DE3643569C2

DE3643569C2 - Analysator für optische Frequenzen

Info

Publication number: DE3643569C2
Application number: DE3643569A
Authority: DE
Inventors: Hideto Iwaoka; Akira Ohte; Koji Akiyama
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1985-12-20
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2006-12-20
Also published as: DE3643569A1; GB2185567A; US4856899A; GB2185567B; GB8630375D0

Description

Die Erfindung betrifft einen Analysator für optische Frequenzen, der sehr genau ist und ein hohes Auflösungsvermögen hat.

Es lassen sich folgende Arten herkömmlicher Analysatoren für optische Frequenzen unterscheiden:

(A) Analysatoren für optische Frequenzen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß ein Beugungsgitter oder ein Prisma als Spektroskop verwendet wird.

(B) Analysatoren für optische Frequenzen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß ein Fabry-Perot-Resonator als Spektroskop verwendet wird.

Zum besseren Verständnis der folgenden Erläuterungen wird bereits an dieser Stelle auf die Zeichnungen Bezug genommen.

Gemäß Fig. 1 sind zwei halbdurchlässige Spiegel HM einander gegenüber angeordnet und bilden so den Resonator. Es wird angenommen, daß die Lichtgeschwindigkeit c ist, und daß der Abstand zwischen den halbdurchlässigen Spiegeln L ist. Dieser Resonator hat, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Resonanzfrequenz mit einem Frequenzintervall von c/2L. Wenn das zu messende Licht, welches durch den linken halbdurchlässigen Spiegel HM einfällt, eine mit der Resonanzfrequenz übereinstimmende Frequenz aufweist, dann tritt es durch den halbdurchlässigen Spiegel und fällt auf das Licht empfangende Element PD. Läßt man den halbdurchlässigen Spiegel HM oszillieren, um die Resonanzfrequenz zu wobbeln, kann das Spektrum des zu messenden Lichts am Ausgang des Licht empfangenden Elements PD1 betrachtet werden.

Bei dem Analysator für optische Frequenzen gemäß (A) liegt das Wellenlängen-Auflösungsvermögen im Bereich von 0,1 nm, was etwa 30 GHz entspricht, während die absoluten Genauigkeit etwa 2 nm beträgt, was etwa 600 GHz entspricht. Diese Ergebnisse sind ungenügend. Andererseits ist das Frequenz-Auflösungsvermögen des Analysators für optische Frequenzen gemäß (B) auf einige zig MHz begrenzt. Wenn die Messung dadurch ausgeführt wird, daß Licht mit einer Referenzwellenlänge eingegeben wird, kann die absolute Wellenlänge gemessen werden. Das Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und die Genauigkeit schlecht, was auf der Genauigkeit der Parallelausrichtung der Spiegel, der Einstellung des senkrechten Lichteinfalls oder auf Frequenzfehlern beruht, die auf Abstandsänderungen zwischen den Spiegeln zurückzuführen sind. Ein weiterer Nachteil ist, daß es unmöglich ist, gleichzeitig Laserstrahlen zu messen, die auf mehrere Arten oszillieren.

Frequenzmessungen mit einer Genauigkeit von 1 MHz oder weniger und mit hohem Auflösungsvermögen sind bei der zukünftigen Kommunikation mit kohärentem Licht und bei Photo-Messungen erforderlich. Daher sind die oben beschriebenen Analysatoren für optische Frequenzen unzureichend.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Vorrichtung zur Messung der Wellenlängencharakteristik der Dämpfung bzw. Übertragungsverluste in optischen Fasern. Das Ausgangslicht einer Lichtquelle VL zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge tritt in eine auszumessende Faser MF ein. Das austretende Licht wird mit Hilfe eines Photo-Detektors PD erfaßt. Das so erfaßte Licht wird an eine Verstärker/Anzeige-Einrichtung DP abgegeben. Die Eigenschaften der Wellenlänge werden an Hand der Lichtstärke-Änderungen gemessen, die sich beim Wobbeln der Ausgangswellenlänge der Lichtquelle VL zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge ergeben.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Einrichtung zur Messung der Wellenlängendispersion in optischen Fasern. Eine Lichtquelle VL und eine Referenzwellenlängen- Lichtquelle SL werden mit der Frequenz f mittels einer Modulationssignal-Quelle Ef amplitudenmoduliert. Der Photo-Detektor PD erfaßt die Stärke des optischen Ausgangssignals sowohl der auszumessenden Faser MF, auf die das Ausgangslicht der Lichtquelle VL trifft, als auch die der Referenzfaser SF, auf die das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle SL trifft. Phasendifferenzen in den Anteilen der Frequenz f zwischen den beiden Fasern werden mittels einer Phasenmeßvorrichtung PS erfaßt, wodurch die Verzögerungszeit der auszumessenden Faser hinsichtlich der Wellenlänge gemessen wird.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Meßvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß die optischen Phasennacheileigenschaften nicht mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. Messungen sind nur bei einem Lichtpfad gewisser Länge, wie z. B. bei optischen Fasern, möglich. Dagegen können Messungen bei kurzen Wellenleitungspfaden nicht durchgeführt werden. Messungen der Ausbreitungseigenschaften bezüglich Verlusten, Verstärkung, Phase und Verzögerung sowie der Reflexionseigenschaften sind zur Prüfung von optischen Fasern, eines Lichtleitungspfades, eines Wellenlängenaufspaltungsfilters, eines optischen Schalters sowie eines OEIC wichtig. All diese Teile sind wesentliche Elemente der zukünftigen kohärentes Licht verwendenden Technik. Die o. g. Meßvorrichtungen sind jedoch nicht ungeeeignet.

Aus der JP-OS 58-182524 (= US-PS 4 569 588) ist ein Analysator für optische Frequenzen bekannt, mit einem akusto-optischen Modulator, der das Streulicht eines mit Laserlicht beleuchteten Meßobjekts moduliert, und mit einem Photodetektor, auf den das modulierte Licht und ein Teil des Laserlichts fallen und der ein der Frequenzdifferenz dieser Lichtsignale entsprechendes elektrisches Ausgangssignal abgibt, das über ein Tiefpaßfilter einer Anzeigeeinheit zugeführt wird.

Aus der US-PS 4 417 815 ist eine Meßvorrichtung bekannt, bei der in einem optischen Detektor ein Schwebungsfrequenzsignal zwischen einem Bezugslicht mit einer vorbestimmten Frequenz und Licht mit einer Frequenz entsprechend einem Parameter einer Substanz nachgewiesen wird, und bei dem diese Schwebungsfrequenz mit einem Frequenzmesser gemessen wird, um hierdurch einen Parameter der Substanz zu messen.

Der Erfindung, wie im Patentanspruch 1 angegeben, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analysator für optische Frequenzen zu schaffen, mit dem die Frequenzeigenschaften eines auszumessenden Objekts mit besonders hoher Genauigkeit, Auflösung und Stabilität gemessen werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Diagramme, die das Prinzip herkömmlicher Analysatoren für optische Frequenzen wiedergeben;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Vorrichtung zur Messung der Eigenschaften der Wellenlängenverluste einer optischen Faser;

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Einrichtung zur Messung der Wellenlängendispersionseigenschaften einer optischen Faser;

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen;

Fig. 6 ein Zeitdiagramm, welches die Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 5 erläutert;

Fig. 7 ein Blockdiagramm, welches die Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 5 erläutert;

Fig. 8 ein Blockdiagramm eines weiteren Aufbaubeispiels einer Photo-Verstärkungsstufe 2a;

Fig. 9 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen;

Fig. 10 ein Blockdiagramm, welches eine eine Markierung aufweisende Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung gemäß Fig. 9 darstellt;

Fig. 11 ein Spektraldiagramm, welches das Markierungssignal- Ausgangssignal Em auf der Grundlage der Frequenzbereiche der Vorrichtung gemäß Fig. 10 wiedergibt;

Fig. 12 ein Blockdiagramm einer Bauvariante der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge gemäß Fig. 10;

Fig. 13 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung gemäß Fig. 9;

Fig. 14 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels der Markierungslicht-Quelle der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung gemäß Fig. 9;

Fig. 15 ein Diagramm einer charakteristischen Kurve, welche die Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 14 erläutert;

Fig. 16 ein Diagramm eines fünften Ausführungsbeispiels der Markierungslicht-Quelle der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung gemäß Fig. 9;

Fig. 17 ein Blockdiagramm eines sechsten Ausführungsbeispiels der Markierungslicht-Quelle der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung gemäß Fig. 9;

Fig. 18 ein Diagramm einer charakteristischen Kurve, die die Funktion der in Fig. 17 dargestellten Vorrichtung erläutert;

Fig. 19 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines abstimmbaren Lasers 12a in der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge gemäß Fig. 10;

Fig. 20 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des abstimmbaren Lasers 12a;

Fig. 21 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des abstimmbaren Lasers 12a;

Fig. 22 eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels des abstimmbaren Lasers 12a;

Fig. 23 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14a in der Vorrichtung gemäß Fig. 10;

Fig. 24 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, nämlich einen Netzwerkanalysator für optische Frequenzen;

Fig. 25 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, welches einen anderen Aufbau des Netzwerkanalysators für optische Frequenzen wiedergibt;

Fig. 26 ein Blockdiagramm des grundsätzlichen Aufbaus eines Ausführungsbeispiels des Wobblers für optische Frequenzen der Vorrichtung gemäß den Fig. 5 und 24;

Fig. 27 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß Fig. 26;

Fig. 28 ein Diagramm einer charakteristischen Kurve, welche die Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 27 erläutert;

Fig. 29 ein Diagramm der Energieniveaus von Rb-Gas;

Fig. 30 ein Blockdiagramm eines zum Teil veränderten Ausführungsbeispiels der in Fig. 27 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 31 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des in Fig. 26 dargestellten Aufbaus;

Fig. 32 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des Wobblers für optische Frequenzen, eine Mehrfachlichtquelle für optische Frequenzen;

Fig. 33 ein Diagramm einer charakteristischen Kurve, die das Frequenzspektrum des Ausgangslichts der in Fig. 32 dargestellten Vorrichtung wiedergibt;

Fig. 34 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, welcher für die Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s oder für die Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14a Verwendung findet;

Fig. 35 ein Diagramm einer Hyperfeinstruktur eines Energieniveaus eines Cs-Atoms;

Fig. 36 ein Diagramm der auf Cs-Atome beruhenden optischen Absorption;

Fig. 37 ein Diagramm, welches die Funktionen der Vorrichtung gemäß Fig. 34 wiedergibt;

Fig. 38 ein zweites Diagramm einer charakteristischen Kurve, die Funktionen der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung erläutert;

Fig. 39 ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels der frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 40 ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines optischen Systems eines dritten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 41 ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 42 ein Diagramm des Ausgangssignals eines Lock-in- Verstärkers in der in Fig. 41 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 43 ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines fünften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 44 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines sechsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 45 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines siebten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 46 einen Schnitt durch den wesentlichen Teil eines achten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 47 ein Diagramm, welches Funktionen der in Fig. 46 dargestellten Vorrichtung wiedergibt;

Fig. 48 ein Blockdiagramm eines neunten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 49 ein Diagramm, welches Funktionen der in Fig. 48 dargestellten Vorrichtung wiedergibt;

Fig. 50 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines zehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, wobei ein leicht abgewandelter Aufbau der Vorrichtung gemäß Fig. 48 wiedergegeben ist;

Fig. 51 ein Blockdiagramm eines elften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 52 ein Diagramm, welches Funktionen der Vorrichtung gemäß Fig. 51 wiedergibt;

Fig. 53 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines elften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 54 ein Blockdiagramm eines dreizehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 55 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines vierzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 56 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 57 ein Blockdiagramm eines sechzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 58 und 59 Diagramme, die ein Ausgangssignal eines Lock-in-Verstärkers in der Vorrichtung gemäß Fig. 57 wiedergeben;

Fig. 60 ein Blockdiagramm eines siebzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 61 ein Blockdiagramm eines achtzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 62 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines neunzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 63 bis 65 Diagramme der Zeeman-Aufteilung der Energieniveaus des Cs-Atoms;

Fig. 66 ein Blockdiagramm eines zwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, wobei die Anordnung in eine integrierte Schaltung abgewandelt wurde.

Fig. 67 eine Tabelle, welche die Verwirklichung der Komponenten der in Fig. 66 dargestellten Anordnung wiedergibt;

Fig. 68 und 69 perspektivische Ansichten des wesentlichen Teils eines anderen Ausführungsbeispiels der Anordnung gemäß Fig. 66;

Fig. 70 bis 72 Schnitte durch wesentliche Teile der Anordnung;

Fig. 73 eine Draufsicht eines einundzwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers;

Fig. 74 und 75 sind Ansichten des wesentlichen Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung gemäß Fig. 73;

Fig. 76 ein Blockdiagramm eines zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers und

Fig. 77 ein Diagramm, welches die Funktionen der in Fig. 76 dargestellten Vorrichtung erläutert.

Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Analysators für optische Frequenzen, bei dem ein Spektralanalysator für optische Frequenzen gebildet wird. Doppellinien mit einem Pfeil bezeichnen den Verlauf eines Photo-Signals, während mit einem Pfeil versehene einfache Linien den Verlauf elektrischer Signale anzeigen. Mit 1a wird eine Polarisations- Steuerung bezeichnet, die einen Kristall mit magneto-optischer Wirkung (YIG, Bleiglas o. ä.) aufweist. Zu messendes Licht wird als Meßobjekt definiert und ist so ausgerichtet, daß es als einfallendes Licht auftrifft. Mit 2a wird eine Photo-Verstärkungsstufe bezeichnet, in die das Ausgangslicht der Polarisations-Steuerung 1a eingegeben wird. 3a bezeichnet eine örtliche Oszillationseinrichtung, welche einen Wobbler für optische Frequenzen umfaßt. Mit HM1a wird ein halbdurchlässiger Spiegel bezeichnet, in den Strahlen des Ausgangslichts der Oszillationseinrichtung 3a sowie der Photo-Verstärkungsstufe 2a einfallen gelassen werden. 4a bezeichnet einen optischen Interferenz-Detektor, der eine Pin-Photo-Diode, eine Lawinen-Photo-Diode oder ähnliches aufweist, und in den das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM1a eingegeben wird. Mit 5a wird eine Filtereinheit mit Bandpaßeigenschaften bezeichnet, in die elektrische Ausgangssignale des optischen Interferenz-Detektors 4a eingegeben werden, und der diese Signale verstärkt. 6a steht für einen Detektor, in den die elektrischen Ausgangssignale der Filtereinheit 5a eingegeben werden. Mit 7a wird eine Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung bezeichnet, in die elektrische Ausgangssignale des Detektors 6a eingegeben werden. Die örtliche Oszillationseinrichtung 3a umfaßt folgende Elemente: einen Wobbelsignal-Generator 32a, eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s; einen optischen phasenverriegelten Kreis, einen optischen PLL, in den das Ausgangslicht der Referenzwellen- Lichtquelle eingegeben wird und der so angeordnet ist, daß das Wobbeln der Frequenz durch den Wobbelsignal- Generator 32a gesteuert und daß dessen Ausgangssignal an den halbdurchlässigen Spielgel HM1a abgegeben wird. Die Photoverstärkungsstufe 2a weist einen GaAlAs- Laser (780 nm-Bereich) und einen InGaAsP-Laser (1500 nm-Bereich) auf und kann folgende drei Verstärkerarten umfassen:

(A) Der erste ist ein sogenannter Fabry-Perot-Hohlraum- Verstärker, in dem man einen elektrischen Vorspannungsstrom nahe der Oszillationsschwelle fließen und ein Signallicht auf die Laserdiode fallen läßt, wodurch lineare Photoverstärkung durch induktive Emission erfolgt.

(B) Der zweite ist ein sogenannter Injektionsverstärker (Injection Locking Amplifier), bei dem das Signallicht auf die Laserdiode fällt, die weiter oszilliert, und bei dem sowohl die optische Frequenz als auch die Phase des oszillierenden Lichts gesteuert werden.

(C) Der dritte ist ein sogenannter Wanderwellen-Verstärker, bei dem beide Endflächen des Laserdiodenchips nichtreflektierend beschichtet sind und die Photo-Verstärkung lediglich durch die Übertragung des Signallichts erfolgt.

Die Funktion des so aufgebauten Spektralanalysators für optische Frequenzen wird im folgenden ausführlich beschrieben: Die örtliche Oszillationseinrichtung 3a weist einen Wobbler 31a für optische Frequenzen (der unten genauer erläutert wird), der die Wellenlänge des Ausgangslichts des optischen PLL2s mittels des Ausgangssignals des Wobbelsignal-Generators 32a wobbelt. Der optische PLL2s mit einer optischen Ausgangsfrequenz ωo steuert eine Wellenlänge des Lichtausgangssignals so, daß es der Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s entspricht, deren Ausgangslichtfrequenz ωs ist. Mit dieser Anordnung ist es möglich, lokales Oszillationslicht mit hoher Genauigkeit, Stabilität und spektraler Reinheit abzugeben.

Wenn das zu messende Licht mit einer Frequenz ωi in die Polarisations-Steuerung 1a eintritt, dann wird durch Steuerung eines eingeprägten magnetischen Feldes durch Ausnützung der Rotationspolarisation eines Kristalls mit magneto-optischen Eigenschaften eine Polarisationsebene des einfallenden Lichtes so ausgerichtet, daß sie mit einer Polarisationsebene des Ausgangslichts der örtlichen Oszillationseinrichtung 3a übereinstimmt. Das Ausgangslicht der Polarisations-Steuerung 1a wird mit Hilfe der Photo-Verstärkungsstufe 2a verstärkt und dann mit dem Ausgangslicht der örtlichen Oszillationseinrichtung 3a mit Hilfe des halbdurchlässigen Spiegels HM1a verschmolzen. Das so verschmolzene Lichtausgangssignal wird mit Hilfe des optischen Interferenz-Detektors 4a in ein elektrisches Signal mit einer Frequenz umgewandelt, die einer Differenz ωo - ωi′ entspricht, wobei in diesem Fall allerdings die Gleichung ωi′ = ωi gilt. Das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 4a tritt auf Grund der Bandpaßeigenschaften der Filtereinheit 5a zum Teil durch dieses Filter und wird als Spannung von dem Detektor 6a abgenommen. Das elektrische Ausgangssignal des Detektors 6a wird der Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 7a als Spannungssignal eingegeben, der gleichzeitig ein auf der Wobbel-Form des Wobbelsignal-Generators 32a entsprechendes Signal als axiales Frequenzsignal eingegeben wird und die dadurch das Spektrum des zu messenden Lichts anzeigt.

Die Funktionen der optischen Frequenzen wird im folgenden beschrieben:
Die Wellenlänge von ωs beträgt 780 nm (eine Wellenlänge der Laser-Diode ist auf die Absorptionslinien von Rb verriegelt;
Die Wellenlänge von ωo beträgt 1560 nm ± 50 nm;
Die Wellenlänge von ωi beträgt 1560 nm ± 50 nm.

Die Betriebsbeispiele sind auf den Fall beschränkt, bei dem das zu messende Licht die geeignetste Wellenlänge für Glasfaserkommunikation aufweist und gelten besonders für die Messung der Eigenschaften (absolute Wellenlänge, Spektralverteilung und Spektralweite) der Lichtemission einer Lichtkommunikations-Laser-Diode.

In Fig. 5 wird ein Impulssynchronisationssignal in den Wobbelsignal-Generator 32a eingegeben, um das Spektrum eines einfallenden Impulslichtes bzw. Lichtimpulses zu messen. Fig. 6 gibt ein Zeitdiagramm wieder, an Hand dessen die Funktion des oben beschriebenen Falles erläutert werden soll. Ein mit dem Impulslicht synchronisiertes Triggersignal (Fig. 6 (B)) wird dem Wobbelsignal-Generator 32a der örtlichen Oszillationseinrichtung 3a eingegeben. Die so synchronisierte Frequenz ωo des optischen PLL2s wird, wie in Fig. 6 (A) dargestellt, stufenweise gewobbelt. Gleichzeitig wird ein dem Wobbeln der Frequenz ωo entsprechendes Signal, welches identisch ist mit dem in Fig. 6 (A), an die Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 7a übertragen. Als Ergebnis erhält man ein Leistungsspektrum von ωo an einem Punkt für jeden Strahl des Impulslichtes. Auf diese Weise ist es möglich die gesamten Spektren des Impulslichtes gemäß Fig. 7 nach Ende des Wobbelvorgangs auszugeben. Bei dem Aufbau gemäß Fig. 5 wird das Frequenzauflösungsvermögen des Spektralanalysators für optische Frequenzen bestimmt sowohl durch die Spektralweite der Ausgangsfrequenz ωo der örtlichen Oszillationseinrichtung 3a als auch durch die Bandbreite der Filtereinheit 5a. Die Spektralweite der Frequenz ωo wird ebenso bestimmt durch die Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge des Wobblers für optische Frequenzen. Darüber hinaus wird eine Laserdiode mit externem Resonator, die später an Hand der Fig. 19 bis 22 erläutert wird, verwendet, wodurch ein hervorragendes Frequenzauflösungsvermögen (100 kHz) erreicht wird.

Darüber hinaus ist es möglich, einen Spektralanalysator für optische Frequenzen hoher Genauigkeit (10^-12) bei einer absoluten Genauigkeit und hohen Stabilität (10^-12) zu erreichen.

Zusätzlich hat man den Vorteil, daß Lichtimpulse leicht gemessen werden können.

Als optischer Interferenz-Detektor 4a können eine W-Ni(Wolfram, Nickel)-Punktkontaktdiode und ein Josephson-Element verwendet werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Bandpaßfilter als Filter 5a verwendet. Es kann jedoch auch ein Tiefpaßfilter verwendet werden; in diesem Fall wird die optische Leistung von ωi′ erfaßt, so daß bei dem Wobbeln der Frequenz ωo die Gleichung ωi′ = ωo gilt.

Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels eines anderen Aufbaus der Photo-Verstärkungsstufe 2a. Das Bezugszeichen OC1a bezeichnet einen örtlichen Oszillator mit einer Lichtausgangsfrequenz ω_L, der eine zweite wellenlängenstabilisierte Lichtquelle aufweist. OAa bezeichnet einen Photo-Verstärker, in den das Lichtausgangssignal der Polarisations-Steuerung 1a eingegeben wird. Mit OX1a wird eine optische Frequenz-Mischstufe bezeichnet, die einen nichtlinearen optischen Kristall aufweist, und in die das Ausgangssignal des Photo-Verstärkers OAa und das Lichtausgangssignal des örtlichen Oszillators OC1a eingegeben werden. Bei einer Anordnung wird auf Grund der nichtlinearen optischen Wirkungen die Lichtausgangsfrequenz ωi′ der optischen Frequenz- Mischstufe OX1a durch folgende Gleichung gegeben: ωi′ = ωi + ω_L. Als örtlicher Oszillator OC1a ist am besten ein Wobbler für optische Frequenzen, wie er an Hand von Fig. 27 beschrieben wird, geeignet, der eine sehr genaue Frequenz ω_L abgibt. Bei Verwendung eines solchen Photo-Verstärkers wird der Meßfrequenzbereich ebenfalls erweitert, nicht jedoch der Wobbelbereich ωo. Wenn der örtliche Oszillator OC1a in der Lage ist, mehrere Frequenzen ω_L1, ω_L2, . . . abzugeben, kann man einen weiteren Wobbelbereich erreichen.

Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, wobei ein weiteres Beispiel eines Spektralanalysators für optische Frequenzen dargestellt ist. Teile, die mit denen in Fig. 5 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Unterschiede werden im folgenden beschrieben: das Bezugszeichen 310a bezeichnet eine eine Markierung aufweisende Lichtquelle zur Erzeugung von lichtvariabler Wellenlänge, die so angeordnet ist, daß das Wobbeln der Frequenz durch den Wobbelsignal-Generator 32a im Wobbler 30a gesteuert wird, der einen örtlichen Oszillator für optische Frequenzen darstellt. Mit HM2a wird ein halbdurchlässiger Spiegel bezeichnet, der ein Referenzwellenlängenlicht Rs und ein Licht Rv variabler Wellenlänge der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge miteinander verschmelzen läßt. Die Strahlen des Ausgangslichts der Photo-Verstärkungsstufe 2a und das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM2a werden in dem halbdurchlässigen Spiegel HM1a verbunden und dann auf den optischen Interferenz-Detektor 4a einfallen gelassen. In die Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 7a werden dem Wobbeln des Wobbelsignal-Generators 32a entsprechende Signale als axiale Frequenzsignale eingegeben und gleichzeitig das elektrische Ausgangssignal des Detektors 6a als Spannungssignal. Dadurch zeigt die Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 7a das Spektrum eines Meßlichtstrahls 71a und eines Referenzlichtstrahls 72a und gleichzeitig eine Markierung bzw. ein Markierungssignal 73a, nach dem das von der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a abgegebene elektrische Markierungssignal Em eingegeben wurde.

Fig. 10 gibt ein Blockdiagramm wieder, das im einzelnen die eine Markierung aufweisende Lichtquelle 310a in der Anordnung gemäß Fig. 9 darstellt. Die Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge umfaßt folgende Elemente: eine Eingangsklemme 11a, an die ein elektrisches Wobbelsignal Ei zur Steuerung der Wellenlänge angelegt wird; einen abstimmbaren Laser 12a, in den das elektrische Wobbelsignal Ei über die dazwischenliegende Eingangsklemme 11a eingegeben wird; einen Strahlungsteiler BS1a, der das Ausgangslicht des abstimmbaren Lasers 12a beim Auftreffen auf den Strahlungsteiler in zwei verschiedene Richtungen aufteilt; einen Resonator FP1a, der eine Markierungslichtquelle mit einem Fabry-Pèrot-Etalon aufweist, in den das durch den Strahlungsteiler BS1a tretende Licht eingegeben wird; ein elektro-optisches Element EO1a, welches auf der optischen Achse innerhalb des Resonators FP1a angeordnet ist; eine Signalquelle E1a, die das elektro-optische Element EO1a treibt; ein Lichtempfangselement PD3s, auf das das Ausgangslicht des Resonators FP1a fällt und das dieses in ein elektrisches Signal umwandelt. Mit 14a wird eine sehr genaue und stabile Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle bezeichnet, die ein Ausgangslicht mit unveränderlicher Wellenlänge abgibt.

Die Funktion der so aufgebauten eine Markierung aufweisenden Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge wird im folgenden beschrieben. Der abstimmbare Laser 12a gibt ein Ausgangslicht mit einer Wellenlänge ab, die dem Signal Ei entspricht, welches über die Eingangsklemme 11a eingegeben wird. Die Strahlen des Ausgangslichts werden teilweise an dem Strahlungsteiler BS1a reflektiert und werden so zu dem Ausgangslicht Rv variabler Wellenlänge. Der Rest tritt durch den Strahlungsteiler BS1a und wird dann in den Resonator FP1a eingegeben. Der Resonator FP1a ist in der Lage, ein entsprechendes Resonanzintervall mittels des elektro-optischen Elements EO1a zu verändern wobei dies im Lichtpfad geschieht. Auf diese Weise erzeugt ein Ausgangslichtsignal Rm des Resonators FP1a einen Spitzenwert bei einem Wellenlängenintervall, das dem Ausgangssignal (der Spannung) der Signalquelle E1a entspricht. Das Licht empfangende Element PD1a wandelt das Ausgangslicht Rm in elektrische Signale um und gibt das Markierungssignal Em an der Klemme 13a ab. In Fig. 11 ist eine Spektraltafel dargestellt, die das Markierungssignal Em auf der Basis von Frequenzbereichen zeigt. Die Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14a gibt das Ausgangslicht Rs ab, dessen unveränderbare Wellenlänge innerhalb der Ausgangsbandbreite der Laserlichtquelle 12a variabler Wellenlänge liegt.

Die Funktion der optischen Frequenz dieses Ausgangsbeispiels wird im folgenden beispielshaft angegeben: Die Wellenlänge des Referenzwellenlichts Rs ist 780 nm (die Wellenlänge der Laserdiode ist auf die Absorptionslinien von Rb, Rubidium, verriegelt).

Die Wellenlänge des Lichts Rv variabler Wellenlänge beträgt 780 nm ± 50 nm;
Die Wellenlänge von ωi ist 780 nm ± 50 nm.

Bei einem Aufbau gemäß Fig. 9 können, da der Strahl des Referenzlichts und der Strahl des Markierungslichts gemeinsam mit den Meßdaten angezeigt oder aufgezeigt werden, die absoluten Werte der Wellenlänge leicht festgestellt werden, wenn die Anzahl der Intervalle des Markierungslichts ausgehend von der Wellenlänge des Referenzlichts gezählt werden und gleichzeitig eine Zeitinterpolation ausgeführt wird.

Das Frequenzauflösevermögen des optischen Spektralanalysators wird durch die Spektralweise des Ausgangslichts Rv variabler Wellenlänge der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a zur Erzeugung Licht variabler Wellenlänge und durch die Bandbreite der Filtereinheit 5a bestimmt. Da die Breite des Spektrums des Ausgangslichts variabler Wellenlänge von dem abstimmbaren Laser 12a in der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a abhängt, kann man ein hervorragendes Frequenzauflösevermögen (100 kHz) durch Verwendung einer Laserdiode mit externem Resonator, wie sie unten an Hand der Fig. 19 bis 22 beschrieben wird, erreichen.

Darüber hinaus kann man einen Spektralanalysator für optische Frequenzen mit hoher Genauigkeit (10^-12) und Stabilität (10^-12) bei absoluter Genauigkeit erreichen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 kann das elektro-optische Element EO1a entfallen, wenn der Resonanzabstand des Fabry-Pèrot-Etalons FP1a frei variiert werden kann.

Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm einer eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a, deren Aufbau gegenüber Fig. 10 verändert ist.

Gleiche Bauteile werden mit gleichem Bezugszeichen bezeichnet, auf ihre Beschreibung wird im folgenden verzichtet. BS2a bezeichnet einen Strahlungsteiler, der im Ausgangslichtpfad der Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14a angeordnet ist und eine Reflexion deren Lichts hervorruft, so daß dieses auf den Strahlungsteiler BS1a fällt. Mit LA1a wird ein Lock-in-Verstärker bezeichnet, in den das Ausgangssignal des Licht empfangenden Elements PD1a eingegeben wird. Mit E2a wird eine Vorspannungssignalquelle bezeichnet, deren Ausgangssignal zum Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA1a addiert und dann an das elektro-optische Element EA1a angelegt wird. Einige Strahlen des Ausgangslichts der Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14a werden auf dem Strahlungsteiler BS2a reflektiert und fallen über den Strahlungsteiler BS1a auf den Resonator FP1a. Der Resonanzabstand des Resonators FP1a wird so gesteuert, daß die Referenzwellenlängenanteile ihr Maximum in einem den Lock-in-Verstärker LA1a einschließenden Rückkopplungskreis erreichen, wodurch es möglich ist, das Markierungslicht mit der Referenzwellenlänge übereinstimmen zu lassen.

Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a gemäß Fig. 9. Teile, die mit denen der Vorrichtung gemäß Fig. 10 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Das Bezugszeichen CL1a bezeichnet eine Absorptionszelle, die eine Standardsubstanz einschließt und in die das durch den Strahlungsteiler BS1a tretende Licht einfallen gelassen wird. Die Absorptionszelle CL1a bildet eine Markierungslichtquelle. PD1a bezeichnet ein Licht empfangendes Element, auf das das Ausgangslicht Rm der Absorptionszelle CL1a fällt und das dieses in ein elektrisches Signal umwandelt. Mit CP1a wird ein Komparator beschrieben, der mit dem Ausgang des Licht empfangenden Elements PD1a verbunden ist. Mit 13a wird eine Markierungssignal-Klemme bezeichnet, mit der der Ausgang des Komparators CP1a verbunden ist. Als Standardsubstanz werden Cs (zwei Absorptionslinien in der Nähe von 852 nm), Rb (vier Absorptionslinien in der Nähe von 780 nm und vier Absorptionslinien in der Nähe 794 nm), NH₃ mit einer Vielzahl von Absorptionslinien und H₂O mit einer Vielzahl von Absorptionslinien verwendet.

Die Funktion der eine Markierungen aufweisenden Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge wird im folgenden beschrieben. Ein Teil der Strahlen des Ausgangslichts des abstimmbaren Lasers 12a tritt durch den Strahlungsteiler BS1a und trifft auf die Absorptionszelle CL1a. Das einfallende Licht wird bei einer gegebenen Wellenlänge, wie oben erwähnt, mittels der in der Absorptionszelle CL1a eingeschlossenen Standardsubstanz einer Absorption unterworfen, wodurch ein Durchgangslicht Rm abgegeben wird, das einen Scheitelwert (die tiefste Stelle) bei der oben genannten Wellenlänge aufweist. Das Licht empfangende Element PD1a wandelt das Ausgangslicht Rm in ein elektrisches Signal um, welches in Wellenform angeordnet ist. Dieses Signal wird als Markierungssignal Em an der Klemme 13a abgegeben. Bei einem solchen Aufbau kann die Wellenlänge mit hoher Genauigkeit gemessen werden, weil ein Quantenstandard-Markierungslicht abgegeben wird.

Fig. 14 gibt ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a der Einrichtung gemäß Fig. 9 wieder. LL1a bezeichnet eine Lichtquelle mit aufeinander folgenden Spektren, beispielsweise eine LED oder eine mit Xenon- Lampe oder ähnliches. LS1a bezeichnet eine Linse, die die Strahlen des Ausgangslicht der Lichtquelle LL1a parallel ausrichtet. Mit FP2a wird ein Fabry-Pèrot- Resonator bezeichnet, der aus zwei halbdurchlässigen Spiegeln besteht, und auf dem das Ausgangslicht der Linse LS1a fällt.

Die Funktion der Markierungseinrichtung für optische Frequenzen mit diesem Aufbau wird im folgenden an Hand der Diagramme der charakteristischen Kurven in Fig. 15 erläutert. Die Lichtquelle LL1a gibt Licht mit einer breiten Spektralbandbreite gemäß Fig. 15 (A) ab. Die Strahlen des von der Lichtquelle LL1a abgegebenen Lichts werden mittels der Linse LS1a parallel ausgerichtet und treten dann in den Fabry-Pèrot-Resonator FP2a ein und treten zwischen den halbdurchlässigen Spiegeln in Resonanz. Die Länge des Resonators, der Abstand zwischen den halbdurchlässigen Spiegeln ist L₁, die Lichtgeschwindigkeit c und der Brechungsindex n₁. Die Durchlässigkeit des Fabry-Pèrot-Resonators hat gemäß Fig. 15 (B) scharfe Spitzen in einem Abstand von c/2n₁L₁. Daher wird das Licht, das von dem halbdurchlässigen Spiegel ausgegeben wird, durch die Kurve in Fig. 15 (C) charakterisiert.

Es läßt sich also ein optischer Frequenzmarkierer einfachen Aufbaus verwirklichen.

Fig. 16 zeigt ein Blockdiagramm eines fünften Ausführungsbeispiels der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge der Vorrichtung in Fig. 9, bei dem die Länge des in Fig. 14 dargestellten Resonators variiert wird. Es werden nur solche Einzelheiten erläutert, die sich von der Vorrichtung gemäß Fig. 14 unterscheiden. EO1a bezeichnet einen elektro-optischen Kristall, der in den Lichtweg des Fabry-Pèrot-Resonators FP1a eingebracht ist. E1a bzeichnet eine Steuersignalquelle, die mit einer Elektrode des elektro-optischen Kristalls EO1a verbunden ist. Bei einer Anordnung des beschriebenen Aufbaus ändert sich der Brechungsindex des elektro- optischen Kristalls EO1a, und dadurch die entsprechende Länge des Resonators, wenn mittels der Steuersignalquelle E1a ein elektrisches Feld an den elektro- optischen Kristall gelegt wird. Damit ändert sich auch die Wellenlänge des Ausgangslichts. Es ist also möglich, mit einem einfachen Aufbau einen Referenzmarkierer für optische Frequenzen mit einem veränderbaren Frequenzintervall zu verwirklichen.

Mit allen beschriebenen Ausführungsbeispielen kann ein stabiles Frequenzintervall sichergestellt werden, wenn eine Temperatursteuerung durchgeführt wird, indem der Fabry-Pèrot-Resonator in einen Ofen konstanter Temperatur eingebracht wird.

Fig. 17 zeigt ein Blockdiagramm eines sechsten Ausführungsbeispiels der Markierungslichtquelle in der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a des in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiels. LD1a bezeichnet einen Halbleiter-Laser, dessen beiden Enden AR-beschichtet, also nichtreflektierend beschichtet sind. Mit LS2a und LS3a werden Kollimatorlinsen bezeichnet, die die Strahlen des Ausgangslichts des Halbleiter-Lasers LD1a parallel ausrichten. Mit HM3a und HM4a werden halbdurchlässige Spiegel bezeichnet, die einen außerhalb der Linsen LS2a, LS3a liegenden Resonator bilden. Mit ATa wird ein Dämpfungsglied beschrieben, durch das das Licht von dem halbdurchlässigen Spiegel HM4a abgegeben wird. Die Strahlen des Ausgangslichts, die durch den halbdurchlässigen Spiegel HM3a treten, konvergieren an der Linse LS4a und werden dann von einem Photo-Detektor BD2a erfaßt, der eine APD (Avalanche-Photo-Diode) aufweist. Das elektrische Ausgangssignal des Photo-Detektors PD2a wird mittels eines Verstärkers A1a verstärkt; dessen Wellenform wird mit Hilfe eines Spektralanalysators SAa überwacht.

Die Funktion der Vorrichtung in Fig. 17 wird im folgenden beschrieben. Eine Verstärkungskurve der spontan abgegebenen Strahlung des Ausgangslichts des Halbleiter- Lasers LD1a ist gestrichelt (a) in Fig. 18 dargestellt. Die Strahlen des von beiden Endflächen des Halbleiter-Lasers LD1a abgegebenen Lichts werden von den Linsen LS2a, LS3a parallel ausgerichtet und treten zwischen den halbdurchlässigen Spiegeln HM3a, HM4a in Resonanz. Die Länge des Resonators, der Abstand zwischen den halbdurchlässigen Spiegeln HM3a, HM4a sei L₂, die Lichtgeschwindigkeit c und der Brechungsindex n₂. Ein freier Spektralbereich des externen Resonators wird durch c/2n₂L₂ bestimmt, und Q steigt jeweils mit c/2n₂L₂ gemäß der gestrichelten Linie (b) in Fig. 18. Das von dem Dämpfungsglied ATa abgegebene Markierungsausgangslicht ist durch Mehrfachoszillation gekennzeichnet, wie dies mit der durchgezogenen Linie (c) in Fig. 18 dargestellt ist. Das Wellenlängenintervall λx des Markierungsausgangslichts kann durch einen elektrischen Spektralanalysator SAa als Frequenzintervall γx abgelesen werden. Wenn die Resonatorlänge L₂ verändert wird, ist es möglich, das Wellenlängenintervall λx des Markierungsausgangslichts zu ändern. Beispielsweise wird bei einer Länge von L₂ = 10 mm das Frequenzintervall γx durch folgende Gleichung gegeben: γx = c/2L₂ = 15 GHz. Wenn die Umstände es verlangen, kann der externe Resonator in einen Ofen konstanter Temperatur eingebracht werden und damit ein stabiles Frequenzintervall erreicht werden.

Fig. 19 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines abstimmbaren Lasers 12a in der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a gemäß Fig. 10, bei dem ein wellenlängenselektives Element in den Resonator eingebracht ist. In der Figur ist ein Halbleiter-Laser mit dem Bezugszeichen LD2a bezeichnet. 121a, 122a bezeichnen mit einer nichtreflektierenden Schicht beschichtete Elemente an beiden Enden des Halbleiter- Lasers LD2a; mit LS5a wird eine Linse bezeichnet, die die aus dem nichtreflektierenden beschichteten Element 121a austretenden Lichtstrahlen parallel ausrichtet; HM5a bezeichnet einen halbdurchlässigen Spiegel, an dem das aus der Linse LS5a tretende Licht reflektiert wird, und der das Resonanzlicht nach außen abgibt; LS6a bezeichnet eine Linse, die aus aus dem nichtreflektierend beschichteten Element 122a austretende Licht parallel ausrichtet; UM1a bezeichnet einen ersten akusto-optischen Modulator, auf den das durch die Linse LS6a tretende Licht fällt; UM2a bezeichnet einen zweiten akusto-optischen Modulator auf den das von dem ersten akusto-optischen Modulator UM1a tretende Licht fällt; M1a bezeichnet einen Spiegel, der das aus dem zweiten akusto-optischen Modulator UM2a tretende Licht reflektiert, und DR1a bezeichnet einen Oszillator, zur Anregung der akusto-optischen Modulatoren UM1a und UM2a mit einer Frequenz F. Die Lichtstrahlen, die aus dem nichtreflektierend beschichteten Element 121a des Halbleiter-Lasers LD2a treten, werden in der Linse LS5a parallel ausgerichtet und dann von dem halbdurchlässigen Spiegel HM5a reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen verlaufen auf dem Lichtpfad zurück und treffen wieder auf den Halbleiter-Laser LD2a. Die eine Frequenz von fo₁ aufweisenden Lichtstrahlen, die aus dem nichtreflektierend beschichteten Element 122a treten, werden in der Linse LS6a parallel ausgerichtet und werden dann auf den ersten akusto-optischen Modulator UM1a fallen gelassen. Die Wellenlänge von Licht, das mit gegebenen Einfalls- und Ausfallswinkeln gegenüber dem durch die Ultraschallwellen entstehenden Beugungsgitter verlaufen, ändert sich, wenn sich die Wellenlänge der Ultraschallwellen ändert. Bei der Beugung wird das einfallende Licht einer auf den Ultraschallwellen beruhenden Doppler-Verschiebung ausgesetzt und die Frequenz von +1-dimensionalem Beugungslicht, bei dem eine Richtung der Ultraschallwellen mit der Beugungsrichtung übereinstimmt, wird zu fo₁ + F.

Das aus dem akusto-optischen Modulator UM1a austretende Licht wird in dem akusto-optischen Modulator UM2a nochmal gebeugt. In dem akusto-optischen Modulator UM2a ist die Beziehung zu dem Beugungslicht und eine Richtung, in der sich die Ultraschallwellen fortbewegen, entgegengesetzt zum akusto-optischen Modulator UM1a; daher gibt es hier -1-dimensionales Beugungslicht. Daher nimmt die Doppler-Verschiebung den Wert -F an, und für die Frequenz des Ausgangslichts des akusto- optischen Modulators UM2a gilt folgende Gleichung: fo₁ + F - F = fo₁. Das Ausgangslicht des akusto-optischen Modulators wird in dem akusto-optischen Modulator UM2a nach einer Reflexion auf den Spiegel M1a einer Doppler-Verschiebung unterworfen. Es hat eine Frequenz von fo₁ - F, die in dem akusto-optischen Modulator UM1a zu fo₁ - F + F = fo₁ wird. Die Frequenz nimmt also den ursprünglichen Wert fo₁ an und kehrt zu den Halbleiter-Laser LD2a zurück. Dadurch wird der Resonanzzustand aufrechterhalten. Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, die Wellenlänge des Resonanzlichtes zu wobbeln, wenn die Wellenlänge (Frequenz F) der Ultraschallwelle variiert wird. Das in Resonanz getretene Licht tritt über den halbdurchlässigen Spiegel HM5a nach außen.

Wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des abstimmbaren Lasers 12a, das in Fig. 10 gezeigt wird, kann gemäß Fig. 20 ein Element in dem Resonator eingebracht werden, das den Brechungsindex des Lichtes steuern kann. Teile, die mit denen in Fig. 19 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Mit EO1a wird ein elektro- optisches Element bezeichnet, dessen beide Oberflächen nichtreflektierend beschichtet sind und das aus LiNbO₃ (niob-saures Lithium) oder ähnlichem besteht und auf welches das Ausgangslicht der Linse LS6a fällt. E2a bezeichnet eine Signalquelle zur Steuerung des elektro- optischen Elements EO1a. Die Strahlen des aus dem Halbleiter- Laser LD2a tretenden Lichts werden in der Linse LS6a parallel ausgerichtet und treten durch das elektro- optische Element EO1a. Die so abgegebenen Lichtstrahlen bewegen sich nach der Reflexion an dem Spiegel M1a auf demselben Lichtpfad zurück und treffen wieder auf den Halbleiter-Laser LD2a. Es kann also ein Resonator zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel HM5a und dem Spiegel M1a aufgebaut werden. Der Abstand zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel HM5a und dem Spiegel M1a sei L₃, wobei die entlang dem Lichtpfad im elektro- optischen Element EO1a gemessene Länge l ausgenommen ist. Der Brechungsindex des elektro-optischen Elements EO1a sei n₃, die Lichtgeschwindigkeit c, und p eine ganze Zahl. Dann gilt für eine Oszillationsfrequenz fo₂ folgende Gleichung:

fo₂ = p · c/2 (L₃ + n₃ (V) l) (1).

Der Brechungsindex n₃ kann durch Änderung der Intensität eines elektrischen Felds des elektro-optischen Elements EO1a mit Hilfe der Signalquelle E2a verändert werden, wodurch die Oszillationsfrequenz fo₂ gewobbelt werden kann.

Fig. 21 zeigt ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des abstimmbaren Lasers, wobei der in Fig. 20 dargestellte abstimmbare Laser als Doppelresonator angeordnet ist. Mit in Fig. 20 übereinstimmende Teile werden mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Mit BS3a wird ein Strahlungsteiler bezeichnet, der das aus der Linse LS6a tretende Licht in zwei Richtungen aufspaltet. EO2a bezeichnet ein elektro-optisches Element, auf welches das durch den Strahlungsteiler BS3a tretende Licht fällt. M1a bezeichnet einen Spiegel, an dem das aus dem elektro-optischen Element EO2a tretende Licht reflektiert wird. EO3a bezeichnet ein elektro-optisches Element, auf das das an dem Strahlungsteiler BS3a reflektierte Licht einfallen gelassen wird. Die entlang des Lichtpfads der elektro-optischen Elemente EO2a, EO3a gemessene Länge sei l₄, l₅, die Brechungsindizes seien n₄, n₅, der Abstand zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel HM5a und dem Spiegel M1a sei L₄ ohne Berücksichtigung der Länge l₄. Der Abstand zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel HM5a und dem Spiegel M2a sei L₅ ohne Berücksichtigung der entlang des Lichtpfads gemessenen Länge l₅. q sei eine ganze Zahl. In diesem Fall wird die Oszillationsfrequenz fo₃ durch folgende Gleichung ausgedrückt:

fo₃ = q · c/2|(L₄ + n₄ (V₁) l₄) - L₅ + n₅ (V₂) l₅)| (2).

Dadurch, daß der Nenner der Gleichung (2) kleiner gemacht werden kann als der in der Gleichung (1), ist es möglich, den Änderungsbereich der Oszillationsfrequenz größer als bei der Vorrichtung gemäß Fig. 20 zu machen.

Fig. 22 zeigt ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des abstimmbaren Lasers 12a, wobei die abstimmbare Laser-Diode gemäß Fig. 20 in integrierter Form auf einem Chip angeordnet ist. 123a bezeichnet eine Laser-Diode aus AlGaAs, InGaAsP; 124a bezeichnet einen Photo-Verstärker, der bei dem verbundenen Bereich der Laser-Diode 123a vorgesehen ist. 125a bezeichnet einen externen Wellenleitungspfad-Resonator. Mit 126a, 127a werden an beiden Enden der Laser-Diode 123a angeordnete Spiegel bezeichnet. Mit 128a wird eine auf der Oberfläche der LaserDiode 123a angeordnete Elektrode bezeichnet, die dem Photo-Verstärker 124a zugeordnet ist. 129a bezeichnet eine Elektrode auf der Oberfläche, die dem externen Wellenleitungspfad-Resonator 125a zugeordnet ist. Ein elektrischer Strom I_LD wird über die Elektrode 128a dem verbundenen Bereich zugeführt, und Laserstrahlen werden an den Photo-Verstärker 124a abgegeben. Über die Elektrode 129a wird ein elektrischer Strom I_F an dem externen Wellenleitungspfad-Resonator 125a abgegeben, wodurch der Brechungsindex des externen Wellenleitungspfad-Resonators geändert und die Osziallationsfrequenz gewobbelt wird. Die Länge entlang des verbundenen Bereichs des externen Wellenleitungspfad- Resonators 125a und des Photo-Verstärkers 124a sei l₆ bzw. l₇. Die Brechungsindizes seien n₆ bzw. n₇ und r eine ganze Zahl. Die Osziallationsfrequenz fo₄ wird dann durch folgende Gleichung gegeben:

fo₄ = r · c/s (n₆l₆ + n₇(I_F) l₇) (3).

Fig. 23 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle 14a, in der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310a zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge gemäß Fig. 10. In der Figur wird mit LD3a ein Halbleiter-Laser bezeichnet, mit BS4s ein Strahlungsteiler, auf dem das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD3a fällt; mit CL2a eine Absorptionszelle, die eine Standardsubstanz aufweist, auf die das von dem Strahlungsteiler BS4a reflektierte Licht fällt. Mit PD3a wird ein Licht empfangendes Element bezeichnet, auf das das durch die Absorptionszelle CL2a tretende Licht fällt. LA1a bezeichnet einen Lock-in-Verstärker, in den das elektrische Ausgangssignal des Licht empfangenden Elements PD3a eingegeben wird, und der den elektrischen Strom des Halbleiter-Lasers LD3a mittels des dem elektrischen Ausgangssignal entsprechenden Ausgangssignals steuert. DR2a bezeichnet einen Oszillator zur Frequenzmodulation des elektrischen Stroms des Halbleiter- Lasers LD3a, der die Phasenerfassungs-Frequenz des Lock-in-Verstärkers LA1a liefert. Das durch den Strahlungsteiler BS4a tretende Licht wird das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle. Die Standardsubstanz schließt Cs, Rb, NH₃ und H₂O ein, die frei gewählt werden können.

Das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD3a wird von dem Strahlungsteiler BS4a reflektiert, fällt auf die Absorptionszelle CL2a und wird einer auf der in der Absorptionszelle CL2a eingeschlossenen Standardsubstanz beruhenden Absorption unterworfen. Die Menge der Absorption wird von dem Licht empfangenden Element PD3a erfaßt und über den Lock-in-Verstärker LA1a an den elektrischen Strom des Halbleiter-Lasers LD3a zurückgeführt. Die Ausgangswellenlänge des Halbleiter- Lasers LD3a wird auf Absorptionsspektrallinien der Standardsubstanz verriegelt bzw. eingesteuert, so daß eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle mit hoher Genauigkeit und hoher Stabilität verwirklicht werden kann.

Das anhand des Ausführungsbeispiels einer Referenzwellenlängen- Laserlichtquelle 14a gemäß Fig. 23 erläuterte Verfahren wird als lineare Absorption bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird das Absorptionsspektrum auf Grund der Doppler-Verschiebung relativ breit. Absorptionslinien mit hyperfeiner Struktur, die auf Grund der Doppler-Verschiebung verborgen sind, werden mit Hilfe der auf gesättigter Absorption beruhenden Spektroskopie erfaßt (vgl.: T. Yabuzaki, A. Hori, M. Kitano und T. Ogawa: Frequency Stabilization of Diode Lasers Using Doppler-Free Atomic Spectra, Proc. Inc. Conf. Laser′s 83). Die Oszillationswellenlänge des Halbleiter- Lasers LD3a wird auf die so erfaßten Absorptionslinien verriegelt, so daß sich eine sehr viel höhere Stabilität erreichen läßt.

Ein Wobbler für optische Frequenzen kann, wie unten beschrieben, als abstimmbarer Laser 12a in den Anordnungen gemäß Fig. 10 bis 13 verwendet werden

Fig. 24 zeigt ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, wobei ein Netzwerkanalysator für optische Frequenzen verwirklicht wird. 31a bezeichnet einen Wobbler für optische Frequenzen, der ein frequenzgewobbeltes Lichtausgangssignal abgibt (in der Figur wurde der Wobbelsignal-Generator weggelassen). Der Wobbler für optische Frequenzen wird unten beschrieben. 223a bezeichnet einen optischen Interferenz-Detektor, in den erste und zweite Strahlen des Ausgangslichts des Wobblers für optische Frequenzen 31a eingegeben werden. 224a bezeichnet ein ein Bandpaßfilter aufweisendes Filter, in den die elektrischen Ausgangssignale des optischen Interferenz-Detektors 223a eingegeben werden. 220a bezeichnet ein Richtkopplungselement, in welches ein erster Lichtstrahl des Ausgangslichts des Wobblers für optische Frequenzen 31a eingegeben wird. 230a bezeichnet einen Ausgang, an dem das von dem Richtkopplungselement 220a abgegebene Licht austritt. 210a bezeichnet ein Meßobjekt, auf welches das von dem Ausgang 230a ausgehende Licht einfällt. 240a bezeichnet einen Eingang, auf den das Licht aus dem Meßobjekt 210a fällt. 241a bezeichnet eine Polarisations-Steuereinheit, welche einen Kristall mit magneto-optischer Wirkung (YIG, Bleiglas oder ähnliches) verwendet, und auf die das in den Eingang 240a eintretende Licht einfällt. 242a bezeichnet einen Photo-Verstärker, in den das Ausgangslicht der Polarisations-Steuereinheit 241a eingegeben wird. 243a bezeichnet einen optischen Interferenz-Detektor, der eine Pin-Photo-Diode oder eine Lawinen-Photo-Diode aufweist, und in den der zweite Strahl des Ausgangslichts des Photo-Verstärkers 242a und des Wobblers für optische Frequenzen 31a einfallen. 244a bezeichnet ein ein Bandpaßfilter aufweisendes Filter, in den das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz- Detektors 243a zur Verstärkung eingegeben wird. 245a bezeichnet einen Amplitudenkomparator, in den die elektrischen Ausgangssignale der Filter 244a, 224a eingegeben werden. 246a bezeichnet einen Phasenkomparator, in den die elektrischen Ausgangssignale der Filter 244a, 224a eingegeben werden. 231a bezeichnet eine Polarisations-Steuereinheit ähnlich der Polarisations- Steuereinheit 241a, in die das von dem Meßobjekt 210a reflektierte Licht über das Richtkopplungselement 220a eingegeben wird. 232a bezeichnet einen Photo-Verstärker ähnlich dem Photo-Verstärker 242a, in den das Ausgangslicht der Polarisations-Steuereinheit 231a eingegeben wird. 233a bezeichnet einen optischen Interferenz-Detektor ähnlich dem optischen Interferenz-Detektor 243a, in den der zweite Strahl des Ausgangslichts des Photo- Verstärkers 232a und des Wobblers für optische Frequenzen 31a eingegeben werden. 234a bezeichnet ein Filter ähnlich dem Filter 244a, in das die elektrischen Ausgangssignale des optischen Interferenz-Detektors 232a eingegeben werden, und das einen Bandpaßfilter aufweist. 235a bezeichnet einen Amplitudenkomparator ähnlich dem Amplitudenkomparator 245a, in den die elektrischen Ausgangssignale der Filter 234a, 242a eingegeben werden. 236a bezeichnet einen Phasenkomparator ähnlich dem Phasenkomparator 246a, in den die elektrischen Ausgangssignale der Filter 234a, 242a eingegeben werden. 250a bezeichnet eine Signal-Verarbeitungs/ Anzeige-Einrichtung, in die die elektrischen Ausgangssignale der Phasenkomparatoren 236a, 246a eingegeben werden. Eine erste optische Interferenz-Detektorstufe besteht aus den optischen Interferenz-Detektoren 233a, 243a. Eine erste Filteranordnung besteht aus den Filtern 234a, 244a. Eine zweite optische Interferenz- Detektorstufe besteht aus dem optischen Interferenz-Detektor 223a.

Eine zweite Filteranordnung besteht aus dem Filter 224a. Eine Vergleichseinrichtung besteht aus den Phasenkomparatoren 236a, 246a und den Amplitudenkomparatoren 235a, 245a. Eine Signalverarbeitungseinrichtung besteht aus der Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 250a. Als Photo-Verstärker 232a, 242a sind Photo-Verstärker 2a der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung geeignet. Als optische Interferenz-Detektoren 223a, 233a, 243a können optische Interferenz-Detektoren verwendet werden, die dem optischen Interferenz-Detektor 4a der Vorrichtung gemäß Fig. 5 sehr ähnlich sind.

Die Funktionen des so aufgebauten Netzwerkanalysators für optische Frequenzen werden im folgenden beschrieben:

Der Wobbler 31a für optische Frequenzen wobbelt die Frequenz des Lichtausgangssignals und gibt es mit hoher Genauigkeit, Stabilität und Spektralreinheit, wie unten beschrieben, weiter. Das erste abgegebene Lichtausgangssignal des Wobblers 31a für optische Frequenzen ist mittels einer, in der Figur nicht dargestellten Frequenzverschiebungseinheit für optische Frequenzen um Δω verschoben. Das erste Lichtausgangssignal mit einer Frequenz ωo des Wobblers 31a fällt über das Richtkopplungselement 220a und den Ausgang 230a auch das Meßobjekt 210a. Das aus dem Meßobjekt 210a tretende Licht wird über den Eingang 240a in die Polarisations-Steuereinheit 241a eingegeben. Die Polarisations-Steuereinheit 241a steuert durch optimale Ausnützung der Rotationspolarisation des Kristalls mit magneto-optischer Wirkung ein eingeprägtes Magnetfeld, wodurch eine Polarisationsebene des eingegebenen Lichts so ausgerichtet wird, daß sie mit dem örtlichen Oszillationslicht, dem zweiten Lichtausgangssignal, übereinstimmt. Das Lichtausgangssignal der Polarisations-Steuereinheit 241a wird mit dem örtlichen Oszillationslicht des Generators/Wobblers 31a für optische Frequenzen mittels eines nicht dargestellten halbdurchlässigen Spiegels verschmolzen, nachdem es in dem Photo-Verstärker 242a verstärkt wurde. Das verschmolzene Lichtausgangssignal wird mittels des optischen Interferenz-Detektors 243a in ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Frequenz einer Differenz entspricht, die durch folgende Gleichung ausgedrückt wird: (ωo + Δω) - ωo = Δω. Das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 243a tritt auf Grund der Bandpaßeigenschaften zum Teil durch den Filter 244a. Das erste Ausgangslichtsignal mit der Frequenz ωo des Wobblers 31a wird mittels eines halbdurchlässigen Spiegels o. ä. unmittelbar mit dem örtlichen Oszillationslicht der Frequenz ωo + Δω verschmolzen und wird mittels des optischen Interferenz-Detektors 223a in ein elektrisches Signal mit einer einer Differenz Δω entsprechenden Frequenz umgewandelt. Das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 243a tritt auf Grund der Bandpaßeigenschaften teilweise durch das Filter 224a und wird ein Bezugssignal. Mittels des Amplitudenkomparators 245a und des Phasenkomparators 246a werden die Amplitude bzw. die Phase des elektrischen Ausgangssignals des Filters 244a, welches durch die Eigenschaften des Meßobjekts beeinflußt wird, und des Bezugssignals des Filters 224a, auf das die Eigenschaften des Meßobjekts keinen Einfluß haben, verglichen. Die elektrischen Ausgangssignale des Amplitudenkomparators 245a und die des Phasenkomparators 246a werden durch die Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung 250a verarbeitet, wodurch die Ausbreitungseigenschaften des Meßobjekts angezeigt werden. Das über den Ausgang 230a und das Richtkopplungselement 220a abgegebene reflektierte Licht des Meßobjekts 210a wird auf ähnliche Weise in der Polarisations-Steuereinheit 231a, dem Photo-Verstärker 232a, dem optischen Interferenz- Detektor 233a, dem Filter 234a, dem Amplitudenkomparator 235a, dem Phasenkomparator 236a und der Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einheit 250a verarbeitet, wodurch die Reflexionseigenschaften des Meßobjekts angezeigt werden.

Wenn das Meßobjekt der o. g. Anordnung ein Lichtleitungspfad ist, ist es möglich die Wellenlängencharakteristika der Phasenunterschiede oder Ausbreitungsverluste des Lichtleitungspfades zu messen. Wenn das Meßobjekt eine optische Faser ist, kann das Meßverfahren bei kurzen Fasern zur Messung der Wellenlängencharakteristika der Verzögerungen und der Ausbreitungsverluste eingesetzt werden. Ist ein Laserdioden-Photo-Verstärker Meßobjekt, können Wellenlängencharakteristika des Verstärkungsfaktors, der Phasenverzögerung und ähnlichem gemessen werden. Darüber hinaus kann der Reflexionsverlust an einer optischen Kontaktstelle an Hand der Charakteristika des reflektierten Lichts festgestellt werden.

Mit einem Netzwerkanalysator für optische Frequenzen des oben beschriebenen Aufbaus können Amplitude, Phase, Wellenlängeneigenschaften und ähnliches sehr genau gemessen werden.

Darüber hinaus können einfach und gleichzeitig Ausbreitungseigenschaften (Verluste, Phase, Verzögerung, Verstärkungsfaktor und ähnliches) sowie Reflexionseigenschaften eines Meßobjekts festgestellt werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen werden Bandpaßfilter als Filter 224a, 234a und 244a verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Filter dieser Art beschränkt, es können auch Tiefpaßfilter verwendet werden. In diesem Fall gilt die Gleichung Δω = 0.

Funktionsbeispiele der optischen Frequenz des Netzwerkanalysators für optische Frequenzen, der an Hand von Fig. 24 beschrieben wurde, werden im folgenden genannt:
Wellenlänge von ωs: 780 nm (eine Wellenlänge der Laser- Diode ist auf Absorptionslinien von Rb verriegelt);
Wellenlänge von ωo: 1560 nm + 50 nm;
Frequenz von Δω: 100 MHz.
Diese Beispielswerte ergeben sich, wenn das Meßlicht die für optische Faserkommunikation geeignetste Wellenlänge aufweist und wenn Lichtkommunikationseinrichtungen gemessen werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Referenzsignal der Vergleichseinrichtung erhalten, indem ein zweiter optischer Interferenz-Detektor 223a und ein zweites Filter 224a verwendet werden. Die Anmeldung ist jedoch nicht auf dieses Signal beschränkt. Es kann auch ein der Verschiebungsfrequenz Δω entsprechendes elektrisches Modulationssignal des Wobblers 31a für optische Frequenzen verwendet werden, das an die optische Frequenzverschiebungseinrichtung angelegt wird. In diesem Fall kann der Aufbau vereinfacht werden, indem der zweite optische Interferenz-Detektor sowie das zweite Filter weggelassen werden.

Das Licht, welches aus dem Netzwerkanalysator für optische Frequenzen austritt und zu dem Meßobjekt gelangt braucht kein aufeinanderfolgendes oder Dauerlicht zu sein, es kann auch Impulslicht verwendet werden. Es ist auch möglich, die Wellenlängeneigenschaften bei Impulslicht zu messen, indem die optische Frequenz gewobbelt wird, während eine Synchronisation mit dem Impulslicht stattfindet.

Fig. 25 zeigt ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des Analysators für optische Frequenzen, wobei ein anderer Aufbau des Netzwerkanalysators für optische Frequenzen dargestellt ist. Ein Unterschied gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 24 besteht darin, daß die optische Frequenzverschiebungseinrichtung an Stelle des Wobblers 31a für optische Frequenzen (wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 24, wobei in dieser Figur der Wobbelsignal-Generator weggelassen wurde) eine eine Markierung aufweisende Lichtquelle 310a zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge aufweist, die identisch ist mit der, die für den Spektralanalysator für optische Frequenzen gemäß Fig. 9 verwendet wird. Wie bei der Anordnung gemäß Fig. 24 wird ein erstes Ausgangslichtsignal variabler Wellenlänge, welches von der eine Markierung aufweisenden Lichtquelle 310 abgegeben wird, mittels einer optischen Frequenzverschiebeeinrichtung, die in der Figur nicht dargestellt ist, um Δω verschoben, und damit zum zweiten Ausgangslichtsignal. Das Markierungssignal- Ausgangssignal Em der eine Markierung aufweisende Lichtquelle 310 wird in die Signal-Verarbeitungs/Anzeige- Einrichtung eingegeben, wodurch zusammen mit den entsprechenden Eigenschaften eine Markierung bzw. ein Markierungssignal angezeigt wird.

Funktionsbeispiele eines Netzwerkanalysators für optische Frequenzen diesen Aufbaus sind folgende:
Wellenlänge von ωo: 1560 nm + 50 nm
Frequenz von Δω: 100 MHz.

Diese Funktionsbeispiele werden in dem Fall erreicht, in dem das Meßlicht die für optische Faserkommunikation geeignetste Wellenlänge aufweist und in dem Lichtkommunikationsvorrichtungen gemessen werden.

Mit einem Netzwerkanalysator für optische Frequenzen, bei dem eine einfach aufgebaute Lichtquelle zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge verwendet wird, können die Frequenzeigenschaften, beispielsweise Amplitude, Phase oder ähnliches, eines Meßobjekts sehr genau gemessen werden, indem die Wellenlänge mit Hilfe der Frequenzmarkierung korrigiert werden.

Es ist festzuhalten, daß das zweite Lichtausgangssignal der Lichtquelle variabler Frequenz als Eingangssignal der optischen Frequenzmarkierungseinrichtung verwendet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel des Wobblers 31a für optische Frequenzen, wie er bei einer Vorrichtung gemäß den Fig. 5 und 24 verwendet wird, wird im folgenden beschrieben. Fig. 26 ist ein Blockdiagramm eines Grundaufbaus des Wobblers für optische Frequenzen.

Mit dem Bezugszeichen 1s wird eine Referenzwellenlängen- Lichtquelle mit stabilisierter Wellenlänge bezeichnet, mit 2s ein optischer phasenverriegelter Regelkreis, ein optischer PLL, in den das Ausgangslicht der Referenzwellen- Lichtquelle 1s eingegeben wird, mit 3s ein Photo-Modulator, der das Ausgangslicht des optischen PLL2s moduliert, und mit 4s ein Photo-Verstärker zur Verstärkung des Ausgangslichts des Photo-Modulators 3s. Der optische PLL2s umfaßt folgende Elemente: einen optischen Interferenz-Detektor 21s, der das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s als Eingangssignal an einer Seite empfängt, eine Lichtquelle 22s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Lichtausgangssignals mittels des Ausgangssignals des Interferenz-Detektors 21s gesteuert wird, eine optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23s zur Verschiebung der Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 22s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge und schließlich eine optische Frequenz-Multiplikationseinrichtung, einen Frequenz-Multiplier 24s zur Vervielfachung der Frequenz des Ausgangslichts der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23s und zur Weiterleitung des Ausgangslichts als Eingangssignal der anderen Seite für den Interferenz-Detektor 21s.

Die Funktion der Vorrichtung wird im folgenden beschrieben. Wenn das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s in den optischen PLL2s eingegeben wird, so verriegelt dieser eine Wellenlänge des optischen Ausgangssignals mit einer der Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s entsprechenden Wellenlänge. Genauer gesagt vergleicht der Interferenz- Detektor 21s das von der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s abgestrahlte Licht und das Licht von dem Frequenz- Multiplier 24s und steuert die Lichtquelle 22s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge so, daß die anhand des Vergleichs festgestellte Differenz vermindert wird. Die optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23s stellt eine Rückkopplungsschaltung dar, die dem Ausgangslichtsignal der Lichtquelle 22s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge eine verschobene Frequenz hinzuaddiert. Der optische Frequenz-Multiplier 24s bestimmt das Verhältnis der Frequenz des Ausgangslichts der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s zur Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 22s zur Abgabe von Licht verschiedener Wellenlänge. Der Photo- Modulator 3s moduliert das Ausgangslicht des optischen PLL2s. Der Photo-Verstärker 4s leitet das Ausgangssignal des Wobblers für optische Frequenzen weiter, indem er das Ausgangslicht des Photo-Modulators 3s verstärkt.

Fig. 27 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung, bei dem der Aufbau gemäß Fig. 26 näher bestimmt wird. Die Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s weist folgende Elemente auf: eine Laser-Diode LD1s, eine Absorptionszelle CL1s, die dem Licht ausgesetzt ist, welches von der Laser-Diode LD1s abgegeben wird und in der Rb-Gas oder Cs-Gas eingeschlossen ist; einen halbdurchlässigen Spiegel HM1s, auf den das von der Absorptionszelle CL1s abgegebene Licht fällt, eine Photo-Diode PD1s, in die das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM1s reflektierte Licht eingegeben wird; eine Steuer-Schaltung A1s, in die das elektrische Ausgangssignal der Photo-Diode PD1s eingegeben wird und die einen elektrischen Strom der Laser-Diode LD1s durch ein Ausgangssignal steuert, welches dem elektrischen Ausgangssignal der Photo- Diode PD1s entspricht; einen Isolator IS1s zur Unterbindung von reflektiertem Licht, durch den durch den halbdurchlässigen Spiegel HM1s fallendes Licht hindurchtritt, und ein Photo-Verstärkungselement OA1s, in das durch den Isolator IS1s tretendes Licht eingegeben wird. Der optische PLL2s weist auf: einen halbdurchlässigen Spiegel HM2s, auf den das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s fällt; eine Photo-Diode PD2s, die den optischen Interferenz-Detektor 21s darstellt und eine Pin-Photo-Diode, eine Lawinen-Photo-Diode o. ä. aufweist, in die das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM2s durchtretende Licht einfällt; einen Oszillator ECs, der durch Eingabe einer durch einen Kristall erzeugten Referenzfrequenz ein elektrisches Signal mit vorgegebener Frequenz erzeugt, sowie eine Mischstufe MX1s, die mit dem elektrischen Ausgang sowie des Oszillators ECs als auch des optischen Interferenz- Detektors PD2s verbunden ist. In der Lichtquelle 22s zur Erzeugung von Licht verschiedener Wellenlänge, die mit dem Ausgang der Mischstufe MX1s verbunden ist, finden sich folgende Elemente: Eine optische Frequenz- Modulationsschaltung FCs, in die das Ausgangssignal der Mischstufe MX1s eingegeben wird; abstimmbare Laser-Dioden VL1s bis VL3s, in die das Ausgangssignal der optischen Frequenz-Modulationsstufe eingegeben wird; ein Isolator IS2s, durch den das Licht der abstimmbaren Laser-Dioden VL1s bis VL3s tritt und der aus YIG (Yttriumgadolinium-Aluminium-Eisengranat) zusammengesetzt ist, sowie einen optischen Schalter OS1s, auf den das durch mehrere (drei in Fig. 27) Isolatoren IS2s hindurchgetretene Licht trifft. Mit HM3s wird ein halbdurchlässiger Spiegel bezeichnet, auf den das Ausgangslicht des optischen Schalters OS1s fällt; mit OA2s ein Photo-Verstärkungselement, in welches das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM3s reflektierte Licht eingegeben wird; mit UM1s ein Ultraschall-Modulator, in den das Licht aus dem Photo-Verstärkungselement OA2s eingegeben wird, wobei der Ultraschall-Modulator UM1s die optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23s darstellt; NLs bezeichnet einen Lichtleiter aus nichtlinearem Material, in den das Ausgangslicht der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23s eingegeben wird, und der den optischen Frequenz-Multiplier 24s darstellt. Schießlich wird ein Photo-Verstärkungselement zur Verstärkung des Ausgangslichts aus dem Lichtleiter NLs mit OA3s bezeichnet. In dem Photo-Modulator 3s, in den das Ausgangslicht des optischen PLL2s eingegeben wird, finden sich folgende Elemente: ein Amplituden-Modulator AM1s sowie ein Phasen-Modulator PM1s jeweils mit einem elektro-optischen Kristall beispielsweise LiNbO₃; ein Polarisations-Modulator LM1s mit einem magneto-optischen Kristall beispielsweise YIG. Ein Photo-Verstärkungselement OA4s bildet den Photo-Verstärker 4s und verstärkt das Ausgangslichtsignal des Photo-Modulators 3s.

Die Funktion der Vorrichtung wird im folgenden genauer beschrieben:

Die Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s stimmt, wie unten genauer erläutert wird, die Oszillationswellenlänge der Laser-Diode auf die Absorptionslinien von Rb-Atomen (oder Cs-Atomen) ab, wobei eine hohe Genauigkeit und Stabilität, nämlich mehr als 10^-12 bei einer absoluten Wellenlänge erreicht werden. Wenn die Wellenlänge des von der Laser-Diode LD1s abgegebenen Lichts beim Durchtreten durch das Absorptionselement CL mit den Absorptionslinien von Rb-Gas (oder Cs-Gas) übereinstimmt, wird das Licht der Laser-Diode LD1s absorbiert. Auf diese Weise ergeben sich die Absorptionseigenschaften, die anhand des eine charakteristische Kurve wiedergebenden Diagramms gemäß Fig. 28 (A) gezeigt werden. In Fig. 29 werden die Energieniveaus von Rb-Gas dargestellt. Für die Absorptionslinien von Rb ergibt sich beispielsweise ein D₂-Balken mit 780 nm und ein D₁-Balken mit 795 nm; werden diese multipliziert, ergeben sich Werte von 1560 nm bzw. 1590 nm. Diese Zahlenwerte fallen in den Bereich von 1500 nm, der als optische Faserkommunikationswellenlänge definiert und daher vorteilhaft ist. Dieser Wellenlängenbereich ist für Photo-Messungen verfügbar. Ein Teil des Lichtstroms des Absorptionselements CL1s wird von dem halbdurchlässigen Spiegel HM1s reflektiert und dann von einem Photo-Detektor PD1s erfaßt. Dann wird die Ausgangswellenlänge der Laser-Diode LD1s auf die Mitte der Absorption verriegelt, indem der elektrische Strom der Laser-Diode LD1s in der Steuer-Schaltung A1s entsprechend dem Ausgangssignal des Photo-Detektors PD1s gesteuert wird. Wenn beispielsweise die oben beschriebene Ausgangswellenlänge an einer Stelle a_s in Fig. 28 (A) verriegelt werden soll, so wird sie in der Steuer-Schaltung A1s mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers an der Stelle b_s in Fig. 28 (B) fixiert, an der die Differentialkurve den Wert 0 annimmt, wobei in Fig. 28 (B) die Differentialkurve der in Fig. 28 (A) dargestellten Wellenform ist. Dies wird als lineares Absorptionsverfahren bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird das Absorptionsspektrum wie in dem in Fig. 28 (A) dargestellten Fall breit, jedoch werden Absorptionsbalken bzw. -linien sehr kleiner, hyperfeiner Größe, die aufgrund einer Doppler-Verschiebung verdeckt sind, mit Hilfe der gesättigten Absorptions-Spektroskopie erfaßt. Wenn die Oszillationswellenlänge der Laser-Diode LD1s auf die so erfaßten Absorptionslinien verriegelt wird, ist die Stabilität noch höher. Die Laser-Diode LD1s ist mit Hilfe eines Konstant-Temperatur- Ofens stabilisiert. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM1s tretende Licht fällt auf den Isolator IS1s. Der Isolator verhindert, daß von außen einfallendes Licht reflektiert wird und Störungen erzeugt. Das A 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002003643569 00004 99880usgangslicht des Isolators IS1s wird mit Hilfe des Photo-Verstärkungselements UA1s verstärkt.

Der optische PLL2s kann, wie unten erläutert, eine Oszillationswellenlänge der Lichtquelle 22s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge mit einer bestimmten Verschiebung und einem bestimmten Verhältnis zur Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s verriegeln. Das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s durchdringt den halbdurchlässigen Spiegel HM2s und fällt auf die Photo-Diode PD2s des optischen Interferenz-Detektors 21s. Das von dem Frequenz-Multiplier 24s zurückgeführte Licht wird an dem halbdurchlässigen Spiegel HM2s reflektiert, nachdem es durch das dazwischengeschaltete Photo-Verstärkungselement OA3s getreten ist, und fällt dann auf die Photo-Diode PD2s. Unter Annahme, daß die optische Frequenz des Ausgangssignals der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s und die des rückgeführten Lichts ωs bzw. ω₁ ist, wird die Frequenz ω₂ des Ausgangssignals des Interferenz-Detektors 21s durch folgende Gleichung gegeben: ω₂ = |ωs - ω₁|. Unter der Annahme, daß die Ausgangsfrequenz des Oszillators ECs ω₃ ist, so wird die Ausgangsfrequenz ω₄ der Mischstufe MX1s (Phasendetektorschaltung) durch die Gleichung ω₄ = ω₂ - ω₃ ausgedrückt, wenn die verschobene Frequenz zur Ausgangsfrequenz ω₂ des optischen Interferenz-Detektors 21s addiert wird. Das elektrische Ausgangssignal ω₄ der Mischstufe MX1s wird einer optischen Frequenz-Modulationsschaltung FCs der Lichtquelle 22s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge eingegeben. Die optische Frequenz-Modulationsschaltung FCs steuert die optischen Frequenzen der abstimmbaren Laserdioden VL1s bis VL3s, so daß sich die Gleichung ω₄ = 0 ergibt. Da der Resonator so aufgebaut ist, daß die maximale Reflexion an einem in ein Laserdioden- Chip eingebrachtes Beugungsgitter erfolgt, und die Oszillationsfrequenz durch den Gitterabstand des Beugungsgitters bestimmt wird, kann im Zusammenhang mit den abstimmbaren Laserdioden VL1s bis VL3s ein DSB (Distributed Feedback) -Laser und ein ADFB (Acoustic DFB) -Laser verwendet werden, der als eine Art von DBR (Distributed Bragg Reflector) bezeichnet wird. (Yamanishi M, et al.: GaAs Acoustic Distributed Feedback Lasers, Jpn. J. Appl. Phys., Suppl. 18-1, P. 335, 1979). Diese Laser haben eine vergleichsweise stabile Wellenlänge. Der ADFB-Laser erzeugt eine akustische Oberflächenwelle (im folgenden SAW), die senkrecht auf dem innerhalb des DBR-Lasers vorgesehenen Beugungsgitter steht und bildet einen optischen Ringresonator, der auf Bragg-Beugung beruht; dazu sind das in das Chip integrierte Beugungsgitter und die akustische Oberflächenwelle (SAW) notwendig. Wenn die Wellenlänge der SAW verändert bzw. gewobbelt wird, ändert sich die Resonanzwellenlänge des Ringresonators; dadurch ist es möglich, die Oszillationswellenlänge zu wobbeln. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Oszillationswellenlänge im Bereich von 1560 nm. Der DFB-Laser und der DBR-Laser sowie der ADFB-Laser, jeweils einen länglichen Resonator umfassend, haben den Vorteil, daß das Oszillationsspektrum schmal und sehr rein ist. Wenn der Bereich variabler Wellenlänge eines einzigen ADFB-Lasers nicht ausreicht, können gemäß Fig. 27 mehrere ADFB-Laser (VL1s bis VL3s) verwendet werden, wobei eine Umschaltfunktion mit Hilfe eines optischen Schalters oder eines Lichtwellen-Synthesizers möglich ist. Die Ausgangslichtströme der abstimmbaren Laserdioden VL1s bis VL3s werden über den reflektiertes Licht verhindernden Isolator IS2s in den optischen Schalter OS1s geleitet, wobei Licht mit einem gewünschten variablen Wellenlängenbereich ausgewählt wird. Der Ausgangslichtstrom des optischen Schalters OS1s wird zum Teil an dem halbdurchlässigen Spiegel HM3s reflektiert und dann dem Photo-Verstärkungselement OA2s eingegeben.

Das aus dem Photo-Verstärkungselement OA2s austretende Licht wird der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23s eingegeben und fällt auf den Ultraschall-Modulator UM1s, wodurch Bragg′sches s-dimensional gebeugtes Licht abgegeben wird. Wenn die Frequenz des Ultraschalls, der von einer Referenzfrequenzquelle, beispielsweise einem Kristalloszillator, abgegeben wird, ω₅ ist, verschiebt sich die optische Frequenz des gebeugten Lichts um s ω₅.

Das Ausgangssignal der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23s fällt auf den optischen Frequenz-Multiplier 24s und eine sekundäre Oberwelle höheren Grades des einfallenden Lichtes wird an den Lichtleiter NLs abgegeben. D. h. das Ausgangssignal einer abstimmbaren Laserdiode von 1560 nm wird über den dazwischengeschalteten Photo-Verstärker eingegeben und dadurch eine sekundäre Oberwelle höheren Grades mit 780 nm abgegeben. Zur Wellenleitung wird ein Plattenteiler mit 4 Schichten aus Luft, TiO₂, ZnS und Glas verwendet, bei dem ein nichtlinearer dünner Film aus ZnS und ein linearer dünner Film aus TiO₂ verwendet werden, um nichtlineare Effekte mit hoher Wirksamkeit zu erzeugen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die sekundäre harmonische Welle höherer Ordnung verwendet, es können jedoch auch diskrete harmonische Wellen höherer n-ter Dimension verwendet werden.

Das Ausgangslicht des optischen Frequenz-Multipliers 24s wird durch das Photo-Verstärkungselement OA3s verstärkt. Wie oben gesagt, wird das Licht des Frequenz- Multipliers 24s als Rückkopplungssignal bzw. -licht am halbdurchlässigen Spiegel HM2s mit dem von der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s ausgehenden Ausgangslicht zusammengebracht.

Aufgrund der oben beschriebenen Funktionen wird die optische Frequenz ω₀ des Ausgangslichts des optischen PLL2s durch folgende Gleichung ausgedrückt:

ω₀ = (ωs ± ω₃)/n ± s ω₅

(Die Symbole sind allerdings anders angeordnet als oben). Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der optische Frequenzvervielfachungsfaktor n den Wert 2. D. h., ω₀ ist bei einem vorgegebenen Wert von n mit der optischen Frequenz ωs verriegelt, die bei der absoluten Wellenlänge eine hohe Genauigkeit und hohe Stabilität annimmt und eine Versetzung um eine willkürliche Frequenz ω₃/n oder ω₅ annimmt. Wenn ω₃ oder ω₅ verändert bzw. gewobbelt werden, kann die optische Frequenz sehr genau verändert oder gewobbelt werden. Da ω₃ und ω₅ elektrische Signale sind, lassen sich die hohe Genauigkeit und die hohe Stabilität leicht erreichen.

Das Ausgangslichtsignal des optischen PLL2s wird dem Photo-Modulator 3s eingegeben und dessen Amplitude mit Hilfe des Amplituden-Modulators AM1s moduliert. Überdies wird dessen Phase durch einen Phasen-Modulator PM1s moduliert und dann dessen Polarisationsrichtung mit Hilfe eines Polarisations-Modulators LM1s variiert. Das Ausgangslichtsignal des Photo-Modulators 3s wird mit Hilfe eines Photo-Verstärkungselements OA4s eines Photo-Verstärkers 4s verstärkt und ist damit das Ausgangssignal des Wobblers.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel können Photo-Verstärker OA1s bis O14s verwendet werden, die mit dem Photo-Verstärker 2a der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung übereinstimmen.

Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung der optischen Frequenzverschiebeschaltung 23s und des Frequenz-Multipliers 24s gegeneinander vertauscht. Die Frequenz ω₀ des Lichtausgangssignals des optischen PLL2s kann durch folgende Gleichung angegeben werden:

ω₀ = (ωs ± ω₃ ± s ω₅)/ n. (5)

Bei dem optischen PLL2s sind sowohl die Mischstufe MX1s als auch die optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23s zur Addition der verschobenen Frequenzen ausgelegt und jeder von ihnen kann weggelassen werden.

Wenn darüber hinaus in dem optischen PLL2s der Vervielfachungsfaktor n den Wert 1 annimmt, kann der optische Frequenz-Multiplier 24s weggelassen werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Absorptionslinien von Rb oder Cs in der Referenzwellenlängen- Lichtquelle verwendet. Die Absorptionslinien sind nicht auf Cs oder Rb beschränkt, sondern können auch NH₃ oder H₂O umfassen. Die wählbaren Absorptionslinien (1500 nm-Bereich) von NH₃ oder H₂O sind bei der absoluten Wellenlänge sehr genau und stabil. In diesem Fall ist der optische Frequenz-Multiplier 24s nicht notwendig. Die Wellenlänge kann dann durch die Verwendung eines bekannten Fabry-Pèrot Resonators als Wellenlängendetektor stabilisiert werden. Jedoch weist das Verfahren, bei dem die oben genannten Absorptionslinien, deren Quanten standardisiert sind, bessere Eigenschaften auf.

Die Wahl der abstimmbaren Laserdioden VL1s bis VL3s ist nicht auf die im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel gewählten ADFB-Laser beschränkt, vielmehr können auch solche verwendet werden, bei denen ein externer Resonator mit einem Beugungsgitter außen auf das Laserdiodenchip angefügt ist, wobei das Beugungsgitter rotiert und eine variable Wellenlänge erhalten wird, indem die Wellenlängenselektivität optimal ausgenutzt wird. Das enge Spektrum ist besonders charakteristisch für Laserdioden mit externem Resonator.

Darüber hinaus können als abstimmbare Laser-Dioden VL1s bis VL3s die in den Fig. 19 bis 22 dargestellten Vorrichtungen verwendet werden.

Es können auch eine W-Ni (Wolfram-Nickel)-Punktkontaktdiode sowie ein Josephson-Element für den optischen Interferenz-Detektor 21s verwendet werden. Die Bauteile weisen Funktionen auf, mit denen eine Multiplikation und eine Mischung ausgeführt werden können, so daß gleichzeitig ωs, ω₁ und ω₃ eingegeben werden können und die in Fig. 27 dargestellte Mischstufe MX1s weggelassen werden kann. In diesem Fall ergibt sich folgende Beziehung zwischen den Ausgangssignalen dieser Elemente und den Eingangssignalen einer optischen Frequenz-Modulationsschaltung FCs: ω₄ = ωs - ω₁ + mω₃, wobei m ein Multiplikationsfaktor ist. Es kann sich auch folgende Gleichung ergeben: ω₄ = ωs - 2 ω₁ + m ω₃. In diesem Fall ist die Frequenz-Multipliziereinrichtung bzw. der Frequenz- Multiplier 24s nicht notwendig.

Fig. 30 zeigt ein Blockdiagramm des Aufbaus eines anderen Ausführungsbeispiels des optischen Interferenz- Detektors 21s. In dieser Figur ist mit OCs ein lokaler Oszillator mit einer optischen Ausgangsfrequenz von ω_L bezeichnet, der eine zweite Wellenlängenstabilisierungs- Lichtquelle verwendet; mit OXs wird eine optische Frequenz-Mischstufe bezeichnet, der die Ausgangslichtsignale des lokalen Oszillators OCs und des o. g. optischen Frequenz-Multipliers 24s über ein Photo-Verstärkungselement OA3s eingegeben werden, wobei die Mischstufe einen nicht-linearen optischen Kristall verwendet. Mit ODs wird ein Photo-Detektor bezeichnet, der eine Pin-Photo-Diode oder eine Lawinen-Photo-Diode aufweist und in den das optische Ausgangssignal der optischen Frequenz-Mischstufe OXs und das Ausgangslichtsignal der o. g. Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s zur Abgabe an die Lichtquelle 22s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge eingegeben werden. Bei diesem Aufbau ergibt sich die optische Ausgangsfrequenz ω₆ der optischen Frequenz-Mischstufe aufgrund von nichtlinearen optischen Effekten aus folgender Gleichung: ω₆ = ω₁ + ω_L. Bei dem Aufbau gemäß Fig. 27 ergibt sich lediglich ω₁, die sich mit Hilfe des Frequenz-Multipliers ohne Berücksichtigung der versetzten Frequenz aus folgender Gleichung ergibt: ωs = ω₁ = n ωo. Mit dem in Fig. 30 gezeigten Aufbau ist es jedoch möglich, Licht mit vielen Wellenlängen zu erhalten. Die Gleichung λ₁ = 9230 nm ergibt sich, wenn die Wellenlänge λ_s von ω_s so gewählt wird, daß sich der Wert 780 nm durch die Verwendung der Absorptionslinien von Rb ergibt, und wenn die Wellenlänge λ_L von ω_L so gewählt wird, daß sich durch die Verwendung der Absorptionslinien von Cs ein Wert von 852 nm ergibt. Dies ist auf die zwischen den Wellenlängen λs, λ₁, λ_L von ωs, ω₁, ω_L bestehende Beziehung 1/λs = 1/λ₁ + 1/λ_L zurückzuführen und darauf, daß bei einem Abgleich des Rückkopplungskreises die Gleichung ωs = ω₆ gilt.

Fig. 31 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der in Fig. 26 dargestellten Vorrichtung, nämlich einen Wobbler für optische Frequenzen, der gleichzeitig zwei optische Frequenzen abgeben kann. Als Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s wird eine zwei Wellenlängen stabilisierende Laser-Diode verwendet, die auf dem Prinzip der gesättigten Absorption beruht (s. obige Beschreibung). Fig. 31 zeigt Laser-Dioden LD11s und LD12s, die Laser-Ausgangssignale verschiedener Wellenlängen abgeben; einen halbdurchlässigen Spiegel HM4s, der die Ausgangssignale der Laser-Dioden LD11s und LD12s zusammenfließen läßt bzw. zur Deckung bringt; einen halbdurchlässigen Spiegel HM5s, der das vom halbdurchlässigen Spiegel HM4s ausgehende Signal in zwei Richtungen aufspaltet; eine Absorptionszelle CL1s ähnlich der in Fig. 27, auf die durch den halbdurchlässigen Spiegel HM5s tretendes Licht fällt; einen halbdurchlässigen Spiegel HM6s, auf den das aus der Absorptionszelle CL1s tretende Licht fällt; einen rückgestreutes Licht verhindernden Isolator IS1s, durch den das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM6s tritt; einen Spiegel M4s, auf den das vom halbdurchlässigen Spiegel HM5s reflektierte Licht fällt; einen halbdurchlässigen Spiegel HM7s, auf den das von dem Spiegel M4s reflektierte Licht fällt; ein Diaphragma LS3s, auf den das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM7s tretende Licht fällt; einen Spiegel M5s, auf den das Ausgangslicht des Diaphragmas LS3s fällt; einen Photo-Detektor PD11s, auf den das Ausgangslicht des Spiegels M5s fällt, nachdem es über den halbdurchlässigen Spiegel HM6s, die Absorptionszelle CL1s und den halbdurchlässigen Spiegel HM5s gelaufen ist; einen Photo-Detektor PD12s, auf den vom halbdurchlässigen Spiegel HM7s reflektiertes Licht nach Durchtritt durch die Absorptionszelle CL1s trifft; einen Differenzverstärker A2s zur Berechnung einer Differenz zwischen einem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors PD11s und einem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors PD12s; Lock-in-Verstärker LA1s und LA2s mit Laser-Dioden-Treiberschaltungen, in die die Ausgangssignale des Differentialverstärkers A2s zur Abgabe eines Ausgangssignals an die Laser-Dioden LD11s und LD12s eingegeben werden; schließlich einen Isolator IS1s, der rückkehrendes Licht unterbindet und durch den das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM6s tritt.

Der optische PLL2s weicht in einigen Punkten von der in Fig. 27 gezeigten Darstellung ab. Mit MX11s und MX12s werden Mischstufen bezeichnet, in die ein elektrisches Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 21s sowie FM-Modulationsfrequenzen Ω_A, Ω_B eingegeben werden. Die Lichtquelle 22s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge weist folgende Elemente auf: optische Frequenz-Modulationsschaltungen FC1s und FC2s, in die die Ausgangssignale der Mischstufen MX11s und MX12s eingegeben werden; abstimmbare Laser-Dioden VL4s, VL5s mit LPF-Eigenschaften, deren Oszillationsfrequenzen durch die Ausgangssignale der optischen Frequenz-Modulationsschaltungen FC1s und FC2s gesteuert werden; rückkehrendes Licht verhindernde Isolatoren IS21s und IS22s, durch welche das Ausgangslicht der abstimmbaren Laser-Dioden VL4s und VL5s treten sowie einen Lichtwellen- Synthesizer OS2s, in den das Ausgangslicht der Isolatoren IS21s und IS22s eingegeben und verschmolzen wird. Andere Elemente stimmen mit den in Fig. 27 dargestellten überein.

Die Funktion dieser Vorrichtung wird im folgenden beschrieben: Unter der Vorraussetzung, daß die Lichtausgangssignale der Laser-Dioden LD11s, LD12s ω_A + Ω_A, ω_B + Ω_B sind, werden die beiden Lichtströme in dem halbdurchlässigen Spiegel HM4s verschmolzen und mit Hilfe des halbdurchlässigen Spiegels HM5s in zwei Richtungen aufgespalten. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM5s fallende Licht tritt als Sättigungslicht durch die Absorptionszelle CL1s. Danach durchdringt das Licht den halbdurchlässigen Spiegel HM6s und wird dann über den Isolator IS1s an den optischen PLL2s abgegeben. Andererseits wird das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM5s reflektierte Licht von dem Spiegel M4s reflektiert und dann durch den halbdurchlässigen Spiegel HM7s in zwei Richtungen aufgespalten. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM7s tretende Licht fällt auf das Diaphragma LS3s und wird von dem halbdurchlässigen Spiegel HM6s reflektiert. Das auf diese Weise reflektierte Licht, das Probenlicht, ist viel enger als das Sättigungslicht und wird auf die Absorptionszelle CL1s fallengelassen. Dann wird das Licht einer Absorption und dabei mittels Sättigungseffekten einer Doppler- Expansion mit einem genauen Pol- bzw. Zwischenraum unterworfen. Dann wird das Licht von dem halbdurchlässigen Spiegel HM5s reflektiert und trifft auf den Photo- Detektor PD11s. Das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM7s reflektierte Licht dient als Referenzlicht und fällt gemäß Fig. 31 in senkrechter Richtung auf die Absorptionszelle CL1s und wird dann absorbiert und dabei der Doppler-Expansion unterworfen. Anschließend fällt das Licht auf den Photo-Detektor PD12s. Der Differenz- Verstärker A2s berechnet eine Differenz zwischen den elektrischen Ausgangssignalen der Photo-Detektoren PD11s, PD12s und gibt das Differenzsignal als Eingangssignal an die beiden Lock-in-Verstärker LA1s, LA2s. Wenn Ω_A als Referenzfrequenz dient, bewirkt der Lock-in- Verstärker LA1s eine Synchronisationsgleichrichtung, erfaßt alleine Ω_A-Komponenten und steuert die Laser- Diode LD11s und verriegelt sie beispielsweise in den Absorptionslinien für F = 1 gemäß Fig. 28 auf die Mitte einer der Absorptionslinien r bis t gemäß Fig. 29, die eine infinitesimale Struktur aufweisen, wobei die Absorptionsbalken durch die Doppler-Verschiebung verdeckt sind. Ähnlich dient Ω_B als Referenzfrequenz, und der Lock-in-Verstärker LA2s bewirkt eine Synchronisationsgleichrichtung, erfaßt alleine Ω_B-Komponenten und steuert die Laser-Diode LD12s und verriegelt diese beispielsweise in den Absorptionsbalken von F = 2 gemäß Fig. 28 in der Mitte eines der Absorptionsbalken o bis q in Fig. 29, die jeweils eine infinitesimale Struktur haben und durch die Doppler-Verschiebung verborgen sind. Auf diese Weise wird eine zwei Wellenlängen stabilisierende Lichtquelle mit den Oszillationsfrequenzen ω_A + Ω_A und ω_B + Ω_B geschaffen. Das Lichtausgangssignal mit zwei Wellenlängen wird von der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s in den optischen PLL2s eingegeben und wird gleichzeitig mit dem Lichtausgangssignal der optischen Frequenz-Multipliziereinrichtung bzw. des optischen Frequenz-Multipliers 24s durch den optischen Interferenz-Detektor 21s einer optischen Interferenz-Erfassung unterworfen. Als Ergebnis werden Detektorsignale beispielsweise mit folgenden Frequenzen erhalten |ω_A - ω_1A + Ω_A|, |ω_B - ω_1B + Ω_B|, |ω_A - ω_B + Ω_A + Ω_B|, |ω_A - ω_1B + Ω_A|, |ω_B - ω_1A + Ω_B|, wobei ω_1A, ω_1B die beiden Frequenzen des Lichtausgangssignals des Frequenz-Multipliers 24s sind. Im Betrieb des optischen PLL2s ergeben sich folgende Verhältnisse: ω_A ≈ ω_1A, ω_B ≈ ω_1B, da Ω_A, Ω_B Werte von einigen kHz annehmen und der Unterschied zwischen ω_A und ω_B gemäß Fig. 29 einen Wert von 6,8 GHz annimmt, ist es möglich, Frequenz-Komponenten wie |ω_A - ω_1A + Ω_A| und |ω_B - ω_1B + Ω_B| dadurch herauszunehmen, daß den Photo-Detektoren PD2s Tiefpaßeigenschaften gegeben werden. Die beiden Mischstufen MX11s und MX12s mischen die elektrischen Ausgangssignale des optischen Interferenz-Detektors 21s mit den Frequenzen Ω_A und Ω_B, wodurch die Ausgangssignale ω_4A = |ω_A - ω_1A| und ω_4B = |ω_B - ω_1B| erzeugt werden. In der Lichtquelle 22s zur Erzeugung von Licht veränderbarer Wellenlänge steuern die Frequenz-Modulationsschaltungen FC1s, FC2s die Oszillationsfrequenzen der Dioden VL4s, VL5s zur Erzeugung von Licht veränderbarer Wellenlänge, so daß die Ausgangssignale ω_4A + ω_4B der Mischstufen MX11s und MX12s zu Null werden. Die Lichtausgangssignale der Dioden VL4s, VL5s fallen über die Isolatoren IS21s, IS22s auf die Schaltung zur Verschmelzung von Lichtwellen bzw. den Lichtwellen-Synthesizer OS2s, in dem die Lichtausgangssignale verschmolzen werden, wodurch die Lichtausgangssignale zwei optische Frequenzen, nämlich ω_A/n ± s ω₅ und ω_B/n ± s ω₅ aufweisen.

Diese Lichtausgangssignale sind bei den Frequenzen Ω_A, Ω_B nicht FM-moduliert.

Mit dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel wurde ein Wobbler für optische Frequenzen mit zwei Frequenzen beschrieben. Die Anordnung ist jedoch nicht auf zwei Frequenzen beschränkt, vielmehr können eine Vielzahl wählbarer Frequenzen ebenfalls verwendet werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s beschrieben, die nach dem Sättigungs-Absorptionsverfahren arbeitet. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Wellenlängen auf die Mitte der Absorption von F = 1 und F = 2 gemäß Fig. 28 unter Verwendung der linearen Absorptionsmethode zu verriegeln. In diesem Fall wird Licht in Form von zwei Lichtströmen auf die Absorptionszelle CL1s einfallen gelassen und die beiden Lock-in-Verstärker bei der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s gemäß Fig. 27 verwendet.

Es ergibt sich aus Fig. 31, daß der Ultraschall-Modulator UM1s allein für die Versetzung und für die Änderung der optischen Frequenzen verwendet wird. Es sind jedoch die Frequenzen ω_3A + Ω_A, ω_3B + Ω_B verfügbar, die durch die Addition der Verschiebefrequenzen ω_3A, ω_3B gewonnen werden anstelle der Eingangsfrequenzen Ω_A, Ω_B der Mischstufen MX11s, MX12s. In diesem Fall werden die optischen Frequenzen der Lichtausgangssignale zu (ω_A ± ω_3A)/n ± s ω₅ und (ω_B ± ω_3B)/n ± s ω₅. Damit ist es möglich, die beiden Frequenzen gleichzeitig bei ω₅ zu verändern und die beiden Frequenzen getrennt bei ω_3A und ω_3B zu verändern.

Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Wobbler für optische Frequenzen in der Lage, das Lichtausgangssignal bei den Absorptionslinien von Rb oder Cs bei der absoluten Wellenlänge mit hoher Genauigkeit und Stabilität zu verriegeln und ein Richtmaß von hoher Stabilität von 10^-12 oder mehr zu erreichen (als herkömmliche Frequenzrichtwerte werden die Mikrowellenresonanz von Cs (9 GHz) oder Rb (6 GHz) verwendet).

Da als abstimmbare Laser-Dioden ein ADFB (Acoustic Distributed Feedback)-Laser mit einem länglichen Resonator sowie eine Laser-Diode mit externem Resonator verwendet werden, ist die Güte Q des Resonators hoch, die Breite des Oszillationsspektrums kann daher verringert werden.

Da das Prinzip des optischen PLL mit aufgenommen wurde, kann eine sehr genaue Änderung der optischen Frequenz durchgeführt werden.

Dadurch, daß sowohl die Absorptionslinien von RB (780 nm, 795 nm) als auch das Multiplikationsverfahren verwendet werden, kann mit hoher Genauigkeit der Stabilität Licht im 1500 nm-Bereich abgegeben werden, das die geringsten Photo-Verluste in Photo-Verbindungsfasern aufweist. Dadurch ist die Erfindung in der Praxis bestens anwendbar.

Mit dem in Fig. 30 dargestellten Aufbau können viele Arten von optischen Frequenzen abgegeben werden.

Darüber hinaus können mit dem Aufbau gemäß Fig. 31 eine Vielzahl von optischen Frequenzen gleichzeitig abgegeben und diese getrennt geändert werden.

Im Fall des Aufbaus gemäß Fig. 31 ist es möglich, unnötige FM-Modulationsanteile aus den abgegebenen Lichtsignalen zu entfernen.

Auch bei der Schaltung gemäß Fig. 27, bei der ω₃′ = ω₃ + Ω in die Mischstufe MX1s eingegeben wird, kann die Entfernung solcher Frequenzanteile auf ähnliche Weise geschehen. In der genannten Gleichung steht Ω für die FM-Modulationsfrequenz bei Verwendung des Lock-in-Verstärkers.

Fig. 32 zeigt ein Blockdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des Wobblers für optische Frequenzen mit einer Lichtquelle zur Abgabe mehrerer optischer Frequenzen. Bauteile, die mit denen gemäß Fig. 27, übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Mit 1s wird eine Referenzwellenlängen- Lichtquelle bezeichnet, bei der die Wellenlänge stabilisiert ist. Mit 20s wird ein erster optischer phasenverriegelter Schaltkreis, ein optischer PLL bezeichnet, in den das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s eingegeben wird; mit 30s wird ein zweiter optischer PLL zweiter Stufe bezeichnet, in den das Ausgangslicht des ersten optischen PLL20s eingegeben wird, und schließlich wird mit 40s ein dritter optischer PLL dritter Stufe bezeichnet, in den das Ausgangslicht des zweiten optischen PLL30s eingegeben wird.

Bei dem ersten optischen PLL20s empfängt der eine Pin-Photo-Diode oder eine Lawinen-Photo-Diode aufweisende optische Interferenz-Detektor 21 als Eingangssignal auf der einen Seite das Ausgangslichtsignal der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s. Eine Lichtquelle 22s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts durch das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 21s gesteuert wird; eine Multiplikationsstufe 24 zur Multiplikation optischer Frequenzen weist einen Lichtleitungspfad aus nichtlinearem Material auf und multipliziert eine Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 22s und sendet gleichzeitig deren Lichtausgangssignal an den optischen Interferenz-Detektor 21s als Eingangssignal von der anderen Seite weiter.

In den optischen PLL30s und 40s sind optische Interferenz- Detektoren 31s und 41s, die ähnlich dem oben beschriebenen Interferenz-Detektor 21s beide als Eingangssignal von der einen Seite das Ausgangslichtsignal des optischen PLL20s und 30s erhalten. Die beiden Mischstufen 34s und 44s erhalten als Eingangssignal von der einen Seite die elektrischen Ausgangssignale der jeweiligen optischen Interferenz-Detektoren 31s und 41s. Eine Schaltung 10s zur Erzeugung einer Referenzverschiebungsfrequenz weist einen Oszillator zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals mit einer vorgegebenen Frequenz auf und sendet seine Ausgangssignale an jede der genannten Mischstufen 34s und 44s als deren Eingangssignale der anderen Seite. In Lichtquellen 32s und 42s zur Erzeugung von Licht verschiedener bzw. variabler Wellenlänge ähnlich der o. g. Lichtquellen werden die Ausgangssignale der Mischstufen 34s und 44s eingegeben. Sie senden einen Teil ihres Ausgangslichts als Eingangssignal der anderen Seite an die optischen Interferenz-Detektoren 31s und 41s.

Die Funktion der so aufgebauten Vorrichtung wird im folgenden beschrieben: Wenn das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s in den optischen PLL20s eingegeben wird, steuert bzw. verriegelt dieser die Wellenlänge seines Ausgangslichts so, daß diese der Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s entspricht. Das Ausgangslichtsignal der Lichtquelle 21s zur Erzeugung von Licht variabler bzw. variabler Wellenlänge tritt in die optische Frequenz- Multiplikationsschaltung 24s und erzeugt eine sekundäre Oberwelle höheren Grades als Eingangslicht auf einem Lichtleitungspfad, der aus nichtlinearem Material besteht. Der optische Interferenz-Detektor 21s gibt ein elektrisches Ausgangssignal, Interferenz-Signal, mit einer Frequenz ab, die der Differenz zwischen der Frequenz des Ausgangslichts der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s und dem Ausgangslicht der optischen Frequenz-Multiplikationsschaltung 24s entspricht. Die Lichtquelle 22s zur Abgabe von Licht veränderlicher Wellenlänge steuert die Frequenz des Ausgangslichts so, daß die Frequenz des elektrischen Signals Null wird. D. h., die Ausgangsfrequenz der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s wird auf die Frequenz der optischen Frequenz-Multiplikationsschaltung 24s gebracht. Für die bisherigen Ergebnisse gilt folgende Gleichung:

fo₁ = (1/2)fs (6)

wobei die Ausgangsfrequenz der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s fs und die Ausgangsfrequenz der Lichtquelle 22s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge fo₁ ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die sekundäre Oberwelle höherer Ordnung in dem Frequenz-Multiplier bzw. der optischen Frequenz-Multiplikationsschaltung 24s verwendet. Wenn jedoch eine gewählte Oberwelle n-ter Ordnung verwendet wird, wird eine um den Faktor n reduzierte Ausgangsfrequenz erhalten.

Da die Referenzverschiebefrequenz fos einer Referenzverschiebefrequenz- Schaltung 10s zu der Ausgangsfrequenz des optischen Interferenz-Detektors 31s addiert wird, wird die Frequenz des Ausgangslichtsignals der Lichtquelle 32s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge im zweiten optischen PLL30s durch folgende Gleichung gegeben:

fo₂ = fo₁ + fos
= (1/2) fs + fos (7)

Auf ähnliche Weise wird die Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 42s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge im optischen PLL40s durch folgende Gleichung ausgedrückt:

fo₃ = fo₂ + fos
= (1/2) fs + 2fos (8)

In Fig. 33 ist eine charakteristische Kurve des Frequenzspektrums dargestellt; aus ihr ergibt sich, daß es möglich ist, von den optischen PLL gemäß Fig. 32 ein Lichtausgangssignal mit einem Frequenzintervall fos, beispielsweise von 10 GHz, auszusenden.

Bei einer oben beschriebenen Lichtquelle zur Abgabe mehrerer optischer Frequenzen ist es möglich, das Referenz- Lichtsignal auf die Absorptionslinien von Rb bei einer absoluten Wellenlänge mit hoher Genauigkeit und Stabilität einzusteuern und dadurch eine sehr genaue Mehrfachlicht-Lichtquelle zu schaffen.

Die entsprechenden Frequenzintervalle können sehr genau gesteuert werden.

Darüber hinaus kann, da die jeweiligen Frequenzintervalle eng und beständig sind, eine optische Mehrfachfrequenz- Lichtquelle mit hoher Dichte verwirklicht werden.

Da als abstimmbare Laser-Dioden Laser-Dioden mit externem Resonator verwendet werden, ist es möglich, die Güte des Resonators zu verbessern und die Beite des Oszillationsspektrums zu vermindern.

In der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s ist die Absorptionswellenlänge der D₂-Linie von Rb 780 nm; dieser numerische Wert wird in dem optischen PLL20s multipliziert, so daß ein Wert von 1560 nm erhalten wird. Auf diese Weise kann ein Lichtausgangssignal im 1500 nm-Bereich der optischen Faserkommunikations-Wellenlänge erzeugt werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Verschiebungsfrequenz durch Zwischenschaltung eines Ultraschall-Modulators zwischen den Ausgang der Lichtquellen 32s, 42s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge und die Eingänge der optischen Interferenz- Detektoren 31s, 41s variiert werden.

Der Multiplikator des Frequenz-Multipliers bzw. der Frequenz-Multiplikationsschaltung 24s kann ganze Zahlen annehmen. Bei einem Multiplikator mit dem Wert 1 kann die optische Frequenz-Multiplikationsschaltung 24s weggelassen werden. In diesem Fall ergeben sich folgende Frequenzen des Ausgangslichts:

fo₁ = fs
fo₂ = fs + fos
fo₃ = 2fos. (9)

In diesem Fall wird der erste optische PLL20s weggelassen. Es kann stattdessen das Ausgangssignal der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1s als Ausgangslicht erster Stufe verwendet werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die identische Referenzverschiebungsfrequenz fos bei jedem optischen PLL jeder Stufe hinzugefügt. Es können jedoch auch mehrere Referenzverschiebungsfrequenzen fos₁, fos₂, die sich voneinander unterscheiden, zu jeder Stufe addiert werden.

Der optische PLL ist nicht auf 3 Stufen beschränkt; es können auch wahlweise mehrere Stufen vorgesehen werden.

Im folgenden werden verschiedene Arten von frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasern beschrieben, die als Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1s und als Referenzwellenlängen- Laserlichtquelle 14a des Wobblers für optische Frequenzen Verwendung finden.

In Fig. 34 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des oben beschriebenen frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers dargestellt. Das Bezugszeichen LD1 bezeichnet einen Halbleiter-Laser. Mit PE1 wird ein Peltier-Element zur Kühlung oder Erwärmung des Halbleiter-Lasers LD1 bezeichnet. Eine Temperatursteuerungseinrichtung zur Steuerung der Temperatur des Halbleiter- Lasers LD1 auf einen festgelegten Wert durch Betrieb des Peltier-Elements wird mit CT1 bezeichnet. TB1 bezeichnet einen Konstanttemperatur-Ofen, der die Temperaturveränderungen durch Abschirmung des Halbleilaterlasers LD1 und des Peltier-Elements PE1 vermindert. BS1 bezeichnet einen Strahlungsteiler, der das von dem Halbleiter-Laser abgegebene Licht in zwei Richtungen aufspaltet. Mit UM1 wird eine bekannte akusto- optische Ablenkungseinheit (AOD) bezeichnet, auf die ein von dem Strahlungsteiler BS1 ausgehender Lichtstrahl fällt, wobei die akusto-optische Ablenkungseinheit eine Modulationseinrichtung bildet. CL1 stellt eine Absorptionszelle dar, auf die gebeugtes Licht aus der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM1 fällt. Die Absorptionszelle CL1 umfaßt eine Standardsubstanz (eingeschlossen Cs), welche das Licht bei spezifischen Wellenlängen absorbiert. PD1 bezeichnet einen optischen Detektor, auf welchen das durch das Absorptionselement bzw. die Absorptionszelle CL1 tretende Licht einfällt. A1 bezeichnet einen Verstärker, in den die elektrischen Ausgangssignale des Photo-Detektors PD1 eingegeben werden. LA1 ist ein Lock-in-Verstärker, in den die elektrischen Ausgangssignale des Verstärkers A1 eingegeben werden, und CT2 bezeichnet einen PID-Regler, der eine Steuerschaltung für den elektrischen Strom ist, in den die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA1 eingegeben werden und der den elektrischen Strom des Halbleiter-Lasers LD1 steuert. Mit SW1 wird ein Schalter bezeichnet, dessen eines Ende mit dem akusto-optischen Deflektor bzw. der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM1 verbunden ist. Mit SG1 wird ein Signalgenerator bezeichnet, der die Ausgangssignale weiterleitet, durch die der Schalter SW1 mit der Frequenz fm (beispielsweise 2 kHz) ein- und ausgeschaltet wird. SG2 bezeichnet einen zweiten Signalgenerator, mit dem die andere Seite des Schalters SW1 verbunden ist und der mit einer Frequenz von f_D, beispielsweise 80 MHz arbeitet.

Die Funktion des so aufgebauten frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers wird im folgenden beschrieben: Die Temperatur des Halbleiter-Lasers LD1 wird durch das dazwischenliegende Peltier-Element PE1 und mittels der Steuerschaltung CT1, welche Temperatursignale an den Temperaturkonstanthaltungs-Ofen TB1 abgibt, auf einen festen Wert eingestellt. Das von dem Halbleiter-Laser LD1 ausgehende Licht wird in zwei Richtungen mit Hilfe des Strahlungsteilers BS1 aufgespalten. Das reflektierte Licht wird als Ausgangslicht an die Umgebung abgegeben, während das durchgehende Licht in die akusto-optische Ablenkungseinheit UM1 einfallengelassen wird. Da die akusto-optische Ablenkungseinheit UM1 durch die Ausgangssignale der Frequenz f_D des Signalgenerators SG2 getrieben wird, wenn sich der Schalter SW1 in der Stellung AN befindet, wird der Hauptteil des einfallenden Lichts mit einer Frequenz γ₀ gebeugt und dann einer Frequenz-Verschiebung bzw. Doppler-Verschiebung unterworfen. Das Licht der Frequenz γ₀ + f_D wird als primäres Beugungslicht definiert und fällt auf das Absorptionselement CL1. Wenn sich der Schalter SW1 in der Stellung AUS befindet, fällt Licht der Frequenz γ₀, welches als null-dimensionales Beugungslicht definiert wird, auf die Absorptionszelle bzw. das Absorptionselement CL1. Der Schalter SW1 wird durch einen Takt der Frequenz fm, welche von dem Signalgenerator SG1 erzeugt wird, getrieben. Das auf die Absorptionszelle CL1 fallende Licht wird einer Frequenzmodulation unterworfen, wobei die Modulationsfrequenz fm und die Modulationstiefe bzw. der Modulationsgrad f_D ist.

In Fig. 35 sind die Energieniveaus des Cs-Atoms dargestellt. Gemäß dieser Figur werden bei Einfall von Licht einer Wellenlänge von 852,112 nm auf Cs-Atome geladene Teilchen angeregt von 6 S_1/2 auf 6 P_3/2. Dadurch verliert das Licht Energie und es tritt Absorption ein. In diesem Fall werden die Energieniveaus 6 S_1/2 und 6 P_3/2 von zwei oder vier Teilchen hyperfeiner Struktur besetzt. Genau gesagt tritt die Absorption bei Licht mit sechs Wellenlängen oder Frequenzen zwischen diesen Energieniveaus ein. Da ein Absorptionsspektrum aufgrund der Doppler-Ausdehnung einige hundert MHz umfaßt, können normalerweise Teilchen infinitesimaler Struktur mit einem Energieniveau von 6 P_3/2 normalerweise nicht beobachtet werden. Daher ergeben sich, wie in Fig. 36 dargestellt, in einer Absorptionslinie zwei Arten von Absorptionen (a) und (b). (a) der Absorptionssignale gemäß Fig. 36 betrifft die von F4 ausgehenden, d. h. (a) in Fig. 35; während (b) in Fig. 36 auf die von F3 ausgehenden zurückgeht, was in Fig. 35 ebenfalls mit (b) dargestellt ist.

Wenn das von der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM1 modulierte Licht auf die Absorptionszelle CL1 fällt, wie dies in Fig. 37 dargestellt ist, erscheint das Signal in dem Ausgang des durchtretenden Lichts, welches allein an dieser Stelle der Absorptionssignale, z. B. an (a) in Fig. 38, moduliert wird. Wenn dieses Signal mit Hilfe des Photo-Detektors PD1 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, und dieses umgewandelte Signal in dem Lock-in-Verstärker LA1 mit Hilfe des Verstärkers A1 bei der Frequenz fm synchron gleichgerichtet wird, erhält man eine primäre Differential-Wellenform, wie sie in der charakteristischen Frequenzkurve in Fig. 38 dargestellt ist. Wenn die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA1 auf die Mitte der obengenannten primären Differentialwellenform verriegelt bzw. eingesteuert werden, hat das Ausgangslicht der Halbleiterdiode eine stabile Frequenz von γ_s - f_D/2.

Bei einem so aufgebauten frequenzstabilisierten Halbleiter- Laser weist, da die Oszillatorfrequenz des Lasers nicht moduliert wird, die Lichtquelle eine sehr stabile Verzögerungsfreiheit auf.

Selbst wenn der Wirkungsgrad der Beugung der akusto- optischen Ablenkungseinheit UM1 variiert wird, nimmt eine optische Komponente, das null-dimensionale Beugungslicht, welches keinen Beitrag zur Modulation leistet, zu, während die Signalintensität abnimmt. Dabei wird auf die zentrale Wellenlänge kein Einfluß ausgeübt.

Bei dem oben beschriebenen praktischen Ausführungsbeispiel wird als Referenzfrequenz des Lock-in-Verstärkers LA1 die Modulationsfrequenz fm verwendet; es können jedoch auch ungerade Vielfache dieser Frequenz ebenfalls verwendet werden.

Als Standardsubstanz können in dem Absorptionselement CL1 beispielsweise Rb, NH₃, H₂O verwendet werden, nicht jedoch Cs.

Bei dem oben beschriebenen praktischen Ausführungsbeispiel wird eine akusto-optische Ablenkungseinheit als Modulationseinrichtung verwendet, jedoch ist die Anmeldung nicht darauf beschränkt. Es kann beispielsweise auch ein Phasenmodulator verwendet werden, der ein elektro-optisches Element aufweist. Eingeschlossen sind beispielsweise Modulatoren des Längs- und Lateraltyps sowie Wanderwellenmodulatoren.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der elektrische Strom des Halbleiter-Lasers durch die Ausgangssignale der Steuereinrichtung gesteuert. Die Anmeldung ist nicht auf diese Lösung beschränkt. Die Temperatur des Halbleiter-Lasers kann gesteuert werden.

Fig. 39 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines zweiten praktischen Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers. Ein Unterschied zur in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung besteht darin, daß ein FM-Modulator FM1 von einem Sinuswellen- Generator SG20, beispielsweise mit einer Modulationsfrequenz fm = 2 kHz gesteuert wird, wodurch die akusto-optische Ablenkungseinheit UM1 durch Sinuswellen moduliert wird.

In Fig. 40 ist das Blockdiagramm eines wesentlichen Teils des optischen Systems eines dritten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers dargestellt. Im folgenden werden nur die Teile der Vorrichtung erwähnt, die von der Einrichtung gemäß Fig. 34 abweichen. Das Bezugszeichen HM1 bezeichnet einen halbdurchlässigen Spiegel, der das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD1 in zwei Richtungen aufspaltet und das reflektierte Licht von einer Seite auf die akusto-optische Ablenkungseinheit UM1 fallen läßt. M1 bezeichnet einen Spiegel, von dem das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM1 tretende Licht reflektiert wird, wobei der Spiegel M1 dafür sorgt, daß das reflektierte Licht aus einer anderen Richtung auf den akusto- optischen Deflektor UM1 fällt. Wenn der Schalter sich in AUS-Stellung befindet, tritt das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM1 reflektierte Licht durch die akusto-optische Ablenkungseinheit UM1 und fällt dann mit einer Frequenz von γ₀ auf die Absorptionszelle CL1. Wenn sich der Schalter SW1 in EIN-Stellung befindet, wird das von dem Spiegel M1 reflektierte Licht durch die akusto-optische Ablenkungseinheit UM1 gebeugt und fällt dann mit einer Frequenz γ₀ + f_D auf die Absorptionszelle CL1.

Der so aufgebaute frequenzstabilisierte Halbleiter- Laser hat den Vorteil, daß der Lichtweg innerhalb des Absorptionselements unbeweglich ist. Wenn jedoch ein Phasenmodulator mit einem elektro-optischen Element als Modulationseinrichtung verwendet wird, tritt diese Notwendigkeit nicht auf, weil die Richtung des austretenden Lichts unveränderlich ist.

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel der Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen bzw. des Halbleiter- Laser-Wellenlängen-Stabilisators gemäß Fig. 41 wird ein Teil des aus der akusto-optischen Ablenkungseinheit tretenden Lichtstroms als Pumplicht auf die Absorptionszelle fallengelassen, während ein anderer Teil enger Lichtströme des austretenden Lichts als Probenlicht von der entgegengesetzten Seite auf die Absorptionszelle einfallengelassen wird, wodurch gesättigte Absorptionssignale erhalten werden. Aufgrund dieser Spektroskopie mittels gesättigter Absorption verschwindet die Doppler-Verbreiterung. Daher ist es möglich, die hyperfeinen Strukturen, die anhand von Fig. 35 beschrieben wurden, zu unterscheiden. Da es möglich ist, Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers zu erhalten, die auf den hyperfeinen Strukturen gemäß Fig. 42 beruhen, ist es möglich, einen noch stabileren frequenzstabilisierten Halbleiter-Laser zu erhalten, indem auf eine der Frequenzen, beispielsweise auf γ₁ in Fig. 42 verriegelt wird. Ein in Fig. 41 punktiert dargestellter Teil ist anders als in Fig. 34. Insbesondere sind Strahlungsteiler BS5 bis BS9, lichtempfangende Elemente PD11, PD2 sowie ein Differenz- bzw. Differential- Verstärker DA1 vorgesehen. Die Ausgangssignale des Differential-Verstärkers DA1 werden einem Lock-in- Verstärker eingegeben. In einem solchen Fall ist der in Fig. 40 dargestellte Aufbau vorzuziehen, damit die Richtung des Ausgangslichts der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM1 sich überhaupt nicht verändert.

Fig. 43 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines fünften praktischen Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die in Fig. 34 dargestellte Anordnung zum Teil abgewandelt wurde. In Fig. 43 ist nur die Umgebung der Absorptionszelle dargestellt. Daher bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 Reflexionselemente und 3 den Lichtpfad des Ausgangslichts der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM1, wobei das Licht das Beugungslicht nullter Dimension und das primäre Beugungslicht umfaßt. Das Ausgangslicht des akusto-optischen Deflektors UM1 tritt durch die Absorptionszelle CL1 und wird dann an dem Reflexionselement 2 reflektiert. Das reflektierte Licht durchdringt wieder die Absorptionszelle CL1 und wird am Reflexionselement 1 reflektiert. Nach Durchtritt durch die Absorptionszelle CL1 fällt das Licht auf den Photo- Detektor PD1. Auf diese Weise ist die Absorption gleich, auch wenn die Länge der Absorptionszelle um den Faktor 3 reduziert wird, weil das Licht die Absorptionszelle CL1 dreimal durchläuft.

Fig. 44 zeigt ein Blockdiagramm ähnlich dem in Fig. 43, das wesentliche Teile eines sechsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers zeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Breite der Absorptionszelles CL1 sowie die Reflexionselemente 1 und 2 verbreitert, um eine größere Anzahl von Lichtreflexionen zu erzeugen. Das von dem akusto-optischen Ablenkungselement UM1 ausgesandte Licht wird von den Reflexionselementen 1 und 2 reflektiert und fällt auf den Photodetektor PD1. Das heißt, das Ausgangslicht tritt fünfmal durch die Absorptionszelle; auf diese Weise ist es möglich, die Länge der Absorptionszelle proportional zu vermindern. Die Anzahl der Durchläufe durch die Absorptionszelle CL1 ist durch Einstellung der Breite sowohl die Absorptionszelle als auch der Reflexionselemente 1 und 2 als auch die Wahl des Winkels, unter dem das Ausgangslicht auf die Absorptionszelle fällt, frei wählbar.

Fig. 45 zeigt ein Blockdiagramm ähnlich dem in Fig. 44, welches einen wesentlichen Teil eines siebten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers zeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Reflexionselemente 1 und 2 nicht getrennt ausgeführt. Statt dessen bestehen sie in einer dünnen metallischen Schicht 4, die auf der Absorptionszelle CL1 durch Bedampfung oder andere ähnliche Methoden aufgebracht wird. Auf diese Weise ist die Größe der Vorrichtung weiter reduzierbar.

Bei den in den Fig. 43 bis 45 beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen die Größe der Absorptionszelle gleich ist wie die herkömmlicher, kann die Länge des Lichtswegs gegenüber herkömmlichen Absorptionszellen verlängert werden. Dadurch kann die Absorption vergrößert und die Stabilität der Wellenlänge des abgegebenen Lichts verbessert werden.

In Fig. 46 ist ein Querschnitt durch eine Absorptionszelle CL1 der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung gezeigt, der wesentliche Teile der Absorptionszellen zeigt, die in einer die Zentralachse der Zelle einschließenden Ebene geschnitten wurde. Es handelt sich dabei um das achte Ausführungsbeispiel des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers. Mit dem Bezugszeichen 5 ist der Behälter der Absorptionszelle, mit 6 die Einfallsebene und mit 7 die Ausfallsebene des Lichtes, mit 8 eine verschlossene Öffnung und mit 9 eine Zentralachse der Absorptionszelle CL1 bezeichnet. Sowohl die Einfallsebene 6 als auch die Ausfallsebene 7 sind um einen Winkel R gegenüber einer senkrecht auf der Mittelachse stehenden Ebene geneigt.

Fig. 47 zeigt eine Mehrfach-Reflexion von Licht in der Einfallsebene 6. Mit 10 wird der Strom des einfallenden Lichtes, mit 11 ein weiterer Strom von im Behälter 5 der Absorptionszelle einfallendem Lichte, mit 12 ein durchtretender Lichtstrom, mit 13 ein Strom mehrfach innerhalb des Behälters 5 reflektierten Lichts und mit 14 ein weiterer Strom mehrfach reflektierten Lichtes, welches aus dem Behälter 5 austritt, bezeichnet. Da die Einfallsebene 6 nicht parallel zur senkrecht auf der Mittelachse 9 des Behälters 5 stehenden Ebene verläuft, werden die Ströme 13 und 14 mehrfach reflektierten Lichtes des Stromes 10 einfallenden Lichtes, welcher parallel zur Mittelachse 9 einfällt, in Richtungen reflektiert, die mit der des einfallenden Lichtes nicht übereinstimmen. Daher stören sich der Strom 11 einfallenden Lichtes und der Strom 13 mehrfach reflektierten Lichtes in keiner Weise. Ebensowenig stören und überlagern sich der Strom 10 einfallenden Lichts, der Strom 12 durchtretenden Lichts und der Strom 14 mehrfach reflektierten Lichts. Auf diese Weise werden keine auf Überlagerungen beruhende Störungen erzeugt. Das hindurchtretende Licht fluktuiert nicht mit der Frequenz, wodurch dessen Stabilität erreicht wird. Die für die Einfallsebene 6 gegebene Beschreibung gilt entsprechend für die Ausfallsebene 7. Der schräge Winkel R variiert entsprechend mit der Dicke des Behälters 5, dem Strahldurchmesser des einfallenden Lichts oder ähnlichem; aber normalerweise sind 2 bis 3° ausreichend. Der Behälter 5 ist als kreisförmiger Zylinder beschrieben, er kann jedoch jede andere geeignete Form annehmen. Jedenfalls sind die Einfalls- und Ausfallsebene eben und es ist lediglich notwendig, daß sie einander gegenüberliegen. Während die Einfalls- und Ausfallsebenen 6 und 7 des Behälters 5, beispielsweise aus lichtdurchlässigem Material bestehen, brauchen andere Bereiche nicht transparent zu sein. Darüber hinaus braucht bei den Einfalls- und Ausfallsebenen 6, 7 nicht unbedingt auf der Innen- und Außenseite des Behälters 5 eine Neigung gegeben zu sein. Es genügt, wenn eine der beiden Seiten geneigt ist.

Fig. 48 zeigt ein Blockdiagramm eines neunten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die unterkritische Absorption von Licht verwendet wird. In dieser und Fig. 34 verwendete, gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Mit FB1 wird eine einwellige optische Faser bezeichnet, auf die das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD1 fällt, und mit CP1 ein Faser-Kopplungselement, in welches das Ausgangssignal der optischen Faser FB1 eingegeben wird. Mit FB2 wird eine weitere einwellige optische Faser bezeichnet, auf die ein Strom des Ausgangslichts des Faser-Kopplungselements CP1 fällt. FB3 stellt eine weitere einwellige optische Faser dar, auf die ein weiterer Strom des Ausgangslichts des Faser-Kopplungselements CP1 fällt. Mit UM11 wird eine akusto-optische Ablenkungseinheit mit durchgehendem Wellenleiter bezeichnet, in die das Ausgangslicht der optischen Faser FB3 eingegeben wird. Mit FB4 wird eine weitere einwellige optische Faser bezeichnet, auf die das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM11 fällt, und die Licht an den Photo-Detektor PD1 abgibt. CL11 bezeichnet eine Absorptionszelle, durch welche die optische Faser FB4 tritt und die eine Standardsubstanz u. a. auch Cs einschließt, welche Licht bei einer gegebenen Wellenlänge absorbiert. Mit a wird ein Kernbereich der optischen Faser FB4 bezeichnet, der nach Entfernung des Überzugs übrigbleibt.

Die Funktion eines so aufgebauten frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers wird im folgenden beschrieben.

Das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD1, dessen Temperatur gesteuert ist, pflanzt sich über die optische Faser FB1 fort und wird dann in zwei Richtungen mit Hilfe des Faser-Kopplungselements CP1 aufgespalten. Ein Strom des so aufgespaltenen Ausgangslichts wird nach außen über die optische Faser FB2 abgegeben; der andere Strom des Ausgangslichts wird über die optische Faser FB3 auf die akusto-optische Ablenkungseinheit UM1 fallengelassen. Das mittels der Ablenkungseinheit UM1 modulierte Licht pflanzt sich über die optische Faser FB4 fort und durchdringt die Absorptionszelle CL11. Gemäß Fig. 48 wird innerhalb der Absorptionszelle CL11 eine unterkritische Welle erzeugt, das heißt ein Bereich, in dem das sich fortpflanzende Licht aus dem Kernbereich der optischen Faser FB4 herausdringt. Ein elektrisches Feld in diesem Bereich wirkt auf das umgebende Cs-Gas, wodurch die Absorption bei der spezifischen Wellenlänge stattfindet. Dadurch werden, wenn das Ausgangssignal der optischen Faser FB4 mittels eines Photo-Detektors PD1 erfaßt wird, Absorptionssignale erzeugt. Auf diese Weise kann die Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers auf einen Bereich nahe der Mitte der Absorption eingesteuert werden, wie dies herkömmlicherweise der Fall ist, wenn Signale über den Lock-in- Verstärker LA1 und ähnliches in den Halbleiter-Laser LD1 zurückgeführt werden.

Mit einem frequenzstabilisierten Halbleiter-Laser der oben beschriebenen Art können dieselben Vorteile des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 34 erreicht werden. Darüber hinaus besteht das optische System gänzlich aus optischen Fasern, so daß eine Positionierung nicht nötig ist. Dies führt zu einer Vereinfachung der Einstellung und der Miniaturisierung der Vorrichtung.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine durch das Absorptionselement CL11 tretende einwellige optische Faser FB4 beschrieben. Die Erfindung ist auf diese Art Faser nicht beschränkt; es sind auch mehrwellige Fasern verwendbar.

Fig. 50 zeigt ein Blockdiagramm des wesentlichen Bereichs eines zehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die Form eines Elements 100, welches in Fig. 48 abgebildet ist, abgewandelt und die Methode der gesättigten Absorption verwendet wird. FB5 bezeichnet eine einwellige optische Faser, mit der das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM11 weitergeleitet wird. CP2 bezeichnet ein Faser-Kopplungselement, dessen eines Ende mit der optischen Faser FB5 verbunden ist. Mit FB6 wird eine weitere einwellige optische Faser bezeichnet, die mit dem anderen Ende des Faser-Kopplungselements CP2 verbunden ist. Mit b wird der Kernbereich der optischen Faser FB6 innerhalb der Absorptionszelle CL2 beschrieben, der nach Entfernung eines Überzugsbereichs übrigbleibt. Mit 15 wird eine Endfläche der optischen Faser FB6 bezeichnet, die mit einem halbdurchlässigen Spiegel beschichtet ist. PD21 bezeichnet einen ersten Photo-Detektor, der das durch die Endfläche 15 übertragene Licht erfaßt. PD11 steht für einen zweiten Photo-Detektor, welcher das von der Endfläche 15 der optischen Faser FB6 reflektierte Licht mit Hilfe des Faser-Kopplungselements CP2 erfaßt. A11 bezeichnet einen Differential- bzw. Differenzverstärker, in den die elektrischen Ausgangssignale der Photo- Detektoren PD21, PD11 eingegeben werden und der diese an den Lock-in-Verstärker LA1 weiterleitet.

Bei der in Fig. 50 dargestellten Vorrichtung fällt das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM11 über die optische Faser FB5 auf das Faser- Kopplungselement CP2 und pflanzt sich über die optische Faser FB6 fort. Anschließend werden unterkritische Wellen außerhalb des Kernbereichs b erzeugt, die als Pumplicht die Lichtabsorption der Standardsubstanz, beispielsweise Cs, in der Nähe des Kernbereichs sättigen. Der größte Teil, beispielsweise 90%, des durch die optische Faser FB6 sich fortpflanzenden Lichts, fällt über die Endfläche 15 auf den Photo-Detektor PD21. Andererseits wird der Rest, beispielsweise 10%, des Lichts an der Endfläche 15 reflektiert und pflanzt sich über die optische Faser FB6 in umgekehrter Richtung fort, wobei seine Durchgangswellen, die als Probenlicht definiert und mit dem oben erwähnten Pumplicht überlappt werden, die Sättigung fördern. Dieses Probenlicht wird über eine optische Faser FB7 über das Faser- Kopplungselement CP2 an den Photo-Detektor PD11 weitergeleitet. Da die Ausgangssignale der Photo-Detektoren PD21 und PD11 mit Hilfe des Differenzverstärkers A11 voneinander abgezogen werden, werden die Absorptionssignale aufgrund der Doppler-Expansion ausgelöscht, wodurch die Abgabe der Signale der gesättigten Absorption an den Lock-in-Verstärker mit scharfen Absorptionsspektren erfolgt. Aufgrund des Rückkopplungskreises, ähnlich dem in Fig. 48, ist es möglich, die Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers LD1 mittels der Spitzen des gesättigten Absorptionsspektrums sehr stabil zu steuern.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Endfläche 15 mit einem halbdurchlässigen Spiegel beschichtet. Darin ist keine Beschränkung zu sehen, es kann vielmehr auch ein halbdurchlässiger Spiegel beispielsweise zwischen die optischen Fasern FB6 eingebracht werden.

In Fig. 51 ist ein Blockdiagramm eines elften Aufführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers dargestellt. Im folgenden werden nur die Teile beschrieben, die von Fig. 34 abweichen. Mit dem Bezugszeichen 16 ist ein Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor bezeichnet, in den die Ausgangssignale des Verstärkers A1 und die des Lock-in-Verstärkers LA1 eingegeben werden. Mit 17 wird ein Komparator, eine Vergleichsstufe, mit einem invertierenden Eingang bezeichnet, in den die Ausgangssignale des Verstärkers A1 eingegeben werden. Mit 18 wird eine Spannungsquelle zur Abgabe einer Sollwert- bzw. Einstellspannung, die zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 17 und einem gemeinsamen Potentialpunkt liegt. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 wird mittels des Komparators 17 gesteuert.

Bei einem solchen Aufbau ergibt sich eine Resonanzabsorption der Absorptionszelle CL1, wie sie in Fig. 52 dargestellt ist. Wenn die Frequenz des Ausgangslichts der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM1 auf einen Wert P eingestellt wird, nimmt der Betrag des durchgelassenen Lichts zu. Das Ausgangssignal des Verstärkers A1 wird weit in negative Richtung abgelenkt, und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 nimmt ab. Im folgenden findet eine langsame Verschiebung von dem Punkt P in Richtung auf die unterste Stelle der Resonanzabsorption statt, das heißt in Richtung auf die Frequenz γ_s. Gleichzeitig nimmt das Volumen des durchtretenden Lichts ab, während das Ausgangssignal des Verstärkers A1 langsam zunimmt. An der Stelle Q wird das Ausgangssignal des Verstärkers A1 größer als die Spannung der Spannungsquelle 18, das Ausgangssignal des Komparators 17 nimmt ein niedriges Niveau ein und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor nimmt zu, wodurch das Ausgangssignal des Halbleiter-Lasers LD1 sehr stabil an der Stelle R festgehalten wird.

Fig. 53 zeigt ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines zwölften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem eine Vielzahl von Komparatoren bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 51 verwendet werden und eine Vorrichtung zur Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 16 mehrfach ausgeführt ist. Mit den Bezugszeichen 171, 172 und 173 sind Komparatoren bezeichnet. Der Ausgang des Verstärkers A1 ist mit den invertierenden Eingangsklemmen dieser Komparatoren verbunden, deren Ausgangssignale die Ausgangssignale des Verstärkers 16 steuern. Mit 181, 182 und 183 sind Spannungsquellen zur Abgabe einer Einstellspannung bezeichnet, die mit den nichtinvertierenden Eingangsklemmen der Komparatoren 171, 172, 173 verbunden sind. Obwohl das hier nicht dargestellt ist, werden wie in Fig. 51 die Ausgangssignale des Photo-Detektors PD1 in den Verstärker A1 eingegeben und die Ausgangssignale des Verstärkers 16 in den Lock-in-Verstärker LA1. Bei diesem Aufbau nehmen die Komparatoren 171, 172, 173 jeweils niedrige Niveaus an den Stellen S, T, Q in Fig. 52 ein, und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 steigt allmählich. Dabei kann man sich dem Punkt R mit hoher Geschwindigkeit nähern. Anschließend kann der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 gesteuert werden.

In Fig. 54 ist ein Blockdiagramm eines dreizehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers dargestellt, bei dem die sekundäre Differentialkurve des Verstärkers A1 als Eingangssignal für den Komparator der Vorrichtung gemäß Fig. 51 verwendet wird. Abweichungen von Fig. 51 werden im folgenden beschrieben. Der Signalgenerator SG1 führt eine FM-Modulation von SG2 mittels Sinus- oder Zerhackerwellen durch. Die Ausgangssignale des Verstärkers A1 werden dem Lock-in-Verstärker LA2 und dem Verstärker 16 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor eingegeben. Der Lock- in-Verstärker LA2 wird mittels des Signalgenerators SG1 getrieben, der ein Ausgangssignal mit einer Frequenz von 2 fm erzeugt, die zweimal so hoch ist wie die Modulationsfrequenz des Signalgenerators SG2, wodurch eine synchrone Gleichrichtung erfolgt. Auf diese Weise kann das sekundäre Differential des Verstärkers A1 erzeugt werden. Die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA2 werden an den invertierenden Eingang des Komparators 17 gelegt, der diese Signale weiterleitet, um den Verstärker 16 zu steuern. Die Ausgangssignale des Verstärkers 16 werden in den Lock-in-Verstärker LA1 eingegeben. Mit 18 ist die Spannungsquelle zur Abgabe einer Einstellspannung bezeichnet, die mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 17 verbunden ist.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 51, 53 und 54 überschreitet das Ausgangslicht des Halbleiter- Lasers auch dann einen vorgegebenen Wert nicht, wenn das Ausgangslicht von dem vorgegebenen Wert weit abweicht, und es ist möglich, den vorgegebenen Wert mit hoher Stabilität einzuhalten. Aufgrund dieses Vorteils ist es möglich, das Ausgangslicht des Halbleiter- Lasers auch dann auf den vorgegebenen Wert zurückzuführen, wenn es weit von diesem abweicht. Gleichzeitig wird die Wellenlänge sehr stabil.

Bei allen Ausführungsbeispielen der Fig. 51, 53 und 54 ist der Verstärker 16 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor hinter dem Verstärker A1 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, diesen Verstärker 16 hinter dem Lock-in-Verstärker LA1 und der PID-Steuerung CT2 anzuordnen. Das heißt, der Verstärker 16 kann an beliebiger Stelle innerhalb des Rückkopplungskreises angeordnet sein.

Fig. 55 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines vierzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die Temperatur des Absorptionselements CL1 mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Fig. 34 auf einen festen Wert eingestellt wird. Mit 19 wird ein Ofen konstanter Temperatur bezeichnet, der von adiabatischem Material umgeben ist. Im Inneren des Ofens befindet sich die Absorptionszelle CL1. Außerdem ist ein Durchlaß für das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM1 vorgesehen. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet ein Temperatur-Meßelement, welches in dem Ofen 19 angeordnet ist. Das Ausgangssignal des Temperatur-Meßelements 20 wird einer Temperatur-Einstellvorrichtung 21 eingegeben. Dessen Ausgangssignale werden einer Heizung 22 eingegeben. Das heißt, die Temperatursteuereinheit weist den Ofen 19 konstanter Temperatur, das Temperatur-Meßelement 20, die Temperatur-Einstellvorrichtung 21 sowie die Heizung 22 auf. Die in dem Ofen 19 herrschende Temperatur wird mittels des Temperatur-Meßelements 20 gemessen. Die Heizung 22 wird von der Temperatur-Einstellvorrichtung 21 so gesteuert, daß sie die Temperatur innerhalb des Ofens 19 konstanter Temperatur hält. Die Temperatur ist auf einen solchen Wert festgelegt, daß das Absorptionsvolumen in Übereinstimmung mit den Abmessungen der Absorptionszelle groß ist und daß deren sekundäres Differential ein Maximum annimmt. Wenn als Standardsubstanz Cs verwendet wird, ist das Absorptionsvolumen bei einer Temperatur von weniger als 20°C klein. Der geeignetste Wert des sekundären Differentials der Absorptionsmenge liegt in der Nähe von 40°C.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird die Temperatur des Absorptionselements auch dann konstant gehalten, wenn die Umgebungstemperatur variiert. Dadurch findet weder eine Änderung des Absorptionsvolumens noch des Wertes des sekundären Differntials statt, und die Stabilität der Wellenlänge des Ausgangslichts wird durch Änderungen der Umgebungstemperatur nicht erniedrigt. Darüber hinaus können Temperaturen, bei denen die Absorptionsmenge der Absorptionszelle zunimmt, unabhängig von der Umgebungstemperatur gewählt werden, wodurch eine relativ große Absorption selbst bei kleinen Absorptionselementen erreichbar und dadurch die Vorrichtung miniaturisierbar ist. Darüber hinaus ist diese innerhalb eines großen Bereichs von Umgebungstemperaturen einsetzbar.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird allein eine Heizung zur Steuerung der Temperatur verwendet. Wenn jedoch die Temperatur auf einen Wert nahe der Umgebungstemperatur eingestellt werden soll, kann zusätzlich ein Kühlelement verwendet werden. Darüber hinaus können an Stelle der Heizung 22 Elemente wie beispielsweise Peltier-Elemente verwendet werden, die heizen und kühlen können.

Das Temperatur-Meßelement 20 und die Temperatur-Einstellvorrichtung 21 können weggelassen werden, wenn ein PTC-Heißleiter oder ein Kaltleiter verwendet werden, dessen Widerstandswert proportional zur steigenden Temperatur zunimmt.

Fig. 56 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die Absorptionszelle nicht nur der Umgebungstemperatur, sondern auch einem magnetischen Feld bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 34 ausgesetzt ist. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet eine weichmagnetische Platte aus Permalloy oder ähnlichem. Mit 24 wird ein adiabatisches Material bezeichnet, das die Absorptionszelle CL1 bis auf einen Durchlaß für das Ausgangslicht der akusto- optischen Ablenkungseinheit UM1 umgibt. Mit einem Temperatur- Meßelement 201 wird die Temperatur in der Umgebung der Absorptionszelle CL1 gemessen. Das Ausgangssignal des Temperatur-Meßelements wird einer Temperatur- Einstellvorrichtung 211 eingegeben. Eine Heizung 221 wird von der Temperatur-Einstellvorrichtung 211 betrieben. Die Temperatur eines von der weichmagnetischen Platte 23 und dem adiabatischen Material 24 eingeschlossenen Luftraums wird so gesteuert, daß sie unveränderlich ist und zwar mit Hilfe des Temperatur-Meßelements 201, der Temperatur-Einstellvorrichtung 211 und der Heizung 221.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird das Ausgangssignal bei Änderungen der Umgebungstemperatur konstant gehalten, während die magnetische Abschirmung mit Hilfe der weichmagnetischen Platte erfolgt. Auf diese Weise können Zeeman-Aufspaltungen des Absorptionsspektrums aufgrund des äußeren Magnetfelds und daraufhin erfolgende Frequenzänderungen des Ausgangslichts, wodurch die Wellenform verzerrt wird, vermieden werden, indem Einflüsse des Erdmagnetismus abgeschirmt werden. Es ist also nicht notwendig, die gesamte Vorrichtung in einer magnetischen Abschirmung unterzubringen, wodurch diese klein wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 56 sind zwei weichmagnetische Platten 23 und eine Schicht aus adiabatischem Material 24 vorgesehen. Es können jedoch auch nur eine Platte 23 aus weichmagnetischem Material aber auch mehrere übereinandergelegte Platten vorgesehen werden. Im letzteren Fall können dünne weichmagnetische Platten 23 und adiabatische Schichten alternativ laminiert werden, wodurch der Magnetabschirmungseffekt gesteigert wird.

Wenn sich die Umgebungstemperatur nicht stark ändert, kann die Heizung 221 weggelassen werden.

Fig. 57 zeigt ein Blockdiagramm eines sechzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers, bei dem die Wellenlängen des Ausgangssignals der Vorrichtung gemäß Fig. 34 mehrfach ausgelegt sind. Der Aufbau ist so gewählt, daß die Ströme des Ausgangslichts der Halbleiter-Laser LD1, LD2 mit Hilfe der Strahlungsteiler BS1 und BS2 aufgespalten werden und ein Teil von ihnen Lichtausgangssignale sind. Der Rest der so aufgespaltenen Lichtströme wird in akusto-optische Ablenkungseinheiten UM1, UM2 eingegeben. Die Ausgangssignale der akusto-optischen Ablenkungseinheiten UM1 und UM2 werden mit Hilfe der Strahlungsteiler BS3, BS4 verbunden und dann der Absorptionszelle CL1 eingegeben. In dieser ist eine Substanz eingeschlossen, welche die Laserstrahlen mit mehrfachen Wellenlängen absorbiert. Als Substanz kommen beispielsweise in Frage Cäsium (Cs), Rubidium (Rb), Ammoniak (NH₃) und Wasser (H₂O). Das heißt, daß mehrere Absorptionsspektren in dem durch die Absorptionszelle CL1 tretenden Licht erzeugt werden. Die durch die Absorptionszelle CL1 tretenden Laserstrahlen werden auf ein lichtempfangendes Element PD1 fallengelassen und in elektrische Signale umgewandelt, die der einfallenden Lichtstärke entsprechen. Die elektrischen Signale werden Lock-in-Verstäkern LA11, LA12 und dann Stromsteuerschaltungen CT21, CT22 eingegeben. Die Ausgangssignale der Stromsteuerschaltungen CT21, CT22 werden den Halbleiter- Dioden LD1, LD2 eingegeben. Da der angelegte Strom durch die von den Stromsteuerschaltungen CT21, CT22 erzeugten Signale vorgegeben ist, wird die Oszillationsfrequenz der Halbleiter-Laser LD1, LD2 durch diese elektrischen Stromwerte bestimmt. Ein Oszillator SG2 mit einer Frequenz von f_D von beispielsweise 80 MHz, ist über Schalter SW1, SW2 mit den akusto-optischen Ablenkungseinheiten UM1, UM2 verbunden. Die Ausgangssignale der Oszillatoren SG11, SG12, die eine Frequenz von beispielsweise fm₁ = 2 kHz und fm₂ = 2,5 kHz aufweisen, sind mit den Schaltern SW1 und SW2 verbunden. Dadurch wird die Oszillationswellenlänge des durch die akusto-optischen Ablenkungseinheiten UM1, UM2 tretenden Lichts mit den Frequenzen fm₁ und fm₂ moduliert. Die Ausgangssignale der Oszillatoren SG11, SG12 werden auch den Lock-in-Verstärkern LA11, LA12 eingegeben und dann synchron mit der Frequenz fm₁, fm₂ gleichgerichtet. Eine Steuereinrichtung weist also die elektrischen Stromsteuerschaltungen CT21, CT22 sowie die Lock-in-Verstärker LA11 und LA12 auf.

Die Funktion des so aufgebauten Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisators wird im folgenden beschrieben:

Zur Erläuterung wird als absorbierende Substanz, welche die Absorptionszelle CL1 aufweist, Cäsium (Cs) verwendet.

Das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD1 wird durch den Strahlenteiler BS1 in zwei Richtungen aufgespalten. Das reflektierte Licht wird Ausgangslicht und nach außen abgestrahlt, während das durchtretende Licht auf die akusto-optische Ablenkungseinheit UM1 trifft. Bei der in Fig. 34 dargestellten Vorrichtung wird das eine Frequenz von γ₁ aufweisende Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD1 mit Hilfe der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM1 einer Frequenzmodulation unterworfen, wobei die Modulationsfrequenz fm₁ und die Modulationstiefe bzw. der Modulationsgrad f_D ist. Danach fällt das modulierte Licht auf die Absorptionszelle CL1. Ähnlich wird das eine Frequenz von γ₂ aufweisende Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD2 mittels der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM2 frequenzmoduliert, wobei die Modulationsfrequenz fm₂ und der Modulationsgrad f_D ist. Das Ausgangslicht fällt dann auf die Absorptionszelle CL1.

Wenn das Licht mit den Frequenzen γ₁ und γ₂ die Absorptionszelle CL1 mit den Cs-Atomen durchdringt, treten bezüglich des durchtretenden Lichts die in Fig. 27 dargestellten Absorptionssignale auf, die der Änderung von γ₁ und γ₂ entsprechen. Entsprechend haben die Ausgangssignale der Lock-in-Verstärker LA11, LA12 die in den Fig. 58 und 59 dargestellte Wellenform, wobei die Signale gemäß Fig. 36, die von dem lichtempfangenden Element PD1 abgegeben werden, differenziert werden.

Wenn das Licht mit der Frequenz γ₁ mit der Modulationsfrequenz fm₁ und das Licht mit der Frequenz γ₂ mit der Modulationsfrequenz fm₂ moduliert werden, wenn die Lock-in-Verstärker LA11, LA12 synchron mit den Modulationsfrequenzen fm₁, fm₂ gleichgerichtet werden, wobei für fm₁ und fm₂ die Gleichung k.fm₁ = n. fm₂ gilt und k und n ganze Zahlen sind, macht sich der Einfluß von Licht mit einer Frequenz γ₂ in dem Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA11 und der Einfluß von Licht mit der Frequenz γ₁ im Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA12 nicht bemerkbar. Daher nehmen die Ausgangssignale der Lock-in-Verstärker LA11, LA12 jeweils die in Fig. 58 und 59 dargestellte Wellenform an, wobei das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA11 in Fig. 58 und das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA12 in Fig. 59 dargestellt ist. Wenn die Oszillationsfrequenzen der Halbleiter-Laser LD1, LD2 durch die elektrischen Stromsteuerschaltungen CT21, CT22 so gesteuert werden, daß das Ausgangssignal des Lock- in-Verstärkers LA11 sich am Punkt A in Fig. 58 und das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA12 an Punkt B in Fig. 59 befindet, werden die Laserstrahlen der Ausgangssignale dadurch gekennzeichnet, daß ihre Wellenlänge etwa 852,112 nm beträgt, wodurch die Ströme des Lichts zwei Wellenlängen aufweisen, die sich voneinander um 9,2 GHz unterscheiden.

Bei diesem einfachen Aufbau des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers mit einer Absorptionszelle ist es möglich, Laserstrahlen mit mehreren stabilen Wellenlängen abzugeben.

An Stelle von Cs soll im folgenden Fall Rb verwendet werden. Wie bei Cs hat das Basisniveau eine hyperfeine Struktur, bei der F = 1 und F = 2 ist. Wenn die Frequenz, bei der die Absorption von F = 1 verursacht wird, γ₁ ist und die Frequenz, bei der die Absorption von F = 2 verursacht wird, γ₂ ist, ist Δγ = γ₁ - γ₂ die Differenz zwischen den Frequenzen, wobei bei ⁸⁷Rb Δγ = 6,8 GHz beträgt und bei ⁸⁵Rb Δγ = 3 GHz. Wenn D₁-Linien von Rb (die Anregung von einem Niveau von 5 S_1/2 auf ein Niveau von 5 P_3/2 ergibt 794,7 nm) und D₂-Linien von Rb (die Anregung von einem Niveau von 5 S_1/2 auf ein Niveau von 5 P_1/2 ergibt 780,0 nm) verwendet werden, gilt folgende Gleichung: Δγ = 14,7 nm.

Durch den Durchtritt durch Cs und Rb ergibt sich Δγ = 852,1 - 780 (oder 794,7) = 72,1 (oder 57,4) nm. Darüber hinaus können die molekularen Absorptionslinien von H₂O und NH₃ oder ähnlichem verwendet werden.

Die Anzahl der Halbleiter-Laser ist nicht auf zwei beschränkt. Wenn die Anzahl der Laser erhöht wird, können verschiedene Typen eingesetzt werden, indem die obengenannten Frequenzen kombiniert werden. Dabei müssen die akusto-optische Ablenkungseinheit, der Lock- in-Verstärker, der Oszillator und die elektrische Stromsteuerschaltung proportional ergänzt werden.

Bei dem in Fig. 60 dargestellten Aufbau eines siebzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers ist es möglich, die hyperfeinen Strukturen, die anhand von Fig. 35 beschrieben wurden, zu unterscheiden, weil aufgrund der oben beschriebenen gesättigten Absorptionsspektroskopie die Doppler-Expansion verschwindet. Folglich erhält man das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers, welches auf der infinitesimalen Struktur gemäß Fig. 42 beruht, so daß Δγ weiter reduziert werden kann, je nach der Position, an der es verriegelt wird. Der gestrichelt dargestellte Bereich in Fig. 60 unterscheidet sich von Fig. 57. Es ergibt sich aus Fig. 60, daß Strahlungsteiler BS5 bis BS9, lichtempfangende Elemente PD11, PD2 und ein Differenzverstärker DA1 vorgesehen sind. Die Ausgangssignale des Verstärkers werden den Lock-in- Verstärkern zugeführt.

Die Frequenzen höherer Oberwellen von fm₁ oder ähnlichem können als Frequenz eines Signals verwendet werden, welches den Lock-in-Verstärkern gemäß Fig. 57 eingegeben wird. In dem Fall, in dem eine dreifache harmonische Welle bzw. die dritte harmonische Welle verwendet wird, verschwinden die Vorspannungs- bzw. Verzerrungskomponenten der in den Fig. 58 und 59 dargestellten Lock-in-Verstärker.

Wenn an Stelle des Strahlungsteilers in Fig. 57 ein Polarisations-Strahlungsteiler verwendet wird, werden die Ausgangslaserstrahlen orthogonal polarisierte Wellen.

Fig. 61 zeigt ein Blockdiagramm eines achtzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers, bei dem die Laserausgangswellenlänge so verändert wird, daß sie dem Eingangssignal entspricht. Eine Spule CI1, die sich von Fig. 34 unterscheidet, bildet eine Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Einflusses. In die beiden Enden der Spule CI1 wird ein mit der Wellenlänge sich veränderndes Eingangssignal Sin eingegeben. Die Spule CI1 ist um die Absorptionszelle CL1 gewunden. Wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 34, wird das Ausgangslicht des Halbleiters auf eine stabile Frequenz von γ_s = f_D/2 eingestellt. Dadurch, daß das entsprechend der Wellenlänge variierbare Eingangssignal Sin an beide Enden der Spule CI1 angelegt wird, fließt ein elektrischer Strom durch die Spule CI1 und erzeugt ein dem Eingangssignal Sin entsprechendes magnetisches Feld. Mit Hilfe dieses elektrischen Feldes bringt das Absorptionsspektrum der Standardsubstanz innerhalb des Absorptionselements CL1 eine Zeeman-Teilung, wodurch die Absorptionswellenlänge verändert wird. Durch die Änderungen der Absorptionswellenlänge wird die Ausgangswellenlänge des Halbleiter-Lasers LD1, der mit der Absorptionslinie verriegelt ist, verändert. Es ist daher möglich, die Wellenlänge des Laserausgangslichts, das von dem Strahlungsteiler BS1 abgegeben wird, mit Hilfe des entsprechend der Wellenlänge variablen Eingangssignals Sin zu verändern.

Die so aufgebaute Laserlichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge hat den Vorteil, daß die Wellenlänge variabel ist, während das Halbleiter-Laser- Ausgangslicht stabil, auch stabil bezüglich der Verzögerungsfreiheit, auf das Absorptionssignal der Standardsubstanz verriegelt bzw. eingestellt wird.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Spule zur Erzeugung magnetischer Einflüsse verwendet. Statt dessen kann beispielsweise auch ein Permanentmagnet in einem kleineren oder größeren Abstand bezüglich der Absorptionszelle CL1 entsprechend dem Eingangssignal Sin angeordnet werden.

Fig. 62 zeigt ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines neunzehnten Ausführungsbeispiels, bei dem gesättigte Absorption in einem Bereich A gemäß Fig. 61 an Stelle der linearen Absorption ausgeführt wird. Das Licht, das mit Hilfe des akusto-optischen Ablenkungselements UM1 moduliert wurde, fällt als Pumplicht über den Strahlungsteiler BS10 auf die Absorptionszelle CL1. Durch die Absorptionszelle CL1 dringendes Licht wird an einem Spiegel M2 reflektiert und kehrt auf demselben Lichtweg zurück. Das zurückkehrende Licht dient als Probenlicht und fällt wiederum auf die Absorptionszelle CL1. Das hindurchgetretene Licht wird von dem Strahlungsteiler BS10 reflektiert, wodurch das Signal der gesättigten Absorption mittels des Photo- Detektors PD12 erfaßt wird. Andere Vorgänge stimmen mit denen der Vorrichtung gemäß Fig. 61 überein.

Wenn, wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 61, ein mit der Wellenlänge veränderbares Eingangssignal Sin an beide Enden der Spule CI1 gelegt wird, erzeugt das Absorptionsspektrum der Standardsubstanz in der Absorptionszelle CL1 eine Zeeman-Trennung, wodurch die Wellenlänge der gesättigten Absorption sich ändert. In den Fig. 63 bis 65 ist mit m_F ein Energieniveau bezeichnet, an dem die Zeeman-Trennung bzw. -Aufspaltung stattfindet und eine magnetische Modulation hervorruft. Die Zeeman-Trennung der entsprechenden Energieniveaus von Cs ist in den Fig. 63 bis 65 dargestellt. Fig. 63 zeigt ein Diagramm einer charakteristischen Kurve des Zeeman-Effekts eines 6²P_3/2-Erregungsniveaus von Cs. Fig. 64 zeigt ein Diagramm einer charakteristischen Kurve des Zeeman-Effekts eines Niveaus einer hyperfeinen Struktur von F = 4, bei dem der Grundzustand von Cs 6²S_1/2 ist. Fig. 65 zeigt ein Diagramm einer charakteristischen Kurve des Zeeman-Effekts des Niveaus einer hyperfeinen Struktur von F = 3, wobei der Grundzustand von Cs 6²S_1/2 ist. Wenn beispielsweise die Frequenz des Halbleiter-Lasers LD1 auf das Absorptionsspektrum eingestellt wird, welches bei einer Verschiebung von F = 3 bei 6²S_1/2 zu F = 2 von 6²P_3/2 erhalten wird, verschiebt sich das Absorptionsspektrum bei Anlegung eines magnetischen Feldes an die Absorptionszelle CL1 zu niedrigeren Frequenzen. Als Ergebnis davon verschiebt sich die Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers LD1 gleichzeitig in Richtung niedrigerer Frequenzen.

Mit Ausnahme der Charakteristika einer Vorrichtung gemäß Fig. 61 ist eine so aufgebaute Vorrichtung zusätzlich dadurch charakterisiert, daß die Änderungen der gesättigten Absorptionsfrequenz groß gegenüber Änderungen des Magnetfelds sind, so daß die Empfindlichkeit zunimmt. Angesichts der Tatsache, daß die Weite des Absorptionsspektrums in der Vorrichtung gemäß Fig. 61 groß gegenüber der in Fig. 62 ist, kann die Ausgangsfrequenz nur auf den Mittelwert der Energieniveaus (F = 3 bis 5 in Fig. 63) der hyperfeinen Struktur eingesteuert werden. Daher wird die Empfindlichkeit kleiner als dieser.

Fig. 66 zeigt ein Blockdiagramm eines zwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers, bei dem die Schaltungen des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers in einem IC-Element integriert sind. Mit 30 ist eine integrierte Photoschaltung, ein Photo-IC dargestellt, dessen Substrat beispielsweise aus GaAs oder ähnlichem besteht. Andere auf diesem Substrat gebildete Elemente werden im folgenden beschrieben. Mit LD10 ist ein Halbleiter-Laser bezeichnet; mit 31 ein Lichtleitungspfad, auf den das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers fällt. Mit UM10 wird ein akusto-optisches Ablenkungselement (Ultraschallablenkungselement) bezeichnet, auf das das aus dem Lichtpfad 31 tretende Licht fällt. 32 bezeichnet einen weiteren Lichtpfad, auf den das Ausgangslicht des akusto-optischen Ablenkungselements UM10 fällt. Mit CL10 wird ein Absorptionselement beschrieben, welches eine Standardsubstanz, inklusive Cs einschließt und in der Lage ist, Licht mit einer spezifischen Wellenlänge zu absorbieren. Das aus dem Lichtleitungspfad 32 tretende Licht fällt auf das Absorptionselement CL10. Mit PD10 ist ein Licht empfangendes Element bezeichnet, auf das das von dem Absorptionselement CL10 austretende Licht fällt. 33 bezeichnet eine Steuereinrichtung, in die die elektrischen Ausgangssignale des Licht empfangenden Elements PD10 eingegeben werden. In der Steuereinrichtung 33 wird ein Lock-in-Verstärker mit LA10 bezeichnet, dessen Eingang mit dem Ausgang des Licht empfangenden Elements PD10 verbunden ist. CT20 ist eine elektrische Stromsteuerschaltung, die eine PID-Steuerschaltung aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang des Lock-in-Verstärkers LA10 und deren Ausgang mit einem Strominjektionseingang des Halbleiter-Lasers LD10 verbunden ist. Mit SG10 wird eine Signalerzeugungsschaltung, Oszillatorschaltung, mit einer Frequenz fm beschrieben, wobei beispielsweise fm = 2 kHz gilt. Einer der Ausgänge der Signalerzeugungsschaltung SG10 dient als Referenzsignal- Eingang des Lock-in-Verstärkers LA10. Mit SG20 wird eine zweite Signalerzeugungsschaltung (Oszillatorschaltung) mit einer Frequenz f_D von beispielsweise 80 MHz bezeichnet, deren Ausgang mit dem akusto-optischen Ablenkungselement UM10 verbunden ist, wobei die zweite Signalerzeugungsschaltung mittels des Ausgangssignals der ersten Signalerzeugungsschaltung SG10 moduliert wird.

Die Funktion der so aufgebauten Vorrichtung stimmt mit der des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers gemäß Fig. 34 überein.

Ein so aufgebauter frequenzstabilisierter Halbleiter- Laser hat die Eigenschaft, daß die Integration auf einem Chip möglich ist und die Vorrichtung daher klein aufgebaut und in Massenproduktion hergestellt werden kann und leicht einstellbar ist.

Fig. 67 gibt eine Tabelle wieder, anhand derer die Teile der in Fig. 66 dargestellten Vorrichtung realisiert werden können. Beispielsweise ist bei einem Silizium- Substrat eine Schaltung für elektrischen Strom monolithisch. In anderen Fällen ist die Schaltung hybrid aufgebaut. Im folgenden werden zur Erläuterung konkrete Beispiele aufgeführt.

Fig. 68 zeigt eine perspektivische Ansicht des wesentlichen Teils eines Ausführungsbeispiels, bei dem der Halbleiter-Laser LD10 monolithisch auf dem Substrat des Photo-IC′s 30 ausgeführt ist.

Fig. 69 zeigt eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils eines Ausführungsbeispiels mit einem hybriden Aufbau. Fig. 70 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel. In Fig. 69 wird die Endfläche des Lichtleitungspfads 31, der auf dem Substrat des Photo-IC′s 30 gebildet ist, direkt mit dem Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD10 bestrahlt. In Fig. 70 wird das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD10 über ein Prisma PR in den Lichtleiter 31 eingebracht.

Fig. 71 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel, bei dem wie in der Vorrichtung gemäß Fig. 66 eine Ausnehmung durch Ätzen oder ähnliche Verfahren in die Oberfläche des Substrats des Photo-IC′s 30 eingebracht ist. Darüber ist durch Beschichtung oder thermische Oxidation eine Glasschicht 34 angeordnet. Eine Standardsubstanz ist in die Ausnehmung eingebracht, die mittels Schmelzverbindung mit einer Glasplatte 35 abgedeckt wird, so daß die Standardsubstanz in dem Absorptionselement CL10 eingeschlossen ist.

Fig. 72 zeigt einen Schnitt eines weiteren konkreten Ausführungsbeispiels des Absorptionselements CL10 der Ausführung in Fig. 66. In Fig. 72 ist der Lichtleitungspfad 32 auf dem Substrat 30 aus GaAs oder LiNbO₃ oder ähnlichem zusammengesetzt. Die Standardsubstanz auf dem Lichtleitungspfad 32 ist durch eine Abdeckung 36 abgedeckt und ist so angeordnet, daß sie mittels unterkritischer Effekte das durch den Lichtleitungspfad 32 tretende Licht des Halbleiter-Lasers absorbiert. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß es leichter als das gemäß Fig. 71 herstellbar ist.

Es ist festzuhalten, daß der Photo-Detektor sowohl in dem monolithischem Aufbau als auch in dem hybriden Aufbau der beiden Ausführungsbeispiele einbringbar ist.

Fig. 73 zeigt eine Draufsicht auf ein einundzwanzigstes Ausführungsbeispiel, bei dem das Spektrum gegenüber dem der Vorrichtung in Fig. 66 wesentlich schmaler ist. Auf dem Substrat 30 des Photo-IC′s sind zusätzlich folgende Elemente vorgesehen: Ein Lichtaufteilungselement OB1, mit dem ein Teil des von dem Halbleiter- Laser LD10 ausgehenden Ausgangslichtstroms abgezweigt wird; ein Licht-Resonanzelement FP1, welches aus einem Fabry-Pèrot-Etalon besteht, auf welches das mittels des Lichtaufteilungselements OB1 abgespaltene Ausgangslicht fällt; ein zweiter Photo-Detektor PD3, auf welchen das Ausgangslicht des Licht-Resonanzelements FP1 fällt; sowie ein Breitband-Verstärker A2, der die elektrischen Ausgangssignale des Photo-Detektors PD3 verstärkt und die verstärkten Signale zu einem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors PD3 verstärkt und das verstärkte Ausgangssignal an einem elektrischen Injektionsstrom des Halbleiter-Lasers LD10 zurückführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Breitband-Verstärker A2, was in Fig. 73 aus Gründen der Vereinfachung skizziert dargestellt ist, in dem Steuerelement 330 vorgesehen. Eine Resonanzkurve, welche von der zentralen Frequenz abweicht, des Licht-Resonanzelements FP1 wird in Einklang gebracht mit der Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers LD10. Phasenstörungen in dem Ausgangslichtsignal des Halbleiter-Lasers LD10 werden von dem Photo-Detektor PD3 erfaßt, nachdem diese in Amplituden-Modulationssignale umgewandelt wurden, und dessen elektrische Ausgangssignale werden mit negativen Vorzeichen über den Breitband-Verstärker A2, dessen Bandbereich breiter als die Breite des Spektrums des Halbleiter-Laser-Lichtstrahls ist, in den elektrischen Treiberstrom (elektrischen Injektionsstrom) des Halbleiter-Lasers LD10 eingegeben, wodurch die Phasenstörungen des Halbleiter-Lasers LD10 reduziert werden, um das Spektrum noch schmaler zu machen (siehe M. Ohtsu und S. Kotajima; IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. QE-21, No. 12 December, 1985).

Fig. 74(A), 74(B) zeigen perspektivische Ansichten wesentlicher Teile konkreter Ausführungsbeispiele des Fabry-Pèrot-Resonators FP1, der auf dem Substrat 300 eines Photo-IC′s einer Vorrichtung gemäß Fig. 73 vorgesehen ist. Fig. 74(C) ist eine Draufsicht desselben wesentlichen Bereichs. In Fig. 74(A) sind eine Aussparung 70 in einem Teil des Lichtleitungspfads 61, welcher auf dem Substrat 300 angeordnet ist, sowie zwei Flächen 81, welche zum Teil die Aussparung 70 bilden und einander gegenüberliegen sowie mit Reflexionsschichten beschichtet sind und den Resonator bilden, dargestellt. Fig. 74(B) zeigt zwei Stege 62, die als Lichtleitungspfade dienen und so voneinander beabstandet sind, daß sie auf dem Substrat 300 hintereinander angeordnet, sind, sowie Endflächen 82 der Stege 62, deren Oberflächen einander gegenüber angeordnet sind und eine reflektierende Schicht aufweisen und auf diese Weise den Resonator bilden. In Fig. 74(C) ist ein Material mit hohem Brechungsindex in einem Teil des auf dem Substat 300 vorgesehenen Lichtleitungspfads 63 eingebracht, so daß ein Resonator 83 gebildet wird.

Fig. 75 zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels des wesentlichen Teils einer Vorrichtung zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Lichtresonators FP1 in der Vorrichtung gemäß Fig. 74 (C). In Fig. 75 sind Elektroden 90 auf beiden Seiten des Resonators 63 in dem Substrat 300 vorgesehen. Die effektive Länge des Resonators 33 wird durch Änderung des Brechungsindexes des Resonators 33 mit Hilfe des elektrischen Stromes eingestellt, der zwischen den Elektroden 90 fließt. Bei einer anderen Vorrichtung zur Einstellung der Resonanzfrequenz wird ein Dünnfilmwiderstand als Heizung in der Nähe des Lichtresonanzelements auf dem Substrat vorgesehen und die Länge des Resonators durch thermische Ausdehnung verändert. Schließlich wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine ferroelektrische Substanz als Material mit hohem Brechungsindex eingebracht wird und dieser mit Hilfe eines elektrischen Felds mit dem gleichen Aufbau wie in Fig. 75 verändert wird.

Wenn die Temperatur des Halbleiter-Lasers LD10 und des Licht-Resonanzelements FP1 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, werden Dünnfilmwiderstände als Wärmequelle verwendet. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß die Wärmequellen in einem möglichst großen Abstand voneinander angeordnet sind, damit sie sich nicht gegenseitig stören.

In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 66 bis 75 wird das Verfahren der linearen Absorption zur Stabilisierung der Laser-Wellenlänge verwendet. Es ist jedoch auch möglich, eine Vorrichtung als IC auszulegen, die nach dem Verfahren der gesättigten Absorption arbeitet.

Fig. 76 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die Absorptionswellenlänge der Standardsubstanz mit Hilfe eines magnetischen Felds moduliert wird. So weit die Vorrichtung von der gemäß Fig. 34 abweicht, wird sie im folgenden beschrieben. CI1 bezeichnet eine um das Absorptionselement bzw. die Absorptionszelle CL1 gewundene Spule, die dazu d 03525 00070 552 001000280000000200012000285910341400040 0002003643569 00004 03406ient, ein elektrisches Feld einwirken zu lassen. Das durch den Strahlungsteiler BS1 tretende Licht fällt auf das Absorptionselement CL1 und die Ausgangssignale des Signalgenerators SG1 dienen dazu, einen elektrischen Strom fließen zu lassen, der mittels der Spule CI1 mit einer Frequenz fm von beispielsweise 2 kHz moduliert wird, wobei die Ausgangssignale für den Lock-in-Verstärker LA1 als Referenzsignale dienen. Dadurch, daß die Ausgangssignale des Generators SG1 an beide Enden der Spule CI1 angelegt werden, fließt ein durch die Spule CI1 modulierter Strom, so daß ein elektrisches Feld aufgebaut wird, dessen Intensität sich mit der Frequenz fm ändert. Entsprechend den Änderungen im Magnetfeld ändert sich die Absorptionswellenlänge der in dem Absorptionselement CL1 vorgesehenen Standardsubstanz aufgrund des Zeeman-Effekts. Als Ergebnis fallen Laserstrahlen auf das Absorptionselement CL1. Signale sind im Ausgang enthalten, wenn der Betrag des durchtretenden Lichts, wie in Fig. 77 dargestellt, nur an der Stelle des Absorptionssignals moduliert wird. Es wird hier unterstellt, daß das magnetische Feld bei einem bestimmten Wert der Frequenz fm in einem Bereich von 0 moduliert wird. γ_s ist die Absorptionsfrequenz für den Fall, daß der elektrische Ausgangsstrom 0 ist, d. h., wenn das magnetische Feld 0 ist, und wenn f_D der Grad ist, mit dem sich die Absorptionsfrequenz des angelegten magnetischen Felds in der Zeit ändert. Dieses Signal wird mit Hilfe des Photo- Detektors PD1 in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann mit der Frequenz fm in dem Lock-in-Verstärker LA1 über den zwischengeschalteten Verstärker A1 gleichgerichtet, wodurch eine primäre Differentialwellenform erhalten wird, wie sie in dem charakteristischen Diagramm gemäß Fig. 38 dargestellt ist. Wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 34 liefert das Ausgangssignal des Halbleiter-Lasers eine stabile Frequenz von γ_s - f_D/2, wenn das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA1 mit der Mitte der oben beschriebenen primären Differentialwellenform verriegelt wird, bzw. auf diese eingesteuert wird.

Bei dem beschriebenen frequenzstabilisierten Halbleiter- Laser wird keine akusto-optische Ablenkungseinheit verwendet. Es ist daher möglich, nicht modulierte Ausgangssignale, die eine sehr stabile Verzögerungsfreiheit aufweisen, mit diesem Ausführungsbeispiel zu erhalten, das sehr kompakt und in der Herstellung preiswert ist. Da keine akusto-optische Ablenkungseinheit verwendet wird, wird auch wenig Wärme freigesetzt, so daß der Energieverbrauch reduziert wird.

Darüber hinaus kann die Wirkung der gesättigten Absorption an Stelle der linearen Absorption ausgenützt werden, wenn in den Bereich B in Fig. 76 der Aufbau gemäß Fig. 62 eingesetzt wird. Eine Vorrichtung mit diesem Aufbau hat außer den Vorteilen, die eine Vorrichtung gemäß Fig. 76 aufweist, den Vorteil, daß das Spektrum der gesättigten Absorption auch bei einer schwachen Modulation des elektrischen Feldes variiert werden kann, da die Änderungen der Frequenz der gesättigten Absorption gegenüber den Änderungen der Größe des magnetischen Feldes groß sind. Die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen in dem magnetischen Feld ist groß.

Claims

1. Analysator für optische Frequenzen zur Messung der Frequenzeigenschaften eines Meßobjekts mit Hilfe von zu messendem Licht, mit
einem Wobbler (31a, 30a) für optische Frequenzen zur Abgabe von frequenzgewobbeltem Licht entsprechend einem diesem zugeführten elektrischen Wobbelsignal,
mindestens einem optischen Interferenz-Detektor (4a, 233a, 243a), auf den ein auf dem zu messenden Licht (ω_i) beruhendes Lichtsignal (ω_i′) sowie ein auf dem Ausgangslicht des Wobblers (31a, 30a) für optische Frequenzen beruhendes Lichtsignal (ω_o) fallen, und der ein elektrisches Ausgangssignal mit einer der Frequenzdifferenz (ω_o-ω_i′) der beiden Signale entsprechenden Frequenz abgibt,
einer Filtereinheit (5a, 234a, 244a) mit Bandpaßeingenschaften, in die ein elektrisches Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors (4a, 233a, 243a) eingegeben wird, sowie
eine Signal-Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung (7a, 250a) in der die auf dem elektrischen Ausgangssignal der Filtereinheit (5a, 234a, 244a) beruhenden Ausgangssignale verarbeitet und angezeigt werden,
wobei eine Polarisations-Steuerung (1a, 231a, 241a) zur Steuerung einer Polarisationsebene des einfallenden Lichts sowie eine Photo-Verstärkungsstufe (2a, 232a, 242a) zur Verstärkung des Ausgangslichts der Polarisations-Steuerung vorgesehen sind, und
daß der optische Interferenz-Detektor (4a, 233a, 243a) elektrische Signale mit einer Frequenz abgibt, die der Differenzfrequenz zwischen dem Ausgangslicht des Wobblers (31a, 30a) für optische Frequenzen und dem Ausgangslicht der Photo-Verstärkungsstufe (2a, 232a, 242a) entspricht.

2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photo-Verstärkungsstufe (2a, 232a, 242a) folgende Elemente aufweist: einen Photo-Verstärker (OAa), in den das Ausgangslicht der Polarisations-Steuerung (1a, 231a, 241a) eingegeben wird, eine Quelle (OC1a) zur Abgabe von wellenlängenstabilisiertem Licht sowie eine Mischstufe (OX1a) für optische Frequenzen, in die das Ausgangslicht der Quelle zur Abgabe von wellenlängenstabilisiertem Licht und das Ausgangslicht des Photo-Verstärkers eingegeben werden.

3. Analysator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Detektor (6a), in den das elektrische Ausgangssignal der Filtereinheit (5a) eingegeben wird, wobei der Analysator für optische Frequenzen das optische Frequenzspektrum des einfallenden Lichts mißt, indem der Signal- Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung (7a) das elektrische Ausgangssignal des Detektors als optisches Spannungssignal und ein dem Wobbelsignal des Wobblers (31a, 30a) für optische Frequenzen entsprechendes elektrisches Signal als axiales Frequenzeingangssignal eingegeben werden.

4. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzspektrum von Impulslicht dadurch gemessen wird, daß das Impulslicht als einfallendes Licht verwendet wird und der Wobbler (30a, 31a) für optische Frequenzen stufenweise mittels eines mit dem Impulslicht synchronisierten Signals gewobbelt wird.

5. Analysator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbler (31a) für optische Frequenzen ein erstes Frequenzwobbel-Lichtsignal an ein Meßobjekt (210a) und ein zweites, mit dem ersten Lichtausgangssignal (ω_o) in Beziehung stehendes Lichtausgangssignal (ω_o+Δω) an eine erste optischce Interferenz- Detektorstufe (233a, 243a) abgibt, daß das Licht (ω_o+Δω), welches mit dem auf das Meßobjekt einfallenden, auf dem ersten Lichtausgangssignal beruhenden Licht (ω_o) in Beziehung steht, auf die erste optische Interferenz-Detektorstufe fällt, daß das elektrische Ausgangssignal der ersten optischen Interferenz-Detektorstufe (233a, 243a) an ein erstes Filter (234a, 244a) abgegeben wird, daß eine Vergleichseinrichtung (235a, 236a, 245a, 246a) vorgesehen ist, die das elektrische Ausgangssignal des ersten Filters mit dem elektrischen Signal vergleicht, welches eine Frequenz (Δω) entsprechend der Differenz zwischen dem ersten Lichtausgangssignal (ω_o) und dem zweiten Lichtausgangssignal (ω_o+Δω) aufweist, und daß eine Signalverarbeitungseinrichtung (250a) das elektrische Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung (235a, 236a, 245a, 246a) empfängt, so daß darin eine Signalverarbeitung ausgeführt wird.

6. Analysator nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine zweite optische Interferenz-Detektorstufe (223a), in die das erste und zweite Lichtausgangssignal eingegeben wird, ein zweites Filter (224a), in das das elektrische Ausgangssignal der zweiten optischen Interferenz-Detektorstufe eingegeben wird, wobei die Vergleichseinrichtung (235a, 236a, 245a, 246a) das elektrische Ausgangssignal des zweiten Filters (224a) mit dem elektrischen Ausgangssignal des ersten Filters (234a, 244a) vergleicht.

7. Analysator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (235a, 236a, 245a, 246a) Amplitudenkomparatoren (235a, 245a) aufweist.

8. Analysator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (235a, 236a, 245a, 246a) Phasenkomparatoren (236a, 246a) aufweist.

9. Analysator nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filter (234a, 244a) ein Bandpaßfilter aufweist, dessen Durchlaßfrequenzband der Differenz zwischen den beiden Ausgangsfrequenzen des Wobblers (31a) für optische Frequenzen entspricht.

10. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbler (30a) für optische Frequenzen eine eine Markierung aufweisende Lichtquelle (310a) zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge aufweist, die folgende Elemente umfaßt: einen abstimmbaren Laser (12a), der entsprechend einem eingegebenen elektrischen Wobbelsignal (Ei) frequenzgewobbeltes Licht abgibt, sowie eine Markierungslichtquelle (FP1a, CL1a), die in einem bestimmten Wellenlängenintervall ein Markierungslicht abgibt, wobei die Siganal-Verarbeitungs/ Anzeige-Einrichtung (7a) die Frequenzeigenschaften des Meßobjekts gemeinsam mit einer Markierung ausgibt.

11. Analysator nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Licht empfangendes Element (PD1a), welches das Ausgangslicht der Markierungslichtquelle in ein elektrisches Signal umwandelt, wobei das elektrische Signal das Markierungseingangssignal (Em) der Signal- Verarbeitungs/Anzeige-Einrichtung (7a) ist.

12. Analysator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungslichtquelle eine eine Standardsubstanz einschließende Absorptionszelle (CL1a) aufweist, auf die das Ausgangslicht des abstimmbaren Lasers (12a) trifft, wobei das durchtretende Licht als Markierungslicht abgegeben wird, welches entsprechend der Standardsubstanz bei einer spezifischen Wellenlänge einer Absorption unterworfen wird.

13. Analysator nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungslichtquelle einen Fabry-Pèrot-Resonator (FP1a) aufweist, in den das Ausgangslicht der abstimmbaren Laser-Lichtquelle (12a) eingegeben wird, wobei das Ausgangslicht des Fabry-Pèrot-Resonators als Markierungslicht ausgegeben wird.

14. Analysator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektro-optisches Element (EO1a) in den Fabry-Pèrot-Resonator (FP1a) eingebracht ist und daß ein entsprechendes Resonanzintervall durch ein elektrisches Signal variiert wird.

15. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbler (30a) für optische Frequenzen eine eine Markierung aufweisende Lichtquelle (310a) zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge aufweist, die eine Lichtquelle (LL1a) mit aufeinanderfolgenden Spektren sowie einen Fabry-Pèrot- Resonator (FP2a) aufweist, auf den das Ausgangslicht der Lichtquelle (LL1a) fällt, und daß das Lichtausgangssignal des Fabry- Pèrot-Resonators (FP2a) als Markierungslicht abgegeben wird.

16. Analysator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektro-optisches Element (EO1a) in den Fabry-Pèrot-Resonator (FP1a) eingebracht ist, und daß ein entsprechendes Resonanzintervall durch das elektrische Signal verändert wird.

17. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbler (30a) für optische Frequenzen eine eine Markierung aufweisende Lichtquelle (310a) zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge aufweist, die einen Halbleiter-Laser (LD1a) mit externem Resonator aufweist.

18. Analysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein abstimmbarer Laser (12a) einen in einem Laser-Resonator angeordneten Ultraschall-Modulator (UM1a, UM2a) aufweist.

19. Analysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der abstimmbare Laser (12a) ein in einem Laser-Resonator eingeschlossenes elektro-optisches Element (EO1a) aufweist.

20. Analysator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Markierung aufweisende Lichtquelle (310a) zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge eine Referenzwellenlängen- Laserlichtquelle (14a) aufweist, die Licht mit einer gegebenen Wellenlänge abgibt.

21. Analysator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Laserlichtquelle (14a) eine derartige Lichtquelle aufweist, daß eine Oszillationswellenlänge einer Laser-Diode durch Absorptionsspektren von Atomen gesteuert wird.

22. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wobbler (31a) für optische Frequenzen eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle (1s) sowie einen optischen phasenverriegelten Kreis (optischen PLL) (2s) zur Steuerung der Wellenlänge des Lichtausgangssignals aufweist, so daß diese einer Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen- Lichtquelle (1s) entspricht, wobei der Wobbler (31a) für optische Frequenzen so ausgelegt ist, daß die Wellenlänge des Ausgangslichts des optischen PLL variabel ist.

23. Analysator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle (1s) eine derartige Lichtquelle aufweist, daß die Oszillationswellenlänge einer Laser-Diode auf das Absorptionsspektrum einer der D₂-Linien (780 nm) von Rb-Atomen und D₁-Linien (795 nm) verriegelt wird, und daß der optische PLL (2s) Licht mit einem Wellenlängenband abgibt, das doppelt so breit wie die Oszillationswellenlänge ist.

24. Analysator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle (1s) eine derartige Lichtquelle aufweist, daß die Oszillationswellenlänge einer Laser-Diode auf das Absorptionsspektrum von Rb- Atomen oder Cs-Atomen eingesteuert wird.

25. Analysator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle (1s) folgende Elemente aufweist: eine Modulationseinrichtung (UM1), die eine Frequenzmodulation ausführt, indem ein Teil des Ausgangslichts eines Halbleiter-Lasers (LD1) einfallengelassen wird, eine die Standardsubstanz einschließende Absorptionszelle, (CL1) welche bei einer gegebenen Wellenlänge eine Absorption hervorruft, indem sie dem Ausgangslicht der Modulationseinrichtung (UM1) ausgesetzt wird; einen Photo-Detektor (PD1) zur Umwandlung des durch die Absorptionszelle tretenden Lichts in ein elektrisches Signal sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Osziallationswellenlänge des Halbleiter-Lasers (CD1), indem das auf dem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors (PD1) beruhende Signal eingegeben wird.

26. Analysator nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung folgende Elemente aufweist: einen Lock-in-Verstärker (LA1), in den ein auf dem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors (PD1) beruhendes Signal eingegeben wird und der eine synchrone Gleichrichtung bei einer Frequenz der Modulationseinrichtung (UM1) oder bei einem ungeraden Vielfachen davon ausführt, sowie eine Steuerschaltung (CT2), die den elektrischen Strom des Halbleiter-Lasers (LD1) oder dessen Temperatur so steuert, daß das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers (CA1) einen spezifischen Wert annimmt.

27. Analysator nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulationseinrichtung (UM1) eine akusto-optische Ablenkungseinheit verwendet wird.

28. Analysator nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulationseinrichtung (UM1) ein Phasen-Modulator verwendet wird, der ein elektro-optisches Element aufweist.

29. Analysator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle (1s) folgende Elemente aufweist: eine eine Standardsubstanz einschließende Absorptionszelle (CL1), welche bei einer spezifischen Wellenlänge eine Absorption verursacht und auf die auf dem Ausgangslicht eines Halbleiter-Lasers (LD1) beruhendes Licht einfällt; eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes (CI1) zur Anlegung eines magnetischen Feldes an die Absorptionszelle; eine Modulationseinrichtung zur Änderung der Intensität des von der Einrichtung zur Erzeugung von Magnetfeldern abgegebenen Magnetfelds bei einer festen Frequenz sowie einen Photo-Detektor (PD1), der durch die Absorptionszelle (CL1) tretendes Licht in ein elektrisches Signal umwandelt, wobei ein elektrischer Strom oder eine Temperatur des Halbleiter-Lasers (LD1) mittels eines das elektrische Ausgangssignal des Photo-Detektors (PD1) betreffenden Signals gesteuert wird.

30. Analysator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der optische PLL (2s) folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz-Detektor (21s) zur Aufnahme von Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle (1s) als Eingangssignal von einer Seite sowie eine Lichtquelle (22s) zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts mittels eines mit dem elektrischen Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors zusammenhängenden Ausgangssignals gesteuert wird, wobei (21s) Licht, das mit dem Ausgangslicht der Lichtquelle (22s) zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge in Beziehung steht, als Eingangssignal von der anderen Seite dem optischen Interferenz-Detektor (21s) eingegeben wird.

31. Analysator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der optische PLL (2s) folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz-Detektor (21s) zur Aufnahme von Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle als Eingangssignal von der einen Seite, eine Lichtquelle (22s) zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts mittels eines auf dem elektrischen Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors (21s) beruhenden Ausgangssignals gesteuert wird, eine optische Frequenz-Verschiebeschaltung (23s) zur Verschiebung einer Frequenz des auf dem Ausgangslicht der Lichtquelle (22s) zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge beruhenden Lichts, sowie eine optische Frequenzmultiplikationseinrichtung (24s) zur Vervielfachung der Frequenz des Ausgangslichts der optischen Frequenzverschiebeschaltung (23s) deren Ausgangslicht in den optischen Interferenz-Detektor (21s) als Eingangssignal von der anderen Seite eingegeben wird.

32. Analysator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der optische PLL (2s) folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz-Detektor (21s) zur Aufnahme von Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle (1s) als Eingangssignal von der einen Seite, eine Mischstufe (MX1), in die das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors (21s) eingegeben wird, sowie eine Lichtquelle (22s) zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts mittels eines auf dem elektrischen Ausgangssignal der Mischstufe (MX1) beruhenden Ausgangssignals gesteuert wird, und die mit dem Ausgangslicht der Lichtquelle (22s) zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge zusammenhängendes Licht als Eingangssignal von der anderen Seite an den optischen Interferenz-Detektor (21s) abgibt.