WO2005031377A1 - Verfahren zum bestimmen des frequenzgangs eines elektrooptischen bauelements - Google Patents

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optical
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optical component
fmess
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Dieter Huhse
Olaf Reimann
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Technische Universitaet Berlin
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Technische Universitaet Berlin
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/16—Spectrum analysis; Fourier analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2607—Circuits therefor
    • G01R31/2632—Circuits therefor for testing diodes
    • G01R31/2635—Testing light-emitting diodes, laser diodes or photodiodes

Definitions

  • the invention is based on the object of specifying a method for determining the frequency response of an electro-optical component, in particular for example a light-generating or light-modulating component, which can be carried out very easily.
  • a method is provided according to which optical pulses are generated with a first optical carrier frequency and with a predetermined pulse frequency.
  • the electro-optical component the frequency response of which is to be determined, is controlled with an electrical measurement signal with a predetermined measurement frequency in such a way that it forms an optical output signal modulated with the measurement frequency with a predetermined second optical carrier frequency.
  • the measurement frequency is chosen such that it is an integral multiple of the pulse frequency of the optical pulses plus a predetermined frequency offset.
  • the optical pulses and the optical output signal are subjected to a frequency mixing together, at least one mixing product of the optical mixing products formed in the frequency mixing being detected, the modulation frequency of which corresponds to the predetermined frequency offset.
  • the frequency response of the electro-optical component is then determined on the basis of the size, in particular the power, the amplitude or the effective value, of the selected mixed product.
  • the detection of the mixed product and the determination of the frequency behavior of the electro-optical component is carried out successively for all measurement frequencies which correspond to an integral multiple of the pulse frequency of the optical pulses plus the predetermined frequency offset and which lie within a predetermined frequency band within which the frequency behavior of the electro-optical component is to be determined.
  • An essential advantage of the method according to the invention is that it can be carried out very easily, since, for example, a pulse laser used to generate the optical pulses always only has to be controlled with one and the same pulse frequency. Since pulses are generated with the pulse laser, the frequency spectrum of the optical output signal generated by the pulse laser has a very wide frequency spectrum, which extends into the range of up to several 100 GHz.
  • the frequency spectrum of the pulse laser consists of a frequency comb with a line spacing that corresponds to the pulse frequency.
  • the power spectrum of the laser pulses consists of lines with frequencies n * fp (fp: pulse frequency), where n denotes an integer.
  • Each of the spectral lines of the frequency comb has an intensity Rn.
  • the frequency spectrum of the electro-optical component can now be determined for all measuring frequencies which correspond to an integral multiple of the pulse frequency plus a predetermined frequency offset (e.g. 1 kHz).
  • a predetermined frequency offset e.g. 1 kHz.
  • the method according to the invention therefore has the advantage that the frequency response of the electro-optical Component can be determined for different measurement frequencies, although only one measurement variable with one and the same modulation frequency, namely with the predetermined frequency offset, must always be evaluated.
  • the predetermined frequency offset which defines the mixed products to be detected, can have a positive or negative amount. This means that a frequency can be selected as the measurement frequency which can be an integer multiple of the pulse frequency of the optical pulses plus or minus a predetermined (positive) frequency offset.
  • the mixed products only those are detected which have the difference frequency from the first and the second optical carrier frequency as the optical carrier frequency.
  • the spectral line strength of the optical pulses is determined in advance and taken into account when determining the frequency behavior of the electro-optical component.
  • the “spectral line strengths” can be determined, for example, by Fourier transformation of the autocorrelation of the optical pulses.
  • the spectral line strength of the spectral line strength of the spectral line strength of the predetermined pulses of the optical pulses is preferably taken into account, the spectral line frequency of which corresponds to the difference frequency between the respective measurement frequency and the predetermined frequency offset.
  • the spectral line strengths of the optical pulses can be taken into account in a particularly simple manner and thus advantageously by indicating the intensity of the selected mixed product
  • Mixed product intensity value is divided by a spectral line value which indicates the spectral line strength of the spectral energy of the optical pulses belonging to the selected mixed product.
  • a frequency response value of the electro-optical component is formed by this division.
  • a nonlinear element is preferably used to form the optical mixed products, through which the optical pulses and the optical output signal are radiated.
  • a 2-photon detector can also be used to form and / or detect the optical mixed products.
  • an optical rectifier in particular for example a nonlinear crystal, can also be used to form and / or detect the optical mixed products.
  • the measurement frequency can preferably be calculated according to the following determination equation:
  • fmess is the measurement frequency
  • ⁇ f is the frequency offset
  • fp is the pulse frequency
  • the frequency response of an electro-optical component formed from a light source in particular a laser (eg an unpulsed CW laser) or a light-emitting diode, and a modulator
  • a modulator can act, for example, a controllable modulator, that is to say, for example, an electro-optical, electro-acoustic or similar modulator. If an unpulsed laser is used as the light source, the frequency response of the modulator is primarily measured when the method according to the invention is carried out.
  • the frequency response of an optoelectronic transducer can advantageously be determined at the same time by irradiating the optical output signal generated by the electro-optical component into the optoelectric transducer, measuring an electric transducer signal generated by the optoelectric transducer using a transducer measured value and using the Transducer measured value and the measured frequency response of the electro-optical component, the frequency response of the optoelectric converter is determined.
  • the frequency response of the optoelectric converter can be derived in a particularly simple and thus advantageous manner by dividing the measured transducer value by a frequency response value of the electro-optical component.
  • the pulse frequency of the optical pulses is preferably generated with a pulse generator and the measurement frequency of the measurement signal with a sine generator, the two generators being synchronized, for example coupled in a phase-locked manner.
  • the phase response of the electro-optical component can also be measured.
  • a phase signal is preferably generated that indicates the phase difference between the control signal of the pulse laser and the electrical measurement signal.
  • the phase position between the generated phase signal and the detected mixed product is then measured for each of the measurement frequencies, in each case with the formation of a phase measurement value.
  • the phase response of the optoelectric converter can also be measured in a corresponding manner.
  • the invention is also based on the object of specifying an arrangement with which the frequency response of an electro-optical component, in particular a light-generating or light-modulating electro-optical component, can be determined in a very simple manner.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with which the method according to the invention can be carried out
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of an arrangement according to the invention, in which the phase response of an electro-optical component can also be determined
  • Figure 3 shows a third exemplary embodiment of an arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows an electrical high-frequency source 10 (for example a pulse generator) which controls a pulse laser 20.
  • the pulse laser 20 is connected to an optical waveguide 30 with a nonlinear crystal 40, to which a photodetector 50 is coupled on the output side.
  • the nonlinear crystal 40 stands by means of a further optical waveguide 55 electro-optical component 60 in connection, which may be, for example, a light emitting diode or a laser.
  • the electrical control of the electro-optical component 60 is carried out by a second electrical high-frequency source 70 (eg sine generator), which is connected to the first electrical high-frequency source 10 by means of a synchronization line 80.
  • a synchronization signal FT is transmitted via the synchronization line 80.
  • the synchronization signal FT can have a frequency of 10 MHz, for example.
  • the spectral lines with the frequencies n * fp each have the intensity In.
  • the half-value width of the laser pulses is chosen so that at the maximum measurement frequency required to characterize the electro-optical component 60, a sufficiently strong spectral line is still left or exists within a predetermined frequency band. However, this is easily possible up to frequencies of several 100 GHz, since correspondingly short pulses can easily be generated with commercially available pulse lasers.
  • the exact strength or intensity of the individual spectral lines of the line spectrum of the pulse laser 20 can be easily and with high accuracy up to frequencies in the Tera-Hertz range can be measured using a so-called autocorrelator, which is also commercially available.
  • the spectral line marks are formed by the Fourier transform of the autocorrelation of the optical pulses.
  • the frequency response of the electro-optical component 60 is now determined as follows: The electro-optical component 60 is successively in each case with a measurement signal Smess with the frequency fmeas
  • ⁇ f denotes a predetermined, constant frequency offset
  • the electro-optical component 60 then generates an optical output signal Saus with the intensity Dm at the respective frequency fmess, the size Dm describing the frequency behavior of the electro-optical component 60 to be determined at the measurement frequency fmess.
  • a mixed signal M is then formed, which has the following modulation mod:
  • the generated mixed signal M is measured with the photodetector 50 to form a photodetector signal M '.
  • An RF measuring device 100 with a filter 110 and an evaluation device 120 is connected on the output side to the photodetector 50.
  • the mixed product M ′′ is thus obtained, which has the predetermined frequency offset ⁇ f as frequency and whose amount is proportional to the intensity Im * Dm. Since - as explained above - the spectral line strength of the pulse laser 20 and thus the factor Im has already been determined by the autocorrelation measurement, the size Dm can be determined directly from the filtered mixed product M ′′, except for the proportionality factor A
  • Various components such as laser diodes, light-emitting diodes and laser modulator units can be characterized as electro-optical components 60.
  • FIG. 2 shows a modification of the arrangement according to FIG. 1.
  • a first phase position measuring device 200 can be seen, which is connected on the input side to the output of the high-frequency source 10 and to the output of the second high-frequency source 70.
  • the first phase position measuring device 200 is connected to an input E210a of a second one Phase position measuring device 210 connected, the other input E210b of which is connected to the output of the filter 110.
  • the phase response of the electro-optical component 60 is additionally measured with the second phase position measuring device 210.
  • the first phase position measuring device 200 generates a phase signal PL1, which indicates the phase position ⁇ 1 between the control signal SA of the pulse laser 20 and the electrical measurement signal Smess.
  • the second phase position measuring device 210 measures the phase position ⁇ 2 between the generated phase signal PL1 and the phase position ⁇ m of the filtered mixed product M ′′ for each of the measurement frequencies fmess, in each case forming a phase measurement value ⁇ ges (fmess).
  • the phase measured values ⁇ ges (fmess) indicate the phase response of the electro-optical component 60.
  • phase measured values ⁇ ges are transmitted from the second phase position measuring device 210 to the evaluation device 120 and evaluated there or further processed.
  • FIGS. 1 and 2 can also be used to characterize, for example, an electro-optical component 60 which is emitted by a light source, e.g. B. a CW laser, and a modulator is formed. Since the CW laser will generally be less frequency-dependent than the modulator, the mixed product M ′′ at the output of the filter 110 will essentially only describe the frequency response of the modulator.
  • a light source e.g. B. a CW laser
  • FIG. 3 shows, as a third exemplary embodiment, a further modification of the arrangement according to FIG. 1.
  • the electro-optical component 60 to be characterized by a light source 61, e.g. B. a CW laser, and a modulator 62 is formed.
  • the modulator 62 of the electro-optical component 60 is connected via a third optical waveguide 300 to an optoelectric converter 400, which can be a photo detector, for example.
  • the optical output signal Saus generated by the electro-optical component 60 thus also passes via the third optical waveguide 300 to the optoelectric converter 400, which measures the output signal Saus to form a measurement signal or converter signal M2 and transmits the measurement signal M2 to the RF measurement system 120.
  • the HF measuring system 120 now first measures the frequency response of the electro-optical component 60 by means of the photodetector 50.
  • the electrical measuring signal M2 of the opto-electrical converter 400 is then evaluated in the HF measuring system 120, so that the frequency response of the opto-electrical converter is also evaluated 400 is measured.
  • the frequency behavior or the frequency response of the electro-optical component 60 is taken into account here, since the measurement signal M2 reproduces a kind of “superimposition” of the frequency response of the electro-optical component 60 and the frequency response of the opto-electrical converter 400.
  • the frequency response of the electro-optical component 60 is determined, this can be “calculated out” of the measurement signal M2 by the HF measuring system 120, so that despite the “superimposition” only the frequency response of the opto-electrical converter 400 can be determined.
  • the frequency response of the electro-optical component 60 is determined. Since the CW laser 61 will generally be less frequency-dependent than the modulator 62, the mixed product M ′′ at the output of the filter 110 will essentially describe the frequency response of the modulator 62.
  • the phase response of the opto-electrical converter 400 can also be measured by using at least one additional phase position measuring device which measures the phase position between the mixed product M ′′ and the electrical measurement signal M2 of the opto-electrical converter 400 or between the phase signal PL1. as explained in connection with FIG. 2 - and measures the electrical measurement signal M2 of the opto-electrical converter 400 and transmits the respective measurement signal to the evaluation device 120.
  • the "additional" phase position measuring device is not shown in FIG. 3 for the sake of clarity.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen des Frequenzganges eines elektrooptischen Bauelements, insbesondere beispielsweise eines lichterzeugenden oder lichtmodulierenden Bauelements, anzugeben, das sich sehr einfach durchführen lässt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem optische Pulse mit einer Pulsfrequenz (fp) erzeugt werden. Das elektrooptische Bauelement (60) wird mit einem elektrischen Messsignal (Smess) mit einer Messfrequenz (fmess) derart angesteuert, dass ein mit der Messfrequenz (fmess) moduliertes, optisches Ausgangssignal (Saus) gebildet wird. Die Messfrequenz (fmess) beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsfrequenz (fp) zuzüglich eines vorgegebenen Frequenzversatzes (Deltaf). Die Pulse und das Ausgangssignal (Saus) werden gemischt und es wird ein Mischprodukt (M'') detektiert, dessen Modulationsfrequenz dem vorgegebenen Frequenzversatz (Deltaf) entspricht. Das Mischprodukt gibt das Frequenzverhalten des elektrooptischen Bauelements (60) bei der Messfrequenz (fmess) an.

Description

Verfahren zum Bestimmen des Frequenzgangs eines elektrooptischen Bauelements
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen des Frequenzganges eines elektrooptischen Bauelements, insbesondere beispielsweise eines lichterzeugenden oder lichtmodulierenden Bauelements, anzugeben, das sich sehr einfach durchführen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß ein Verfahren vorgesehen,, bei dem optische Pulse mit einer ersten optischen Trägerfrequenz und mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz erzeugt werden. Das elektrooptische Bauelement, dessen Frequenzgang zu bestimmen ist, wird mit einem elektrischen Messsignal mit einer vorgegebenen Messfrequenz derart angesteuert, dass es ein mit der Messfrequenz moduliertes, optisches Ausgangssignal mit einer vorgegebenen zweiten optischen Trägerfrequenz bildet. Die Messfrequenz ist dabei derart gewählt, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsfrequenz der optischen Pulse zuzüglich eines vorgegebenen Frequenzversatzes beträgt. Die optischen Pulse und das optische Ausgangssignal werden gemeinsam einer Frequenzmischung unterzogen, wobei von den bei der Frequenzmischung gebildeten optischen Mischprodukten zumindest ein Mischprodukt detektiert wird, dessen Modulationsfrequenz dem vorgegebenen Frequenzversatz entspricht. Das Frequenzverhalten des elektrooptischen Bauelements wird anschließend anhand der Größe, insbesondere der Leistung, der Amplitude oder des Effektivwerts, des ausgewählten Mischprodukts ermittelt. Die Detektion des Mischprodukts und die Bestimmung des Frequenzverhaltens des elektrooptischen Bauelements wird nacheinander für alle Messfrequenzen durchgeführt, die einem ganzzahligen Vielfachen der Pulsfrequenz der optischen Pulse zuzüglich dem vorgegebenen Frequenzversatz entsprechen und die innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes, innerhalb dessen das Frequenzverhalten des elektrooptischen Bauelements bestimmt werden soll, liegen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es sehr einfach durchgeführt werden kann, da beispielsweise ein zum Erzeugen der optischen Pulse eingesetzter Pulslaser stets nur mit ein und derselben Pulsfrequenz angesteuert werden muss. Da mit dem Pulslaser Pulse erzeugt werden, weist das Frequenzspektrum des vom Pulslaser erzeugten optischen Ausgangssignals ein sehr breites Frequenzspektrum auf, das bis in den Bereich von bis zu mehreren 100 GHz reicht. Das Frequenzspektrum des Pulslasers besteht dabei aus einem Frequenzkamm mit einem Linienabstand, der der Pulsfrequenz entspricht. Mit anderen Worten besteht das Leistungsspektrum der Laserpulse aus Linien mit Frequenzen n*fp (fp: Pulsfrequenz), wobei n eine ganze Zahl bezeichnet. Jede der Spektrallinien des Frequenzkamms weist dabei eine Intensität Rn auf. Das Frequenzspektrum des elektrooptischen Bauelements lässt sich nun für alle Messfrequenzen bestimmen, die einem ganzzahligen Vielfachen der Pulsfrequenz zuzüglich einem vorgegebenen Frequenzversatz (z. B. 1 kHz) entsprechen. Bei einem Mischen der von dem Pulslaser und dem elektrooptischen Bauelement erzeugten optischen Signale tritt u. a. ein Signal mit einer Modulationsfrequenz auf, die dem vorgegebenen Frequenzversatz entspricht. Durch Messen zumindest eines Mischprodukts, dessen Modulationsfrequenz dem Frequenzversatz entspricht, kann somit für jede Messfrequenz das Frequenzverhalten des elektrooptischen Bauelements festgestellt werden.
Zusammengefasst weist das erfindungsgemäße Verfahren also den Vorteil auf, dass der Frequenzgang des elektrooptischen Bauelements für verschiedene Messfrequenzen bestimmbar ist, obwohl stets nur eine Messgroße mit ein und derselben Modulationsfrequenz, nämlich mit dem vorgegebenen Frequenzversatz, ausgewertet werden muss.
Der vorgegebene Frequenzversatz, der die zu detektierenden Mischprodukte definiert, kann einen positiven oder negativen Betrag aufweisen. Dies bedeutet, dass als Messfrequenz eine Frequenz gewählt werden kann, die ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsfrequenz der optischen Pulse zuzuglich oder abzuglich eines vorgegebenen (positiven) Frequenzversatzes betragen kann.
Von den Mischprodukten werden bevorzugt ausschließlich diejenigen detektiert, die als optische Tragerfrequenz die Summenfrequenz aus der ersten und der zweiten optischen Tragerfrequenz aufweisen.
Alternativ, aber ebenfalls bevorzugt, werden von den Mischprodukten ausschließlich diejenigen detektiert, die als optische Tragerfrequenz die Differenzfrequenz aus der ersten und der zweiten optischen Tragerfrequenz aufweisen.
Um eine besonders hohe Messgenauigkeit zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Spektrallinienstarken der optischen Pulse vorab bestimmt und beim Ermitteln des Frequenzverhaltens des elektrooptischen Bauelements berücksichtigt werden. Die „Spektrallinienstarken" können z. B. durch Fouriertransformation der Autokorrelation der optischen Pulse ermittelt sein.
Beim Ermitteln des Frequenzverhaltens des elektrooptischen Bauelements wird von den vorab bestimmten Spektrallinienstarken der optischen Pulse bevorzugt die Spektrallinienstarke jeweils derjenigen Spektrallinie berücksichtigt, deren Spektrallinienfrequenz der Differenzfrequenz zwischen der jeweiligen Messfrequenz und dem vorgegebenen Frequenzversatz entspricht. Die Spektrallinienstarken der optischen Pulse können in besonders einfacher Weise und damit vorteilhaft berücksichtigt werden, indem ein die Intensität des ausgewählten Mischprodukts angebender
Mischproduktmtensitatswert durch einen Spektrallinienwert geteilt wird, der die Spektrallinienstarke der zum ausgewählten Mischprodukt gehörenden Spektrallmie der optischen Pulse angibt. Durch diese Division wird jeweils ein Frequenzgangwert des elektrooptischen Bauelements gebildet .
Zum Bilden der optischen Mischprodukte wird bevorzugt ein nichtlineares Element eingesetzt, durch das die optischen Pulse und das optische Ausgangssignal hindurchgestrahlt werden.
Alternativ kann zum Bilden und/oder Detektieren der optischen Mischprodukte beispielsweise auch ein 2- Photonendetektor eingesetzt werden.
Außerdem kann zum Bilden und/oder Detektieren der optischen Mischprodukte auch ein optischer Gleichrichter, insbesondere beispielsweise ein nichtlinearer Kristall, verwendet werden.
Die Messfrequenz kann vorzugsweise gemäß folgender Bestimmungsgieichung berechnet werden:
fmess = m * fp + Δf
wobei fmess die Messfrequenz, Δf den Frequenzversatz und fp die Pulsfrequenz bezeichnen.
Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren kann beispielsweise der Frequenzgang eines aus einer Lichtquelle, insbesondere einem Laser (z. B. einem ungepulsten CW-Laser) oder einer Leuchtdiode, und einem Modulator gebildetes elektrooptisches Bauelement bestimmt werden. Bei dem Modulator kann es sich beispielsweise um einen ansteuerbaren Modulator, also beispielsweise einen elektrooptischen, elektroakustischen oder dergleichen Modulator, handeln. Wird als Lichtquelle ein ungepulster Laser verwendet, so wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in erster Linie der Frequenzgang des Modulators gemessen.
Außerdem kann in vorteilhafter Weise gleichzeitig der Frequenzgang eines opto-elektronischen Wandlers bestimmt werden, indem das von dem elektrooptischen Bauelement erzeugte optische Ausgangssignal in den optoelektrischen Wandler eingestrahlt wird, ein vom dem optoelektrischen Wandler erzeugtes elektrisches Wandlersignal unter Bildung eines Wandlermesswerts gemessen wird und unter Heranziehung des Wandlermesswertes und des gemessenen Frequenzganges des elektrooptischen Bauelements der Frequenzgang des optoelektrischen Wandlers bestimmt wird.
Der Frequenzgang des optoelektrischen Wandlers kann dabei besonders einfach und damit vorteilhaft abgeleitet werden, indem der Wandlermesswert durch einen Frequenzgangwert des elektrooptischen Bauelements geteilt wird.
Bevorzugt werden die Pulsfrequenz der optischen Pulse mit einem Pulsgenerator und die Messfrequenz des Messsignals mit einem Sinusgenerator erzeugt, wobei die beiden Generatoren synchronisiert sind, beispielsweise phasenstarr gekoppelt sind.
Im Übrigen kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens zusätzlich der Phasengang des elektrooptischen Bauelements gemessen werden. Hierzu wird vorzugsweise ein Phasensignal erzeugt, das die Phasendifferenz zwischen dem Ansteuersignal des Pulslasers und dem elektrischen Messsignal angibt. Die Phasenlage zwischen dem erzeugten Phasensignal und dem detektierten Mischprodukt wird anschließend für jede der Messfrequenzen jeweils unter Bildung eines Phasenmesswertes gemessen. In entsprechender Weise kann auch der Phasengang des optoelektrischen Wandlers gemessen werden.
Der Erfindung liegt darüber hinaus die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, mit der sich der Frequenzgang eines insbesondere lichterzeugenden oder lichtmodulierenden elektrooptischen Bauelements in sehr einfacher Weise bestimmen lasst.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 20 gelost.
Bezuglich der Vorteile der erfindungsgemaßen Anordnung wird auf die obigen Ausfuhrungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemaßen Verfahren verwiesen.
Zur Erläuterung der Erfindung zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Anordnung, mit der das erfindungsgemaße Verfahren durchfuhrbar ist,
Figur 2 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel für eine erfindungsgemaße Anordnung, bei der zusatzlich der Phasengang eines elektrooptischen Bauelements bestimmbar ist, und
Figur 3 ein drittes Ausfuhrungsbeispiel für eine erfindungsgemaße Anordnung.
In der Figur 1 erkennt man eine elektrische Hochfrequenzquelle 10 (z. B. Pulsgenerator), die einen Pulslaser 20 ansteuert. Der Pulslaser 20 ist mit einem Lichtwellenleiter 30 mit einem nichtlinearen Kristall 40 verbunden, an den ausgangsseitig ein Fotodetektor 50 angekoppelt ist. Der nichtlineare Kristall 40 steht mittels eines weiteren Lichtwellenleiters 55 mit einem elektrooptischen Bauelement 60 in Verbindung, bei dem es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode oder einen Laser handeln kann.
Die elektrische Ansteuerung des elektrooptischen Bauelements 60 erfolgt durch eine zweite elektrische Hochfrequenzquelle 70 (z. B. Sinusgenerator), die mit der ersten elektrischen Hochfrequenzquelle 10 mittels einer Synchronisationsleitung 80 verbunden ist. Über die Synchronisationsleitung 80 wird ein Synchronisationssignal FT übertragen. Das Synchronisationssignal FT kann beispielsweise eine Frequenz von einem 10 MHz aufweisen.
Die Anordnung gemäß der Figur 1 wird wie folgt betrieben:
Der Laser 20, bei dem es sich beispielsweise um einen phasenrauscharmen Kurzpulslaser handeln kann, wird durch die erste elektrische Hochfrequenzquelle 10 mit einem Ansteuersignal SA derart angesteuert, dass der Laser 20 kurze Laserpulse mit einer Wiederholrate fp erzeugt. Das Leistungsspektrum dieser optischen Laserpulse besteht damit aus einem Frequenzkamm mit einem Linienabstand fa mit fa=fp, d.h. also aus Spektrallinien mit Frequenzen n*fp, wobei n eine ganze Zahl bezeichnet. Die Spektrallinien mit den Frequenzen n*fp weisen jeweils die Intensität In auf.
Die Halbwertsbreite der Laserpulse wird dabei so gewählt, dass bei der maximal erforderlichen Messfrequenz zum Charakterisieren des elektrooptischen Bauelements 60 innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes noch eine genügend starke Spektrallinie übrig ist bzw. existiert. Dies ist jedoch bis zu Frequenzen von mehreren 100 GHz problemlos möglich, da sich mit kommerziell erhältlichen Pulslasern entsprechend kurze Pulse ohne Weiteres erzeugen lassen.
Die exakte Stärke bzw. Intensität der einzelnen Spektrallinien des Linienspektrums des Pulslasers 20 kann problemlos und mit hoher Genauigkeit bis zu Frequenzen in den Tera-Hertz-Bereich mit Hilfe eines sogenannten Autokorrelators gemessen werden, der ebenfalls kommerziell erhältlich ist. Die Spektrallinienstarken werden dabei durch die Fouriertransformierte der Autokorrelation der optischen Pulse gebildet.
Der Frequenzgang des elektrooptischen Bauelements 60 wird nun wie folgt bestimmt: Das elektrooptische Bauelement 60 wird nacheinander jeweils mit einem Messsignal Smess mit der Frequenz fmess
fmess = m * fp + Δf (m = 1, 2, ... ; Δf = const . )
angesteuert, wobei Δf einen vorgegebenen, konstanten Frequenzversatz bezeichnet.
Das elektrooptische Bauelement 60 erzeugt dann bei der jeweiligen Frequenz fmess ein optisches Ausgangssignal Saus mit der Intensität Dm, wobei die Größe Dm das zu bestimmende Frequenzverhalten des elektrooptischen Bauelements 60 bei der Messfrequenz fmess beschreibt.
Die optischen Pulse des Pulslasers 20 sowie das optische Ausgangssignal Saus des elektrooptischen Bauelements 60 werden nun über die Lichtwellenleiter 30 und 55 in den nichtlinearen Kristall 40 eingestrahlt, so dass es zu einer Mischung bzw. Frequenzmischung der Signale kommt. Es bildet sich dann ein Mischsignal M, das folgende Modulation Mod aufweist :
Mod = ΣInDm ([n -
Figure imgf000010_0001
+ Af)
Das erzeugte Mischsignal M wird mit dem Fotodetektor 50 unter Bildung eines Photodetektorsignals M' gemessen. An den Fotodetektor 50 ist ausgangsseitig eine HF-Messeinrichtung 100 mit einem Filter 110 und einer Auswerteeinrichtung 120 angeschlossen. Das Filter 110 lässt lediglich die Frequenz Δf, also die dem Frequenzversatz entsprechende Frequenz durch. Die übrigen Frequenzen, beispielsweise die Frequenz fp bzw. Vielfache von dieser Frequenz jedoch nicht. Von der Modulation „Mod" bleibt also nur der Anteil für n=m übrig, so dass von der Auswerteeinrichtung 120 der HF- Messeinrichtung 100 nur das Mischprodukt M' ' mit dem vorgegebenen Frequenzversatz Δf als Modulationsfrequenz detektiert bzw. verwertet wird.
Am Ausgang des Filters 110 der HF-Messeinrichtung 100 erhalt man also das Mischprodukt M' ' , das als Frequenz den vorgegebenen Frequenzversatz Δf aufweist und dessen Betrag proportional zu der Intensität Im*Dm ist. Da - wie oben erläutert - die Spektrallinienstarken des Pulslasers 20 und damit der Faktor Im bereits durch die Autokorrelationsmessung bestimmt wurde, kann die Große Dm bis auf den Proportionalitatsfaktor A aus dem gefilterten Mischprodukt M' ' unmittelbar bestimmt werden gemäß
Dm*A = (A*Im*Dm) / Im
Wird diese Messung nun für alle Werte von m durchgeführt, für die die Messfrequenz fmess innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes liegt, so erhält man für dieses vorgegebene Frequenzband den kompletten Frequenzgang des elektrooptischen Bauelements 60.
Als elektrooptische Bauelemente 60 können verschiedenste Komponenten wie beispielsweise Laserdioden, Leuchtdioden und Laser-Modulator-Einheiten charakterisiert werden.
In der Figur 2 ist eine Abwandlung der Anordnung gemäß der Figur 1 gezeigt. Man erkennt zusatzlich zu den bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 erläuterten Komponenten ein erste Phasenlagemesseinrichtung 200, die eingangsseitig an den Ausgang der Hochfrequenzquelle 10 und an den Ausgang der zweiten Hochfrequenzquelle 70 angeschlossen ist. Ausgangsseitig ist die erste Phasenlagemesseinrichtung 200 an einen Eingang E210a einer zweiten Phasenlagemesseinrichtung 210 angeschlossen, deren anderer Eingang E210b mit dem Ausgang des Filters 110 in Verbindung steht .
Mit der zweiten Phasenlagemesseinrichtung 210 wird zusätzlich der Phasengang des elektrooptischen Bauelements 60 gemessen. Hierzu wird mit der ersten Phasenlagemesseinrichtung 200 ein Phasensignal PL1 erzeugt, das die Phasenlage ΔΦ1 zwischen dem Ansteuersignal SA des Pulslasers 20 und dem elektrischen Messsignal Smess angibt.
Mit der zweiten Phasenlagemesseinrichtung 210 wird die Phasenlage ΔΦ2 zwischen dem erzeugten Phasensignal PL1 und der Phasenlage ΔΦm des ausgefilterten Mischprodukts M' ' für jede der Messfrequenzen fmess jeweils unter Bildung eines Phasenmesswertes ΔΦges (fmess) gemessen. Die Phasenmesswerte ΔΦges (fmess) geben den Phasengang des elektrooptischen Bauelements 60 an.
Die Phasenmesswerte ΔΦges werden von der zweiten Phasenlagemesseinrichtung 210 zur Auswerteeinrichtung 120 übertragen und dort ausgewertet bzw. weiterverarbeitet.
Mit den Anordnungen gemäß den Figuren: 1 und 2 kann beispielsweise auch ein elektrooptische Bauelement 60 charakterisiert werden, das durch eine Lichtquelle, z. B. einen CW-Laser, und einen Modulator gebildet ist. Da in der Regel der CW-Laser weniger frequenzabhängig sein wird als der Modulator, wird das Mischprodukt M' ' am Ausgang der Filters 110 im wesentlichen nur den Frequenzgang des Modulators beschreiben.
In der Figur 3 erkennt man als ein drittes Ausführungsbeispiel eine weitere Abwandlung der Anordnung gemäß der Figur 1. Es lässt sich in der Figur 3 erkennen, dass das zu charakterisierende elektrooptische Bauelement 60 durch eine Lichtquelle 61, z. B. einen CW-Laser, und einen Modulator 62 gebildet ist. Der Modulator 62 des elektrooptischen Bauelements 60 ist über einen dritten Lichtwellenleiter 300 mit einem optoelektrischen Wandler 400 verbunden, bei dem es sich beispielsweise um einen Fotodetektor handeln kann. Das von dem elektrooptischen Bauelement 60 generierte optische Ausgangssignal Saus gelangt über den dritten Lichtwellenleiter 300 somit außerdem zu dem optoelektrischen Wandler 400, der das Ausgangssignal Saus unter Bildung eines Messsignals bzw. Wandlersignals M2 misst und das Messsignal M2 zu dem HF-Messsystem 120 übertragt.
Das HF-Messsystem 120 misst nun mittels des Fotodetektors 50 zunächst das Frequenzverhalten des elektrooptischen Bauelements 60. Anschließend wird dann in dem HF-Messsystem 120 das elektrische Messsignal M2 des opto-elektrischen Wandlers 400 ausgewertet, so dass auch der Frequenzgang des opto-elektrischen Wandlers 400 messtechnisch erfasst wird. Dabei wird das Frequenzverhalten bzw. der Frequenzgang des elektrooptischen Bauelements 60 berücksichtigt, da das Messsignal M2 eine Art „Überlagerung" des Frequenzganges des elektrooptischen Bauelements 60 und des Frequenzganges des opto-elektrischen Wandlers 400 wiedergibt. Dadurch, dass zunächst das Frequenzverhalten des elektrooptischen Bauelements 60 ermittelt wird, kann dieses von dem HF- Messsystem 120 aus dem Messsignal M2 „herausgerechnet" werden, so dass sich trotz der „Überlagerung" allein der Frequenzgang des opto-elektrischen Wandlers 400 bestimmen lasst .
Mit dem Fotodetektor 50 und dem Filter 110 wird - wie oben ausgeführt - der Frequenzgang des elektrooptischen Bauelements 60 bestimmt. Da in der Regel der CW-Laser 61 weniger frequenzabhangig sein wird als der Modulator 62, wird das Mischprodukt M' ' am Ausgang der Filters 110 im wesentlichen den Frequenzgang des Modulators 62 beschreiben. Im übrigen kann auch der Phasengang des opto-elektrischen Wandlers 400 gemessen werden, indem zumindest eine zusatzliche Phasenlagemesseinrichtung eingesetzt wird, die die Phasenlage zwischen dem Mischprodukt M' ' und dem elektrischen Messsignal M2 des opto-elektrischen Wandlers 400 oder aber zwischen dem Phasensignal PL1 - wie im Zusammenhang mit der Figur 2 erläutert - und dem elektrischen Messsignal M2 des opto-elektrischen Wandlers 400 misst und das jeweilige Messsignal zu der Auswerteeinrichtung 120 übertragt. Die „zusatzliche" Phasenlagemesseinrichtung ist in der Figur 3 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Bezugszeichenliste
10 Erste Hochfrequenzquelle
20 Pulslaser
30 Erster Lichtwellenleiter
40 Nichtlineares Kristall
50 Fotodetektor
55 Zweiter Lichtwellenleiter
60 Elektrooptisches Bauelement
61 CW-Laser
62 Modulator
70 Hochfrequenzquelle
80 Synchronisationsleitung
100 HF-Messsystem
110 Filter
120 Auswerteeinrichtung
300 Dritter Lichtwellenleiter
400 Opto-elektrischer Wandler

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen des Frequenzganges eines elektrooptischen Bauelements (60) innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes, be dem optische Pulse mit einer ersten optischen Tragerfrequenz und mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz (fp) erzeugt werden, das elektrooptische Bauelement (60) mit einem elektrischen Messsignal (Smess) mit einer vorgegebenen Messfrequenz (fmess) derart angesteuert wird, dass ein mit der Messfrequenz (fmess) moduliertes, optisches Ausgangssignal (Saus) mit einer vorgegebenen zweiten optischen Tragerfrequenz gebildet wird, wobei die Messfrequenz (fmess) ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsfrequenz (fp) zuzüglich eines vorgegebenen Frequenzversatzes (Δf) betragt, - die Pulse und das Ausgangssignal (Saus) einer gemeinsamen Frequenzmischung unterzogen werden und von den bei der Frequenzmischung gebildeten Mischprodukten zumindest ein Mischprodukt (M' ' ) detektiert wird, dessen Modulationsfrequenz dem vorgegebenen Frequenzversatz (Δf) entspricht, das Frequenzverhalten des elektrooptischen Bauelements (60) bei der Messfrequenz (fmess) anhand der Intensität, insbesondere der Leistung, der Amplitude oder des Effektivwerts, des detektierten Mischprodukts (M' ' ) ermittelt wird und das Frequenzverhalten des elektrooptischen Bauelements (60) in der beschriebenen Weise für alle Messfrequenzen (fmess) bestimmt wird, die einem ganzzahligen Vielfachen der Pulsfrequenz (fp) zuzuglich des vorgegebenen Frequenzversatzes (Δf) entsprechen und die innerhalb des vorgegebenen Frequenzbandes liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von den Mischprodukten ausschließlich diejenigen (M' ' ) detektiert werden, die als optische Tragerfrequenz die Summenfrequenz aus der ersten und der zweiten optischen Tragerfrequenz aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von den Mischprodukten ausschließlich diejenigen detektiert werden, die als optische Tragerfrequenz die Differenzfrequenz aus der ersten und der zweiten optischen Tragerfrequenz aufweisen.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Frequenzversatz (Δf) einen positiven oder einen negativen Betrag aufweist.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektrallinienstarken der optischen Pulse vorab bestimmt werden und diese beim Ermitteln des Frequenzverhaltens des elektrooptischen Bauelements (60) berücksichtigt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ermitteln des Frequenzverhaltens des elektrooptischen Bauelements (60) von den vorab bestimmten
Spektrallinienstarken der optischen Pulse die
Spektrallinienstarke jeweils derjenigen Spektrallinie berücksichtigt wird, deren Spektrallinienfrequenz der Differenzfrequenz zwischen der jeweiligen Messfrequenz (fmess) und dem vorgegebenen Frequenzversatz (Δf) entspricht .
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorab bestimmten Spektrallinienstarken ermittelt werden, indem die Spektralleistung der Spektrallinien der optischen Pulse, insbesondere mit einem Autokorrelator, vorab bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen des Frequenzverhaltens des elektrooptischen Bauelements (60) ein die Intensität des ausgewählten Mischprodukts (M' ' ) angebender Mischproduktmtensitatswert (Im*Dm) unter Bildung eines Frequenzgangwertes (Dm) des elektrooptischen Bauelements (60) durch einen Spektrallinienwert (Im) geteilt wird, der die Spektrallinienstarke der zum ausgewählten Mischprodukt (M' ' ) gehörenden Spektrallinie der optischen Pulse angibt.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden der optischen Mischprodukte (M) ein nichtlineares Element (40) eingesetzt wird, durch das die optischen Pulse und das optische Ausgangssignal (Saus) hindurchgestrahlt werden.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden und/oder Detektieren der optischen Mischprodukte ein 2- Photonendetektor eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden und/oder Detektieren der optischen Mischprodukte ein optischer Gleichrichter, insbesondere ein nichtlinearer Kristall, eingesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfrequenz gemäß folgender Bestimmungsgieichung berechnet wird:
fmess = m * fp + Δf
wobei fmess die Messfrequenz, Δf den Frequenzversatz und fp die Pulsfrequenz bezeichnen.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Frequenzversatz
(Δf) variabel vorgegeben wird.
14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgang eines aus einer Lichtquelle (61) und einem nachgeordneten elektrooptischen Modulator (62) gebildeten elektrooptischen Bauelements (60) bestimmt wird.
15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig der Frequenzgang eines optoelektrischen Wandlers (400) innerhalb des vorgegebenen Frequenzbandes bestimmt wird, indem - das von dem elektrooptischen Bauelement (60) erzeugte optische Ausgangssignal (Saus) in den optoelektrischen Wandler (400) eingestrahlt wird, ein vom dem optoelektrischen Wandler (400) erzeugtes elektrisches Wandlersignal (S2) unter Bildung eines Wandlermesswerts gemessen wird und unter Heranziehung des Wandlermesswertes und des gemessenen Frequenzganges des elektrooptischen Bauelements (60) der Frequenzgang des optoelektrischen Wandlers (400) bestimmt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgang des optoelektrischen Wandlers (400) bestimmt wird, indem der Wandlermesswert durch einen Frequenzgangwert (Dm) des elektrooptischen Bauelements (60) geteilt wird.
17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz (fp) der optischen Pulse mit einer ersten Hochfrequenzquelle, insbesondere einem Pulsgenerator (10), und das Messsignal (Smess) mit einer zweiten Hochfrequenzquelle, insbesondere einem Sinusgenerator (70) , erzeugt werden, wobei die beiden Hochfrequenzquellen (10,70) gekoppelt, insbesondere phasenstarr gekoppelt, sind.
18. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Phasengang des elektrooptischen Bauelements (60) gemessen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasensignal (PL1) erzeugt wird, das die Phasenlage (ΔΦ1) zwischen dem Ansteuersignal (SA) eines die optischen Pulse erzeugenden Pulslasers (20) und dem elektrischen Messsignal angibt, die Phasenlage zwischen dem erzeugten Phasensignal (PL1) und der Phasenlage des detektierten Mischprodukts (M' ' ) für jede der Messfrequenzen (fmess) jeweils unter Bildung eines Phasenmesswertes (ΔΦ2) gemessen wird.
20. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Phasengang des opto-elektrischen Wandlers (400) gemessen wird.
21. AnOordnung mit einem Pulslaser (20) , einem elektrooptischen Bauelement (60) und einer Messeinrichtung (100) mit einer Auswerteeinrichtung (120), die geeignet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen .
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