DE69715519T2

DE69715519T2 - Vorrichtung zur Charakterisierung optischer Pulse

Info

Publication number: DE69715519T2
Application number: DE69715519T
Authority: DE
Inventors: Rance M. Fortenberry; Wayne V. Sorin
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1996-06-13
Filing date: 1997-06-09
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: EP0813045A3; EP0813045B1; US5684586A; DE69715519D1; EP0813045A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Charakterisieren von optischen Pulsen und insbesondere auf eine Charakterisierung von kurzen optischen Pulsen.
A. V. Zohrabian und L. Kh. Mouradian erörtern in dem Artikel "Compression of the spectrum of picosecond ultrashort pulses", veröffentlicht in 2287 Quantum Electronics, 25 (1995) November, Nr. 11, New York, NY, USA, die Durchführbarkeit einer Kompression des Spektrums von extrem kurzen Pulsen in faseroptischen Zeitkompressionsvorrichtungen. Eine Spektralkomprimierungseinrichtung von Picosekundenpulsen, die aus einer verbesserten Gitterkomprimierungseinrichtung und einem Einmodenfaserwellenleiter besteht, wurde entwickelt und getestet. Eine Spektralkompression um einen Faktor 2, 3 wurde für extrem kurze Pulse erzielt, die die zweite Harmonische eines Nd:YAG-Lasers mit passivem Modenlocking darstellen. Dieses Ergebnis stimmte mit der Theorie überein.
Bei optischen Berechnungs- und optischen Kommunikationssystemen erfordert eine Operation mit höherer Geschwindigkeit oft die Verwendung von kürzeren optischen Pulsen. Deshalb wird die Charakterisierung von kurzen optischen Pulsen, z. B. in dem Picosekunden- und Subpicosekundenbereich, zunehmend wichtiger. Um optische Pulse zu charakterisieren, werden im allgemeinen Detektoren und Meßvorrichtungen, wie z. B. Oszilloskope, benötigt. Die elektronischen Detektoren und Oszilloskope des Stands der Technik weisen Impulsantworten von etwa 10 Picosekunden auf (z. B. das 50-GHz- Oszilloskop 54124T und der interne PD-10-Detektor von Hewlett Packard). Eine derartige Pulsantwort schränkt die genaue Charakterisierung von Pulsbreiten auf etwa 40 Picosekunden und mehr ein.
Da existierende Instrumente nicht in der Lage sind, kurze optische Pulse mit einer Pulsbreite von wenigen Picosekunden oder weniger direkt zu charakterisieren, erfordert die Charakterisierung derartiger kurzer Pulse indirektere Verfahren, wie z. B. eine Autokorrelation, Kreuzkorrelation und Spektralverfahren, wie z. B. ein frequenzaufgelöstes optisches Ausblenden (FROG) (siehe z. B. Kane u. a., "Characterization of Arbitrary Femtosecond Pulses Using Frequency- Resolved Optical Gating", IEEE J. Quantum Electronics, 29(2): 571-579 (1993); K. W. Delong u. a., "Frequencyresolved optical gating with the use of second-harmonic generation", J. Opt. Soc. AM. B, 11 (11), Seiten 2.206-2.215 (1994)). Jedes dieser Verfahren weist jedoch Einschränkungen auf. Autokorrelatoren zeigen keine Pulsformen. Kreuzkorrelatoren können Pulsformen liefern, erfordern jedoch eine zitterfreie Quelle von Subpicosekundenreferenzpulsen, die in der Wiederholungsfrequenz an das Signal, das gemessen werden soll, angepaßt sind. Streifenkameras sind teuer, schwer zu verwenden und auf eine Auflösung von wenigen Picosekunden beschränkt. Das FROG ist eine leistungsstarke Gruppe von Verfahren, erfordert jedoch optische Nichtlinearitäten und so hohe optische Leistungen. Das FROG verwendet außerdem ein iteratives Berechnungsverfahren, das gegenwärtig nicht in Echtzeit implementiert werden kann.
Rothenberg u. a. ("Measurement of optical phase with subpicosecond resolution by time-domain interferometry", Optical Letters, 12(2), (1987)) beschreiben ein Verfahren zum Charakterisieren kurzer optischer Pulse durch eine interferometrische Kreuzkorrelation. Sie verwenden ein optisches Filter, um einen verbreiterten optischen Puls von etwa 10 ps mit einer erhöhten Bandbreite zu erhalten. Ein Abschnitt dieses Pulses wird verwendet, um mit dem nichtmodifizierten Eingangspuls zu interferieren. Gleichzeitig wird ein anderer Abschnitt des verbreiterten Pulses komprimiert und als die Sonde in einem Kreuzkorrelator verwendet, um den Signalverlauf des Eingangspulses zu erhalten. Diels u. a. (USPN 5,359,410) offenbart auch eine Anordnung zum Analysieren eines optischen Pulses. Bei dieser Anordnung werden die Spektralamplitude zumindest eines Pulses und die Phasenverschiebungen von Abschnitten des Pulses bezüglich eines nichtphasenverschobenen Abschnitts erfaßt. Der Eingangspuls wird in ein Spektrum gestreut, wobei unterschiedliche Komponenten des Spektrums kreuzkorreliert werden. Dies führt wesentliche Interferenzschwebungsterme ein, die bei mehreren 10 kHz und größeren Frequenzen schwingen, was eine Messung schwierig macht.
Die vorliegende Erfindung erfüllt den Bedarf nach einer Vorrichtung mit einem relativ einfachen Aufbau, die dennoch in der Lage ist, kurze optische Pulse in Echtzeit zu charakterisieren.
Die vorliegende Erfindung möchte eine verbesserte Vorrichtung zum Charakterisieren eines kurzen optischen Eingangspulses schaffen. Die Vorrichtung umfaßt eine optische Streueinrichtung und einen Analysator. Die optische Streueinrichtung streut den Eingangspuls zeitlich derart, daß der Puls zeitlich ausreichend verbreitert wird, damit ein Analysator denselben analysieren kann. Der Analysator analysiert die Intensitäts- und Phasencharakteristika des gestreuten Pulses. Durch Berechnen einer Rückausbreitung durch die optische Streueinrichtung können die vollständigen optischen Charakteristika des Eingangspulses erhalten werden. Vorzugsweise weist der Analysator einen Diskriminator auf, der den gestreuten Puls in zwei Abschnitte unterteilt, die sich entlang zweier Pfade mit ungleichen Längen bewegen, und die beiden Abschnitte dann kombiniert, um zu einem Interferenzmuster zu führen. Durch ein Analysieren des Interferenzmusters können die Intensitäts- und Phasencharakteristika des gestreuten Pulses bestimmt werden.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise verwendet werden, um kurze optische Pulse, z. B. in dem Picosekunden- und Subpicosekundenbereich, zu charakterisieren. Da die Charakteristika der Streueinrichtung bekannt sein können, können, sobald der gestreute Puls analysiert wird, die Charakteristika des Eingangspulses berechnet werden. Anders als bei Verfahren des Stands der Technik unter Verwendung einer Kreuzkorrelation und Autokorrelation wird keine Erzeugung neuer Frequenzen, d. h. von höheren Harmonischen, benötigt. Tatsächlich wird bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß die Vorrichtung linear ist, und daß sich das Spektrum des Lichts in dem Puls in der Vorrichtung nicht verändert. Aus diesem Grund muß der Eingangspuls keine hohe Intensität aufweisen, um Licht unterschiedlicher Frequenzen zu erzeugen, wie dies bei den Korrelationsverfahren der Fall ist. Mit der vorliegenden Erfindung können, anders als bei Kurzpulsanalysatoren des Stands der Technik sogar Pulse mit einer relativ niedrigen Leistung und einem gewissen Zittern (Rauschen) analysiert werden. Da der kurze optische Eingangspuls zeitlich verbreitert ist, sind die Einschränkungen der Impulsantwort auf die Ausrüstung weniger einschränkend. Als ein Ergebnis kann eine weniger ausgereifte Ausrüstung verwendet werden, um den kurzen Eingangspuls zu analysieren, als dies bei Verfahren des Stands der Technik der Fall ist. Unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann die vollständige Charakterisierung von kurzen optischen Pulsen in Echtzeit sehr schnell ohne eine ausgedehnte, interaktive und iterative Berechnung erzielt werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines optischen Pulses, die in Anspruch 1 spezifiziert ist, geschaffen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Charakterisieren eines optischen Eingangspulses, das in Anspruch 8 spezifiziert ist, geschaffen.
Die folgenden Figuren, die die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, sind enthalten, um die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung besser darzustellen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Pulscharakterisierungsvorrichtung;
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Streueinrichtung einer Pulscharakterisierungsvorrichtung;
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Streueinrichtung;
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Streueinrichtung;
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Diskriminators einer Pulscharakterisierungsvorrichtung;
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Diskriminators;
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Diskriminators;
Fig. 8A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Diskriminators, der eine Streifenkamera aufweist, in einer Pulscharakterisierungsvorrichtung;
Fig. 8B zeigt ein Beispiel eines zweidimensionalen Bildes, das durch einen Detektor erhalten wird, der Elektronen von der Streifenkamera aus Fig. 8A empfängt;
Fig. 8C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Diskriminators;
Fig. 8D zeigt die optischen Spektren des Eingangslichtpulses und des Sekundärstrahls 280 aus Fig. 8C;
Fig. 8E zeigt das elektrische Spektrum des elektrischen Ausgangssignals aus dem Detektor 112 aus Fig. 8C;
Fig. 9 zeigt ein Beispiel optischer Interferenz als ein Ergebnis dessen, daß ein optischer Puls durch eine Streueinrichtung und einen Diskriminator gelangt, wobei der gestreute Puls in zwei Pfade aufgeteilt wird;
Fig. 10 zeigt die Kosinusfunktionen in Bezug auf die Phase des gestreuten Pulses in dem Beispiel aus Fig. 9;
Fig. 11 zeigt die Daten der Kosinusfunktionen aus Fig. 10 nach der Entfernung einer konstanten Vorspannung zu der Mitte entlang der Abszisse;
Fig. 12 zeigt den Frequenzwobbelumfang und Intensitäten eines Abschnitts (a) in dem Beispiel aus Fig. 9;
Fig. 13 zeigt die Intensitäten und Phasencharakteristika des Abschnitts (a) in dem Beispiel aus Fig. 9;
Fig. 14 zeigt die Phasencharakteristika des Eingangspulses in dem Beispiel aus Fig. 9;
Fig. 15 zeigt die Intensität < ies Eingangspulses in dem Beispiel aus Fig. 9.
Das bevorzugte Pulscharakterisierungsverfahren beinhaltet ein zeitliches Streuen eines kurzen optischen Eingangspulses, um eine ausreichend breite Pulsbreite zu erhalten, die von einem Analysator analysiert werden kann, ein Analysieren der Intensität und der Phaseneigenschaften des gestreuten Pulses und dann ein Berechnen der Rückausbreitung des gestreuten Pulses durch die Streueinrichtung, um die Charakteristika des Eingangspulses zu erhalten. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Intensitäts- und Phaseneigenschaften des gestreuten Pulses analysiert, indem der gestreute Puls in zwei Abschnitte auf zwei Pfade aufgeteilt wird, und indem dann die beiden Abschnitte kollimiert werden, um zu einer optischen Interferenz zu führen. Die Analyse des Interferenzmusters liefert Informationen über die optischen Charakteristika des gestreuten Pulses. Diese Informationen können verwendet werden, um eine Rückausbreitung durch die Streueinrichtung zu berechnen. Das Ergebnis der Rückausbreitung liefert die Charakteristika des kurzen optischen Eingangspulses.
Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem eine Pulscharakterisierungsvorrichtung 100 definiert ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird ein kurzer optischer Eingangspuls 101 in Richtung der Pulscharakterisierungsvorrichtung 100 geleitet. Ein derartiger kurzer optischer Eingangspuls kann von einem optischen Pulsgenerator (in der Figur nicht gezeigt) kommen, dessen Charakteristika nicht bekannt sind. Eine Streueinrichtung 106 in der Vorrichtung 100 streut den Eingangspuls 101 zeitlich. Dies führt zu einem zeitlich verbreiterten Puls 108 (im folgenden als der "gestreute Puls" bezeichnet), der zeitlich breiter ist als der Eingangspuls. Dieser Puls wird auch als ein Chirp-Puls (d. h. als Frequenz-gewobbelter Puls) bezeichnet, da sich die Frequenz in dem Puls mit der Zeit verändert.
Der gestreute Puls 108, der von der Streueinrichtung 106 kommt, wird dann durch einen Analysator 120 analysiert. In dem Analysator 120 trifft der gestreute Puls 108 auf einen optischen Diskriminator 110 auf, der die Phasencharakteristika des gestreuten Pulses analysiert. Strahlung 111, d. h. Licht mit einem Interferenzmuster zwischen zwei Abschnitten, die aus dem gestreuten Puls erhalten werden, was aus der Unterscheidungsaktivität des Diskriminators 110 resultiert, wird durch einen Detektor 112 erfaßt, der die Strahlung 111 in elektrische Signale 112A umwandelt. Die elektrischen Signale 112A werden durch einen Elektrisches- Signal-Prozessor 113 analysiert, der die elektrischen Signale 112A von dem Detektor 112 analysiert, um die Phasencharakteristika des gestreuten Pulses zu erhalten. Der Analysator berechnet auch die Rückausbreitung des gestreuten Pulses durch die Streueinrichtung 106. Der Elektrisches- Signal-Prozessor 113 kann eine Signalsammelanzeigevorrichtung 114, wie z. B. ein Oszilloskop, und einen Informationsprozessor 116 umfassen. Der Informationsprozessor 116 kann ein Computer sein, der z. B. einen digitalen Computer, einen Mikroprozessor, einen neuralen Netzwerkprozessor oder dergleichen umfaßt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Elektrisches-Signal-Prozessor 113 und der Informationsprozessor 116 schnittstellenmäßig mit anderen Systemen für in Verarbeitungsrichtung nachgeordnete Operationen, wie z. B. die Anzeige von Informationen, die Übertragung von Daten und die Analyse von Ergebnissen, die Steuerung anderer elektronischer Komponenten und dergleichen, verbunden sein können. Vorrichtungen und Verfahren für ein derartiges schnittstellenmäßiges Verbinden und für in Verarbeitungsrichtung nachgeordnete Operationen sind in der Technik bekannt.

Streueinrichtung

Jede Streueinrichtung, die einen gestreuten Puls erzeugen kann, der breit genug ist, d. h. mit einer ausreichend langen Dauer, um durch den Analysator analysiert zu werden, kann in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Wie ein "gestreuter" Puls hierin verwendet wird, bezieht er sich auf einen Puls, der zeitlich verbreitert ist. Ein bevorzugtes Verfahren zum Streuen eines kurzen, optischen Pulses besteht darin, denselben durch ein Material mit unterschiedlichen Brechungsindizes für unterschiedliche Wellenlängen zu leiten. Da sich Licht unterschiedlicher Wellenlängen in dem Material mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet, wird der Eingangspuls zeitlich gestreut. Fig. 2 zeigt eine optische Faser 130, die als eine Streueinrichtung wirken kann. Um die Rückausbreitungsberechnung zu vereinfachen, wird vorgezogen, daß die Streuung linear ist (d. h. keine wesentliche intensitätsabhängige Veränderung des Brechungsindex), wobei die Streuung genau bekannt sein sollte. Mit einer Linearstreueinrichtung werden bei der Streuung keine neuen Frequenzen erzeugt. Der Eingangspuls 101 tritt in ein Ende 132 der optischen Faser 130 ein und verläßt dieselbe an dem anderen Ende 136 als ein gestreuter Puls 108. Die Charakteristika der Streueinrichtung können mathematisch mit einer Übertragungsfunktion beschrieben werden, die üblicherweise durch H(v) dargestellt ist, wobei v die Frequenz ist. Der Eingangspuls, der Elektrisches-Feld-Charakteristika von Ein(t) aufweist, verläßt die Streueinrichtung 130 als ein Puls mit Charakteristika Edisp(t), wobei t die Zeit ist. Da gegenwärtig verfügbare Detektoren und Oszilloskope nicht in der Lage sind, sehr kurze Pulse zu erfassen, wird der Grad der zeitlichen Verbreiterung durch die Auswahl der Länge und der Brechungsindexcharakteristika der optischen Faser ausgewählt, um es dem Diskriminator 110 zu ermöglichen, den gestreuten Puls 108 unter Verwendung von gegenwärtig verfügbaren Detektoren zu analysieren.
Ein alternatives Beispiel der Streueinrichtung 106 ist ein Prismensystem 140, das in Fig. 3 gezeigt ist. In der Streueinrichtung gelangt der Eingangspuls 101 durch ein erstes Prisma 142, das Komponenten unterschiedlicher Wellenlängen des Eingangspulses unterschiedlich bricht, was zu einem aufgeweiteten Strahl 144 führt. Der aufgeweitete Strahl 144 wird durch ein zweites Prisma 146 geleitet, das derart angeordnet ist, um den aufgeweiteten Strahl 144 zu kollimieren. Die Brechungsindizes der Prismen werden derart ausgewählt, daß Licht unterschiedlicher Wellenlängen (d. h. unterschiedlicher Frequenzen) mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Prismen gelangt, um zu einer ausreichenden zeitlichen Verbreiterung des Eingangspulses zu führen, den der Diskriminator analysieren kann. Es sei darauf hingewiesen, daß andere Vorrichtungen, die in der Lage sind, es unterschiedlichen Frequenzkomponenten des Eingangspulses zu ermöglichen, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten geleitet zu werden, als eine Streueinrichtung verwendet werden können. Derartige Vorrichtungen können feste, flüssige oder gasförmige Materialien enthalten.
Ein weiteres Beispiel einer Streueinrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Der Eingangspuls 101 trifft auf ein erstes Beugungsgitter 162 auf, das Komponenten unterschiedlicher Frequenzen auffächert, was zu einem breiteren gebeugten Strahl 106 führt. Der gebeugte Strahl 106 trifft auf ein zweites Beugungsgitter 168 auf, das den gebeugten Strahl 106 wieder zurück zu einem kollimierten Strahl 108 leitet, der geeignet ist, um durch den Analysator 120 verarbeitet zu werden. Die Komponenten unterschiedlicher Frequenzen durchlaufen unterschiedliche Pfadlängen, was zu einem zeitlich verbreiterten Puls führt. Da Gitter Wellenlängen, die kontinuierlich verteilt sind, aufteilen können, werden die Charakteristika und die Positionierung der beiden Beugungsgitter derart ausgewählt, daß der resultierende gestreute Puls 108 zeitlich zu einem Grad verbreitert wird, der geeignet ist zur Analyse durch den Diskriminator ist.

Analysator

Der bevorzugte Diskriminator 110, der die Intensitäts- und Phasencharakteristika des gestreuten Pulses 108 analysiert, ist in der Lage, den gestreuten Puls optisch in eine Form umzuwandeln, die es ermöglicht, daß die Phasencharakteristika des Pulses bestimmt werden. Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Diskriminators, der es ermöglichen kann, daß die Phasencharakteristika basierend auf Intensitätsmessungen bestimmt werden. In Fig. 5 umfaßt der Diskriminator 110 optische Fasern. Der gestreute Puls 108 tritt in eine optische Faser 250 ein, die sich in zwei Zweige 252, 254 mit unterschiedlichen Pfadlängen aufteilt.
So wird der gestreute Puls 108, wenn er auf die Zweige 252, 254 trifft, in zwei Abschnitte unterteilt. Weiter entlang der Pfade, die von den beiden Abschnitten des aufgeteilten Pulses durchlaufen werden, laufen diese beiden Zweige 252, 254 in eine einzelne Faser 256 zusammen, wodurch die beiden Abschnitte des aufgeteilten Pulses in einen kombinierten Puls kombiniert werden. Aufgrund des Unterschieds der Pfadlängen, die die beiden Abschnitte des aufgeteilten Pulses durchlaufen, können optische Phaseninformationen aus dem Interferenzmuster des kombinierten Pulses erhalten werden, was bei diesem Ausführungsbeispiel zu der Strahlung 111 (siehe Fig. 1 und 5) führt. Die Strahlung 111 des kombinierten Pulses trifft auf den Detektor 112, z. B. eine Photodiode, auf. Signale, die in dem Detektor resultieren, können dann gesammelt und nachfolgend durch den Informationsprozessor 116, z. B. einen Computer, analysiert werden, um die Phasen- und Intensitätscharakteristika des gestreuten Pulses zu bestimmen und die Rückausbreitung eines Pulses mit diesen Charakteristika durch die Streueinrichtung zu berechnen, um die Charakteristika des Eingangspulses zu erhalten. Wie bereits angedeutet wurde, wird die Streuung des Eingangspulses, damit dieses Verfahren gut funktioniert, ausgewählt, um ausreichend zu sein, daß der gestreute Puls durch den Detektor 112 erfaßt werden kann. Der gestreute Puls weist vorzugsweise eine Pulsbreite von mehr als etwa 10 ps, noch bevorzugter von mehr als 40 ps auf.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Diskriminators. In diesem Fall trifft der gestreute Puls 108 auf einen Strahlteiler 240 auf, der den optischen Puls in zwei Abschnitte 262, 264 aufteilt. Ein Abschnitt 264 wird in Richtung eines ersten Spiegels 266 geleitet und von demselben zu dem Strahlteiler 260 zurückreflektiert. Der andere Abschnitt 262 wird in Richtung eines zweiten Spiegels 268 geleitet und von demselben zu dem Strahlteiler 260 zurückreflektiert. Der Abstand L1 von dem Strahlteiler 260 zu dem ersten Spiegel 266 unterscheidet sich von dem Abstand L2 von dem Strahlteiler zu dem zweiten Spiegel 268. An dem Strahlteiler 260 wird der Puls, der durch den zweiten Spiegel 268 reflektiert wurde, reflektiert und geleitet, um sich auf dem gleichen Pfad wie der Puls zu bewegen, der durch den ersten Spiegel 266 reflektiert wurde. Dies führt zu einem kombinierten Puls 111, der eine optische Interferenz aufweist.
Ein weiteres Beispiel eines Diskriminators ist in Fig. 7 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel trifft der gestreute Puls 108 auf einen Strahlteiler 270 auf und wird aufgeteilt. Ein Abschnitt 271 des Pulses bewegt sich zu einem halbdurchlässigen Spiegel 272. Ein weiterer Abschnitt 273 des Pulses wird zu einem ersten Spiegel 274 und dann zu einem zweiten Spiegel 276 geleitet, bevor er zu dem halbdurchlässigen Spiegel 272 geleitet wird, um sich mit dem Abschnitt 271 zu kombinieren, um zu dem kombinierten Puls 111 zu führen. So wird der gestreute Puls 108 in zwei Abschnitte aufgeteilt, die sich durch Pfade mit ungleichen Längen bewegen und kollimieren oder rekombinieren, um zu einer optischen Interferenz zu führen. Derartige Diskriminatoren, die den gestreuten Puls auf Pfade mit ungleichen Längen aufteilen, werden aufgrund der Verzögerung des Pulses auf dem längeren Pfad gegenüber dem kürzeren Pfad "Verzögerungsleitungsdiskriminatoren" genannt. Mit den obigen Diskriminatoren können die Intensitäten Ia(t), Ib(t) der beiden Abschnitte des gestreuten Pulses und die Intensität des Interferenzmusters If(t) gemessen werden, wobei dann die Phasencharakteristika des gestreuten Pulses berechnet werden können.
Bei einem weiteren Beispiel des Analysators, wobei ein Abschnitt desselben in Fig. 8A gezeigt ist, wird der gestreute Puls 108 durch ein Beugungsgitter 180 gebeugt, das die Komponenten unterschiedlicher Wellenlängen (λ) räumlich aufweitet, um zu einem aufgeweiteten Puls 278 zu führen. Der aufgeweitete Puls 278 trifft auf eine Streifenkamera 280 auf, die Elektronen als eine Funktion der Intensität des Lichts, das in dieselbe gelangt, emittiert. Ein zeitveränderliches elektrisches Feld wird in einer Richtung senkrecht zu dem Pfad der Elektronen, z. B. in die Seite aus Fig. 8A hinein, angelegt. Ein zweidimensionaler Elektronenbilderzeuger oder Detektor 281 an dem Ende der Streifenkamera gegenüber dem Lichteinlaßende bildet die emittierten Elektronen ab und wandelt das Licht, das in die Streifenkamera gelangt, in elektrische Signale um. Das zeitveränderliche elektrische Feld kann z. B. eine rampenförmige Amplitudenveränderung aufweisen. Dies bewirkt, daß die Elektronen, die mit der Zeit durch die Streifenkamera gelangen, an unterschiedlichen Orten in dem Bilderzeuger 281 erfaßt werden, der ein Bild 279 erzeugt. Deshalb kann der zweidimensionale Elektronenbilderzeuger 281 die Beziehung zwischen den Wellenlängen (λ&sub1;, λ&sub2;, ..., λN) und den Intensitäten der Komponenten des gebeugten Pulses als eine Funktion der Zeit zeigen, was ein Spektrogramm liefert. Die Streueinrichtung streut den Eingangspuls auf eine Pulsbreite, die ausreichend breit ist, um durch die Streifenkamera analysiert zu werden, d. h. auf mehr als etwa 5 ps, vorzugsweise auf 10 ps oder mehr.
Die Dichte an einem Ort auf dem Bild 279 zeigt die Intensität des Lichts in dem gestreuten Puls entsprechend einer bestimmten Zeit an. Fig. 8B zeigt ein schematisches Beispiel eines derartigen Spektrogramms. Das Intensitätsmuster bei derartigen Daten kann analysiert werden, um die Leistung des Pulses bei jeder Wellenlänge zu erhalten. Die elektrischen Signale können z. B. durch einen Computer analysiert werden, um die Intensitäts- und Phasencharakteristika des gestreuten Pulses zu erhalten. Verfahren zum Analysieren eines Spektrogramms, um Phaseninformationen eines Pulses zu erhalten, sind in der Technik bekannt. Das Verfahren zum Analysieren von Spektrogrammen bei dem oben erwähnten FROG-Verfahren von Kane u. a. kann z. B. verwendet werden, um Spektrogramme zu analysieren, wie z. B. eines, das dem aus Fig. 8B ähnelt. Die Beschreibung von Kane u. a. bezüglich der Analyse des Spektrogramms wird hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Sobald die Charakteristika des gestreuten Pulses berechnet sind, kann sich der gestreute Puls mathematisch zurück durch die Streueinrichtung 106 ausbreiten, um die Charakteristika des Eingangspulses zu erhalten.
Weitere geeignete Vorrichtungen zum Messen der Amplitude und der Phase des gestreuten optischen Pulses können als ein Diskriminator verwendet werden. Ein weiteres Verfahren zum Bestimmen der Phase des gestreuten Pulses verwendet z. B. eine optische Heterodynerfassung. Fig. 8C zeigt ein Beispiel eines derartigen Diskriminators. Der Diskriminator 110 umfaßt eine Lichtquelle (Laser) 281, die einen Sekundärstrahl 282 mit einer kontinuierlichen Wellenschwingung (mit einer einzelnen Frequenz, z. B. mit v0) emittiert. Dieser Sekundärstrahl 282 und ein Strahl des gestreuten Pulses 108, der Frequenzen aufweist, die z. B. mittig um vs angeordnet sind, treffen auf einen Hochgeschwindigkeitsdetektor 112 auf, um zu elektrischen Signalen 112A zu führen. Ein Strahlteiler 283 kann verwendet werden, um den Sekundärstrahl 282 und den Strahl 108 zu dem Detektor 112 zu reflektieren oder zu leiten. Elektrische Signale 112A können dann durch einen Elektrisches-Signal-Prozessor analysiert werden, der einen Computer, ein Oszilloskop oder dergleichen umfassen kann.
An dem Detektor 112 in Fig. 8C führt die Interaktion der Strahlen 108 und 282 auf eine ähnliche Weise wie die Interferenz der beiden Abschnitte des gestreuten Pulses, der zwischen den zwei Pfaden in den Beispielen aus Fig. 6 und Fig. 9 (unten gezeigt) aufgeteilt wurde, zu Schwebungen. Fig. 8D zeigt die optischen Spektren der beiden Strahlen 108 und 282. Die Kurve 284 stellt die Verteilung der Intensität gegenüber der Frequenz des Strahls des gestreuten Pulses 108 dar, wobei die Linie 285 die Intensität des Strahls des Sekundärstrahls 282 darstellt, wenn jeder Strahl auf den Detektor auftrifft. In Fig. 8E zeigt die Kurve 284A das Spektrum des elektrischen Signals, das ansprechend auf das Kombinieren des Strahls 108 und des Sekundärstrahls 282 erzeugt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Intensität der elektrischen Signale um den Frequenzwert (vs - v0) verteilt ist. Basierend auf den elektrischen Signalen 112A können die Phasen- und Amplitudencharakteristika des gestreuten Pulses in dem Strahl 108 von Fachleuten auf eine ähnliche Weise wie bei dem unten beschriebenen Verfahren, wie in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6, zum Aufteilen eines gestreuten Pulses in zwei Abschnitte bestimmt werden. Die Amplitude (d. h. die Intensität) des Strahls des gestreuten Pulses 108 und die Amplitude des Sekundärstrahls 282 können durch Blockieren jeweils eines Strahls zu einer Zeit bestimmt werden.

Analyse für Phasencharakteristika des Eingangsimpulses unter Verwendung eines Diskriminators mit Pfaden unterschiedlicher Längen

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Charakterisieren eines optischen Eingangspulses definiert, bei dem der Eingangspuls gestreut wird, bei dem die Intensitäts- und Phasencharakteristika des gestreuten Pulses analysiert werden und dann die Intensitäts- und Phaseninformationen bezüglich des Eingangspulses basierend auf einer Rückausbreitung des gestreuten Pulses durch die Streueinrichtung berechnet werden. Da ein optischer Puls durch eine Gleichung beschrieben werden kann, die sein elektrisches Feld beschreibt, beinhaltet das vorliegende Verfahren zur Charakterisierung des Eingangspulses ein Finden des elektrischen Feldes des gestreuten Pulses und ein Rückausbreiten desselben durch die Streueinrichtung. Um die Phasencharakteristika des gestreuten Pulses zu finden, sollte zuerst eine Beziehung zwischen den Phasencharakteristika des gestreuten Pulses und einigen ohne weiteres gemessenen Daten festgelegt werden. In dem Fall, in dem der gestreute Puls in zwei Abschnitte aufgeteilt wird, sind die ohne weiteres gemessenen Daten die Intensitätsdaten des Interferenzmusters und in den beiden Abschnitten.
Mathematisch kann das elektrische Feld des gestreuten Pulses als eine Funktion der Zeit dargestellt werden als
Edisp = A(t)exp{j(ω&sub0;t + φ(t))} Gl. (1)
wobei t die Zeit ist, A(t) die Amplitude des elektrischen Feldes des gestreuten Pulses, wo eine konstante Winkelgeschwindigkeit basierend auf der Frequenz des gestreuten Pulses, φ(t) die Phase des gestreuten Pulses und j die Quadratwurzel von -1, d. h. (-1)0,5.
Bei einem Diskriminator, z. B. in den Fig. 5, 6 oder 7, bei dem der gestreute Puls auf zwei Pfade (a) und (b) mit unterschiedlichen Pfadlängen aufgeteilt und dann kollimiert wird, beträgt die Intensität If(t) des Interferenzmusters
If(t) = Edisp(t) + Edisp (t + τ) ² Gl. (2)
wobei x die Zeitverzögerungsdifferenz zwischen dem langen und dem kürzeren Pfad ist. Da
Edisp(t + τ) = A(t + τ)exp{j(ω&sub0;(t + + φ(t + τ))} Gl. (3)
gilt, führt ein Erweitern von If(t) hinsichtlich der Intensitäten Ia (t) und Ib (t) der Abschnitte (a) und (b) zu folgendem Ergebnis:
If(t) = Ia(t) + Ib(t) + 2 Cos(Δφ(t) + φ&sub0;) Gl. (4)
wobei Δφ(t) der Phasenunterschied zwischen dem Abschnitt (a) und dem Abschnitt (b) zur Zeit t ist, und wobei φ&sub0; eine Konstante ist.
Um die Phase zur Zeit t in dem gestreuten Puls bezüglich t = 0 zu erhalten, kann Δφ(t) integriert werden
φ(t) = (1/τ) Δφ(t')dt' Gl. (5)
wobei t' eine beliebige Zeiteinheit für die Integration der Zeit von 0 bis t ist. So wird eine Beziehung zwischen Ia(t), Ib(t) und φ(t) festgelegt. Die Intensität jedes Abschnitts des gestreuten Pulses kann durch Blockieren eines Pfades des Diskriminators bestimmt werden. Falls dies erwünscht wird, kann die Intensität des gestreuten Pulses direkt gemessen werden. Auf diese Weise kann das elektrische Feld des gestreuten Pulses durch Edisp(t) in dem Zeitbereich dargestellt werden. Das entsprechende elektrische Feld in dem Frequenzbereich Edisp(ν) kann dann berechnet werden.
Wenn die Charakteristika der Streueinrichtung bekannt sind, die eine Übertragungsfunktion in dem Frequenzbereich von H(ν) aufweist, kann das elektrische Feld des Eingangspulses durch Berechnen einer Rückausbreitung des gestreuten Pulses durch die Streueinrichtung bestimmt werden:
Ein (v) = H&supmin;¹(ν)·Edisp(ν) Gl. (6)
Durch Nehmen der inversen Fourier-Transformierten, die durch F' dargestellt wird, ist das elektrische Feld des Eingangspulses in dem Zeitbereich
Ein (t) = F&supmin;¹{Ein (ν)} Gl. (7)

Berechnung mit numerischen Daten

In einer Echtzeitimplementierung des obigen Verfahrens der Analyse von Phaseninformationen werden numerische Intensitätsdaten zu diskreten Zeitintervallen gesammelt. Verfahren zur diskreten Datensammlung und Berechnung von ungefähren kontinuierlichen Signalverläufen sind in der Technik bekannt. Um das Verständnis des Merkmals zu erleichtern, wird im folgenden kurz ein darstellendes Beispiel beschrieben.
Bei diesem Beispiel wurde der Eingangspuls durch eine Streueinrichtung geleitet, wobei der gestreute Puls in zwei Abschnitte auf zwei Pfade mit ungleichen Längen (in Fig. 6 gezeigt) aufgeteilt wurde, um zu einer optischen Interferenz zu führen. Drei Sätze von Intensitätsdaten wurden bei diskreten Zeitintervallen genommen: die Intensität der beiden Abschnitte, Iai und Ibi, sowie die Intensität des resultierenden Interferenzmusters, Ifi, wobei i die Datenpunktzahl bezüglich der Zeit ist. Die Intensität jedes der aufgeteilten Abschnitte des Pulses kann direkt gemessen werden, ohne daß eine Interferenz stattfindet (z. B. durch Blockieren eines der aufgeteilten Abschnitte, wobei sich der andere aufgeteilte Abschnitt entlang des Pfades bewegen kann).
Basierend auf den Intensitäten des Interferenzmusters, Ifi, dem Signal des ersten Abschnitts des aufgeteilten Pulses (z. B. willkürlich als Abschnitt (a) bezeichnet) und dem Signal des zweiten Abschnitts (z. B. willkürlich als Abschnitt (b) bezeichnet) wird die Phasenbeziehung zwischen den Abschnitten gegeben durch
CosΔφi = {Ifi - Iai - Ibi}/{2 } Gl. (8)
wobei Δφi die Phase der Intensitätsränder des Interferenzmusters ist, wie dasselbe durch einen Detektor gesehen wird. Dies entspricht der Gleichung (4). In Gleichung (8) entsprechen Ifi, Iai und Ibi, die in einer diskret numerischen Form vorliegen, If(t), Ia(t) und Ib(t) aus Gleichung (4).
Es kann sich zeigen, daß Δφi durch direktes Substituieren von Werten von Ifi, Iai und Ibi in Gleichung (8) und durch Nehmen des Arkuskosinus der rechten Seite der Gleichung bestimmt werden kann. Da viele der Iai- und Ibi-Daten etwa Null sind, weisen die resultierenden Werte von cosΔφi jedoch oft unendliche Werte auf. Ein praktisches Verfahren, das gleichwertig zum Finden des Arkuskosinus in Gleichung (8) ist, um Δφi aus Datenpunkten zu finden, besteht in einem Anpassen einer Kurve, um zwischen Datenpunkten zu interpolieren, um die Frequenz bei Nulldurchgängen und für die Datenpunkte auf der Kurve von cosΔφi zu bestimmen. Die Summierung in Radian der Zahl von Zyklen von einer Zeit 0 bis zu einer spezifischen Zeit i ergibt Δφi. Verfahren zum Finden von augenblicklichen Frequenzen an Punkten entlang einer zeitbasierenden Kurve sind in der Technik bekannt. Ein Weg, die Frequenzen an den Datenpunkten zu finden, besteht z. B. in der Verwendung eines analytischen Funktionsverfahrens durch eine Interpolation zwischen den Datenpunkten (siehe "Time-Frequency Distributions - A Review" von Leon Cohen, Proceedings of IEEE, Bd. 77, Nr. 7, Juli 1989, wobei dieses Verfahren hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird).
Nach dem Erhalt der Frequenzen an den Datenpunkten von cosΔφi wandeln die folgenden Gleichungen diese Frequenzen in ihre entsprechende optische Phase um:
Δφi = 2π vp·Δt Gl. (9)
und
φi = 2π {(Δφi)p/τ}·Δt Gl. (10)
wobei νp die Frequenz an dem Datenpunkt p ist, Δt die Zeit zwischen Abtastpunkten, i die Verzögerung zwischen den beiden Abschnitten des aufgeteilten Pulses und φi die Phase des gestreuten Pulses an dem Punkt i. Die Gleichung (10) ist ein diskretes numerisches Äquivalent der Gleichung (5). Auf diese Weise kann die Phase des gestreuten Pulses vollständig charakterisiert werden. Es sei darauf hingewiesen, daß, obwohl ein Summierungsverfahren basierend auf diskreten numerischen Punkten für Phasenberechnungen verwendet wird, eine derartige Summierung lediglich eine Weise ist, um sich der Mathematik der Integration anzunähern, wobei darauf hingewiesen wird, daß andere elektronische Verfahren zum Berechnen der Integration verwendet werden können.
Aus den Intensitäts- und Phaseninformationen jedes der Datenpunkte kann der gestreute Puls mathematisch zurückaufgeweitet werden, um den Eingangspuls zu erhalten. Dies kann durchgeführt werden, indem zuerst das elektrische Feld des gestreuten Pulses bestimmt wird. Die Phasencharakteristika des gestreuten Pulses und die des Pulses im Abschnitt (a) sind gleich. Da die Intensität des gestreuten Pulses von der des Pulses im Abschnitt (a) um nur einen konstanten Faktor abweicht, und da die Form des Pulses im Abschnitt (a) bekannt ist, kann das elektrische Feld des gestreuten Pulses ohne weiteres bestimmt werden. Falls dies erwünscht wird, kann die Intensität des gestreuten Pulses direkt durch den Detektor gemessen werden. Tatsächlich ist bei der Charakterisierung eines Pulses, sobald die Form des Pulses bekannt ist, der absolute Wert der Intensität nicht wichtig. Das elektrische Feld des Abschnitts (a) als eine Funktion der Zeit, i, beträgt
Edisp(i) = {Idisp((i)}1/2·exp{j·(ω&sub0;i + F(i))} Gl. (11)
wobei t die Phase zur Zeit i ist und ω&sub0; eine Konstante.
Die optische Intensität des gestreuten Pulses beträgt dann
Idisp(i) = Edisp(i) ² Gl. (12)
Durch Nehmen der Fourier-Transformierten von Edisp(i) kann der Puls in dem Frequenzbereich als Edisp (ν) = F{Edisp(i)} erhalten werden. Wenn die Streucharakteristika der Streueinrichtung bekannt sind, kann die Rückausbreitung des gestreuten Pulses durch die Streueinrichtung berechnet werden. Die Übertragungsfunktion der Streueinrichtung kann durch H(ν) = e-j 0(ν) dargestellt werden, wobei D(ν) die Streuung der Streueinrichtung als eine Funktion der Frequenz ν ist. Das elektrische Feld im Zeitbereich Ein(t) des Eingangspulses wird durch Multiplizieren von Edisp(ν) mit dem Kehrwert der Übertragungsfunktion H(ν) in dem Frequenzbereich und durch Nehmen der inversen Fourier- Transformierten, um den Zeitbereich umzuwandeln, wie oben in den Gleichungen (6) und (7) beschrieben wird, erhalten. Der Wert von ω&sub0; in der Gleichung (1), bezogen auf die Mittenfrequenz des gestreuten Pulses, kann durch Spektrographen oder ähnliche Frequenzmeßvorrichtungen, die in der Technik bekannt sind, bestimmt werden.

Beispiel

Fig. 9 zeigt die Intensitätsdaten, die von einem Detektor erhalten werden, der die Lichtintensität an dem Ausgangsende eines Diskriminators, der zwei Pfade aufweist, wie in Fig. 6 gezeigt ist, gemessen hat. Der optische Eingangspuls wird zuerst durch eine Streueinrichtung geleitet, bevor er durch den Diskriminator läuft. Um die Auswertung des Verfahrens zu erleichtern, wurde ein Eingangspuls mit einer bekannten Volle-Breite-Halbes-Maximum-Intensität mit einer Breite von 0,6 ps bei einer Wellenlänge von 1.550 nm verwendet, obwohl auch unbekannte Eingangspulse mit anderen Formen und Pulsbreiten mit dem vorliegenden Verfahren charakterisiert werden können. Die Streueinrichtung war eine optische Faser (Corning SMF-28) mit einer Länge von etwa 6 km. Ein Diskriminator, der dem aus Fig. 6 ähnelt, kann ebenfalls hergestellt werden, indem z. B. der Ausgang zweier optischer Fasern unter Verwendung eines kommerziell verfügbaren verzweigten Kopplungselements kollimiert wird, oder indem optische Fasern und Strahlteilerwürfel mit dem Strahlteilen und Zusammenführen durch eine Anordnung, die ähnlich wie die aus Fig. 7 oben ist, verwendet werden. Ein 54124T-50-GHz-Oszilloskop von Hewlett Packard mit einem PD- 10-Detektor wurde als der Detektor 112 verwendet, um die Intensität von Licht 111, das aus dem Faseroptikdiskriminator 110 austritt, wie in Fig. 1 gezeigt ist, zu messen. Die Kurve 302 in Fig. 9 stellt die Intensität Iai des Abschnitts (a) des aufgeteilten Pulses dar. Die Kurve 306 stellt die Intensität Ibi des Abschnitts (b) des aufgeteilten Pulses dar. Die Kurve 310 stellt die optischen Interferenzsignale, die Spitzen 314 aufweisen, dar. Es ist jedoch nicht notwendig, daß die beiden Abschnitte in ihrer Intensität unterschiedlich sein müssen, damit das System funktioniert. In den Fig. 9, 12, 13 und 15 sind die Intensitätsdaten in beliebigen Einheiten gezeigt.
Wahlweise können, wenn ein Rauschen mit identifizierbaren Frequenzen aus den Intensitätsdaten identifiziert werden kann, um sauberere Linien in einem Graphen von Iai und Ibi zu erhalten, die Daten von Iai und Ibi gefiltert werden. Dieser Filterungsschritt wird jedoch nicht erfordert, damit das Pulscharakterisierungsverfahren funktioniert. Bei diesem Beispiel wurde eine Fourier-Transformation bezüglich der Intensitätsdaten Iai, Ibi und Ifi durchgeführt. Da mit einem bekannten Eingangspuls begonnen wurde und die Charakteristika der Streueinrichtung bekannt waren, und ferner bekannt ist, daß der Detektor nicht in der Lage war, auf sehr hohe Frequenzen zu antworten, wurde aus dem Ergebnis der Fourier-Transformation bestimmt, daß es ein Rauschen in dem höheren Frequenzbereich gab. Die Daten wurden gefiltert, um die höheren Frequenzen mit einer ausgewählten Filterbreite und einer ausgewählte 71 Filtergrenze in der Frequenzbereichseinheit j zu entfernen. Die entsprechenden Punkte in cosΔφi wurden gemäß cer Gleichung (8) bestimmt. In Fig. 10 zeigt sich die Kurve 318 als eine kontinuierliche Kurve cosΔφi, die durch eine Interpolation aus den Daten von Iai und Ibi abgeleitet wurde.
Eine Fourier-Transformation wurde dann mit den Daten von cosΔφi durchgeführt. Das Ergebnis zeigte, daß es nur eine Hauptfrequenzspitze gab, was anzeigt, daß der Puls hauptsächlich einen linearen Chirp oder eine lineare Frequenzwobbelung aufwies, d. h. daß die Frequenzcharakteristika in dem Puls eine konstante Veränderung mit der Zeit aufwiesen. Da bekannt ist, daß Kosinusfunktionen die Abszisse gleichmäßig kreuzen, wurden, um das Verständnis zu erleichtern, die Datenpunkte der Kosinusfunktion, d. h. cosΔφj, abgeleitet von den gefilterten Daten von Iai und Ibi, gefiltert, um eine Vorspannung zu entfernen, derart, daß die Amplitude der Kurve von cosΔφi mittig entlang der Abszisse angeordnet ist, die den Ursprung schneidet. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß dieser Filterungsschritt ebenfalls wahlweise ist. Wieder kann, wenn ein Rauschen mit identifizierbaren Frequenzen gefunden wird, falls dies erwünscht wird, gefiltert werden. In Fig. 11 zeigt die Kurve 326 das gefilterte cosΔφi. Auf der Kurve 326 stellen die +-Zeichen Punkte dar, die von gefilterten Datenpunkten abgeleitet sind.
Eine analytische Funktion (siehe "Time-Frequency Distributions - A Review" von Leon Cohen, Proceedings of IEEE, Bd. 77, Nr. 7, Juli 1989) wurde verwendet, um die augenblickliche Frequenz zu bestimmen, die jedem Datenpunkt auf der Kurve aus Fig. 11 zugeordnet ist. Alternativ können die Frequenzen durch Anpassen der Kurve gefunden werden, um jeden Nulldurchgangspunkt zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in Fig. 12 gezeigt, in der die Kurve 330 die augenblicklichen Frequenzen, in Gigahertz, der Frequenzvariation über den Abschnitt (a) des gestreuten Pulses darstellt, wobei die Kurve 334 die Intensitäten für Iai als Funktionen der Zeit, die in Picosekunden gegeben ist, darstellt.
Unter Verwendung der Gleichungen (9) und (10) wurden die Phasenwerte für den Abschnitt (a) der aufgeteilten Pulsdaten, Iai, berechnet. In Fig. 13 zeigt die Kurve 338 die Phasendaten, wobei die Kurve 342 die Intensitätsdaten des Abschnitts (a) des gestreuten Pulses als Funktionen der Zeit zeigt. Das elektrische Feld und Intensitätsdaten wurden unter Verwendung der Gleichungen (11) und (12) erhalten. Die Phasenwerte werden in Radian ausgedrückt. Fig. 13 zeigt deutlich, daß sich die Phase in dem gestreuten Puls kontinuierlich mit der Zeit verändert.
Basierend auf den Intensitäts- und Phasendaten des Abschnitts (a) des aufgeteilten Pulses wurde das elektrische Feld des gestreuten Pulses bestimmt. Es sei darauf hingewiesen, daß das elektrische Feld gleichermaßen aus den Intensitäts- und Phasendaten des Abschnitts (b) hätte bestimmt werden können. Der resultierende gestreute Puls wurde dann mathematisch durch das folgende Verfahren zurück durch die Streueinrichtung (optische Faser) aufgeweitet. Das elektrische Feld des gestreuten Pulses wurde durch die Gleichung (11) gegeben. Edisp(t) wird diskret-numerisch durch Edisp(i) dargestellt. Eine Fourier-Transformation wurde bezüglich Edisp(i) durchgeführt, um Edisp(ν) in dem Frequenzbereich zu erhalten. Die Charakteristika des Eingangspulses wurden dann durch Durchführen der Operation aus Gleichung (6), Ein (ν) = H&supmin;¹ (ν) ' EdiSp (ν) bestimmt. Wenn die inverse Fourier-Transformierte von Ein(ν) genommen wurde, wurden die Werte von Ein(i) gefunden. Die Kurve 342 in Fig. 14 zeigt die Phasencharakteristika, wobei die Kurve 348 in Fig. 15 die Intensitätscharakteristika des Eingangspulses Ein(i) zeigt. Die Phase ist in Radian, wobei die x-Achse die Zeit in Picosekunden ist. In Fig. 15 ist, wie vorher angemerkt wurde, die optische Intensität in einer willkürlichen Einheit, wobei die Zeit in Picosekunden vorliegt. Bei dem vorliegenden Beispiel war die Übertragungsfunktion, die die Streucharakteristika der Optische-Faser- Streueinrichtung darstellt, nicht genau bekannt. Die Ungenauigkeit der Übertragungsfunktion kann zu Artefakten in der Phasenkurve in Fig. 14 führen. Um derartige Artefakte zu reduzieren, kann eine Streueinrichtung ausgewählt und sorgfältig ausgewertet werden, um die Übertragungsfunktion desselben mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
Unter Verwendung dieses Verfahrens können sehr kurze optische Pulse charakterisiert werden. Tatsächlich kann dieses Verfahren verwendet werden, um die kürzesten optischen Pulse zu charakterisieren, die derzeit technisch möglich sind.

Claims

1. Vorrichtung (100) zum Charakterisieren eines optischen Pulses (101), mit folgenden Merkmalen:

(a) einer optischen Streueinrichtung (106) zum zeitlichen Streuen des optischen Pulses (101), um einen gestreuten Puls (108) zu erzeugen, wobei die Intensität und die Phase des gestreuten Pulses eine zeitliche Variation aufweisen; und

(b) einer Analysatoreinrichtung (120) zum Empfangen des gestreuten Pulses (108), zum Erzeugen von Daten, die die zeitliche Variation der Intensität und der Phase des gestreuten Pulses (108) darstellen, um Charakteristika des optischen Pulses (101) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Charakteristika der Streueinrichtung bekannt sind, derart, daß eine Rückausbreitung des gestreuten Pulses durch die Analysatoreinrichtung berechnet werden kann.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die optische Streueinrichtung (106) dahingehend linear ist, daß keine neuen Frequenzen durch die optische Streueinrichtung (106) erzeugt werden.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Analysatoreinrichtung (120) einen optischen Diskriminator (110) aufweist, der den gestreuten Puls (108) in zwei Abschnitte, die auf zwei Pfaden (252, 254) gehen, aufteilt und die beiden Abschnitte kollimiert, damit ein Interferenzpuls resultiert, der eine optische Interferenz zwischen den beiden Abschnitten des aufgeteilten Pulses aufweist.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der optische Diskriminator (110) ein Diskriminator mit einer optischen Verzögerung ist, der zwei optische Fasern (252, 254) mit ungleichen Längen umfaßt.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der optische Diskriminator (110) einen Strahlteiler (260) und Spiegel (266, 268) umfaßt, derart, daß der gestreute Puls (108) auf Pfade mit ungleichen Längen aufgeteilt wird.

6. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die optische Streueinrichtung (106) eine optische Faser (130) ist.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Analysatoreinrichtung (120) einen Prozessor (116) umfaßt, der betreibbar ist, um die Phasenbeziehung der beiden Abschnitte des aufgeteilten Pulses als AcV1 = cos&supmin;¹{If&sub1; - Ia&sub1; - Ib&sub1;}/{2(Ib&sub1;}/{2(Ib&sub1;·Ia&sub1;)1/2} zu berechnen, wobei If die Intensität des Interferenzpulses ist, Ia die Intensität eines ersten Abschnitts des aufgeteilten Pulses ist, Ib die Intensität eines zweiten Abschnitts des aufgeteilten Pulses ist und I eine Ganzzahl ist, die einer Zeit in dem gestreuten Puls (108) entspricht.

8. Ein Verfahren zum Charakterisieren eines optischen Eingangspulses (101), mit folgenden Schritten:

(a) zeitlichem Streuen des optischen Eingangspulses (101) gemäß bekannten Streucharakteristika, um einen gestreuten Puls (108) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristika des Streuschrittes bekannt sind, derart, daß eine Rückausbreitung des Streuschrittes berechnet werden kann;

(b) Analysieren der Intensitäts- und Phasencharakteristika des gestreuten Pulses (108); und

(c) Berechnen, aus den Intensitäts- und Phasencharakteristika des gestreuten Pulses (108), der Rückausbreitung des gestreuten Pulses (108) durch die Streucharakteristika, die bei dem Streuschritt verwendet werden, um die optischen Charakteristika des optischen Eingangspulses (101) zu erhalten.

9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem in dem Schritt des Streuens die Streucharakteristika dahingehend linear sind, daß durch die Streuung keine neuen Frequenzen erzeugt werden.

10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem der Analysierungsschritt ein Aufteilen des gestreuten Pulses (108) in einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf zwei Pfade (z. B. 252, 254) mit ungleichen Längen und ein Kollimieren der beiden Abschnitte, um zu einer Interferenz zwischen den beiden Abschnitten zu führen, und ein Berechnen der Phasenbeziehung der beiden Abschnitte des aufgeteilten Pulses als Δφ&sub1; = cos&supmin;¹{If&sub1; - Ia&sub1; - Ib&sub1;}/{2(Ib&sub1;}/{2(Ib&sub1;·Ia&sub1;) 112} umfaßt, wobei If die Intensität des Interferenzpulses ist, Ia die Intensität des ersten Abschnitts des aufgeteilten Pulses ist, Ib die Intensität des zweiten Abschnitts des aufgeteilten Pulses ist und I eine Ganzzahl ist, die einer Zeit in dem gestreuten Puls entspricht.