DE10145829A1 - Interferometer und Anordnung zur Frequenzstabilisierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Interferometer mit unterschiedlich langen Wellenleiterverbindungen (WGCi mit i = 1, 2, ..., m), dem an mindestens einem Wellenleitereingang (WGINk mit k = 1, 2, ..., n) ein optisches Signal (OSk) einer Frequenz (Fk) zugeführt und an einem ersten Wellenleiterausgang (WGOUT) dieses optische Signal (OSk) entnommen wird. Erfindungsgemäß ist neben dem ersten Wellenleiterausgang (WGOUT) mindestens ein weiterer Wellenleiterausgang (WGOUT1, WGOUT2) vorgesehen, der ein optisches Signal (OSk) abgibt, das vom Abstand der Frequenz (Fk) von einer Sollfrequenz (F0k) abhängig ist. Des weiteren stellt die Erfindung eine Anordnung zur Frequenzstabilisierung optischer Sender mit einem derartigen Interferometer zur Verfügung.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Interferometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zur Frequenzstabilisierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 9.
• Im Wellenlängenmultiplexbetrieb müssen optische Sender frequenzstabilisiert werden, damit die gesendeten Signale empfängerseitig durch Demultiplexer getrennt werden können. Es sind sogenannte Wavelength Locker bekannt. Diese sind Fabry-Perot-Resonatoren mit freien Spektralbereichen von z. B. 100 GHz, was gerade einem gewünschten Frequenzabstand optischer Sender entspricht.
• Die optischen Sender müssen entweder durch Koppler kombiniert werden, was nachteilig Leistungsverluste verursacht, oder sie werden werden von einem Wellenlängenmultiplexer kombiniert. Ein solcher wird üblicherweise als Phased-Array von Wellenleitern auf SiO₂ (Glas auf Silizium, Silica oder Silicon) hergestellt. Ein derartiger Wellenlängenmultiplexer ist in der WO-A-99/52003 beschrieben.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Interferometer und eine Anordnung zur Frequenzstabilisierung zur Verfügung zu stellen, die eine Frequenzstabilisierung optischer Sender insbesondere im Multiplexbetrieb ermöglichen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Interferenzfilter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Danach wird erfindungsgemäß ein Interferenzfilter bereit gestellt, bei dem neben einem ersten Wellenleiterausgang mindestens ein weiterer Wellenleiterausgang vorgesehen ist, der ein optisches Signal abgibt, das vom Abstand der Frequenz von einer Sollfrequenz abhängig ist. Das von dem mindestens einen weiteren Wellenleiterausgang abgegebene Signal wird als Maß für die Abweichung der Frequenz des optischen Senders zu der Sollfrequenz detektiert und dem Eingang einer Frequenzregeleinrichtung zur Regelung der Frequenz des optischen Senders auf die Sollfrequenz zugeführt.
• Somit wird ein Interferenzfilter derart modifiziert, daß es sich als gemeinsamer Wavelength Locker für alle optischen Sender verwenden läßt. Dadurch entsteht eine integrierte Lösung, was Platz- und Kostenvorteile bietet.
• Bevorzugt werden in geringem Frequenzabstand vom Nutzausgang des Wellenlängenmultiplexers zwei weitere Ausgänge zur Frequenzdiskrimination vorgesehen. Durch Amplitudenmodulation eines optischen Senders, z. B. mit einem Pilotton, entstehen amplitudenmodulierte Signale auch an diesen Frequenzdiskriminationsausgängen. Nach phasensensitiver Demodulation zeigt ihre Differenz den Frequenzfehler des amplitudenmodulierten optischen Senders gegenüber seiner Sollfrequenz an.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung gibt der weitere Wellenleiterausgang eine als Funktion der Frequenz zumindest in der Umgebung der Sollfrequenz monoton variable optische Leistung des optischen Signals ab. Die abgegebene Leistung des weiteren Wellenleiterausgangs ist somit in der Umgebung der Sollfrequenz im wesentlichen linear von der Differenz zwischen der Sollfrequenz und der aktuellen Frequenz abhängig.
• In einer Weiterbildung der Erfindung weist der weitere Wellenleiterausgang einen im Vergleich zu dem ersten Wellenleiterausgang geringeren Maximalwert der abgegebenen optischen Leistung auf. Dies ermöglicht, bereits geringe Differenzen zwischen Sollfrequenz und aktueller Frequenz aufzulösen. Gleichzeitig wird die im ersten Wellenleiterausgang transmittierte Leistung, die in der Regel ein zu übertragendes digitales Datensignal enthält, durch die hinzugefügten weiteren Ausgangswellenleiter nur geringfügig geschwächt.
• Zur Realisierung eines geringeren Maximalwerts der abgegebenen optischen Leistung weist der weitere Wellenleiterausgang beispielsweise eine im Vergleich zu dem ersten Wellenleiterausgang geringere Breite auf und/oder verzweigt er sich erst in einem Abstand von der Ausgangsregion des Ausgangskopplers des Interferometers.
• Die erfindungsgemäße Anordnung zur Frequenzstabilisierung weist ein Interferometer nach Anspruch 1 auf, dessen mindestens einem Wellenleitereingang jeweils das Licht eines optischen Senders zugeführt wird. Dabei wird das von dem mindestens einem weiteren Wellenleiterausgang abgegebene Signal detektiert und das detektierte Signal oder eine davon abhängige Größe als Maß für die Abweichung der Frequenz des optischen Senders von der Sollfrequenz dem Eingang einer Frequenzregeleinrichtung zur Regelung der Frequenz des optischen Senders zugeführt.
• Bevorzugt sind ein erster und ein zweiter weiterer Wellenleiterausgang vorgesehen, deren Signale jeweils von einem Photodetektor erfaßt werden, wobei das Differenzsignal der Signale der Photodetektoren oder ein davon abhängiges Signal als Eingangssignal der Frequenzregeleinrichtung dient.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung ist für jeden optischen Sender eine Modulationssignalquelle zur Erzeugung eines Modulations- oder Pilottonsignals vorgesehen. Das Modulationssignal dient zum einen der Modulation des optische Senders und wird zum anderen in der zugehörigen Frequenzregeleinrichtung mit dem detektierten Signal des mindestens einen weiteren Wellenleiterausgangs oder der Differenz solcher Signale gemischt bzw. multipliziert. Frequenzanteile, die von der Modulationsfrequenz bzw. Pilottonfrequenz abweichen, sowie Gleichanteile, wirken sich dabei nicht aus (Synchrongleichrichter). Das aus der Multiplikation des Modulationssignals mit dem Differenzsignal hervorgehende Signal wird bevorzugt einem einen Integrator aufweisenden Regler zugeführt, dem ein Tiefpaßfilter vorgeschaltet sein kann und der ein Frequenzregelsignal zur Regelung der Frequenz des optischen Senders erzeugt.
• Bevorzugt geben die Modulationssignalquellen Modulationssignale ab, die paarweise orthogonal sind, damit die modulierten Signale bzw. Leistungen frequenzselektiv etwa im Rahmen einer Lock-In Detektion erfaßt werden können. Beispielsweise werden Modulationssignale erzeugt, die durch aufeinanderfolgende Pulse unterschiedlicher Polarität und bevorzugt identischer Amplitude gebildet werden, wobei zu jedem Zeitpunkt stets nur ein solches Modulationssignal vorliegt und damit ungleich Null ist. Es sind jedoch auch andere jeweils paarweise orthogonale Signale möglich, etwa Sinus- oder Kosinusschwingungen oder orthogonale Pulsfolgen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden für jede Frequenz die detektierten Signale des mindestens einen weiteren Wellenleiterausgangs jeweils mit dem Modulationssignal gemischt und die dabei entstehenden Signale einem Linearkombinierer zugeführt. Der Ausgang des Linearkombiniers ist mit einem Regler verbunden, der ein Frequenzregelsignal zur Regelung der Frequenz des jeweiligen optischen Senders erzeugt.
• Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, daß Frequenzänderungen berücksichtigt werden können, die sich aus dem Umstand ergeben, daß mit der durch das Modulationssignal bewirkten Änderung der Amplitude des Signals des optischen Senders sich in der Regel auch die Frequenz des optischen Senders ändert. Dies hängt damit zusammen, daß die Frequenz einer Laserdiode eine Funktion der Temperatur ist, die wiederum von dem modulierten Pumpstrom abhängt. Bei den Frequenzänderungen handelt es sich um an sich nicht erwünschte, durch das Modulationssignal erzeugte parasitäre Frequenzmodulationen, die idealerweise nicht aufträten und nicht berücksichtigt werden müßten. Durch die Verwendung eines Linearkombinierers wird ermöglicht, die detektierten Signale der zusätzlichen Wellenleiterausgänge linear zu kombinieren und dabei die Auswirkungen der parasitären Frequenzmodulationen durch Addieren und Gewichtung der einzelnen Anteile zu beseitigen.
• In einer Weiterbildung der Erfindung wird das detektierte Signal des mindestens einen weiteren Wellenleiterausgangs oder eine Linearkombination solcher Signale zusätzlich zur Messung des k-ten Sendeleistungsmittelwerts des k-ten optischen Senders herangezogen. Der Sendeleistungsmittelwert (PS0k) dient dabei der weiteren Überwachung und/oder Regelung des k-ten optischen Senders.
• Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Wellenlängenmultiplexer;
• Fig. 2 die Leistungen der Signale der Ausgangswellenleiter des Multiplexers der Fig. 1 in Abhängigkeit von der Differenz der Frequenz zu der Sollfrequenz;
• Fig. 3 eine Subtrahierer-Schaltung zur Bildung der Differenz der Signale der zusätzlichen Ausgangswellenleiter;
• Fig. 4 eine Schaltungsanordnung mit einem Subtrahierer gemäß Fig. 3 und einer Mehrzahl von Frequenzregeleinrichtungen;
• Fig. 5 Beispiele für Modulationssignale, die durch aufeinderfolgende Pulse gebildet werden; und
• Fig. 6 eine weitere Schaltung zur Frequenzstabilisierung.
• In Fig. 1 ist ein Wellenlängenmultiplexer schematisch dargestellt. Er besteht aus einem vergrabenen verzweigten Wellenleiter WG in einer Schicht SiO₂ aus Quarzglas, welche auf einem Siliziumsubstrat Si sitzt. Stattdessen können auch andere Materialien wie z. B. GaAs, InGaAlAs, InP, Polymere, Quarzglas ohne Siliziumsubstrat eingesetzt werden. Zwischen zwei wegen ihrer Breite als Multimodeninterferenzkoppler ausgebildeten Schichtwellenleitern, von denen einer ein eingangsseitiger Koppler CIN, der andere ein ausgangsseitiger Koppler COUT ist, befindet sich eine Vielzahl von Wellenleiterverbindungen WGCi, wobei i eine erste Ordnungszahl i = 1, 2, . . ., m und m die Gesamtanzahl von Wellenleiterverbindungen WGCi ist. Benachbarte Wellenleiterverbindungen WGCi, WGC(i+1) unterscheiden sich in ihrer optischen Weglänge um eine feste Weglängendifferenz DL. Dies wird durch nebeneinander angeordnete, gekrümmte Wellenleiterverbindungen WGCi erreicht, deren Krümmungsradien und Längen mit der Ordnungszahl i ansteigen.
• Die Wellenleiterverbindungen sind mit der Ausgangsregion CIN2 des eingangsseitigen Kopplers CIN einerseits, und mit der Eingangregion COUT1 des ausgangsseitigen Kopplers COUT andererseits verbunden. Der Quotient C/DL, wobei C die Lichtgeschwindigkeit in den Wellenleiterverbindungen WGCi angibt, ist der freie Spektralbereich des Wellenlängenmultiplexers. An die Eingangsregion CIN1 des eingangsseitigen Kopplers CIN angekoppelt sind Eingangswellenleiter WGINk, wobei k = 1, 2, . . ., n eine zweite Ordnungszahl ist und n die Gesamtanzahl von Eingangswellenleitern WGINk ist. An den k-ten Eingangswellenleiter WGINk wird das k-te optische Signal OSk mit k = 1, 2, n eines k-ten optischen Senders Lk mit k = 1, 2, . . ., n eingespeist. In der Ausgangsregion COUT2 des ausgangsseitigen Kopplers COUT ist ein erster Ausgangswellenleiter WGOUT angeschlossen, welcher die n optischen Signale OSk abgibt. Das k-te optische Signal OSk besitzt jeweils eine k-te optische Frequenz Fk mit k = 1, 2, . . ., n. Die k-te Frequenz Fk ist idealerweise gleich einer k-ten Sollfrequenz F0k mit k = 1, 2, . . ., n. Die Sollfrequenz F0K ist die gewünschte Frequenz des k-ten optischen Senders bzw. Lasers Lk. Die Frequenz Fk ist die tatsächliche Frequenz des k-ten optischen Senders, wobei Fk auf F0k geregelt werden soll.
• Die Frequenzsolldifferenz zwischen benachbart eingespeisten optischen Signalen OS(k+1) und OSk beträgt idealerweise jeweils F0(k+1) - F0k = FDIFF. Typischerweise beträgt FDIFF 50, 100 oder 200 GHz. Die optischen Weglängen des k-ten optischen Signals OSk vom k-ten Eingangswellenleiter WGINk durch die m verschiedenen Wellenleiterverbindungen WGCi zum ersten Ausgangswellenleiter WGOUT sind modulo einer ganzen Wellenlänge des k-ten optischen Signals OSk jeweils identisch. Dadurch wird das k-te optische Signal weitgehend verlustfrei zum ersten Ausgangswellenleiter WGOUT geleitet. Im Bereich der Einkoppelöffnung des ersten Ausgangswellenleiters WGOUT in der Ausgangsregion COUT2 des ausgangsseitigen Kopplers COUT überlagern sich somit die k-ten optischen Signale, die durch die m verschiedenen Wellenleiterverbindungen WGCi gelaufen sind, jeweils konstruktiv, so daß sämtliche optischen Signale OSk der optischen Sender Lk in den Ausgangswellenleiter WGOUT eingekoppelt und von diesem übertragen werden. Der erste Ausgangswellenleiter WGOUT ist an einen Lichtwellenleiter WGS angeschlossen, in welchem alle optischen Signale OSk auftreten.
• In der Ausgangsregion COUT2 des ausgangsseitigen Kopplers COUT ist auf wenigstens einer Seite des ersten Ausgangswellenleiters WGOUT wenigstens ein weiterer Ausgangswellenleiter WGOUT1, WGOUT2 vorgesehen. In Fig. 1 befinden sich ein erster weiterer und ein zweiter weiterer Ausgangswellenleiter WGOUT1 bzw. WGOUT2 in unmittelbarer Nachbarschaft des ersten Ausgangswellenleiters WGOUT auf jeweils einer der beiden Seiten des ersten Ausgangswellenleiters WGOUT. Der erste weitere bzw. der zweite weitere Ausgangswellenleiter WGOUT1 bzw. WGOUT2 ist auf derjenigen Seite des ersten Ausgangswellenleiters WGOUT angebracht, auf welcher das k-te optische Signal OSk in dem Fall, daß es eine etwas tiefere bzw. eine etwas höhere k-te Frequenz Fk als die k-te Sollfrequenz F0k aufweist, auf den Wegen durch die verschiedenen Wellenleiterverbindungen WGCi für zunehmende erste Ordnungszahl i modulo ganzen Wellenlänge des k-ten optischen Signals OSk jeweils identische optische Weglängen zu durchlaufen hat. Im Bereich der Einkoppelöffnung des ersten weiteren bzw. zweiten weiteren Ausgangswellenleiters WGOUT1 bzw. WGOUT2 überlagern sich somit die k-ten optischen Signale OSk konstruktiv, sofern sie eine gegenüber der Sollfrequenz F0k etwas tiefere bzw. eine etwas höhere Frequenz Fk aufweisen. Sofern die k-te Frequenz Fk gleich der k-ten Sollfrequenz F0k ist, liegt eine konstruktive Überlagerung und Einkopplung dagegen bei dem ersten Ausgangswellenleiter WGOUT vor. Der Grad der Einkopplung von Licht in ersten weiteren bzw. zweiten weiteren Ausgangswellenleiters WGOUT1 bzw. WGOUT2 stellt somit ein Maß dafür dar, wieweit die aktuelle k-te Frequenz Fk sich von der k-ten Sollfrequenz unterscheidet.
• Die Abstände des ersten weiteren und des zweiten weiteren Ausgangswellenleiters WGOUT1, WGOUT2 zum ersten Ausgangswellenleiter WGOUT sind im Ausführungsbeispiel identisch gewählt. Sie werden derart gewählt, daß optische Signale OSk mit typischerweise auftretenden Abweichungen der Frequenz Fk von der Sollfrequenz F0k mit ausreichend hoher, gleichzeitig aber die Leistung im ersten Ausgangswellenleiter WGOUT nicht allzu sehr schwächender Leistung in den ersten weiteren bzw. zweiten weiteren Ausgangswellenleiters WGOUT1 bzw. WGOUT2 eingekoppelt werden.
• Fig. 2 zeigt die vom k-ten optischen Signal in dem ersten weiteren, dem ersten und dem zweiten weiteren Ausgangswellenleiter WGOUT1, WGOUT, WGOUT2 transmittierte erste weitere, erste bzw. zweite weitere Leistung P1, P, P2 als Funktion einer k-ten Frequenzdifferenz Fk - F0k, welche die Differenz der k-ten optischen Frequenz Fk und der k-ten Sollfrequenz F0k ist. Es ist vorteilhaft, die Maximalwerte der weiteren Leistungen P1, P2 durch geeigneten Entwurf der Ausgangswellenleiter WGOUT1, WGOUT, WGOUT2 geringer zu wählen als den Maximalwert der ersten Leistung P. Dies ermöglicht es, schon geringe k-te Frequenzdifferenzen Fk - F0k aufzulösen und gleichzeitig die transmittierte erste Leistung P durch die hinzugefügten weiteren Ausgangswellenleiter WGOUT1, WGOUT2 nur geringfügig zu schwächen. Dies läßt sich z. B. durch geeignete, auch ortsabhängige Breiten und/oder Abstände dieser Wellenleiter bewirken und/oder dadurch, daß diese Wellenleiter sich nicht unmittelbar in der Ausgangsregion COUT2 des ausgangsseitigen Kopplers COUT verzweigen, sondern erst in einem Abstand DIST.
• Die erste weitere und zweite weitere Leistung P1, P2 werden durch einen an Ausgängen des ersten weiteren bzw. zweiten weiteren Ausgangswellenleiters WGOUT1, WGOUT2 angeordnete ersten bzw. zweiten Photodetektor PD1, PD2 detektiert.
• In einem ersten Ausführungsbeispiel ist n = 1, d. h. es wird nur ein optisches Signal eingespeist. Die Anzahl der Wellenleiterverbindungen WGCi kann in diesem Fall kleiner sein, bis herunter zu m = 2, jedoch kann die Gesamtanzahl m der Wellenleiterverbindungen WGCi auch bei n = 1 groß sein. Gemäß Fig. 3 wird in einem Subtrahierer SU die Differenz der von erstem bzw. zweitem Photodetektor PD1, PD2 gelieferten ersten und zweiten Frequenzdiskriminationssignale FDS1, FDS2 als Detektionssignal FDE gebildet. Je nachdem, ob die Frequenzdifferenz Fk - F0k zwischen aktueller Frequenz Fk und Sollfrequenz F0k positiv oder negativ ist, ist auch das Detektionssignal FDE positiv oder negativ, wobei hier k = 1 ist. Das Detektionssignal FDE dient hier unmittelbar als erstes Frequenzreglereingangssignal FRINC1. Dieses wird einem vorzugsweise als Integrator ausgebildeten Regler CONT1 zugeführt, an dessen Ausgang ein erstes Frequenzregelsignal FRC1 abgegeben wird. Das erste Frequenzregelsignal FRC1 wird einem Frequenzregeleingang des ersten optischen Senders L1 mit einer Polarität zugeführt, welche eine Stabilisierung der ersten Frequenz F1 auf die erste Sollfrequenz bewirkt. Dabei wird die Differenz zwischen den beiden Frequenzdiskriminationssignalen FDS1, FDS2 auf Null geregelt.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel sei n > 1. Der k-te optische Sender Lk besitzt nun einen Frequenzregeleingang zur Zuführung des k-ten Frequenzregelsignals FRCk und einen Modulationseingang zur Zuführung eines k-ten Modulationssignals MSk, jeweils mit k = 1, 2, . . ., n. In Fig. 4 dargestellt ist u. a. die k-te Frequenzregeleinrichtung FCONTk für den k-ten optischen Sender Lk. Für jeden der n optischen Sender Lk ist eine solche Frequenzregeleinrichtung FCONTk vorgesehen, wobei k = 1, 2, . . ., n gilt. Die Erzeugung des Detektionssignals FDE erfolgt ebenso wie in Fig. 3 dargestellt.
• In der k-ten Frequenzregeleinrichtung FCONTk wird das Detektionssignal FDE einem ersten Eigang eines k-ten Multiplizierers MUk zugeführt. Einem zweiten Eingang des k-ten Multiplizierers wird das k-te Modulationssignal MSk zugeführt, das von einer k-ten Modulationssignalquelle MVk erzeugt wird und außerdem zur Modulation des k-ten optischen Senders Lk zur Verfügung steht. Im Multiplizierer MUk werden die beiden Signale miteinander multipliziert, so daß Frequenzanteile, die von der Modulations- bzw. Pilotfrequenz abweichen, sowie Gleichanteile sich nicht auswirken (Synchrongleichrichter).
• Als k-te Sendeleistung PSk wird im folgenden derjenige Mittelwert der vom k-ten optischen Sender Lk abgegebenen Leistung verstanden, der sich durch Mittelung über ausreichend viele Bitdauern, Symboldauern oder Perioden eines i. a. dem k-ten optischen Sender Lk ebenfalls aufgeprägten Nachrichtensignals ergibt. Bei einem Nachrichtensignal im Gbit/s- oder GHz-Bereich reicht dazu eine Mittelung über etwa 100 ns bis 1 ms aus; eine solche ergibt sich beispielsweise automatisch durch den Photodetektoren PD1, PD2 nachgeschaltete Verstärker mit Bandbreitenbegrenzung nach oben.
• Das k-te Modulationssignal wird vorzugsweise so gewählt, daß es gleichsignalfrei ist und daß es durch diese Bandbreitenbegrenzung oder Mittelung nicht wesentlich betroffen wäre. Des weiteren werden alle n Modulationssignale MSk mit k = 1, 2, . . ., n so gewählt, daß sie paarweise orthogonal sind. Dazu eignen sich beispielsweise Sinus- und Kosinusschwingungen unterschiedlicher Frequenzen - insbesondere in diesem Fall wird das im folgenden beschriebene Detektionsverfahren als Lock-In-Detektion bezeichnet. Alternativ werden als Modulationssignale gemäß Fig. 5 aufeinanderfolgende Pulse unterschiedlicher Polarität und vorzugsweise identischer Amplitudenbeträge AM verwendet, wobei zu jedem Zeitpunkt jeweils nur eines der n Modulationssignale MSk einen solchen Puls aufweist und damit ungleich Null ist. Die einzelnen optischen Sender Lk werden dabei nacheinander mit einem von Null verschiedenen Modulationssignal beaufschlagt.
• Ein Oberbegriff der Detektionsverfahren für die genannten Signale ist die Synchrondemodulation orthogonaler Signale.
• Das k-te Modulationssignal, das bevorzugt eine gegenüber dem zu übertragenden Datensignal geringe Frequenz aufweist, moduliert vorzugsweise die k-te Sendeleistung PSk des optischen Senders Lk um einen k-ten Sendeleistungsmittelwert PSOk herum (vgl. Fig. 1). Besteht der k-te optische Sender beispielsweise aus einem DFB-Laser, einem darauf folgenden Elektroabsorptionsmodulator oder Mach-Zehnder-Modulator zur Aufprägung eines Nachrichtensignals und einem ausgangsseitigen optischen Verstärker aus Halbleitermaterial, wobei Laser, Modulator und Verstärker auf einem einzigen Substrat aus Halbleitermaterial integriert sein können, so moduliert das k-te Modulationssignal vorzugsweise den Pumpstrom des ausgangsseitigen optischen Verstärkers im Kleinsignalbetrieb. Sofern der optische Sender ein direkt modulierter Laser ist, moduliert das k-te Modulationssignal den Bias-Strom (Vorstrom) der Laserdiode.
• Die beiden Photodetektoren PD1, PD2 detektieren die in die weiteren Ausgangswellenleiter WGOUT1, WGOUT2 eingekoppelten Anteile der modulierten k-ten Sendeleistung PSk. Die von den beiden Photodetektoren PD1, PD2 bereitgestellten ersten und zweiten Frequenzdiskriminationssignale FDS1, FDS2 weisen beide zum k-ten Modulationssignal MSk proportionale Anteile auf. Ihre Amplituden verhalten sich aber außerdem als Funktion der k-ten Frequenzdifferenz Fk - F0k proportional zur in Fig. 2 für den Fall nur eines optischen Senders skizzierten ersten weiteren bzw. zweiten weiteren Leistung P1, P2. Außerdem sind sie zum k-ten Leistungssollwert PS0k proportional.
• Dabei ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß die Leistungen P1, P2 der weiteren Ausgangswellenleiter WGOUT1, WGOUT2 in der Umgebung der Sollfrequenz F0k (Fk - F0k = 0) näherungsweise linear von der Differenz zwischen der aktuellen Frequenz Fk und der Sollfrequenz F0k abhängen.
• Als k-tes Reglereingangssignal FRINCk dient ein Ausgangssignal des k-ten Multiplizierers MUk, oder es wird aus diesem in einer vorzugsweise als Tiefpaßfilter ausgebildeten k-ten Signalaufbereitungsseinheit CUk gebildet. Die Eckfrequenz des Tiefpasses CUk ist dabei wesentlich niedriger als die doppelte Modulationsfrequenz, so daß dem nachfolgenden k-ten Regler CONTk, beispielsweise einem P1- Regler, ein im wesentlichen geglättetes, zur Frequenzdifferenz Fk - F0k korrelierendes Signal FRINC zur Verfügung gestellt wird. An dem Ausgang des wie der erste Regler CONT1 aufgebauten k-ten Reglers CONTk wird ein k-tes Frequenzregelsignal FRCk abgegeben wird. Das k-te Frequenzregelsignal FRCk wird einem Frequenzregeleingang des k-ten optischen Senders Lk mit einer Polarität zugeführt, welche eine Stabilisierung der k-ten Frequenz Fk auf die k-te Sollfrequenz F0k bewirkt. Dabei ist jeweils k = 1, 2, . . ., n. Das k-te Frequenzregelsignal kann beispielsweise den Pumpstrom eines im k-ten optischen Senders Lk vorhandenen Lasers beeinflussen und/oder die Temperatur desselben.
• Es wird ein schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis des k-ten Frequenzreglereingangssignals FRINCk und des k-ten Frequezregelsignals FRCk erzielt als vorher für das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 mit n = 1 beschrieben. Die Frequenzstabilität optischer Sender OSk ist aber i. a. so hoch und die ihnen aufgeprägten Nachrichtensignale so hochfrequent, daß ein zufriedenstellender Regelbetrieb ohne weiteres möglich ist.
• Zur Modulation des k-ten optischen Senders Lk eignet sich auch eine durch das k-te Modulationssignal MSk bewirkte Pumpstrommodulation bzw. Bias-Strom Modulation eines Lasers, welcher das k-te optische Signal OSk erzeugt. Dabei wird üblicherweise aber auch die k-te Frequenz Fk moduliert.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches die Änderung der Frequenz aufgrund des Modulationssignals berücksichtigt und auch unter dieser erschwerten Bedingung die k-te Frequenz Fk auf die k-te Sollfrequenz F0k stabilisieren kann, ist in Fig. 6 dargestellt. Die Frequenzdiskriminationssignale FDS1, FDS2 werden je einem ersten Eingang eines ersten weiteren bzw. zweiten weiteren Multiplizierers MUL1, MUL2 zugeführt. An je einem zweiten Eingang der weiteren Multiplizierer MUL1, MUL2 wird das k-te Modulationssignal MSk zugeführt. An je einem Ausgang des ersten weiteren bzw. zweiten weiteren Multiplizierers MUL1, MUL2 steht ein erstes weiteres bzw. ein zweites weiteres Detektionssignal FDE1, FDE2 zur Verfügung. Es sei dFDS1/dMSk bzw. dFDS2/dMSk die Ableitung des ersten bzw. zweiten Frequenzdiskriminationssignals FDS1, FDS2 nach dem k-ten Modulationssignal, jeweils gemessen für den Fall, daß die k-te Frequenz Fk bei verschwindendem k-ten Modulationssignal MSk gleich der k-ten Sollfrequenz F0k ist.
• In einem ersten Linearkombinierer Lk1 wird das k-te Frequenzreglereingangssignal FRINCk gemäß der Beziehung
  
  FRINCk = B.(dFDS1/dMSk.FDE2 - dFDS2/dMSk.FDE1)
  
  gewonnen, wobei B eine Konstante ist. Für den Fall, daß die Frequenz Fk bei verschwindendem k-ten Modulationssignal MSk gleich der k-ten Sollfrequenz F0k ist, ist das k-te Frequenzreglereingangssignal FRINCk gleich Null. Der vorzugsweise als Integrator ausgebildete k-te Regler ändert deshalb gerade dann das k-te Frequenzregelsignal FRCk nicht.
• Eine weitere Linearkombination der weiteren Detektionssignale FDE1, FDE2, z. B. ihre Summe FDE1 + FDE2, oder, mit geringerer Unabhängigkeit von der k-ten Frequenz Fk, jedes dieser weiteren Detektionssignale FDE1, FDE2 kann des weiteren zur Messung des k-ten Sendeleistungsmittelwerts PSOk herangezogen werden. Dies dient der weiteren Überwachung und ggf. Regelung des k-ten optischen Senders Lk. Beispielsweise kann das k-te Frequenzregelsignal FRCk die Temperatur des Lasers regeln, während ein zum Integral der Differenz des k-ten Sendeleistungsmittelwerts PSOk und eines Leistungssollwerts proportionales Leistungsregelsignal den Pumpstrom des Lasers beeinflußt. Noch besser für diese Zweigrößenregelung geeignet sind solche Linearkombinationen von Lasertemperatur und -pumpstrom, die - zur Beeinflussung durch das k-te Frequenzregelsignal FRCk - nur die k-te Frequenz Fk, bzw. - zur Beeinflussung durch das zugehörige Leistungsregelsignal - nur den k-ten Sendeleistungsmittelwert PSOk, regeln, jeweils über Zeiten gesehen, die vorhandene thermische Zeitkonstanten übersteigen.
• Eine Vereinfachung obiger Ausführungsbeispiele der Erfindung ist dadurch möglich, daß nur einer der weiteren Ausgangswellenteiter WGOUT1, WGOUT2 vorgesehen ist. In diesem Fall wird eines der Frequenzdiskrimininationssignale FDS1, FDS2 durch eine geeignetes weiteres Frequenzdiskriminationssignal FDS ersetzt. Dieses wird vorzugsweise durch Abspalten und Detektion eines Teils der im ersten Ausgangswellenleiter WGOUT transportierten optischen Leistung gewonnen.
• Dies kann beispielsweise durch einen weiteren Photodetektor PD erfolgen, welcher beispielsweise direkt, ggf. zwecks besserer Kopplung in einer ausgeätzten Vertiefung, über dem Ausgangswellenleiter WGOUT angebracht werden kann. Die Kopplung wird durch das evaneszente Feld des ersten Ausgangswellenleiters WGOUT und die im Vergleich zum ersten Ausgangswellenleiter WGOUT höhere Brechzahl des weiteren Photodetektors PD gewährleistet. Vor der Weiterverarbeitung ist es zweckmäßig, das verbleibende der ersten und zweiten Frequenzdiskriminationssignale FDS1, FDS2 durch ein erstes und zweites Gewicht A1, A2, und/oder das weitere Frequenzdiskriminationssignal FDS durch ein weiteres Gewicht A zu gewichten, damit die k-te Frequenz Fk wie gewünscht gleich der k-ten Sollfrequenz F0k wird.

Claims (17)

1. Interferometer mit unterschiedlich langen Wellenleiterverbindungen (WGCi mit i = 1, 2, . . ., m), dem an mindestens einem Wellenleitereingang (WGINk mit k = 1, 2, . . ., n) ein optisches Signal (OSk) einer bestimmten Frequenz (Fk) zugeführt und dem dieses optische Signal (OSk) an einem ersten Wellenleiterausgang (WGOUT) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem ersten Wellenleiterausgang (WGOUT) mindestens ein weiterer Wellenleiterausgang (WGOUT1, WGOUT2) vorgesehen ist, der ein optisches Signal (OSk) abgibt, das vom Abstand der Frequenz (Fk) von einer Sollfrequenz (F0k) abhängig ist.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wellenleiterausgang (WGOUT1, WGOUT2) eine als Funktion der Frequenz (Fk) zumindest in der Umgebung der Sollfrequenz (F0k) monoton variable optische Leistung (P1, P2) des optischen Signals (OSk) abgibt.

3. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wellenleiterausgang (WGOUT) einem Ausgangskoppler (COUT) eines Phased-Array Gitters mit den unterschiedlich langen Wellenleiterverbindungen (WGCi) entspringt.

4. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine weitere Wellenleiterausgang (WGOUT1, WGOUT2) in unmittelbarer Nachbarschaft des ersten Wellenleiterausgangs (WGOUT) angeordnet ist.

5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster weiterer Wellenleiterausgang (WGOUT1), welcher auf einer Seite des ersten Wellenleiterausgangs (WGOUT) angordnet ist, und ein zweiter weiterer Wellenleiterausgang (WGOUT2), welcher auf der anderen Seite des ersten Wellenleiterausgangs (WGOUT) angeordnet ist, vorgesehen sind.

6. Interferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste weitere Wellenleiterausgang (WGOUT1) und der zweite weitere Wellenleiterausgang (WGOUT2) den gleichen Abstand zu dem ersten Wellenleiterausgang (WGOUT) aufweisen.

7. Interferometer nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wellenleiterausgang (WGOUT1, WGOUT2) einen im Vergleich zu dem ersten Wellenleiterausgang (WGOUT) geringeren Maximalwert der abgegebenen optischen Leistung (P1, P2) aufweist.

8. Interferometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wellenleiterausgang (WGOUT1, WGOUT2) eine im Vergleich zu dem ersten Wellenleiterausgang (WGOUT) geringere Breite aufweist und/oder sich erst in einem Abstand (DIST) von der Ausgangsregion (COUT2) des Ausgangskopplers (COUT) des Interferometers verzweigt.

9. Anordnung zur Frequenzstabilisierung optischer Sender mit mindestens einem optischen Sender (Lk), der ein optisches Signal (OSk) einer bestimmten Frequenz (Fk) aussendet, das auf eine Sollfrequenz (F0k) zu regeln ist, gekennzeichnet durch ein Interferometer nach Anspruch 1, dessen mindestens einem Wellenleitereingang (WGINk) jeweils das Licht eines optischen Senders (Lk) zugeführt wird, wobei das von dem mindestens einen weiteren Wellenleiterausgang (WGOUT1, WGOUT2) abgegebene Signal detektiert und das detektierte Signal oder eine davon abhängige Größe als Maß für die Abweichung der Frequenz (Fk) des optischen Senders (Lk) von der Sollfrequenz (F0k) dem Eingang einer Frequenzregeleinrichtung (FCONTk) zur Regelung der Frequenz des optischen Senders (Lk) zugeführt wird.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter weiterer Wellenleiterausgang (WGOUT1, WGOUT2) vorgesehen sind, deren Signale jeweils von einem Photodetektor (PD1, PD2) erfaßt werden, und das Differenzsignal (FDE) der Signale der Photodetektoren (PD1, PD2) oder ein davon abhängiges Signal als Eingangssignal der Frequenzregeleinrichtung (FCONTk) dient.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem optischen Sender (Lk) eine Frequenzregeleinrichtung (FCONTk) zugeordnet ist, die als Eingangssignal jeweils das detektierte Signal (FDS1, FDS2) des mindestens einen weiteren Wellenleiterausgangs (WGOUT1, WGOUT2) oder die Differenz solcher Signale (FDE) aufweist.

12. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden optischen Sender (Lk) eine Modulationssignalquelle (MVk) vorgesehen ist, deren Modulationssignal (MSk) zum einen der Modulation des optische Senders (Lk) dient und zum anderen in der zugehörigen Frequenzregeleinrichtung (FCONTk) mit dem detektierten Signal (FDS1, FDS2) des mindestens einen weiteren Wellenleiterausgangs (WGOUT1, WGOUT2) oder der Differenz solcher Signale (FDE) multipliziert wird.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Multiplikation des Modulationssignals (MSk) mit dem Differenzsignal (FDE) hervorgehende Signal einem Tiefpaßfilter oder Integrator (CUk) und anschließend einem Regler (CONTk) zugeführt wird, der ein Frequenzregelsignal (FRCk) zur Regelung der Frequenz des optischen Senders (Lk) erzeugt.

14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationssignalquellen (MVk) Modulationssignale (MSk) abgeben, die paarweise orthogonal sind.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Modulationssignalquellen (MVk) Modulationssignale (MSk) abgeben, die durch aufeinanderfolgende Pulse unterschiedlicher Polarität und bevorzugt identischer Amplitude gebildet werden, wobei zu jedem Zeitpunkt stets nur ein solches Modulationssignal vorliegt und damit ungleich Null ist.

16. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierten Signale (FDS1, FDS2) des mindestens einen weiteren Wellenleiterausgangs (WGOUT1, WGOUT2) für jede Frequenz (Fk) jeweils mit dem Modulationssignal (MSk) gemischt und die dabei entstehenden Signale (FDE1, FDE2) einem Linearkombinierer (LK1) zugeführt werden, dessen Ausgang mit einem Regler (CONTk) verbunden ist, der ein Frequenzregelsignal (FRCK) zur Regelung der Frequenz des jeweiligen optischen Senders (Lk) erzeugt.

17. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das detektierte Signal (FDS1, FDS2) des mindestens einen weiteren Wellenleiterausgangs (WGOUT1, WGOUT2) oder eine Linearkombination solcher Signale zusätzlich zur Messung des k-ten Sendeleistungsmittelwerts (PS0k) des k-ten optischen Senders (Lk) herangezogen wird, wobei der Sendeleistungsmittelwert (PS0k) der weiteren Überwachung und/oder Regelung des k-ten optischen Senders (Lk) dient.