DE60219454T2 - Bestimmung optischer eigenschaften unter nutzung der signaldifferenzen hervorgerufen durch die modulierten laser-signale - Google Patents

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung optischer Eigenschaften wie beispielsweise der chromatischen Dispersion.
• Ein Standardverfahren zur Messung der chromatischen Dispersion (CD) stellt das so genannte Modulations-Phasenverschiebungsverfahren das, das z.B. von Dennis Derickson in „Fiber Optic Test and Measurement", ISBN 0-13-534330-5, 1998, S. 482 ff. beschrieben wird. Dieses Verfahren ist jedoch nicht für In-situ-Messungen von Pfaden mit Lichtwellenleitern geeignet.
• In der US-Patentschrift 5 447 159 wird ein System zur optischen Abbildung einer Probe beschrieben, bei dem eine Vielzahl modulierter optischer Signale bei verschiedenen optischen Frequenzen durch die Probe geleitet und von der Probe empfangene entsprechende Antwortsignale in Bezug auf eine zusätzlich übertragene Referenzphase analysiert werden.
• In der US-Patentschrift 6 043 506 werden Messgrößen von biologischen und anderen Proben beschrieben. Dabei wird Anregungslicht bei verschiedenen Wellenlängen von einem Quellenmodul zu einer Probe übertragen und von der Probe emittiertes oder gestreutes Licht jeweils zu einem Detektor eines Detektormoduls zurückübertragen.
• In der US-Patentschrift 5 187 672 wird eine Phasenmodulations-Spektroskopie beschrieben, bei der eine Vielzahl modulierter optischer Signale bei verschiedenen optischen Frequenzen zu einem Objekt geleitet und entsprechende Antwortsignale in Bezug auf ein Referenzsignal analysiert werden.
• In der Europäischen Patentanmeldung EP 0 663 591 A1 wird ein Verfahren zur Untersuchung verschiedener Gewebematerialien unter Verwendung einer Vielzahl amplitudenmodulierter Lichtquellen beschrieben, die in unterschiedlichen Abständen von einem Sensor angeordnet sind. Aus den Datensätzen jeder einzelnen Lichtquelle können entsprechende Kurven dargestellt werden.
• In der US-Patentschrift 5 564 417 wird ein Spektralphotometer zur Gewebeuntersuchung beschrieben, das eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht bei einer ausgewählten Wellenlänge, einen Detektor zum Nachweisen von Licht, welches das Gewebe durchlaufen hat, und einen Phasendetektor zur Messung einer Phasenverschiebung zwischen dem eingestrahlten und dem nachgewiesenen Licht umfasst.
• In der Europäischen Patentanmeldung EP 0 280 328 wird ein System zur Messung der chromatischen Dispersion für Lichtwellenleiter beschrieben, das einen Lichtsignalsender zum Erzeugen modulierter optischer Signale und einen Lichtsignalempfänger umfasst. Der Lichtsignalempfänger umfasst einen ersten Detektor zum Nachweisen eines optischen Referenzsignals und einen zweiten Detektor zum Nachweisen eines optischen Messsignals und eine Phasendiskriminatorschaltung zur Messung einer Phasendifferenz zwischen beiden Signalen.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Messverfahren für eine optische Eigenschaft, zum Beispiel die chromatische Dispersion, einer zu testenden optischen Einheit bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Hauptansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsarten werden in den Unteransprüchen dargestellt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Charakteristik einer optischen Eigenschaft (vorzugsweise der chromatischen Dispersion CD oder der Gruppenverzögerung GD) einer zu testenden Einheit (DUT) ermittelt, indem ein erstes und ein zweites Lasersignal in die DUT eingegeben werden. Das erste Lasersignal wird bei ersten Mittenwellenlänge bereitgestellt und die Intensität durch eine erste Modulationsfrequenz moduliert. Das zweite Lasersignal wird bei einer zweiten Mittenwellenlänge bereitgestellt und die Intensität durch eine zweite Modulationsfrequenz moduliert. Von der DUT kommende Antwortsignale auf das eingegebene erste und zweite Lasersignal werden durch eine Empfangseinheit empfangen und dann an eine Verarbeitungseinheit weitergeleitet, um daraus die Charakteristik der optischen Eigenschaft der DUT zu ermitteln.
• Während bei dem oben erwähnten Modulations-Phasenverschiebungsverfahren sowohl das Anregungssignal zusammen mit dem Referenzsignal als auch das Antwortsignal der DUT auf das Anregungssignal bereitgestellt werden müssen, vermeidet die vorliegende Erfindung diese Notwendigkeit der Bereitstellung des Referenzsignals zur Auswertung. Stattdessen ermittelt die Erfindung die Charakteristik der optischen Eigenschaft der DUT aus Differenzen zwischen den Antwortsignalen auf verschiedene eingegebene Anregungssignale. Somit benötigt die Erfindung zur Auswertung keinen zusätzlichen Referenzpfad zum Eingeben des Referenzsignals. Dies ist insbesondere bei Lichtwellenleitersystemen (z.B. mit mehr als einhundert Kilometern Länge) von Vorteil, bei denen ansonsten ein solcher zusätzlicher Referenzpfad erforderlich wäre. Auf diese Weise werden „in-situ"-Messungen auch über größere Entfernungen möglich, ohne dass zusätzliche Übertragungspfade ausschließlich für Messzwecke benötigt werden.
• Im praktischen Betrieb wird zur Ermittlung der Charakteristik der optischen Eigenschaft der DUT mindestens einer der Parameter erste Mittenwellenlänge, erste Modulationsfrequenz, zweite Mittenwellenlänge oder zweite Modulationsfrequenz variiert. Für jeden variierten Parameter ermittelt die Verarbeitungseinheit aus den Differenzen der Signalphasen der Antwortsignale einen Wert der optischen Eigenschaft der DUT.
• Wenn die Modulationsfrequenz für das erste und zweite Lasersignal gleich ist, führen die Differenzen der mittleren Wellenlängen zu Phasendifferenzen zwischen den Antwortsignalen auf das erste und zweite Lasersignal. Z.B. können dann die CD oder die GD aus diesen Phasendifferenzen ermittelt werden. Niedrigere Modulationsfrequenzen können zur Verringerung von Mehrdeutigkeiten bei der Auswertung der Phasendifferenzen eingesetzt werden, während höhere Modulationsfrequenzen zur Erhöhung der Auflösung eingesetzt werden können. Somit kann eine Änderung der Modulationsfrequenz, die aber für beide Lasersignale gleich sein muss, die Genauigkeit der Messergebnis verbessern.
• Das erste und das zweite Lasersignal können entweder gleichzeitig oder nacheinander eingegeben werden, sodass die Antwortsignale auf das erste und zweite Lasersignal entweder gemeinsam (als Überlagerungssignal) oder als Einzelsignale nachgewiesen werden können. Im ersteren Fall müssen die Phasendifferenzen aus den überlagerten Antwortsignal abgeleitet werden, und die Signaltrennung kann zur Darstellung der einzelnen Antwortsignale aus den überlagerten Antwortsignalen dienen. Im letzteren Fall können das erste und zweite Lasersignal z.B. zeitlich verschoben (z.B., indem ein Signal ausgeschaltet wird, während das andere Signal eingeschaltet ist) und ein Phasensprung zwischen den beiden Antwortsignalen ermittelt werden. Alternativ wird die Phase des ausgeschalteten oder verschobenen Antwortsignals als Referenzphase zur Auswertung der Signalphasendifferenzen der Antwortsignale beibehalten. Dies kann z.B. durch Emulieren, Abtasten, Synthetisieren oder anderweitiges Erzeugen der Referenzphase geschehen, während das Antwortsignal selbst noch eingeschaltet ist, und Beibehalten dieser erzeugten Referenzphase mindestens so lange, bis ein nächstes Antwortsignal auf ein nächstes eingegebenes Lasersignal erscheint (und für den Phasenvergleich ausreichend nachgewiesen werden kann). Ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung der Referenzphase besteht im Synchronisieren eines Referenzoszillators z.B. unter Verwendung von phasengekoppelten (PLL) Schaltungen.
• Zur Ermittlung der chromatischen Dispersion (CD) oder der Gruppenverzögerung (GD) als optische Eigenschaft der DUT wendet die Verarbeitungseinheit vorzugsweise die Prinzipien des oben erwähnten Modulations- Phasenverschiebungsverfahrens zur Bewertung der Signalphasendifferenzen der Antwortsignale an. Die Aussagen des oben erwähnten Buches von Dennis Derickson in Bezug auf die Bewertung der Signalphasendifferenzen von Antwortsignalen unter Verwendung des Modulations-Phasenverschiebungsverfahrens wird durch Bezugnahme in die vorliegende Erfindung einbezogen. Entsprechend können jedoch auch andere bekannte Algorithmen und Verfahren zur Bewertung von Signalphasendifferenzen angewendet werden.
• Um die Antwortsignale zu bewerten, muss die Verarbeitungseinheit für jede Messung die entsprechenden Einstellungen (z.B. die Werte) der folgenden Parameter kennen: erste mittlere Wellenlänge, erste Modulationsfrequenz, zweite mittlere Wellenlänge und zweite Modulationsfrequenz. Unter Verwendung der Kenntnis oder der Informationen über die aktuellen Parametereinstellungen zusammen mit dem ermittelten Antwortsignal für die Parametereinstellungen kann die Verarbeitungseinheit durch Vergleichen mit dem ermittelten Antwortsignal für verschiedene Parametereinstellungen die Charakteristik der optischen Eigenschaft der DUT ermitteln.
• Bei einer Ausführungsart empfängt die Verarbeitungseinheit die zur Erzeugung des ersten und zweiten Lasersignals verwendeten aktuellen Parametereinstellungen von der oder den Laserquellen zur Erzeugung des ersten und zweiten Lasersignals oder von einer Steuereinheit der Laserquelle. Dies kann leitungsgebunden oder drahtlos geschehen, wobei klar ist, dass übliche elektronische Datenübertragungspfade zur Übertragung der aktuellen Parametereinstellungen im Allgemeinen ausreichen. Die Lasersignale können aber auch mit den codierten Messparametern moduliert und diese Information durch die DUT an einem Empfänger der Verarbeitungseinheit übertragen werden.
• Bei einer anderen Ausführungsart kennt die Verarbeitungseinheit die aktuellen Parametereinstellungen bereits. Dies kann durch Abarbeitung vorgegebener Messprotokolle mit einer definierten Abfolge der Änderung der Parametereinstellungen geschehen. Sowohl für die Signalerzeugung als auch für die Signalbewertung können in der Technik bekannte Startprozeduren zum Auslösen und Synchronisieren eines vorgegebenen Messprotokolls angewendet werden.
• Bei einer anderen Ausführungsart ermittelt die Verarbeitungseinheit die aktuellen Parametereinstellungen. Dies kann durch Bereitstellen geeigneter Messsensoren oder -einheiten in der Verarbeitungseinheit (z.B. zur Messung von Wellenlängen und/oder Modulationsfrequenzen) geschehen.
• Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf lediglich zwei verschiedene Lasersignale beschränkt, vielmehr kann gemäß dem oben Gesagten eine Vielzahl verschiedener Lasersignale angewendet werden. Somit kann/können die optische/n Eigenschaft/einen mit größerer Genauigkeit und/oder über einen größeren Bereich ermittelt werden.
• Es ist klar, dass die Erfindung teilweise oder vollständig durch ein oder mehrere geeignete Softwareprogramme realisiert oder unterstützt werden kann, die durch einen beliebigen Datenträger gespeichert oder auf andere Weise bereitgestellt und in oder durch eine beliebige geeignete Datenverarbeitungseinheit ausgeführt werden können.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Weitere Aufgaben und viele mit der vorliegenden Erfindung verbundene Vorteile werden unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klarer und verständlicher.
• 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsart einer Anordnung zum Testen der chromatischen Dispersion gemäß der vorliegenden Erfindung.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• 1 zeigt zwei Laserquellen 10 und 20 z.B. mit fester oder abstimmbarer Wellenlänge, die jeweils extern durch Modulatoren 30 bzw. 40 moduliert werden und ein Anregungssignal für eine zu testende Einheit (DUT) 50 liefern. Ein Empfänger 60 empfängt von der DUT 50 Antwortsignale auf die Anregungssignale und leitet sie an eine Verarbeitungseinheit 70 weiter.
• Die beiden Laserquellen 10 und 20 gehören zusammen mit den Modulatoren 30 und 40 zu einer Signalerzeugungseinheit 80, während der Empfänger 60 zusammen mit der Verarbeitungseinheit 70 zu einer Signalbewertungseinheit 90 gehört. Die Datenübertragung zwischen der Signalerzeugungseinheit 80 und der Signalbewertungseinheit 90 kann über eine Leitung 100 erfolgen, bei der es sich um eine leitungsgebundene oder eine drahtlose Verbindung z.B. über ein Datennetz handeln kann. Es ist klar, dass die Art der Leitung 100 von der speziellen Anwendung, insbesondere von der Art der DUT 50, abhängen kann. Wenn die DUT 50 ein Lichtwellenleiterverbindung über längere Entfernungen ist, kann als Leitung 100 eine in der Technik bekannte LAN-Verbindung oder eine drahtlose Verbindung dienen.
• Im praktischen Betrieb sind die beiden Laserquellen 10 und 20 auf verschiedene Wellenlängen eingestellt und werden mit Frequenzen vorzugsweise zwischen 1 und 10 GHz moduliert. Der Empfänger 60 misst die Antwortsignale der DUT 50 auf die beiden eingegebenen Lasersignale. Die chromatische Dispersion der DUT 50 wird aus den verschiedenen Signalphasen ermittelt. Vorzugsweise wird das bekannte, oben erwähnte Modulations-Phasenverschiebungsverfahren angewendet.
• Für jede Messung der DUT 50 stellt die Signalerzeugungseinheit 80 der Signalbewertungseinheit 90 über die Leitung 100 die aktuellen Einstellungen der Parameter für die Mittenwellenlänge/n und die Modulationsfrequenz/en der durch die beiden Laserquellen 10 und 20 bereitgestellten Lasersignale zur Verfügung. Alternativ codiert die Signalerzeugungseinheit 80 die aktuellen Einstellungen der Parameter für die Mittenwellenlänge/n und die Modulationsfrequenz/en der Lasersignale und fügt sie zum Modulationssignal für die Modulatoren 30 und 40 hinzu, wodurch die Notwendigkeit für die separate Verbindung 100 zwischen der Signalerzeugungseinheit 80 und der Signalbewertungseinheit 90 entfällt. Eine Phasendifferenz zwischen den Modulationssignalen der ersten und zweiten Laserwellenlänge kann z.B. entweder aus einem Phasensprung bei jedem Wechsel zwischen der ersten und zweiten Wellenlänge oder durch Bereitstellen eines synchronisierten Referenzphasensignals ermittelt werden, das unter Verwendung einer messenden und speichernden phasengekoppelten Schaltung aus der ersten oder zweiten Modulationsfrequenz abgeleitet werden kann.
• Der Messprozess kann auch in einer vorgegebenen Abfolge durchgeführt werden, bei der die Einstellungen der Laserwellenlängen und Modulationsfrequenzen vorher programmiert wurden. Start-, Auslöse- und Stoppcodes definieren den Ablauf und den Umfang der Messung. Durch diesen Lösungsansatz wird die Leitung 100 zwischen der Signalerzeugungseinheit 80 und der Signalbewertungseinheit 90 ebenfalls überflüssig.

Claims (9)

1. System (80, 90) zur Bestimmung einer Charakteristik einer optischen Eigenschaft eines zu testenden Einheit (Device Under Test, DUT) (50), wobei unter der optischen Eigenschaft mindestens eine der Eigenschaften chromatische Dispersion und Gruppenverzögerung zu verstehen ist und das System Folgendes aufweist: eine Signalbewertungseinheit (90), die zum Empfangen von Antwortsignalen der DUT (50) auf ein erstes angelegtes Lasersignal hin bei einer ersten Mittenwellenlänge, das durch eine erste Modulationsfrequenz moduliert wurde, und auf ein zweites angelegtes Lasersignal bei einer zweiten Mittenwellenlänge, das durch eine zweite Modulationsfrequenz moduliert wurde, eingerichtet ist, wobei die Signalbewertungseinheit (90) eingerichtet ist zum: seriellen Empfangen der Antwortsignale, wovon ein angelegtes Signal eingeschaltet ist, während das andere angelegte Signal ausgeschaltet ist, und Bestimmen der Charakteristik der optischen Eigenschaft der DUT (50) auf der Basis einer Analyse der seriell empfangenen Antwortsignale durch Ermittlung eines Phasensprungs zwischen den Antwortsignalen nur in Verbindung mit den Parametereinstellungen für die erste Mittenwellenlänge, die erste Modulationsfrequenz, die zweite Mittenwellenlänge und die zweite Modulationsfrequenz.
2. System (80, 90) zur Bestimmung einer Charakteristik einer optischen Eigenschaft einer zu testenden Einheit – DUT – (50), wobei unter der optischen Eigenschaft mindestens eine der Eigenschaften chromatische Dispersion und Gruppenverzögerung zu verstehen ist und das System Folgendes aufweist: eine Signalbewertungseinheit (90), die zum Empfangen von Antwortsignalen der DUT (50) auf ein erstes angelegtes Lasersignal hin bei einer ersten Mittenwellenlänge, das durch eine erste Modulationsfrequenz moduliert wurde, und auf ein zweites angelegtes Lasersignal bei einer zweiten Mittenwellenlänge, das durch eine zweite Modulationsfrequenz moduliert wurde, eingerichtet ist, wobei die Signalbewertungseinheit (90) eingerichtet ist zum: seriellen Empfangen der Antwortsignale, wovon ein angelegtes Signal eingeschaltet ist, während das andere angelegte Signal ausgeschaltet ist, Synchronisieren eines Referenzoszillators zum Aufrechterhalten eines aktuell ausgeschalteten Antwortsignals als Referenzphase, und Ermitteln der Charakteristik der optischen Eigenschaft der DUT (50) auf der Basis einer Analyse der empfangenen Antwortsignale durch Ermittlung einer Phasendifferenz zwischen einem aktuell eingeschalteten Antwortsignal und der Referenzphase nur in Verbindung mit den Parametereinstellungen für die erste Mittenwellenlänge, die erste Modulationsfrequenz, die zweite Mittenwellenlänge und die zweite Modulationsfrequenz.
3. System (80, 90) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Modulationsfrequenz gleich der zweiten Modulationsfrequenz ist.
4. System (80, 90) nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, wobei das System ferner eine Signalerzeugungseinheit (80) umfasst, die Folgendes aufweist: mindestens eine Lasereinheit (10, 30, 20, 40), die so eingerichtet ist, dass sie der DUT (50) das erste Lasersignal bei der ersten Mittenwellenlänge, das durch die erste Modulationsfrequenz moduliert wurde, und das zweite Lasersignal bei der zweiten Mittenwellenlänge, das durch die zweite Modulationsfrequenz moduliert wurde, bereitstellt.
5. System nach Anspruch 1 oder einem der obigen Ansprüche, wobei mindestens eines von beiden, das erste oder das zweite Lasersignal, intensitätsmoduliert ist.
6. System nach Anspruch 1, das ferner so eingerichtet ist, dass das erste und das zweite Lasersignal gleichzeitig angelegt werden können.
7. Verfahren zur Bestimmung einer Charakteristik einer optischen Eigenschaft einer zu testenden Einheit – DUT – (50), wobei unter der optischen Eigenschaft mindestens eine der Eigenschaften chromatische Dispersion und Gruppenverzögerung zu verstehen ist und das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Empfangen eines ersten Antwortsignals von der DUT (50) auf ein erstes Lasersignal bei einer ersten Mittenwellenlänge, das durch eine erste Modulationsfrequenz moduliert wurde, und (b) Empfangen eines zweiten Antwortsignals von der DUT (50) auf ein zweites Lasersignal bei einer zweiten Mittenwellenlänge, das durch eine zweite Modulationsfrequenz moduliert wurde, wobei (c) die Antwortsignale seriell empfangen werden, wovon ein angelegtes Signal eingeschaltet ist, während das andere angelegte Signal ausgeschaltet ist, und (d) die Charakteristik der optischen Eigenschaft der DUT (50) durch Analysieren der seriell empfangenen Antwortsignale durch Ermittlung eines Phasensprungs zwischen den Antwortsignalen nur in Verbindung mit den Parametereinstellungen für die erste Mittenwellenlänge, die erste Modulationsfrequenz, die zweite Mittenwellenlänge und die zweite Modulationsfrequenz bestimmt wird.
8. Verfahren zur Bestimmung einer Charakteristik einer optischen Eigenschaft einer zu testenden Einheit – DUT – (50), wobei unter der optischen Eigenschaft mindestens eine der Eigenschaften chromatische Dispersion und Gruppenverzögerung zu verstehen ist und das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Empfangen eines ersten Antwortsignals von der DUT (50) auf ein erstes Lasersignal bei einer ersten Mittenwellenlänge, das durch eine erste Modulationsfrequenz moduliert wurde, und (b) Empfangen eines zweiten Antwortsignals von der DUT (50) auf ein zweites Lasersignal bei einer zweiten Mittenwellenlänge, das durch eine zweite Modulationsfrequenz moduliert wurde, wobei (c') die Antwortsignale seriell empfangen werden, wovon ein angelegtes Signal eingeschaltet ist, während das andere angelegte Signal ausgeschaltet ist, (d') ein Referenzoszillator zum Aufrechterhalten eines aktuell ausgeschalteten Antwortsignals als Referenzphase synchronisiert wird, und (e') die Charakteristik der optischen Eigenschaft der DUT (50) durch Analysieren der seriell empfangenen Antwortsignale durch Ermittlung eines Phasensprungs zwischen den Antwortsignalen nur in Verbindung mit den Parametereinstellungen für die erste Mittenwellenlänge, die erste Modulationsfrequenz, die zweite Mittenwellenlänge und die zweite Modulationsfrequenz bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, das vor dem Schritt (a) ferner die folgenden Schritte aufweist: • Eingeben des ersten Lasersignals bei der ersten Mittenwellenlänge, das durch die erste Modulationsfrequenz moduliert wurde, in die DUT (50), und • Eingeben des zweiten Lasersignals bei der zweiten Mittenwellenlänge, das durch die zweite Modulationsfrequenz moduliert wurde, in die DUT (50).