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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Einstellen einer Betriebsspannung einer spannungssteuerbaren
optischen Komponente in Kommunikationssystemen. Spezieller, wenn
auch nicht ausschließlich,
betrifft die Erfindung optische Modulatoren wie etwa Mach-Zehnder-Interferometer
und insbesondere solche Interferometer, die unter Verwendung von
Lithiumniobat hergestellt sind.
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Ein
auf Lithiumniobat (LiNbO3) basierendes Mach-Zehnder-Interferometer,
hier im Weiteren als MZ-Interferometer bezeichnet, ist eine spannungsgesteuerte
optische Dämpfungseinrichtung
mit einer Kennlinie optische Dämpfung/Spannung,
welche periodisch ist. Seine Verwendung betrifft in erster Linie DWDM
(Dense Wavelength Division Multiplexing, Dichtes Wellenlängen-Multiplex)
Anwendungen, bei denen Sammlungen von präzise gesteuerten optischen
Wellenlängen
(oft Wellenlängenkanäle genannt) über für Fernverbindungen
bestimmte Lichtwellenleiter übertragen
werden. Solche Anordnungen ermöglichen
es, dass ein einziger Lichtwellenleiter digitale Daten mit extrem
hohen Bandbreiten transportiert. Das MZ-Interferometer kann, wenn es am Ausgang
des Sendelasers in den optischen Pfad eingesetzt wird, verwendet
werden, um zwei verschiedene Funktionen zu erfüllen:
- i.
Um den optischen Leistungspegel einer bestimmten Wellenlänge genau
zu steuern.
- ii. Um das optische Signal mit digitalen Hochgeschwindigkeitsdaten
zu modulieren.
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Vom
Standpunkt der Steuerung aus betrachtet sind beide Funktionen nahezu
identisch. Der einzige beachtenswerte Unterschied ist, das ein MZ-Interferometer,
das für
die Modulation verwendet wird, gewöhnlich zwei differentielle
Eingangssignale aufweist. Eines transportiert die Hochgeschwindigkeitsdaten,
während
das andere verwendet wird, um den Arbeitspunkt des Geräts einzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist für
beide oben genannten Funktionen i und ii relevant. Im Falle von
ii ist es jedoch der Aspekt des Biasings (Vorsteuerns), welcher
von besonderem Interesse ist.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild, welches das Funktionsprinzip eines MZ-Interferometers veranschaulicht.
Licht (optische Strahlung) tritt aus einem Lichtwellenleiterkabel
in das MZ-Interferometer und wird in S in zwei Wege aufgespaltet.
Jeden Weg durchläuft
eine Hälfte
der einfallenden optischen Leistung. Das Licht, welches einen jeweiligen
Weg durchläuft,
erfährt
eine entsprechende Verzögerung, welche
durch eine Platte aus Lithiumniobat (LiNbO3) hervorgerufen
wird. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes, welches das Ergebnis
von externen Steuerspannungen V1 und V2 ist, an das LiNbO3 kann die Verzögerung variiert werden. Das
Licht, welches die zwei Wege durchlaufen hat und dabei jeweils eine
potentielle Verzögerung
erfahren hat, wird in C wieder kombiniert, bevor es in des abgehende Lichtwellenleiterkabel
eingespeist wird.
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In
US-A-5 521 749 wird ein optischer Modulator (vom Mach-Zehnder-(MZ-)Typ,
siehe 4a und zugehörigen Text) offenbart, der
eine optische Antwort aufweist, welche mit der angelegten Spannung
periodisch variiert (Standardmerkmal optischer Modulatoren vom MZ-Typ).
Der optische Modulator enthält
ein Mittel, das so beschaffen ist, dass es eine Spannung mit einem
vorgegebenen festen Wert (siehe 3, (16)
und zugehörigen
Text) an die optische Komponente anlegt. Die Offenbarung von US-A-5 521 749 entspricht
dem Oberbegriff der unabhängigen
Ansprüche
1 und 7.
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Es
kann gezeigt werden, dass sich das Verhältnis von Ausgangsamplitude
zu Eingangsamplitude mit der Differentialverzögerung zwischen den zwei Wegen ändert. Falls
diese Verzögerung
T beträgt und
die Kreisfrequenz der speziellen optischen Wellenlänge ω ist, so
gilt: Amplitudenverhältnis = Ausgangsamplitude/Eingangsamplitude
= 0,7071 (1 + cos(ωT)0,5.
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Daraus
folgt, dass das entsprechende Leistungsverhältnis (d.h. Ausgangsleistung/Eingangsleistung)
eine "Raised-Cosine-Antwort" ist: Leistungsverhältnis = ½(1 + cos(ωT).
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Wenn
eine Steuerspannung fest ist und die andere V variiert wird (bei
Vernachlässigung
von Unvollkommenheiten und Nichtlinearitäten), kann gezeigt werden,
dass gilt: Leistungsverhältnis = ½(1 + cos(π(V – V0)/Vπ)),wobei
Vπ und
V0 Konstanten sind. Vπ stellt
die Spannungsdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Peaks und "Tälern" der Ausgangsleistung dar, und V0 stellt eine Steuerspannung dar, welche
eine maximale Ausgangsleistung zur Folge hat. Obwohl V0 mehrwertig
ist, wird gewöhnlich
derjenige Wert angegeben, der am nächsten bei null Volt liegt.
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2 zeigt
ein Kurvenbild, welches die Änderung
des Leistungsverhältnisses
in Abhängigkeit von
der angelegten Steuerspannung V darstellt, die V-P-Kennlinie. Es
ist anzumerken, dass die Kalibrierung der Y-Achse linear bezüglich der
Leistung ist. Es ist weiterhin leicht einzusehen, dass die Änderung der
normalisierten optischen Dämpfung
in Abhängigkeit
von der Steuerspannung (Kennlinie Spannung/optische Dämpfung)
reziprok zu der Funktion in 2 ist, so
dass, wenn die Steuerspannung = V0 ist, das
Leistungsverhältnis
einen maximalen Wert erreicht, während
die optische Dämpfung
dementsprechend einen minimalen Wert annimmt.
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Wie
oben gezeigt, sind die Konstanten V0 und
Vπ der
Schlüssel
zum Steuern eines MZ-Interferometers.
Leider sind diese so genannten Konstanten in der Praxis Variable,
welche abhängen
von:
- i. Fertigungstoleranzen (ihre Werte nach
der Fertigung sind schwer zu steuern).
- ii. Alterung (ihre Werte driften im Laufe der Zeit).
- iii. Umweltbedingungen (wie etwa Temperatur).
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Eine
beliebige Steuerschaltung, welche dazu bestimmt ist, einen bestimmten
vorgegebene Ausgangsleistungspegel aufrechtzuerhalten, muss daher die
folgenden konzeptuellen Schritte ausführen:
- (a)
Leistungspegel am Ausgangswellenleiter messen (P).
- (b) (P) mit dem geforderten Wert vergleichen (welcher variabel
sein kann).
- (c) Die Steuerspannung (V) einstellen, so dass P in Richtung
der geforderten Leistung verändert wird.
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Schritt
(c) erfordert eine Kenntnis des Vorzeichens des Anstiegs der "V-P-Kennlinie", so dass die Rückkopplungsschleife
ein Fehlerkorrektursignal anlagen kann, welches der unerwünschten Änderung des
Ausgangs entgegenwirkt. Sollte die Steuerspannung über die
Grenzen des gewählten π-Segments (d.h.
Vπ)
der Kennlinie hinaus streuen, so schlägt der Steuermechanismus wahrscheinlich
fehl, da dann eine positive Rückkopplung
existiert, die zu einer Vergrößerung des
Fehlers führt.
Sogar eine vorübergehende
Schwankung der Steuerspannung, die zum Beispiel von einem Übergangsrauschen
verursacht wird, könnte
ausreichend sein, um dies zu bewirken. Die Rückkopplungsschleife läuft dann
davon, bevor das nächste π-Segment
erreicht ist, in dem die negative Rückkopplung wiederhergestellt
wird. Ein Betrieb in einem π-Segment, das von
dem π-Segment,
welches V = 0 am nächsten
liegt, entfernt ist, bedeutet jedoch, dass das Gerät unter
Verwendung einer unnötig
hohen Spannung betrieben wird, was zu einer größeren elektrischen Beanspruchung,
einer erhöhten Instabilität und möglicherweise
zu einer kürzeren
Betriebslebensdauer führt.
Die einzige Option wäre dann,
die Steuerspannung V auf eine bestimmte Anfangsbedingung einzustellen
und anschließend
die Steuerschleife neu zu aktivieren.
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Es
ist daher erforderlich, das Gerät
zu kalibrieren, um eine akzeptable Anfangsbedingung für die Steuerspannung
V zu bestimmen, welche garantiert, dass die Steuerschleife innerhalb
des gewählten π-Segments
der Kennlinie gestartet wird, und welche einen ausreichenden Abstand
von den Wendepunkten der V-P-Kennlinie (Kennlinie Spannung/optische Dämpfung)
hat.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Einstellen
einer Betriebsspannung einer spannungssteuerbaren optischen Komponente
mit einer periodischen Kennlinie Spannung/optischer Parameter bereitgestellt,
wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch: Mittel, die in der
Lage sind, die an die Komponente angelegte Spannung auf einen vorgegebenen
Anfangswert einzustellen; Mittel zum Messen des optischen Parameters;
Mittel, um die Spannung bezüglich
des vorgegebenen Wertes nacheinander schrittweise zu erhöhen und
zu verringern, und Mittel zum Bestimmen jeweiliger Spannungswerte,
welche einen maximalen bzw. einen minimalen Wert des optischen Parameters
erzeugen; Mittel zum Bestimmen der Richtung des Anstiegs desjenigen
Teils der periodischen Kennlinie, der zwischen dem maximalen und
dem minimalen Wert liegt; und wobei das Mittel, das in der Lage
ist, die Spannung einzustellen, die Spannung auf einen Wert einstellt,
der zwischen dem maximalen und dem minimalen Spannungswert liegt.
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Wenn
die optische Komponente in einem Kommunikationssystem verwendet
wird, um Kommunikationsverkehr zu transportieren, umfasst die Vorrichtung
vorteilhafterweise ferner Mittel, um das Nichtvorhandensein von
Kommunikationsverkehr zu erkennen und um in Reaktion auf die Erkennung
des Nichtvorhandenseins von Verkehr zu bewirken, dass die Vorrichtung
die Betriebsspannung der Komponente einstellt.
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Die
vorliegende Erfindung findet dort eine spezielle Anwendung, wo die
spannungssteuerbare optische Komponente ein optischer Modulator
ist und der optische Parameter optische Dämpfung/optische Leistung ist.
Am besten ist die spannungssteuerbare optische Komponente ein Mach-Zehnder-Interferometer,
vorzugsweise ein Lithiumniobat-Interferometer.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Kommunikationssystem bereitgestellt,
das eine Vorrichtung wie oben beschrieben umfasst.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Einstellen
einer Betriebsspannung einer spannungssteuerbaren optischen Komponente
mit einer periodischen Kennlinie Spannung/optischer Parameter bereitgestellt,
wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Einstellen einer an
die Komponente angelegten Spannung auf einen vorgegebenen Anfangswert;
Messen des optischen Parameters; nacheinander erfolgendes schrittweises
Erhöhen
und Verringern der Spannung bezüglich
des vorgegebenen Wertes und Bestimmen jeweiliger Spannungswerte,
welche einen maximalen bzw. minimalen Wert des optischen Parameters
erzeugen; Bestimmen der Richtung des Anstiegs desjenigen Teils der
periodischen Kennlinie, der zwischen dem maximalen und dem minimalen
Wert liegt; und Einstellen der Spannung auf einen Wert, der zwischen
dem maximalen und dem minimalen Spannungswert liegt.
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Wenn
die optische Komponente in einem Kommunikationssystem verwendet
wird, um Kommunikationsverkehr zu transportieren, umfasst das Verfahren
vorteilhafterweise ferner das Erkennen des Nichtvorhandenseins von
Kommunikationsverkehr und in Reaktion auf die Erkennung des Nichtvorhandenseins
von Verkehr das Einstellen der Betriebsspannung der Komponente.
Vorzugsweise ist die spannungssteuerbare optische Komponente ein optischer
Modulator, und der optische Parameter ist optische Dämpfung oder
optische Leistung. Am besten ist die spannungssteuerbare optische
Komponente ein Mach-Zehnder-Interferometer, vorzugsweise ein Lithiumniobat-Interferometer.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen der
Erfindung, lediglich als nicht einschränkende Beispiele, unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung eines bekannten Mach-Zehnder-Interferometers
ist;
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2 eine
schematische Zeichnung der Kennlinie Spannung/optische Dämpfung des
Interferometers von 1 ist; und
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3 ein
Blockschaltbild einer Schaltung gemäß der Erfindung zum Kalibrieren
einer spannungssteuerbaren optischen Komponente wie etwa eines optischen
Modulators vom Typ eines Mach-Zehnder-Interferometers ist.
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Es
wird auf 3 Bezug genommen; sie zeigt
eine Schaltung gemäß der Erfindung
zum Kalibrieren/Betreiben eines optischen Modulators vom Typ eines
Lithiumniobat-Mach-Zehnder-Interferometers.
Die Schaltung stellt einen Selbstkalibrierungs-Mechanismus zur Verfügung, welcher immer dann, wenn
es erforderlich wird, Werte für
V0 und Vπ bestimmt.
Zu den Anlässen,
aus denen die Kalibrierung der Steuerspannung erforderlich wird,
gehören:
- • beim
erstmaligen Einschalten der Schaltungsanordnung;
- • immer
dann, wenn die Leistungssteuerschleife aus irgendeinem Grunde ausfällt;
- • immer
dann, wenn der Laser nach einer kontrollierten Abschaltung eingeschaltet
wird;
- • in
regelmäßigen Zeitabständen, wenn
die Schaltung keinen Verkehr transportiert; oder
- • manuell,
für Testzwecke.
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Der
Selbstkalibrierungs-Mechanismus, der von der Schaltung ausgeführt wird,
umfasst die folgenden Schritte:
- 1. Setze V
= 0 und registriere die optische Ausgangsleistung (P0).
- 2. Setze V = V + ΔV
und registriere die neue optische Ausgangsleistung (PΔV).
- 3. Falls PΔV < P0,
weiter mit Schritt 8.
- 4. Erhöhe
V schrittweise um eine Größe ΔV, so lange,
bis eine maximale optische Leistung erreicht ist. Registriere V0 = der aktuelle Wert von V.
- 5. Setze V = 0.
- 6. Verringere V schrittweise um eine Größe ΔV, so lange, bis eine minimale
optische Leistung erreicht ist. Registriere V∞ =
der aktuelle Wert von V.
- 7. Verlasse die Prozedur.
- 8. Verringere V schrittweise um ΔV, so lange, bis eine maximale
optische Leistung erreicht ist. Registriere V0 =
der aktuelle Wert von V.
- 9. Setze V = 0.
- 10. Erhöhe
V schrittweise um eine Größe ΔV, so lange,
bis eine minimale optische Leistung erreicht ist. Registriere V∞ =
der aktuelle Wert von V.
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Der
Wert von V0 ist aus dem obigen Verfahren
bereits bestimmt worden. Vπ wird aus dem Betrag von
(V0 – V∞)
bestimmt, und die Polarität
des Anstiegs der "P-V-Kennlinie" wird aus dem Vorzeichen
von V0 bestimmt. Es erweist sich, dass eine
gute Anfangsbedingung für
den Wert von V durch den Mittelpunkt des Anstiegs gegeben ist, nämlich: V = (V0 + V∞)/2.
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Es
wird auf 3 Bezug genommen; die gemessene
optische Ausgangsleistung P wird an einen Analog-Digital-Wandler
(A/D) 1 angelegt, um einen entsprechenden, aus 8 Bits bestehenden
digitalen Wert zur Verfügung
zu stellen, der für
die optische Leistung repräsentativ
ist. In 3 repräsentieren alle Verbindungslinien,
die mit "8" gekennzeichnet sind,
8 Bits umfassende digitale Verbindungen. Normalerweise wird die
optische Leistung gemessen, indem ein bekannter Anteil (einige %)
der gesamten optischen Leistung, die von dem Modulator ausgegeben
wird, abgegriffen wird. Diese digitale 8-Bit-Darstellung wird sukzessive
in zwei in Reihe geschaltete Latches 2, 3 eingetaktet.
Infolgedessen stellt der in Latch 2 gehaltene Wert A die
aktuelle gemessene optische Leistung dar, während der in Latch 3 gehaltene Wert
B die optische Leistung für
den vorhergehenden Wert der Steuerspannung V darstellt. Diese digitalen Werte
A, B werden einer Betragsvergleichs-Logik 4 zugeführt. Die
Betragsvergleichs-Logik 4 weist drei Ausgangsleitungen
für die
Bedingungen A > B,
A = B bzw. A < B
auf. Die jeweilige Ausgangsleitung wird entsprechend dem Vergleich
der Werte A und B auf einen High-Zustand (logische "1") gesetzt. Die Ausgangsleitungen werden
verwendet, um einen Controller-Block 5 zu "lenken", welcher wiederum
verwendet wird, um einen Zweirichtungszähler 6 zu steuern. Der Zählwert des
Zählers 6 ist
ein 8 Bits umfassender digitaler Wert, der den aktuellen Wert der
Steuerspannung V repräsentiert.
Dieser digitale Wert wird von einem Digital-Analog-Wandler (D/A) 7 in eine analoge
Spannung umgewandelt, dessen Ausgang die analoge Spannung V ist.
Diese Steuerspannung wird verwendet, um das MZ-Interferometer (nicht dargestellt) vorzuspannen.
Der Zweirichtungszähler 6 und
sein zugehöriger
D/A-Wandler 7 müssen "vorzeichenbehaftete" Werte verarbeiten
können,
da die Steuerspannung V sowohl zu negativen als auch zu positiven
Werten schwingen muss. Dementsprechend wird hier eine Zweierkomplement-Arithmetik benötigt.
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Zu
Beginn jeder "Suche" wird der Zweirichtungszähler 6 zurückgesetzt.
Während
der Kalibrierung zählt
der Zähler
(vorwärts
oder rückwärts), bis der
maximale und der minimale Wert der optischen Leistung P erreicht
sind. Die Zählwerte
(welche V0 + V∞ entsprechen),
die dem maximalen und dem minimalen Wert der optischen Leistung
entsprechen, werden in den Latches 9 bzw. 10 gespeichert.
Nachdem die der maximalen und der minimalen optischen Leistung entsprechenden
Zählwerte
bestimmt worden sind, werden die zwei Werte von einem Addierer-Block 11 addiert,
so dass eine aus 9 Bits bestehende Summe erzeugt wird. Das niedrigstwertige
Bit der Summe wird verworfen, so dass der resultierende, aus 8 Bits
bestehende Wert den Mittelwert der zwei Zählwerte darstellt (d.h. (V0 + V∞)/2 entspricht). Dieser
Wert wird dann in den Zweirichtungszähler 6 geladen, wodurch
die Steuerspannung V auf ihren dem mittleren Anstieg entsprechenden
Wert gesetzt wird. Damit ist der Kalibrierungsvorgang abgeschlossen,
und der Controller 5 setzt eine mit "Fertig" bezeichnete Leitung auf einen High-Zustand,
der anzeigt, dass der Kalibrierungsvorgang beendet ist, um die Steuerung
des optischen Modulators mittels einer herkömmlichen Regelschleife zu initiieren.
Der Controller 5 bestimmt außerdem die Polarität des Anstiegs
des Abschnittes der Kennlinie Spannung/optische Leistung, bei welcher
der Modulator eingestellt worden ist, welche von der herkömmlichen
Regelschleife während
des Betriebs des Modulators verwendet wird. Sobald die Kalibrierschaltung
die Polarität
des Anstiegs und einen geeigneten Anfangspunkt (Steuerspannung)
bestimmt hat, wird ihr Betrieb deaktiviert, und die herkömmliche
Regelschleife wird eingeschaltet.
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Wenn
der Kalibriervorgang nicht aktiv ist, wird die herkömmliche
Regelschleife verwendet, um den Wert der Steuerspannung V aufrechtzuerhalten. Da
derartige Anordnungen bekannt und gut dokumentiert sind, werden
sie hier nicht näher
beschrieben.
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Es
ist klar, dass, wenn beabsichtigt ist, das MZ-Interferometer zu
verwenden, um optische Strahlung von einem Laser mit digitalen Hochgeschwindigkeitsdaten
zu modulieren, der Modulationsantrieb während des Kalibriervorgangs
deaktiviert ist.
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Es
ist ferner klar, dass Modifikationen an der beschriebenen speziellen
Ausführungsform
vorgenommen werden können,
welche nach wie vor im Rahmen der Erfindung enthalten sind. Zum
Beispiel können,
um genauere Ergebnisse zu erhalten, weitere Verfeinerungen an der
Schaltung vorgenommen werden, um das Rauschen sowie Unregelmäßigkeiten
der V-P-Kennlinie des MZ-Interferometers zu berücksichtigen. Diese können zum
Beispiel beinhalten:
- • Messen mehrerer Samples von
P (bei demselben Wert von V) und Verwenden ihres Mittelwertes;
- • Messen
mehrerer Samples von P (bei inkrementell verschiedenen Werten von
V) und Verwenden ihres Mittelwertes;
- • Wiederholen
des gesamten Kalibriervorgangs und Verwenden eines Mittelwertes
der gefundenen Werte (V0 und V∞);
oder
- • Durchführen einer
Kombination des Obigen.
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Ferner
können,
während
die Schaltung oben im Zusammenhang mit einem MZ-Interferometer beschrieben wurde, die
Schaltung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch für andere
Arten von spannungssteuerbaren optischen Komponenten angewendet
werden, insbesondere für
diejenigen, die eine Kennlinie Spannung/optischer Parameter aufweisen,
welche einen periodischen Charakter hat.