DE10202759B4

DE10202759B4 - Echtzeit-wellenlängenkalibrierung für abstimmbare laser

Info

Publication number: DE10202759B4
Application number: DE10202759A
Authority: DE
Inventors: Duwayne R. Anderson
Original assignee: Thorlabs Inc
Current assignee: Thorlabs Inc Newton New Jersey Us
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: DE10202759A1; US6570894B2; US20020131045A1; CN1369694A; JP2008070385A; JP2002305340A; JP4477282B2; CN1262825C; JP4722110B2

Abstract

Echtzeit-Wellenlängenkalibrierungssystem für einen abstimmbaren Laser (12) mit:
einer Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das mit der optischen Wellenlänge des abstimmbaren Laser zyklisch ist, aus einem abstimmbaren optischen Ausgangssignal des abstimmbaren Lasers über einen definierten optischen Wellenlängenbereich, so dass die jedem Punkt des elektrischen Signals entsprechende Wellenlänge genau bekannt ist; und
einer Einrichtung zum Bereitstellen einer Kalibrierungsreferenz für das elektrische Signal aus dem abstimmbaren optischen Ausgangssignal unter Verwendung von bekannten Spektralabsorptionslinien.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft abstimmbare Laser und insbesondere eine Echtzeit-Wellenlängenkalibrierung für abstimmbare Laser mit Pikometergenauigkeit.
Photonische Netzwerke haben eine virtuelle Explosion in der Komplexität erfahren, da immer leistungsfähigere Komponenten kommerziell erhältlich werden. Viele dieser Komponenten sind aktiv, wie z.B. Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) und mit Erbium dotierte Faserverstärker (EDFAs). Andere Komponenten sind passiv, wie z.B. Multiplexer/Demultiplexer und Faser-Bragg-Gitter (FBGs). Häufig ist die am stärksten interessierende Eigenschaft dieser passiven Komponenten ihre spektrale Durchlässigkeit und/oder ihr spektrales Reflexionsvermögen.

Um die Spektraleigenschaften von passiven optischen Komponenten zu messen, hat sich die Industrie für zwei verschiedene verfahren entschieden. Eines verwendet eine Breitband-(spektral helle) Quelle, um die Komponente am Eingang zu beleuchten, und misst den Spektralgehalt des Lichts, das entweder durchgelassen oder reflektiert wird, unter Verwendung eines optischen Spektumanalysators (OSA). Eine messtechnische Variante stellt ein scannendes Michelson-Interferometer dar, dessen Wellenlängenkalibrierung mittels eingebautem Referenz-Laser oder wie in DE 41 07 549 A1 durch eingefügte Materialien mit bekanntem Absorptionsspektrum erfolgen kann.

Das andere Verfahren verwendet einen abstimmbaren Laser als Eingangssignal in die passive Komponente und einen Breitbanddetektor wie z.B. einen Leistungsmesser am Ausgang. Wenn sich die Wellenlänge des Lasers ändert, wie von einem Wellenlängenmesser gemessen, zeichnet der Leistungsmesser Intensitäts unterschiede auf und misst somit die wellenlängenabhängige Durchlässigkeit oder das wellenlängenabhängige Reflexionsvermögen der Komponente.

Von diesen zwei Verfahren bietet der abstimmbare Laser die beste spektrale Auflösung und den besten Dynamikbereich. Aufgrund dessen wird weitverbreitet angenommen, dass das Verfahren mit dem abstimmbaren Laser das am wahrscheinlichsten erfolgreiche ist, obwohl dennoch Probleme bleiben. Eines der bedeutendsten Probleme besteht darin, eine schnelle und dennoch genaue Wellenlängenkalibrierung zu erzielen. Die allgemeinste Konfiguration für diesen Test verknüpft den abstimmbaren Laser mit einem Standard-Wellenlängenmesser, der auf einem Michelson-Interferometer basiert. In diesem Szenario inkrementiert der Laser seine Wellenlänge und stoppt. Der Leistungsmesser liest die optische Leistung und der Wellenlängenmesser misst die Wellenlänge, und der Prozess wiederholt sich.

Das Hauptproblem für dieses Szenario ist die Zeit, die zum Messen der Wellenlänge mit dem Wellenlängenmesser erforderlich ist. Ein typisches Michelson-Interferometer benötigt viele tausend Interferenzringe, um eine genaue Wellenlängenmessung durchzuführen. Das Abtasten dieser vielen Interferenzringe könnte mehr als 50 Millisekunden zur Erfassung dauern. Dann muss der Wellenlängenmesser die schnelle Fourier-Transformation (FFT) der Interferenzringe durchführen und die Wellenlänge berechnen – ein Prozess, der beispielsweise weitere 50 Millisekunden dauern könnte. In dieser Darstellung dauert es etwa 0,1 Sekunden, um die Wellenlänge des abstimmbaren Lasers zu messen.

Wenn die Spektraleigenschaften einer passiven Komponente über einen Bereich von 2 Nanometern (2000 Pikometern) getestet werden und die Wellenlänge in Schritten von 2 Pikometern wei tergeschaltet wird, wird der Laser 1000mal schrittweise positioniert und jeder Schritt erfordert 0,1 Sekunden, um die Wellenlängenkalibrierung durchzuführen. Die gesamte Testzeit beträgt etwa 100 Sekunden oder 1,67 Minuten. Das Abtasten mit einer Auflösung von 1 Pikometer verdoppelt die Zeit und, wenn die Abtastung über einen Bereich von 20 Nanometern ausgedehnt wird, nimmt die Zeit noch einmal zehnfach zu. Eine Abtastung in einem Bereich von 100 Nanometern würde 2,78 Stunden benötigen! Das Testen von Hunderten oder Tausenden solcher passiven Komponenten führt dazu, daß die Teststation zu einem Engpaß wird, der die Produktionsraten begrenzt. Nach der Kalibrierung des Lasers am Beginn einer Verwendungsperiode, wird der Laser für eine Zeitspanne bis zur nächsten Neukalibrierung ohne den Wellenlängenmesser verwendet. Die Ergebnisse sind nicht so genau wie die Kalibrierung vor jedem Durchlauf, aber es ist ein Kompromiss zwischen der zur Kalibrierung erforderlichen Zeit und der gewünschten Genauigkeit der Ergebnisse.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Wellenlänge eines abstimmbaren Lasers schnell und mit großer Genauigkeit zu messen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Echtzeit-Wellenlängenkalibrierungssystem für abstimmbare Laser mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren zur Echtzeit-Wellenlängenkalibrierung für einen abstimmbaren Laser mit den Merkmalen von Patentanspruch 10

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Folglich stellt die vorliegende Erfindung eine Wellenlängenkalibrierung fast in Echtzeit für abstimmbare Laser durch Erzeugen eines elektrischen Signals, das mit der Wellenlänge zyklisch ist, aus dem abstimmbaren optischen Ausgangssignal und durch Kalibrieren des elektrischen Signals unter Verwen dung von bekannten Absorptionslinien innerhalb eines definierten Bereichs von Wellenlängen bereit. Eine Möglichkeit zum Kalibrieren der abstimmbaren Laser besteht darin, das abstimmbare optische Ausgangssignal in einen Polarisator einzuspeisen, der an einem Ende mit einem stark doppelbrechenden Faserabschnitt gekoppelt und in fünfundvierzig Grad zu den Eigenmoden desselben orientiert ist. Das andere Ende der stark doppelbrechenden Faser ist mit einem Polarisationsstrahlteiler gekoppelt, der die orthogonal polarisierten Moden aufspaltet. Die Ausgangssignale aus dem Strahlteiler werden erfaßt und die elektrischen Ausgangssignale werden zusammengesetzt, um das zyklische elektrische Signal zu bilden. Eine weitere Möglichkeit zum Erzeugen des zyklischen elektrischen Signals besteht darin, das abstimmbare optische Ausgangssignal in ein unsymmetrisches Interferometer mit einem Paar von ungleichen Weglängen einzuspeisen. Die Ausgangssignale aus den zwei Wegen werden über einen Koppler in einen optischen Empfänger eingespeist, um das zyklische elektrische Signal zu erhalten. Für beide Wege entspricht irgendein Punkt am zyklischen elektrischen Signal genau der Wellenlänge des abstimmbaren optischen Ausgangssignals an diesem Punkt. In einem parallelen Weg empfängt eine Gasabsorptionszelle, die ein Gas mit bekannten Spektralabsorptionslinien innerhalb des definierten Bereichs von Wellenlängen enthält, das abstimmbare optische Ausgangssignal und die Spektrallinien werden von einem Detektor erfasst, um Kalibrierungsreferenzen für das zyklische elektrische Signal bei bekannten Wellenlängen zu erzeugen. Andere Punkte an dem zyklischen elektrischen Signal werden durch Interpolation zwischen den bekannten Kalibrierungsreferenzen auf der Basis der Phasendifferenz zwischen bekannten Spektrallinien und der Phasendifferenz zwischen der ersten bekannten Spektrallinie zum gewünschten Punkt kalibriert.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den angehängten Ansprüchen und der beigefügten Zeichnung gelesen wird, ersichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
1 ist eine Blockdiagrammansicht eines Echtzeit-Wellenlängenkalibrierungssystems für einen abstimmbaren Laser gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Blockdiagrammansicht einer Schleife polarisationserhaltender Faser zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das mit der abgestimmten Laserwellenlänge zyklisch ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Blockdiagrammansicht eines Interferometers zum Erzeugen des elektrischen Signals, das mit der abgestimmten Laserwellenlänge zyklisch ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine graphische Ansicht eines sinusförmigen Ausgangssignals aus dem Generator für das zyklische elektrische Signal gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Kurvenansicht des sinusförmigen Ausgangssignals, das mit bekannten Absorptionsspektrallinien überlagert ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf 1 liefert ein abstimmbarer Laser 12 ein abstimmbares optisches Ausgangssignal zu einem ersten Koppler 14, der das abstimmbare optische Ausgangssignal zu einem Frontplatten-Verbindungsstecker und zu einem zweiten Koppler 16 liefert. Der zweite Koppler 16 liefert das abstimmbare optische Ausgangssignal zu einem optisch-elektrischen Signalwandler 17, wo das abstimmbare optische Ausgangssignal in ein ungefähr sinusförmiges zyklisches elektrisches Signal umgewandelt wird. Eine Form des optisch-elektrischen Signalwandlers 17 ist in 2 gezeigt, wo das abstimmbare optische Ausgangssignal aus dem Koppler 16 über einen Polarisator 18 in einen Abschnitt einer stark doppelbrechenden (HiBi) Faser 20 eingespeist wird, die zum Erhalten des Polarisationszustandes konzipiert ist. Der Polarisator 18 ist so orientiert, daß er bezüglich der Eigenmoden oder Polarisationsachsen der HiBi-Faser 20 im Winkel vom 45° liegt. Am entgegengesetzten Ende der HiBi-Faser 20 befindet sich ein Polarisationsstrahlteiler 22, der ebenfalls im Winkel von 45° bezüglich der Polarisationsachsen der HiBi-Faser orientiert ist. Die HiBi-Faser 20 in Verbindung mit dem Eingangspolarisator 18 und dem Ausgangs-Polarisationsstrahlteiler 22 mit zwei Detektoren 24, 26, die die Ausgangssignale aus dem Teiler empfangen, ruft ein elektrisches Signal hervor, das sich zyklisch mit der Wellenlänge verändert und eine Periode von etwa 80 Pikometern in Abhängigkeit von der Länge der HiBi-Faser aufweist.
Eine weitere Möglichkeit zum Implementieren des optisch-elektrischen Signalwandlers 17, die einfacher und stabiler ist und weniger Rauschen einführt, besteht darin, das abstimmbare optische Signal vom Koppler 16 in ein Interferometer 19 einzuspeisen, wie in 3 gezeigt. Das Interferometer 19 weist ein Paar von Wegen 21, 23 mit ungleichen Längen auf – unsymmetrisch – so dass der freie Spektralbereich (FSR) beispielsweise ungefähr 80 Pikometer beträgt. Das aus dem Interferometer 19 ausgegebene optische Signal wird in einen optischen Empfänger 27 eingegeben. Das Ausgangssignal aus dem optischen Empfänger 27 ist ein elektrisches Signal, das sich zyklisch mit der Wellenlänge mit einer Periode in der Größenordnung von 80 Pikometern in Abhängigkeit von der Differenz der Längen der Wege 21, 23 ändert.
Wenn man sich nun wieder 1 zuwendet, empfängt auch eine Gasabsorptionszelle 28 das abstimmbare optische Ausgangssignal vom zweiten Koppler 16 und liefert das Ausgangssignal zu einem weiteren Detektor 30, um Kalibrierungsreferenzen für das zyklische elektrische Signal, das vom optisch-elektrischen Signalwandler 17 erzeugt wird, bereitzustellen. Zusammen ermöglichen diese eine genaue Echtzeit-Pikometerkalibrierung der Wellenlänge des Ausgangssignals des abstimmbaren Lasers 12.
Die Methode der Kalibrierung ist zweifach:

(1) Erzeugen eines elektrischen Signals, das mit der Wellenzahl zyklisch ist, aus dem abstimmbaren optischen Signal, wie wenn ein Encoder mit der Wellenlänge verbunden ist; und
(2) Kalibrieren des zyklischen elektrischen Signals unter Verwendung von bekannten Spektralabsorptionslinien von der Gasabsorptionszelle 28.

Um zu sehen, wie die optischen Polarisationskomponenten 18, 22 und die HiBi-Faser 20 das zyklische elektrische Signal erzeugen, wenn sich die Wellenlänge ändert, betrachte man die Jones-Matrixdarstellung des optischen Systems, wie in 2 dargestellt. Die Jones-Matrix für das Licht, das in die HiBi-Faser 20 nach Durchgang durch den Polarisator 18 eingespeist wird, ist
Die Jones-Matrix für die HiBi-Faser 20 ist
wobei λ die Wellenlänge des Lichts ist, φ'(λ) die Hälfte der gesamten Phasenverzögerung zwischen der schnellen und der langsamen Achse in der HiBi-Faser 20 ist und θ der Winkel zwischen dem Eingangspolarisationszustand und der schnellen Achse der HiBi-Faser ist. Die Jones-Matrix für den Polarisationsstrahlteiler 22 ist
für ein Ausgangssignal und
für das andere Ausgangssignal. Nach Kombinieren der obigen Gleichungen ist das elektrische Feld am ersten Zweig des Polarisationsstrahlteilers 22
Das Entwickeln dieser Gleichung, Multiplizieren mit ihrer konjugiert komplexen Zahl, Setzen von θ=45° und Vereinfachen erzeugt Pout1 = E2 cos (φ'(λ))2
Ebenso für das zweite Ausgangssignal aus dem Polarisationsstrahlteiler 22
und Pout2 = E2 sin (φ'(λ))2
Die Summe der zwei Ausgangsgleichungen ist gleich Eins, was die Annahme von verlustfreien idealen optischen Komponenten hier darstellt. Da die Detektoren 24, 26 Quadratfunktionsdetektoren sind, ist der elektrische Strom zur optischen Leistung proportional. Ein zusammengesetztes Signal wird durch Subtrahieren der Detektorströme und dann Dividieren durch ihre Summe gebildet. Sig = (Pout1-Pout2)/(Pout1+Pout2) = (E2cos (φ'(λ))2- E2sin (φ'(λ))2)/(E2cos (φ'(λ))2+ E2sin(φ'(λ))2) = 2 cos (φ'(λ))2-1
Dies stellt eine wünschenswerte Situation dar, da das Ausgangssignal nun normiert ist mit Werten, die sich sinusförmig zwischen +1 und -1 ändern. Die Phasenverzögerung zwischen der schnellen und der langsamen Achse der HiBi-Faser 20 ist φ(λ) = 2πLΔn/λ wobei L die physikalische Länge der Faser ist, Δn die Differenz zwischen dem Index der schnellen Achse und dem Index der langsamen Achse ist und λ die Wellenlänge des Lichts im Vakuum ist. Wenn man sich daran erinnert, daß φ'(λ) = 0,5 φ(λ) gilt, und durch Definieren der Wellenzahl k als k = 2π/λ, erzeugt das Einsetzen in die Gleichung für Sig Sig = 2cos(LkΔn/2)2 – 1
Wenn als Funktion der Wellenzahl aufgetragen, ist das zusammengesetzte Ausgangssignal sinusförmig mit einer Periode K = 2π/LΔn.
4 stellt das zusammengesetzte Signal 32 für ein Stück der HiBi-Faser 20, das 50 Meter lang ist und eine Differenz von 0,000388 zwischen dem Index der schnellen und der langsamen Achse in der Faser aufweist, dar. Der FSR für diese Konfiguration beträgt ungefähr 3,239 cm^-1, etwa 0,124 Nanometer bei einer Wellenlänge von 1550 Nanometern. Beim Abtasten des Lasers über 100 Nanometer gibt es ungefähr 800 Zyklen. Ein vergleichbares Signal wird vom optischen Empfänger 27 unter Verwendung des in 3 gezeigten Interferometers 19 erzeugt.
Ebenso ist für das Interferometer 19 von 3 die Phasendifferenz zwischen den zwei Wegen 21, 23 ungefähr φ = 2πΔLn/λ, wobei ΔL die Differenz der Länge zwischen den Wegen ist. Das Ausgangssignal aus dem Interferometer 19 ist Sig = A₀ ²cos²(πΔLn/λ), wobei A₀ ² das in das Interferometer eingespeiste Signal ist. Daher ist das Ausgangssignal des Interferometers 19 als Funktion der Wellenzahl (1/λ) eine einfache Sinus-Quadrat-Funktion.
Wenn man die genaue Länge der Faser 20 sowie die Differenz des Index zwischen den Eigenmoden kennt, oder die Differenz der Längen der zwei Wege 21, 23 des Interferometers 19 kennt, muß nur ein einziger Punkt an der Wellenform kalibriert werden, wonach irgendeine andere Wellenlänge durch Zählen von Zyklen kalibriert werden kann. Die Länge der Faser 20 oder der Wege 21, 23 ändert sich jedoch mit den Umgebungsbedingungen – hauptsächlich Temperatur – und Δn ändert sich sowohl mit den Umgebungsbedingungen als auch der Wellenlänge. Diese Änderungen können unter anderen Bedingungen nicht groß sein, aber wenn auf Nanometergenauigkeit kalibriert wird, können diese Effekte nicht ignoriert werden.
Genau dort spielt der zweite Zweig des zweiten Kopplers 16 eine Rolle. Der zweite Zweig weist die Gasabsorptionszelle 28 auf, die beispielsweise Acetylen oder Cyanwasserstoffsäure enthält. Diese Gase weisen viele Absorptionslinien nahe optischen Wellenlängen von 1550 Nanometern auf und sind zur Kalibrierung von Quellen, die in der Telekommunikation verwendet werden, ideal. 5 stellt dar, wie die Absorptionsspektren 34 verwendet werden können, um die zyklische Wellenform 32 von 4 zu kalibrieren. In diesem Beispiel wird die Wellenlänge eines Abtastwerts 36, der durch den Stern angegeben ist, bestimmt.
Wenn der abstimmbare Laser 12 die Wellenlänge durchstimmt, besteht eine gewisse Art Indikator, die mit der Laserposition korreliert. Dieser Indikator können Schritte von einem Schrittmotor, der zum Drehen eines Gitters im abstimmbaren Laser 12 verwendet wird, oder ein gewisses anderes ähnliches Signal sein. Die horizontale Achse in 5 stellt dieses Signal vom Inneren des abstimmbaren Lasers 12 dar. Wenn sich dieses Signal ändert, ändert sich die Laserwellenlänge in unbekannter Weise, obwohl sie hoffentlich so ausgelegt ist, daß sie so linear wie möglich ist. Diese Änderungen der Wellen länge führen zu der sich ungefähr sinusförmig verändernden zyklischen Wellenform 32 vom optisch-elektrischen Signalwandler 17 sowie Änderungen der optischen Leistung aufgrund der Absorption in der Gasabsorptionszelle 28. Die Absorptionslinien 34 befinden sich bei bekannten Wellenlängen und, da sie durch die Koordinaten entlang der horizontalen Achse der zyklischen Wellenform 32 zugeordnet sind, können sie zum Kalibrieren der zylindrischen Wellenform verwendet werden.
Man nehme an, daß k1_bekannt und k2_bekannt zwei bekannte Wellenzahlen darstellen, wie von den Stellen der Absorptionsspektren 34 bestimmt. Man nehme an, daß Δφ₁ die Phase zwischen diesen zwei bekannten Wellenzahlen ist, wie durch die zyklische Wellenform 32 festgelegt. In dem Beispiel von 5 weist die am weitesten linke Absorptionslinie 34 eine Wellenlänge von 1531,588 Nanometern auf und die nächste Absorptionslinie nach rechts weist eine Wellenlänge von 1530,976 Nanometern auf, entsprechend den Linien P(11) und P(10) in Acetylen. Durch Untersuchen der zyklischen Wellenform trennen 11,19 Zyklen die zwei Kalibrierungswellenlängen. Indem man Δφ₂ als Phasendifferenz zwischen der ersten bekannten Wellenzahl von den Absorptionslinienspektren 34 und der unbekannten Wellenzahl, die erwünscht ist, definiert, wird die Wellenzahl k_unbekannnt an der Stelle des Abtastwerts 36 ermittelt. kunbekannt = k1bekannt + Δφ2 ((k2bekannt – k1bekannt)/ Δφ1)
Für k1_bekannt = 41023,991 cm^-1, k2_bekannt = 41040,391 cm^-1, Δφ₁ = 11,19·2π und Δφ₂ = 5,14·2π, das von den Phasendifferenzen in 5 abgelesen wird, ist dann die unbekannte Wellenzahl des Abtastwerts 36 41031,524 cm^-1, was 1531,307 Nanometer ist. Unter Verwendung dieses Algorithmus kann die Wellenzahl und somit die Wellenlänge jedes Punkts in der zyklischen Wellenform 32 kalibriert werden, was bedeutet, daß die Wellenlänge bei jedem Schritt im Durchlauf des abstimmbaren Lasers 12 kalibriert werden kann.
Um den Kalibrierungsfehler abzuschätzen, ist die Differenz zwischen den bekannten Wellenzahlen mit großer Genauigkeit bekannt, typischerweise ein Fehler von weniger als einem Pikometer, was bedeutet, daß der Fehler, der sich aus der Berechnung der unbekannten Wellenzahl ergibt, von dem Abstand zwischen den Absorptionslinien 34, die für die Kalibrierung verwendet werden, und der Unsicherheit, mit der Phasen gemessen werden können, abhängt. Es existieren Verfahren zum Messen von Phasen mit großer Genauigkeit und der Abstand zwischen den Absorptionslinien 34 in Acetylen- und Cyanwasserstoffsäure-Zellen liegt in der Größenordnung von 0,5 Nanometern. Somit hält der dargestellte Algorithmus das Potential für absolute Kalibrierungsfehler in der Größenordnung von einem Pikometer. Der Algorithmus ist am genauesten, wenn zwischen den Absorptionslinien 34 interpoliert wird, aber er ist ebenso auch bei der Extrapolation angemessen genau, solange sich die zyklischen Eigenschaften des elektrischen Signals nicht stark mit der extrapolierten Wellenzahl oder während der Zeit, die zum Durchführen des Durchlaufs erforderlich ist, ändern.
Die optimale Genauigkeit hängt davon ab, daß der abstimmbare Laser 12 so schnell wie möglich seine Wellenlänge durchstimmt, während angemessene Rauschabstände (SNRs) in den Detektoren 24, 26, 30 und der Empfängerschaltung aufrechterhalten werden. Der optische Verlust zwischen dem abstimmbaren Laser 12 und diesen Detektoren 24, 26, 30 sollte relativ niedrig sein, in der Größenordnung von 10 dB oder weniger. Dies bedeutet, daß, wenn das Ausgangssignal des Lasers 1 dBm ist, dann -10 dBm an den Detektoren vorliegen sollten. 10 Nanometer in 0,1 Sekunden durchzustimmen, während jeder Pikometer abgetastet wird, erfordert das Sammeln von ungefähr 10000 Abtastwerten in 0,1 Sekunden oder 100k Abtastwerten pro Sekunde. Daher sollte die Bandbreite der Empfängerschaltung in der Größenordnung von 100 kHz liegen. Ein gut ausgelegter Empfänger/Detektor kann eine äquivalente Rauschleistung von – 80 dBm mit mehreren hundert kHz Bandbreite aufweisen, so daß der SNR etwa 70 dB betragen sollte. Dies ist mehr als angemessen für sehr genaue Phasenmessungen, während sogar die Zeit für die größten Wellenlängenbereiche unter einer Sekunde gehalten wird, unter der Annahme, daß der Laser 12 so schnell abstimmen kann.
Wenn die Wellenformen einmal erfaßt sind, werden sie kalibriert. Dies ist jedoch ein einmaliger Prozeß und ist ein relativ einfacher und problemloser Algorithmus, wie vorstehend beschrieben. Einige Sekunden sind wahrscheinlich für die Berechnung angemessen, wenn ein angemessen fähiger Digitaler Signalprozessor (DSP) gegeben ist. Somit kann die Gesamtzeit für einen Abstimmbereich von 30 Nanometern mit einer Auflösung von einem Pikometer und einer Pikometergenauigkeit in weniger als vier oder fünf Sekunden durchgeführt werden, was eine drastische zeitliche Verbesserung gegenüber abstimmbaren Lasern ist, die mit einem Michelson-Interferometer kalibriert werden.
Somit stellt die vorliegende Erfindung einen Echtzeit-Wellenlängenkalibrator für abstimmbare Laser bereit durch Erzeugen einer elektrischen Signalform, die sich zyklisch mit der Wellenlänge für den abstimmbaren Laser ändert, und durch Kalibrieren der zyklischen elektrischen Signalform mit bekannten Absorptionsspektrallinien, so dass ein Punkt an der zyklischen Signalform hinsichtlich seiner Wellenlänge durch Interpolieren zwischen oder Extrapolieren ausserhalb der bekannten Absorptionsspektrallinien genau ermittelt werden kann.

Claims

Echtzeit-Wellenlängenkalibrierungssystem für einen abstimmbaren Laser (12) mit: einer Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das mit der optischen Wellenlänge des abstimmbaren Laser zyklisch ist, aus einem abstimmbaren optischen Ausgangssignal des abstimmbaren Lasers über einen definierten optischen Wellenlängenbereich, so dass die jedem Punkt des elektrischen Signals entsprechende Wellenlänge genau bekannt ist; und einer Einrichtung zum Bereitstellen einer Kalibrierungsreferenz für das elektrische Signal aus dem abstimmbaren optischen Ausgangssignal unter Verwendung von bekannten Spektralabsorptionslinien.
System nach Anspruch 1, wobei die Erzeugungseinrichtung folgendes umfasst: ein unsymmetrisches Interferometer (19) mit zwei optischen Wegen mit ungleicher Länge (21, 23) mit dem abstimmbaren optischen Ausgangssignal (16) aus dem abstimmbaren Laser (12) als Eingangssignal; und eine Einrichtung zum Umwandeln eines optischen Ausgangssignals aus dem unsymmetrischen Interferometer (19) in das zyklische elektrische Signal (27).
System nach Anspruch 1, wobei die Erzeugungseinrichtung folgendes umfaßt: einen Polarisator (18) mit dem abstimmbaren optischen Ausgangssignal (16) aus dem abstimmbaren Laser (12) als Eingangssignal; einen stark doppelbrechenden Abschnitt einer Faser (20), der an einem Ende mit einem Ausgang des Polarisators (18) derart gekoppelt ist, dass der Polarisator (18) in fünfundvierzig Grad bezüglich der Eigenmoden der Faser orientiert ist; einen Polarisationsstrahlteiler (22), der mit dem anderen Ende des stark doppelbrechenden Abschnitts der Faser (20) gekoppelt ist, welcher in fünfundvierzig Grad bezüglich der Eigenmoden der Faser orientiert ist; und ein Paar von Detektoren (24,26), wobei einer mit jedem Ausgang des Polarisationsstrahlteilers gekoppelt ist, um jeweilige elektrische Ausgangssignale zu erzeugen, deren Zusammensetzung das elektrische Signal darstellt.
System nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei die Aordnung folgendes umfasst: eine Gasabsorptionszelle (28), die ein Gas mit bekannten Spektralabsorptionslinien innerhalb des definierten optischen Wellenlängenbereichs enthält, wobei der Eingang der Gasabsorptionszelle zum Empfangen des abstimmbaren optischen Ausgangssignals (16) an den abstimmbaren Laser (12) gekoppelt ist; und einen Detektor (30) zum Umwandeln der bekannten Spektralabsorptionslinien von der Gasabsorptionszelle in die Kalibrierungsreferenz.
System nach Anspruch 4, wobei das Gas in der Gasabsorptionszelle (28) ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Acetylen und Cyanwasserstoffsäure besteht, für den abstimmbaren Laser (12) mit einer nominalen Wellenlänge von 1550 Nanometern umfasst.
System nach Anspruch 4, wobei die Zusammensetzung der jeweiligen elektrischen Ausgangssignale die Differenz der jeweiligen elektrischen Ausgangssignale als elektrisches Signal umfasst.
System nach Anspruch 4, welches ferner eine Einrichtung zum Kalibrieren des elektrischen Signals bezüglich der Wellenlänge unter Verwendung der bekannten Spektralabsorptionslinien umfasst.
System nach Anspruch 7, wobei die Kalibrierungseinrichtung eine Einrichtung zum Interpolieren der Kalibrierung des elektrischen Signals zwischen den bekannten Spektralabsorptionslinien umfasst.
System nach Anspruch 8, wobei die Kalibrierungseinrichtung ferner eine Einrichtung zum Extrapolieren der Kalibrierung des elektrischen Signals aus den bekannten Spektrallinien umfasst.
Verfahren zur Echtzeit-Wellenlängenkalibrierung für einen abstimmbaren Laser (12) mit den folgenden Schritten: Erzeugen eines elektrischen Signals, das mit der optischen Wellenlänge für den abstimmbaren Laser zyklisch ist, aus einem abstimmbaren optischen Ausgangssignal des abstimmbaren Lasers (12) über einen definierten optischen Wellenlängenbereich, so dass die jedem Punkt des elektrischen Signals entsprechende Wellenlänge genau bekannt ist; und Bereitstellen einer Kalibrierungsreferenz für das elektrische Signal aus dem abstimmbaren optischen Signal unter Verwendung von bekannten Spektralabsorptionslinien.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Erzeugungsschritt die folgenden Schritte umfasst: Übertragen des abstimmbaren optischen Signals über zwei parallele optische Wege mit ungleicher Länge (21, 23) in einem unsymmetrischen Interferometer (19); und Umwandeln des Ausgangssignals des unsymmetrischen Interferometers (19) in das zyklische elektrische Signal.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Erzeugungsschritt die folgenden Schritte umfasst: Einspeisen des abstimmbaren optischen Ausgangssignals in einen Polarisator (18); Koppeln eines stark doppelbrechenden Abschnitts einer Faser (20) an einem Ende mit einem Ausgang des Polarisators (18), wobei der Polarisator (18) in fünfundvierzig Grad bezüglich der Eigenmoden der Faser orientiert ist; Koppeln eines Polarisationsstrahlteilers (22) mit dem anderen Ende des stark doppelbrechenden Abschnitts der Faser (20), wobei der Polarisationsstrahlteiler (22) in fünfundvierzig Grad zu den Eigenmoden der Faser orientiert ist und ein Paar von Ausgangssignalen (24,26) aufweist; Ableiten des elektrischen Signals als Zusammensetzung des Paars von Ausgangssignalen von dem Paar von Ausgangssignalen des Polarisationsstrahlteilers (22).
Verfahren nach den Ansprüchen 10, 11 oder 12, wobei der Bereitstellungsschritt die folgenden Schritte umfasst: Einspeisen des abstimmbaren optischen Ausgangssignals (16) in eine Gasabsorptionszelle (28), die ein Material mit bekannten Absorptionsspektrallinien innerhalb des definierten optischen Wellenlängenbereichs enthält; und Erfassen der bekannten Absorptionsspektrallinien als Kalibrierungsreferenz aus einem Ausgangssignal der Gasabsorptionszelle (28).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Material ein Gas, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Acetylen und Cyanwasserstoffsäure besteht, für den abstimmbaren Laser mit einer nominalen Wellenlänge von 1550 Nanometern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Ableitungsschritt den Schritt des Subtrahierens des Paars von Ausgangssignalen aus dem Polarisationsstrahlteiler (22), um die Zusammensetzung als elektrisches Signal zu bilden, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, welches ferner den Schritt des Kalibrierens des elektrischen Signals bezüglich der Wellenlänge unter Verwendung der Kalibrierungsreferenz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Kalibrierungsschritt den Schritt des Interpolierens der Kalibrierung des elektrischen Signals zwischen bekannten Spektralabsorptionslinien der Kalibrierungsreferenz umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Kalibrierungsschritt ferner das Extrapolieren der Kalibrierung des elektrischen Signals aus den bekannten Spektralabsorptionslinien der Kalibrierungsreferenz umfasst.