DE60220507T2

DE60220507T2 - Steuerung einer optischen Quelle unter Verwendung einer Schwebungsfrequenz

Info

Publication number: DE60220507T2
Application number: DE60220507T
Authority: DE
Inventors: Ulrich 72070 Kallmann; Wolf 71083 Steffens; Hansjörg 71155 Haisch; Bernd 71254 Nebendahl; Emmerich 71134 Müller; Jochen 70567 Schwarz; Jan 72135 Linnenbürger
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: EP1372275B1; US20040136413A1; EP1372275A1; US7075957B2; DE60220507D1; JP2004187299A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Steuerung eines optischen Signals.
Abstimmbare Laserquellen (Tunable Laser Sources, TLS) zum Erzeugen eines abstimmbaren Lasersignals sind in der Technik bekannt und werden beschrieben z.B. in „High-Performance Phase Locking of Wide Linewidth Semiconductor Lasers by Combined Use of Optical Injection Locking and Optical Phase-Lock Loop" von A.C. Bordinalli et al., Journal of Lightwave Technology, Bd. 17, Nr. 2, 1999, S. 328 bis 342, „Microwave frequency synthesis using injection locked laser comb line selection" von B. Cai et al., Proc. LEOS Summer Topical Meetings, Keystone, 1995, Zusammenfassung Nr. 95/8031, Dokument WD2, S. 13 bis 14, „Stable Lightwave Frequency Synthesis Over 1-THz Span Using Fabry-Perot Cavity Containing Polarization-Rotation Elements and Actively Controlled Tunable Bandpass Filter" von H. Takesue et al., IEEE Photonics Technology Letters, Bd. 12, Nr. 1, 2000, S. 79 bis 81, „Synchronization of subterahertz optical pulse train from PLL-controller colliding pulse modelocked semiconductor laser" von Hashimoto et al., Electronics Letters, Bd. 34, Nr. 6, 1998, S. 580 bis 581, „Continuously tunable, precise, single frequency optical signal generator" von John D. Jost et al., Optics Express, Bd. 10, Nr. 12, 2002, S. 515 bis 519, „Synchronized pulse-train generation from passively modelocked semiconductor lasers by a phase-locked loop using optical modulation sidebands" von Katagiri et al., Electronics Letters, Bd. 32, Nr. 20, 1996, S. 1892 bis 1894, „Phaselocked tunable subcarrier comb generator" von S.-L. 1994, Tsao et al., Electronics Letters, Bd. 30, Nr. 24, S. 2059 bis 2060, „Laser Frequency Synthesis Employing Fibre Four-Wave Mixing" von O. Ishida, IEEE Photonics Technologies Letters, Bd. 4, Nr. 10, 1992, S. 1171 bis 1173. Die Beschreibung der oben erwähnten Dokumente ist hier durch Bezugnahme einbezogen.
In der Europäischen Patentschrift EP 1 075 063 wird durch denselben Anmelder die Stabilisierung der Emissionswellenlänge eines Lasers durch Kopplung dieser Wellenlänge mit einer Referenzwellenlänge beschrieben. Die Strahlungen bei der Emissionswellenlänge und der Referenzwellenlänge werden optisch zur Wechselwirkung gebracht, und aus dem durch die Wechselwirkung entstehenden optischen Signal wird ein Rückkopplungssignal erzeugt, das zur Quelle zurückgeschickt wird.
In der US-Patentschrift 6 122 087 wird eine frequenzstabilisierte optische Lichtquelle beschrieben, die einen Detektor zum Erkennen von Schwebungsfrequenzsignalen, die durch eine Überlagerung einer lokalen Lichtquelle und einer gepulsten Emissionslichtquelle mit einer variierenden optischen Frequenz gebildet werden, und zum Ermitteln der optischen Frequenz der lokalen Lichtquelle auf der Grundlage der Schwebungsfrequenzen und einer Zeitmessung der Schwebungsfrequenzsignale aufweist.
Die Patentanmeldung WO 02/060 016 betrifft die Stabilisierung der Emissionswellenlänge eines Lasers durch Kopplung dieser Wellenlänge mit einer Rückwärtssteuerung einer Lichtquelle, wobei das Emissionssignal in eine Vielzahl von unterschiedlich gefilterten Strahlengängen aufgespaltet wird und die Leistungswerte der unterschiedlich gefilterten Signale ermittelt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Steuerung eines optischen Signals bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch die Hauptansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsarten werden durch die Unteransprüche dargestellt.
Bei vielen Anwendungen auf dem Gebiet der optischen Nachrichtenübertragung und Messung unter Verwendung von Lichtquellen ist es erwünscht, über eine Lichtquelle zu verfügen, die ein optisches Signal mit einer hohen Frequenzgenauigkeit aufweist, z.B., um ein optisches Signal mit einer relativen Genauigkeit im kHz-Bereich zu steuern. Eine Ausführungsart der vorliegenden Erfindung stellt eine solche Quelle bereit. Die erfindungsgemäße Quelle und das erfindungsgemäße Verfahren können für TLS mit extrem hoher Abstimmungslinearität für die Interferenzanalyse von optischen Spektren und Netzen oder als optisches Frequenznormal verwendet werden.
Bei einer Ausführungsart wird die Frequenzgenauigkeit der Steuerung eines optischen Signals durch die Frequenztrennung in der elektrischen Frequenzdomäne erreicht.
Eine Ausführungsart der vorliegenden Erfindung weist einen Rastergenerator auf, der ein Raster optischer Referenzsignale bereitstellt, die z.B. durch ein elektrisches Haupttaktsignal gesteuert werden. Vorzugsweise wird der Frequenzabstand zu jedem benachbarten optischen Referenzsignal der Rasters durch eine Modenkopplung der optischen Referenzsignal mit dem Haupttaktsignal ermittelt. Der Frequenzabstand kann zum Beispiel etwa 10 GHz betragen. Ein Vorteil eines solchen Referenzrasters besteht in der Möglichkeit der Erfassung eines großen Frequenzbereichs, z.B. eines Bereichs von 100 THz oder mehr, sodass sich mindestens ein Rasterpunkt innerhalb der Bandbreite des Detektors, z.B. einer Fotodiode, und somit nahe der Frequenz des optischen Signals befindet.
Darüber hinaus kann ein phasengekoppelter Regelkreis zur Kopplung des Rasters mit einem optischen Frequenznormal verwendet werden, indem mindestens eines der optischen Referenzsignale des Rasters mit dem optischen Frequenznormal gekoppelt wird. Als optisches Frequenznormal kann mindestens eines der folgenden Normale dienen: ein absolutes optisches Frequenznormal, eine Gaszelle zum Absorbieren eines oder mehrerer der optischen Referenzsignale des Rasters oder eine extrem stabile Laserquelle.
Mit Hilfe des Rasters kann eine Frequenz des absoluten optischen Frequenznormals ausgewählt werden, dass z.B. 100 THz oder weiter von der tatsächlichen Frequenz des optischen Signals entfernt ist, obwohl sich aufgrund der großen Ausdehnung des Rasters noch mindestens eine Signallinie des Rasters in der Nähe der tatsächlichen Frequenz des optischen Signals befindet, sodass diese mit dem optischen Signal interferieren kann und somit ein Schwebungsfrequenzsignal z.B. auf dem Detektor erzeugt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart wird eine Vorauswahleinheit oder ein Filter zur Vorauswahl der optischen Signallinie(n) des Rasters und des optischen Signals vor dem Interferieren der optischen Signale (z.B. am Detektor) und der Erzeugung entsprechender Schwebungsfrequenzsignal(e) bereitgestellt. Die Vorauswahleinheit, z.B. ein selbstjustierendes abstimmbares Filter, kann auf vorteilhafte Weise eine Sättigung des Detektors vermeiden. Das Filter kann vorzugsweise so gesteuert werden, dass es der Frequenzposition des optischen Signals folgt und sich die tatsächliche Frequenz des optischen Signals somit immer innerhalb des Filters befindet. Ein solches Filter, das einem optischen Signal folgt, wird zum Beispiel in der Europäischen Patentanmeldung EP-A-1 253 587 des Anmelders der vorliegenden Patentanmeldung beschrieben, deren Lehren hier durch Bezugnahme einbezogen sind.
Vorzugsweise weist die durch die Vorauswahleinheit bereitgestellte vorgegebene Bandbreite die tatsächliche Frequenz des optischen Signals und ein oder mehrere, und vorzugsweise mindestens zwei, optische Referenzsignale des Rasters auf. Dadurch kann der Bereich des Rasters ausgewählt werden, in welchem die tatsächliche Frequenz des optischen Signals erwartet wird. Die Filtercharakteristik der Vorauswahleinheit kann in Bezug auf die tatsächliche Frequenz des optischen Signals symmetrisch oder asymmetrisch sein.
Außerdem oder alternativ kann die Erfindung eine optische Frequenzmesseinheit aufweisen, die extra vorher die Istfrequenz des optischen Signals ermittelt. Diese Messung liefert auch einen unabhängigen Hinweis darauf, in welchem Wellenlängenbereich des Rasters die Überlagerung zwischen dem/den Rasterpunkten) und dem optischen Signal stattfindet.
Die Bandbreite der Vorauswahleinheit erfasst die zuvor ermittelte Istfrequenz des optischen Signals, und die Filtercharakteristik der Vorauswahleinheit wird vorzugsweise so gewählt, dass sie in Bezug auf die tatsächliche Frequenz des optischen Signals asymmetrisch ist. Durch diese Ausführungsart kann beim Abstimmen der Frequenz des optischen Signals die Abstimmungsrichtung festgestellt werden, oder aber es kann ermittelt werden, ob ein erkanntes Schwebungsfrequenzsignal von der Interferenz zwischen dem tatsächlichen optischen Signal und einem optischen Referenzsignal herrührt, das eine höhere oder niedrigere optische Frequenz aufweist. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Amplituden verschiedener optischer Referenzsignale in Abhängigkeit von ihrer Position in Bezug auf das tatsächliche optische Signal unterschiedlich stark gedämpft werden, sowie auf die asymmetrische Filtercharakteristik. Diese unterschiedlichen Amplituden erzeugen am Detektor zusammen mit dem optischen Istsignal Schwebungsfrequenzsignale unterschiedlicher Intensität. Deshalb zeigt die Höhe des Schwebungsfrequenzsignals die relative Position des optischen Referenzsignals in Bezug auf das optische Istsignal an.
Vorzugsweise wird die Bandbreite des Detektors so gewählt, dass dieser mindestens drei effektive Schwebungsfrequenzsignale (z.B. mindestens 3/2 Fm) erkennen kann, die durch Überlagerung der mindestens drei optischen Referenzsignale mit dem optischen Signal erzeugt werden. Dadurch kann eine Frequenzabweichung des optischen Signals in Bezug auf eine Zielfrequenz des optischen Signals und das Vorzeichen der Abweichung ermittelt werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsart besteht darin, dass sie die Ermittlung der Abstimmungsrichtung beim Abstimmen des optischen Signals ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung liefert mindestens ein elektrischer Oszillator mindestens zwei (und vorzugsweise drei) Zielschwebungsfrequenzen durch die Bereitstellung von mindestens zwei (und vorzugsweise drei) elektrischen Oszillatorsignalen. Dadurch kann die Bewertungseinheit das Vorzeigen des Abweichungswertes auf der Grundlage der ermittelten tatsächlichen Schwebungsfrequenzen bewerten, indem sie die mindestens zwei (und vorzugsweise drei) effektiven Schwebungsfrequenzen mit den mindestens zwei (und vorzugsweise drei) elektrischen Oszillatorsignalen vergleicht. Zwar reichen zur Ermittlung der Richtung zwei Zielschwebungsfrequenzen aus, jedoch kann es bei einer Position des optischen Signals genau zwischen zwei Punkten des Referenzrasters zu Mehrdeutigkeiten kommen. In diesem Fall kreuzen sich die Schwebungssignale bei der Abstimmung des optischen Signals, wenn sich das eine in Richtung höherer und das andere in Richtung niedrigerer Frequenzen bewegt. Das Vorliegen beider Schwebungssignale in diesem Schwebungsfrequenzbereich um FM/2 herum kann zu Schwierigkeiten bei der Verarbeitung führen. Eine solche „Totzone" kann jedoch durch Verwendung einer dritten Zielschwebungsfrequenz vermieden werden, die eine verbesserte Steuerung der Abstimmungsrichtung bei der Abstimmung des optischen Nutzsignals ermöglicht.
Darüber hinaus kann mindestens eine Mischeinheit zum Mischen der mindestens zwei effektiven Schwebungssignale mit den mindestens zwei elektrischen Oszillatorsignalen verwendet werden, um der Bewertungseinheit die Ermittlung des Vorzeichens des Abweichungswertes auf der Grundlage der ermittelten Schwebungssignale zu ermöglichen, indem die mindestens eine Mischeinheit die mindestens zwei effektiven Schwebungssignale mit den mindestens zwei elektrischen Oszillatorsignalen mischt.
Der mindestens eine elektrische Oszillator kann vorzugsweise so ausgelegt werden, dass die Zielschwebungsfrequenzen gemäß dem folgenden Schema ermittelt werden:
PFk= |F0-FN|, PFk ist gleich der Zielschwebungsfrequenz des k-ten elektrischen Oszillatorsignals, k ist gleich 1, 2, 3,m ..., F0 ist gleich der Zielfrequenz des optischen Signals, FN = Fref + N·Fm, FN ist gleich der N-ten optischen Signallinie des Referenzrasters, gerechnet von der absoluten optischen Referenzlinie Fref, Fm ist gleich der Frequenz des elektrischen Haupttaktsignals, und Fref ist gleich der Frequenz des absoluten optischen Frequenznormals.
Die mindestens eine Mischeinheit kann vorzugsweise so ausgelegt werden, dass sie für mindestens zwei der effektiven Schwebungsfrequenzen ein Fehlersignal liefert und mindestens zwei der Fehlersignale in einen entsprechenden mit dem mindestens einen Mischeinheit verbundenen Filterregelkreis eingibt, der vorzugsweise mit einer Verknüpfungseinheit verbunden ist, welche die im Filterregelkreis gefilterten Fehlersignale gemäß dem folgenden Schema (für das Beispiel mit drei Schwebungsfrequenzen) mit einem positiven oder negativen Vorzeichen verknüpft:
Für drei im Filterregelkreis gefilterte Signale ändert sich das Vorzeichen jedes Fehlersignals alle 3/2 Fm, für die mindestens drei Zielschwebungsfrequenzen der mindestens drei elektrischen Oszillatorsignale PFk ändert sich ein Vorzeichen der Fehlersignale alle 0,5 Fm, und für eines der Fehlersignale ändert sich das Vorzeichen alle 0,5 Fm, wobei sich die Vorzeichenänderung alle 3 Fm wiederholt, dabei ist Fm die Frequenz des elektrischen Haupttaktsignals, PFk die Zielschwebungsfrequenz des k-ten elektrischen Oszillatorsignals und k gleich 1, 2, 3, .... Durch dieses Steuerungsschema wird sichergestellt, dass zur Abstimmung des optischen Signals keine Frequenzsprünge der elektrischen Oszillatorsignale erforderlich sind.
Die Abstimmung des optischen Signals auf die Zielfrequenz kann für das Beispiel mit drei Schwebungsfrequenzen wie folgt ablaufen:
Jedes Frequenzband zwischen zwei aufeinander folgenden Signallinien des Referenzrasters kann in 2 Teilbänder aufgeteilt werden. Vor der Abstimmung wird das Zielteilband aus Msb = (F0-Fref)/(0,5 Fm) + 1 ermittelt. Beginnend von Fref wird die Zielfrequenz des optischen Signals erhöht, indem zwei der elektrischen Oszillatorsignale erhöht werden und eines verringert wird. Somit folgt die Frequenz des optischen Signals so lange, bis die Kante des nächsten Teilbandes erreicht ist. Dann ändert sich das Vorzeichen eines der Fehlersignale, und der entsprechende elektrische Oszillator ändert im nächsten Teilband seine Abstimmungsrichtung, während die beiden anderen elektrischen Oszillatoren die Abstimmungsrichtung beibehalten.
Dieses Schema wird über Msb-1 Teilbänder hinweg absolviert, bis das Zielteilband erreicht ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsart beinhaltet die Steuerung der Istfrequenz des optischen Signals Folgendes: Filterung von mindestens zwei, vorzugsweise drei, effektiven Schwebungsfrequenzen innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite, wobei die vorgegebene Bandbreite die Istfrequenz des optischen Signals aufweist, Erkennen von mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei, effektiven Schwebungsfrequenzen einer Überlagerung der optischen Referenzsignal des Rasters mit dem optischen Signal, Bewerten eines Abweichungswertes durch Vergleichen der ermittelten effektiven Schwebungsfrequenzen mit den Zielschwebungsfrequenzen, um eine mögliche Abweichung zwischen den Zielschwebungsfrequenzen und den effektiven Schwebungsfrequenzen zu erkennen. Die Filterung kann z.B. durch die oben beschriebene optische Vorauswahleinheit erfolgen.
Vorzugsweise ist die Charakteristik des Filters oder der optischen Vorauswahleinheit über die Wellenlänge hinweg und in Bezug auf die Istfrequenz des optischen Signals asymmetrisch. Dadurch ist es möglich, eine eventuell vorhandene Intensitätsdifferenz zwischen den Signalen der effektiven Schwebungsfrequenzen zu erkennen und bei der Abstimmung des optischen Signals eine Abstimmungsrichtung des optischen Signals und/oder ein Vorzeichen der möglicherweise vorhandenen Abweichung zu erkennen. Gemäß dieser Ausführungsart kann daher eine Abstimmungsrichtung und/oder ein Vorzeichen der Abweichung zwischen einer gewünschten Zielschwebungsfrequenz, welche eine gewünschte Zielfrequenz des optischen Signals darstellt, und einer tatsächlichen Schwebungsfrequenz ermittelt werden, welche eine Istfrequenz des optischen Signals darstellt.
Durch die Wahl eines solchen asymmetrischen Filters oder der optischen Vorauswahleinheit und/oder die Kopplung der Frequenz der abstimmbaren Quelle durch elektrische Oszillatoren gemäß dem oben erwähnten Schema können somit, z.B. sogar im kHz-Bereich, die Frequenzen der Laserquelle (vorzugsweise sogar eindeutig) gesteuert werden.
Ein Quarzoszillator kann zur Bereitstellung des elektrischen Haupttaktsignals verwendet werden.
Zur Abstimmung des optischen Signals kann als Lichtquelle ein abstimmbarer Laser verwendet werden.
Die Erfindung kann zum Teil durch ein oder mehrere geeignete Softwareprogramme ausgeführt oder unterstützt werden, die durch beliebige Arten von Datenträgern gespeichert oder anderweitig bereitgestellt und in bzw. durch eine beliebige geeignete Datenverarbeitungseinheit ausgeführt werden können. Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise Softwareprogramme oder -routinen verwendet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aufgaben und viele der mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Vorteile werden unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen klar und verständlicher. Die in den Zeichnungen dargestellten Komponenten sind nicht unbedingt maßstabsgerecht dargestellt, vielmehr soll das Hauptaugenmerk darauf gerichtet sein, die Grundgedanken der Erfindung zu verdeutlichen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugsnummern bezeichnet.
1 bis 5 zeigen schematische Darstellungen von Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG
Im Einzelnen zeigen die Figuren mit 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Bereitstellen eines optischen Signals 2 gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 weist einen Haupttaktgenerator 4 zum Bereitstellen eines elektrischen Haupttaktsignals 6 für eine optische Referenzquelle 8 und drei elektrische Oszillatoren 10a, 10b und 10c auf. Der Haupttaktgenerator 4 weist einen Quarzoszillator 12 zum Erzeugen des elektrischen Haupttaktsignals 6 auf.
Die optische Referenzquelle 8 ist mit dem Haupttakt 4 modengekoppelt und stellt dadurch einen Rastergenerator dar, der ein Raster optischer Referenzsignale 14 bereitstellt, die durch das elektrische Haupttaktsignal 6 gesteuert werden. Der Frequenzabstand von z.B. 10 GHz zwischen benachbarten optischen Referenzsignalen des Rasters 14 ist durch die Modenkopplung der optischen Referenzquelle 8 mit dem Haupttaktsignal 6 vorgegeben.
Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Gaszelle 16 zum Absorbieren eines der optischen Referenzsignale 14 des Rasters auf, um ein absolutes optisches Frequenznormal bereitzustellen. Ein phasengekoppelter Regelkreis koppelt das Raster 14 mit dem absoluten optischen Frequenznormal 16, indem er die optischen Referenzsignale 14 des Rasters mit dem absoluten optischen Frequenznormal 16 koppelt.
Die Vorrichtung 1 weist ferner als Lichtquelle eine TLS 18 auf, der das optische Signal 2 mit einer Zielfrequenz liefert und eine Istfrequenz aufweist.
Das Raster der optischen Referenzsignale 14 und das optische Signal 2 werden einander überlagert, um mindestens ein Interferenzsignal 20 mit einer effektiven Schwebungsfrequenz zu erzeugen. Das Signal 20 wird einer optischen Vorauswahleinheit 22 übergeben, um das mindestens eine Interferenzsignal 20 mit einer vorgegebenen Bandbreite auszuwählen, bevor das mindestens eine Interferenzsignal 20 einen Detektor 24 erreicht. Der Detektor 24 erzeugt aus dem Interferenzsignal 20 ein elektrisches Schwebungsfrequenzsignal 28. Der Detektor 24 weist eine Detektionsbandbreite von z.B. etwa 16 GHz für die Frequenz des Haupttaktsignals 6 von beispielsweise 10 GHz auf. Die Detektionsbandbreite des Detektors 24 wird so gewählt, dass effektive Schwingungsfrequenzen der Schwebungsfrequenzsignale 20 mit mindestens drei optischen Referenzsignalen 14 innerhalb der Detektionsbandbreite liegen. Die vorgegebene Bandbreite der Vorauswahleinheit 22 wird so gewählt, dass Interferenzsignale von mindestens drei optischen Referenzsignalen 14 und das optische Signal 2 innerhalb der vorgegebenen Bandbreite der Vorauswahleinheit 22 liegen. Darüber hinaus weist die Filtercharakteristik der Vorauswahleinheit 22 die Istfrequenz des optischen Signals 2 auf und ist in Bezug auf die Istfrequenz des optischen Signals 2 asymmetrisch.
Die Vorrichtung 1 weist ferner drei Mischeinheiten 26a, 26b und 26c auf, welche ein Signal 28 des Detektors 24 mit Signalen 11a, 11b und 11c von elektrischen Oszillatoren 10a, 10b bzw. 10c mischen. Die Mischeinheiten 26a, 26b und 26c erzeugen Fehlersignale 28a, 28b, 28c, die entsprechenden Filterregelkreisen 30a, 30b, 30c übergeben werden. Die in den Filterregelkreisen gefilterten Signale 32a, 32b, 32c werden Verknüpfungseinheiten 34a, 34b, 34c übergeben, welche die in den Filterregelkreisen gefilterten Fehlersignale 32a, 32b, 32c gemäß dem folgenden Schema mit einem positiven oder negativen Vorzeichen verknüpfen:

• für drei in den Filterregelkreisen gefilterte Signale 32a, 32b, 32c ändert sich das Vorzeichen jedes Fehlersignals 28a, 28b, 28c alle 3/2 Fm,
• für die mindestens drei Zielschwebungsfrequenzen der mindestens drei elektrischen Oszillatorsignal 11a, 11b, 11c PFk ändert sich das Vorzeichen der Fehlersignale 28a, 28b, 28c alle 0,5 Fm, und
• für jedes der Fehlersignale 28a, 28b, 28c ändert sich das Vorzeichen alle 0,5Fm, wobei sich der Vorzeichenwechsel alle 3 Fm wiederholt, und
• Fm ist gleich der Frequenz des elektrischen Haupttaktsignals 6, PFk ist gleich der Zielschwebungsfrequenz des k-ten elektrischen Oszillatorsignals 11a, 11b, 11c,k ist gleich 1, 2, 3, ....

Die Verknüpfungseinheiten 34a, 34b, 34c werden durch ein Steuersignal 35 gesteuert, das durch eine Steuereinheit 36 bereitgestellt wird. Die Steuereinheit 36 steuert gemäß dem folgenden Schema durch ein Steuersignal 37 auch die Vorauswahleinheit 22 und durch Steuersignale 41, 42, 43 die elektrischen Oszillatoren 10a, 10b und 10c:

• PFk = |F0-FN|, und
• PFk ist gleich der Zielschwebungsfrequenz des k-ten elektrischen Oszillatorsignals 11a, 11b, 11c,k ist gleich 1, 2, 3, ..., F0 ist gleich der Zielfrequenz des optischen Signals 2, FN = Fref + N·Fm, FN ist gleich der N-ten optischen Signallinie des Referenzrasters, gerechnet von der absoluten optischen Referenzlinie Fref, Fm ist gleich der Frequenz des elektrischen Haupttaktsignals 6, und Fref ist gleich der Frequenz des absoluten optischen Frequenznormals 16.

Die Verknüpfungseinheiten 34a, 34b und 34c übergeben ihre Ausgangssignale 45a, 45b, 45c einer Bewertungs- und Korrektureinheit 46. Die Bewertungs- und Korrektureinheit 46 ermittelt auf der Grundlage der Ausgangssignale 45a, 45b, 45c einen Abweichungswert, der eine Abweichung zwischen der Zielfrequenz des optischen Signals 2 und der Istfrequenz des optischen Signals 2 anzeigt. Dann übergibt die Bewertungs- und Korrektureinheit 46 der TLS 18 ein Korrektursignal 48, um unter Verwendung des Abweichungswertes eine Korrektur der Istfrequenz auf die Zielfrequenz zu ermöglichen, wenn der Abweichungswert eine Abweichung zwischen der Zielfrequenz und der Istfrequenz des optischen Signals 2 anzeigt.
Die oben erwähnten Schemata zur Bereitstellung der elektrischen Oszillatorsignale 11a, 11b und 11c und zur Bereitstellung der Vorzeichen für die Fehlersignale 28a, 28b und 28c durch die Verknüpfungseinheiten 34a, 34b und 34c sowie die asymmetrische Position des Vorauswahlfilters 22 in Bezug auf die Istfrequenz des optischen Signals 2 versetzt die Vorrichtung 1 in die Lage, das optische Signal 2 durch die TLS 18 kontinuierlich abzustimmen, ohne dass Frequenzsprünge der elektrischen Oszillatorsignale 11a, 11b und 11c erforderlich sind, und gleichzeitig für die Istfrequenz des optischen Signals 2 in Bezug auf die Frequenz des optischen Signals 2 eine relative Genauigkeit im kHz-Bereich sicherzustellen, wenn das optische Signal 2 durch die TLS 18 abgestimmt wird.
2 zeigt einen Graph, der die Funktion einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung schematisch veranschaulicht. In 2 sind die Rasterpunkte 14n-1, 14n, 14n+1 und 14n+2 eines Rasters von optischen Referenzsignalen 14 durch entsprechende Pfeile auf einer Frequenzskala f von 1,00 THz bis 1,03 THz dargestellt. Der Abstand zwischen je zwei Rasterpunkten 14n-1, 14n, 14n+1, 14n+2 beträgt 1 = 10 GHz. Außerdem wird die Istfrequenz eines optischen Signals 2 angezeigt.
Bei der Erkennung des optischen Signals 2 erzeugt dann die Überlagerung des optischen Signals 2 mit dem optischen Referenzsignal 14n-1, 14n, 14n+1 effektive Schwebungsfrequenzsignale mit effektiven Schwebungsfrequenzen, die durch Doppelpfeile 20n-1, 20n und 20n+1 angezeigt werden. Diese effektiven Schwebungsfrequenzen 20n-1, 20n und 20n+1 können gemäß der Beschreibung für die Ausführungsart von 1 mit Zielschwebungsfrequenzen 11a, 11b, 11c verglichen werden. Auf diese Weise kann eine eventuelle Abweichung zwischen den effektiven Schwebungsfrequenzen 20n-1, 20n, 20n+1 und den Zielschwebungsfrequenzen 11a, 11b, 11c ermittelt und durch die in Bezug auf 1 beschriebenen Korrekturmechanismen korrigiert werden.
Darüber hinaus kann gemäß der Ausführungsart von 2 bei der Abstimmung des optischen Signals 2 eine Abstimmungsrichtung ermittelt werden, z.B. durch eine abstimmbare Laserquelle. Das ist dadurch möglich, dass bei Abstimmung des optischen Signals 2 nach höheren Frequenzen (siehe Pfeil 50) die Schwebungsfrequenz 20n größer und die Schwebungsfrequenz 20n+1 kleiner wird. Daraus ergibt sich, dass das optische Signal 2 in Richtung des Rasterpunkts 14n+1 des Rasters der optischen Referenzsignale 14 abgestimmt wird.
Ferner kann während der Abstimmung des optischen Signals 2 eine Abstimmungsrichtung ermittelt werden, wenn sich das optische Signal 2 gemäß 3 genau in der Mitte zwischen zwei Rasterpunkten 14n und 14n-1 des Rasters der optischen Referenzsignale 14 befindet. In dieser Situation weisen die beiden Schwebungsfrequenzen 20n und 20n+1 denselben Wert auf. Da jedoch zwischen dem optischen Signal 2 und dem Referenzsignal 14n-1 die dritte Schwebungsfrequenz 20n-1 vorgesehen ist, ist klar, dass das optische Signal 2 weiterhin gemäß Pfeil 50 abgestimmt wird, wenn die Schwebungsfrequenz 20n-1 größer wird.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsart der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsart wird eine optische Vorauswahleinheit 52 mit einer festen Position in Bezug auf das optische Signal 2 bereitgestellt. Auch hier sind die optische Frequenz ω gezeigt und die Rasterpunkte 14n-5 bis 14n+1 durch entsprechende Pfeile dargestellt, die jeweils durch gleiche Frequenzabstände voneinander getrennt sind.
5 zeigt die entsprechenden Intensitäten der Schwebungsfrequenzsignale für die Schwebungsfrequenzen 20n-5 bis 20n+1, die durch die Überlagerung des optischen Signals 2 mit den Referenzsignalen 14n-5 bis 14n+1 erzeugt wurden. 5 zeigt, dass die Intensität der Schwebungsfrequenzsignale 20n-5 bis 20n+1 je nach Form und Bandbreite der optischen Vorauswahleinheit 52 von ihrer Frequenzlage im Frequenzspektrum abhängt. Dadurch kann während der Abstimmung der optischen Signale 2 eine Abstimmungsrichtung ermittelt werden. Wenn das optische Signal 2 zum Beispiel in Richtung des Pfeils 50 in 4 abgestimmt wird, nimmt die Intensität des Schwebungsfrequenzsignals 20n+1 zu, während die Intensität des Schwebungsfrequenzsignals 20n-4 abnimmt. Deshalb ist klar, dass gemäß der durch den Pfeil 50 in 4 angezeigten Abstimmungsrichtung die optische Vorauswahleinheit 52 und somit das optische Signal 2 nach höheren Frequenzen verschoben wird.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines optischen Signals (2), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Ermitteln einer Vielzahl effektiver Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1), die aus der Überlagerung einer Vielzahl optischer Referenzsignale (14) mit dem optischen Signal abgeleitet wurden, das eine Istfrequenz aufweist. (b) Verwenden der ermittelten Vielzahl effektiver Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) zur Steuerung der Istfrequenz. (c) Bewerten eines Abweichungswertes durch Vergleichen von mindestens zwei erkannten effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) mit Zielschwebungsfrequenzen (11a, 11b, 11c), wobei der Abweichungswert eine Verschiebung zwischen den Zielschwebungsfrequenzen (11a, 11b, 11c) und der Istschwebungsfrequenz anzeigt. (d) Bewerten des Vorzeichens des Abweichungswertes auf der Grundlage der mindestens zwei erkannten effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1), gekennzeichnet durch (e) Vorauswählen des Überlagerungssignals, das die mindestens zwei effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) aufweist, innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite vor dessen Ermittlung, wobei die vorgegebene Bandbreite die Istfrequenz des optischen Signals (2) beinhaltet und die Filterkennlinie für die Vorauswahl bezüglich der Istfrequenz des optischen Signals (2) asymmetrisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das den folgenden Schritt aufweist: Bereitstellen eines Rasters optischer Referenzsignale (14), die durch ein elektrisches Haupttaktsignal (6) gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner folgende Schritte aufweist: vor dem Schritt (a) einen Schritt zum Justieren der Istfrequenz derart, dass diese innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner den folgenden Schritt aufweist: Vorauswählen des Überlagerungssignals, das die mindestens zwei effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite aufweist, vor dessen Ermittlung, um eine Sättigung eines Detektors (24) zu vermeiden, der das optische Signal ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vorgegebene Bandbreite die Istfrequenz des optischen Signals (2) und mindestens eines der optischen Referenzsignale (14) beinhaltet, um die Position des optischen Signals (2) in Bezug auf das mindestens eine optische Referenzsignal (14) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner die folgenden Schritte aufweist: separates Ermitteln der Istfrequenz des optischen Signals (2) vor dem Vorauswählen des Überlagerungssignals.
Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Frequenzabstand zwischen jedem benachbarten optischen Referenzsignal (14) des Rasters durch Modenkopplung der optischen Referenzsignale (14) mit dem Haupttaktsignal (6) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner die folgenden Schritte aufweist: Koppeln des Rasters mit einem absoluten optischen Frequenznormal (16) durch Koppeln mindestens eines der optischen Referenzsignale (14) des Rasters mit dem absoluten optischen Frequenznormal (16) vorzugsweise unter Verwendung eines phasengekoppelten Regelkreises (phase locked loop, PLL).
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner den folgenden Schritt aufweist: Vergleichen der mindestens zwei effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) mit den mindestens zwei Zielschwebungsfrequenzen (11a, 11b, 11c) durch Mischen der mindestens zwei effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) mit den mindestens zwei elektrischen Oszillatorsignalen (11a, 11b, 11c), die jeweils eine Zielschwebungsfrequenz aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die Schritte zur Ermittlung der Zielschwebungsfrequenzen gemäß folgendem Schema aufweist: PFk = |F0-FN|, und wobei PFk gleich der Zielschwebungsfrequenz des k-ten elektrischen Oszillatorsignals 11a, 11b und 11c mit k = 1, 2, 3, ..., F0 gleich der Zielfrequenz des optischen Signals (2), FN = Fref + N·Fm gleich der N-ten optischen Signallinie des Referenzrasters von der absoluten optischen Referenzlinie Fref, Fm gleich der Frequenz des elektrischen Haupttaktsignals (6) und Fref gleich der Frequenz des absoluten optischen Frequenznormals (16) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner die folgenden Schritte aufweist: Ermitteln von Fehlersignalen (28a, 28b, 28c) für mindestens drei der effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1), Eingeben von mindestens drei der Fehlersignale (28a, 28b, 28c) in einen entsprechenden Filterregelkreis (30, 30b, 30c), und Ermitteln des Abweichungssignals durch die im Regelkreis gefilterten Fehlersignale (32a, 32b, 32c) mit jeweils einem positiven oder negativen Vorzeichen gemäß einem definierten Schema.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das definierte Schema durch Folgendes definiert ist: für drei im Regelkreis gefilterte Fehlersignale (32a, 32b, 32c) ändert sich das Vorzeichen jedes Fehlersignals (28a, 28b, 28c) mit jeder 3/2Fm, für die mindestens drei Zielschwebungsfrequenzen PFk der mindestens drei elektrischen Oszillatorsignale 811a, 11b, 11c) wechselt das Vorzeichen der Fehlersignale (28a, 28b, 28c) mit jeder 0,5Fm, und für eines der Fehlersignale (28a, 28b, 28c) wechselt das Vorzeichen mit jeder 0,5Fm, wobei sich der Vorzeichenwechsel mit jeder 3/2Fm wiederholt, und wobei Fm gleich der Frequenz des elektrischen Haupttaktsignals (6), PFk gleich der Zielschwebungsfrequenz des k-ten elektrischen Oszillatorsignals und Kante gleich 1, 2, 3, ... ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterkennlinie der Vorauswahleinheit in Bezug auf die Istfrequenz des optischen Signals (2) asymmetrisch ist, und das Verfahren ferner den Schritt des Erkennens eines möglicherweise vorhandenen Intensitätsunterschieds zwischen den Signalen der effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) aufweist, um eine Abstimmungsrichtung für das optische Signal zu ermitteln, wenn das optische Signal abgestimmt wird, und/oder um ein Vorzeichen der Frequenzverschiebung zu ermitteln.
System zur Steuerung eines optischen Signals (2), das Folgendes aufweist: Eine Ermittlungseinheit, die zur Ermittlung effektiver Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) eingerichtet ist, die von einer Überlagerung mindestens eines optischen Referenzsignals (14) mit dem eine Istfrequenz aufweisenden optischen Signal (2) abgeleitet werden, und Eine Steuereinheit, die zur Steuerung der Istfrequenz unter Verwendung der effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) eingerichtet ist, Bewertungsmittel (34a, 34b, 34c, 46), die zur Ermittlung eines Abweichungssignals zur Steuerung der Istfrequenz durch Vergleichen von mindestens zwei erkannten effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) mit Zielschwebungsfrequenzen (11a, 11b, 11c) eingerichtet sind, wobei der Abweichungswert eine Verschiebung zwischen den Zielschwebungsfrequenzen (11a, 11b, 11c) und der effektiven Schwebungsfrequenz anzeigt, und dadurch das Vorzeichen des Abweichungswertes auf der Grundlage der mindestens zwei erkannten effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) ermittelt, gekennzeichnet durch ein Vorauswahlmittel zum Vorauswählen des Überlagerungssignals, das die mindestens zwei effektiven Schwebungsfrequenzen (20n-1, 20n, 20n+1) aufweist, innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite, bevor dieses erkannt wird, wobei die vorgegebene Bandbreite die Istfrequenz des optischen Signals (2) beinhaltet und die Filterkennlinie für die Vorauswahl in Bezug auf die Istfrequenz des optischen Signals (2) asymmetrisch ist.
System nach Anspruch 14, das ferner mindestens eine der folgenden Einheiten aufweist: eine Referenzsignalquelle, die zum Liefern mindestens eines optischen Referenzsignals (14) eingerichtet ist, eine Signalquelle, die zum Liefern des optischen Signals (2) mit einer Istfrequenz eingerichtet ist, eine Überlagerungseinheit, die zum Überlagern des mindestens einen optischen Referenzsignals (14) mit dem optischen Signal (2) eingerichtet ist.