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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Laserstabilisierungsvorrichtung.
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Als Hintergrund der vorliegenden
Erfindung ist in US5396166 ein faseroptisches interferometrisches
Sensorsystem beschrieben, das ein faseroptisches Interferometer
mit einem elektrostriktiven Wandler umfasst, der entweder mit den
ersten oder zweiten faseroptischen Zweig des Interferometers verbunden
ist. Der elektrostriktive Wandler hat nichtlineare Eigenschaften,
die die Erfassung von niederfrequenten oder Gleichspannungssignalen
in Seitenbändern
eines Hochfrequenzträgers
ermöglichen. Ebenso
ist als Hintergrund zu der Erfindung in EP0388929 ein faseroptischer
Laserkreisel beschrieben, bei dem eine modulierte Phasenverschiebung zwischen
zwei Lichtstrahlen erfasst wird, die mit einem Phasenmodulator moduliert
sind und die eine faseroptische Spule in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen
haben und miteinander zur Interferenz gebracht wurden.
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Normalerweise kann eine Phasendifferenz optisch
gemessen werden, indem zwei Strahlen zur Interferenz gebracht werden,
damit sie ein Interferenzstreifenmuster bilden, und das Streifenmuster vermessen
wird, wenn es sich wegen der Änderung der
relativen Phase über
die Vorderseite einer Kamera bewegt. Ein Nachteil dieser Art von
Messung ist, das sie auf dem Zählen
der Streifen und der Interpolation zwischen den Streifen beruht,
um die Phase oder Position genau zu messen. Dieser Vorgang kann
relativ langsam und nicht besonders genau sein. Solche Detektoren
können
in Längenmesseinrichtungen,
wie etwa in der Lasermesstechnik, verwendet werden, um Positionen
genau, das heißt
auf einen Bruchteil einer optischen Wellenlänge, zu vermessen.
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Optische Verfahren wurden schon zuvor
für die
Erzeugung von Mikrowellenstrahlung verwendet, indem zwei stabile
Lasersignale gemischt wurden, und für Phased-Array-Antennenstrahlformung
genutzt, wobei einfache optische Systeme verwendet wurden, um eine
komplizierte Mikrowellenfunktion zu erzeugen. Ein bekanntes Verfahren
zur Erzeugung stabilisierter Mikrowellenstrahlung ist, eine faseroptische
Verzögerungsstrecke
in einen Radiofrequenz-, Mikrowellen- oder Millimeterwellendiskriminatorschaltkreis
einzubauen. Dies ermöglicht,
die Differenzfrequenz von zwei stabilen Lasereingangssignalen genau
zu regeln, wodurch der Radiofrequenz-, Mikrowellen- oder Millimeterwellenausgang
stabilisiert werden kann (Britische Patentanmeldung Nr. GB2307332).
In diesem System können
die Frequenzen der Laser driften, aber die Differenzfrequenz zwischen
ihnen bleibt konstant. Ein Ziel dieses Systems ist es, eine Vorrichtung
zur Lieferung stabiler Strahlung bei Radiofrequenzen bereitzustellen.
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In vielen Anwendungen ist Laserstrahlung mit
hoher spektraler Reinheit (das heißt, stabile Laserstrahlung)
erforderlich. Diese Anwendungen schließen physikalische Grundlagenforschung,
z. B. Gravitationsdetektion, Fotochemie, Lumineszenzanregungsspektroskopie,
Absorptions- und Raman-Spektroskopie und Anwendungen wie etwa faseroptische
Kommunikation, Sensoren, Laserradar, Laseranemometer und Laservibrometrie
ein. Laser mit genau definierter Frequenz (oder Wellenlänge) und
hoher spektraler Reinheit (das heißt, schmaler Bandbreite) neigen
jedoch dazu, teuer und komplex zu sein. Hohe spektrale Reinheit
ist mit manchen Gaslasern erreichbar, aber es gibt einen Bedarf
an Festkörperlasern
mit gleicher oder besserer Leistungsfähigkeit. Festkörperlaser
schließen
Laser dioden und diodengepumpte YAG-Laser ein. Der am meisten verwendete
Lasertyp ist die Laserdiode. Obwohl diese Bauteile relativ billig
sind, haben Bauteile dieser Art eine besonders schlechte spektrale
Stabilität,
insbesondere im Falle von Ausführungen
mit einem Fabry-Perot-Etalon, die oft gleichzeitig mehrere Moden
unterstützen.
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Für
viele Anwendungen ist es nützlich,
das Problem der schlechten spektralen Qualität zu lösen, und die Ausgangsfrequenz
eines einzelnen Lasers stabilisieren zu können. Darüber hinaus ist für manche
Anwendungen extrem reine Laserstrahlung erforderlich.
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Von der Stabilisierung einer Laserstrahlung mit
einer externen Komponente wurde zuvor berichtet [FM noise reduction
and sub kilohertz linewidth of an AIGaAs laser by negative electrical
feedback, M. Ohutso et al.. IEEE Journal of Quantum Electronics 26
(1990) Seiten 231–241].
In diesem System ist die externe Komponente ein oder mehrere Fabry-Perot(FP)-Interferometer
mit hoher Finesse.
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Die Stabilisierung des Lasers wird
erreicht, indem die Reflexionseigenschaften des Interferometers
oder der Interferometer zur Erfassung des frequenzmodulierten Rauschens
genutzt werden. Dann wird eine elektrische Rückkopplung verwendet, um dieses
Signal zur Korrektur des Laserstrahls zurückzukoppeln. Das System ist
jedoch ein komplexes, frei im Raum aufgebautes System, das Kostennachteile mit
sich bringt. Weil das System im freien Raum arbeitet, ist es auch
besonders empfindlich gegenüber externen
Faktoren, wie etwa Vibrationen, Luftzirkulation und Staub, und auch
Temperaturschwankungen.
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Als Hintergrund zu der vorliegenden
Erfindung ist in US4972424 eine Laserstabilisierungsvorrichtung
zur Stabilisierung eines Laserresonanzraumes beschrieben. In der
Vorrichtung wird ein piezoelektrischer Wandler zur Positionsregelung
von einem der Spiegel des Resonanzraumes eingesetzt, wobei der Wandler
so betrieben wird, dass die effektive Länge des Resonanzraumes in Abhängigkeit
einer Messung der Laserausgangsleistung verändert wird.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Laserstabilisierungsvorrichtung vorzuschlagen, die
diese Probleme löst.
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Nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine
Laserstabilisierungsvorrichtung zur Stabilisierung der Ausgangsfrequenz
eines Lasers folgendes:
eine Frequenzdiskriminatorvorrichtung
mit
einer Eingabeeinrichtung für den Empfang eines primären optischen
Eingangssignals von dem Laser und zur Erzeugung eines ersten und
eines zweiten primären
optischen Ausgangssignals, einem ersten optischen Strahlengang zum
Empfangen des ersten primären
optischen Ausgangssignals und einem zweiten optischen Strahlengang
zum Empfangen des zweiten primären
optischen Ausgangssignals, wobei der erste optische Strahlengang
eine erste, im wesentlichen konstante Verzögerungsstrecke aufweist, und
der zweite optische Strahlengang eine zweite, im wesentlichen konstante
Verzögerungsstrecke
aufweist, die von der ersten verschieden ist, um dadurch eine relative
Verzögerung
zwischen den beiden primären
optischen Eingangssignalen zu bewirken, und einem optischen Pha sendetektor,
wobei der optische Phasendetektor eine Einrichtung zum Empfangen
der zwei primären
optischen Eingangssignale und zur Erzeugung von zwei überlagerten
optischen Ausgangssignalen umfasst,
einer Erfassungseinrichtung
zur Erfassung der Intensität
der zwei überlagerten
optischen Ausgangssignale und zur Umwandlung der Intensität von jedem der überlagerten
optischen Ausgangssignale in ein elektrisches Signal, und
eine
Einrichtung zur Messung der Differenz zwischen den beiden elektrischen
Signalen und zur Erzeugung eines Differenz-Ausgangssignals,
wobei die Laserstabilisierungsvorrichtung
weiter eine Rückkopplungseinrichtung
zum Zurückkoppeln
des Differenz-Ausgangssignals von dem optischen Phasendetektor des
Frequenzdiskriminators zu dem Laser umfasst.
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Der Laser kann einen geeigneten Abstimmpunkt
haben, sodass das Differenz-Ausgangssignal in den Abstimmpunkt zurückgekoppelt
werden kann.
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Die Eingabeeinrichtung zum Empfangen
des primären
optischen Eingangssignals kann eine Kopplungseinrichtung für das Eingangssignal
sein, wie etwa ein Koppler oder Strahlteiler.
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Die Vorrichtung ist weniger komplex
als die bekannte Vorrichtung, und ist deshalb billiger herzustellen.
Sie vermeidet auch die Probleme der Optik im freien Raum. Die Laserstabilisierungsvorrichtung kann auch
das Ausgangssignal eines Lasers über
einen schmalen bis über
einen breiten Frequenzbereich stabilisieren, der in Abhängigkeit
der Anforderungen zum Beispiel durch die Wahl der Differenz der Verzögerungszeiten
verändert
werden kann.
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In einer Ausführung der Laserstabilisierungsvorrichtung
kann die Vorrichtung einen oder mehrere zusätzliche Frequenzdiskriminatoren
enthalten, die entsprechende Kopplungseinrichtungen enthalten, um
den elektrischen Ausgang eines zugeordneten optischen Phasendetektors
zu dem Laser zurückzukoppeln.
Die Ausgangssignale der optischen Phasendetektoren in den verschiedenen
Frequenzdiskriminatoren können
zu verschiedenen Steuerungspunkten an der Strahlungsquelle zurückgekoppelt werden.
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Die Vorrichtung ermöglicht durch
die Verwendung von temperaturstabilen optischen Fasern oder anderen
Verzögerungs-Einrichtungen
sowohl Temperaturstabilität
als Kurzzeitstabilität,
die dem Spektrum der Laserausgangssignals verliehen werden sollen.
Die Vorrichtung ist auch relativ unempfindlich gegenüber Vibrationen
und Staub.
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Der optische Phasendetektor, der
einen Teil der Laserstabilisierungsvorrichtung bildet, kann einen
spannungsgesteuerten elektrooptischen Modulator zur Modulation der
Phase eines optischen Eingangssignals in den optischen Phasendetektor
enthalten, wobei der elektrooptische Phasenmodulator ein im wesentlichen
lineares Ansprechverhalten aufweist.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf
ein Verfahren zur Stabilisierung des Ausgangssignals aus einem Laser
mit der Laserstrahlstabilisierungsvorrichtung, die hier beschrieben
ist.
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Nach einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst
ein optischer Frequenzgenerator
die hier beschriebene Laserstabilisierungsvorrichtung,
und
eine Einrichtung zur Veränderung der Frequenz der Laserstrahlung.
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Die Laserstabilisierungsvorrichtung,
die einen Teil des optischen Frequenzgenerators bildet, kann zwei
Abschnitte von optischen Fasern enthalten, durch die die primären optischen
Ausgangssignale übertragen
werden, wobei die zwei optischen Fasern verschiedene optische Längen der
Strahlengänge
aufweisen.
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Vorzugsweise kann der optische Frequenzgenerator
einen elektrooptischen Phasenmodulator enthalten, der in dem Strahlengang
von einem der Abschnitte der optischen Fasern angeordnet ist, wobei
die Anwendung einer SÄGEZAHN-ähnlichen Spannung
auf den optischen Phasenmodulator eine Variation der Frequenz der
Laserstrahlung bewirkt. Typischerweise kann der elektrooptische
Phasenmodulator in Reihe mit einem der Abschnitte der optischen
Fasern angeordnet sein.
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Der optische Frequenzgenerator kann
auch eine Spannungsquelle umfassen, die einen SÄGEZAHN-ähnlichen Spannungsverlauf bereitstellt,
um eine Spannung an den elektrooptischen Phasenmodulator anzulegen.
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Alternativ kann der optische Frequenzgenerator
einen Differenzverstärker
umfassen, wobei der Ausgang des optischen Phasendetektors zu einem Eingang
des Differenzverstärker
zurückgekoppelt wird,
und der Ausgang des Differenzverstärkers zum Laser zurückgekoppelt
wird.
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Der optische Phasendetektor, den
die Laserstabilisierungsvorrichtung enthält, und der einen Teil des
optischen Frequenzgenerators bildet, kann vorzugsweise, muss aber
nicht, einen elektrooptischen Phasenmodulator umfassen.
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In jedem Aspekt der oben beschriebenen
Erfindung kann eine optische Einmoden-Faser, eine polarisationserhaltende
optische Faser, eine temperaturstabile optische Einmoden-Faser oder
eine temperaturstabile polarisationserhaltende optische Faser verwendet
werden.
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Obwohl die Aspekte der Erfindung
hier als fasergebundene Anwendungen beschrieben sind, können alle
Aspekte der Erfindung in allen oder einzelnen der optischen Strahlengänge optische
Bauelemente im freien Raum verwenden. Beispielsweise können optische
Bauelemente im freien Raum in einem Gassensor verwendet werden. Ähnlich kann
integrierte Optik verwendet werden.
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Die Erfindung wird nun, nur als Beispiel,
mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, in denen
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1 ein
Diagramm eines herkömmlichen optischen
Phasendetektors zeigt,
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2 die
Ausgangspegel der Detektoren der optischen Phasendetektoren in 1 als Funktion der relativen
optischen Phase darstellt,
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3 den
differenziellen Ausgangspegel zwischen den Ausgängen des Detektors, der in 2 gezeigt ist, als eine
Funktion der relativen optischen Phase darstellt,
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4 ein
Diagramm einer linearisierten Version des optischen Phasendetektors,
der in 1 dargestellt
ist, zeigt,
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5 den
linearisierten optischen Phasendetektor, der in 4 gezeigt ist, einschließlich einer elektrischen
Rückkopplungsschleife
zeigt, die 6(a) und 6(b) experimentelle Ergebnisse
zeigen, die mit dem linearisierten optischen Phasendetektor mit
Rückkopplung,
wie in 5 gezeigt, erhalten wurden,
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7 ein
Beispiel eines elektrischen Schaltkreises der Detektoren, die der
optische Phasendetektor in 1 enthält, in der
Praxis zeigt,
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8 die
Laserstabilisierungsvorrichtung nach der Erfindung einschließlich dem
optischen Phasendetektor, der in der 1 gezeigt
ist, darstellt,
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9 Messungen
des Phasenrauschens von unstabilisierter Laserstrahlung und stabilisierter Laserstrahlung
zeigt, die mit der Laserstabilisierungsvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung erhalten wurden, für
(a) einen an eine Faser gekoppelten, diodengepumpten nichtplanaren
Festkörperringlaser
vom Typ Lightwave Electronics Series 123, der bei 1319 nm arbeitet,
und (b) einem E- Tek DFB-Laser,
Typ LPDM, der bei 1550 nm arbeitet,
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10 die
Laserstabilisierungsvorrichtung zeigt, die in 8 dargestellt ist, und die weiter einen elektrooptischen
Phasenmodulator oder einen Differenzverstärker in der Rückkopplungsschleife
der Vorrichtung umfasst,
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11(a) ein
Beispiel eines SÄGEZAHN-Spannungsverlaufs
zeigt, der an den Phasenmodulator in der Vorrichtung in 10 angelegt werden kann,
um einen optischen Frequenzgenerator herzustellen, und 11(b) die Variation der
Phase des elektrooptischen Phasenmodulators zeigt, an den eine Spannung
mit SÄGEZAHN-Verlauf
angelegt ist,
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12 ein
experimentelles Ergebnis zeigt, das mit der Vorrichtung erzeugt
wurde, die in 10 dargestellt
ist,
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13 ein
schematisches Diagramm zeigt, das veranschaulicht, wie der optische
Phasendetektor, der in 5 gezeigt
ist, in einem Sensor eingesetzt werden kann,
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14 ein
schematisches Diagramm zeigt, das veranschaulicht, wie der optische
Phasendetektor, der in 5 gezeigt
ist, in einem optischen Vektorvoltmeter eingesetzt werden kann,
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15 ein
schematisches Diagramm zeigt, das veranschaulicht, wie das optische
Vektorvoltmeter, das in 14 gezeigt
ist, und die Vorrichtung, die in 10 gezeigt
ist, in einem optischen Netzwerkanalysator zur Messung der Übertragung
in einem zu untersuchenden System angewendet werden kann,
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16 ein
schematisches Diagramm zeigt, das veranschaulicht, wie das optische
Vektorvoltmeter, das in 14 gezeigt
ist, und die Vorrichtung, die in 10 gezeigt
ist, in einem optischen Netzwerkanalysator zur Messung der Reflexion
in einem zu untersuchenden System angewendet werden kann, und
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17 ein
schematisches Diagramm des optischen Phasendetektors unter Verwendung
von Optikbauteilen im freien Raum in einer Anwendung als Gassensor
zeigt.
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Bezugnehmend auf 1 umfasst ein optischer Phasendetektor,
der generell mit 1 bezeichnet ist, einen faseroptischen 50/50-Richtkoppler
2 für die Kopplung
von zwei Eingängen 3 und 4.
Der Detektor 1 umfasst auch zwei optische Detektoren 5a und 5b und
einen Differenzverstärker 6.
Im Betrieb werden die zwei Eingänge 3 und 4 über den
Richtkoppler 2 in den optischen Phasendetektor 1 eingeben.
Ein faseroptischer Einmoden-50/50-Richtkoppler hat einen zentralen
Abschnitt 10, der zwei gekoppelte optische Fasern enthält.
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Die Eingänge 3 und 4 in
den Koppler werden durch evaneszente Kopplung in diesem zentralen Abschnitt 10 überlagert
und zwei überlagerte
Ausgangssignal 11 und 12 werden erzeugt. Diese überlagerten
Ausgänge 11 und 12 variieren
in der Amplitude (und Intensität)
in Abhängigkeit
der Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen 3 und 4. Vorzugsweise
haben die Eingangssignale im wesentlichen gleiche Amplituden.
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Die Funktion des Kopplers ist es,
zwei Zwischensignale aus jedem der zwei Eingangssignale zu erzeugen
(das heißt
vier insgesamt), die dann überlagert
werden, um die zwei Ausgangssignale 11 und 12 zu
erzeugen. Jedes Eingangssignal erzeugt zwei optische Zwischensignale,
und es ist eine wichtige Eigenschaft des Kopplers, dass die zwei
Zwischensignale, die von jedem der einzelnen Eingangssignale erzeugt
werden, sich in Phasenquadratur befinden (das heißt, eine
Phasendifferenz von im wesentlichen 90° zueinander haben). Die Zwischensignale
von jedem der Eingänge
werden paarweise überlagert,
um die überlagerten
Ausgangssignale 11 und 12 zu liefern. Der Koppler
kann jede Kopplungseinrichtung sein, die diese Funktion zur Verfügung stellt.
Idealerweise kann dieser Koppler ein gekoppeltes Wellenleiterelement
sein, wie etwa ein herkömmlicher
Faserkoppler, aber es können
auch andere Koppler verwendet werden.
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Typischerweise können die zwei optischen Eingangssignale 3 und 4 des
optischen Phasendetektors aus derselben Quelle stammen, wie etwa
einem Laser (nicht gezeigt). Vorzugsweise werden die optischen Eingangssignale 3 und 4 über eine
optische Einmoden-Faser von dem Laser zu dem optischen Phasendetektor
geleitet. Alternativ können zwei
Strahlen von dem Laser genommen werden und zum Beispiel mit Hilfe
von Linsen in optische Einmoden-Fasern eingekoppelt werden, um anschließend in
den optischen Phasendetektor 1 eingegeben zu werden.
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Jedes der Ausgangssignale 11 und 12 des Kopplers 2 wird
auf einen separaten Detektor 5a und 5b gelenkt,
der die Intensität
des jeweiligen optischen Eingangssignals (das heißt, die
Eingangssignale 11 und 12) in entsprechende elektrische
Ausgangssignale 7a und 7b wandelt. Die elektrischen
Signale 7a und 7b, die von den Detektoren 5a und 5b ausgegeben
werden, werden dann an einen Differenzverstärker 6 weitergeleitet,
der ein Ausgangssignal 20 proportional zur Spannungsdifferenz
zwischen den Eingangssignalen erzeugt, die er empfängt. Vorzugsweise
sind die Detektoren gepaart (das heißt, sie sind so identisch wie
möglich).
Zum Beispiel können
sie in derselben Serie oder sogar auf demselben Chip hergestellt
sein. Für
eine bessere Übersichtlichkeit
sind die elektrischen Anschlüsse
an die Detektoren in 1 nicht
gezeigt.
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Der optische Phasendetektor 1 nutzt
die Tatsache aus, dass die zwei Ausgangssignale 7a und 7b aus
den Detektoren 5a und 5b abhängig sind von der relativen
Phase der beiden in dem Koppler 2 eingegebenen optischen
Signale, das heißt
die Detektoren 5a und 5b und der Differenzverstärker 6 bilden
einen im wesentlichen kompensierten optischen Detektorschaltkreis
bilden (der generell mit 32 bezeichnet ist), und der Spannungsausgang
aus dem Differenzverstärker 6 stellt
ein Maß für die Phasendifferenz
zwischen den zwei Eingangssignalen 3 und 4 dar.
Dies erfordert, dass die Amplituden der Eingangssignale 4 und
3 im wesentlichen konstant sind. Wenn die Amplituden der Eingangssignale 3 und 4 variieren,
ist es möglich,
die Amplituden einzeln zu messen und jegliche Variation elektrisch
zu korrigieren.
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Um die Phasendifferenz zwischen zwei
optischen Eingangssignalen 3 und 4 zu messen,
ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Polarisation der zwei
Eingangssignale 3 oder 4 gleich ist. Dies kann erreicht
werden, indem ein Polarisationsregler in den Strahlengang von einem
der beiden der Eingangssignale 3 und 4 integriert
wird. Wenn zum Beispiel die Eingangssignale 3 und 4 aus
einem Laser über
eine optische Faser in den Phasendetektor 1 eingekoppelt werden,
kann ein faseroptischer Polarisationsregler in einem oder beiden
der Strahlengänge
der Eingangssignale 3 und 4 verwendet werden.
Alternativ kann in einem integrierten optischen Phasendetektor ein
integrierter opti scher Polarisationsmodulator verwendet werden.
Auch können überall in
dem optischen Phasendetektor polarisationerhaltende optische Fasern
und Koppler verwendet werden.
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Das Verhalten des optischen Phasendetektors 1 ist
in den 2 und 3 dargestellt. 2 zeigt, wie die Ausgangssignale 7a und 7b aus
den jeweiligen Detektoren mit der relativen Phase zwischen den optischen
Eingangssignalen 3 und 4 variieren. Die Amplituden
der Ausgangssignale 7a und 7b aus den zwei Detektoren 5a und 5b variieren
als quadrierte Sinuskurve und sind zueinander gegenphasig. Der optische
Phasendetektor 1 liefert deshalb als Ausgangssignal eine
Gleichspannung, die ein Maß für die Phasendifferenz
zwischen den Eingangssignalen 3 und 4 ist.
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3 zeigt
das Differenz-Ausgangssignal 20 zu dem Paar der Ausgangssignale
der Detektoren 7a und 7b, das sich sinusförmig mit
der relativen optischen Phase der Eingangssignale 3 und
4 ändert. Das
Ausgangssignal 20 ist bipolar und in manchen Anwendungen
besonders nützlich;
es wird später
detaillierter beschrieben. Ein verbesserter optischer Phasendetektor
umfasst jedoch einen spannungsgesteuerten elektrooptischen Phasenmodulator,
um einen optischen Phasendetektor mit einer linearen Kennlinie zur
Verfügung
zu stellen. Der „spannungsgesteuerte" elektrooptische
Phasenmodulator kann auch als „spannungsabstimmbarer" elektrooptischer Phasenmodulator
bezeichnet werden.
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Typischerweise enthält ein elektrooptischer Phasenmodulator
einen optischen Wellenleiter auf einem integrierten optischen Substrat,
wie etwa Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Galliumarsenid oder anderem
elektrooptischenMaterial. Indem mittels metallischer Elektroden
eine Spannung über
den Wellenleiter angelegt wird, kann die Phase der Strahlung, die durch
den Wellenleiter läuft,
moduliert werden. Das Ansprechverhalten von elektrooptischen Phasenmodulatoren
mit Lithiumniobat- oder Lithiumtantalatsubstrat ist sehr linear.
Außerdem
ist die Frequenzantwort solcher elektrooptischer Phasenmodulatoren sehr
schnell, typischerweise bis zu 1 GHz oder höher.
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4 zeigt
einen handbedienten optischen Phasendetektor 30. Der optische
Phasendetektor 30 hat ein linearisiertes Ansprechverhalten
und umfasst einen spannungsgesteuerten elektrooptischen Phasenmodulator 35 in
einem der Strahlengänge
der Eingangssignale 3 oder 4 (Eingangssignal 3 in 4). Der elektrooptische
Phasenmodulator 35 variiert die optische Phase im wesentlichen
linear mit der angelegten Spannung 36. Wenn diese Spannung manuell
(oder automatisch) eingestellt wird, um ein konstantes Ausgangssignal 20 (idealerweise
0) aus dem Differenzverstärker
aufrechtzuerhalten, ergibt die an den Modulator 35 angelegte
Spannung 36 ein direktes lineares Maß für die relative Phase zwischen den
optischen Eingängen 3 und 4.
In der Praxis ist eine automatische Einstellung im Gegensatz zu
einer manuellen der angelegten Spannung 36 sehr erwünscht. Der
Bereich der elektrooptischen Phasenmodulation kann mindestens 360° betragen.
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Der elektrooptische Phasenmodulator 35 kann
in dem Strahlengang von einem der Eingangssignale 3 oder 4 zu
dem optischen Phasendetektor 1 angeordnet sein. Das Ausgangssignal 20 von
dem Differenzverstärker 6 wird
dann auf einen konstanten Wert festgelegt, indem die geeignete Spannung
an den spannungsabstimmbaren elektrooptischen Phasenmodulator angelegt
wird. Vorzugsweise kann das Ausgangssignal 20 bei 0 Volt
gehalten werden, was die Messung gegenüber Amplitudenänderungen
unempfindlich macht.
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Da das Ansprechverhalten des elektrooptischen
Phasenmodulators sehr linear ist, insbesondere bei Lithiumniobat-
und Lithiumtantalat-Modulatoren,
ergibt die Spannung, die erforderlich ist, um das Ausgangssignal
des Differenzverstärker
zu null zu machen, ein sinnvolles Maß für die relativen Phase. Die
Frequenzantwort des elektrooptischen Phasenmodulators kann typischerweise
zwischen 1 MHz und 1 GHz liegen. In manchen Anwendungen kann es
wünschenswert
sein, einen elektrooptischen Phasenmodulator einzusetzen, dessen
Frequenzantwort 1 GHz überschreitet.
Die Spannungseinstellung kann manuell ausgeführt werden, oder mit einer
elektrischen Rückkopplungsschleife.
Der Einsatz des elektrooptischen Phasenmodulators hat den Vorteil,
das der Phasendetektor linearisiert wird (das heißt, die erforderliche
Spannung, um den elektrooptischen Modulator so abzustimmen, daß der Differenzverstärker auf
einer konstanten Spannung gehalten wird, ist direkt zur gemessenen
Phasendifferenz proportional) und der Betriebsbereich auf mindestens 360° ausgedehnt
wird. Wenn das Differenzsignal nahe Null gehalten wird, hat der
optische Phasendetektor weiter den Vorteil, dass er gegenüber Amplitudenänderungen
der optischen Eingangssignale unempfindlich ist. Da die Frequenzantwort
des elektrooptischen Modulators 35 sehr schnell ist, kann
die Phasenmessung außerdem
schnell ausgeführt
werden. Der Phasendetektor ist deshalb für dynamische Messungen geeignet.
In der Praxis kann die Ansprechgeschwindigkeit des optischen Phasendetektors
vom Detektor oder der Rückkopplungselektronik begrenzt
sein.
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In einer alternativen Ausführung kann
der elektrooptische Phasenmodulator die Form einer optischen Faser
haben, auf der eine piezo elektrische Schicht abgeschieden ist, z.
B. ZnO, wobei der äußere Mantel
von der Faser entfernt wurde. Indem eine Spannung über die
ZnO-Schicht auf der Faser angelegt wird, kann eine Phasendrehung
erzeugt werden. Diese Ausführung
kann vorteilhaft sein, da sie Größe, Kosten
und Ankopplungsverluste eines integrierten optischen Phasenschiebers
vermeidet.
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5 zeigt
eine Ausführung
des linearisierten optischen Phasendetektors 30, in der
eine elektronische Rückkopplungsschleife
enthalten ist, die einen Rückkopplungsverstärker 44 und
einen Filter 46 umfasst. Wie in der Figur gezeigt, können der
Kopplungsverstärker 44 und
der Filter 46 separate Komponenten sein, aber der Filter
kann alternativ durch die Eigenschaften des Verstärkers selbst
realisiert sein, der sorgfältig
ausgelegt werden muss, um stabil zu sein. Die Spannung 36,
die an den elektrooptischen Phasenmodulator 35 angelegt
wird, liefert die linearisierte Ausgangsspannung. Der Vorteil dieser
Ausführung
des Phasendetektors ist, dass er die Notwendigkeit eines menschlichen
Bedieners beseitigt und relativ schnell und genau arbeitet. Die 6(a) und 6(b) zeigen experimentelle Ergebnisse,
die mit der in 5 gezeigten
Einrichtung erhalten wurden. Die Messungen wurden direkt mit einem
Digitaloszilloskop vom Typ Tektronix 2430 aufgenommen.
Die durchgezogenen Linien sind die besten Annäherungen an die gemessenen
Punkte. Diese Kennlinie kann mit der nichtlinearen (sinusförmigen)
Antwort in 3 verglichen
werden.
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Der in 5 gezeigte
optische Phasendetektor hat auch den Vorteil gegenüber dem
in 1 gezeigten, dass
er einen erweiterten Betriebsbereich hat. In dem in 1 gezeigten optischen Phasendetektor
ist das Ausgangssignal nichtlinear (sinusförmig), und der größte unzweideutige
Betriebsbereich ist deshalb 180°.
Der optische Phasendetektor hat eine sehr lineare Kennlinie und
der Bereich kann auf mindestens 360° erweitert werden, wie in 6(b) gezeigt ist. Es ist
z. B. besonders wichtig, in Anwendungen wie Vektorvoltmetern oder
Netzwerkanalysatoren einen Betriebsbereich größer als 360° zur Verfügung zu haben, wie im Folgenden
beschrieben wird.
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In 7 ist
ein Schaltplan eines Teiles des optischen Phasendetektors 30 gezeigt.
In einem nichtlinearen optischen Phasendetektor 1 (das
heißt, wie
in 1 gezeigt) sind die
Detektoren 5a und 5b so eingerichtet, dass das
Ausgangssignal aus dem Netzwerk 20 sich in Abhängigkeit
von der relativen Phase zwischen den Eingangssignalen 11 und 12 sinusförmig um
Null ändert.
Folglich wird ein bipolares Signal 20 aus dem Detektor
ausgegeben (wie in 3 gezeigt).
Typischerweise können
die Detektoren 5a und 5b PIN-Bauteile mit umgekehrter
Vorspannung sein, obwohl auch irgendein rauscharmer Detektor verwendet
werden kann. Die kommerziell verfügbaren optischen Detektoren
GAP 60 oder GAP 100 können geeignete Bauteile sein.
Der Wert des Widerstandes R1 (wie in 7 gezeigt)
bestimmt die Verstärkung
und folglich den Spitzenwert der bipolaren Ausgangsspannung. Typischerweise
kann die über
die Detektoren angelegte Spannung (+V, -V) ±9 Volt betragen.
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Wenn die Photodetektoren 5a und 5b nicht ziemlich
identisch sind, kann der Phasendetektor Einrichtungen zur Angleichung
der Empfindlichkeit der Photodetektoren enthalten. Es wurde herausgefunden,
dass die Vorspannung von einem oder beiden Detektoren geändert werden
kann, um eine feine Einstellung der Empfindlichkeit des Photodetektors zu
ermöglichen.
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Der linearisierte Phasendetektor 30 liefert eine
Gleichspannung als Ausgangssignal, die ein Maß für die Phasendifferenz zwischen
den beiden Eingangssignalen ist. Dies kann mit herkömmlichen elektrischen
Phasendetektoren wegen der hohen optischen Frequenzen der Eingangssignale
nicht erreicht werden. Darüber
hinaus hat der optische Phasendetektor Vorteile, weil das Ausgangssignal
als direktes elektrisches Signal auftritt, das ein Maß für die Phasendifferenz
darstellt. Der Detektor kann deshalb in einer hochgenauen Längenmessvorrichtung
zur Messung von Verschiebungen in der Größenordnung weniger Nanometer
verwendet werden. Dies kann in der Lasermesstechnik von besonderem
Nutzen sein. Zum Beispiel liefert das Ausgangssignal aus dem optischen
Phasendetektor ein Maß für die Phasendifferenz
zwischen zwei Eingangssignalen, die von dem selben stabilen Laser
stammen, wobei eines der Eingangssignale von einer verschobenen
Oberfläche oder
einem Objekt reflektiert wird. Der Laser, der das Eingangssignal
erzeugt, kann durch die Laserstabilisierungsvorrichtung nach der
Erfindung stabilisiert sein, die später beschrieben wird.
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Der optische Phasendetektor kann
auch verwendet werden, um zwei unabhängige Laser in ihrer Phase
miteinander zu verrasten, z. B. ein durchstimmbarer Hochleistungslaser
und ein stabiler Laser mit geringer Leistung. Dies wird erreicht,
indem die Laserausgangssignale von zwei verschiedenen Lasern in
den Phasendetektor eingegeben werden (das heißt, als Eingangssignale 3 und 4,
die in den 1 und 4 gezeigt sind) und indem
eine Rückkopplungsschleife
eingesetzt wird, die an den Abstimmpunkt des abstimmbaren Lasers
angeschlossen wird.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften
des optischen Phasendetek tors können
auch in einem Frequenzdiskriminator ausgenutzt werden. Allgemein
gesagt wird in einem Frequenzdiskriminator ein Eingangssignal mit
ideal konstanter Amplitude eingesetzt und eine Ausgangsspannung
proportional zu oder in Abhängigkeit
von dem Betrag erzeugt, um den die eingegebene Frequenz von einer
festgelegten Frequenz abweicht.
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In 8 ist
eine Laserstabilisierungsvorrichtung nach einem Aspekt der Erfindung
gezeigt, der im Folgenden beschrieben wird. Die Teile der Vorrichtung,
die von der gestrichelte Linie eingeschlossen sind, und die generell
mit 60 bezeichnet werden, bilden einen Frequenzdiskriminator, der
einen optischen Phasendetektor 1 (wie in 1 gezeigt) und einen faseroptischen 50/50-Richtkoppler
41 für
den Empfang eines Ausgangssignals 42 von einem Laser 43 umfasst.
Der Diskriminator 60 umfasst auch eine Einrichtung zum
Erzeugen einer relativen Verzögerung
zwischen den beiden Ausgangssignalen 52 und 53 von
dem Koppler 41. Vorzugsweise kann dies mittels zweier verschieden
langer Abschnitte optischer Fasern 50 und 51 erreicht
werden, von denen jede eines der Ausgangssignale 52 und 53 von
dem Koppler 41 empfängt,
wobei eine optische Faser länger
als die andere ist, um eine relative Verzögerung zu erzeugen. In der
Praxis ist es vorteilhaft, wenn einer der Abschnitte von optischen
Fasern sehr kurz ist. Vorzugsweise können der eine oder die mehreren
Abschnitte optischer Faser 50 und 51 aus temperaturstabiler
optischer Faser sein, was der Vorrichtung verbesserte Temperaturstabilität verleiht.
Um die Temperaturstabilität
zu verbessern, kann die Vorrichtung alternativ oder zusätzlich in
einen temperaturstabilen Ofen eingebaut sein. Ein Polarisationsmodulator,
wie etwa ein Faser-Polarisationsmodulator, kann in einen oder beide
Strahlengänge 50 oder 51 eingebaut
sein, wie oben diskutiert wurde.
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Obwohl der elektrooptische Modulator 35 in dem
optischen Phasendetektor nicht in dem Frequenzdiskriminator 60 gezeigt
ist, der einen Teil der Laserstabilisierungsvorrichtung in 8 bildet, ist es klar, dass
der elektrooptische Modulator 35 in andere Anwendungen
des Diskriminators eingebaut werden kann, und hier besonders wichtig
sein kann.
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Die Funktionsweise des Frequenzdiskriminators 60 ist,
das Ausgangssignal eines Lasers 43 durch den ersten Koppler 41 in
zwei im wesentlichen gleiche Ausgangsstrahlen 52 und 53 aufzuspalten, ein
Signal in Bezug auf das andere zu verzögern und dann die optische
Phasendifferenz zwischen den zwei Signalen 52 und 53 zu
messen. Dies kann mit dem oben beschriebenen optischen Phasendetektor durchgeführt werden.
Es kann nicht mit herkömmlichen
elektrischen Phasendetektoren durchgeführt werden, da die betreffenden
optischen Frequenzen viel zu hoch sind.
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Ein Ausgangssignal 53 aus
dem ersten Koppler 41 ist über eine optische Faser 51 mit
einem zweiten faseroptischen 50/50-Koppler 2 verbunden, der einen
Teil des optischen Phasendetektors 1 bildet. Das andere
Ausgangssignal 52 wird durch die längere optische Faser geleitet
(das heißt,
eine Verzögerungsleitung 50),
bevor es in diesen Koppler 2 eingekoppelt wird. Alternativ
kann ein anderes Verzögerungsmedium
verwendet werden, z. B. integrierte optische Verzögerungsleitungen.
Wie oben diskutiert, variieren die Ausgangssignale aus dem zweiten Koppler 2 (der
in den optischen Phasendetektor 1 integriert ist) in ihrer
Höhe in
Abhängigkeit
der relativen Phase der Eingangssignale in den Koppler 2.
Der optische Phasendetektor 1 liefert deshalb eine Gleichspannung
als Ausgangssignal, die von der relativen Phase zwischen den beiden
Eingangssignalen abhängt.
Wenn zum Beispiel die Verzögerungsleitung eine
Verzögerung
von Td Sekunden hat, ändert
sich die Phasenverschiebung um zwei Radian für jede Änderung der Frequenz des Lasereingangssignals um
1/Td. Der Frequenzdiskriminator 60 arbeitet deshalb mit
einer Regelcharakteristik, die sich für jede Frequenzänderung
um 1/Td wiederholt. Wie in 3 gezeigt
ist, ändert
sich die Ausgangsspannung des Diskriminators 20 (das heißt, die
Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 6) sinusförmig mit
der relativen optischen Phase der zwei Eingangssignale.
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Wenn der optische Phasendetektor
dazu eingerichtet ist, um 0V herum zu arbeiten, wird wie oben beschrieben
ein bipolares Ausgangssignal erzeugt. Wenn die Eingangsfrequenz
des ersten Kopplers zeitlich variiert, hat dies eine Änderung
des bipolaren Ausgangssignals zur Folge. Um eine höhere Laserausgangsfrequenz
erhalten, hat das bipolare Ausgangssignal aus dem Diskriminator
eine Polarität, und
um eine geringere Laserausgangsfrequenz zu erhalten, hat das Signal
aus dem Diskriminator die entgegengesetzte Polarität. Die Größe des bipolaren Ausgangssignals
hängt vom
Grad der Phasenverschiebung und folglich der Frequenzverschiebung des
Laser Eingangssignale gab. Typischerweise kann die Spitze-Spitze-Spannung
im Bereich zwischen ±0,1 – 10V liegen.
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Ein Frequenzdiskriminator hat selbst
nützliche
Anwendungen, zum Beispiel, um das Ausgangsspektrum eines Lasers
zu messen. Der elektrische Ausgang des Frequenzdiskriminator 60 kann
verwendet werden, um ein Maß für die optische
Frequenz (oder Wellenlänge)
eines eingegebenen Lasersignals zu liefern, solange die relative
Verzögerung
zwischen den Fasern 50 und 51 erkannt wird und
im wesentlichen stabil ist. Dies liefert eine Messung der Frequenz
(oder Wellenlänge),
die jedoch mehrdeutig ist, da die Phase nur modulo 2 gemessen wird.
Eine weitere Mehrdeutigkeit entsteht aus dem sinusförmigen Verhalten,
das in 3 gezeigt ist,
da der maximale unzweideutige Phasenbereich ist. Dies ist jedoch
eine nützliche
Messung über
einen schmalen Frequenzbereich. Die Länge der Verzögerungsleitung
kann eingestellt werden, um die erforderliche Empfindlichkeit einzustellen.
Idealerweise hält
man die Phasenabweichung innerhalb weniger Grad um Null herum, um
die Linearität
aufrechtzuerhalten. Alternativ und vorzugsweise kann der linearisierte
optische Phasendetektor 30 (wie in 5 gezeigt) in dem Diskriminator 60 eingesetzt
werden, um Linearität
und Arbeitsbereich aufrechtzuerhalten.
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Das bipolare Ausgangssignal des Frequenzdiskriminators
kann auch als Mittel zur Korrektur irgendeiner Phasenabweichung
der Laserausgangstrahlung 42 genutzt werden. In 8 kann dieser Korrekturprozess
mittels einer Laserstabilisierungsvorrichtung (innerhalb der äußeren gestrichelten
Linie, die generell mit 70 bezeichnet wird) erreicht werden.
Die Laserstabilisierungsvorrichtung 70 umfasst den Frequenzdiskriminator 60 und
einen Rückkopplungsschaltkreis.
Die zu stabilisierende Ausgangsstrahlung des Lasers 42 wird
von dem Koppler 41 in zwei Signale von vorzugsweise gleicher
Amplitude aufgeteilt. Vorzugsweise wird die Ausgangsstrahlung 42 des
Lasers 43 durch einen optischen Isolator 62 geleitet,
um Störeffekte
durch irgendwelches Licht zu verhindern, das in den Laser 43 zurückreflektiert wird.
Das Ausgangssignal 20 aus dem Diskriminator 60 wird
dann über
den Rückkopplungsschaltkreis
zu dem Laser 43 zurückgekoppelt,
um dessen Frequenz zu verändern.
Für die
Laserstabilisierungsvorrichtung 70 ist es wichtig, dass
das Ausgangssignal des Diskriminators 20 ein bipolares
Ausgangssignal ist, sodass eine Frequenzverschiebung in jeder Richtung korrigiert
werden kann, um das Laserausgangssignal 42 zu stabilisieren.
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Der Rückkopplungsschaltkreis umfasst
einen Regelschleifenverstärker 72 und
einen Filter in der Regelschleife 74. Das Ausgangssignal 20 aus dem
Diskriminator 60 wird von dem Regelschleifenverstärker 72 verstärkt und
dann durch den Filter in der Regelschleife 74 geleitet,
um ein Fehlersignal zu erzeugen. Dieses Fehlersignal kann dann zur
Frequenzregelung des Lasers 43 verwendet werden. Ein Fehlersignal
mit dem korrekten Vorzeichen wird an den Frequenzregelpunkt angelegt,
um Fluktuationen in der Frequenz zu reduzieren und folglich das
Spektrum des Phasenrauschens zu verbessern. Das „stabilisierte" Ausgangssignal 76 des
Lasers kann aus der Vorrichtung mit einem zusätzlichen Koppler 78 entnommen
werden, der in dem Strahlengang vor dem Diskriminator 60 angeordnet
ist.
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Im Falle eines Halbleiterlasers,
wie etwa einem Diodenlaser, kann die Rückkopplung durch Änderung
des Laserstroms erreicht werden, da sich die Laserfrequenz mit dem
Strom ändert,
wobei der dominante Mechanismus die Änderung des Brechungsindex
wegen Änderungen
des effektiven Brechungsindex mit der Strominjektion ist. Alternativ
ist es möglich,
in einen Laserresonator einen Abschnitt mit umgekehrter Vorspannung
einzubauen, sodass dieser kein Licht absorbiert, sondern den Brechungsindex mit
einer angelegten Spannung ändert,
die aus dem Ausgangssignal des Diskriminators abgeleitet ist.
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Die Funktion der Laserstabilisierungsvorrichtung
ist es, das Ausgangssignal des Differenzverstärkers im wesentlichen auf Null
zu reduzieren, und die Laserfrequenz folglich auf einem der stabilen
Betriebspunkte des Frequenzdiskriminators zu halten. Der Laser verrastet
schließlich
mit dem nächsten
stabilen Betriebspunkt, und wenn einmal Verrastung erreicht ist,
behält
das System die Regelung der Laserfrequenz bei dieser speziellen
Frequenz bei. Das System kann deshalb verwendet werden, um die spektrale,
Stabilität
des Lasers zu verbessern.
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Mit einem an eine Faser gekoppelten,
diodengepumpten, nichtplanaren Festkörperringlaser vom Typ Lightwave
Electronics Series 123, der von einem Laser vom Typ Series 2000 LNC
Laser und einem Verrastungszubehör
(Locking Accessory LOLA) geregelt wurde, wurden Messergebnisse erzielt.
Der Laser hat einen Frequenzsteuereingang mit einem Abstimmbereich
von über
30 MHz und eine Bandbreite von 100 kHz für kleine Modulationsindizes
und hat eine angegebene Linienbreite von 5 kHz. 9a zeigt das Niederfrequenzspektrum,
das am Ausgang des Diskriminators gemessen wurde, und zeigt das Phasenrauschen
(dBc/Hz) als eine Funktion der Offsetfrequenz unter freilaufenden
Bedingungen (o) (das heißt,
direkte Messung des Laserausgangssignals) im Vergleich zu den Messungen
des Phasenrauschens, die man mit der Laserstabilisierungsvorrichtung 70 erhält. Die
Messungen zeigen eine deutliche Verbesserung in der Leistung des
geschlossenen Phasenrauschens für
einen Laser, für
den bereits eine Bandbreite von ungefähr 5 kHz (d. h. spektrale Reinheit)
angegeben wird. In diesen Messungen war die Differenzialverzögerung 1
s. Weiter ist 9b ein ähnliches
Spektrum, das für
einen E-Tek DFB Laser erhalten wurde, welches das Phasenrauschen
(dBc/Hz) als eine Funktion der Offsetfrequenz unter frei laufenden
Bedingungen (d. h. offener Regelkreis, direkte Messung des Laserausgangs)
zu Phasenrauschenmessungen, die unter Verwendung der Laserstabilisierungsvorrichtung 70 erhalten
wurden, vergleicht. Bei diesen Messungen betrug die differenzielle
Verzögerung
5 ns.
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Da Laser mit hoher spektraler Reinheit
tendenziell relativ teuer sind, ermöglicht das System, weniger
teure und spektral weniger reine Laser relativ billig und einfach
zu verbessern. Die Verbesserung von kostengünstigen Halbleiterlasern kann durch
die Verwendung dieses Systems deshalb auch erreicht werden.
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Die gebräuchlichsten, billigsten und
am meisten verwendeten Laser sind Laserdioden, die aber besonders
schlechte spektrale Stabilität
haben, insbesondere im Falle von Ausführungen mit Fabry-Perot-Etalon. Die Laserstabilisierungsvorrichtung kann
deshalb zur Verbesserung der spektralen Stabilität dieser Bauteile als auch
für DFB-Laser nützlich sein.
Sie kann auch verwendet werden, um stabile Laser zu verbessern,
was zum Beispiel bei hochauflösender
Spektroskopie und bei Frequenznormalen sehr nützlich ist. Insbesondere wird
der Grad an Verbesserung des Phasenrauschens, der erreicht werden
kann, von der Wahl der Verzögerungszeit
vorgegeben. Typischerweise kann die Verzögerungsleitung eine relative
Verzögerung
bis zu 10 s zwischen den Ausgangssignalen aus dem ersten Koppler
in Abhängigkeit
des Arbeitsbereiches und der erforderlichen Empfindlichkeit erzeugen,
die erforderlich ist, um den geforderten Grad an spektraler Verbesserung
zu erreichen. Die Verzögerungszeit
muss auch so gewählt
werden, dass die Leerlaufverstärkung
des Diskriminators bei Frequenzen, die sich dem reziproken Wert
der Verzögerungszeit
nähern,
auf deutlich unter 1 verringert wird. Zum Beispiel für eine Verzögerungsleitung
von 1 s sollte die Leerlaufverstärkung des
Diskriminators für
Eingangsfrequenz in von ungefähr
1 MHz deutlich unter 1 liegen. Wenn Laser, wie etwa Diodenlaser,
bei höheren
Offsetfrequenzen einen hohen Rauschpegel haben, muss eine breitbandige
Rückkopplung
(und kurze Verzögerung)
verwendet werden. Für
Laser mit geringerer Leistung sind folglich viel höhere Rückkopplungsbandbreiten erforderlich.
Eine geringere Diskriminatorverstärkung kann durch Steigerung
der Verstärkung
des Regelschleifenverstärker
kompensiert werden. Johnson-Rauschen aus dem Verstärker ist
wahrscheinlich der begrenzende Faktor bei dieser Steigerung der Verstärkung.
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Gewöhnlich haben Laserdioden zwei
Ausgänge,
einen von jeder Facette, oder jedem Spiegel, wobei der zweite Ausgang
normalerweise zur Überwachung
des Leistungspegels verwendet wird. Es kann jedoch möglich sein,
das zweite Ausgangssignal als Eingangssignal für einen der beiden optischen Detektoren
zu verwenden, was folglich die Notwendigkeit des ersten Kopplers
aufhebt. Diese Ausführung
kann jedoch nur verwendet werden, wenn die zwei Ausgänge des
Lasers stark korreliert sind.
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In einer alternativen Ausführung der
Erfindung kann die Laserstabilisierungsvorrichtung parallel zwei
oder mehr Rückkopplungsschleifen
enthalten. Zum Beispiel kann ein zweites Ausgangssignal vor dem
Laser 43 oder ein Signal durch Aufteilen aus dem Ausgangssignal 42 entnommen
und durch eine zweite Rückkopplungsschleife
mit einer Bandbreite, die von der der ersten Rückkopplungsschleife verschieden
ist, geschickt werden. Jede Rückkopplungsschleife
kann dann für
die Rückkopplung
und Regelung des Lasereingangssignals verwendet werden. Zum Beispiel
können
verschiedene Rückkopplungssignale
von jeder Schleife dazu verwendet werden, separate Temperatur- und
Frequenzregelungspunkte in dem Laser zu regeln, oder sie können überlagert
und in den selben Regelpunkt in dem Laser zurückgekoppelt werden. Alternativ
kann das Ausgangssignal aus dem Diskriminator 60 aufgeteilt
werden, wobei eines der aufgeteilten Signale zu dem Laser 43 über eine
Anordnung mit einem Regelschleifenverstärker und einem Filter im Regelkreis
zurückgekoppelt
wird, und das andere Signal an einen anderen Regelanschluss an dem
Laser über
einen zweiten Regelschleifenverstärker und einen zweiten Filter
im Regelkreis zurückgekoppelt
wird.
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Die Laserstabilisierungsvorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung hat Vorteile, da es ein fasergebundenes
System und deshalb weniger empfindlich gegenüber externen Faktoren wie etwa
Vibrationen, Temperaturänderungen
und Staub als ein System im freien Raum ist. Dies gilt insbesondere,
wenn temperaturstabile optische Fasern verwendet werden, wie oben
diskutiert wurde. Die Vorrichtung kann auch einen höheren effektiven
Q-Wert haben im Vergleich zu dem, der mit der bekannten Einrichtung
erreicht werden kann, wobei der Q-Wert von der Faserlänge und
deshalb indirekt von der ursprünglichen Laserstabilität abhängt. Darüber hinaus
kann die Länge
der faseroptischen Verzögerungsleitung
und folglich die relative Verzögerung
ausgewählt
werden, um Empfindlichkeit und Arbeitsbereich in Abhängigkeit
der geforderten spektralen Verbesserung zu variieren. Die Vorrichtung
kann insbesondere zur Stabilisierung des Ausgangssignals von Laserdioden
und anderen Laserarten nützlich
sein, zum Beispiel, um zu ermöglichen,
dass sie effektiver in faseroptischen Kommunikationssystemen eingesetzt
werden.
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Mit Bezug auf 10 ist es manchmal wünschenswert, einen Laser in
seiner Frequenz zu modulieren, das heißt, Informationen zu übertragen, oder
die Frequenz des stabilisierten Lasers langsam durchzu stimmen. Dies
kann durchgeführt
werden, indem ein elektrooptischer Phasenmodulator 80 oder eine
Differenzverstärkeranordnung 82,83 eingebaut wird,
wie im Folgenden beschrieben wird. Zum Beispiel kann ein elektrooptischer
Phasenmodulator 80 in der Laserstabilisierungsvorrichtung 70 enthalten sein,
beispielsweise in jeder der Verzögerungsleitungen 50 und 51 (Verzögerungsleitung 50 in 10). Alternativ kann der
elektrooptische Phasenmodulator 80 einen Teil des optischen
Phasendetektors selbst bilden, wie oben beschrieben wurde. Im Betrieb
kann die Laserfrequenz moduliert werden, indem der Laser 43 zuerst
stabilisiert wird, sodass das Ausgangssignal von dem Differenzverstärker 6 des
optischen Phasendetektors 1 bei zum Beispiel Null Volt
gehalten wird, und indem dann ein geeigneter Spannungsverlaufs an
den elektrooptischen Phasenmodulator 80 angelegt wird.
Die Linearität
der Phasenverschiebung in dem elektrooptischen Phasenmodulator stellt ein
hochgenau frequenzmoduliertes Ausgangssignal sicher.
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Eine Anwendung dieser Methode kann
es sein, die Frequenz des Lasereingangssignals langsam durch eine
Atomabsorptionslinie durchzustimmen, um eine genaue Messung der
Linienform durchzuführen.
Dies kann wegen der spektralen Stabilität des Lasers bei der Messung
sehr schmaler Linien besonders nützlich
sein.
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Die Vorrichtung in 10 kann auch dazu verwendet werden, das
stabilisierte Laserausgangssignal 76 in einen stabilisierten
optischen Frequenzgenerator umzuwandeln. In dieser Anwendung kann der
Spannungsverlauf, der an den Phasenmodulator 80 angelegt
wird, die Form eines „SÄGEZAHN"-Spannungverlaufs
haben, bei dem die Phase langsam und linear über 360° durchgestimmt und dann schnell
um 360 Grad zurückgeschaltet
wird. Andere Spannungs verläufe
können
für diese
Anwendung jedoch auch verwendet werden. Geeignete Spannungsverläufe umfassen
die, die langsam mit der Zeit ansteigen und dann schnell auf den
Anfangsspannungspegel abfallen. Der ansteigende Pegel muss sich
deshalb nicht linear mit der Zeit ändern, wie es bei einem „SÄGEZAHN"-Verlauf der Fall
ist. Zum Zwecke der Begriffsfestlegung werden alle Signalverläufe mit
einem langsamen Anstieg des Spannungspegels mit der Zeit, der von
einem schnellen Zurückschalten über 360° (in Gegenrichtung)
gefolgt ist, als SÄGEZAHN-ähnlicher
Verlauf bezeichnet. Solche Verläufe
schließen
Verläufe
ein, bei denen der langsame Anstieg des Spannungspegels in schrittweiser
Form vorliegt. Der Verlauf der SÄGE-ZAHN-Spannung kann
linear über
360° durchgestimmt
werden oder nicht. Typischerweise ist der Zeitbereich, innerhalb
dessen der Verlauf um 360° zurückgeschaltet
wird, in der Größenordnung
von Nanosekunden.
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11(a) zeigt
ein Beispiel eines SÄGEZAHN-Spannungsverlaufs
(als eine Funktion der Zeit), die zu diesem Zwecke an einen elektrooptischen
Phasenmodulator 80 angelegt werden kann, und 11(b) zeigt die entsprechende
Phasenänderung
des Modulators 80 über
die Zeit. Während
des Schaltvorgangs folgt die Laserfrequenz zuerst der langsamen Änderung
des Spannungsverlaufs (das heißt,
dem Puls des Modulators), folgt aber nicht der schnellen Phasenverringerung
von 360°,
weil der Filter in der Rückkopplungsschleife
(das heißt,
72, 74) nicht mit dieser Geschwindigkeit reagiert. Mit anderen Worten
hat das Schalten um 360° keinen
Nettoeffekt, weil der Laser und die Rückkopplungsschleife nicht in
der Lage sind, auf eine schnelle Änderung zu reagieren. Außerdem wird
das Ausgangssignal des optischen Phasendetektors 1 von
der Änderung
der Phase um 360° nicht
beeinflusst, da seine Kennlinie mit 360° periodisch ist (wie in 3 gezeigt). Das Ausgangssignal
des Lasers 76 bleibt deshalb auf der neuen Frequenz. Dieser
Prozess kann viele Male wiederholt werden, um den vollen Abstimmbereich des
Lasers abzudecken. Eine Frequenzänderung
in Gegenrichtung kann erreicht werden, indem die Flanke des Spannungsverlaufes
umgekehrt wird.
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Mit der in 10 gezeigten Vorrichtung kann das stabilisierte
Lasersignal 76 auf jede geforderte Frequenz geregelt werden,
indem eine geeignete Spannung 86 an den Phasenmodulator 80 angelegt wird.
Unter manchen Umständen
ist dies nützlich,
z. B. ermöglicht
es, dass das Ansprechverhalten in einem kleinen Frequenzbereich
mit kontinuierlichem linearen Durchstimmen statt mit einer Reihe
von Frequenzintervallen zu messen.
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Als Alternative zu einem elektrooptischen Phasenmodulator
kann ein Differenzverstärker
in die Rückkopplungsschleife
integriert werden, um eine ähnliche
Funktion der Laserabstimmung zur Verfügung zu stellen. Mit Bezug
auf 10 kann zum Beispiel
ein Differenzverstärker 82 bei
X in den Signalpfad integriert sein. Alternativ kann der Differenzverstärker einen
Teil des Regelschleifenverstärkers 72 selbst
bilden, oder er kann in den Strahlengang vor dem Regelschleifenverstärker 72 eingesetzt
werden. In jeder von diesen Anordnungen kann der Eingang 83 des
Differenzverstärkers 82 auf
einen konstanten Wert, z. B. 1 V, gesetzt werden, statt dass das
Ausgangssignal 20 aus dem Diskriminator 60 auf
0 V gehalten wird. Der Differenzverstärker 82 in der Rückkopplungsschleife
misst die Differenz zwischen 1 V und der Ausgangsspannung aus dem
Diskriminator 60, nachdem sie durch den Regelschleifenverstärker und
den Filter 74 in der Rückkopplungsschleife
weitergegeben wurde. Das Differenz-Ausgangssignal 84 wird
dann zurückgekoppelt,
um die eingegebene Laser strahlung aus dem Laser 43 zu regeln,
dessen Frequenz sich ändert,
damit sich die Ausgangsspannung des Filters in der Rückkopplungsschleife 1V annähert. Dies
ermöglicht
auch die Fähigkeit
zur Frequenzmodulation. Dadurch kann der Laser in seiner Frequenz
durchgestimmt werden, was es zum Beispiel ermöglicht, die Breite und die
Form schmaler Spektrallinien zu messen.
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Wenn der Differenzverstärker einen
Teil des Regelschleifenverstärkers 72 selbst
bildet oder in dem Strahlengang vor dem Regelschleifenverstärker 72 angeordnet
ist, ist es klar, dass die Betriebseigenschaften von einer Anordnung
verschieden sind, in der der Differenzverstärker bei X angeordnet ist,
da sich der Verstärker
jeweils auf der anderen Seite des Filters befindet. Die Verwendung
des Differenzverstärkers 82 statt
dem elektrooptischen Phasenmodulator 80 ist eine kostengünstigere
Herangehensweise und kann durch die Verwendung eines linearisierten optischen
Phasendetektors (wie in 5 gezeigt) statt
einem optischen Phasendetektor mit nichtlinearer Kennlinie (wie
in den 1, 8 und 10 gezeigt ist) verbessert werden. Die
Verwendung des elektrooptischen Phasenmodulators 80 ist
jedoch die bevorzugte Herangehensweise, und diese Variante ist im
Labor gebaut und geprüft
worden.
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12 zeigt
die Ergebnisse, die mit dem optischen Frequenzgenerator erhalten
wurden, der in 10 einschließlich dem
elektrooptischen Modulator 80 gezeigt ist. Die Figur umfasst
acht Spektren, die mit einem elektrischen Spektralanalysator gemessen
wurden, indem das Ausgangssignal des optischen Frequenzgenerators
bei 76 mit einem Ausgangssignal mit stabiler fester Laserfrequenz
gemischt wurde. Bei dieser Demonstration ist die differenzielle
Verzögerung
im Diskriminator 1 Mikrosekunde, sodass die nachfolgenden Laser fequenzen um
1 MHz abweichen. Um jedoch einen verständlichen Messschrieb zu erzeugen,
wurden die Spektren alle zehn „Zyklen" des Phasenmodulators
aufgenommen (das heißt,
alle zehn Zyklen von SÄGEZAHN-Verläufen und
damit in Intervallen von 10 MHz). Die in 12 gezeigten Maßstäbe des Messschriebs sind das
Phasenrauschen in einzelnen Seitenbändern in dBc/Hz mit 10 dB/Kästchen (vertikal) und
10 MHz/Kästchen
(horizontal).
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Obwohl 12 jedes
zehnte Element aus einem „Kamm" aus Frequenzen im
Abstand von 1 MHz zeigt, es verständlich, dass der Frequenzgenerator auf
eine Frequenz zwischen nebeneinanderliegenden Kammfrequenzen abgestimmt
werden kann, indem die geeignete Spannung an den Modulator 80 angelegt
wird. Zum Beispiel können
16 Schritte mit einem Rechnerprozessor und einem 4-Bit Digital-Analog-Wandler
(DAC, digital to analogue converter) vorgesehen werden, wobei der
DAC digitale Steuersignale von dem Rechnerprozessor in eine Analogspannung
wandelt, die an den elektrooptischen Phasenmodulator 80 angelegt
wird. Dies erzeugt Phasenschritte von 22,5°, wobei der 16. Schritt 360° entspricht,
was einem 1 MHz-Schritt in 12 entspricht.
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Der optische Frequenzgenerator kann
auch in Kombination mit einem Beugungselement eingesetzt werden,
wie etwa einer Fresnel-Zonenplattenlinse
oder einem Beugungsgitter, um eine programmierbare Funktion zur
Verfügung
zu stellen. Das Ausgangssignal aus dem optischen Frequenzgenerator kann
zum Beispiel verwendet werden, um eine phasendrehende Zonenplattenlinse
zu beleuchten, deren Brennpunkt von der Wellenlänge abhängt. Durch Veränderung
der Spannung, die an den elektrooptischen Phasenmodulator 80 angelegt
wird, der einen Teil des optischen Frequenzgenerators bildet, kann die
Wellenlänge
des Ausgangssignal aus dem Frequenzgenerator verändert werden, und folglich
kann der Brennpunkt der Linse verändert werden. Dies kann beispielsweise
genutzt werden, um auf verschiedene Schichten auf einem optischen
Speicher wie etwa einer Compact Disc zuzugreifen. Alternativ kann
der optische Frequenzgenerator zur Beleuchtung eines Beugungsgitters
verwendet werden, um das Ausgangssignal des Lasers zu steuern. Dies kann
beispielsweise als Einrichtung für
den Zugriff auf ein Hologramm genutzt werden.
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13 zeigt,
wie der linearisierte optische Phasendetektor 30 (wie in 4 gezeigt) in Sensoranwendungen
verwendet werden kann, wo die Messgröße die Eigenschaften der optischen
Faser 50 (oder 51) ändert.
Der Sensor kann zum Beispiel verwendet werden, um irgendeine der
Größen Temperatur,
Druck, Dehnung, Verschiebung, Vibrationen, Magnetfelder oder Gradienten
von Magnetfeldern, elektrischen Strom, elektrisches Feld, elektrische
Spannung, Arten chemischer Substanzen, biologische Parameter, medizinische
Parameter oder Übertragungseigenschaften
zu messen. Wenn zum Beispiel mit Bezug auf 13 das Ausgangssignal aus dem Differenzverstärker 6 auf
0 V gesetzt wird, indem die Spannung 36 verändert wird,
die an den elektrooptischen Phasenmodulator 35 angelegt
ist, dann erzeugt jede Änderung
der Temperatur (oder einer anderen Messgröße) der faseroptischen Verzögerungsleitung 50 eine
Phasenänderung,
folglich ändert
sich das Ausgangssignal aus dem Phasendetektor. Der Betrag, um den
sich die Spannung 36 an dem elektrooptischen Modulator 35 ändert, um
das Ausgangssignal 20 des Differenzverstärkers 6 auf
Null zu halten (oder sehr nahe an Null), liefert eine Anzeige der Temperaturänderungen
(oder einer anderen Messgröße). Das
Ausgangssignal einer solchen Messung ist typischerweise sehr linear.
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Obwohl es vorteilhaft sein kann,
temperaturstabile optische Fasern überall im Sensor zu verwenden,
ist der Einsatz von temperaturstabilen optischen Fasern für die Verzögerungsleitung 50 bei
der Verwendung in Temperatursensoren nicht geeignet. In solchen
Einrichtungen sollte stabilisierte Laserstrahlung aus dem Laser 43 als
Eingangssignal verwendet werden. Eine stabilisierte Eingangslaserstrahlung kann
mit der Laserstabilisierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
erzeugt werden, wie oben beschrieben wurde.
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In Sensoranwendungen können die
zwei optischen Fasern 50 und 51 im Unterschied zur Anwendung
als Frequenzdiskriminator im wesentlichen die gleiche Verzögerung statt
einer relativen Verzögerung
dazwischen haben. Unter manchen Umständen kann dies vorteilhaft
sein. Wenn man zum Beispiel den Druck auf die Faser 50 misst,
wird jede Temperaturänderung
auf beide Fasern 50 und 51 gleich wirken und sich
deshalb aufheben, wenn die Verzögerungen
gleich sind. Ähnlich
kann das System einen weniger stabilen Laser verwenden. Es ist auch
möglich,
den Sensor als eine Anordnung im freien Raum statt als eine fasergebundene
Vorrichtung auszuführen,
wie unten beschrieben wird.
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Der optische Frequenzgenerator nach
der vorliegenden Erfindung kann auch in einer verbesserten Ausführung eines
verteilten faseroptischen Sensors eingesetzt werden. Herkömmliche
faseroptische Sensoren verwenden eine Reihe von Bragg-Gittern, die
entlang dem Abschnitt der optischen Faser verteilt sind. Die einzelnen
Gitter können dann
mit einem abstimmbaren Laser abgefragt werden, der auf Frequenzen
nahe den Bragg-Frequenzen eingestellt ist. Durch den Einsatz des
optischen Frequenzgenerators nach der vorliegenden Erfindung in
einer verteilten faseroptischen Sensoranordnung erzielt man auf
Grund der verbesserten Laserstabilität Vorteile und zusätzlich,
weil die Laserfrequenz mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann.
Folglich ist es möglich,
einen solchen Sensor mit einer erhöhten Anzahl von Bragg-Gittern
auszuführen,
was ermöglicht,
dass eine höhere
Anzahl von Abfragepunkten genutzt wird. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Feinabstimmbarkeit
ist, dass sie ermöglicht, die
gesamte Verzerrung eines Gitters in schmalen Frequenzintervallen
zu erfassen. Beispielsweise steigt die Bandbreite der Reflexionen
von einem periodischen Gitter, wenn die verschiedenen Strahlengänge auf
verschiedene Weise von der Messgröße beeinflusst werden.
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Mit Bezug auf 14 kann der linearisierte optische Phasendetektor
(wie in 5 gezeigt) auch in
einem optischen Vektorvoltmeter 90 eingesetzt werden, das
bei optischen Frequenzen arbeitet. Das optische Vektorvoltmeter
umfasst einen linearisierten optischen Phasendetektor 30 (von
der gestrichelte Linie umschlossen), der einen Betriebsbereich von mindestens
360° hat.
Die Funktion des Vektorvoltmeter ist es, zwei Eingangssignale 92 und 94 aufzunehmen
und zwei Ausgangssignale zu erzeugen, von denen eines (Ausgangssignal 100)
die absolute Amplitude des unbekannten Eingangssignals und das andere
(Ausgangssignal 102) die Phase des unbekannten Eingangssignals 92 in
Bezug zu dem am Referenzeingang 94 darstellt. Das unbekannte
Eingangssignal 92 wird aufgeteilt, und ein Teil wird auf
einen Detektor 96 gegeben, um das Amplitudenausgangssignal 100 zu
erzeugen. Typischerweise ändert
sich der Detektorstrom linear mit der optischen Intensität, aus der
die Amplitude leicht abgeleitet werden kann. Der zweite Teil 93 des
aufgeteilten Eingangssignals wird zusammen mit dem Referenzeingangssignal 94 an
den linearisierten optischen Phasendetektor 30 angelegt.
Das Ausgangs signal aus dem Differenzverstärker 6 wird zu dem
elektrooptischen Phasenmodulator 35 über einen Rückkopplungsverstärkter 44 und einen
Filter 46 zurückgekoppelt.
Die an den elektrooptischen Phasenmodulator 35 angelegten
Spannung wird über
die Rückkopplungsschleife
eingestellt, um den Differenzverstärker 6 auf einem konstanten
Wert sehr nahe bei Null zu halten. Die Eingangsspannung des elektrooptischen
Phasenmodulators liefert das Phasenausgangssignal 102.
Dieses liefert ein direktes lineares Maß für die relative Phase zwischen
dem unbekannten Eingangssignal 92 und dem Referenzeingangssignal 94.
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15 zeigt
ein schematisches Diagramm, das darstellt, wie das optische Vektorvoltmeter 90, das
in 14 gezeigt ist, und
die in 10 gezeigte Vorrichtung
in einem optischen Netzwerkanalysator zur Messung der Übertragung
in einem zu prüfenden System
(das heißt,
einer optischen Faser mit unbekannten Eigenschaften) eingesetzt
werden können. Der
optische Netzwerkanalysator ist dem optischen Vektorvoltmeter ähnlich,
außer,
dass er eine erzeugte Frequenz bereitstellt, die in das zu prüfende System 110 eingegeben
wird, und dass er typischerweise die von dem System 110 übertragene
Amplitude und Phase bei einer Reihe von Frequenzen messen kann,
da der optische Frequenzgenerator 108 in der Frequenz schrittweise
verändert
und/oder durchgestimmt wird. Wie in dem optischen Vektorvoltmeter weist
der linearisierte optische Phasendetektor einen Betriebsbereich
von mindestens 360° auf.
Der optische Netzwerkanalysator nach der vorliegenden Erfindung
ist nicht darauf beschränkt,
einen optischen Frequenzgenerator wie hier beschrieben zu enthalten,
und kann irgendeine optische Frequenzgeneratorvorrichtung enthalten.
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Bezugnehmend auf 15 umfasst der optische Netzwerkanalysator
einen optischen Frequenzgenerator 108, dessen Ausgangssignal
aufgeteilt wird. Die Arbeitsweise des optischen Frequenzgenerators
ist oben mit Bezug auf 10 beschrieben. Das
stabilisierte Laserausgangssignal 76, das in 10 gezeigt ist, liefert
das Ausgangssignal des optischen Frequenzgenerators, das aufgeteilt
wird. Ein Teil des aufgeteilten Signals 76a wird an das
zu prüfende
System 110 übertragen
und wird an ein optisches Vektorvoltmeter (Eingang SYS) wie oben
beschrieben übertragen
(92) (das heißt,
das Eingangssignal 92 in 14 wird
an das optische Vektorvoltmeter 90 übertragen). Der andere Teil
des aufgeteilten Signals 76b wird in den Referenzanschluss
(Eingang REF) des optischen Vektorvoltmeters 90 eingegeben
(das heißt,
das Referenzsignal 94 in 14). Die
Ausgangssignale 101 und 102 aus dem optischen
Vektorvoltmeter 90 bilden die Ausgänge des Netzwerkanalysators.
Typischerweise können
Messungen über
einen Bereich von optischen Frequenzen durchgeführt werden (durch Durchstimmen und/oder
schrittweise Veränderung
des optischen Frequenzgenerators, wie oben beschrieben wurde). Andere
Eigenschaften, wie etwa Gruppenverzögerung, können mit Hilfe der Phasen-
und Frequenzmessungen digital berechnet werden. Die Ergebnisse können auf
einem Bildschirm (VDU, Video Display Unit) oder in digitaler Form
angezeigt werden.
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Eine Vielzahl anderer Messungen ist
ebenfalls möglich.
Zum Beispiel können
die Amplituden- und Phasensignale, die von einem zu prüfenden System 110 reflektiert
werden, mit einem optischen Netzwerkanalysator, der in 16 gezeigt ist, gemessen werden,
der im wesentlichen eine Neuanordnung des in 15 gezeigten optischen Netzwerkanalysators ist.
In dieser Ausführung
wird das Eingangssignal 76 (über einen Richtkoppler 112)
an das zu prüfende System
110 übertragen
und liefert ein Referenzsignal (REF) an das optische Vektorvoltmeter 90.
In dieser Ausführung
liefert das Signal 114, das von dem System 110 zurückreflektiert
wird, jedoch über
den Koppler 112 das andere Eingangssignal für das optische Vektorvoltmeter 90.
In der Praxis ist das System auch von einer Last T abgeschlossen.
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Es kann vorteilhaft sein, überall in
den Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung temperaturstabile
Fasern einzusetzen (das heißt,
in das Laserstabilisierungssystem, den optischen Frequenzgenerator,
den optischen Netzwerkanalysator, den optischen Phasendetektor oder
in Sensoranwendungen), sowohl für
optische Verbindungsfasern, die überall
in den Vorrichtungen verwendet werden, als auch für eine oder
mehrere Verzögerungsleitungen 50 und 51.
Temperaturstabile Fasern sind kommerziell verfügbar. Die Verwendung von temperaturstabilen
Fasern ermöglicht,
die Frequenz des Laserausgangssignals in höherem Maße zu stabilisieren, da Änderungen
in der Umgebungstemperatur einen verringerten Effekt auf die optischen
Verzögerungsstrahlengänge haben.
Alternativ können
die Fasern in einer temperaturgeregelten Umgebung angeordnet sein,
oder die Abschnitte des optischen Strahlengangs können einen
temperaturabhängigen
Strahlengang in Reihe zu den Fasern enthalten, um eine konstante
Verzögerungszeit
beizubehalten. Alternativ, oder zusätzlich für zusätzliche Stabilität, können die
Fasern in einem temperaturstabilen Ofen betrieben werden. Polarisationerhaltende
optische Fasern, temperaturstabile Einmoden-Fasern oder temperaturstabile
polarisationerhaltende optische Fasern können auch verwendet werden.
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Obwohl die meisten optischen Messungen der
hier beschriebenen Art unverändert
mit Faseroptiken ausgeführt
werden, dem Medium, das bei der faseroptischen Übertragung verwendet wird,
gibt es einige Umstände,
unter denen Anwendungen der beschriebenen Art mit optischen Bauteilen
im freien Raum ausgeführt
werden können.
Die Vorrichtung, die in verschiedenen Aspekten der vorliegenden
Erfindung gezeigt ist, kann auf diese Weise ausgeführt werden.
Beispielsweise kann in Anwendungen als Gassensor das Vorhandensein
einer Gasart in der Luft durch die Dispersion erfasst werden, die
einer Absorptionslinie zugeordnet ist, da die Dispersion eine tatsächliche
Phasenverschiebung verursacht. Mit Bezug auf 17(a) wird die in 13 gezeigte Vorrichtung alternativ ausgeführt, indem
Laserstrahlen im freien Raum (im Gegensatz zu fasergebundener Strahlführung) eingesetzt
werden, indem die Strahlung mit Linsen kollimiert und wieder fokussiert wird.
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Der in 17 gezeigte
Sensor umfasst einen Koppler oder einen Strahlteiler am Eingang,,
für zum
Empfangen eines Laserstrahls 76 und zum Liefern zweier
Ausgangsstrahlen, Linsen 180 und 182, um die Kollimation
des Strahls durchzuführen
und Linsen 190 und 192, um die Strahlen wieder in die Eingangsstrahlengänge 3 und 4 des
Phasendetektors, der in 5 gezeigt
ist, zu fokussieren. Wie oben diskutiert können in dieser Anwendung die
zwei Strahlengänge
im freien Raum 194 und 196 (entsprechend den Fasern 50 und 51 in
der 13) im wesentlichen
gleiche Länge
haben, wobei einer reine Luft enthält (Strahlengang 196)
und einer mit Gas kontaminiert ist (Strahlengang 194).
typischerweise können
die Strahlengänge 194 und 196 in
hohlen Röhren
verlaufen.
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In einer alternativen Ausführung mit
Bezug auf 10 kann der
optische Phasendetektor, der einen Teil des Diskriminators in der
Laserstabilisierungsvorrichtung bildet, einen zweiten elektroopti scheu
Phasenmodulator in dem Strahlengang des Eingangssignals enthalten.
In diesem Fall kann eine Gleichspannung an den ersten elektrooptischen
Phasenmodulator 35 angelegt werden, um die Laserfrequenz
einzustellen, und eine Spannung mit Radiofrequenz kann an den zweiten
elektrooptischen Phasenmodulator angelegt werden. Dies liefert eine
vorteilhafte Art, die Laserfrequenz mit Radiofrequenzen zu modulieren.
Ein anderer Nutzen kann erreicht werden, indem ein zweiter elektrooptischer
Phasenmodulator in die Vorrichtung integriert wird. Der optische Phasendetektor
in den 4 und 5 kann auch einen zweiten
elektrooptischen Phasenmodulator in dem Strahlengang des Eingangssignals 4 enthalten.
Auf diese Weise kann der „abstimmbare" Bereich erweitert
und sogar verdoppelt werden, indem die elektrooptischen Phasenmodulatoren
so angeordnet werden, dass sie beide zu dem abstimmbaren Bereich beitragen.
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Es ist klar, dass es zum Zwecke dieser
Spezifikation nicht beabsichtigt ist, den Begriff „optisch" auf sichtbare Wellenlängen zu
begrenzen, und er schließt
zum Beispiel infrarote Wellenlängen
und ultraviolette Wellenlängen
mit ein.