DE10046896A1

DE10046896A1 - Verfahren zum Steuern eines Modulators insbesondere in einem Symmetriepunkt sowie zugehörige Ansteuereinheit

Info

Publication number: DE10046896A1
Application number: DE2000146896
Authority: DE
Inventors: Harald Geiger; Christoph Glingener; Georg Mohrs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2000-09-21
Publication date: 2002-04-25

Abstract

Erläutert wird unter anderem ein Verfahren zum Steuern eines Modulators (100). Zur Regelung des Arbeitsbereiches (AB) für einen Arbeitspunkt (AP) im Wendepunkt einer Transmissionskennlinie des Modulators wird eine Auslenkung des Arbeitspunktes (AP) und eine Auslenkung des Arbeitsbereiches (AB) erzwungen. Zum Erzeugen eines Regelsignals (110) für das Einstellen des Arbeitsbereiches (AB) wird aus einem von der mittleren Strahlungsleistung abhängigen Signal (122) eine Signalkomponente ausgewählt, deren Frequenz durch die Auslenkungsfrequenz des Arbeitspunktes (AP) und die Auslenkungsfrequenz des Arbeitsbereiches (AB) bestimmt ist. Dies ermöglicht es, den Wendepunkt der Transmissionskennlinie als Arbeitspunkt zu benutzen und trotzdem den Arbeitsbereich zu regeln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Modu lators, bei dem ein Modulator abhängig von einem Steuersignal aus einer Eingangsstrahlung eine modulierte Ausgangsstrahlung erzeugt. Der Arbeitspunkt des Modulators bezüglich seiner Transmissionskennlinie hängt vom Mittelwert des Steuersignals oder einem den Mittelwert des Steuersignals beeinflussenden Signalwert eines Hilfssignals ab. Der Arbeitsbereich des Modulators bezüglich der Transmissionskennlinie hängt von der Amplitude des Steuersignals ab.

Problematisch bei bekannten Verfahren zum Steuern eines Modu lators ist die Langzeitstabilität des Arbeitspunktes und des Arbeitsbereiches. Die Transmissionskennlinie des Modulators ändert sich nämlich abhängig von der Zeit und auch abhängig von Betriebsbedingungen, wie z. B. der Betriebstemperatur. Die Veränderung der Transmissionskennlinie wirkt sich auf den Arbeitspunkt und den Arbeitsbereich aus. Es kommt zu stören den Arbeitspunktabweichungen und/oder Arbeitsbereichsabwei chungen. Um dieses Problem zu lösen, werden bisher bei nied rigen Datenraten inhärent stabile Modulatoren eingesetzt, bei denen die Langzeitstabilität durch aufwendige konstruktive Maßnahmen erreicht wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, zum Steuern eines Modulators ein einfaches Verfahren anzugeben, das auch bei Veränderungen der Transmissionskennlinie die Ansteuerung des Modulators in einem vorgegebenen Arbeitspunkt und mit einem vorgegebenen Arbeitsbereich ermöglicht. Außerdem sollen zugehörige Ansteu ereinheiten angegeben werden.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die mittlere Strahlungsleistung am Ausgang des Modulators zur Regelung des Arbeitspunktes und des Arbeitsbereiches geeignet ist. Die mittlere Ausgangs-Strahlungsleistung ist die über die Fre quenzen gemittelte Strahlungsleistung. Da sich die Transmis sionskennlinie jedoch verändert, lässt sich zur Regelung kein absoluter Soll-Wert vorgeben. Geeignet sind jedoch markante Punkte in der Funktion der mittleren Strahlungsleistung ab hängig von einer Abweichung des Arbeitsbereiches oder einer Abweichung des Arbeitspunktes. Beispiele für solche Punkte sind Minima oder Maxima, Wendepunkte oder andere Punkte, an denen eine höhere Ableitung der Funktion Null wird. Solche Punkte verschieben sich beim Verändern der Transmissionskenn linie gleichfalls und ermöglichen damit eine Regelung des Arbeitsbereiches bzw. des Arbeitspunktes bezüglich der sich ändernden Transmissionskennlinie.

Der Erfindung liegt weiterhin die Überlegung zu Grunde, dass sich die Extrempunkte durch eine erzwungene Auslenkung des Arbeitspunktes bzw. durch eine erzwungene Auslenkung des Arbeitsbereiches, z. B. mit Hilfe sogenannter LOCK-IN- Verfahren (phasensensitive Detektion) erfassen lassen. Jedoch gibt es bestimmte Konstellationen, an denen die Auslenkung einer Größe nicht ausreichend ist, weil für diesen Punkt trotz Auslenkung dieser Größe keine Schwankung in der mittle ren Strahlungsleistung auftritt. Um für alle Arbeitspunkte bzw. für alle Arbeitsbereiche des Modulators eine fehlerfrei arbeitende Regelung zu schaffen, ist deshalb eine Auslenkung sowohl des Arbeitspunktes als auch des Arbeitsbereiches durchzuführen. Dieses gilt sowohl bei einer Regelung des Arbeitspunktes als auch bei einer Regelung des Arbeitsberei ches.

Für das Einstellen des Arbeitspunktes oder für das Einstellen des Arbeitsbereiches wird abhängig von der Auslenkung des Arbeitspunktes und abhängig von der Auslenkung des Arbeitsbe reiches ein Regelsignal erzeugt. Abhängig vom Regelsignal wird dann bei einer Regelung des Arbeitspunktes der Mittel wert des Steuersignals bzw. der Signalwert des Hilfssignals verändert. Bei einer Arbeitsbereichsregelung wird abhängig vom Regelsignal die Amplitude des Steuersignals eingestellt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf einfache Art erreicht, dass eine Regelung in allen Punkten möglich wird, insbesondere in Symmetriepunkten der Transmissionskennlinie.

Mit anderen Worten lässt sich der Einfluss der zweifachen Auslenkung auch so erklären, dass die erste Auslenkung zur Regelung auf einen markanten Punkt der Funktion von mittlerer Strahlungsleistung und Arbeitspunkt bzw. Arbeitsbereich dient und dass die zweite Auslenkung eine Vorzeichenumkehr im Re gelsignal hervorruft, die auch in dem Punkt zum Entstehen eines Regelsignals führt, bei dem das Regelsignal sonst unab hängig von der ersten Auslenkung wäre.

Die Vorzeichenumkehr wirkt sich jedoch auch außerhalb des kritischen Punktes nicht störend aus, weil auf Grund der dort vorhandenen Unsymmetrien auch bei der Vorzeichenumkehr noch eine Differenz verbleibt, die zur Regelung geeignet ist. Damit lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren zwar bevor zugt zur Regelung in kritischen Punkten einsetzen. Die Anwen dung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch nicht auf den Einsatz in den kritischen Punkten beschränkt.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Signalkomponente der mittleren Strahlungsleistung ausge wählt, deren Frequenz durch die beiden Auslenkungsfrequenzen bestimmt ist.

Bei einer nächsten Weiterbildung ist die Frequenz der Ar beitspunktauslenkung von der Frequenz der Arbeitsbereichsaus lenkung verschieden.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Signalkomponente des von der mittleren Strahlungsleis tung abhängigen Signals ausgewählt, deren Frequenz der mit ganzzahligen Faktoren gewichteten Summe oder Differenz der beiden Auslenkungsfrequenzen entspricht. Bei der Weiterbil dung ist die ausgewählte Signalkomponente beispielsweise diejenige Signalkomponente, die bei Regelung auf ein Minimum oder ein Maximum der ersten Ableitung, bei Regelung auf einen Wendepunkt der zweiten Ableitung der Funktion von mittlerer Strahlungsleistung und Arbeitspunkt bzw. Arbeitsbereich ent spricht.

Bei einer nächsten Weiterbildung wird die Signalkomponente durch Multiplikation des von der mittleren Strahlungsleistung abhängigen Signals mit einem Auswahlsignal ausgewählt. Die Frequenz des Auswahlsignals entspricht der Frequenz der aus zuwählenden Signalkomponente. Die Frequenz des Auswahlsignals ist bei der Weiterbildung die mit ganzzahligen Faktoren ge wichtete Summe bzw. Differenz der beiden Auslenkungsfrequen zen. Die Faktoren werden durch die Art des zur Regelung ver wendeten markanten Punktes der Funktion der mittleren Strah lungsleistung bestimmt.

Bei einer nächsten Weiterbildung wird das Verfahren zur Rege lung des Arbeitsbereiches für einen Soll-Arbeitspunkt in einem markanten Punkt der Transmissionskennlinie eingesetzt. Solche markanten Punkte sind ein Transmissionsminimum, ein Transmissionsmaximum oder ein Wendepunkt der Transmissions kennlinie.

Insbesondere bei einem Datenmodulator wird bei einer nächsten Weiterbildung der Wendepunkt der Transmissionskennlinie als Arbeitspunkt vorgegeben. Bei dieser Weiterbildung ist die Regelung des Arbeitspunktes unproblematisch, da bei einer Auslenkung des Arbeitspunktes der Wendepunkt in der Funktion von mittlerer Strahlungsleistung und Arbeitspunkt zum Regeln verwendet werden kann. Bei der Regelung des Arbeitsbereiches ist jedoch das erfindungsgemäße Verfahren erforderlich, weil genau im Soll-Arbeitspunkt die mittlere Strahlungsleistung unabhängig von einer Arbeitsbereichsabweichung ist. Erst durch die doppelte Auslenkung entsteht auch im Arbeitspunkt ein Regelsignal mit einer geeigneten Regelamplitude.

Bei einer Ausgestaltung wird der Wendepunkt, ein Minimum, ein Maximum oder ein anderer Extrempunkt der Funktion von mittle rer Strahlungsleistung und Arbeitsbereich als Regelpunkt gewählt. Bei Regelung auf einen Wendepunkt entspricht die Frequenz des Multiplikationssignals der Summe aus der zweifa chen Arbeitsbereichs-Auslenkungsfrequenz und der einfachen Arbeitspunkt-Auslenkungsfrequenz. Der Wendepunkt liegt in der Nähe des Soll-Arbeitsbereiches und ist damit zur Regelung besonders gut geeignet. Bei Regelung auf ein Minimum oder ein Maximum entspricht die Frequenz des Multiplikationssignals der Summe aus der einfachen Arbeitsbereichs-Auslenkungs frequenz und der einfachen Arbeitspunkt-Auslenkungsfrequenz. Der Wendepunkt liegt in der Nähe des Soll-Arbeitsbereiches und ist damit zur Regelung besonders gut geeignet

Bei einer nächsten Weiterbildung wird der Regelkreis ver stimmt. Damit weichen Regelpunkt und Soll-Arbeitsbereich voneinander ab.

Der beim erfindungsgemäßen Verfahren oder seinen Weiterbil dungen eingesetzte Modulator ist entweder ein Datenmodulator oder ein Pulsmodulator. Bei einem Datenmodulator ist das Steuersignal nicht periodisch, sondern abhängig von den zu sendenden Daten. Bei einem Pulsmodulator wird ein periodi sches Steuersignal verwendet. Abhängig von diesem Steuersig nal erzeugt der Pulsmodulator dann Pulse mit einer vorgegebe nen Form aus einer Dauerstrichlichtquelle.

Als Eingangslichtquelle für den Modulator wird im Falle eines Datenmodulators eine Dauerstrichlichtquelle oder eine Puls lichtquelle eingesetzt. Im Falle eines Pulsmodulators dient als Eingangsstrahlungsquelle eine Dauerstrichlichtquelle oder eine Pulslichtquelle. Die Ausgangspulse des Pulsmodulators werden dann einem Datenmodulator zugeführt.

Der Modulator arbeitet bei einer Weiterbildung im GHz- Bereich, vorzugsweise bei einer Frequenz von 5 oder 20 GHz oder bei Datenraten von 10 GBit/s oder 40 GBit/s. Trotz der hohen Modulationsfrequenz lässt sich das Regelungsverfahren selbst mit um Größenordnungen niederfrequenteren Bauelementen ausführen. Bei einem Datenmodulator ist nur sicher zu stel len, dass der Mittelwert des Ansteuersignals über eine Zeit spanne konstant ist, die wesentlich kleiner als die Regel zeitkonstante ist. Dies lässt sich jedoch leicht gewährleis ten, wenn die Regelzeitkonstante beispielsweise im Millise kunden- oder Sekundenbereich liegt.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Ansteuereinheit für einen Modulator, die die im Patentanspruch 13 angegebenen Einheiten enthält. Diese Einheiten ermöglichen das Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Somit gelten die oben ge nannten technischen Wirkungen auch für die Ansteuereinheit. Bei Weiterbildungen der Ansteuereinheit ist diese so aufge baut, dass sie auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt. Insbesondere wird die Ansteuereinheit bei einer Weiterbildung zur Ansteuerung eines Datenmodulators eingesetzt, der im Wendepunkt der Transmissionskennlinie arbeitet.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Transmissionskennlinie eines Datenmodulators mit zeitlich konstanter Eingangsstrahlung und den Verlauf eines Steuersignals;

Fig. 2 die mittlere Niederfrequenz-Strahlungsleistung des Datenmodulators abhängig von einer Arbeitspunktabweichung;

Fig. 3 die mittlere Niederfrequenz-Strahlungsleistung des Datenmodulators abhängig von Arbeitsbereichsabweichungen und abhängig von Arbeitspunktabweichungen; und

Fig. 4 ein Blockschaltbild für eine niederfrequent arbeiten de Ansteuereinheit des Datenmodulators.

Fig. 1 zeigt in ihrem oberen Teil eine Transmissionskennli nie 10 eines Pulsmodulators oder eines Datenmodulators. Auf einer Abszissenachse 12 ist eine Ansteuerspannung U in Volt abgetragen. Eine Ordinatenachse 14 zeigt Transmissionswerte T. Die Transmissionskennlinie 10 hat einen bei der Spannung Null Volt beginnenden Kosinus-artigen Verlauf. Die Transmis sion sinkt von einem maximalen Wert Eins auf einen nahezu bei Null liegenden Wert bei einer Spannung U1 ab. Mit zunehmender Spannung nimmt die Transmission T wieder zu, bis bei einer Spannung U2 ein Wendepunkt der Transmissionskennlinie 10 erreicht ist. Nimmt die Spannung weiter zu, so wird bei einer Spannung U3 ein Maximum der Transmissionskennlinie 10 er reicht. Der Arbeitspunkt AP des Datenmodulators liegt in einem Wendepunkt der Transmissionskennlinie 10. Der Arbeits bereich AB des Datenmodulators liegt zwischen den Spannungen U1 und den Spannungen U2 symmetrisch um den Arbeitspunkt AP herum.

Im mittleren Teil der Fig. 1 ist der Spannungsverlauf eines Steuersignals 20 zur Steuerung eines Pulsmodulators abhängig von der auf einer Abszissenachse 22 abgetragenen Zeit t dar gestellt. Eine Ordinatenachse 24 dient zur Darstellung von Spannungswerten U.

Das Steuersignal 20 dient zur Ansteuerung des Datenmodula tors. Zu einem Zeitpunkt t0 hat das Steuersignal 20 die Span nung U1, bei der der Modulator nur eine minimale Ausgangs strahlung abstrahlt. Zu einem späteren Zeitpunkt t1 hat das Steuersignal 20 die Spannung U2, bei der der Modulator eine mittlere Strahlungsmenge abstrahlt. Zu einem Zeitpunkt t2 hat das Steuersignal 20 die Spannung U3. Der Modulator lässt die Eingangsstrahlung fast ungehindert hindurch. Zu einem Zeit punkt t3 hat das Steuersignal 20 wieder die Spannung U2, sodass nur noch eine verringerte Ausgangsstrahlung auftritt. Zum Zeitpunkt t4 hat das Steuersignal 20 die Spannung U1 und der Modulator arbeitet im Transmissionsminimum, so dass kaum Licht vom Modulator übertragen wird. Durch den Verlauf des Steuersignals 20 entsteht ein Lichtimpuls am Ausgang des Modulators. Dieser Lichtimpuls wird anschließend über einen Lichtwellenleiter übertragen.

Im unteren Teil der Fig. 1 ist der Spannungsverlauf eines Steuersignals 30 zur Steuerung eines Datenmodulators abhängig von der auf einer Abszissenachse 32 abgetragenen Zeit t dar gestellt. Eine Ordinatenachse 34 dient zur Darstellung von Spannungswerten U.

Zwischen Zeitpunkten t0a und t3a wird ein Datum mit dem Wert Eins übertragen. Es wird angenommen, dass vor dem Zeitpunkt ein Datum mit dem Wert Null übertragen worden ist. Das Um schalten verursacht einen Spannungsanstieg von dem Spannungs wert U2 auf den Spannungswert U3 zwischen dem Zeitpunkt t0a und einem Zeitpunkt t1a. Zwischen dem Zeitpunkt t1a und einem Zeitpunkt t2a bleibt das Steuersignal 30 auf dem Spannungs wert U3. Der Datenmodulator lässt die Eingangsstrahlung unge hindert durch. Zwischen dem Zeitpunkt t2a und dem Zeitpunkt t3a fällt die Spannung von dem Spannungswert U3 auf den Span nungswert U2 ab, weil nun ein Datum mit dem Wert Null über tragen werden soll.

Das Datum mit dem Wert Null wird zwischen dem Zeitpunkt t3a und einem Zeitpunkt t6a übertragen. Zwischen dem Zeitpunkt t3a und einem Zeitpunkt t4a fällt die Spannung des Steuersig nals 30 von dem Spannungswert U3 auf den Spannungswert U1 ab. Zwischen dem Zeitpunkt t4a und dem Zeitpunkt t6a bleibt die Spannung konstant auf dem Spannungswert U1, weil anschließend wieder ein Datum mit dem Wert Null übertragen wird. Der Modulator lässt beim Spannungswert U1 die Eingangsstrahlung nicht durch. Wird dagegen anschließend ein Datum mit dem Wert Eins übertragen, so beginnt die Spannung an einem zwischen den Zeitpunkten t4a und t5a liegenden Zeitpunkt t6a wieder zu steigen.

Fig. 2 zeigt die mittlere Niederfrequenz-Strahlungsleistung abhängig von einer Arbeitspunktabweichung. Auf einer Abszis senachse 50 ist die Arbeitspunktabweichung in Prozent abge tragen. Eine Ordinatenachse 52 zeigt normierte Werte für die mittlere Strahlungsleistung. Eine Leistungsfunktion 54 zeigt den Zusammenhang zwischen Arbeitspunktabweichung und mittle rer Strahlungsleistung bei einer Amplitude des Steuersignals, die der Soll-Amplitude, d. h. dem Soll-Arbeitsbereich ent spricht. Die Leistungsfunktion 54 steigt von einer Arbeits punktabweichung -100% beginnend bis zu einer Arbeitspunktab weichung 100% an. Die Krümmung der Leistungsfunktion 54 ist bei einer Arbeitspunktabweichung von -100% am größten und sinkt dann bis zur Arbeitspunktabweichung von 0% auf den Wert Null. Anschließend steigt mit zunehmender Arbeitspunkt abweichung die Krümmung der Leistungsfunktion 54 in der umge kehrten Krümmungsrichtung wieder an. Dies bedeutet, dass sich bei der Arbeitspunktabweichung von 0% ein Wendepunkt WP befindet. Da die Krümmung durch die zweite Ableitung einer Funktion bestimmt wird, lässt sich die zweite Ableitung der Leistungsfunktion 54 zum Erzeugen eines Regelsignals nutzen. Eine dazu geeignete Schaltung wird unten anhand der Fig. 4 erläutert. Der Arbeitspunkt wird so geregelt, dass die zweite Ableitung, d. h. die Krümmung, Null wird, und der Arbeits punkt demzufolge im Wendepunkt WP der Leistungsfunktion 54 liegt. Um die Ableitung der Leistungsfunktion zu erfassen, ist eine Auslenkung des Arbeitspunktes erforderlich.

Fig. 3 zeigt die mittlere Niederfrequenz-Strahlungsleistung abhängig von Arbeitsbereichsabweichungen und abhängig von Arbeitspunktabweichungen. Auf einer Abszissenachse 60 sind die Arbeitsbereichsabweichungen des Arbeitspunktes vom Soll- Arbeitspunkt in Prozent abgetragen. Eine Ordinatenachse 62 zeigt normierte Werte für die mittlere Strahlungsleistung am Ausgang des Modulators. Leistungsfunktionen 64 bis 76 stellen in dieser Reihenfolge den Zusammenhang zwischen Arbeitsbe reichsabweichung und mittlerer Strahlungsleistung für Ar beitspunktabweichungen von 100%, 50%, 20%, 0%, -20%, -50 % und -100% dar. Die Leistungsfunktionen 64 bis 76 haben in dieser Reihenfolge bei -100% Arbeitsbereichsabweichung Werte für die mittlere Strahlungsleistung von 2,0; 1,7; 1,3; 1,0; 0,7; 0,3; und 0,0. Die Leistungsfunktionen 64 bis 68 sind in dem in Fig. 3 dargestellten Abweichungsbereich des Arbeits bereiches fallende Funktionen. Die Leistungsfunktion 70 hat einen konstanten Wert. Die Leistungsfunktionen 72 bis 76 steigen von einer Arbeitsbereichsabweichung -100% bis zu einer Arbeitsbereichsabweichung 100% an. Die Leistungsfunk tionen 64 bis 76 schneiden sich in einem gemeinsamen Knoten punkt 80, der bei einer Arbeitsbereichsabweichung von etwa 55 % und bei einem Wert von 1,0 für die mittlere Strahlungsleis tung liegt. Die Krümmung der Leistungsfunktionen 64 bis 68 ist zunächst negativ und steigt dann bis zu einer Arbeitsbe reichsabweichung von 18% auf den Wert Null an. Mit zunehmen der Arbeitsbereichsabweichung vergrößert sich die Krümmung weiter. Die Krümmung der Leistungsfunktionen 72 bis 76 ist erst positiv und sinkt dann innerhalb des Bereiches von -100 % bis etwa 18% Arbeitsbereichsabweichung auf den Wert Null. Danach verringert sich die Krümmung mit zunehmender Arbeits bereichsabweichung. Damit haben die Leistungsfunktionen 64 bis 68 und 72 bis 76 bei einer Arbeitsbereichsabweichung von etwa 18% jeweils ihren Wendepunkt, vergleiche Wendepunkt WP2 für die Leistungsfunktion 76. Die Leistungsfunktionen 64 und 76 sind somit Einhüllende für die Leistungsfunktionen 66 bis 74.

Zur Regelung des Arbeitsbereiches wird eine Auslenkung des Arbeitsbereichs erzwungen, siehe Pfeile 82 und 84. Auf Grund dieser Auslenkung lässt sich die zweite Ableitung der Leis tungsfunktionen bestimmen. Um auch im Soll-Arbeitspunkt, d. h. bei einer Arbeitspunktabweichung von 0% ein Regelsignal zu erhalten, wird auch eine Auslenkung des Arbeitspunktes erzwungen, z. B. um 5%, siehe Pfeil 86. Die Auslenkung des Arbeitspunktes wirkt sich auch auf die Vorzeichen der Regel signale zur Regelung auf den Wendepunkt aus. An der Leis tungsfunktion 70 kommt es zu einer Vorzeichenumkehr.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild für eine niederfrequent arbeitende Ansteuereinheit 101 des Datenmodulators 100. Die Ansteuereinheit enthält eine Fotodiode 102 mit einer Grenz frequenz im kHz-Bereich, eine Arbeitspunkt-Regelschaltung 104 und eine Arbeitsbereichs-Regelschaltung 106. Die Ansteuerein heit 101 dient zur Ansteuerung des Datenmodulators 100, der ein sogenanntes Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) enthält und die Transmissionskennlinie 10 hat, siehe Fig. 1. Der Modula tor 100 moduliert die von einer im Dauerstrichbetrieb betrie benen Laserdiode 114 erzeugte Strahlung abhängig von einer durch die Arbeitspunkt-Regelschaltung 104 erzeugten Arbeits punkt-Regelspannung 108, abhängig von einer durch die Ar beitsbereichs-Regelschaltung 106 erzeugten Arbeitsbereichs- Regelspannung 110 und abhängig von Daten 112. Die Laserdiode 114 arbeitet im Dauerbetrieb, so dass die Eingangsstrahlung des Modulators 100 eine konstante Strahlungsleistung hat.

Die modulierte Ausgangsstrahlung wird an einem Strahlungstei ler 116 im Verhältnis von etwa 1 : 10 geteilt. Der Großteil der modulierten Strahlung wird einem nicht dargestellten Glasfa serkabel zugeführt. Der kleinere Teil der Ausgangsstrahlung wird vom Strahlungsteiler 116 mit Hilfe eines Lichtwellenlei ters 118 zur Fotodiode 102 übertragen.

Der durch die Fotodiode 102 fließende Strom hängt von der auf die Fotodiode 102 auftreffenden Strahlung ab. Das von der Strahlung abhängige Stromsignal bzw. ein daraus gewonnenes Spannungssignal wird als Eingangssignal für die Arbeitspunkt- Regelschaltung 104 und als Eingangssignal für die Arbeitsbe reichs-Regelschaltung 106 genutzt, siehe Pfeile 120 und 122.

Die Arbeitspunkt-Regelschaltung 104 enthält eine Multiplika tionseinheit 124, die das von der Fotodiode 102 kommende Signal mit einem Referenzsignal multipliziert. Das Referenz signal wird durch einen Signalgenerator 126 erzeugt. Für die Spannung u_r(t) des Referenzsignals gilt:

u_r(t) = u _r.cos(2ωt + Φ1) (1),

wobei u_r(t) der Momentanwert der Spannung des Referenzsignals abhängig von der Zeit t, u _r der Maximalwert der Spannung des Referenzsignals, ω das 2π-fache einer Referenzfrequenz f1 und Φ1 eine einstellbare Phase sind.

Die Spannung u_i des von der Fotodiode 102 ausgegebenen Ein gangssignals für die Multiplikationseinheit 124 enthält eben falls einen Signalanteil, dessen Amplitudenwert sich gemäß der Funktion cosωt ändert. Die Multiplikationseinheit 124 erzeugt ein Ausgangssignal, das neben Anteilen mit der Refe renzfrequenz ω und Anteilen mit Vielfachen dieser Frequenz auch einen Gleichanteil enthält. Der Gleichanteil ist ein Maß für die zweite Ableitung der in Fig. 2 dargestellten Funkti on. Der Gleichanteil wird mit Hilfe eines Tiefpassfilters 128 herausgefiltert und zu einer folgenden Integriereinheit 130 übertragen. Signalanteile mit der Referenzfrequenz ω und Signalanteile mit einer Frequenz, die einem Vielfachen der Referenzfrequenz ω entspricht, werden durch das Tiefpassfil ter 128 stark gedämpft und gelangen somit nicht zur Integ riereinheit 130. Die Integriereinheit 130 integriert das an ihrem Eingang anliegende Signal über die Zeit und bildet somit den Integrieranteil der Regelung zur Regelung des Ar beitspunktes.

Ausgangsseitig ist die Integriereinheit 130 mit dem Eingang eines Summiergliedes 132 verbunden. Der andere Eingang des Summiergliedes 132 ist mit einem Ausgang des Signalgenerators 126 verbunden, an dem ein Auslenkungssignal anliegt, dessen Wert sich gemäß einer Kosinus-Funktion mit der Referenzfre quenz f1 ändert. Der Ausgang des Summiergliedes 132 bildet auch den Ausgang der Arbeitsbereichs-Regelschaltung 104.

Durch die Einstellung der Phase Φ1 lässt sich erreichen, dass die Arbeitspunkt-Regelschaltung 104 den Puls-Modulator 100 so ansteuert, dass die Strahlungsleistung auf den Wende punkt WP eingeregelt wird. Die Referenzfrequenz ω wird ge eignet gewählt und liegt beispielsweise im kHz-Bereich, z. B. bei 5 kHz.

Die Arbeitsbereichs-Regelschaltung 106 hat einen ähnlichen Aufbau und damit auch ähnliche Funktionen wie die Arbeits punkt-Regelschaltung 104. So enthält die Arbeitsbereichs- Regelschaltung 106 in der Reihenfolge vom Eingang zum Ausgang eine Multiplikationseinheit 134, ein Tiefpassfilter 136, eine Integriereinheit 138 und ein Summierglied 140. Außerdem ent hält die Arbeitsbereichs-Regelschaltung 106 einen Signalgene rator 142 sowie eine Generatorschaltung 144. Der Signalgene rator 142 erzeugt ein sinusförmiges Wechselsignal mit einer Frequenz f2, das an dem anderen Eingang des Summiergliedes 140 anliegt und zur Auslenkung des Arbeitsbereiches dient. An die Generatorschaltung 144 gibt der Signalgenerator 142 ein Signal mit einer Frequenz 2f₂ aus. Die Generatorschaltung 144 erzeugt aus diesem Eingangssignal und einem vom Signalgenera tor 126 kommenden Eingangssignal mit der Frequenz f1 ein Ausgangssignal, das eine Frequenz von 2.f2 + f1 hat. Das Ausgangssignal der Generatorschaltung 144 wird in der Multi plikationseinheit 134 mit dem von der Fotodiode 102 kommenden Signal multipliziert.

Auf Grund der Multiplikation in der Multiplikationseinheit 134 wird beim Betrieb der Arbeitsbereichs-Regelschaltung 106 aus dem von der Fotodiode 102 kommenden Signal eine Signal komponente selektiert, die die Frequenz 2.f2 + f1 hat. Bei der Multiplikation wird der Amplitudenwert dieser Signalkom ponente zu einem Gleichanteil, der mit Hilfe des Tiefpassfilters 136 herausgefiltert wird. Der Gleichanteil wird in der Integriereinheit 138 über die Zeit integriert und mit Hilfe des Summiergliedes 140 am Ausgang der Arbeitsbereichs- Regelschaltung 106 ausgegeben.

Der Ausgang des Summiergliedes 140 liefert die Arbeitsbe reichs-Regelspannung 110. Diese Regelspannung 110 dient zur Einstellung der Verstärkung eines Verstärkers 146. Am Eingang des Verstärkers 146 liegt ein Signal an, das sich abhängig von den Daten 112 ändert. Ein Ausgangssignal 148 des Verstär kers 146 stimmt bereits bis auf den Mittelwert mit dem Steu ersignal 20 überein und wird zur Ansteuerung des Datenmodula tors 100 genutzt.

Der Verstärker 146 hat außerdem einen nicht dargestellten Ausgang, an dem eine zur Ausgangsleistung des Verstärkers proportionale Spannung ausgegeben wird. Diese Spannung wird zur Verstimmung der Arbeitsbereichs-Regelschaltung 106 ge nutzt, indem diese Spannung mit Hilfe eines nicht dargestell ten Subtraktionsgliedes zwischen Tiefpassfilter 136 und In tegrierglied 138 vom Signal innerhalb der Regelschleife sub trahiert wird.

Durch geeignete Wahl einer Phase Φ2 des Signalgenerator 142 lässt sich erreichen, dass die Arbeitsbereichs-Regelschaltung 106 die mittlere Strahlungsleistung bezüglich der Wendepunkte der Leistungsfunktionen 64 bis 76 einregelt, siehe Fig. 3. Aufgrund der Verstimmung des Regelkreises wird auf eine Ar beitsbereichsabweichung von 0 Prozent geregelt. Die Amplitude des Steuersignals 20 wird also so geregelt, dass der Ist- Arbeitsbereich mit dem Soll-Arbeitsbereich AB übereinstimmt.

Durch geeignete Wahl der Referenzfrequenzen f1 und f2 kann erreicht werden, dass die Regelung des Arbeitspunktes unab hängig von der Regelung des Arbeitsbereiches ist. Geeignete Werte sind beispielsweise 5 kHz und 7 kHz. Die Ansprechzeit des Regelkreises wird durch die Grenzfrequenz der Tiefpassfilter 128 bzw. 136 bestimmt. Typische Ansprechzeiten liegen zwischen 10 Millisekunden und 100 Millisekunden. Die Fotodio de 102 hat außerdem eine Bandbreite, die oberhalb beider Auslenkungsfrequenzen f1 und f2 liegt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Langzeitstabi lität des Arbeitspunktes ausreichend. Geregelt werden muss deshalb nur der Arbeitsbereich.

Beim Aufbau der in Fig. 4 gezeigten Schaltung werden die durch die folgenden Formeln dargestellten Zusammenhänge ge nutzt. Dabei wird von einer vereinfachten Funktion x³ ausge gangen, auf deren Wendepunkt mit Hilfe der Schaltung geregelt werden soll.

f(x) = x³ → sinω_bt[x0 + a cosω_at]³,
= sinω_bt[x0² + a² cos²ω_at + 2 x0 a cosω_at][x0 + a cosω_at],
= sinω_bt[x0³+ a² x0 cos²ω_at + 2 x0²a cosω_at + x0²a cosω_at + a³ cos²ω_at + 2 x0 a² cosω_at],
= sinω_bt[x0³ + 3 x0²a cosω_at + 3 x0 a² cosω_at + a³ cos³ω_at],
= sinω_bt[. . . 3 x0 a²1/2[1 + cos (2ω_a t]],
= . . . -3/2 x0 a² 1/2[sin (2ω_a - w_b)t + sin(2ω_a + ω_b)t]

Aus den Formeln ist ersichtlich, wie durch die zweifache Auslenkung eine Signalkomponente entsteht, die die Frequenz 2ω_a - ω_b hat bzw. die Frequenz 2ω_a + ω_b hat. Die Amplitude dieser Signalkomponente ist proportional der zweiten Ablei tung. Durch die Multiplikation in der Multiplikationseinheit 134 muss diese Signalkomponente ausgewählt werden.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel arbeitet der Modulator 100 als Pulsmodulator. Anstelle der Daten 112 wird das in Fig. 1 gezeigte Steuersignal eingesetzt. Der Arbeitspunkt liegt beispielsweise zwischen den Spannungen U1 und U2. Der Arbeitsbereich ist kleiner als 1Vπ oder gleich 1Vπ. Im Übri gen bleibt die in Fig. 4 dargestellte Schaltung unverändert.

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines Modulators (100), bei dem ein Modulator (100) abhängig von einem Steuersignal (20) aus einer Eingangsstrahlung (114) eine modulierte Aus gangsstrahlung erzeugt,
der Arbeitspunkt (AP) des Modulators (100) bezüglich seiner Transmissionskennlinie (10) vom Mittelwert des Steuersignals (20) oder vom Signalwert eines Hilfssignals (108) abhängt,
der Arbeitsbereich (AB) des Modulators (100) bezüglich der Transmissionskennlinie (10) von der Amplitude des Steuersig nals (20) abhängt,
aus der Ausgangsstrahlung die mittlere Strahlungsleistung erfasst wird,
eine periodische Auslenkung des Arbeitspunktes (AP) mit einer Arbeitspunkt-Auslenkungsfrequenz (f1) und eine periodische Auslenkung des Arbeitsbereiches (AB) mit einer Arbeitsbe reichs-Auslenkungsfrequenz (f2) erzwungen wird,
abhängig von der Auslenkung des Arbeitspunktes (AP) und ab hängig von der Auslenkung des Arbeitsbereiches (AB) ein Re gelsignal (108, 110) für das Einregeln des Arbeitspunktes (AP) oder für das Einregeln des Arbeitsbereiches (AB) erzeugt wird,
und bei dem abhängig vom Regelsignal (108, 110) bei Regelung des Arbeitspunktes der Mittelwert des Steuersignals (20) oder der Signalwert des Hilfssignals,
oder bei Regelung des Arbeitsbereiches die Amplitude des Steuersignals (20) eingestellt wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Regelsignals (110) aus einem von der mittle ren Strahlungsleistung abhängigen Signal (122) eine Signal komponente ausgewählt wird, deren Frequenz durch beide Aus lenkungsfrequenzen (f1, f2) bestimmt ist.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitspunkt-Auslenkungsfrequenz (f1) von der Arbeitsbe reichs-Auslenkungsfrequenz verschieden ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalkom ponente ausgewählt wird, deren Frequenz von der mit ganztei ligen Faktoren gewichteten Summe oder Differenz der beiden Auslenkungsfrequenzen (f1, f2) abhängt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalkompo nente durch Multiplikation des von der mittleren Strahlungs leistung abhängigen Signals (122) mit einem Auswahlsignal ausgewählt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Regelung des Arbeitsbereiches (AB) für einen Soll-Arbeitspunkt in einem markanten Punkt der Transmissionskennlinie (10) einge setzt wird.

7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Regelung des Arbeitsbereiches (AB) für einen Soll-Arbeitspunkt in einem Wendepunkt der Transmissionskennlinie (10) eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wendepunkt (WP2) der Funktion von mittlerer Strahlungsleistung und Ar beitsbereich als Regelpunkt gewählt wird,
und dass bei Regelung auf den Wendepunkt die Frequenz der Signalkomponente die Summe aus der zweifachen Arbeitsbe reichs-Auslenkungsfrequenz (f2) und der einfachen Arbeits punkt-Auslenkungsfrequenz (f1) ist.
oder dass ein Minimum oder ein Maximum der Funktion von mitt lerer Strahlungsleistung und Arbeitsbereich als Regelpunkt gewählt wird,
und dass bei Regelung auf das Minimum oder das Maximum die Frequenz der Signalkomponente die Summe aus der einfachen Arbeitsbereichs-Auslenkungsfrequenz und der einfachen Ar beitspunkt-Auslenkungsfrequenz ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis verstimmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (100) ein Datenmodulator ist, der mit einem nicht periodi schen Steuersignal (20) angesteuert wird, oder dass der Modulator (100) ein Puls-Modulator ist, der mit einem periodischen Steuersignal angesteuert wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangs strahlung des Modulators (100) mit einer Dauerstrichlicht quelle (114) oder mit einer Puls-Lichtquelle erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator (100) im GHz-Bereich oder im GBit/s-Bereich arbeitet und dass zur Regelung niederfrequente Bauteile eingesetzt werden.

13. Ansteuereinheit (101) für einen Modulator (100), mit einer Wandlereinheit (102), die abhängig von der Aus gangsstrahlung eines Modulators (100) ein Ausgangssignal (122) erzeugt, dessen Signalwert ein Maß für die mittlere Strahlungsleistung ist,
mit einer Arbeitspunkt-Auslenkungseinheit (126) zum periodi schen Auslenken des Arbeitspunktes (AP) gemäß einer Arbeits punkt-Auslenkungsfrequenz (f1),
mit einer Arbeitsbereichs-Auslenkungseinheit (142) zum perio dischen Auslenken des Arbeitsbereichs gemäß einer Arbeitsbe reichs-Auslenkungsfrequenz (f2),
mit einer Regeleinheit (104, 106) zum Erzeugen eines Regel signals (108, 110) für das Einregeln des Arbeitspunktes (AP) oder für das Einregeln des Arbeitsbereiches (AB) abhängig vom Ausgangssignal der Wandlereinheit (102) sowie abhängig von der Auslenkung des Arbeitspunktes (AP) und abhängig von der Auslenkung des Arbeitsbereiches (AB),
und bei Arbeitspunkt-Regelung mit einer Einstelleinheit zum Verändern des Mittelwertes eines Steuersignals (20) des Modu lators (100) oder zum Verändern des Signalwertes eines den Mittelwert des Steuersignals (20) beeinflussenden Hilfssig nals (108) abhängig vom Regelsignal,
oder bei Arbeitsbereichs-Regelung mit einer Einstelleinheit (146) zum Verändern der Amplitude des Steuersignals (20) abhängig vom Regelsignal (110).

14. Ansteuereinheit (101) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerein heit (101) so aufgebaut ist, dass bei ihrem Betrieb ein Ver fahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12 ausgeführt wird.

15. Ansteuereinheit (101) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (106) enthält:
mindestens einen niederfrequenten Signalgenerator (142, 144) zum Erzeugen des Auswahlsignals und/oder eines Auslenkungs signals,
eine der Wandlereinheit (102) und dem Signalgenerator (142, 144) nachgeschaltete Multiplikationseinheit (134)
eine der Multiplikationseinheit (134) nachgeschaltete Tief passfilter-Einheit (136), die nur Signale mit einer Frequenz durchlässt, die kleiner als eine untere Grenzfrequenz ist, vorzugsweise kleiner als die Frequenz des Auswahlsignals,
eine der Tiefpassfilter-Einheit (136) nachgeschaltete Integ riereinheit (138), die das Signal an ihrem Eingang über die Zeit integriert,
und eine der Integriereinheit (138) und dem Signalgenerator (142) nachgeschaltete Addiereinheit zum Addieren der an ihren Eingängen anliegenden Signalwerte und zum Ausgeben des Regel signals (110).