-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung von Polarisationstransformatoren
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
In
der internationalen Patentanmeldung
WO 00/36453 A1 sind Polarisationstransformatoren
und Kompensatoren von Polarisationsmodendispersion (PMD) beschrieben,
bei denen redundante Polarisationsstellglieder, die für die eigentlich
angestrebte Funktion nicht benötigt
werden, dazu eingesetzt werden, im zeitlichen Mittel gleichanteilsfreie
Steuersignale zu erzeugen. Dies dient der Vermeidung der sogenannten
DC-Drift, welche die optischen Eigenschaften von Polarisationsstellgliedern
zeitvariant und damit unvorhersehbar macht. Trotz des beschriebenen
Vorgehens erscheint es nicht als gesichert, daß DC-Drift dadurch vollständig vermieden werden
kann. Außerdem
sind Polarisationstransformatoren auch anderen, z. B. temperaturabhängigen Veränderungen
ihrer optischen und elektrooptischen Eigenschaften unterworfen.
Könnte
man die gerade vorliegenden Eigenschaften eines Polarisationstransformators
während
des Betriebs ausmessen, so könnten
ungewollte Veränderungen
wie DC-Drift durch Anpassen von Parametern wie z. B. Offsetspannungen
unschädlich
gemacht werden.
-
Im
IEEE J. Lightwave Techn. 6 (1988) 7, S. 1199–1208 wird auf S. 1205–1206 ein
Charakterisierungsverfahren für
elektrooptische Wellenplatten angegeben. Dieses und andere bekannte
Charakterisierungsverfahren können
nach dem Stand der Technik nicht während des Betriebs von Polarisationstransformatoren
oder PMD-Kompensatoren eingesetzt werden. Grund dafür ist, daß zur Charakterisierung
bestimmte Betriebsparameter eingestellt werden müßten, so daß zur eigentlichen Polarisationstransformation
oder PMD-Kompensation die erforderlichen Frei heitsgrade nicht mehr
zur Verfügung stünden. Dadurch
käme es
bei der optischen Datenübertragung
beispielsweise zu Bitfehlern durch mangelhafte PMD-Kompensation.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, Maßnahmen
zur Verbesserung der DC-Driftunterdrückung oder anderer Alterungserscheinungen
in Form eines Verfahrens zur Charakterisierung von Polarisationstransformatoren
anzugeben.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein im Anspruch 1 angegebenes Verfahren gelöst.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die
Lösung
des Problems liegt in der Charakterisierung von zu diesem Zwecke
mit Redundanz auszustattenden Polarisationstransformatoren oder PMD-Kompensatoren
während
ihres Betriebs. Ein Teil der Freiheitsgrade dient dabei der gewünschten Regelfunktion,
ein anderer, redundanter Teil dagegen der Charakterisierung. Die
Architektur des Polarisationstransformators und die Steuerspannungen
werden so gewählt,
daß die
Regelfunktion des Polarisationstransformators nicht beeinträchtigt wird.
-
Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird beispielsweise ein Polarisationstransformator oder PMD-Kompensator
zu normalen Regelzwecken verwendet, und Änderungen der gewünschten
Polarisationstransformation während
der Charakterisierung eines Teils des Polarisationstransformators
werden ggf. durch Änderungen
von Steuerparametern anderer Teile des Polarisationstransformators
mit Hilfe einer ausreichend schnellen Polarisationsregeleinrichtung
aufgefangen. Größe und Richtung
oder auch Abwesenheit dieser Änderungen
von Steuerparametern ist dann ein Maß für Polarisationstransformationen
des zu charakterisierenden Polarisationstransformators. Alternativ
dazu kann man die Änderungen der
gewünschten
Polarisationstransformation während
der Charakterisierung eines Teils des Pola risationstransformators
lediglich detektieren, insbesondere wenn die Charakterisierung darauf
abzielt, diese Änderungen
zu minimieren.
-
Es
gibt hierzu eine große
Anzahl von Ausführungsbeispielen,
die aber alle nach diesem Prinzip arbeiten.
-
Beispielsweise
kann ein Polarisationstransformator zur Transformation eines beliebigen
in einen festen linearen Polarisationszustand in Lithiumniobat (LiNbO3) mit X-Schnitt und Z-Ausbreitungsrichtung aus 8 kaskadierten
elektrooptischen Wellenplatten bestehen, die jeweils eine maximale
Verzögerung von
mindestens π/2
annehmen können.
Die ersten 4 Wellenplatten arbeiten als normaler Polarisationstransformator
P1. Die folgenden 4 Wellenplatten bilden einen Polarisationstransformator
P2, welcher charakterisiert wird. Zu diesem Zweck werden diejenigen
Steuerspannungen des Polarisationstransformators P2 gesucht, welche
eine endlose Phasenverschiebung einer bestimmten Ausgangspolarisation gegenüber der
dazu orthogonalen erlauben. Suchkriterium ist dabei, daß die für die gewünschte Polarisationstransformation
an den Wellenplatten von P1 – und
ggf. von weiteren Polarisationstransformatoren im Fall der Verwendung
als Teil eines PMD-Kompensators – angelegten Steuerspannungen
nur bestimmten oder möglichst
geringen oder gar keinen Änderungen
unterworfen werden müssen.
Anschließend vertauschen
P1 und P2 die Funktion, so daß P1
charakterisiert wird und P2 die normale Polarisationstransformation
vornimmt.
-
Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 den
prinzipiellen Aufbau eines zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneten Polarisationstransformators in LiNbO3 mit X-Schnitt
und Z-Ausbreitungsrichtung,
-
2 eine
Querschnittsfläche
dieses Polarisationstransformators,
-
3 mehrere
solche Polarisationstransformatoren in einem PMD-Kompensator PMDC,
-
4 den
prinzipiellen Aufbau eines zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneten Polarisationstransformators in LiNbO3 mit X-Schnitt
und Z-Ausbreitungsrichtung,
-
5 ein
Detail aus 4,
-
6 Zeitdiagramme
von Verzögerungen und
Orientierungen bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
7 den
Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem optischen Empfänger
mit PMD-Kompensator,
-
8 den
Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem Polarisationstransformator mit fester Eingangspolarisation.
-
1 zeigt
einen Polarisationstransformator aus einem Lithiumiobatkristall
mit X-Schnitt und Z-Ausbreitungsrichtung. Durch Eindiffusion von
Titan wurde im Kristall SUB ein Wellenleiter WG erzeugt. Auf dem
Kristall kann – aber
muß nicht – eine isolierende
Pufferschicht PUF aufgebracht sein, beispielsweise aus Siliziumdioxid.
Ebenso wie der Kristall ist sie bei der Betriebswellenlänge transparent.
-
Auf
der Pufferschicht oder auf dem Kristall sind leitende Elektroden
ELi, EMi, ERi (i = 1 ... n) aufgedampft. Hier sei n = 8, aber auch
andere Werte sind möglich.
Diese Elektroden können
aus Metall, beispielsweise Aluminium bestehen, aber auch aus transparenten
leitfähigen
Materialien wie Indium-Zinn-Oxid
(ITO).
-
Die
Elektroden ELi, EMi, ERi sind segmentiert, so daß z. B. n = 8 Polarisationsstellglieder
SBCi (i = 1 ... n) vorhanden sind. Die Mittelelektroden EMi befinden
sich über
dem Wellenleiter, linke und rechte Elektroden ELi, ERi sind parallel
auf beiden Seiten des Wellenleiters WG angebracht. Einzelne Elektroden
verschiedener Segmente können
auch miteinander verbunden sein, beispielsweise alle Elektroden EMi.
Durch Anlegen entgegengesetzter Spannungen UPi (i = 1 ... n) zwischen
den äußeren Elektroden ERi,
ELi wird eine differentielle Phasenverschiebung zwischen den transversal
elektrischen (TE-)- und
den transversal magnetischen (TM-)Wellen erzeugt. Aufgrund unvermeidlicher
Wellenleiterdoppelbrechung sind in der Regel von Null verschiedene
Spannungswerte UPi0 der Spannungen UPi erforderlich, um Phasenanpassung,
d. h. verschwindende TE-TM-Phasenverschiebung zu erzielen. Statt
der Z-Ausbreitungsrichtung
können
deshalb auch andere Ausbreitungsrichtungen gewählt werden, welche sich der
Z-Achse bis auf wenige Grade annähern,
denn dadurch läßt sich
die Wellenleiterdoppelbrechung mit Hilfe des geringfügig doppelbrechenden
Kristallschnitts näherungsweise
ausgleichen. In der Regel sind trotzdem Spannungswerte UPi0 ungleich
Null erforderlich zur Phasenanpassung, denn dieser Ausgleich ist
i. a. unvollständig.
Legt man an den äußeren Elektroden
ELi, ERi gegenüber
der Mittelelektrode EMi gleich gerichtete Spannungen UCi (i = 1
... n) an, so erhält
man TE-TM-Modenkonversion. Bei verschwindender Spannung UCi ist
die Modenkonversion Idealerweise gleich Null, doch schon bei geringfügiger lateraler
Verschiebung der Elektroden in Y-Richtung gegenüber dem Wellenleiter kann dafür eine Spannung
UCi0 notwendig sein. Durch Kombination von entgegen- und von gleichgerichteten Spannungen
UPi und UCi läßt sich
jede beliebige Kombination von TE-TM-Phasenverschiebung und TE-TM-Modenkonversion
erreichen. Man nennt ein solches Polarisationsstellglied auch einen
elektrooptischen Soleil-Babinet-Kompensator SBC. Die Verzögerung ψi des SBCi
ergibt sich durch geometrische Addition der TE-TM-Phasenverschiebung
ohne Modenkonversion und der TETM-Modenkonversion ohne Phasenverschiebung,
also ψi
= sqrt((bb·(UCi – UCi0))^2
+ (aa·(UPi – UPi0))^2).
Die Verzögerung ψi sei im
folgenden stets als positiv verstanden; negative Verzögerungen
werden durch positive bezüglich vertauschter
Eigenmoden dargestellt. Die Konstanten aa, bb sind durch Überlappintegrale
zwischen elektrischen und optischen Feldern bestimmt. Ein SBC wirkt
als lineare optische Wellen platte der Verzögerung ψ mit orthogonalen, linear polarisierten
Eigenmoden. Der Tangens des Doppelten ζ eines physikalischen Erhebungswinkels ζ/2 eines
dieser Eigenmoden ist das Verhältnis
(bb·(UCi – UCi0))/(aa·(UPi – UPi0))
= tanζ. ζ kann als
Orientierungswinkel ζ bezeichnet
werden, der die Winkelposition eines Eigenmodus auf dem S1-S2-Großkreis (Äquator)
der Poincaré-Kugel
kennzeichnet. Wie bereits bemerkt, ist UCi0 im Idealfall gleich
Null. Eine elektrooptische Wellenplatte mit Verzögerung ψ und Orientierungswinkel ζ benötigt als
Funktion von ζ kosinus-
bzw. sinusförmige
Spannungen UPi = (ψi/aa)·cosζ + UPi0,
UCi = (ψi/bb)·sinζ + UCi0 bestimmter
Amplituden (ψi/aa),
(ψi/bb)
mit Offsets UPi0, UCi0.
-
Zur
Polarisationstransformation eines zirkularen in jeden beliebigen
Polarisationszustand oder umgekehrt kann ein SBCi eine Verzögerung ψi = 0 ... π aufweisen,
siehe IEEE J. Lightwave Techn. 6 (1988) 7, S. 1199–1207. Eine
Aufteilung eines SBC in mehrere, wobei die Einstellbarkeit der Summe
der Verzögerungen
dieselbe sei wie die Einstellbarkeit des aufgeteilten SBC, ermöglicht stets
ebenfalls die gewünschten
Polarisationstransformationen. So können zur Transformation eines
zirkularen in jeden beliebigen Polarisationszustand oder umgekehrt
beispielsweise auch zwei SBCs mit Verzögerungen von jeweils 0 ... π/2 verwendet
werden. Dazu dienen in 1 die SBC2 und SBC3.
-
SBC1
und SBC4 arbeiten als Viertelwellenplatten mit Verzögerungen ψ1 = π/2 und π4 = –π/2. Die Orientierungswinkel ζ1, ζ4 betragen ±90° (entsprechend
physikalischen Erhebungswinkeln ζ1/2, ζ4/2 von ±45°), d. h.
es erfolgt jeweils reine TE-TM-Modenkonversion
falls Spannungen UC1 – UC10 ≠ 0, UC4 – UC40 ≠ 0, UP1 =
UP10, UP4 = UP40 angelegt werden. Diese Betriebsart ist darauf abgestimmt,
daß die
eingangs- und ausgangsseitig an den Polarisationstransformator angeschlossenen polarisationserhaltenden
Lichtwellenleiter PMFA bzw. PMFB jeweils 0°/90°-Hauptachsen besitzen. In dieser
Betriebsart bilden SBC1 ... SBC4 einen Polarisationstransformator
P1, und zwar einen TE-TM-Modenwandler mit einer mindestens zwischen
0 und π regelbaren
Verzögerung φ1 und einer endlos
zwischen 0 und 2π regelbaren
Phasendifferenz ξ1
zwischen gewandelter und nicht gewandelter Welle, die auch in Analogie
zu SBCs als Orientierungswinkel ξ1
bezeichnet werden soll. Im IEEE J. Lightwave Techn., 17 (1999) 9,
S. 1602–1616
wird ein solcher Polarisationstransformator als ein Soleil-Babinet-Analogon
SBA bezeichnet. Je nachdem, ob ζ1
= ζ4 oder ζ1 = –ζ4, ob ζ1 = 90° oder ζ1 = –90° ist, ist
unter der Annahme ζ2
= ζ3 die
SBA-Verzögerung φ1 = ψ2 + ψ3 oder φ1 = π – ψ2 + ψ3, und die SBA-Orientierung
ist ξ1 = ±ζ2 + C = ±ζ3 + C, wobei
C eine Konstante von z. B. 0°,
90°, 180°, –90° sein kann.
Die SBC1 ... SBC4 lassen sich jedoch auch anders betreiben, beispielsweise
als allgemeiner elliptischer Retarder (ER), wobei alle 4 SBCs variable
Eigenmoden und ggf. Verzögerungen
besitzen können.
-
Die
SBC5 ... SBC8, die zusammen einen zweiten Polarisationstransformator
P2 bilden, besitzen dieselbe Funktionalität wie SBC1 ... SBC4, wirken
also als SBA mit Verzögerung φ2 und Orientierung ξ2 oder als
ER.
-
Polarisationstransformatoren
P1 und P2 zusammen auf Substrat SUB bilden einen redundanten Polarisationstransformator,
der Teil eines empfängerseitigen
Kompensators von Polarisationsmodendispersion (PMD) ist, aber auch
allein zur Transformation eines beliebigen in einen festen linearen
Polarisationszustand verwendet werden kann. In 3 ist
ein solcher PMD-Kompensator
mit mehreren so aufgebauten Substraten SUB1 ... SUB4 und dazwischen- bzw.
nachgeschalteten polarisationserhaltenden Lichtwellenleitern PMF1
... PMF4 mit differentiellen Gruppenlaufzeiten und unter 0°/90° zu den Chipoberflächen verlaufenden
linear polarisierten Hauptpolarisationen (principal states-of-polarization,
PSP) gezeichnet. Die Chipeingänge
sind IN1 ... IN4, die Chipausgänge
sind OUT1 ... OUT4, der Chipeingang IN1 ist gleichzeitig Eingang
IN des PMD-Kompensators,
der Ausgang OUT des Lichtwellenleiters PMF4 ist Ausgang des PMD-Kompensators.
-
Erfindungsgemäß wird zunächst der
funktionsmäßig vorgelagerte
P1 als normaler Polarisationstransformator betrieben, während der
zu diesem Zeitpunkt redundante P2 von dieser Aufgabe freigestellt
ist. Dies passiert während
des Zeitraums T2, der in der
6 dargestellt
ist. P2 wird als SBA mit Verzögerung φ2 = π und zwischen
0 und 2π variabler Orientierung ξ2 betrieben.
Beispielsweise erfordert eine als Funktion der Zeit lineare Änderung
von ξ2 kosinusförmige Spannungen
UP6, UP7 und sinusförmige
Spannungen UC6, UC7. Der sägezahnförmige Verlauf
von ξ2 entspricht
wegen ihrer Periodizitäten durchaus
stetigen Steuerspannungen. Dies erzeugt am Ausgang von SUB eine
gemäß dem Doppelten der
variablen Orientierung ξ2
variable TE-TM-Phasenverschiebung 2·ξ2. Wie aus IEEE J. Lightwave Techn.,
17 (1999) 9, S. 1602–1616
und der internationalen Patentanmeldung
PCT/DE 99/03875 bekannt ist, kann
eine solche in empfängerseitigen PMD-Kompensatoren
toleriert werden, wenn die Orientierungen von SBAs in funktionsmäßig nachgeordneten,
hier also folgenden Polarisationstransformatoren entsprechend nachjustiert
werden. Falls P1 und P2 z. B. in SUB2 liegen, müssen die Orientierungen der
SBAs in SUB3 und SUB4 nachjustiert werden. P2 wirkt außerdem wegen
seiner Verzögerung φ2 = π als voller
Modenwandler, was aber lediglich einer Vertauschung des Anschlusses
der beiden Hauptachsen des folgenden polarisationserhaltenden Lichtwellenleiters
PMFB entspricht und leicht berücksichtigt
werden kann. Eine Änderung
der Spannungen am funktionsmäßig und
hier auch physikalisch vorgelagerten P1 ist bei Änderung der Orientierung ξ2 von P2
idealerweise nicht notwendig, und diese Tatsache kann man für die Charakterisierung
von P2 heranziehen: Wenn P2 nicht genau so wie beschrieben angesteuert
wird, müssen
die Spannungen von P1 während
der Änderung
der Orientierung ξ2
als Funktion derselben sehr wohl geändert werden, um die gewünschte gesamte
Polarisationstransformation nicht zu stören. Man variiert nun Kosinus-
bzw. Sinusamplituden an SBC6, SBC7 und dazugehörige Offsetspannungen UP60,
UP70, UC60, UC70 sowie die Spannungen der als Viertelwellenplatten
konstanter Orientierungen arbeitenden SBC5, SBC8 so, daß möglichst
geringe Variationen der Spannungen an P1 während der Modulation des Erhebungswinkels ξ2 von P2
notwendig sind. Auch von 90° abweichende
Phasendifferenzen zwischen UPi und UCi (i = 6, 7) sind möglich sowie
unterschiedliche Orientierungen von SBC6 und SBC7. Diese können auch
von ξ2 abhängen. Ebenso
sind Kosinus- und Sinusamplituden möglich, die Funktionen von ξ2 sind, so
daß verzerrte,
oberwellenhaltige Kosinus- und Sinusspannungen entstehen können. Während dieses Suchvorgangs
muß die
stets vorhandene Polarisationsregelung auf P1 eingreifen und deutlich
schneller arbeiten als der Modulation der Spannungen an P2 entspricht.
Um die gewünschte
Polarisationstransformation nicht wesentlich zu stören, können die Änderungen
von ξ2 z.
B. anfänglich,
d. h., während
die dazu real erforderliche Ansteuerung von P2 noch unzureichend
genau bekannt ist, nur in einem kleinen Intervall vorgenommen werden,
bevor sie auf das Intervall 0 ... 2π ausgedehnt werden. Während die
Parameter von P2 im Zeitraum T2 variiert werden zur Erzeugung nominal
gleicher Funktionen φ2
= π, ξ2 = 0 ...
2π, verkleinert
die erfolgreiche Suche die dabei notwendigen Variationen der Parameter φ1, ξ1 von P1.
-
Nach
Abschluß dieses
Vorgangs sind Parameter oder Funktionen gefunden, durch welche P2 als
reiner SBA mit voller Modenkonversion und frei wählbarem Erhebungswinkel betrieben
werden kann, ggf. begleitet von kleineren ausgangsseitigen TE-TM-Phasenverschiebungen,
die jedoch in funktionsmäßig nachgeordneten,
hier also nachfolgenden SBAs durch Orientierungswinkeländerungen
berücksichtigt
werden können.
Durch proportionales Verkleinern oder Vergrößern der Phasenschiebe- und Konversionsspannungen
(UPi – UPi0)
bzw. (UCi – UCi0)
(i = 6, 7) kann die Verzögerung φ2 in guter
Genauigkeit bis herunter auf den Wert 0 oder über den Wert π hinaus eingestellt
werden. Die Eichung von P2 ist damit abgeschlossen.
-
Nun,
in einem Zeitraum T21, wird der Orientierungswinkel ξ2 von P2
so gewählt,
daß er
dem Orientierungswinkel ξ1
von P1 entspricht. Falls Zeitraum T2 bereits so abgeschlossen wird, daß ξ2 = ξ1 ist, kann
T21 entfallen. Die beiden SBAs P1, P2 können in diesem Zustand als
ein einziger SBA mit Gesamtverzögerung φ1 + φ2 aufgefaßt werden.
Anschließend,
in einem Zeitraum T22, wird die Verzögerung φ1 von P1 auf π erhöht, während gleichzeitig
die Verzögerung φ2 von P2
vom Wert π auf
den ursprünglich von
P1 gebotenen Wert erniedrigt wird. Da die Gesamtverzögerung φ1 + φ2 dabei
unverändert
bleibt, wird die gewünschte
gesamte Polarisationstransformation nicht gestört. Nun kann die Orientierung ξ1 von P1
geändert
werden; dies erfolgt im Zeitraum T1. Gleichzeitig wird die Orientierung ξ2 von P2,
welcher gegenüber
P1 funktionsmäßig nachgeordnet
ist, um das Doppelte 2·ξ1 dieser Änderung
verändert
und es werden die Orientierungen von SBAs in weiteren funktionsmäßig nachgeordneten,
hier also nachfolgenden Polarisationstransformatoren ebenfalls um 2·ξ1 geändert. Sofern
einer dieser funktionsmäßig nachgeordneten
SBAs die Verzögerung π besitzt, kann
seine Orientierung stattdessen auch lediglich um ξ1 geändert werden;
in diesem Fall müssen
diesem SBA funktionsmäßig nachgeordnete
SBAs nicht mehr in ihrer Orientierung geändert werden. Die Orientierung
eines funktionsmäßig nachgeordneten SBA
mit Verzögerung π könnte auch
um andere Winkel geändert
werden; dies würde
die Notwendigkeit ergeben, auch diesem SBA funktionsmäßig nachgeordnete
SBAs in ihrer Orientierung anders zu ändern.
-
Daneben
vollführt
P2 noch die normale Polarisationsregelaufgabe. Laut Theorie bleibt
durch diese Änderungen
die gesamte Polarisationstransformation unverändert, mit Ausnahme einer TE-TM-Phasenverzögerung der
Größe 2·ξ1 dort wo SBA-Orientierungen um
2·ξ1 geändert werden
müssen
oder anderer Größe dort
wo SBA-Orientierungen um andere Größen geändert werden. Wiederum wird ein
Regelungssystem MP eingesetzt, welches eventuelle Abweichungen von
diesem Fall durch Nachjustieren von φ2, ξ2 gegenüber dem konstanten bzw. sägezahnförmigen Verlauf
in P2 auffängt.
Zur Charakterisierung von P1 werden nun die Kosinus- und Sinusamplituden
an SBC2, SBC3 und dazugehörige Offsetspannungen
UP20, UP30, UC20, UC30 sowie alle anderen im Zusammenhang mit P2
genannten änderbaren
Pa rameter und Funktionen analog dazu in P1 so geändert, daß möglichst keine der genannten
Abweichungen auftreten und aufgefangen werden müssen. Auch hier werden im Laufe
von T1 immer kleinere Änderungen
der Nominalwerte φ2, ξ2 gegenüber den
genannten Verläufen
notwendig. In diesem Ausführungsbeispiel
schließt
Zeitraum T1, ebenso wie er angefangen hat, mit dem Zustand ξ1 = ξ2 ab. Während eines
anschließenden
Zeitraums T11 wird φ2
wieder auf π erhöht, während φ1 im selben Maße zwecks
Konstanthalten der Summe φ1
+ φ2 erniedrigt
wird. Ggf. kann in einem weiteren Zeitraum T12 die Orientierung ξ2 auf einen
am Anfang des Zeitraums T2 gewünschten
Wert eingestellt werden. Nach Ende des Zeitraums T12 beginnt wieder
ein Zeitraum T2 usw..
-
Änderungen
der Ansteuerung von SBC1 während
Zeitraum T1 sind zwar möglich,
erbringen aber keinen Vorteil. Falls P1 in SUB1 liegt, wird SBC1 nämlich ohnehin
nicht benötigt
und kann auch weggelassen werden, da der empfängerseitige PMD-Kompensator
beliebige Eingangspolarisationen verarbeiten kann. Falls P1 in einem
funktionsmäßig nachgeordneten,
hier also weiter hinten gelegenen Substrat liegt, beispielsweise
SUB2, so werden die Parameter von SBC1 bevorzugt dann im Sinne geringster
Störung
der gesamten Polarisationstransformation eingestellt, wenn eine
differentielle TE-TM-Phasenmodulation schon davor, hier also in SUB1,
erzeugt wird. Auf diese Weise wird auch P1 vollständig charakterisiert,
mit Ausnahme von SBC1 falls P1 in SUB1 liegt.
-
Es
ist übrigens
auch möglich,
die Aktionen der Zeiträume
T22, T12 im Zustand ξ1
= ξ2 ± π statt im
Zustand ξ1
= ξ2 durchzuführen, wobei
wiederum aus den beiden SBAs P1, P2 ein einziger mit Orientierung ξ1 entsteht,
aber mit Gesamtverzögerung φ1 – φ2. In diesem
Fall ist nicht φ1
+ φ2, sondern
es ist φ1 – φ2 konstant
zu halten. Da eine dieser Verzögerungen
während
T22, T12 jeweils den Wert π erreichen
soll, ist dieses Vorgehen aber nur in solchen Sonderfällen sinnvoll,
in denen sie zuvor den Wert π überschritten
hatte.
-
Wie
beschrieben, soll ein funktionsmäßig vorgelagerter
Polarisationstransformator und SBA P1 während der Variation des Erhebungswinkels ξ2 des zu
charakterisierenden Polarisationstransformators und SBAs P2 mit
Verzögerung φ2 = π möglichst keinen
Parameteränderungen
unterworfen werden müssen,
wenn P2 gut oder perfekt charakterisiert ist. Funktionsmäßig nachgeordnete
Polarisationstransformatoren müssen
dagegen während
ein zu charakterisierender Polarisationstransformator und SBA P1 oder
P2 mit Verzögerung π einer Änderung
seines Erhebungswinkels ξ1
bzw. ξ2
unterworfen wird, ihre Erhebungswinkel um das Doppelte 2·ξ1 bzw. 2·ξ2 dieser
Erhebungswinkeländerung
verändern.
Im Fall eines empfängerseitigen
PMD-Kompensators oder eines Polarisationstransformators, der beliebige
Eingangspolarisation in eine feste Ausgangspolarisation überführen soll,
sind funktionsmäßig vorgelagerte bzw.
nachgeordnete Polarisationstransformatoren auch im Lichtweg vorgelagert
bzw. nachgeordnet, werden also von vorne nach hinten durchlaufen,
und ebendies wurde weiter oben beschrieben. Im Fall eines Polarisationstransformators,
der aus fester Eingangspolarisation eine beliebige Ausgangspolarisation
erzeugen soll oder eines sendeseitigen PMD-Kompensators ist die
Sachlage dagegen genau entgegengesetzt: Funktionsmäßig vorgelagerte
Polarisationstransformatoren sind im Lichtweg nachgeordnet, d. h.
werden später
durchlaufen, und funktionsmäßig nachgeordnete
Polarisationstransformatoren sind im Lichtweg vorgelagert, d. h.
werden früher durchlaufen.
-
Viele
Variationen dieses am Beispiel von SBAs beschriebenen Erfindungsprinzips
sind möglich.
Neben der obengenannten Ausführungsform,
in der mit Ausnahme differentieller TE-TM-Phasenverschiebungen idealerweise keine
weiteren Polarisationsänderungen
während
der Charakterisierung induziert werden sollten, sind auch solche
Ausführungsformen
denkbar, in denen gezielte andere Polarisationsänderungen während der Charakterisierung
herbeigeführt
werden. Beispielsweise kann die Offsetspannung UPi0 eines SBCi so
verändert
werden, daß sich
bei Anlegen von UCi – UCi0 ≠ 0 (i = 5
... 8) in P2 größtmögliche Modenkonversion
und somit größtmögliche Änderung
der erforderlichen Polarisationstransformation von P1 ergibt. Ebenso
kann UCi0 eines SBCi so verändert
werden, daß sich
bei Anlegen von UPi – UPi0 ≠ 0 (i = 5
... 8) in 22 größtmögliche TE-TM-Phasenverschiebung
und somit für
alle nur durch Elemente mit TE-TM-Phasenverschiebung davon getrennte,
dahinterliegende SBAs größtmöglicher
Bedarf zur Änderung
der Orientierungen ergibt.
-
In äußerst vorteilhafter
Weise kann die Erfindung mit Verfahren zur DC-Driftvermeidung kombiniert
werden, die in der internationalen Patentanmeldung
PCT/DE 99/03875 beschrieben wurden.
In diesem Fall übernimmt
immer einer der Polarisationstransformatoren, z. B. P1 (oder P2)
die normale Polarisationsregelfunktion. Der andere, also P2 (bzw. P1),
wird entweder wie beschrieben charakterisiert, oder es werden seine
Steuerspannungen langsam bis zum Negativen der für normalen Polarisationsregelbetrieb
erforderlichen Spannungen oder sogar darüber hinaus in einem sogenannten
Umkehrbetrieb verschoben, so daß im
zeitlichen Mittel die Gleichanteile der Steuerspannungen verschwinden. Auch
während
dieser Verschiebungen von Steuerspannungen fangen, gesteuert durch
eine Polarisationsregelung, der jeweils im normalen Betrieb laufende
Polarisationstransformator P1 (bzw. P2) und ggf. in darauf folgenden
Substraten liegende Polarisationstransformatoren die dadurch induzierten
Polarisationsänderungen
auf. Das Verfahren zur DC-Driftvermeidung aus der älteren Erfindungsmeldung
kann sogar dergestalt modifiziert werden, daß etwaige Restdriften, z. B.
von Offsetspannungen UPi0, UCi0, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
detektiert werden, durch größere oder
kleinere Steuerspannungen invertierter Polaritäten während des Umkehrbetriebs mittel-
oder langfristig kompensiert werden können.
-
Insbesondere
bei Verzicht auf solchen Umkehrbetrieb mit invertierten Polaritäten von
Steuerspannungen kann der vorbe schriebene Polarisationstransformator
mit SBC1 ... SBC8 vereinfacht werden. Wenn z. B. SBC4 und SBC5 mit
entgegengesetzten Orientierungen ζ5
= –ζ4 = 90° und gleichen Verzögerungen ψ4 = ψ45 = π/2 ausgestattet
wurden, heben sich ihre Wirkungen ohnehin auf, so daß SBC4 und
SBC5 fortgelassen werden können
und nur 6 SBCs erforderlich sind. In der vorgenannten Nomenklatur
können
z. B. SBC2 und SBC3 zusammengelegt werden zu einem SBC mit einer
mindestens bis π wählbaren
Verzögerung.
Gleiches gilt für die
ursprünglichen
SBC6 und SBC7. Auf diese Weise erhält man einen Polarisationstransformator
mit nur noch 4 SBCs, allerdings auch geringeren Variationsmöglichkeiten
der Polarisationstransformationen. Ist der Polarisationstransformator
SUB der erste, also SUB1, in einem PMD-Kompensator, kann SBC1 fortgelassen
werden. Gleiches gilt, falls SUB dazu verwendet wird, unbekannte
eingangsseitige Polarisationszustände in ausgangsseitige lineare
Polarisation zu verwandeln. Falls die gewünschte ausgangsseitige Polarisation
zirkular ist oder der PMD-Kompensator Elemente differentieller Gruppenlaufzeit
zwischen zirkularen Polarisationen enthält, kann auch der ausgangsseitige
ursprüngliche
SBC8 fortgelassen werden. Der ursprüngliche SBC8 kann auch dann
weggelassen werden, wenn aus linearer Eingangspolarisation jeder
beliebige ausgangsseitige Polarisationszustand erzeugt werden können soll.
Falls diese Eingangspolarisation zirkular ist, kann wiederum auch SBC1
weggelassen werden. Im letztgenannten Extremfall besteht der gesamte
Polarisationstransformator nur aus 2 SBCs mit jeweils mindestens
bis π wählbarer
Verzögerung,
die den den ursprünglichen SBC2
und SBC3 bzw. SBC6 und SBC7 entsprechen.
-
Auch
kompliziertere Lösungen,
welche weitere Variationsmöglichkeiten
der Polarisation zulassen, sind durch SBC-Anzahlen n > 8 möglich.
-
Falls
für den
Fall einer Verwendung in PMD-Kompensatoren die polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter
PMFA, PMFB, die der differentiellen Verzögerung dienen, nicht unter
0°/90° an den Chipeingängen bzw.
-ausgängen
angeschlossen sind, sondern unter anderen Winkeln, so kann dem leicht dadurch
begegnet werden, daß die
Orientierung der daran angrenzenden SBC1 bzw. SBC8 entsprechend
dem Doppelten der Justagewinkel von PMFA, PMFB zuzüglich ±90° gewählt werden.
Auf diese Weise werden weiterhin die Hauptpolarisationen von PMFA
durch SBC1 in zirkulare Polarisationen umgeformt, und zirkulare
Polarisationen werden weiterhin durch SBC8 in Hauptpolarisationen
von PMFB umgeformt. Auch die Orientierungen von SBC4, SBC5 können in
vorteilhafter Weise so modifiziert werden. Analoges gilt für den Fall,
daß SUB
ein Polarisationstransformator ist, der lineare Polarisation transformieren
oder erzeugen soll mit anderen Erhebungswinkeln als 0°/90°. Auch elliptische
Polarisationen sind hier möglich
durch Wahl anderer Verzögerungen als π/2 für SBC1 bzw.
SBC8 und ggf. SBC4, SBC5.
-
Das
Erfindungsprinzip ist auch nicht auf die Funktionsweise von P1,
P2 als SBAs beschränkt. Beispielsweise
können
P1, P2 jeweils als elliptische Retarder (ER) betrieben werden. Eine
Suche von Steuerparametern dieser Polarisationstransformatoren im
Zustand einer Verzögerung
von 0 oder 2π bei beliebigen
Eigenmoden erfordert im Idealfall keine Veränderung der Polarisationstransformationen
anderer Polarisationstransformatoren zur Aufrechterhaltung derselben
gesamten Polarisationstransformationen eines PMD-Kompensators oder
Polarisationstransformators. Steuerparameter eines ER mit gewünschter
Verzögerung
von 0 oder 2π werden
daher so gewählt,
daß solche
Veränderungen
möglichst klein
und idealerweise zu Null gemacht werden können. Auch gezielte Polarisationsänderungen
eines ER können
erzeugt werden und in ihrer Wirkung durch die zu ihrer Kompensation
erforderlichen Steuerspannungsänderungen
an anderen Polarisationstransformatoren beurteilt werden.
-
In
anderen Ausführungsbeispielen
eignet sich das Verfahren nicht nur zur Charakterisierung von Polarisationstransformatoren
in LiNbO3 mit X-Schnitt und Z-Ausbreitungsrichtung.
Auch Polarisationstransformatoren und PMD-Kompensatoren in LiNbO3 mit X-Schnitt und Y-Ausbreitungsrichtung können charakterisiert
werden; diese sind z. B. aus Electronics Letters 35 (1999) 8, pp.
652–654
bekannt. In 4 sind Modenwandler SBA1, SBA2,
... SBAn mit Kammelektroden auf dem Chip SUB untergebracht. Diese
sind auch aus IEEE J. Quantum Electronics 18 (1982) 4, pp. 767–771 bekannt.
Ein solcher SBA ist im Detail in 5 dargestellt.
Durch unterschiedliche Positionen verschiedener Kammelektroden eines
SBA im Bezug zu benachbarten Kammelektroden kann Modenwandlung in
Phase und in Quadratur frei gewählt
werden, so daß tatsächlich SBAs
realisiert werden. Die bereits beschriebenen Ausführungsformen
des Verfahrens für SBAs
ist damit unmittelbar einsetzbar. Folgende Variante ist ebenfalls
möglich:
Der erste SBA1 wird mit Verzögerung π und variabler
Orientierung betrieben. Alle folgenden SBA2, SBA3, ... SBAn müssen ihre Orientierungen
um das Doppelte der Änderung
der Orientierung des ersten SBA1 nachjustieren, um die insgesamt
durchgeführte
Polarisationstransformation nicht zu stören, mit Ausnahme einer hier
unerheblichen TE-TM-Phasenverschiebung, die aber durch einen weiter
hinten gelegenen SBA, beispielsweise SBAn, der ebenfalls Verzögerung π und variable
Orientierung besitzt, aufgefangen werden kann. Alle SBA-Parameter
einschließlich
derer von SBA1 werden nun so variiert, daß die Veränderung der Orientierung von
P1 nicht nur möglichst
vollständig,
sondern auch in möglichst
der physikalisch erwarteten Gesetzmäßigkeit entsprechender Weise
aufgefangen werden. Dies bedeutet, daß bei als Funktion der Zeit
linearer Änderung
der Orientierung von SBA1 alle SBA1 ... SBAn mit sinusförmigen Spannungen betrieben
werden, SBA1 (und falls, vorhanden, der die TE-TM-Phasenverschiebung
auffangende – weiter
oben war das SBAn) mit einfacher, alle dazwischen liegenden anderen
SBAs mit doppelter Winkelgeschwindigkeit. Auch andere Optimierungskriterien
sind denkbar, beispielsweise möglichst
kleine Amplituden an den anderen SBAs zum Auffangen der Polarisationstransformationen
von SBA1.
-
Natürlich kann
das Verfahren auch zur Charakterisierung anderer Polarisationstransformatoren, beispielsweise
solcher in Lithiumtantalat, III–V-Halbleitern,
Polymeren oder Flüssigkristallen,
eingesetzt werden.
-
Der
Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem optischen Empfänger
mit PMD-Kompensator PMDC, der beispielsweise so wie in 3 oder 4 ausgeführt aufgebaut
sein kann, ist in 7 erläutert. Ein optischer Sender
L transmittiert ein optisches Signal OS durch einen Lichtwellenleiter LWL,
dessen PMD kompensiert werden soll. Dazu dient ein nachfolgender,
also empfängerseitiger PMD-Kompensator
PMDC. Nach Durchlaufen des PMDC wird das optische Signal in einer
Photodiode PD detektiert. Ihr Ausgangssignal kann einem Regenerator
RE zugeführt
werden, wird aber vor allem Bandpaßfiltern FI und anschließenden Gleichrichtern GL
zugeführt.
Diese detektieren spektrale Leistungsdichten in verschiedenen Frequenzbändern. Da
PMD zuvorderst die hochfrequenten Spektralanteile des Basisbandsignals
beeinträchtigt,
läßt sich
dadurch PMD detektieren. PD, FI und GL zusammen bilden eine Meßeinrichtung
ME. Ihre Ausgangssignale sind an einen Regler MP angeschlossen,
der seinerseits den PMDC steuert. Falls PMDC und LWL im Lichtweg
des optischen Signals OS vertauscht sind, handelt es sich um einen
sendeseitigen PMD-Kompensator.
-
Der
Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist auch in der Anordnung der 8 möglich. Hier
wird das optische Signal OS eines Lasers L, z. B. mit horizontaler
Polarisation, dem Polarisationstransformator SUB zugeführt. An
seinem Ausgang befindet sich ein variabler Polarsator PO, dahinter eine
Photodiode PD, welche die Meßeinrichtung
ME bildet. Daran angeschlossen ist wiederum der Regler MP zur Steuerung
von SUB. In 8 wird SUB z. B. stets so eingeregelt,
daß im
Photodetektor PD unabhängig
von der Stellung des Polarisators PO maximaler (oder wahlweise:
minimaler) Photostrom fließt.
-
Wesentlich
bei der Durchführung
des Verfahrens ist, daß die
reguläre
gewünschte
gesamte Polarisationstransformation des Polarisationstransformators
oder PMD-Kompensators in allen dafür wesentlichen Aspekten wenigstens
näherungsweise
unverändert
bleibt. Da man normalerweise die vorhandene Regelgeschwindigkeit
eines Polarisationsreglers MP oder einer Regeleinrichtung zur PMD-Kompensation MP
möglichst
vollständig
zum Auffangen von natürlichen
Polarisationsänderungen
oder PMD-Änderungen
einer optischen Übertragungsstrecke
mit Lichtwellenleitern verwenden will, ist es in der Praxis günstig, die
genannten Veränderungen
der Steuerparameter zu charakterisierender Polarisationstransformatoren
nur vergleichsweise langsam und, sofern ihre Unschädlichkeit
noch nicht hinreichend erwiesen ist, ggf. nur mit geringer Amplitude
auszuführen.
Dabei überlagern
sich Änderungen
der Parameter von nicht charakterisierten Polarisationstransformatoren, die
durch die Parameteränderung
am zu charakterisierenden Polarisationstransformator bedingt sind, mit
solchen, die durch natürliche
Polarisationsänderungen
oder PMD-Änderungen
bewirkt werden. Eine längere
Mittelung der Meßergebnisse
ist daher zweckmäßig, bevor
bestimmte Parameter des zu charakterisierenden Polarisationstransformators
als richtiger als die zuvor bekannten Schätzwerte dieser Parameter angesehen
werden. Eine solche längere Mittelung
ist in der Praxis aber nicht hinderlich, da sich Änderungen
der Parameter von Polarisationstransformatoren normalerweise nur
sehr langsam ergeben. Die sogenannte DC-Drift in LiNbO3 hat üblicherweise
Zeitkonstanten von Tagen bis Jahren, und bei Kombination mit Driftreduktionsverfahren
durch Anlegen langfristig gleichanteilsfreier Steuerspannungen können sich
diese Zeitkonstanten vergrößern.
-
Alternativ
zur vorbeschriebenen Detektionsmethode von Polarisationstransformationsänderungen
eines zu charakterisierenden Polarisationstransformators ist es
auch möglich,
diese Änderungen nicht
auszuregeln, sondern lediglich in der Detektionseinrichtung ME zu
detektieren. Die Änderungen müssen aber
dann so klein sein, daß sie
die normale Polarisationsregel funktion noch nicht wesentlich stören. Besonders
günstig
sind deshalb Ausführungsformen,
bei denen die Charakterisierung ein Verschwinden dieser Änderungen
anstrebt. Im vorbeschriebenen Beispiel eines PMD-Kompensators der 2 mit Polarisationstransformatoren
der 1 würde
beispielsweise P2 eines bestimmten Substrats, z. B. SUB2, zwecks
Charakterisierung als SBA mit Verzögerung π und als Funktion der Zeit linear
variabler Orientierung betrieben. Die Orientierungswinkel aller nachfolgenden
SBAs, also in SUB3, SUB4 erhielten als Funktion der Zeit linear
variable Orientierungen mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit.
In der Detektionseinrichtung ME eines optischen Empfängers, welcher
PMD detektiert, werden nun die Frequenzanteile der Detektionssignale,
die von dieser Modulation verursacht werden, durch Parametervariation
minimiert. Verschwinden sie vollständig, so wirkt P2 von SUB2
tatsächlich
wie gewünscht
und ist somit charakterisiert. Bei dieser Art der Detektion sollte
die Winkelgeschwindigkeit bevorzugt nicht in solchen Frequenzbereichen
liegen, in denen die natürlichen Polarisationsänderungen
sehr stark sind. Besonders geeignet als Winkelgeschwindigkeiten
sind daher Frequenzen von z. B. 1 kHz bis 10 MHz, in denen kaum
natürliche
Polarisationsänderungen
auftreten.