DE60207477T2

DE60207477T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Spektralanalyse mit Detektion mit angepasstem Filter

Info

Publication number: DE60207477T2
Application number: DE60207477T
Authority: DE
Inventors: Bogdan Sunnyvale Szafraniec; Douglas M. Los Altos Baney
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: JP2003028723A; US6486958B1; DE60207477D1; US20030011777A1; EP1253730A3; EP1253730A2; EP1253730B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft den Bereich optischer Messungen und Meßsysteme im allgemeinen und ein Verfahren und System zur optischen Spektralanalyse unter Verwendung optischer Heterodyndetektion im besonderen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Dichte Wellenlängen-Multiplexverfahren (DWDM) erfordert optische Spektrumanalysatoren (OSA), die über eine höhere Spektralauflösung verfügen, als dies typischerweise durch herkömmliche OSA erreichbar ist. Zum Beispiel unterliegen OSA, die auf Rasterung beruhen, und OSA, die auf Autokorrelation beruhen, mechanischen Beschränkungen, wie der Beschränkung der Strahlgröße und der Abtastung des Lichtwegs, die den erreichbaren Auflösungsgrad begrenzen. Alternativ zu OSA, die auf Rasterung oder auf Autokorrelation beruhen, können zur Überwachung von DWDM-Systemen optische Heterodyndetektionssysteme verwendet werden.
Optische Heterodyndetektionssysteme werden zu optischen Spektralanalyse eines optischen Eingangssignals verwendet. 1 ist die Darstellung eines Heterodyndetektionssystems nach dem Stand der Technik, das einen optischen Koppler 110 umfaßt, der ein Eingangssignal 102 aus einer Eingangsfaser 104 mit einem durchlaufenden lokalen Oszillatorsignal 106 aus einer lokalen Oszillatorquelle 105 über eine lokale Oszillatorfaser 105 kombiniert. Das kombinierte optische Signal läuft über eine Ausgangsfaser 118 und wird von einem Heterodyn-Empfänger 112 detektiert. Der Heterodyn-Empfänger wandelt die optische Strahlung des kombinierten optischen Signals in ein elektrisches Signal um. Quadratische Demodulation führt zur Mischung der zwei kombinierten optischen Signale und erzeugt ein Heterodyn-Überlagerungssignal mit einer Frequenz, die der Frequenzdifferenz zwischen den kombinierten optischen Signalen entspricht. Das Heterodyn-Überlagerungssignal wird von einem Signalprozessor 116 verarbeitet, um eine Eigenschaft des Eingangssignals, wie Frequenz, Wellenlänge oder Amplitude, zu bestimmen. Die Auflösung eines Heterodyn-OSA hängt unmittelbar von der Bandbreite des Heterodyn-Empfängers ab. Genauer gesagt, ist die Amplitu denauflösung des OSA um so besser, je größer die Bandbreite des Heterodyn-Empfängers ist, und die Frequenzauflösung des OSA ist um so besser, je kleiner die Bandbreite des Heterodyn-Empfängers ist. Weiter hängt die Amplitudengenauigkeit des Heterodyn-Empfängers von der Durchlaufgeschwindigkeit des lokalen Oszillatorsignals ab. Um zum Beispiel eine in der Branche verlangte Amplitudengenauigkeit von ungefähr 0,1 dB bei einer Durchlaufgeschwindigkeit des lokalen Oszillators von mehreren zehn Nanometern in der Sekunde zu erreichen, liegt die erforderliche Bandbreite des Heterodyn-Empfängers bei mehreren zehn Megahertz. Bei Verwendung eines Signalverarbeitungsverfahrens, wie der Hüllkurvengleichrichtung, bestimmt die Bandbreite des Empfängers die Auflösung des Heterodyn-OSA. Bei der Hüllkurvengleichrichtung kann die Hüllkurve durch einen Mittelwert angenähert werden, der gefunden wird, indem sich das Fenster eines Mittelwertfilters über das detektierte Heterodyn-Überlagerungssignal bewegt. 2 stellt die Hüllkurvengleichrichtung eines quadratischen Phasensignals 120, wie zum Beispiel eines Heterodyn-Überlagerungssignals, dar, das bei der Mischung stark kohärenter optischer Signale beobachtet wird. Das detektierte Heterodyn-Überlagerungssignal wird quadriert 122 und dann mit einem Mittelwertfenster gefiltert, um die detektierte Hüllkurve 126 zu erzeugen. Wie in 2 dargestellt, wird die Auflösung der detektierten Hüllkurve durch die Bandbreite des Heterodyn-Empfängers bestimmt. Obwohl Hüllkurvengleichrichtung in Heterodyn-OSA gut funktioniert, werden bei DWDM-Kanälen mit höherer Dichte OSA mit stärkerer Auflösung notwendig. US-Patent 4,856,899 offenbart ein Verfahren und ein entsprechendes System der optischen Spektralanalyse unter Verwendung von Heterodyndetektion gemäß dem Oberbegriff der vorliegenden Ansprüche 1 und 6.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren und System zur heterodynen optischen Spektralanalyse umfaßt das Filtern eines Heterodyn-Überlagerungssignals mit mindestens einem signalangepaßten Filter um das Signal-Rausch-Verhältnis und die Auflösung der heterodynen optischen Spektralanalyse zu verbessern. In einer Ausführungsform wird ein Eingangssignal in einem optischen Koppler mit einem durchlaufenden lokalen Oszillatorsignal kombiniert. Das kombinierte optische Signal wird an einen Empfänger ausgegeben und es wird ein Heterodyn-Überlagerungssignal erzeugt. Das Heterodyn-Überlagerungssignal wird mit einer signalangepaßten Filtereinheit gefiltert und das gefilterte Heterodyn-Überlagerungssignal wird verwendet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das für einen optischen Parameter des Eingangssignals kennzeichnend ist. Bei stark kohärenten Lasern weist das Heterodyn-Überlagerungssignal ein quadratisches Phasenverhalten auf. Indem das quadratische Phasenverhalten des Heterodyn- Überlagerungssignals für die Signalverarbeitung genutzt wird, kann die Auflösung eines Heterodyn-OSA gegenüber herkömmlichen Heterodyn-OSA wesentlich verbessert werden.
In einer Ausführungsform umfaßt die signalangepaßte Filtereinheit zwei zueinander orthogonale signalangepaßte Filter. Die beiden zueinander orthogonalen signalangepaßten Filter ermöglichen eine Ausgabe des OSA, die unabhängig von der Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem durchlaufenden lokalen Oszillatorsignal ist. Insbesondere ermöglicht die Verwendung zueinander orthogonaler signalangepaßter Filter die Spektralanalyse von stark kohärenten Lasern mit enger Linienbreite, deren Spektraleigenschaften enger sind als die Bandbreite des Heterodyn-Empfängers.
Ein Verfahren zur optischen Spektralanalyse unter Verwendung optischer Heterodyn-Detektion umfaßt das Vorsehen eines Eingangssignals, das Vorsehen eines durchlaufenden lokalen Oszillatorsignals, Kombinieren des Eingangssignals und des durchlaufenden lokalen Oszillatorsignals, um ein Heterodyn-Überlagerungssignal zu erzeugen, Filtern des Heterodyn-Überlagerungssignals mit einem signalangepaßten Filter und Erzeugen eines Ausgangssignals aus dem Heterodyn-Überlagerungssignal, das für einen optischen Parameter des Eingangssignals kennzeichnend ist.
In einer Ausführungsform wird das Heterodyn-Überlagerungssignal in ein erstes Heterodyn-Überlagerungssignal und ein zweites Heterodyn-Überlagerungssignal aufgeteilt. Das erste Heterodyn-Überlagerungssignal wird mit einem ersten signalangepaßten Filter aufgeteilt, um ein gefiltertes erstes Heterodyn-Überlagerungssignal zu erzeugen und das zweite Heterodyn-Überlagerungssignal wird mit einem zweiten signalangepaßten Filter aufgeteilt, um ein gefiltertes zweites Heterodyn-Überlagerungssignal zu erzeugen. Das Ausgangssignal wird ausgehend vom gefilterten ersten und zweiten Heterodyn-Überlagerungssignal erzeugt. In einer weiteren Ausführungsform sind das erste und das zweite signalangepaßte Filter zueinander orthogonal.
In einer Ausführungsform erfolgt das Filtern im Zeitbereich und in einer anderen Ausführungsform erfolgt das Filtern im Frequenzbereich.
Ein System zur optischen Spektralanalyse umfaßt einen optischen Koppler, einen Heterodyn-Empfänger und einen Signalprozessor. Der optische Koppler hat einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang. Der erste Eingang ist optisch angeschlossen, um ein Eingangssignal zu empfangen, der zweite Eingang ist optisch angeschlossen, um ein durchlaufendes lokales Oszillatorsignal zu empfangen, und der Ausgang ist optisch angeschlossen, um ein kombiniertes optisches Signal auszugeben, das das Eingangssignal und das durchlaufende lokale Oszillatorsignal umfaßt. Der Heterodyn-Empfänger hat einen Eingang zum Empfangen des kombinierten optischen Signals von dem optischen Koppler und einen Ausgang zum Ausgeben eines Heterodyn-Überlagerungssignals, welches das kombinierte optische Signal wiedergibt. Der Signalprozessor empfängt das Heterodyn-Überlagerungssignal von dem optischen Empfänger und erzeugt ein Ausgangssignal, das für einen optischen Parameter des Eingangssignals kennzeichnend ist. Der Signalprozessor umfaßt auch eine signalangepaßte Filtereinheit, um das Heterodyn-Überlagerungssignal zu filtern, bevor das Ausgangssignal erzeugt wird.
In einer Ausführungsform umfaßt die signalangepaßte Filtereinheit einen Splitter zum Aufteilen des Heterodyn-Überlagerungssignals in ein erstes Heterodyn-Überlagerungssignal und ein zweites Heterodyn-Überlagerungssignal, ein erstes signalangepaßtes Filter, das eingerichtet ist, das erste Heterodyn-Überlagerungssignal zu filtern und ein zweites signalangepaßtes Filter, das eingerichtet ist, das zweite Heterodyn-Überlagerungssignal zu filtern. In einer weiteren Ausführungsform, sind das erste und das zweite signalangepaßte Filter zueinander orthogonal. In einer weiteren Ausführungsform sind das erste und das zweite signalangepaßte Filter eingerichtet, um den Zeitbereich zu filtern. In einer weiteren Ausführungsform sind das erste und das zweite signalangepaßte Filter eingerichtet, um den Frequenzbereich zu filtern.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen, aus der folgenden ausführlichen Beschreibung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist die Darstellung eines Heterodyn-OSA, der mit Hilfe herkömmlicher Signalverarbeitung das Heterodyn-Überlagerungssignal erkennt.
2 stellt die Hüllkurvengleichrichtung eines Signals mit quadratischer Phase, wie eines Heterodyn-Überlagerungssignals, nach dem Stand der Technik dar.
3 ist die Darstellung eines Heterodyn-OSA mit einem Signalprozessor, der eine signalangepaßte Filtereinheit gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt.
4 stellt eine Ausführungsform der in 3 dargestellten signalangepaßten Filtereinheit dar, die einen Signalsplitter, zwei signalangepaßte Filter, eine Quadrierlogik und eine Summierlogik gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt.
5 stellt graphisch den signalangepaßten Filterprozeß in einer Heterodyn-OSA dar, der von der unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschriebenen signalangepaßten Filtereinheit durchgeführt wird.
6 ist das Prozeßdiagramm eines Verfahrens zur optischen Spektralanalyse unter Verwendung eines signalangepaßten Filterprozesses zur Erkennung des Heterodyn-Überlagerungssignals gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
7 stellt die Kurvenschar im Zeitbereich dar für verschiedene Phasen ϕ eines beispielhaften Heterodyn-Überlagerungssignals, das in einem System mit unbegrenzter Bandbreite detektiert wird.
8 stellt die Kurvenschar im Frequenzbereich dar für verschiedene Phasen ϕ eines beispielhaften Heterodyn-Überlagerungssignals, das in einem System mit unbegrenzter Bandbreite detektiert wird.
9 stellt die Kurvenschar im Zeitbereich dar für verschiedene Phasen ϕ eines beispielhaften Heterodyn-Überlagerungssignals, das in einem System mit begrenzter Bandbreite detektiert wird.
10 stellt die Kurvenschar im Frequenzbereich dar für verschiedene Phasen ϕ eines beispielhaften Heterodyn-Überlagerungssignals, das in einem System mit begrenzter Bandbreite detektiert wird.
11 stellt das Filtern eines Heterodyn-Überlagerungssignals mit zwei signalangepaßten Filtern im Zeitbereich dar.
12 stellt das Filtern eines Heterodyn-Überlagerungssignals mit zwei signalangepaßten Filtern im Frequenzbereich dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren und System zur heterodynen optischen Spektralanalyse umfaßt das Filtern eines Heterodyn-Überlagerungssignals mit mindestens einem signalangepaßten Filter, um das Signal-Rausch-Verhältnis und die Spektralauflösung der heterodynen optischen Spektralanalyse zu verbessern. In einer Ausführungsform wird ein Eingangssignal in einem optischen Koppler mit einem durchlaufenden lokalen Oszillatorsignal kombiniert. Das kombinierte optische Signal wird an einen Empfänger ausgegeben, und es wird ein Heterodyn-Überlagerungssignal detektiert. Das Heterodyn-Überlagerungssignal wird mit einer signalangepaßten Filtereinheit gefiltert, und das gefilterte Heterodyn-Überlagerungssignal wird verwendet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das für einen optischen Parameter des Eingangssignals kennzeichnend ist. Wie im Nachstehenden genauer beschrieben, paßt sich das signalangepaßte Filter an das detektierte Signal an. In einer Ausführungsform umfaßt die signalangepaßte Filtereinheit zwei signalangepaßte Filter, die zueinander orthogonal sind. Die beiden zueinander orthogonalen signalangepaßten Filter ermöglichen eine Ausgabe des OSA, die unabhängig von der Phasendifferenz ϕ zwischen dem Eingangssignal und dem durchlaufenden lokalen Oszillatorsignal ist, wobei ϕ definiert wird, wenn das Eingangssignal und das durchlaufende lokale Oszillatorsignal auf der selben optischen Frequenz liegen. Indem das quadratische Phasenverhalten des Heterodyn-Überlagerungssignals für die Signalverarbeitung genutzt wird, kann die Auflösung eines Heterodyn-OSA gegenüber herkömmlichen Heterodyn-OSA wesentlich verbessert werden. Insbesondere ermöglicht die Verwendung zueinander orthogonaler signalangepaßter Filter die Spektralanalyse von stark kohärenten Lasern mit enger Linienbreite, deren Spektraleigenschaften enger sind als die Bandbreite des Heterodyn-Empfängers.
3 stellt die Ausführungsform eines heterodynen optischen Spektrumanalysators dar, der einen signalangepaßten Filterprozess verwendet. Der optische Spektrumanalysator umfaßt eine Signalfaser 304, eine lokale Oszillatorquelle 305, eine lokale Oszillatorfaser 308, einen optischen Koppler 310, einen Heterodyn-Empfänger 312, einen Signalprozessor 316 und eine signalangepaßte Filtereinheit 350, die Teil des Signalprozessors ist. Es ist zu beachten, daß in der gesamten Beschreibung gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen.
Die Signalfaser 304 trägt ein Eingangssignal, das vom System detektiert wird. In einer Ausführungsform ist die Signalfaser ein dem Fachmann bekannter Singlemode-Lichtwellenleiter. In der gesamten Beschreibung können die in Lichtwellenleitern verbreiteten optischen Signale alternativ in anderen Wellenleitern oder durch freie Strahlausbreitung verbreitet werden.
Das Eingangssignal 302 umfaßt stark kohärente optische Signale, die von herkömmlichen im Bereich der optischen Kommunikationssysteme bekannten Geräten erzeugt werden. Das Eingangssignal kann zum Beispiel von einem einzelnen Laser oder von mehreren Lasern erzeugt werden und kann, wie auf dem Gebiet des Wellenlängenmultiplexverfahrens bekannt, aus einer einzelnen Wellenlänge oder mehreren Wellenlängen bestehen. Zusätzlich zu den Wellenlängeneigenschaften hat das Eingangssignal auch einen Phasenzustand, der zu jedem Zeitpunkt definiert werden kann. Obwohl der Phasenzustand des Eingangssignals zu jedem Zeitpunkt definiert werden kann, kann sich der Phasenzustand des Eingangssignals während der Signalübertragung ändern.
In einer Ausführungsform hat das Eingangssignal 302 unbekannte optische Eigenschaften, die von dem optischen Spektrumanalysator gemessen werden. Das Eingangssignal kann alternativ aus einem optischen Signal bestehen, das mit bekannten optischen Eigenschaften eingegeben wird, in welchem Fall der optische Spektrumanalysator zur optischen Netz werkanalyse verwendet wird. Wird der optische Spektrumanalysator zur Analyse optischer Netzwerke oder Bauteile verwendet, können die Eigenschaften eines Netzwerks oder eines einzelnen Bauteils bestimmt werden, indem ein bekanntes Eingangssignal in das Netzwerk oder das einzelne Bauteil eingegeben und dann die Antwort auf das bekannte Signal gemessen wird.
Die lokale Oszillatorquelle 305 erzeugt ein lokales Oszillatorsignal. In einer Ausführungsform ist die lokale Oszillatorquelle ein stark kohärenter abstimmbarer Laser, der über einen Wellenlängenbereich von einem Nanometer oder mehr abstimmbar ist. In der vorliegenden Beschreibung ist ein stark kohärenter abstimmbarer Laser ein abstimmbarer Laser, dessen Kohärenzzeit länger ist als die Zeit, die der Laser benötigt, um die Empfängerbandbreite zu durchlaufen. Eine höhere Durchlaufgeschwindigkeit führt zu einer kürzeren Durchlaufzeit durch die Empfängerbandbreite und entspannt die Kohärenzanforderungen an die lokale Oszillatorquelle. Während der optischen Spektralanalyse erzeugt die lokale Oszillatorquelle ein stark kohärentes lokales Oszillatorsignal, das einen Frequenz- oder Wellenlängenbereich durchläuft, um das Eingangssignal über einen Frequenz- oder Wellenlängenbereich zu detektieren. In einer Ausführungsform liegt die Durchlaufgeschwindigkeit des lokalen Oszillatorsignals bei 1.550 Nanometern ungefähr bei 40 nm/s oder 6,15 MHz/μs; die Durchlaufgeschwindigkeit kann jedoch auch höher oder niedriger liegen. Obwohl der Phasenzustand des lokalen Oszillatorsignals zu jedem Zeitpunkt definiert werden kann, kann sich der Phasenzustand des lokalen Oszillatorsignals während der Signalübertragung ändern.
Die lokale Oszillatorfaser 308 kann ein Lichtwellenleiter, wie ein Singlemode-Lichtwellenleiter sein, der das lokale Oszillatorsignal 306 an den optischen Koppler 310 überträgt.
Der optische Koppler 310 kombiniert das Eingangssignal 302 und das durchlaufende lokale Oszillatorsignal 306 auf einen gemeinsamen Wellenleiter. Wie in 3 dargestellt, kombiniert der optische Koppler das Eingangssignal und das durchlaufende lokale Oszillatorsignal und verteilt das kombinierte optische Signal in eine Ausgangsfaser 318. Obwohl in 3 nur eine Ausgangsfaser dargestellt ist, kann mehr als eine Ausgangsfaser verwendet werden, um einen Teil des kombinierten optischen Signals zur symmetrischen Gleichrichtung an den Heterodyn-Empfänger 312 zu übertragen.
Der optische Koppler 310 kann ein optischer 3-dB-Richtkoppler sein, obwohl andere optische Koppler verwendet werden können. In einer Ausführungsform ist der optische Koppler im wesentlichen von der Wellenlänge und Polarisation des Eingangssignals 302 und des durchlaufenden lokalen Oszillatorsignal 306 unabhängig. In einer Ausführungsform ist der optische Koppler ein Singlemode-Koppler.
Die Ausgangsfaser 318 ist ein Singlemode-Lichtwellenleiter, der das kombinierte optische Signal von dem optischen Koppler 310 an den Heterodyn-Empfänger 312 überträgt. Mehrere Ausgangsfasern können verwendet werden, um zum Beispiel einen symmetrischen Empfänger zu unterstützen.
Der Heterodyn-Empfänger 312 ist angeschlossen, um das kombinierte optische Signal von dem optischen Koppler 310 zu empfangen. In einer Ausführungsform verwendet der Heterodyn-Empfänger quadratische Demodulation, die zur Mischung des Eingangssignals und des durchlaufenden lokalen Oszillatorsignals führt. Das Mischen der beiden optischen Signale erzeugt ein Heterodyn-Überlagerungssignal mit einer Frequenz, die der Frequenzdifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem durchlaufenden lokalen Oszillatorsignal entspricht. Bei dem beschriebenen stark kohärenten Eingangs- und lokalen Oszillatorsignal weist das resultierende Heterodyn-Überlagerungssignal ein quadratisches Phasenverhalten auf, das aus der sich linear verändernden Frequenz des Heterodyn-Überlagerungssignals resultiert. Das vom Heterodyn-Empfänger erzeugte Heterodyn-Überlagerungssignal wird über eine elektrische Verbindung 364 an den Signalprozessor 316 geleitet. Obwohl nicht dargestellt, kann der optische Empfänger die dem Fachmann bekannten Fotodetektoren, Signalverstärker und Filter umfassen. In einer Ausführungsform hat der Heterodyn-Empfänger eine Bandbreite von ungefähr 10 MHz. Alternativ zu einem optischen Empfänger auf der Grundlage von Fotodetektoren kann der Heterodyn-Empfänger andere Detektionsvorrichtungen, wie ein nicht-lineares Mischelement, verwenden. Andere Anordnungen des Heterodyn-Empfängers, wie zum Beispiel ein symmetrischer Empfänger können ebenfalls ausgeführt werden.
Der Signalprozessor 316 umfaßt einen Multifunktionsempfänger, der die elektrischen Signale von dem Heterodyn-Empfänger 312 empfängt und das Heterodyn-Überlagerungssignal isoliert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das für einen optischen Parameter des Eingangssignals 302, wie optische Frequenz, Wellenlänge oder Amplitude, kennzeichnend ist. Der Prozessor kann, wie auf dem Gebiet der elektrischen Signalverarbeitung bekannt, eine analoge Signalverarbeitungsschaltung, eine digitale Signalverarbeitungsschaltung oder Software oder eine Kombination dieser Elemente umfassen. In einer Ausführungsform wird ein analoges Signal von dem Empfänger in ein digitales Signal konvertiert und das digitale Signal wird dann verarbeitet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Die signalangepaßte Filtereinheit 350 im Signalprozessor wird im Nachstehenden unter Bezug auf 4 und 5 beschrieben.
Die signalangepaßte Filtereinheit 350 umfaßt mindestens ein signalangepaßtes Filter zum Filtern des Heterodyn-Überlagerungssignals. In einer Ausführungsform umfaßt die signalangepaßte Filtereinheit zwei signalangepaßte Filter zum Filtern von zwei verschiedenen Teilen des Heterodyn-Überlagerungssignals. In einer anderen Ausführungsform umfaßt die signalangepaßte Filtereinheit mehr als zwei signalangepaßte Filter. 4 stellt die Ausführungsform einer signalangepaßten Filtereinheit 350 dar, die einen Signalsplitter 452, zwei signalangepaßte Filter 454 und 456, die Quadriereinheiten 458 und 460 und eine Summiereinheit 462 umfaßt. In einer Ausführungsform unterteilt der Splitter ein eingehendes Heterodyn-Überlagerungssignals in zwei ungefähr gleiche Heterodyn-Überlagerungssignale. Die Ausgaben aus dem Splitter werden an die signalangepaßten Filter weitergeleitet. Die signalangepaßten Filter sind, wie auf dem Gebiet der Signalverarbeitung bekannt, als Filterschaltungen, Software oder Firmware realisiert, um das Heterodyn-Überlagerungssignal zu filtern. In der signalangepaßten Filtereinheit von 4 wird die Filterfunktion des oberen signalangepaßten Filters als p(t) bezeichnet, und die Filterfunktion des unteren signalangepaßten Filters wird als q(t) bezeichnet. Ein signalangepaßtes Filter paßt per Definition das detektierte Signal an, und dessen Repräsentation im Zeitbereich ist ein Spiegelbild des Eingangssignals. Bei einem symmetrischen Eingangssignal, wie einem Heterodyn-Überlagerungssignal, ist das signalangepaßte Filter mit dem Eingangssignal identisch. Die Impulsantwort des signalangepaßten Filters ist ebenfalls mit dem Eingangssignal identisch. Zum Zweck der Beschreibung wird die Ausgabe des oberen signalangepaßten Filters als x(t) bezeichnet, und die Ausgabe des unteren signalangepaßten Filters wird als y(t) bezeichnet. Die Ausgaben aus den signalangepaßten Filtern werden an die Quadriereinheiten weitergeleitet. Die Quadriereinheiten umfassen bekannte Schaltungen zum Quadrieren der Ausgaben aus den signalangepaßten Filtern. Die Ausgaben aus den Quadriereinheiten werden an die Summiereinheit weitergeleitet. Die Summiereinheit umfaßt bekannte Schaltungen zum Summieren der Ausgaben aus der Quadriereinheit. Die Ausgabe aus der Summiereinheit ist ein Signal, das für die Wellenlänge und Amplitude des Eingangssignals kennzeichnend ist.
In einer Ausführungsform sind die beiden signalangepaßten Filter 454 und 456 orthogonal zueinander. Das heißt, die beiden signalangepaßten Filter entsprechen den beiden Phasen, die sich um π/2 unterscheiden, zum Beispiel ϕ_p = 0 und ϕ_q = π/2. Wie im Nachstehenden ausführlicher beschrieben, sorgt das orthogonale Verhältnis zwischen den beiden signalangepaßten Filtern für ein Ausgangssignal, das von der Phasendifferenz ϕ zwischen dem Eingangssignal und dem durchlaufenden lokalen Oszillatorsignal unabhängig ist. Das Vorsehen eines Ausgangssignals, das von der Phasendifferenz unabhängig ist, wird durch Quadrieren und Addieren der Ausgaben x(t) und y(t) erreicht. Werden mehr als zwei signalangepaßte Filter verwendet, wird das Phasen- und Verarbeitungsmodell modifiziert, um mehreren Ausgaben Rechnung zu tragen.
Die Funktion einer Heterodyn-OSA mit signalangepaßter Filterdetektion wird unter Bezug auf 3 bis 5 beschrieben. Während des Betriebs pflanzt sich ein Eingangssignal 302 durch die Eingangsfaser 304 des OSA zum optischen Koppler 310 fort. Gleichzeitig erzeugt die lokale Oszillatorquelle 305 ein durchlaufendes lokales Oszillatorsignal 306, das durch die lokale Oszillatorfaser 308 an den optischen Koppler übertragen wird. Das Eingangssignal 302 und das durchlaufende lokale Oszillatorsignal 306 werden vom optischen Koppler zu einem kombinierten optischen Signal kombiniert. Das kombinierte optische Signal wird in eine Ausgangsfaser 318 ausgegeben und an den Heterodyn-Empfänger 312 übertragen. Das kombinierte optische Signal wird vom Heterodyn-Empfänger detektiert und gemischt, und in Reaktion auf das kombinierte optische Signal wird ein Heterodyn-Überlagerungssignal erzeugt. Das Heterodyn-Überlagerungssignal wird in der signalangepaßten Filtereinheit 350 des Signalprozessors 316 gefiltert und das gefilterte Heterodyn-Überlagerungssignal wird unter Verwendung bekannter Techniken überwacht, um einen optischen Parameter des Eingangssignals, wie Wellenlänge, Frequenz oder Amplitude zu bestimmen.
5 stellt graphisch den signalangepaßten Filterprozeß dar, der von der unter Bezug auf 4 beschriebenen signalangepaßten Filtereinheit 350 durchgeführt wird. Links in 5 ist die Funktionsform des Heterodyn-Überlagerungssignals 520 mit quadratischer Phase im Zeitbereich dargestellt. In der Mitte von 5 ist die Funktionsform 554 und 556 der beiden orthogonalen signalangepaßten Filter 454 und 456 im Zeitbereich dargestellt. Die in 5 dargestellten Filterfunktionen der signalangepaßten Filter entsprechen dem Heterodyn-Überlagerungssignal für ϕ_p = 0 und ϕ_q = π/2. Das Heterodyn-Überlagerungssignal wird in zwei Signale unterteilt, die getrennt auf die beiden orthogonalen signalangepaßten Filter angewendet werden. Die Ausgaben x(t) und y(t) der beiden Filter werden quadriert und dann summiert. Die summierte Ausgabe wird verwendet, um eine Repräsentation des detektierten Eingangssignals zu erzeugen. Eine Repräsentation des detektierten Eingangssignals 526 ist im Zeitbereich rechts in 5 dargestellt. In einer anderen Ausführungsform kann der Filterprozeß im Frequenzbereich durchgeführt werden. Das Filtern des Heterodyn-Überlagerungssignals im Frequenzbereich wird ausführlicher im Nachstehenden beschrieben.
Da die unter Bezug auf 4 und 5 beschriebenen signalangepaßten Filter zueinander orthogonal sind, ist die Ausgabe der signalangepaßten Filtereinheit unabhängig von der Phasendifferenz ϕ zwischen dem Eingangssignal und dem durchlaufenden lokalen Oszillatorsi gnal. Da vollkommen orthogonale signalangepaßten Filter praktisch nicht zu erreichen sind, werden die signalangepaßten Filter hier als orthogonal angesehen, wenn sie in einem Bereich von ±10 Prozent der vollständigen Orthogonalität liegen. Die Orthogonalität der signalangepaßten Filter wird im Nachstehenden ausführlicher beschrieben. Die Detektionstechnik mit signalangepaßtem Filter ist für Messungen von Lasern mit enger Linienbreite geeignet, deren Kohärenzzeit länger ist als die Zeit, die der Laser benötigt, um die Empfängerbandbreite zu durchlaufen. Das Verhältnis von Kohärenzzeit zu Durchlaufzeit gewährleistet das quadratische Phasenverhalten des Heterodyn-Überlagerungssignals.
Obwohl die optischen Komponenten des optischen Heterodyndetektionssystems als durch Lichtwellenleiter verbunden beschrieben werden, können die einzelnen Vorrichtungen auch in einer monolithischen Vorrichtung, wie einer planaren Wellenleiterschalter, integriert sein. Alternativ können die optischen Elemente durch freie Strahlausbreitung verbunden sein.
Das Prozeßdiagramm eines Verfahrens zur optischen Spektralanalyse unter Verwendung optischer Heterodyndetektion ist in 6 dargestellt. In Schritt 602 wird ein Eingangssignal vorgesehen. In Schritt 604 wird ein durchlaufendes lokales Oszillatorsignal vorgesehen. In Schritt 606 wird das Eingangssignal mit dem durchlaufenden lokalen Oszillatorsignal kombiniert, um ein kombiniertes optisches Signal zu erzeugen. In Schritt 608 wird das kombinierte optische Signal detektiert, um ein Heterodyn-Überlagerungssignal zu erzeugen. In Schritt 610 wird das Heterodyn-Überlagerungssignal mit einem signalangepaßtem Filter gefiltert. In Schritt 612 wird ein Ausgangssignal, das für einen optischen Parameter des Eingangssignals kennzeichnend ist, aus dem gefilterten Heterodyn-Überlagerungssignal erzeugt.
Die theoretische Beschreibung des signalangepaßten Filterprozesses in einer heterodynen OSA wird im Nachstehenden gegeben. Betrachten wir einen optischen Heterodyn-OSA, der die Mischung eines abstimmbaren Lasers mit einer zu prüfenden Laserquelle umfaßt. Es wird davon ausgegangen, daß der abstimmbare Laser und die zu prüfende Laserquelle eine enge Linienbreite haben und mit Hilfe der Dirac'schen Delta-Funktion genau modelliert werden können. Der abstimmbare Laser (Lokaler Oszillator (LO) genannt) und der zu prüfende Laser („Device under test" (DUT) genannt) werden mathematisch wie folgt ausgedrückt: LO

Frequenz: ν₀ = ν₁ + γt

Phase: Φ₀ = πγt² + 2πν₁t + ϕ₁

Elektrisches Feld: e_o = a_oe^jΦo

DUT

Frequenz: ν_s = ν₂

Phase: Φ_s = 2πν₂t + ϕ₂

Elektrisches Feld: e_s = a_se^jΦs

wobei:

γ: = Änderungsrate der optischen Frequenz
ν₁: = anfängliche optische Frequenz des LO
ν₀: = optische Frequenz des LO
ν_s: = optische Frequenz des DUT
ϕ₁, ϕ₂: = Konstanten
a_o, a_s: = Amplituden des elektrischen Felds

Um die Beschreibung zu vereinfachen wird davon ausgegangen, daß a_o = a_s = 1/√2
Gegeben die oben stehenden Ausdrücke und Annahmen, wird die detektierte Intensität in einem System mit unbegrenzter Bandbreite wie folgt ausgedrückt: I = 1 + cos(πγt2 + 2πν1t – 2πν2t + ϕ1 – ϕ2)
Wiederum um die Beschreibung zu vereinfachen, wird davon ausgegangen, daß ν₁ = ν₂ und daß ϕ₁ = ϕ₂ = ϕ, wobei ϕ als Konstante der Phasendifferenz definiert ist. Die Konstante der Phasendifferenz beschreibt das Phasenverhältnis zwischen LO und DUT, wenn deren optische Frequenzen identisch sind. Gegeben die oben stehenden Annahmen, wird die detektierte Intensität der kombinierten Signale von LO und DUT wie folgt ausgedrückt: I = 1 + cos(πγt2 + ϕ)wobei cos(πγt² + ϕ) das Heterodyn-Überlagerungssignal repräsentiert. Das Heterodyn-Überlagerungssignal hat ein charakteristisches quadratisches Phasenverhalten, wobei das genaue Aussehen des Signals von der Konstante ϕ der Phasendifferenz abhängt. Eine Eigenschaft des Heterodyn-Überlagerungssignals besteht darin, daß das quadratische Phasenverhalten im Zeit- und Frequenzbereich existiert, weil die Funktionsform des Heterodyn-Überlagerungssignals invariant zur Fourier-Transformation ist. 7 und 8 repräsentieren die Kurvenschar im Zeit- und Frequenzbereich für verschiedene Phasen ϕ eines beispielhaften Heterodyn-Überlagerungssignals, das in einem System mit unbegrenzter Bandbreite detektiert wird. 7 repräsentiert den Zeitbereich und 8 repräsentiert den Frequenzbereich des Heterodyn-Überlagerungssignals. Die Übertragung zwischen den Zeit- und Frequenzbereichen wird durch die folgende Fourier-Transformation beschrieben:
Es ist zu beachten, daß die Funktion cos(πγt² + ϕ) zur Gauß'schen Funktion
gehört. Daher existieren ihre Fourier-Transformation sowie die Fourier-Transformationen ihrer Kombinationen mit der Gauß'schen Funktion in analytischer Form.
Bei einem heterodynen OSA in der Praxis ist die Bandbreite des Heterodyn-Empfängers begrenzt, und daher wird nur der ausgewählte Frequenzbereich detektiert. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird davon ausgegangen, daß der Heterodyn-Empfänger die Gauß'schen Tiefpaßantwort hat. Wegen der Symmetrie zwischen Zeit- und Frequenzbereichen erscheint die Gauß'sche Hüllkurve auch im Zeitbereich. 9 und 10 repräsentieren die Kurvenschar im Zeit- und Frequenzbereich für verschiedene Phasen ϕ eines beispielhaften Heterodyn-Überlagerungssignals, das in einem System mit begrenzter Bandbreite detektiert wird. 9 repräsentiert den Zeitbereich und 10 repräsentiert den Frequenzbereich.
Wegen der Symmetrie des Heterodyn-Überlagerungssignals sind das im Zeitbereich repräsentierte signalangepaßte Filter sowie dessen Impulsantwort identisch mit dem Heterodyn-Überlagerungssignal. Das heißt, die Impulsantwort erzeugt die Zeitrepräsentation der Übertragungsfunktion. Da sich das Heterodyn-Überlagerungssignal mit der Phasendauer ϕ ändern kann, werden zum Filtern zwei orthogonal signalangepaßte Filter verwendet. In einer Ausführungsform beträgt die Phasendifferenz zwischen den beiden signalangepaßten Filtern π/2, was die Orthogonalität der beiden signalangepaßten Filter gewährleistet. Wenn zum Beispiel die Phasendauer für die beiden signalangepaßten Filter ϕ = 0 und ϕ = π/2 ist, können die Filterfunktionen p(t) und q(t) der beiden orthogonal signalangepaßten Filter im Zeitbereich wie folgt definiert werden:
Obwohl orthogonal signalangepaßte Filter erzeugt werden können, indem die Phasendifferenz per Definition auf π/2 festgesetzt wird, sind die Filterfunktionen p(t) und q(t) zueinander orthogonal, wenn gilt:
Die Verwendung signalangepaßter Filter mit einem orthogonalen Phasenverhältnis gewährleistet die Detektion des Heterodyn-Überlagerungssignals mit einer beliebigen Phasendauer ϕ, so daß die Summe der Quadrate der Filterausgaben konstant und unabhängig von ϕ ist.
Im allgemeinen kann der Empfänger durch eine Übertragungsfunktion H(ω) oder h(t) = F^–1{H(ω)} charakterisiert werden. Dann sind die Filterfunktionen der signalangepaßten Filter: p(t) = h(t)*cos(at2);und q(t) = h(t)*cos(at2 + π/2)wobei * die Faltung bezeichnet. In diesem Fall sind die Filter nicht völlig orthogonal zueinander und:
Filter werden hier als orthogonal definiert, wenn gilt:
Da völlig orthogonale Filter in realen Systemen schwer zu erreichen sind, sollten die signalangepaßten Filter innerhalb einer Spanne von ungefähr X10 Prozent orthogonal sein. In einem System mit nahezu orthogonalen signalangepaßten Filtern ist die Summe der Quadrate der Filterausgaben nahezu eine Konstante (d.h. x(t)² + y(t)² ≈ konstant) und daher im wesentlichen unabhängig von der Phasendifferenz ϕ.
Die Ausgaben x(t) und y(t) geben Informationen über die Phasendifferenz ϕ oder genauer über die relative Phase in Bezug auf die gewählten signalangepaßten Filter p(t) und q(t). Wenn y(t) ≅ 0, dann ist das detektierte Signal nahezu orthogonal zu q(t) und identisch mit p(t). Wenn entsprechend x(t) ≅ 0, dann ist das detektierte Signal nahezu orthogonal zu p(t) und identisch mit q(t). Die relative Phase kann wie folgt ausgedrückt werden: θ = arctany(t)/x(t)
Die Orthogonalität der Filterfunktionen p(t) und q(t) kann durch Anpassung der Empfängerübertragungsfunktion gesteuert werden.
Der signalangepaßte Filterprozeß in einer Heterodyn-OSA kann im Zeitbereich oder im Frequenzbereich durchgeführt werden. 11 stellt den Filterprozeß im Zeitbereich bei einem gegebenen Heterodyn-Überlagerungssignal s(t) und zwei signalangepaßten Filterfunktionen p(t) und q(t) dar. Die Ausgaben der beiden signalangepaßten Filterfunktionen 1154 und 1156 sind: x(t) = s(t)*p(t)und y(t) = s(t)*q(t)wobei * die Faltung ist.
12 stellt den Filterprozeß im Frequenzbereich dar. Das Filtern des Heterodyn-Überlagerungssignals im Frequenzbereich umfaßt die Transformation des Heterodyn-Überlagerungssignals s(t) in den Frequenzbereich S(ω) unter Verwendung einer Fourier-Transformation F (durchgeführt durch die Transformationseinheit 1270) und anschließend die Multiplikation des umgewandelten Heterodyn-Überlagerungssignals mit Hilfe der signalangepaßten Filterübertragungsfunktionen, die im Frequenzbereich definiert sind, wobei P(ω) = F{p(t)} und Q(ω) = F{q(t)}. Die Ausgaben der beiden Filterfunktionen 1254 und 1256 sind: X(ω) = S(ω)·P(ω);und Y(ω) = S(ω)·Q(ω)
Die resultierenden Ausgaben werden dann mit Hilfe der Transformationseinheiten 1272 und 1274 aus dem Frequenzbereich zurück in den Zeitbereich umgekehrt transformiert, so daß: x(t) = F–1{X(ω)}und y(t) = F–1{Y(ω)}
Die Verwendung der signalangepaßten Filter verbessert sowohl die Auflösung als auch den Dynamikbereich des heterodynen Spektrumanalysators. Die Verbesserung des Dynamikbereichs (Signal – Rausch) beruht auf inhärenten Eigenschaften des signalangepaßten Filters. Die Verbesserung der Auflösung ist eine Folge der Faltung des Heterodyn-Überlagerungssignals mit den signalangepaßten Filtern. Da beide Funktionen mehrere ungleichmäßig verteilte Spitzen haben, führt ihre Faltung zu einer Funktion mit einer scharfen zentralen Spitze, deren Breite wesentlich enger ist als die Empfängerbandbreite.

Claims

Verfahren zur optischen Spektralanalyse unter Verwendung optischer Heterodyn-Detektion, mit den Schritten: Vorsehen (602) eines Eingangssignals; Vorsehen (604) eines durchlaufenden lokalen Oszillatorsignals; Kombinieren (606) des Eingangssignals mit dem durchlaufenden lokalen Oszillatorsignals, um ein kombiniertes optisches Signal zu erzeugen; Detektieren (608) des kombinierten optischen Signals, um ein Heterodyn-Überlagerungssignal zu erzeugen; Filtern (610) des Heterodyn-Überlagerungssignals mit einem Filter; und Erzeugen (612) eines Ausgangssignals, das für einen optischen Parameter des Eingangssignals kennzeichnend ist, ausgehend von dem gefilterten Heterodyn-Überlagerungssginal, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein signalangepaßtes Filter ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Filterns (610) die Schritte umfaßt: Aufspalten des Heterodyn-Überlagerungssignals in ein erstes Heterodyn-Überlagerungssignal und ein zweites Heterodyn-Überlagerungssignal; Filtern des ersten Heterodyn-Überlagerungssignals mit einem ersten signalangepaßten Filter (454), um ein gefiltertes erstes Heterodyn-Überlagerungssignal zu erzeugen; Filtern des zweiten Heterodyn-Überlagerungssignals mit einem zweiten signalangepaßten Filter (456), um ein gefiltertes zweites Heterodyn-Überlagerungssignal zu erzeugen; Erzeugen des Ausgangssignals ausgehend von dem gefilterten ersten und zweiten Heterodyn-Überlagerungssignal.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das erste und das zweite signalangepaßte Filter (454, 456) zueinander orthogonal sind.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, das ferner die Schritte umfaßt: Quadrieren (458) des gefilterten ersten Heterodyn-Überlagerungssignals; Quadrieren (460) des gefilterten zweiten Heterodyn-Überlagerungssignals; und Verwenden des gefilterten ersten und zweiten Heterodyn-Überlagerungssignals, um das Ausgangssignal zu erzeugen:
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner den Schritt des Summierens (462) des quadrierten ersten Heterodyn-Überlagerungssignals und des quadrierten zweiten Heterodyn-Überlagerungssignals umfaßt.
System zur optischen Spektralanalyse, umfassend: einen optischen Koppler (310) mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang, wobei der erste Eingang optisch angeschlossen ist, um ein Eingangssignal zu empfangen, der zweite Eingang optisch angeschlossen ist, um ein durchlaufendes lokales Oszillator-signal zu empfangen, wobei der optische Koppler einen Ausgang zum Ausgeben eines kombinierten optischen Signals umfaßt, welches das Eingangssignal und das durchlaufende lokalen Oszillatorsignal umfaßt; einen Heterodyn-Empfänger (312) mit einem Eingang zum Empfangen des kombinierten optischen Signals von dem optischen Koppler und einem Ausgang zum Ausgeben eines Heterodyn-Überlagerungssignals, welches das kombinierte optische Signal wiedergibt; und einen Signalprozessor (316) zum Empfangen des Heterodyn-Überlagerungssignals von dem optischen Empfänger und zum Erzeugen eines optischen Signals, das für einen optischen Parameter des Eingangssignals kennzeichnend ist, wobei der Signalprozessor eine Filtereinheit (350) umfaßt, um das Heterodyn-Überlagerungssignal zu filtern, bevor das Ausgangssignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheit eine signalangepaßte Filtereinheit ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die signalangepaßte Filtereinheit umfaßt: einen Splitter (452) zum Aufteilen des Heterodyn-Überlagerungssignals in ein erstes Heterodyn-Überlagerungssignal und ein zweites Heterodyn-Überlagerungssignal; ein erstes signalangepaßtes Filter (454), das eingerichtet ist, das erste Heterodyn-Überlagerungssignal zu filtern, und ein gefiltertes erstes Heterodyn-Überlagerungssignal auszugeben; ein zweites signalangepaßtes Filter (456), das eingerichtet ist, das zweite Heterodyn-Überlagerungssignal zu filtern und ein gefiltertes zweites Heterodyn-Überlagerungssignal auszugeben.
System nach Anspruch 7, wobei das erste und das zweite signalangepaßte Filter (454, 456) zueinander orthogonal sind.
System nach Anspruch 7, wobei das erste und das zweite signalangepaßte Filter (454, 456) eingerichtet sind, im Zeitbereich zu filtern.
System nach Anspruch 7, wobei das erste und das zweite signalangepaßte Filter (454, 456) eingerichtet sind, im Frequenzbereich zu filtern.