DE69221400T2 - Verfahren zum Bestimmen eines elektrischen Spektrums - Google Patents

Description

Verfahren zum Bestimmen eines elektrischen Rauschspektrums
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines elektrischen Rauschspektrums.
• Ein bekannter Weg zur Messung eines Spektrums liegt in einer absoluten Messung mit der Hilfe von beispielsweise einem frequenzselektiven Voltmeter oder einem Spektrum-Analysator. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass die Empfindlichkeit dieser Instrumente im allgemeinen von der Frequenz des anliegenden Signales abhängt. Dies führt dazu, dass für eine genaue Messung sehr genaue und damit kostenintensive Instrumente eingesetzt werden müssen.
• Es ist daher unter anderem Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welches mit relativ einfachen Mitteln durchgeführt werden kann, wobei diese Mittel selber nicht aussergewöhnlich genau sein müssen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe weist das Verfahren gemäss der Erfindung die kennzeichnenden Merkmale auf,
• - dass ein elektrisches Antwortspektrum eines optischen Referenzdetektors, der von einem Lichtstrahl beleuchtet wird, mit einem elektrischen Referenzrauschspektrum einer elektrischen Rauschquelle für mindestens zwei unterschiedliche Lichtintensitäten des Lichtstrahles verglichen wird,
• - dass Gleichstromanteile der in dem optischen Referenzdetektor und in einem optischen Detektor erzeugten Signale gemessen werden, um mit der Hilfe der verglichenen Spektren das elektrische Rauschspektrum des optischen Detektors zu bestimmen, und
• - dass das zu bestimmende elektrische Rauschspektrum von einem elektrischen Antwortspektrum des optischen Detektors, der von dem Lichtstrahl mit den mindestens zwei verschiedenen Lichtintensitäten des Lichtstrahles erleuchtet wird, und dem elektrischen Rauschspektrum des optischen Detektors abgeleitet wird.
• Aufgrund dieses zweistufigen Verfahrens, welches auf Verhältnissen beruht, kann mit relativ einfachen Mitteln ein elektrisches Rauschspektrum bestimmt werden, wobei diese Mittel nicht aussergewöhnlich genau sein müssen.
• Ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Rauschspektrum ein äquivalentes Rauschspektrum eines optischen Empfängers ist, der den optischen Detektor umfasst.
• Ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl durch einen homodynen Abtaster erzeugt wird.
• Ein drittes Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtintensität im wesentlichen 100 Prozent ist und dass die zweite Lichtintensität im wesentlichen 0 Prozent ist.
• Ein viertes Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl wechselweise dem optischen Detektor und dem optischen Referenzdetektor zugeführt wird.
• Ein fünftes Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Referenzrauschspektrum ein thermisches Rauschspektrum ist.
• Ein sechstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Referenzrauschspektrum ein thermisches Schrotrauschspektrum ist.
• Aus dem Artikel "Measure photovoltaic-diode resistance at zero bias" von James A. Kuzdrall in Electronics vom 14. April 1977, Vol 50, Nr. 8, Seite 126, ist ein Rauschmessschaltkreis mit einer Photodiode bekannt, mit dem der äquivalente Rauschwiderstand der Photodiode durch die Formel Rx=R&sub1;*V&sub0;²/(Vc²-V&sub0;²) bestimmt wird, wobei V&sub0; eine Ausgangsspannung bei offenem Schalter und Vc eine Ausgangsspannung mit geschlossenem Schalter ist. Das zweistufige Verfahren gemäss der Erfindung, das in jeder Stufe zwei unterschiedliche Lichtintensitäten zur Beleuchtung des optischen Referenzdetektors benutzt, und der optische Detektor ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Weitere Ausführungsformen, deren Merkmale und Vorteile werden nun anhand der Beschreibung erläutert, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Es zeigen:
• Figur 1 Eine schematische Darstellung der erfinderischen Einsicht gemäss der Erfindung,
• Figur 2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Schaltkreises zur Normalisierung einer Lichtquelle auf der Basis der erfinderischen Einsicht gemäss der Erfindung, und
• Figur 3 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Schaltkreises zur Durchführung der Messungen an einem optischen Empfänger.
• Die Erfindung beruht im wesentlichen auf der Einsicht, dass es möglich ist, ein unbekanntes Frequenzspektrum eines ersten Rauschsignals S1 zu bestimmen, indem es im Frequenzspektrum eines zweiten Rauschsignales S2 ausgedrückt wird, wenn beide Signale an einem Eingang eines Verstärkers A gelegt werden. In diesem Falle ist keine besonders genaue und/oder teure Messausrüstung notwendig, sondern es ist möglich, die Messungen mit dem Ausgangssignal des Verstärkers A mit der Hilfe von relativ einfachen Messinstrumenten M durchzuführen, zum Beispiel einem Spektrum-Analysator oder einem selektiven Voltmeter.
• Um das erfinderische Prinzip zu erläutern, wird auf die Figur 1 verwiesen, in der S1(w) und S2(w) die Stärke der Signalkomponenten bezeichnen, die die Frequenz w aufweisen. R bezeichnet das Ausgangssignal des Verstärkers A, wie es durch das Messinstrument M wiedergegeben wird und R(w) ist die Stärke des Ausgangssignalanteils der Frequenz w.
• Das elektrische Ausgangssignal R gehorcht der Formel
• R(w)=[S1(w) S2(w)]xA(w)xB(w) (1)
• wobei A(w) den (unbekannten) frequenzabhängigen Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers A bei der Frequenz w bezeichnet (es ist ebenfalls möglich, dass w den Wert 0 annimmt). B(w) bezeichnet den (unbekannten) frequenzabhängigen Verstärkungsfaktor des Messinstrumentes M, welches bei der Frequenz w eingesetzt wird, wenn ein breitbandiges Eingangssignal empfangen wird. Die Verknüpfung "S1(w) S2(w)" bezeichnet eine frequenzmässige Verknüpfung der zwei Signale S1 und S2, bei der es sich im allgemeinen nicht um eine reine Addition handelt. Es ist festzuhalten, dass die besagte frequenzmässige Verknüpfung ein statistisch bestimmtes Ergebnis einer zeitgemittelten Verknüpfung von zwei Rauschsignalen darstellt. Sie ist daher als eine immanent vorhandene Eigenschaft des Verstärkers A anzusehen und kann im allgemeinen mit hinreichender Genauigkeit durch die Formel angegeben werden:
• S1(w) S2(w)= [S1(w)² +S2(w)²] (2)
• Weiterhin wird in der Folge angenommen, dass das Frequenzspektrum des Signals S2 bekannt ist. Eine erste Messung wird in einer Situation gemacht, in der ein vorbestimmter Anteil K1 des Signals S1 an den Eingang des Verstärkers A gelegt wird, wobei gleichzeitig ein vorbestimmter Anteil K2 des Signals S2 angelegt wird, um ein Testsignal zu erzeugen, welches der Formel genügt:
• R1(w) = [K1xS1(w) K2xS2(w)]]xA(w)xB(w) (3)
• Eine zweite Messung wird in einer Situation gemacht, in der ein vorbestimmter Anteil K3 des Signals S1 an den Eingang des Verstärkers A zusammen mit einem vorbestimmten Anteil K4 des Signals S2 angelegt wird, um ein Testsignal zu erzeugen, welches der Formel genügt:
• R2(w) = [K3xS1(w) K4xS2(w)]xA(w)xB(w) (4)
• Die Division der Formeln (3) und (4) durcheinander eliminiert die charakteristischen Eigenschaften des Verstärkers A und des Messinstrumentes M, und das unbekannte Signal S1 kann in Bezug auf das Signal S2 in Übereinstimmung mit der folgenden Formel dargestellt werden:
• Bei einem Ausführungsbeispiel, in dem K1=K2=K4=1 und K3=0 ist, kann durch Einsetzen der Formel (2) in die Formel (5) das unbekannte Signal S1 im bekannten Signal S2 und den Testsignalen R1(w) und R2(w) in Übereinstimmung mit der Formel ausgedrückt werden:
• Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, bei dem K1=K2=K3=1 und K4=0 ist, kann durch Einsetzen der Formel (2) in (5) das unbekannte Signal S1 in dem bekannten Signal S2 und den Testsignalen R1 (w) und R2 (w) in Übereinstimmung mit der Formel ausgedrückt werden:
• Obwohl oben aus Gründen der Klarheit der Darstellung getrennte Messungen für die Signale R1(w) und R2(w) beschrieben worden sind, die dann durcheinander geteilt werden, ist jedoch zu bevorzugen, eine direkte Messung eines Signales durchzuführen, welches für das Verhältnis R1(w)/R2(w) repräsentativ ist, zum Beispiel durch alternierendes Unterbrechen des Signales S1 oder S2, das eine wechselnde Signalstärke für jede Frequenzkomponente des Ausgangssignals des Testempfängers bedeutet, wobei das Verhältnis der wechselnden Signalwerte für das besagte Verhältnis R1(w)/R2(w) repräsentativ ist.
• Ein Verfahren zur Normalisierung einer Lichtquelle 210 wird nun in grösserem Detail unter Bezugnahme auf die Figur 2 beschrieben, wobei die oben beschriebene Einsicht und Prinzip verwandt werden.
• Die Lichtquelle 210 erzeugt einen Lichtstrahl 211, der auf einen optischen Testempfänger 2 gerichtet ist. Der optische Testempfänger 2, in dem dargestellten Beispiel eine Photodiode, liefert an einem Ausgang 3 ein elektrisches Detektorsignal ID. In dem dargestellten Beispiel ist dies ein Stromsignal, dessen Spektrum das (noch unbekannte) elektrische Antwortspektrum der Lichtquelle 210 ist.
• Vorzugsweise und wie in der Figur 2 dargestellt, ist der optische Testdetektor 2 Teil eines optischen Testempfängers 1, der darüber hinaus einen Vorverstärker 10 aufweist. Der Ausgang 3 des optischen Testdetektors 2 ist über einen Kondensator 4 mit dem Eingang 11 des Vorverstärkers 10 verbunden, um nur Wechselstromanteile ID(W) des elektrischen Detektorsignals ID an den Vorverstärker 10 zu liefern. Darüber hinaus ist der Ausgang 3 des optischen Testdetektors 2 an einen Ausgangsanschluss 5 angeschlossen, an dem der Gleichstromanteil ID(0) des Detektorausgangssignals ID anliegt. Es ist klar, dass anstelle des Kondensators 4 eine andere isolierende Einrichtung eingesetzt werden kann, um das Ergebnis zu erhalten, dass nur Wechselstromanteile den Eingang 11 des Vorverstärkers 10 erreichen können. Der Vorverstärker 10 kann ebenfalls so ausgelegt sein, um nur (verstärkte) Wechselstromanteile am Ausgang 12 zu erzeugen. Weiterhin und zudem kann der Vorverstärker 10 auch so ausgelegt sein, um Gleichstromanteile an einen (nicht dargestellten) Ausgang anzulegen, eventuell nach einer vorausgegangenen Verstärkung.
• Der Eingang 11 des Vorverstärkers 10 des Testempfängers 1 ist mit einer Quelle 20 verbunden, die ein bekanntes elektrisches Rauschspektrum IN,R liefert, welches Wechselstromanteile IN,R(w) aufweist. In dem dargestellten Beispiel ist die Quelle 20 ein Widerstand, um ein bekanntes Rauschspektrum zu schaffen, welches durch thermische Effekte bestimmt ist. Ein Beispiel einer anderen Rauschquelle ist eine Photodiode, die von einer Glühlampe erleuchtet wird, die ein sogenanntes Schrotrauschen aufweist. In diesem Fall isües möglich, die optische Testdiode 2 selbst mit einer Glühlampe zu erleuchten, um das Rauschspektrum zu erzeugen.
• Der Vorverstärker 10 erzeugt an seinem Ausgang 12 ein elektrisches Ausgangssignal IU mit Wechselstromanteilen IU(w). Unter Bezugnahme auf die obenstehende Beschreibung der Figur 1 und unter der Annahme, dass die elektrischen Rauschbestandteile, die von der Kombination des Testdetektors 2, des Vorverstärkers 10 und der Schaltkreisgestaltung des Empfängers 1 vernachlässigt werden können, wenn diese mit den bekannten Rauschbestandteilen IN,R(w) verglichen werden, die von der realen Quelle 20 erzeugt werden (wobei diese Annahme tatsächlich sehr realistisch ist, insbesondere und beispielsweise für Frequenzen von kleiner als 10 MHz), erfüllt das elektrische Ausgangssignal IU die Formel (1), wobei S1 ID und S2 IN,R entsprechen.
• Durch die Durchführung von mindestens zwei Messungen, bei denen der Detektor 2 mit Licht von der Lichtquelle 210 beleuchtet oder nicht beleuchtet wird, wobei diese Messungen vorzugsweise durch ein wechselweises Unterbrechen und Nicht- Unterbrechen des Lichtstrahles 211 durchgeführt werden, kann das elektrische Antwortspektrum ID des Lichtstahles 211 entsprechend der Erfindung durch eine Analogie zur Formel (6) im bekannten Rauschsignal IN,R der Rauschquelle 20 in Übereinstimmung mit der folgenden Formel ausgedrückt werden:
• Innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "elektrisches Antwortspektrum" so verstanden, dass er das Frequenzspektrum des elektrischen Signales umfasst, welches in einem optischen Detektor erzeugt wird, das heisst in einem optischen / elektrischen Wandler in Antwort auf den Eingang des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahles.
• Der optische Detektor kann von beliebiger Art sein, so zum Beispiel eine Photozelle oder Photodiode. Im Prinzip liefert solch ein optischer Detektor an seinem Ausgang ein Gleichstromdetektorsignal, wobei die Grösse des Gleichstromes von der empfangenen Lichtintensität abhängt und im wesentlichen und innerhalb bestimmter Grenzen unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes ist. Das Detektorsignal des optischen Detektors kann ebenfalls Wechselstromanteile umfassen, zum Beispiel als Konsequenz der Modulation des empfangenen Lichtes oder aus einer Interferenz zwischen bestimmten Wellenlängenbestandteilen des Lichtstrahles. Es ist eine bekannte Tatsache, dass verschiedene Muster von optischen Detektoren des gleichen Typs, zum Beispiel verschiedene Muster von Photodioden, ein identisches elektrisches Antwortverhalten bei dem Empfang desselben optischen Signales aufweisen. Innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung wird das elektrische Antwortspektrum daher als eine Eigenschaft des Lichtstrahles angesehen, der von der Lichtquelle ausgeht und, da die Charakteristika des Lichtstrahles von der Lichtquelle bestimmt werden, wird das elektrische Antwortspektrum insbesondere und innerhalb des Rahmens der vorliegenden Anmeldung als Eigenschaft der Lichtquelle angesehen.
• Obwohl verschiedene Muster von optischen Detektoren desselben Typs im Prinzip ein identisches Antwortverhalten im Hinblick auf von der Lichtquelle empfangenem Licht aufweisen, kann es dennoch in der Praxis auftreten, dass verschiedene Muster dennoch ein unterschiedliches Antwortverhalten auf empfangenes Licht aufweisen. Dies kann beispielsweise seinen Grund in Abweichungen des Detektorkörpers oder des die Detektorkörper umgebenden Schutzmateriales liegen oder auf verändernde Effekte im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der oder den betroffenen Detektoren zurückgeführt werden. Solche Veränderungen können im wesentlichen auf Veränderungen der von dem Detektor aufgenommenen Lichtintensität zurückgeführt werden, wobei sich alle Wellenlängenbestandteile des Lichts, zumindest in guter Annäherung, entsprechend in gleicher Weise verändern, womit sich das Ergebnis ergibt, dass die Werte aller Bestandteile ID(w) in gleicher Weise variieren, das heisst, dass die Form des Antwortspektrums im wesentlichen oder zumindest in guter Annäherung gleich bleibt. Die Kurve des Antwortspektrums F(w) des Spektrums des Signales ID, welches vom optischen Detektor 2 abgegeben wird, wird daher nun definiert als:
• Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäss der Erfindung, wird der Gleichstrombestandteil ID(0) immer gemessen, wenn die oben beschriebene Messung der Wechselstromanteile ID(w) durchgeführt wird. Die Wechselstromanteile ID(w) werden dann normalisiert, um die Kurvenbestandteile F(w) zu erzeugen, indem diese in Übereinstimmung mit der Formel (9) durch den Gleichstrombestandteil ID(0) geteilt werden. In einem System, welches in der Zeit ausreichend stabil ist, ist es möglich, den Gleichstrombestandteil ID(0) einmal zu bestimmen und ihn dann als konstant anzunehmen.
• Es ist festzuhalten, dass, mit geeigneter Ausführung der Lichtquelle 210, das Spektrum des Signals ID, das von dem optischen Detektor 2 abgegeben wird, flach ist, das heisst F (w) =F.
• Ein Beispiel einer Lichtquelle, die solch ein flaches Spektrum aufweist und daher hier bevorzugt eingesetzt wird, ist ein sogenannter "homodyner Abtaster", zum Beispiel ein "verzögerter selbst-homodyner Abtaster" mit einem Laser oder ein "heterodyner Abtaster" mit einer LED und einem Laser. Für eine ausführliche Beschreibung des Betriebes eines homodynen Abtasters und des Antwortverhaltens eines Detektors auf von einer solchen Lichtquelle ausgesandtem Licht, wird auf den Artikel mit dem Titel "Measurement of Frequency Response of Photoreceivers Using Selfhomodyne Method" von J.Wang et al. in Electronics Letters vom 25. Mai 1989, Vol 25, Nr. 11, Seiten 722-723 verwiesen.
• Bei Benutzung eines "homodynen Abtasters" als Lichtquelle 210, wird ebenfalls der Vorteil erreicht, dass das elektrische Antwortspektrum in einem relativ grossen Bereich bis hin zu 20 GHz normalisiert werden kann, wobei Messungen nur in einem relativ kleinen Frequenzbereich durchgeführt werden, zum Beispiel bis hin zu 10 MHz. Es ist in der Theorie sogar möglich, mit nur einer Messung bei einer einzelnen Frequenz auszukommen.
• Ein Verfahren zur Bestimmung des äquivalenten Rauschspektrums eines optischen Empfängers wird nun in grösserem Detail unter Bezugnahme auf die Figur 3 beschrieben. Dabei wird wiederum das oben beschriebene Prinzip benutzt.
• Die Figur 3 zeigt in schematischer Weise einen zu untersuchenden optischen Empfänger 101. Der optische Empfänger 101 umfasst einen optischen Detektor 102, in dem dargestellten Beispiel eine Photodiode. Der optische Detektor 102 liefert an einem Ausgang 103 ein elektrisches Detektorsignal, in dem dargestellten Beispiel ein Stromsignal ID, welches dem von dem optischen Detektor 102 empfangenen Lichtsignal entspricht. Der Ausgang 103 des optischen Detektors 102 ist mit einem Eingang 111 eines Vorverstärkers 110 verbunden, der einen Verstärkungsfaktor A(w) bei der Frequenz W aufweist (wobei w ebenfalls den Wert 0 annehmen kann).
• In dem dargestellten Beispiel ist der Ausgang 103 des optischen Detektors 102 über einen Kondensator 104 mit dem Eingang 111 des Vorverstärkers 110 verbunden, um nur Wechselstromanteile ID(w) des Detektorausgangssignals ID an dem Vorverstärker 110 anliegen zu lassen. Darüber hinaus ist der Ausgang 103 des optischen Detektors 102 mit einem Ausgangsanschluss 105 verbunden, um dort den Gleichstrombestandteil ID(0) des Detektorausgangssignals ID anliegen zu lassen. Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch ein Verfahren zur Bestimmung des äquivalenten Rauschspektrums eines optischen Empfängers betrifft, bei welchem solch eine Isolation der Signalkomponenten nicht vorgesehen ist, und/oder bei dem kein Ausgang vorhanden ist, um einen Gleichstromanteil ID(0) des Detektorausgangssignales ID zu schaffen.
• Wenn das Detektorausgangssignal ID unbetrachtet bleibt, liefert der Vorverstärker 110 an seinem Ausgang 112 ein elektrisches Rauschsignal IN, welches einen Wechselstromanteil IN(w) aufweist, der in einer komplexen Weise durch die Kombination des Detektors 102, der zusätzlichen Isolierungseinrichtung 104, des Vorverstärkers 110 und der verbindenden Leiter zwischen dem Detektor 102, der zusätzlichen Isolierungseinrichtung 104 und dem Vorverstärker 110 abhängt. Wie bereits oben erläutert worden ist, wird ein äquivalentes Eingangsrauschspektrum IN,EQ mit Wechselstromanteilen IN,EQ(w) in Übereinstimmung mit der Formel definiert:
• Der optische Empfänger 101 kann dann in einer fiktiven Weise so betrachtet werden, als ob er aus idealen rauschfreien Komponenten 102, 104 und 110 aufgebaut ist, wobei der Eingang 111 des Vorverstärkers 110 mit einer angenommenen Rauschquelle 120 verbunden ist, die ein äquivalentes Rauschspektrum IN,EQ liefert. Dabei stellt sich das Ergebnis ein, dass das Ausgangssignal IU, welches sich beim Betriebszustand am Ausgang 112 des Vorverstärkers 110 einstellt und welches Wechselstromanteile IU(w) aufweist, sich analog zur Formel (1) ergibt durch:
• IU (w) = [ID (w) IN,EQ (w)]xA(w) (11)
• Darüber hinaus zeigt die Figur 3 in schematischer Darstellung eine Lichtquelle 210, die einen Lichtstrahl 211 liefert. Wenn die Lichtquelle 210 bereits normalisiert ist, kann der Lichtstrahl 211 direkt dem Detektor 102 des zu untersuchenden Empfängers zugeführt werden. Bei dem Eingangssignal am Eingang 111 des Verstärkers 110 wird dann angenommen, dass es aus zwei Signalen besteht, insbesondere dem unbekannten äquivalenten Eingangsrauschsignal IN,EQ (welches 31 entspricht) und dem Ausgangssignal ID des Empfängers 102 (welches dem Signal 32 entspricht), dessen Spektrum zu dem bekannten elektrischen Antwortspektrum des Lichtstrahls 211 identisch ist.
• Als Ergebnis der Durchführung von mindestens zwei Messungen, bei denen der Detektor 102 vom Licht der Lichtquelle 210 beleuchtet oder nicht beleuchtet ist, wobei diese Messungen vorzugsweise abwechselnd durchgeführt werden, indem der Lichtstrahl 211 unterbrochen und nicht unterbrochen wird, kann das äquivalente Eingangsrauschspektrum IN,EQ des optischen Empfängers 101 in Übereinstimmung mit der Erfindung durch Analogie mit der Formel (7) in dem bekannten elektrischen Antwortspektrum ID des Lichtstrahles 211 in Übereinstimmung mit der Formel ausgedrückt werden:
• Die unten stehende Beschreibung bezieht sich auf ein Messverfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung zur Bestimmung des äquivalenten Eingangsrauschspektrums IN,EQ des optischen Empfängers 101 in dem Fall, wenn von einer nicht normalisierten Lichtquelle 210 ausgegangen wird. Zu diesem Zweck und wie ebenfalls in der Figur 3 dargestellt wird der Lichtstrahl 211, der von der Lichtquelle 210 ausgeht, durch eine Strahlteilereinrichtung 220 in zwei Lichtstrahlen 221 und 222 aufgespalten, die im wesentlichen identische Lichtspektren aufweisen, wobei ein Lichtstrahl 222 auf den optischen Detektor 102 des zu untersuchenden Empfängers 101 gerichtet wird und der andere Lichtstrahl 221 auf einen optischen Detektor 2 eines Referenzempfängers 1 gerichtet wird, der in den Begriffen von Struktur und Betrieb dem optischen Empfänger 1 identisch entspricht, der oben unter Bezugnahme auf die Figur 2 beschrieben worden ist.
• Vorzugsweise ist die Strahlteilereinrichtung 220 in solch einer Weise ausgestaltet, dass die zwei Lichtstrahlen 221 und 222 zumindest im wesentlichen gleiche Intensitäten aufweisen. Zum Beispiel kann die Strahlteilereinrichtung 220 ein Strahlteilerprisma oder einen Lichtwellenleiter-Strahlteiler oder einen optischen Schalter oder jede andere dem Fachmann bekannte geeignete Einrichtung umfassen. Da die spezifischen konstruktionellen Details der Strahlteilereinrichtung 220 für ein gutes Verständnis der vorliegenden Erfindung ohne Belang sind, wird die Strahlteilereinrichtung 220 hier nicht in grösserem Detail dargestellt. Es wird lediglich festgehalten, dass die einzige wesentliche Bedingung, die die Strahlteilereinrichtung 220 erfüllen muss, diejenige ist, dass das Spektrum des ausgehenden Lichtstrahles 221 und das Spektrum des ausgehenden Lichtstrahles 222 beide in derselben Art und Weise in bezug auf das Spektrum des einfallenden Lichtstrahles 211 verzerrt ist, wobei das Spektrum der ausgehenden Lichtstrahlen 221 und 222 vorzugsweise identisch zu dem einfallenden Lichtstrahl 211 sind, das heisst dass sie nicht verzerrt sind.
• Ein Vorteil der oben stehenden Verfahrensweise liegt darin, dass es nun möglich ist, eine Vorrichtung zur Feststellung eines Rauschspektrums eines optischen Empfängers anzugeben, die eine Lichtquelle 210, eine Strahlteilereinrichtung 220, einen Referenzempfänger 1 und mindestens ein Messinstrument umfasst, die nicht in grösserem Detail festgelegt ist, da diese Vorrichtung nur einen optischen Ausgang, zum Beispiel das Ende eines optischen Lichtwellenleiters, um den Lichtstrahl 222 abzugeben, und einen elektrischen Eingang zur Aufnahme des Empfängerausgangssignales IU(w) aufweisen muss. Die Strahlteilereinrichtung 220 umfasst vorzugsweise einen optischen Schalter, um wechselweise den Lichtstrahl 211 und den Lichtstrahl 222 dem zu untersuchenden optischen Empfänger 101 zuzuführen, sowie um den Lichtstrahl 221 dem Referenzempfänger 1 zuzuführen, wobei eine wechselnde Unterbrechung des Lichtstrahles zum Zwecke der Messungen ebenfalls vorgesehen ist.
• Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Strahlteilereinrichtung so ausgestaltet, dass sie den Lichtstrahl 211 an der Oberfläche des Referenzdetektors reflektiert, welcher, zu diesem Zweck, die Konstruktionsweise einer Solarzelle aufweisen kann. Bei solch einer Reflexion wird ein Teil des einfallenden Lichtstrahls 211 reflektiert, wobei sich das Ergebnis einstellt, dass dieser Anteil als Ausgangslichtstrahl verfügbar ist und ein anderer Teil des einfallenden Lichtstrahls 211 den Referenzdetektor beaufschlagt, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden.
• Es wird nun eine Beschreibung gegeben, wie das äquivalente Rauschsignal IN,EQ(w) des zu untersuchenden optischen Empfängers 101 entsprechend der Erfindung in dem bekannten Rauschsignal IN,R(w) der Rauschquelle 20 ausgedrückt werden kann. Dabei wird angenommen, dass die Messungen mit den Empfängern 1 und 101 bereits in der oben beschriebenen Weise durchgeführt worden sind, wobei die Lichtstrahlen 221 und 222 jeweils wechselweise unterbrochen wurden. Da der Lichtstrahl 221 für den Referenzempfänger 1 das "unbekannte" Signal (31, Figur 1) darstellt, ist die Formel (6) hierauf anwendbar und es kann in dieser Situation geschrieben werden:
• Von dieser Formel wird die folgende Definition abgeleitet:
• Darüber hinaus, da der Lichtstrahl 222 das "bekannte" Signal (32, Figur 1) für den zu untersuchenden optischen Empfänger 101 darstellt, ist die Formel (7) auf diesen angewendet werden und es kann in dieser Situation geschrieben werden:
• Von dieser Formel wird die folgende Definition abgeleitet:
• Schliesslich wird die folgende Definition gemacht:
• wobei der Verhältniswert α(w) des Antwortspektrums das Verhältnis zwischen den Detektorsignalen der optischen Detektoren 2 und 102 ist und daher unter anderem ein Mass für das Intensitätsverhältnis der Strahlen 221 und 222 und des Empfindlichkeitsverhältnisses der optischen Detektoren 2 und 102 ist. In der Praxis ist α(w) in guter Näherung konstant, so dass α im wesentlichen von w unabhängig ist. Es ergibt sich:
• α(w) α (18)
• Darüber hinaus ist der Kurvenparameter V(w) des Spektrums des Signales ID, welches von dem optischen Detektor 102 abgegeben wird, definiert als:
• wobei w&sub0; jede frei wählbare Frequenz darstellt, zum Beispiel 10 MHz. In diesem Fall ergibt sich das folgende:
• Wie bereits oben ausgeführt worden ist, kann mit einer geeigneten Ausführung der Lichtquelle 210 das Spektrum des Signales ID(w), welches vom optischen Detektor 102 erzeugt wird, als flach angesehen werden, dies heisst, dass V(w)=1.
• Darüber hinaus ist festzustellen, dass mit einer korrekten Konfiguration des Referenzempfängers 1 und der Strahlteilereinrichtung 220, insbesondere bei einer guten Symmetrie zwischen dem optischen Detektor 102 und dem optischen Referenzdetektor 2 und mit einer vollständig symmetrischen Strahlteilung, α in guter Näherung gleich 1 ist. Es kann jedoch, wenn dies gewünscht wird, der Wert von α gemessen werden. Die Werte der Signalbestandteile ID(w) (welche ID(0) umfassen), sind schliesslich von dem Spektrum und der Intensität des in solch einer Weise empfangenen Lichtes abhängig, so dass, falls sich die empfangene Lichtintensität ändert und das Spektrum in anderer Hinsicht identisch verbleibt, sich die Werte von allen Bestandteilen ID(w) in gleicher Weise ändern. Für jeden Lichtstrahl 221 und 222 und für jede Frequenz w ist das Verhältnis ID(w)/ID(0) daher unabhängig von der Intensität des empfangenen Lichtes. Wenn das Spektrum des Lichtstrahles 221 dem Spektrum des Lichtstrahls 222 entspricht, was oben angenommen wurde, ist das Verhältnis des Lichtstrahles 222 gleich zu dem des Lichtstrahles 221, so dass das folgende gilt:
• wobei diese Formel umgeschrieben werden kann in:
• Wenn der optische Empfänger 101 und der optische Referenzempfänger 1 des Types sind, bei dem die elektrischen Gleichstromanteile ID(0) und ID(0)ref des Signales ID und ID,ref, die von den Detektoren 102 und 2 ausgehen, direkt gemessen werden können, dann kann der Wert von α in einer einfachen Weise durch eine direkte Messung der besagten elektrischen Gleichstromanteile ID(0) und ID(0)ref bestimmt werden, indem diese durcheinander geteilt werden.
• Bei einer anderen Ausführungsform, zum Beispiel in dem Falle, dass der zu untersuchende optische Empfänger 101 des Types ist, bei dem der elektrische Gleichstromanteil ID(0) nicht direkt gemessen werden kann, so kann ein optischer Testempfänger 201 eingesetzt werden, um den Wert von α zu messen. Solch ein Testempfänger kann in einer einfachen Ausgestaltung aus einem optischen Testdetektor 202 bestehen, der dem zu untersuchenden Detektor 102 identisch entspricht, und der für die Gleichstrommessung an ein Amperemeter 203 angeschlossen ist, wie dies in der Figur 3 dargestellt ist. In einem getrennten Testschritt wird dann der Lichtstrahl 222 dem optischen Testdetektor 202 zugeführt und das Gleichstromsignal I&sub2;&sub0;&sub2;(0) gemessen, welches dann von diesem erzeugt wird und welches in guter Annäherung gleich zu dem elektrischen Gleichstromanteil ID(0) des zu untersuchenden Detektors 102 bei Empfang des zu messenden Lichtstrahles 222 ist.
• Anstelle des Einsatzes eines getrennten optischen Testempfängers 201 ist es ebenfalls möglich, den Lichtstrahl 222 dem Referenzempfänger 1 direkt zuzuführen.
• Es ist klar, dass die mit dem Referenzempfänger gemachten Messungen und die Arbeitsschritte mit den Messergebnissen, um die Formel (18) zu erhalten, sich nur auf die Kombination der Elemente Lichtquelle 210, Strahlteilereinrichtung 220 und Referenzempfänger 1 beziehen. Es ergibt sich somit, dass diese Messungen nicht immer wiederholt werden müssen, um ein Rauschspektrum von unterschiedlichen optischen Empfängern aufzunehmen. Es ist jedoch vorteilhaft, diese Messungen zu wiederholen, um äussere Effekte wie Ternperatureinflüsse auszuschalten.
• Es ist festzuhalten, dass das Verfahren gemäss der Erfindung nicht auf optische Empfänger begrenzt ist, die mit einer Fotozelle oder einer Photodiode ausgestattet sind, obwohl solche Detektoren als Beispiel für den optischen Detektor angezogen worden sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls jeden anderen Typ von optischem Detektor, wobei die einzige Anforderung, die an diesen gestellt wird, darin liegt, dass die Antwortcharakteristik (das heisst die Grösse des Ausgangssignals als Funktion der Wellenlänge des empfangenen Lichtes) bekannt ist oder zumindest für verschiedene Muster desselben Typs vergleichbar ist.
• Darüber hinaus wird festgestellt, dass ein Fachmann das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung in verschiedenen Merkmalen verändern kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann zum Beispiel zur Bestimmung des elektrischen Antwortspektrums der Lichtquelle bei Einsatz des Referenzempfängers das Rauschsignal der bekannten Rauschquelle in einem ersten oder einem zweiten Niveau betrieben werden, was, falls die bekannte Rauschquelle eine Photodiode umfasst, die von einer Glühlampe bestrahlt wird, um Schrotrauschen zu erzeugen, in einer einfachen Weise dadurch erreicht werden kann, dass die besagte Glühlampe wechselweise mit einer ersten und mit einer zweiten Lichtintensität betrieben wird, indem die besagte Glühlampe wechselweise ein- und ausgeschaltet oder wechselweise das von ihr erzeugte Licht unterbrochen wird.
• Schliesslich wird festgehalten, dass bei der Feststellung des äquivalenten Rauschspektrums in Übereinstimmung mit der Formel (20) die tatsächliche Normalisierung der Lichtquelle weggelassen ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung eines elektrischen Rauschspektrums, dadurch gekennzeichnet,

- dass ein elektrisches Antwortspektrum eines optischen Referenzdetektors (2), der von einem Lichtstrahl (211, 221) beleuchtet wird, mit einem elektrischen Referenzrauschspektrum einer elektrischen Rauschquelle (20) für mindestens zwei unterschiedliche Lichtintensitäten des Lichtstrahles (211, 221) verglichen wird,

dass Gleichstromanteile (ID, ID,ref) der in dem optischen Referenzdetektor (2) und in einem optischen Detektor (102) erzeugten Signale gemessen werden, um mit der Hilfe der verglichenen Spektren das elektrische Rauschspektrum des optischen Detektors (102) zu bestimmen, und

- dass das zu bestimmende elektrische Rauschspektrum von einem elektrischen Antwortspektrum des optischen Detektors (102), der von dem Lichtstrahl (211, 221) mit den mindestens zwei verschiedenen Lichtintensitäten des Lichtstrahles (211, 221) erleuchtet wird, und dem elektrischen Rauschspektrum des optischen Detektors (102) abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Rauschspektrum ein äquivalentes Rauschspektrum eines optischen Empfängers (101) ist, der den optischen Detektor (102) umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (211) durch einen homodynen Abtaster erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtintensität im wesentlichen 100 Prozent ist und dass die zweite Lichtintensität im wesentlichen Prozent ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (211) wechselweise dem optischen Detektor (102) und dem optischen Referenzdetektor (2) zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Referenzrauschspektrum ein thermisches Rauschspektrum ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Referenzrauschspektrum ein thermisches Schrotrauschspektrum ist.