem ganzzahligen Vielfachen von Δf, sondern der gesamte Frequenzkamm ist um eine so genannte Offset-Frequenz f₀ verschoben. Rechnerisch lässt sich der Frequenzkamm daher beschreiben als f_n = f₀ + nΔf. Die Ursache für die Offset-Frequenz f₀ besteht darin, dass sich die Gruppengeschwindigkeit für die im Oszillator umlaufenden Pulse, die die Repetitionsrate und damit den Modenabstand Δf bestimmt, von der Phasengeschwindigkeit der einzelnen Maden unterscheidet.
In der DE 199 11 193 A1 , der EP 1 161 782 B1 und der DE 100 44 404 C2 sind Verfahren beschrieben, wie die beiden Freiheitsgrade des Frequenzkamms, d. h. die Offset-Frequenz f₀ und der Modenabstand Δf, auf feste Werte fixiert bzw. eingestellt werden können. Zu diesem Zweck ist je ein Stabilisator oder Regelkreis vorgesehen. Ein erster Stabilisator betrifft den Modenabstand. Als Messwert für diesen Stabilisator kann die (ggf. in besser erfassbare Bereiche geteilte oder multiplizierte) Pulswiederholfrequenz dienen, die – wie erläutert – dem Modenabstand entspricht. Eine Auswerte- und Vergleichseinheit vergleicht den gemessenen Wert mit einem vorgegebenen Referenzwert für die Pulswiederholfrequenz. Um den Modenabstand zu verändern oder um ihn bei festgestellter Abweichung auf den vorgegebenen Referenzwert einzustellen, steuert der Stabilisator ein Stellglied an, das die optische Weglänge des Oszillators und damit die Pulswiederholfrequenz ändert. Beispielsweise kann das Stellglied ein Linearantrieb oder ein Piezoaktuator für einen Resonatorspiegel des Oszillators sein.
Ein zweiter Stabilisator regelt die Offset-Frequenz f₀ auf einen bestimmten Wert. Zu diesem Zweck wird eine bestimmte Mode f_n des Frequenzkamms auf einem Detektor (z. B. einer Photodiode oder einem Photomultiplier) entweder mit einer externen, exakt bekannten Referenzfrequenz (z. B. von einem Dauerstrich-Laser) oder mit einer frequenzverdoppelten Mode aus dem gleichen Frequenzkamm überlagert. Die Überlagerung erzeugt auf dem Detektor eine Schwebungsfrequenz im Radiofrequenzbereich. Eine Auswerte- und Vergleichseinheit vergleicht die Schwebungsfrequenz mit einer vorgegebenen, ggf. variabel einstellbaren Referenzfrequenz. Stellt sich dabei eine Abweichung heraus, steuert der zweite Stabilisator ein Stellglied, das den Unterschied zwischen Phasen- und Gruppenlaufzeit im Oszillator verändert. Geschehen kann dies beispielsweise, indem ein Resonatorendspiegel in einem von den Moden räumlich getrennt durchlaufenen Resonatorzweig leicht verkippt wird, um die optische Weglänge des Oszillators frequenzabhängig zu ändern. Alternativ könnte die Pumpleistung für den Oszillator verändert oder ein dispersives Element wie ein Prismenpaar oder eine transparente, kippbare Platte in den Strahlengang des Oszillators eingeführt und in seiner Lage verändert werden.
Mit den in der DE 199 11 193 A1 , der EP 1 161 782 B1 oder der DE 100 44 404 C2 beschriebenen Mitteln wird insgesamt ein vollständig stabilisierter Frequenzkamm erzeugt, dessen einzelne Moden bei exakt bekannten Frequenzen liegen und zueinander kohärent sind. Hinsichtlich der detaillierten Beschreibung dieser Mittel wird auf die drei genannten Dokumente verwiesen.
Die DE 10 2007 025 037 B3 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln eines Frequenz- und/oder Phasenunterschieds, die DE 10 2008 062 139 A1 ein Verfahren zum Bereitstellen einer Referenzfrequenz aus Schwebungssignalen, die DE 10 2004 022 037 A1 ein Verfahren zum Erzeugen eines Frequenzkamms mit offset-freien Frequenzen, die EP 1 258 718 A1 ein System zum Messen einer Gruppengeschwindigkeitsdispersion und die JP 06130247 A einen optischen Aufbau, in dem ein Frequenzschieber in einer Ringfaser dafür sorgt, dass frequenzverschobenes Licht mit dem ursprünglichen Licht zu einem Schwebungssignal überlagert werden kann.
Zudem sind bereits Verfahren bekannt, in einem Freistrahlaufbau ein solches Schwebungssignal zu erzeugen (Reichert et al., Optics Communications 172, 59–68 (1999)).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit konstruktiv möglichst einfachen Mitteln ein System zum Erzeugen eines Schwebungssignals zur Verfügung zu stellen, das im Vergleich zum Stand der Technik robuster gegenüber Umwelteinflüssen ist, bei gleichen Eingangsparametern ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) bietet und möglichst auch mit niedrigeren optischen Eingangsleistungen arbeiten kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße System umfasst eine Koppel- und Filteranordnung mit einem ersten Anschluss zum Einkoppeln von Licht einer Multimoden-Lichtquelle (d. h. einer Lichtquelle mit mehreren spektralen Moden) sowie einem zweiten Anschluss zum Einkoppeln von Licht einer zweiten Lichtquelle, bei der es sich um eine Lichtquelle unbekannter Wellenlänge oder Frequenz oder um eine durchstimmbare Lichtquelle oder um eine optische Referenz bekannter Frequenz handeln kann. Die Koppel- und Filteranordnung umfasst einen Spektralfilter zum Herausfiltern einer oder mehrerer Moden aus dem Multimoden-Spektrum der ersten Lichtquelle, sowie einen ersten faseroptischen Koppler zum Koppeln des Lichts der zweiten Lichtquelle mit dem entweder noch ungefilterten oder schon gefilterten Lichts der ersten Lichtquelle. Die Koppel- und Filteranordnung leitet das überlagerte Licht der ersten und der zweiten Lichtquelle einem Detektor zu, auf dem ein Schwebungssignal in Form eines Hochfrequenzsignals entsteht. Bei der Frequenz des Hochfrequenzsignals handelt es sich um die Differenzfrequenz der beiden Frequenzen der ersten und der zweiten Lichtquelle. Die Summenfrequenz der beiden primären optischen Signale ist so hoch, dass sie von üblichen Detektoren, beispielsweise Photodioden, nicht nachweisbar ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Koppel- und Filteranordnung faseroptisch konfiguriert ist, d. h. unter Einschluss des Spektralfilters und des ersten faseroptischen Kopplers weist die Koppel- und Filteranordnung zwischen den beiden Anschlüssen zum Einkoppeln von Licht der ersten und der zweiten Lichtquelle sowie zumindest bis zu einem Auskoppelpunkt, bei dem die miteinander überlagerten primären optischen Signale die Koppel- und Filteranordnung gemeinsam in Richtung des Detektors verlassen, keine Freistrahlstrecken zwischen den Ein- und Auskoppelpunkten und den faseroptischen Elementen sowie zwischen den faseroptischen Elementen der Koppel- und Filteranordnung auf. Faseroptische Elemente können dabei auch solche Elemente mit Mikrooptiken und internen Freistrahlstrecken umfassen. Dadurch wird das erfindungsgemäße System sehr robust, wartungsarm und sehr effizient (d. h. mit einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis).
Typische Anwendungen des erfindungsgemäßen Systems sind die Stabilisierung eines oder mehrerer Laser bei verschiedenen optischen Frequenzen relativ zueinander oder relativ zu einer optischen oder Radiofrequenzreferenz, die Vermessung von Lasern gegen eine Radiofrequenzreferenz abgeleitet von der Definition der SI-Sekunde und die Erzeugung stabiler Radiofrequenzen durch Übertragung der Stabilität einer optischen Referenz in den Radiofrequenzbereich. Die optischen Referenzen können zur Neudefinition der SI-Sekunde dienen (Optische Uhr).
Von besonderem Vorteil ist es, wenn auch der Detektor faseroptisch an die Koppel- und Filteranordnung gekoppelt ist, d. h. wenn auch zwischen der Koppel- und Filteranordnung und dem Detektor keine Freistrahlstrecke mehr vorhanden ist. Dadurch wird das gesamte System inklusive des Detektors noch kompakter und robuster.
Im Interesse eines möglichst hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnisses bei der Erzeugung des Hochfrequenzsignals hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Spektralfilter einen reflektierenden Spektralfilter umfasst beziehungsweise wenn der Spektralfilter ein solcher reflektierender Spektralfilter ist, weil das gefilterte Licht damit äußerst schmalbandig wird, d. h. nur eine oder sehr wenige Moden umfasst. Als besonders geeignet für diesen Zweck hat sich ein Faserbragggitter (FBG) erwiesen, das zudem den Vorteil hat, ideal in die faseroptische Konfiguration der Koppel- und Filteranordnung eingebunden werden zu können. Das vom reflektierenden Spektralfilter transmittierte Licht kann zur Erzeugung weiterer Schwebungssignale in einer kaskadierten Anordnung erfindungsgemäßer Systeme wiederverwendet werden.
Zusätzlich oder alternativ zu einem reflektierenden Spektralfilter könnte der Spektralfilter jedoch auch einen transmittierenden Spektralfilter umfassen, beispielsweise einen aus der Telekommunikationstechnik bekannten Wavelength Division Multiplexer (WDM) oder Optical Add-Drop Multiplexer (OADM), wenn dies zum Beispiel aus Gründen der Strahlführung für vorteilhaft erachtet werden sollte.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Koppel- und Filteranordnung einen optischen Zirkulator, damit die Strahlführung in der Koppel- und Filteranordnung noch effizienter wird. Insbesondere bei Verwendung von Faserbragggittern, die ein breites Spektrum transmittieren, aber ein schmales spektrales Band (das Signallicht) reflektieren, ist der Einsatz eines Zirkulators sinnvoll.
Dieser optische Zirkulator könnte beispielsweise zwischen dem ersten faseroptischen Koppler und dem Spektralfilter sowie gleichzeitig zwischen dem Spektralfilter und dem Detektor angeordnet sein, um zweimal durchlaufen zu werden, nämlich einmal vom ungefilterten Licht vom faseroptischen Koppler zum Spektralfilter, sowie anschließend von dem gefilterten Licht zwischen dem Spektralfilter und dem Detektor.
In bestimmten Konfigurationen des erfindungsgemäßen Systems kann zusätzlich zum ersten faseroptischen Koppler noch ein weiterer faseroptischer Koppler vorgesehen sein, der ebenfalls in die vollständige Faserkopplung der Koppel- und Filteranordnung eingebunden ist.
Wenn ein optischer Zirkulator und/oder ein zweiter faseroptischer Koppler vorgesehen sind, ist es im Hinblick auf die vollständige faseroptische Konfiguration der Koppel- und Filteranordnung günstig, wenn ein Ausgang des optischen Zirkulators oder des zweiten faseroptischen Kopplers zum Spektralfilter führt.
Hinsichtlich der Lichtausbeute insbesondere des Signals der zweiten Lichtquelle und hinsichtlich eines möglichst guten Signal-zu-Rauch-Verhältnisses (SNR) bietet es enorme Vorteile, wenn zwischen dem zweiten Anschluss, d. h. dem Anschluss zum Einkoppeln von Licht der zweiten Lichtquelle in die Koppel- und Filteranordnung, und dem Detektor lediglich ein einziger faseroptischer Koppler angeordnet ist, damit das Signal der zweiten Lichtquelle nicht durch das Durchlaufen mehrerer faseroptischer Koppler übermäßig geschwächt wird.
Das erfindungsgemäße System könnte ferner mindestens einen variablen Abschwächer und/oder einen variablen Verstärker aufweisen. Diese Abschwächer beziehungsweise Verstärker können in der Koppel- und Filteranordnung angeordnet sein, oder auch außerhalb der Koppel- und Filteranordnung. Sie können sowohl für das Licht der ersten Lichtquelle, als auch für das Licht der zweiten Lichtquelle vorgesehen und ausgelegt sein. Mit Hilfe dieser variablen Abschwächer und/oder variablen Verstärker können die Intensitäten der Signale der ersten Lichtquelle und der zweiten Lichtquelle beim Eintreffen auf dem Detektor möglichst stark aneinander angeglichen und im Idealfall sogar einander völlig angeglichen werden, um ein besonders hohes SNR des erzeugten Hochfrequenzsignals zu erziehen.
Das System könnte auch mindestens einen Frequenzschieber aufweisen, vorzugsweise einen akustooptischen Frequenzschieber. Es kann vorkommen, dass das zu beobachtende Schwebungssignal sehr nahe bei 0 Hz oder bei dem halben Abstand benachbarter Moden der ersten Lichtquelle (Frequenzkamm) liegt und damit für die Auswertung unbrauchbar wird. In diesem Fall ist es sinnvoll, das Licht der ersten oder der zweiten Lichtquelle mit einem z. B. akustooptischen Frequenzschieber zu verschieben und das Beatsignal (Schwebungssignal) erst nach dem Verschieben zu generieren. Das Schwebungssignal verschiebt sich dabei um den am akustooptischen Frequenzschieber eingestellten Wert. Wird die am akustooptischen Frequenzschieber eingestellte Frequenz als Regelelement für die Phasenstabilisierung des Laser genutzt, ermöglicht die hohe Bandbreite der akustooptischen Modulatoren darüber hinaus eine sehr schnelle Regelung mit entsprechend kleiner Regelabweichung (hartes Lock). Der Frequenzschieber kann den Vorteil haben, das Licht um einen definierten Betrag in seiner Frequenz zu verschieben, um so das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) auf dem Detektor weiter verbessern zu können.
Auch eine Frequenzvervielfachung wie eine Frequenzverdopplung durch zusätzliche nicht-lineare Schritte wäre denkbar, wenn sich damit ein spektraler Überlapp zwischen den Lichtquellen herstellen lässt.
Eine weitere Verbesserung kann dadurch erzielt werden, wenn insbesondere vor dem Beginn einer polarisationserhaltenden Faser mindestens ein Polarisationssteller vorgesehen ist. Durch diesen Polarisationssteller können die Polarisationen der optischen Signale der ersten und der zweiten Lichtquelle aneinander angeglichen werden, was ebenfalls das SNR verbessert.
In einer vorteilhaften Version der Optikanordnung handelt es sich bei allen in der Koppel- und Filteranordnung eingesetzten Fasern um polarisationserhaltende Fasern (d. h. sogenannte PM-Fasern, PM = polarization-maintaining) – bis auf möglicherweise die zum Auskoppelpunkt und gegebenenfalls weiter zum Detektor führende Faser, für die auch eine nicht-polarisationserhaltende Faser eingesetzt werden kann. Der Vorteil von polarisationserhaltenden Fasern besteht in einem verbesserten Signal-Zu-Rausch-Verhältnis (SNR) und erhöhter Stabilität, da nur Licht derselben Polarisation zur Erzeugung des Schwebungssignales beiträgt, andere Polarisationsbeiträge dagegen das Rauschen vergrößern und den Kontrast verringern. Bei Nicht-Polarisationserhaltenden Fasern ändert sich die Polarisation des Lichtes auf Grund von Umwelteinflüssen wie Temperatur und Lage der Faser, was zu einem sich ändernden SNR und damit zu verminderter Stabilität und Kontrast führt.
Ideal ist es, wenn ein variabler Abschwächer, ein variabler Verstärker, ein Frequenzschieber und/oder ein Polarisationssteller für Licht der ersten Lichtquelle und/oder für Licht der zweiten Lichtquelle vorgesehen sind. Dadurch wird es möglich, das Rauschen des Schwebungssignals auf dem Detektor zu minimieren beziehungsweise einen besonders hohen Kontrast des Signals auf dem Detektor zu erzielen. Denn dieser Kontrast wird dann besonders groß, wenn modenangepasstes Licht (d. h. primäre optische Signale gleicher räumlicher Mode, wie dies in einem fasergekoppelten System gegeben ist) mit möglichst ähnlicher Intensität und möglichst ähnlicher Polarisation, idealerweise identischer Intensität und identischer Polarisation, miteinander auf dem Detektor überlagert wird. Durch die variablen Abschwächer, die variablen Verstärker, Frequenzschieber und Polarisationssteller wird es möglich, diese Bedingungen für einen hohen Kontrast beziehungsweise für geringes Rauschen optimal zu erfüllen besonders in Verbindung mit der Verwendung polarisationserhaltender Fasern
Der variable Abschwächer, der variable Verstärker, der Frequenzschieber und/oder der Polarisationssteller können dabei jeweils entweder vor einem der ersten oder zweiten Anschlüsse angeordnet sein, d. h. vor Eintritt des Lichts der ersten beziehungsweise der zweiten Lichtquelle in die Koppel- und Filteranordnung, oder sie können innerhalb der Koppel- und Filteranordnung angeordnet sein. Letzteres hat den Vorteil, dass die optischen Elemente wie der Abschwächer, der Verstärker, der Frequenzschieber und/oder der Polarisationssteller ebenfalls in die vollständig faseroptische Konfiguration der Koppel- und Filteranordnung eingebunden sein können.
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
1: eine schematische Darstellung der generellen Struktur eines erfindungsgemäßen Systems zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals,
2: ein erstes Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnung,
3: ein zweites Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnung,
4: ein drittes Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnung,
5: ein viertes Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnung,
6: ein fünftes Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnung,
7: ein sechstes Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnung,
8: ein siebtes Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnung und
9: ein achtes Ausführungsbeispiel mit zwei hintereinander geschalteten bzw. kaskadierten Koppel- und Filteranordnungen
Gleiche Komponenten sind in den Figuren durchgängig mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch die grundsätzliche Struktur eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems 1 zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals, das an einem Ausgang 2 des Systems 1 bereitgestellt wird. Das System 1 verfügt über eine erste Lichtquelle 3, bei der es sich um eine Lichtquelle 3 mit einem Multimoden-Spektrum handelt, also beispielsweise ein gepulster Laser, insbesondere ein Kurzpuls- oder Ultrakurzpulslaser, oder ein Frequenzkammgenerator. Beispielsweise könnte als Lichtquelle 3 ein passiv (beispielsweise über den Kerr-Effekt) modengekoppelter Laser eingesetzt werden, z. B. ein Erbium-, Ytterbium- oder Neodymdotierter Faserlaser, oder ein Frequenzkamm generiert von einem Mikroresonator. In jeden Fall handelt es sich bei der ersten Lichtquelle 3 um eine Lichtquelle, die kohärente, primäre optische Strahlung abgibt.
Ferner ist eine zweite Lichtquelle 4 vorgesehen, die ihrerseits kohärente primäre Lichtstrahlung abgibt. Bei der zweiten Lichtquelle 4 kann es sich um eine durchstimmbare Lichtquelle, um einen cw-Laser, um eine Quelle kohärenten Lichts unbekannter Frequenz, um eine optische Referenz bekannter Frequenz oder einen (weiteren) Frequenzkamm handeln.
Das erfindungsgemäße System 1 verfügt ferner über eine Koppel- und Filteranordnung 5. Diese hat einen ersten Anschluss (Port) 6 zum Einkoppeln von Licht der ersten Lichtquelle 3 in die Koppel- und Filteranordnung, sowie einen zweiten Anschluss (Port) 7 zum Einkoppeln von Licht von der zweiten Lichtquelle 4 in die Koppel- und Filteranordnung. Die Strahlung der ersten Lichtquelle 3 kann die Strecke 8 zwischen der ersten Lichtquelle 3 und dem ersten Anschluss 6 durch eine Freistrahlstrecke und/oder durch eine Faseroptikstrecke überbrücken. Analog kann die Strahlung der zweiten Lichtquelle 4 die Strecke 9 zwischen der zweiten Lichtquelle 4 und dem zweiten Anschluss 7 durch eine Freistrahlstrecke und/oder durch eine Faseroptikstrecke überbrücken. Denkbar wäre es, dass (nicht dargestellt) geeignete Einkopplungsoptiken vorgesehen sind, um die Strahlung der ersten beziehungsweise der zweiten Lichtquelle 3, 4 an den Anschlüssen 6, 7 möglichst verlustfrei in die Koppel- und Filteranordnung 5 einzuleiten.
Die Funktion der Koppel- und Filteranordnung 5 besteht darin, zum einen aus dem ungefilterten Multimoden-Spektrum der Strahlung der ersten Lichtquelle 3 gezielt eine bestimmte Mode oder einen begrenzten Spektralbereich herauszufiltern, und diese Mode beziehungsweise diesen Spektralbereich mit dem Licht der zweiten Lichtquelle 4 zu überlagern. An einem Ausgang (Port) 10 der Koppel- und Filteranordnung verlassen die miteinander überlagerten Anteile der Strahlung der beiden Lichtquellen 3, 4 die Koppel- und Filteranordnung 5 und werden von dort auf einen Detektor 11 gerichtet. Bei dem Detektor 11 kann es sich insbesondere um einen Photodetektor handeln, beispielsweise eine Photodiode. Auf dem Detektor 11 wird ein elektrisches Schwebungssignal erzeugt, das der Differenz der beiden optischen Frequenzen des Lichts der beiden Lichtquellen 3, 4 entspricht. Ein weiteres Signal würde der Summenfrequenz der beiden ursprünglichen Frequenzen entsprechen. Diese Frequenz ist jedoch so hoch, dass sie üblicherweise nicht von einem Photodetektor 11 erkannt wird. Folglich wird sie bei der Erzeugung des Hochfrequenzsignals vernachlässigt.
Das Messsignal des Detektors 11 wird in Form eines elektrischen Signals einer Messeinheit oder Auswerteeinheit 12 zugeführt, die das Hochfrequenzsignal analysieren, darstellen und gegebenenfalls bearbeiten kann. An einem Ausgang 2 des Systems 1 wird das Hochfrequenzsignal bereitgestellt.
Optional kann das erzeugte Hochfrequenzsignal auch einer Steuereinheit 13 zugeleitet werden. Die Steuereinheit 13 kann aus dem Hochfrequenzsignal ein Steuersignal ableiten, das seinerseits als Eingangsgröße zum Steuern ihres Betriebs der ersten Lichtquelle 3 zugeleitet wird, nämlich über eine Datenleitung 14. Das Steuersignal kann insbesondere zum Stabilisieren der von der ersten Lichtquelle 3 abgegebenen Frequenzen verwendet werden, beispielsweise zum Stabilisieren einer Offset-Frequenz und/oder eines Modenabstands bei einem Frequenzkammgenerator 3. Alternativ könnte auch die Strahlung der ersten oder der zweiten Lichtquelle 3, 4 so stabilisiert werden, dass der Frequenzabstand dieser Strahlung von einer Mode des Spektrums der anderen Lichtquelle konstant bleibt.
2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Konfiguration der Koppel- und Filteranordnung 5 sowie die Anordnung des Detektors 11 in Bezug auf die Koppel- und Filteranordnung 5. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Strahlung der ersten Lichtquelle 3 am ersten Anschluss 6 in eine erste optische Eingangsfaser 15 eingekoppelt, die Strahlung der zweiten Lichtquelle 4 am zweiten Anschluss 7 in eine zweite optische Eingangsfaser 16. Bei diesen optischen Fasern 15, 16 kann es sich – ebenso wie prinzipiell bei allen übrigen im erfindungsgemäßen System 1 verwendeten optischen Fasern – um polarisationserhaltende (PM, Polarisation Maintaining) Fasern handeln.
Die beiden optischen Fasern 15, 16 führen das Licht jeweils zu einem ersten faseroptischen Koppler 17, bei dem es sich um einen 50:50-Koppler handeln kann. Im faseroptische Koppler 17 liegen die beiden optischen Fasern 15, 16 so dicht nebeneinander, dass das Licht von einer Faser 15, 16 in die andere Faser 16, 15 überkoppeln kann, und umgekehrt. An einem Ausgang 18 des ersten faseroptischen Kopplers 17, ebenfalls in Form einer optischen Faser, steht damit Strahlung zur Verfügung, die aus einer Überlagerung des (noch nicht spektral gefilterten) Lichts der ersten Lichtquelle 3 und des Lichts der zweiten Lichtquelle 4 besteht.
Dieses Licht gelangt nun mittels der Ausgangsfaser 18 – wie durch einen Pfeil angedeutet – in einen zweiten faseroptischen Koppler 19, bei dem es sich wiederum um einen 50:50-Koppler handeln kann. Ein erster Ausgang des zweiten faseroptischen Kopplers 19 führt über eine Faser zu einem im vorliegenden Fall reflektierenden Spektralfilter 20, der insbesondere als sogenanntes Faserbragggitter (FBG) 20 realisiert sein kann. Der Spektralfilter 20 dient dazu, lediglich eine einzige Mode oder zumindest eine sehr kleine Anzahl von Moden des Spektrums der Multimoden-Lichtquelle 3 zum zweiten faseroptischen Koppler 19 zurückzureflektieren. Alle übrigen Spektralanteile des Spektrums der ersten Lichtquelle 3 werden durch den Spektralfilter 20 transmittiert oder absorbiert. Ein zweiter Ausgang des zweiten faseroptischen Kopplers 19 führt ebenfalls über eine Faser zu einem Ausgang 21, jenseits dessen die austretende Strahlung für beliebige Zwecke weiter genutzt werden kann.
Die vom Spektralfilter 20 auf den zweiten faseroptischen Koppler 19 zurückgelangenden Spektralanteile werden von dort zu 50% in den Eingangspfad beziehungsweise in die Faser 18 zurückgeleitet, zu 50% hingegen über eine weitere Faser F zum Ausgang 10 der Koppel- und Filteranordnung 5. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Detektor 11 jedoch vollständig faseroptisch mit dem zweiten faseroptischen Koppler 19 gekoppelt, sodass der Ausgang 10 lediglich virtuell in der Ausgangsfaser F zwischen dem zweiten Faseroptische Koppler 19 und dem Detektor 11 liegt.
Der Vorteil der in 2 gezeigten Koppel- und Filteranordnung 5 und somit insgesamt des erfindungsgemäßen Systems 1 liegt darin, dass sie von den Eingängen beziehungsweise Anschlüssen 6, 7 bis zum Ausgang 10 – im vorliegenden Ausführungsbeispiel sogar noch bis hin zum Detektor 11 – vollständig fasergekoppelt ist, also (zumindest zwischen den faseroptischen Elementen) keine Freistrahlstrecken aufweist. Damit entfällt die für Freistrahlstrecken häufig erforderliche Justage, und die Effizienz und Stabilität der Erzeugung des Hochfrequenzsignals nimmt zu. Bei einer schwachen Leistung beziehungsweise einer niedrigen Intensität der Strahlung der zweiten Lichtquelle 4 kann der Aufbau gemäß 2 allerdings nachteilig sein, da das Licht der zweiten Lichtquelle 4 den ersten Faseroptische Koppler 17 einmal und den zweiten faseroptische Koppler 19 zweimal durchläuft und dabei jedes Mal um 50% geschwächt wird. Am Detektor 11 gelangen daher nur noch 12,5% der ursprünglichen Lichtleistung an. Bei einem solchen schwachen Signal droht ein vergleichsweise niedriges Signal-Zu-Rausch-Verhältnis.
Um dieses Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern, kann die Anordnung gemäß 3 verwendet werden. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 3 findet in der Koppel- und Filteranordnung 5 gemäß 3 zuerst eine spektrale Filterung des Lichts der ersten Lichtquelle 3 statt, bevor dieses bereits spektral gefilterte Licht mit dem Licht der zweiten Lichtquelle 4 zur Überlagerung gebracht wird. Erreicht wird dies, indem die Strahlung der ersten Lichtquelle 3 über einen ersten faseroptischen Koppler 22 direkt einem reflektierenden Spektralfilter 20 zugeleitet wird, bei dem es sich abermals um ein Faserbragggitter (FBG) handeln kann. Das spektral gefilterte Licht der ersten Lichtquelle 3 gelangt vom Spektralfilter 20 wieder auf den ersten faseroptischen Koppler 22 und über dessen zweiten Eingang zu einem zweiten faseroptischen Koppler 23. Das Licht der zweiten Lichtquelle 4 gelangt am Anschluss 7 in die Koppel- und Filteranordnung 5 und von dort ohne Zwischenschaltung weiterer optischer Elemente direkt in den zweiten faseroptische Koppler 23, der das spektral gefilterte Licht der ersten Lichtquelle 3 und das Licht der zweiten Lichtquelle 4 miteinander überlagert und es an einem Ausgang 10 der Koppel- und Filteranordnung 5 in überlagerter Form dem Detektor 11 zur Verfügung stellt.
Beim Ausführungsbeispiel nach 3 ist folglich zwischen dem zweiten Anschluss 7 für die Strahlung der zweiten Lichtquelle 4 und dem Detektor 11 nur ein einziger faseroptischer Koppler 23 zu durchlaufen, d. h. das Licht der zweiten Lichtquelle 4 wird lediglich um 50% abgeschwächt, nicht aber um 87,5% wie beim Ausführungsbeispiel nach 2. Dadurch steigen der Kontrast und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis erheblich. Auch beim Ausführungsbeispiel nach 3 ist die Koppel- und Filteranordnung 5 vollständig faseroptisch konfiguriert und darüber hinaus auch vollständig faseroptisch an den Detektor 11 angeschlossen.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Koppel- und Filteranordnung 5 im erfindungsgemäßen System 1. Vorn ersten Anschluss 6 und vom zweiten Anschluss 7 für die Strahlung der ersten beziehungsweise der zweiten Lichtquelle 3, 4 führen jeweils Eingangfasern 24, 25 zu einem faseroptischen Koppler beziehungsweise Faserkoppler 26. Im faseroptischen Koppler 26 wird die kohärente Strahlung der beiden Lichtquellen 3, 4 miteinander überlagert. Eine Ausgangsfaser 27 des Faserkopplers 26 führt zu einem ebenfalls fasergekoppelten Spektralfilter 28. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen transmittiven Spektralfilter 28 in Form eines Wavelength Division Multiplexers (WDM) oder eines OADM. Eine erste Ausgangsfaser 29 führt den nicht verwendeten Teil der Strahlung der ersten Lichtquelle 3 ab. Eine zweite Ausgangsfaser 30 des Spektralfilters 28 führt hingegen weiter zu einem fasergekoppelten Photodetektor 11, den eine Signalleitung 31 zur Auswerteeinheit 12 verlässt. Auf dem Photodetektor 11 wird das Schwebungssignal als Differenz der beiden eingestrahlten optischen Frequenzen erzeugt. Das Schwebungssignal wird über die Signalleitung 31 als elektrisches Signal abgegriffen.
5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Koppel- und Filteranordnung 5 für das erfindungsgemäße System 1. Wie im Ausführungsbeispiel nach 4 führen auch hier erste und zweite Eingangsfasern 24, 25 zu einem ersten faseroptischen Koppler beziehungsweise Faserkoppler 26. Eine der beiden Ausgangsfasern 27 des faseroptischen Kopplers 26 führt in diesem Ausführungsbeispiel zu einem optischen Zirkulator 32, dem also über die Ausgangsfaser 27 sowohl das Licht der zweiten Lichtquelle 4, als auch das noch nicht spektral gefilterte Licht der ersten Lichtquelle 3 zugeführt wird.
Ein auf den Eingang der Faser 27 folgender, erster Ausgang des Zirkulators 32 führt zu einem faseroptisch mit dem Zirkulator 32 gekoppelten Spektralfilter 20, beispielsweise einem Faserbragggitter 20. Dieser Spektralfilter 20 ist so konfiguriert, dass er sowohl das Licht der zweiten Lichtquelle 4, als auch eine Mode oder einen sehr engen Spektralbereich des Lichts der ersten Lichtquelle 3 zum Zirkulator 32 zurückreflektiert. Ein nachfolgender zweiter Ausgang des Zirkulators 32 führt über eine Ausgangsfaser 33 zu dem Photodetektor 11. Bei dieser Konfiguration wird also das vom Spektralfilter 21 reflektierte, schmalbandige Licht wieder über den Zirkulator 32 zum Photodetektor 11 geleitet. Das Schwebungssignal, d. h. das Hochfrequenzsignal, wird über den elektrischen Anschluss beziehungsweise die Signalleitung 31 vom Detektor 11 abgegriffen. Denkbar wäre auch eine Konfiguration, bei der der Zirkulator 32 dazu ausgebildet ist, lediglich das Licht aus dem Spektrum der ersten Lichtquelle 3 über seinen ersten Ausgang zum Spektralfilter 20 abzugeben, das über die Faser 27 eintreffende Licht der zweiten Lichtquelle 4 hingegen ohne den Umweg über den Spektralfilter 20 direkt über den zweiten Ausgang, d. h. über die Ausgangsfaser 33, zum Detektor 11 zu leiten.
6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Koppel- und Filteranordnung 5 für das erfindungsgemäße System 1 zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals. Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf dem in 5 gezeigten, vierten Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnung 5. Zusätzlich sind nun jedoch entlang der ersten Eingangsfaser 24, d. h. zwischen dem ersten Anschluss 6 zum Einkoppeln der Strahlung der ersten Lichtquelle 3 und dem ersten faseroptischen Koppler 26, ein variabler Abschwächer oder Verstärker 34, ein Frequenzschieber 35 und ein variabler Polarisationssteller 36 angeordnet. Diese Komponenten 34, 35, 36 sind sowohl untereinander, als auch mit dem ersten Anschluss 6 und dem faseroptischen Koppler 26 faseroptisch verbunden. Der variable Abschwächer oder variable Verstärker 34 dient dazu, die Intensitäten der beiden am Detektor 11 eintreffenden Frequenzen, d. h. des spektral gefilterten Lichts der ersten Lichtquelle 3 und des Lichts der zweiten Lichtquelle 4, möglichst nah einander anzugleichen.
Der Frequenzschieber 11 kann als sogenannter akustooptischer Frequenzschieber (AOM) ausgestaltet sein. Er dient primär dazu, die Frequenz beziehungsweise das Frequenzspektrum der Strahlung der ersten Lichtquelle 3 zu verschieben, um zu verhindern, dass die Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Lichtquellen und damit die Frequenz des beobachteten Schwebungssignals sehr nahe an 0 Hz oder bei dem halben Abstand der Moden der ersten Lichtquelle und damit für die Auswertung unbrauchbar wird. Mittels des variablen Polarisationsstellers 36 kann die Polarisation der Strahlung der ersten Lichtquelle 3 an die Polarisation der Strahlung der zweiten Lichtquelle 4 angeglichen werden, um auch durch diese Maßnahme den Kontrast des Schwebungssignals zu vergrößern.
Jede der drei optischen Komponenten, d. h. der Abschwächer oder Verstärker 34, der Frequenzschieber 35 und der Polarisationssteller 36, sind für sich und in Kombination optional. Zudem müssen sie nicht zwingend im Zweig der Strahlung der ersten Lichtquelle 3 vorgesehen sein, wie in 6 dargestellt. Denkbar wäre es vielmehr, dass eine oder mehrere dieser Komponenten 34 bis 36 auch im Pfad des Lichts der zweiten Lichtquelle 4 angeordnet sind, d. h. entlang der zweiten Eingangsfaser 25. Möglich wäre es auch, dass einige der Komponenten in einem Eingangszweig 24, 25 und andere der Komponenten im anderen Eingangszweig 25, 24 angeordnet sind, also beispielsweise ein Abschwächer 34 und ein Frequenzschieber 35 entlang der ersten Eingangsfaser 24 und ein Polarisationssteller 36 entlang der zweiten Eingangsfaser 25. Ebenso wäre es denkbar, dass sowohl entlang der ersten Eingangsfaser 24, als auch entlang der zweiten Eingangsfaser 25 jeweils mindestens ein variable Abschwächer und/oder mindestens ein variabler Verstärker 34 vorgesehen sind.
Darüber hinaus ist sowohl eine Variante möglich, bei der sich alle oder ein Teil der Komponenten 34 bis 36 innerhalb der fasergekoppelten Koppel- und Filteranordnung 5 befinden, als auch Varianten, bei denen sich einige oder alle der Komponenten 34 bis 36 außerhalb der Koppel- und Filteranordnung 5 befinden, also beispielsweise zwischen den jeweiligen Lichtquellen 3, 4 und der Koppel- und Filteranordnung 5. Wichtig ist darüber hinaus, dass ein Abschwächer oder Verstärker 34, ein Frequenzschieber 35 und/oder ein Polarisationssteller 36 auch in jedem anderen Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnungen gemäß den 2 bis 4 vorgesehen sein können, wobei ebenfalls die vorstehend geschilderten, unterschiedlichen Möglichkeiten zum Anordnen solcher Komponenten 34 bis 36 bestehen.
7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Koppel- und Filteranordnung 5, wobei hier auch der dieser Koppel- und Filteranordnung 5 zugeordnete Detektor 11 zum Erzeugen eines elektrischen Schwebungssignals dargestellt ist. Dieses Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnung entspricht dem in 6 gezeigten fünften Ausführungsbeispiel – bis darauf, dass die Baugruppe mit dem zweiten Anschluss 7 zum Einkoppeln des Lichts der zweiten Lichtquelle 4, dem zweiten Eingangsport 25 und dem ersten Faserkoppler 26 den Platz getauscht hat mit der Baugruppe, die den Zirkulator 32 und den reflektierenden Spektralfilter 20 umfasst. Im Unterschied zur Situation in 6 wird in der Koppel- und Filteranordnung 5 gemäß 7 folglich das Multimoden-Spektrum der ersten Lichtquelle 3 zuerst über den Zirkulator 32 dem Filter 20 zugeführt, bevor nur der spektral gefilterte Anteil dieses Multimoden-Spektrums über den Zirkulator 32 dem Faserkoppler 26 zugeführt und dort mit dem Licht der zweiten Lichtquelle 4 überlagert wird. Das an den faseroptischen Ausgängen 20a und 26a hinter dem Spektralfilter 20 bzw. hinter dem Faserkoppler 26 austretende Licht kann entweder verworfen oder für beliebige andere Zwecke verwendet werden.
8 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Koppel- und Filteranordnung 5. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem in 4 dargestellten, dritten Ausführungsbeispiel der Koppel- und Filteranordnung 5, bis auf die folgenden Änderungen:

a) Der transmittive Spektralfilter 28 für das Multimoden-Spektrum der ersten Lichtquelle 3 befindet sich nicht mehr hinter dem Faserkoppler 26, sondern im Eingangspfad 24 zwischen dem ersten Anschluss 6 und dem Faserkoppler 26. Im Faserkoppler 26 wird also das Licht der zweiten Lichtquelle 4 mit dem bereits spektral gefilterten Licht der ersten Lichtquelle 3 überlagert.
b) Im ersten Eingangspfad 24 sind zudem zwischen dem ersten Anschluss 6 und dem Spektralfilter 28 hintereinander ein variabler Verstärker oder Abschwächer 34, ein Frequenzschieber 35 und ein Polarisationssteller 36 vorgesehen, um das Licht der ersten Lichtquelle 3 in seiner Amplitude, seiner Frequenz und/oder seiner Polarisation einstellen oder verändern zu können. Jedes der drei Elemente 34 bis 36 ist für sich und in Kombination optional.

9 zeigt eine weitere Variante der Erfindung, bei der hintereinander zwei kaskadierte Koppel- und Filteranordnungen 5, 5' angeordnet sind. Jede der beiden Koppel- und Filteranordnungen 5, 5' entspricht ihrerseits der in 8 gezeigten Koppel- und Filteranordnung 5. Jede der beiden Koppel- und Filteranordnungen 5, 5' verfügt also jeweils über einen ersten Anschluss 6, 6' und einen zweiten Anschluss 7, 7'. Die Kaskadierung der beiden Koppel- und Filteranordnungen 5, 5' erfolgt, indem ein optischer Ausgang 29 der ersten Koppel- und Filteranordnung 5 zum ersten Eingang 6' der zweiten Koppel- und Filteranordnung 5' geführt ist. Der Ausgang 29 der ersten Koppel- und Filteranordnung 5 ist dabei eine den transmittiven Spektralfilter 28 verlassende und nicht zum Detektor 11 der ersten Koppel- und Filteranordnung 5 führende Faser. Sie führt idealerweise den gesamten Spektralanteil des Multimoden-Spektrums der ersten Lichtquelle 3, der vom Spektralfilter 28 nicht in Richtung des Detektors 11 geleitet wird, um dort mit dem Licht der zweiten Lichtquelle 4 ein Schwebungssignal zu erzeugen.
Der transmittive Spektralfilter 28' der zweiten Spektral- und Filteranordnung 5' ist dazu konfiguriert, aus diesem verbleibenden Spektralanteil wiederum einen schmalbandigen, beispielsweise mono-modigen Spektralanteil herauszufiltern. Dieser gelangt über eine optische Faser 27' auf einen faseroptischen Koppler 26' und wird dort mit dem Licht einer weiteren Referenzlichtquelle 4' überlagert. Das Licht dieser weiteren Referenzlichtquelle 4' wird über den zweiten Anschluss 7' in die zweite Koppel- und Filteranordnung 5' eingestrahlt. In einem konkreten Beispiel könnte es sich bei der ersten Lichtquelle 3 um einen Frequenzkammgenerator handeln, bei der zweiten Lichtquelle 4 um einen Nd:YAG-Laser bei einer Wellenlänge von 532 nm, und bei der weiteren Lichtquelle 4' um einen HeNe-Laser bei einer Wellenlänge von 543 nm. Auf den beiden Detektoren 11, 11' der kaskadierten Koppel- und Filteranordnungen 5, 5' können auf diese Weise zwei elektrisch Schwebungssignale unterschiedlicher Frequenzen erzeugt werden.
Eine Kaskadierung zweier Koppel- und Filteranordnungen 5, 5' zum Erzeugen zweier Schwebungssignale unterschiedler Frequenzen aus dem Licht einer einzigen Multimoden-Lichtquelle 3 ist auch mit den anderen Ausführungsvarianten der Koppel- und Filteranordnungen 5 möglich. Um dabei nicht das Licht der ersten Referenzlichtquelle 4 in die zweite Koppel- und Filteranordnung 5' einzustrahlen, bietet es sich an, entweder einen Filter zum Herausfiltern des Lichts dieser ersten Referenzlichtquelle 4 zwischen den beiden Koppel- und Filteranordnungen 5, 5' einzufügen, oder aber nur das bereits spektral gefilterte, aber noch nicht mit dem Licht der Referenzlichtquelle 4 überlagerte Licht der ersten Lichtquelle 3 von der ersten Koppel- und Filteranordnung 5 in die zweite Koppel- und Filteranordnung 5' zu führen, oder aber sogar das noch nicht gefilterte Licht der ersten Lichtquelle 3. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 stünde in der Ausgangsfaser 29a hinter dem ersten Faserkoppler 22 das noch nicht gefilterte, ursprüngliche Spektrum der ersten Lichtquelle 3 zur Verfügung, während in der Ausgangsfaser 29b hinter dem reflektierenden Spektralfilter 20 der bei der spektralen Filterung transmittierte, überschüssige Bereich des Spektrums der ersten Lichtquelle 3 zu Verfügung steht. Jede der beiden Ausgangsfasern 29a, 29b der Koppel- und Filteranordnung 5 gemäß 3 könnte daher zu einem ersten Anschluss bzw. Port 6' einer zweiten Koppel- und Filteranordnung 5 führen.
Denkbar wäre es auch, in dieser Weise noch mehr als zwei Koppel- und Filteranordnungen hintereinander zu schalten bzw. zu kaskadieren, um aus dem Licht der Multimoden-Lichtquelle 3 noch mehr als zwei Schwebungssignale unterschiedlicher Frequenzen zu generieren.
Ausgehend von den dargestellten Ausführungsbeispielen können das erfindungsgemäße System 1 beziehungsweise die Koppel- und Filteranordnung 5 auch noch auf andere Weise verändert werden. Denkbar wäre beispielsweise der Einsatz einer sogenannten „balanced detection” am Detektor 11, um Rauschen zu unterdrücken. Die „balanced detection” ist aus der DE 196 33 428 A1 bekannt, auf deren diesbezügliche Offenbarung hier explizit verwiesen wird. Durch (mechanische) Dehnung der Faserbragggitter 20 könnte die spektral gefilterte Frequenz abgestimmt werden. Dies könnte im Betrieb des Systems 1 gegebenenfalls variabel geschehen. Als Polarisationssteller 36 sind insbesondere fasergekoppelte Polarisationsstellelemente sinnvoll. Dabei kann es sich um sogenannte Faserquetscher (mechanisch oder piezobetrieben) oder um mechanisch-geometrische Polarisationssteller handeln. Statt eines fasergekoppelten Abschwächers oder Verstärkers 34 könnte auch ein faseroptischer Koppler 17, 23, 26 mit einem einstellbaren Überkoppelverhältnis verwendet werden. Dieser könnte dadurch realisiert werden, dass in ihm zwei verjüngte optische Fasern (sogenannte Taper) in einen variablen Abstand zueinander gebracht werden.
Bei den faseroptischen Kupplern kann es sich um Schmelzkoppler (Fiber splitter oder fiber combiner), um faseroptische Kuppler mit internen mikrooptischen Komponenten oder um Polarisationsfaserkoppler handeln.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1988435 A1 [0003]
US 2008/0285608 A1 [0003]
DE 102004037549 A1 [0005]
US 2003/0223757 A1 [0006]
JP 02257026 A [0007, 0007]
DE 19633428 A1 [0007, 0007, 0073]
US 2006/0251424 A1 [0008]
DE 10044404 A1 [0009]
DE 102005035173 A1 [0009]
DE 19911103 B4 [0009]
EP 1372275 B1 [0009]
DE 19911193 A1 [0011, 0013]
EP 1161782 B1 [0011, 0013]
DE 10044404 C2 [0011, 0013]
DE 102007025037 B3 [0014]
DE 102008062139 A1 [0014]
DE 102004022037 A1 [0014]
EP 1258718 A1 [0014]
JP 06130247 A [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Reichert et al., Optics Communications 172, 59–68 (1999) [0015]

Claims

System (1) zum Erzeugen eines Schwebungssignals, umfassend: – eine erste Lichtquelle (3) mit einem Multimoden-Spektrum, – eine zweite Lichtquelle (4), – mindestens eine Koppel- und Filteranordnung (5) mit einem ersten Anschluss (6) zum Einkoppeln von Licht von der ersten Lichtquelle (3) sowie einem zweiten Anschluss (7) zum Einkoppeln von Licht von der zweiten Lichtquelle (4), – einen Detektor (11), dem von der Koppel- und Filteranordnung (5) Licht der ersten Lichtquelle (3) und Licht der zweiten Lichtquelle (4) zuführbar ist, wobei die Koppel- und Filteranordnung (5) aufweist: – einen Spektralfilter (20, 28) zum Herausfiltern einer oder mehrerer Moden aus dem Multimoden-Spektrum der ersten Lichtquelle (3) und – einen ersten faseroptischen Koppler (17, 23, 26) zum Koppeln des Lichts der zweiten Lichtquelle (4) und von Licht der ersten Lichtquelle (3), wobei ferner die Koppel- und Filteranordnung (5) faseroptisch konfiguriert ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (11) faseroptisch an die Koppel- und Filteranordnung (5) gekoppelt ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralfilter einen reflektierenden Spektralfilter (20) umfasst, insbesondere ein Faserbragggitter, FBG.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralfilter einen transmittierenden Spektralfilter (28) umfasst, insbesondere einen Wavelength Division Multiplexer oder einen OADM.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppel- und Filteranordnung (5) einen optischen Zirkulator (32) aufweist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Zirkulator (32) zwischen dem ersten faseroptischen Koppler (26) und dem Spektralfilter (20) sowie zwischen dem Spektralfilter (20) und dem Detektor (11) angeordnet ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum ersten faseroptischen Koppler (17, 23) ein zweiter faseroptischer Koppler (19, 22) vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang des optischen Zirkulators (32) oder des zweiten faseroptischen Kopplers (19, 22) zum Spektralfilter (20) führt.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Anschluss (7) und dem Detektor (11) nur ein einziger faseroptischer Koppler (23) angeordnet ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein variabler Abschwächer (34) und/oder ein variabler Verstärker (34) vorgesehen sind.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Frequenzschieber (35) vorgesehen ist, vorzugsweise ein akustooptischer Frequenzschieber (35).
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Polarisationssteller (36) vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein variabler Abschwächer (34), ein variabler Verstärker (34), ein Frequenzschieber (35) und/oder ein Polarisationssteller (36) für Licht der ersten Lichtquelle (3) und/oder Licht der zweiten Lichtquelle (4) vorgesehen sind.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein variabler Abschwächer (34), ein variabler Verstärker (34), ein Frequenzschieber (35) und/oder ein Polarisationssteller (36) vor einem der ersten oder zweiten Anschlüsse (6, 7) oder innerhalb der Koppel- und Filteranordnung (5) angeordnet sind.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Koppel- und Filteranordnung polarisationserhaltende Fasern vorhanden sind.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (11, 11') für eine „balanced detection” konfiguriert ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (13) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, die erste oder die zweite Lichtquelle (3, 4) unter Verwendung des erzeugten Schwebungssignals auf einen festen, gegenseitigen Frequenzabstand zu stabilisieren,
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Koppel- und Filteranordnungen (5, 5') vorgesehen sind, wobei jeder Koppel- und Filteranordnung (5, 5') eine eigene Referenzlichtquelle (4, 4') zugeordnet ist.