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DE102024201192A1 - Device and method for generating a bias voltage for an electro-optical modulator - Google Patents

Device and method for generating a bias voltage for an electro-optical modulator

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Publication number
DE102024201192A1
DE102024201192A1 DE102024201192.4A DE102024201192A DE102024201192A1 DE 102024201192 A1 DE102024201192 A1 DE 102024201192A1 DE 102024201192 A DE102024201192 A DE 102024201192A DE 102024201192 A1 DE102024201192 A1 DE 102024201192A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
output power
signal
electro
pilot
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102024201192.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Robert Koch
Martin Keppeler
Frank Obernosterer
Raimund Meyer
Clemens Neumüller
Gerd Kilian
Christian Kelm
Ewald Hedrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102024201192.4A priority Critical patent/DE102024201192A1/en
Priority to PCT/EP2025/053052 priority patent/WO2025168680A1/en
Publication of DE102024201192A1 publication Critical patent/DE102024201192A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0121Operation of devices; Circuit arrangements, not otherwise provided for in this subclass
    • G02F1/0123Circuits for the control or stabilisation of the bias voltage, e.g. automatic bias control [ABC] feedback loops
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50Transmitters
    • H04B10/501Structural aspects
    • H04B10/503Laser transmitters
    • H04B10/505Laser transmitters using external modulation
    • H04B10/5057Laser transmitters using external modulation using a feedback signal generated by analysing the optical output
    • H04B10/50575Laser transmitters using external modulation using a feedback signal generated by analysing the optical output to control the modulator DC bias

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung [z.B. Schaltung, wie z.B. Steuerschaltung] zur Erzeugung einer [z.B. zeitvariablen] Vorspannung VDC für einen elektro-optischen Modulator, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um ein von einer optischen Ausgangsleistung des elektro-optischen Modulators abhängiges Ausgangsleistungssignal P̂out zu erhalten, wobei die Vorrichtung ausgebildet, um die Vorspannung VDC in Abhängigkeit von einem Amplitudenverhältnis zwischen Grundwelle und erster Oberwelle des Ausgangsleistungssignals P̂out und in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel eines an dem elektro-optischen Modulator anliegenden Pilotsignals zu erzeugen. Embodiments provide a device [e.g. circuit, such as control circuit] for generating a [e.g. time-variable] bias voltage V DC for an electro-optical modulator, wherein the device is configured to obtain an output power signal P̂ out dependent on an optical output power of the electro-optical modulator, wherein the device is designed to generate the bias voltage V DC as a function of an amplitude ratio between the fundamental wave and the first harmonic of the output power signal P̂ out and as a function of a phase angle of a pilot signal applied to the electro-optical modulator.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung einer Vorspannung für einen elektro-optischen Modulator. Manche Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Vorspannung für die positionsgenaue Verriegelung der Minimum-Betriebspunkte bei Mach-Zehnder-Modulatoren.Embodiments of the present invention relate to an apparatus and method for generating a bias voltage for an electro-optical modulator. Some embodiments relate to an apparatus and method for controlling the bias voltage for the precise locking of the minimum operating points in Mach-Zehnder modulators.

In der Quanteninformatik ist Licht eines der wichtigsten Instrumente, um sowohl die Position als auch den Quantenzustand der Atome zu kontrollieren, die für die Datenverarbeitung verwendet werden. In praktischen Systemen wird Laserlicht eingesetzt, um die Quantenzustände von Qubits auf die gewünschte Weise zu manipulieren. Neben physikalischen Effekten wie Dekohärenz und Quantenrauschen hat die Präzision der Qubit-Manipulation erhebliche Auswirkungen auf die erreichbare Fehlerrate beim Quantencomputing. Daher werden an die Übertragungskette des Lasers strenge Anforderungen in Bezug auf Frequenzgenauigkeit, spektrale Bandbreite, Stabilität der Ausgangsleistung usw. gestellt.In quantum computing, light is one of the most important tools for controlling both the position and quantum state of atoms used for data processing. In practical systems, laser light is used to manipulate the quantum states of qubits in the desired manner. In addition to physical effects such as decoherence and quantum noise, the precision of qubit manipulation has a significant impact on the achievable error rate in quantum computing. Therefore, the laser transmission chain is subject to strict requirements regarding frequency accuracy, spectral bandwidth, output power stability, and so on.

Eine der Schlüsselkomponenten neben dem Laser ist der optische Modulator, der ein Laserlicht konstanter Leistung modulieren oder schalten muss, um Lichtpulse oder Pulsfolgen mit einer gewünschten Form zu erzeugen. Dabei werden bevorzugt elektro-optische (EOM) Modulatoren und hier insbesondere der Mach-Zehnder-Modulator (MZM) eingesetzt. Es gibt jedoch weder eine einfache lineare Beziehung zwischen dem Steuersignal des Modulators und dem Ausgang des Modulators, noch kann davon ausgegangen werden, dass sie zeitlich unveränderliche Eigenschaften haben.One of the key components, alongside the laser, is the optical modulator, which must modulate or switch a constant-power laser light to generate light pulses or pulse trains with a desired shape. Electro-optical (EOM) modulators, and in particular the Mach-Zehnder modulator (MZM), are preferred for this purpose. However, there is neither a simple linear relationship between the modulator's control signal and the modulator's output, nor can they be assumed to have time-invariant properties.

Eines der schwierigsten technischen Probleme bei der Verwendung von EOMs ist die Regelung der Kontrollspannung. EOMs driften im Allgemeinen wegen Brechungsindexänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen, Alterung oder anderer pyroelektrischer, photorefraktiver bzw. photoleitender Effekte. Dadurch verschiebt sich die Übertragungsfunktion und das Modulationssignal wird auf einen veränderten Arbeitspunkt gelegt, was die Qualität der Modulation signifikant beeinträchtigt.One of the most challenging technical problems when using EOMs is controlling the control voltage. EOMs generally drift due to refractive index changes caused by temperature fluctuations, aging, or other pyroelectric, photorefractive, or photoconductive effects. This shifts the transfer function and places the modulation signal at a different operating point, significantly impairing the modulation quality.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zu schaffen, welches es ermöglicht, eine Driftverschiebung des Arbeitspunkts maximaler Dämpfung eines elektro-optischen Modulators zu reduzieren oder sogar zu kompensieren.The present invention is therefore based on the object of creating a concept which makes it possible to reduce or even compensate for a drift shift of the operating point of maximum attenuation of an electro-optical modulator.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.This problem is solved by the independent patent claims.

Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.Advantageous further developments can be found in the dependent patent claims.

Ausführungsbeispiele schaffen eine Vorrichtung [z.B. Schaltung, wie z.B. Steuerschaltung] zur Erzeugung einer [z.B. zeitvariablen] Vorspannung VDC für einen elektro-optischen Modulator, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um ein von einer optischen Ausgangsleistung des elektro-optischen Modulators abhängiges Ausgangsleistungssignal P̂out zu erhalten, wobei die Vorrichtung ausgebildet, um die Vorspannung VDC in Abhängigkeit von einem Amplitudenverhältnis zwischen Grundwelle und erster Oberwelle des Ausgangsleistungssignals P̂out und in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel eines an dem elektro-optischen Modulator anliegenden Pilotsignals zu erzeugen.Embodiments provide a device [e.g. circuit, such as control circuit] for generating a [e.g. time-variable] bias voltage V DC for an electro-optical modulator, wherein the device is configured to obtain an output power signal P̂ out dependent on an optical output power of the electro-optical modulator, wherein the device is designed to generate the bias voltage V DC as a function of an amplitude ratio between the fundamental wave and the first harmonic of the output power signal P̂ out and as a function of a phase angle of a pilot signal applied to the electro-optical modulator.

Ausführungsbeispiele ermögliche es das Driftphänomen zu kompensieren durch Erzeugung einer geeigneten DC-Vorspannung, z. B. die die Driftverschiebung mittels einer Rückkopplung (z. B. mit Hilfe einer Rückkopplung (z. B. rückgekoppelten Bias-Control-Regelschleife) und unter Zuhilfenahme eines Pilotsignals (z. B. Pilot-Tons) reduziert oder sogar kompensiert und damit den driftenden Modulator-Bias-Punkt kontrolliert.Embodiments make it possible to compensate for the drift phenomenon by generating a suitable DC bias voltage, e.g., which reduces or even compensates for the drift shift by means of feedback (e.g., with the aid of a feedback (e.g., feedback bias control loop) and with the aid of a pilot signal (e.g., pilot tone), thus controlling the drifting modulator bias point.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert, um das Pilotsignal Vpilot für den elektro-optischen Modulator zu erzeugen.In embodiments, the device is configured to generate the pilot signal V pilot for the electro-optical modulator.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert, um die Vorspannung VDC und/oder das Pilotsignal Vpilot an zumindest einen Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen.In embodiments, the device is configured to apply the bias voltage V DC and/or the pilot signal V pilot to at least one control input of the electro-optical modulator.

Beispielsweise kann die Vorrichtung konfiguriert sein, um eine Kombination/Überlagerung aus Vorspannung VDC und Pilotsignal Vpilot an einem Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen. Alternativ kann die Vorrichtung auch konfiguriert sein, um die Vorspannung VDC an einem ersten Steuereingang und das Pilotsignal Vpilot an einem zweiten Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen.For example, the device can be configured to apply a combination/superposition of bias voltage V DC and pilot signal V pilot to a control input of the electro-optical modulator. Alternatively, the device can also be configured to apply the bias voltage V DC to a first control input and the pilot signal V pilot to a second control input of the electro-optical modulator.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert, um die Vorspannung VDC mit dem Pilotsignal Vpilot zu überlagern oder zu kombinieren, um eine Kontrollspannung VC für den elektro-optischen Modulator zu erhalten.In embodiments, the device is configured to superimpose or combine the bias voltage V DC with the pilot signal V pilot to obtain a control voltage V C for the electro-optical modulator.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert, um Kontrollspannung VC an einem Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen.In embodiments, the device is configured to apply control voltage V C to a control input of the electro-optical modulator.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert, um die Vorspannung VDC an einem ersten Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen und das Pilotsignal Vpilot an einem zweiten Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen.In embodiments, the device is configured to apply the bias voltage V DC to a first control input of the electro-optical modulator and to apply the pilot signal V pilot to a second control input of the electro-optical modulator.

Bei Ausführungsbeispielen beschreibt das Ausgangsleistungssignal P̂out eine geschätzte optische Ausgangsleistung des elektro-optischen Modulators.In embodiments, the output power signal P̂ out describes an estimated optical output power of the electro-optical modulator.

Bei Ausführungsbeispielen ist das Pilotsignal Vpilot ein zeitlich begrenztes, sinusförmiges Signal.In embodiments, the pilot signal V pilot is a time-limited, sinusoidal signal.

Bei Ausführungsbeispielen ist der elektro-optische Modulator ein Mach-Zehnder-Modulator.In embodiments, the electro-optical modulator is a Mach-Zehnder modulator.

Bei Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung einen Photodetektor auf, der ausgebildet ist, um zumindest einen Teil einer optischen Ausgangsleistung P̂out des elektro-optischen Modulators zu detektieren, um das Ausgangsleistungssignal zu erhalten.In embodiments, the device comprises a photodetector configured to detect at least a portion of an optical output power P̂ out of the electro-optical modulator to obtain the output power signal.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert, um in Abhängigkeit von dem Amplitudenverhältnis zwischen Grundwelle und erster Oberwelle des Ausgangsleistungssignals P̂out und in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel des an dem elektro-optischen Modulator anliegenden Pilotsignals eine Differenzspannung ΔV zu schätzen, wobei die Differenzspannung ΔV eine Differenz zwischen der aktuellen Vorspannung VDC = V̂min und einer Soll-Vorspannung Vmin beschreibt, bei der die optische Ausgangsleistung P̂out des elektro-optischen Modulator einen Minimumwert aufweist.In embodiments, the device is configured to estimate a differential voltage ΔV as a function of the amplitude ratio between the fundamental wave and the first harmonic of the output power signal P̂ out and as a function of the phase angle of the pilot signal applied to the electro-optical modulator, wherein the differential voltage ΔV describes a difference between the current bias voltage V DC = V̂ min and a target bias voltage V min at which the optical output power P̂ out of the electro-optical modulator has a minimum value.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert, um die Vorspannung VDC in Abhängigkeit der geschätzten Differenzspannung ΔV nachzuführen [z.B. zu korrigieren] hin in Richtung auf die Soll-Vorspannung Vmin.In embodiments, the device is configured to track [e.g., correct] the bias voltage V DC as a function of the estimated difference voltage ΔV toward the desired bias voltage V min .

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert ist, um die Differenzspannung ΔV basierend auf der folgenden Gleichung zu ermitteln: Δ V = F 1 f 2 f + ( ω d ) F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) V d 4 e i ( φ d π 2 ) wobei F 1 f 2 f + ( ω d ) eine Fouriertransformierte der Grundwelle des Ausgangsleistungssignals ist, wobei F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) eine Fouriertransformierte der ersten Oberwelle des Ausgangsleistungssignals ist,
wobei Vd eine Amplitude des Pilotsignals ist, und
wobei φd der Phasenwinkel des Pilotsignals ist.
In embodiments, the device is configured to determine the differential voltage ΔV based on the following equation: Δ V = F 1 f 2 f + ( ω d ) F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) V d 4 e i ( φ d π 2 ) where F 1 f 2 f + ( ω d ) is a Fourier transform of the fundamental wave of the output power signal, where F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) is a Fourier transform of the first harmonic of the output power signal,
where V d is an amplitude of the pilot signal, and
where φ d is the phase angle of the pilot signal.

Bei Ausführungsbeispielen ist das Ausgangsleistungssignal P̂out diskret abgetastet, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um die Differenzspannung ΔV basierend auf der folgenden Gleichung zu schätzen: Δ V ^ c = D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] V d 4 e i ( φ d π 2 ) wobei ΔV̂c ein Schätzwert der Differenzspannung ΔV ist,
wobei DFT{P̂out}[zd ] eine diskrete Fouriertransformierte der Grundwelle des diskret abgetasteten Ausgangsleistungssignals ist,
wobei DFT{P̂out}[zd ] eine diskrete Fouriertransformierte der ersten Oberwelle des diskret abgetasteten Ausgangsleistungssignals ist,
wobei Vd eine Amplitude des Pilotsignals ist, und
wobei φd der Phasenwinkel des Pilotsignals ist.
In embodiments, the output power signal P̂ out is discretely sampled, wherein the device is configured to estimate the differential voltage ΔV based on the following equation: Δ V ^ c = D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] V d 4 e i ( φ d π 2 ) where ΔV̂ c is an estimate of the differential voltage ΔV,
where DFT{P̂ out }[z d ] is a discrete Fourier transform of the fundamental wave of the discretely sampled output power signal,
where DFT{P̂ out }[z d ] is a discrete Fourier transform of the first harmonic of the discretely sampled output power signal,
where V d is an amplitude of the pilot signal, and
where φ d is the phase angle of the pilot signal.

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert, um den Phasenwinkel in Abhängigkeit von einer Signallaufzeitdifferenz zwischen dem Ausgangsleistungssignal und dem Pilotsignal zu schätzen.In embodiments, the device is configured to estimate the phase angle depending on a signal propagation time difference between the output power signal and the pilot signal.

Bei Ausführungsbeispielen ist das Pilotsignal Vpilot sinusförmig, wobei das Ausgangsleistungssignal ein abgetastetes Ausgangsleistungssignal P̂out[k] mit K Abtastwerten ist, wobei K ein ganzzahliges Vielfaches N an Perioden des Pilotsignals Vpilot aufweist.In embodiments, the pilot signal V pilot is sinusoidal, wherein the output power signal is a sampled output power signal P̂ out [k] with K samples, where K is an integer multiple N of periods of the pilot signal V pilot .

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert, um das Ausgangsleistungssignal oder eine abgetastete Version des Ausgangsleistungssignals um eine Laufzeitverzögerung Δτ des Pilotsignals [z.B. Laufzeitverzögerung des Pilotsignals zwischen einem Steuereingang des elektro-optischen Modulators an dem Pilotsignal anliegt und dem von der optischen Ausgangsleistung des elektro-optischen Modulators abhängigen Ausgangsleistungssignal] zu verschieben [z.B. in negativer Zeitrichtung], um eine laufzeitbedingte Phasendifferenz Δφ des Phasenwinkels φd zu kompensieren.In embodiments, the device is configured to shift the output power signal or a sampled version of the output power signal by a propagation delay Δτ of the pilot signal [e.g. propagation delay of the pilot signal between a control input of the electro-optical modulator to which the pilot signal is applied and the output power signal dependent on the optical output power of the electro-optical modulator] [e.g. in the negative time direction] in order to compensate for a propagation-related phase difference Δφ of the phase angle φ d .

Bei Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung konfiguriert, um die Differenzspannung ΔV basierend auf der folgenden Gleichung zu ermitteln: Δ V ^ = i m a g ( D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] ) r e a l ( D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] ) V d 4 wobei ΔV̂ ein Schätzwert der Differenzspannung ΔV ist,
wobei imagDFT{P̂out}[zd ] ein Imaginärteil einer diskreten Fouriertransformierten der Grundwelle zd des diskret abgetasteten Ausgangsleistungssignals P̂out ist,
wobei imagDFT{P̂out}[zd ] ein Realteil einer diskreten Fouriertransformierten der ersten Oberwelle zd des diskret abgetasteten Ausgangsleistungssignals P̂out ist,
wobei Vd eine Amplitude des Pilotsignals ist.
In embodiments, the device is configured to determine the differential voltage ΔV based on the following equation: Δ V ^ = i m a g ( D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] ) r e a l ( D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] ) V d 4 where ΔV̂ is an estimate of the differential voltage ΔV,
where imagDFT{P̂ out }[z d ] an imaginary part of a discrete Fourier transform of the fundamental wave z d of the discretely sampled output power signal P̂ out ,
where imagDFT{P̂ out }[z d ] a real part of a discrete Fourier transform of the first harmonic z d of the discretely sampled output power signal P̂ out ,
where V d is an amplitude of the pilot signal.

Weitere Ausführungsbeispiele schaffen eine optische Anordnung mit einem elektro-optischen Modulator und einer Vorrichtung zur Erzeugung einer [z.B. zeitvariablen] Vorspannung VDC für den elektro-optischen Modulator.Further embodiments provide an optical arrangement comprising an electro-optical modulator and a device for generating a [e.g. time-variable] bias voltage V DC for the electro-optical modulator.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

  • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Mach-Zehnder-Modulators,
  • 2 in einem Diagramm eine schematische Ansicht einer Übertragungsfunktion eines idealen Mach-Zehnder-Modulators aufgetragen über die Kontrollspannung,
  • 3 in einem Diagramm eine schematische Ansicht einer driftbedingten Verschiebung einer Übertragungsfunktion eines nicht-idealen (Ungleichheit-Faktor fib ≠ 1/2) Mach-Zehnder-Modulators aufgetragen über die Kontrollspannung,
  • 4 in einem Diagramm einen Verlauf des Verhältnisses zwischen Schwingungen erster und zweiter Grundfrequenz in Abhängigkeit aufgetragen über einen Bias-Phasendriftwinkel,
  • 5 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Vorspannung für einen elektro-optischen Modulator, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
  • 6 eine schematische Ansicht einer optischen Anordnung mit einer Lichtquelle, einem elektro-optischen Modulator, einem optischen Strahlteiler, einer Messvorrichtung für optische Leistung und einer Abtastvorrichtung,
  • 7 in einem Diagramm eine schematische Ansicht vom Zusammenhang zwischen gesuchter Vorspannung, bekannter Vorspannung und geschätzter Differenzspannung in der Übertragungsfunktion,
  • 8 in Diagrammen einen zeitlichen Zusammenhang zwischen Pilotsignal und geschätzter Ausgangsleistung, und
  • 9 in Diagrammen einen zeitlichen Zusammenhang zwischen Pilotsignal und geschätzter Ausgangsleistung nach Ausgleich der Laufzeitverzögerung.
Embodiments of the present invention are described in more detail with reference to the accompanying figures. They show:
  • 1 a schematic block diagram of a Mach-Zehnder modulator,
  • 2 in a diagram a schematic view of a transfer function of an ideal Mach-Zehnder modulator plotted against the control voltage,
  • 3 in a diagram a schematic view of a drift-induced shift of a transfer function of a non-ideal (inequality factor f ib ≠ 1/2) Mach-Zehnder modulator plotted against the control voltage,
  • 4 in a diagram a curve of the relationship between oscillations of the first and second fundamental frequency plotted against a bias phase drift angle,
  • 5 a schematic block diagram of a device for generating a bias voltage for an electro-optical modulator, according to an embodiment of the present invention,
  • 6 a schematic view of an optical arrangement with a light source, an electro-optical modulator, an optical beam splitter, an optical power measuring device and a scanning device,
  • 7 in a diagram a schematic view of the relationship between the desired bias voltage, the known bias voltage and the estimated differential voltage in the transfer function,
  • 8 in diagrams a temporal relationship between pilot signal and estimated output power, and
  • 9 in diagrams a temporal relationship between the pilot signal and the estimated output power after compensation of the propagation delay.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung untereinander austauschbar ist.In the following description of the embodiments of the present invention, identical or equivalent elements in the figures are provided with the same reference numerals so that their description is interchangeable.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele werden mehrere Einzelheiten dargelegt, um eine ausführlichere Erläuterung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Für einen Fachmann ist es jedoch offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auch ohne diese spezifischen Details in die Praxis umgesetzt werden können. In anderen Fällen werden wohlbekannte Strukturen und Geräte in Blockdiagrammform und nicht im Detail gezeigt, um Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht unverständlich zu machen. Darüber hinaus können Merkmale der im Folgenden beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.In the following description of the embodiments, several details are set forth to provide a more complete explanation of embodiments of the present invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that embodiments of the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form rather than in detail in order not to obscure embodiments of the present invention. Furthermore, features of the various embodiments described below may be combined with one another unless expressly stated otherwise.

Bevor Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Erzeugung einer Vorspannung für einen elektro-optischen Modulator anhand der 5 bis 9 detailliert erläutert werden, wird zunächst der zugrundeliegende elektro-optischen Modulator sowie die Problematik der Driftverschiebung des Arbeitspunkts maximaler Dämpfung desselben näher beschrieben. Before embodiments of the device for generating a bias voltage for an electro-optical modulator are described with reference to 5 to 9 will be explained in detail, the underlying electro-optical modulator and the problem of the drift shift of the operating point of maximum attenuation will first be described in more detail.

Einer der bekanntesten elektro-optischen Modulatoren, der Mach-Zehnder-Modulator (MZM), ist ein optisches Bauteil, um Laserlicht in seiner Intensität zu modulieren. Dabei wird eine Phasenverschiebung zweier optischer Pfade durch Interferenz in eine Amplitudenänderung umgewandelt.One of the best-known electro-optical modulators, the Mach-Zehnder modulator (MZM), is an optical component used to modulate the intensity of laser light. A phase shift between two optical paths is converted into an amplitude change through interference.

1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines solchen Mach-Zehnder-Modulators 10. Dieser umfasst zwei optische Pfade (Übertragungsarme) 12 und 14 sowie Elektroden 16, 17 und 18, über die entgegengesetzte elektrische Felder an die zwei optischen Pfade 12 und 14 angelegt werden können. 1 shows a schematic block diagram of such a Mach-Zehnder modulator 10. This comprises two optical paths (transmission arms) 12 and 14 as well as electrodes 16, 17 and 18, via which opposing electric fields can be applied to the two optical paths 12 and 14.

Wie in 1 dargestellt, wird das einfallende Licht idealerweise gleichmäßig auf die zwei (Übertragungs-)Arme aufgeteilt, an die entgegengesetzte elektrische Felder angelegt werden. Dadurch entsteht eine Phasendifferenz zwischen den Lichtwellen, die sich in den beiden Armen bewegen und die bei der Kombination am Ausgang interferieren. In einem idealen MZM liegt die resultierende Leistung des Ausgangssignals je nach Stärke des elektrischen Feldes zwischen null (0) und der maximalen Eingangsleistung. Die beiden Wellen interferieren destruktiv, wenn die Phasenverschiebung ein Vielfaches von π ist, und konstruktiv für Vielfache von 2π.As in 1 As shown, the incident light is ideally split equally between the two (transmission) arms, to which opposing electric fields are applied. This creates a phase difference between the light waves traveling in the two arms, which interfere when combined at the output. In an ideal MZM, the resulting power of the output signal ranges from zero (0) to the maximum input power, depending on the strength of the electric field. The two waves interfere destructively when the phase shift is a multiple of π and constructively for multiples of 2π.

Die grundlegende EOM-Übertragungsfunktion zwischen der anliegenden Steuerspannung Vc(t) und der optischen Ausgangsleistung Pout, einschließlich der durch den Ungleichheit-Faktor fib dargestellten möglichen optischen fehlerhaften Balance bei der Aufteilung in die beiden Arme, ist gegeben durch: P o u t ( t ) = P i n ( 1 2 + f i b c o s ( π V π ( V 0 V c ( t ) ) ) ) . The basic EOM transfer function between the applied control voltage V c (t) and the optical output power P out , including the possible optical misbalance represented by the inequality factor f ib when splitting into the two arms, is given by: P o u t ( t ) = P i n ( 1 2 + f i b c o s ( π V π ( V 0 V c ( t ) ) ) ) .

Der Wert φ 0 = V 0 π V π kennzeichnet dabei die initiale Phasenverschiebung, die ohne Anlegen eines elektrischen Feldes vorliegen würde. Vπ ist die Halbwellenspannung, die an die HF-Elektrode (Hochfrequenzelektrode) angelegt werden muss, um die optische Leistung vom Maximalwert auf den Mindestwert zu bringen (oder umgekehrt) und Vc ist die Kontrollspannung, die jeweils ein elektrisches Feld zwischen den beiden Elektroden erzeugt. Pin bezeichnet die optische Eingangsleistung, die in vielen praktisch relevanten Anwendungsfällen idealerweise konstant ist.The value φ 0 = V 0 π V π denotes the initial phase shift that would be present without the application of an electric field. V π is the half-wave voltage that must be applied to the RF electrode (high-frequency electrode) to bring the optical power from the maximum value to the minimum value (or vice versa), and V c is the control voltage that generates an electric field between the two electrodes. P in denotes the optical input power, which is ideally constant in many practical applications.

Die aus Gl. (1) resultierende Übertragungsfunktion T = Pouc/Pin ist in 2 für einen gegebenen Wert von V0 aufgetragen. Im Detail zeigt 2 in einem Diagramm eine schematische Ansicht einer Übertragungsfunktion T eines idealen MZM mit fib = 1/2 aufgetragen über die Kontrollspannung Vc. Der optische Durchsatz ist dabei entlang der Ordinate und die elektrische Vorspannung entlang der Abszisse aufgetragen. Der MZM kann als näherungsweise linearer Intensitätsmodulator betrieben werden, wenn die optische Wegdifferenz so eingestellt wird, dass V0=±Vπ/2 (Positionen Quad±) ist und der Betrieb im nahezu linearen Bereich des Halbleistungspunktes bei T=0,5 erfolgt. Alternativ dazu kann die optische Wegdifferenz so eingestellt werden, dass V0 ein Vielfaches von Vπ ist. In diesem Fall ist wie beispielhaft in 2 gezeigt T(Vc = V0+2 · (n - 1) · Vπ) = 0 (Min) und T(Vc = V0+2 · n · Vπ) = 1 (Max), so dass der Modulator das Licht aus- und einschaltet („Ein-Aus-Tastung“).The transfer function T = P ouc /P in resulting from Eq. (1) is in 2 for a given value of V 0. In detail, 2 A diagram showing a schematic view of a transfer function T of an ideal MZM with f ib = 1/2 plotted against the control voltage V c . The optical throughput is plotted along the ordinate and the electrical bias voltage along the abscissa. The MZM can be operated as an approximately linear intensity modulator if the optical path difference is set such that V 0 =±V π /2 (positions Quad±) and the operation takes place in the almost linear region of the half-power point at T = 0.5. Alternatively, the optical path difference can be set such that that V 0 is a multiple of V π . In this case, as shown in the example in 2 shown T(V c = V 0 +2 · (n - 1) · V π ) = 0 (Min) and T(V c = V 0 +2 · n · V π ) = 1 (Max), so that the modulator switches the light off and on (“on-off keying”).

Eines der schwierigsten technischen Probleme bei der Verwendung von EOMs ist die Aufrechterhaltung der richtigen Kontrollspannung Vc. EOMs driften einerseits wegen Brechungsindexänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen, Alterung oder anderer pyroelektrischer, photorefraktiver bzw. photoleitender Effekte. Zudem ergibt sich durch Anlegen einer Kontrollspannung eine signifikante Ladungsträgerverschiebung auf den Elektroden. Dadurch verschiebt sich, wie 3 dargelegt, die Übertragungsfunktion T = Pout/Pin in horizontaler Richtung und das Modulationssignal wird auf einen veränderten Arbeitspunkt gelegt, was die Qualität der Modulation signifikant beeinträchtigt. Im Detail zeigt 3 in einem Diagramm eine schematische Ansicht einer driftbedingten Verschiebung einer Übertragungsfunktion T eines MZM (fib ≠ 1/2) aufgetragen über die Kontrollspannung Vc. Der optische Durchsatz ist dabei entlang der Ordinate und die elektrische Vorspannung entlang der Abszisse aufgetragen. In Gl. (1) entspricht dies einer Drift von V0, d. h. V0 kann nicht mehr als konstant betrachtet werden.One of the most difficult technical problems when using EOMs is maintaining the correct control voltage V c . EOMs drift due to changes in the refractive index caused by temperature fluctuations, aging, or other pyroelectric, photorefractive, or photoconductive effects. Furthermore, applying a control voltage results in a significant charge carrier shift on the electrodes. This shifts, as 3 As shown, the transfer function T = P out /Pi n in the horizontal direction and the modulation signal is placed at a different operating point, which significantly affects the quality of the modulation. In detail, 3 A diagram showing a drift-induced shift of a transfer function T of an MZM (f ib ≠ 1/2) plotted against the control voltage V c . The optical throughput is plotted along the ordinate and the electrical bias voltage along the abscissa. In Eq. (1), this corresponds to a drift of V 0 , meaning that V 0 can no longer be considered constant.

Die durgezogene Kurve (Kurve 1) zeigt das Verhalten der Übertragungsfunktion vor der Driftverschiebung, wohingegen die gestrichelte Kurve (Kurve 2) das Verhalten der Übertragungsfunktion unter dem Einfluss einer Driftverschiebung von V0 um Vdrift zeigt. Um dieses Driftphänomen zu kompensieren und damit die Langzeitstabilität der Übertragungskette zu gewährleisten, werden zwei elektrische Spannungen an den in 1 gezeigten MZM angelegt: die Hochfrequenz-Modulationsspannung VRF, welche die Information über das gewünschte Schalt- bzw. Modulationsverhalten des EOM beinhaltet, und an dieselbe Elektrode oder an eine zweite Vorspannungselektrode eine Vorspannung VDC, die zur Aufrechterhaltung der stabilen Betriebsbedingungen die Driftverschiebung Vdrift kompensiert und damit den Modulator-Bias-Punkt (Arbeitspunkt) kontrolliert. Die Verwendung des Subskripts „DC“ in VDC hat sich in der Fachliteratur etabliert, gleichwohl handelt es sich im eigentlichen Sinne nicht um eine konstante (Gleich-)Spannung, sondern um eine im Vergleich zu VRF relativ langsam veränderliche Spannung.The solid curve (curve 1) shows the behavior of the transfer function before the drift shift, whereas the dashed curve (curve 2) shows the behavior of the transfer function under the influence of a drift shift of V 0 by V drift . To compensate for this drift phenomenon and thus ensure the long-term stability of the transmission chain, two electrical voltages are applied to the 1 The following voltages are applied to the MZM shown: the high-frequency modulation voltage V RF , which contains the information about the desired switching or modulation behavior of the EOM, and a bias voltage V DC , which is applied to the same electrode or to a second bias electrode. This bias voltage compensates for the drift shift V drift to maintain stable operating conditions and thus controls the modulator bias point (operating point). The use of the subscript "DC" in V DC has become established in the specialist literature; however, in the strict sense, it is not a constant (direct) voltage, but rather a voltage that changes relatively slowly compared to V RF .

Es gibt unterschiedliche Ansätze, das Driftproblem entweder durch ein besseres Modulator-Design zu beseitigen oder es durch die Verwendung von Hilfsschaltungen, die den Bias-Punkt fixieren, zu umgehen. Da es bis heute jedoch noch nicht gelungen ist, eine kommerziell tragfähige Lösung unter Verwendung des erstgenannten Ansatzes zu entwickeln [1,2], ist die Verwendung von rückgekoppelten Bias-Regelschleifen zu einer Methode gemäß dem Stand der Technik geworden. Hier lassen sich 2 verschiedene Kategorien unterscheiden: Techniken, die einen Pilotton verwenden sowie Pilotton-freie Verfahren [3,4]. Letztere verwenden die optische Eingangs-/Ausgangsleistung oder deren Verhältnis als zu überwachendes Rückkopplungssignal. Der Aufbau des Bias-Controllers ist verhältnismäßig unkompliziert [3,4]. Das Rückkopplungssignal hängt jedoch stark von der optischen Leistungsschwankung des MZ-Modulatoreingangs ab, was die praktische Anwendung von Pilotton-freien Techniken einschränkt. Speziell bei Multilevel-Modulationsverfahren wie QAM, (D)QPSK oder OFDM und der Verwendung mehrere parallel geschalteter MZM kommen Pilotton-freie Techniken zum Einsatz [3,4]. Bei vielen anderen EOM-Anwendungen überwiegen aber die Pilotton-basierten Verfahren.There are different approaches to eliminate the drift problem, either through a better modulator design or by using auxiliary circuits that fix the bias point. However, since a commercially viable solution using the former approach has not yet been developed [1, 2], the use of feedback bias control loops has become a state-of-the-art method. Two different categories can be distinguished here: techniques that use a pilot tone and pilot-tone-free methods [3, 4]. The latter use the optical input/output power or their ratio as the feedback signal to be monitored. The design of the bias controller is relatively straightforward [3, 4]. However, the feedback signal depends strongly on the optical power fluctuation of the MZ modulator input, which limits the practical application of pilot-tone-free techniques. Pilot-tone-free techniques are used especially for multilevel modulation schemes such as QAM, (D)QPSK, or OFDM and the use of multiple MZMs connected in parallel [3,4]. However, pilot-tone-based schemes predominate in many other EOM applications.

Die ersten Pilotton-Techniken zur Bias-Stabilitätskontrolle der elektrischen Modulator-Vorspannung wurden schon in den frühen 80er Jahren entwickelt In den Anfängen wurde der Modulator dabei zumeist als linearer Intensitätsmodulator bei den Halbleistungspunkten Quad± betrieben. Bei dem in 1991 eingereichten Patent „Automatic bias controller for electro-optic modulator“ [5] wird ein aus verschiedenen bipolaren Einzelrechtecksignalen zusammengesetztes kleines, niederfrequentes und mittelwertfreies rechteckförmiges Pilotsignal an den elektrischen Modulationssignaleingang des MZM angelegt. Ein solches Pilotsignal wird oft auch als Dither-Signal bezeichnet, da es den Arbeitspunkt durch vergleichsweise kleine Schwankungen auslenkt. Das optische Ausgangssignal des Modulators wird anschließend erfasst, und die Größen der positiven und negativen Auslenkungsamplituden des Ausgangssignals werden mit den entsprechenden Auslenkungen des ursprünglich eingangsseitig angelegten Pilotsignals verglichen. Wenn der Modulator wie gewünscht linear vorgespannt ist, sind die Auslenkungen in beiden Richtungen symmetrisch. Wenn der MZM hingegen von den Halbleistungspunkten Quad± abgewichen ist, ist eine Auslenkung in einer Richtung relativ zur anderen größer als im Dither-Signal, was folgerichtig auch die Richtung der Driftverschiebung Vdrift angibt. Die DC-Vorspannung VDC wird mit dieser Information automatisch dem nächstliegenden linearen Vorspannungspunkt Quad± angepasst. Wenn der Vorspannungsbereich mehrere Vorspannungspunkte innerhalb seines Arbeitsbereiches umfasst, wird die Vorspannung ebenfalls automatisch durch einen Bias-Reset auf den kleinsten linearen Punkt mit V0=±Vπ/2 zurückgesetzt.The first pilot tone techniques for bias stability control of the electrical modulator bias voltage were developed in the early 1980s. In the beginning, the modulator was mostly operated as a linear intensity modulator at the half-power points Quad±. In the patent "Automatic bias controller for electro-optic modulator" [5] filed in 1991, a small, low-frequency and mean-free rectangular pilot signal composed of various bipolar individual square-wave signals is applied to the electrical modulation signal input of the MZM. Such a pilot signal is often referred to as a dither signal because it deflects the operating point through comparatively small fluctuations. The optical output signal of the modulator is then acquired, and the sizes of the positive and negative deflection amplitudes of the output signal are compared with the corresponding deflections of the pilot signal originally applied at the input. If the modulator is linearly biased as desired, the deflections are symmetrical in both directions. However, if the MZM has deviated from the half-power points Quad±, a deflection in one direction relative to the other is larger than in the dithered signal, which consequently also indicates the direction of the drift shift V drift . Using this information, the DC bias V DC is automatically adjusted to the nearest linear bias point Quad±. If the bias range includes multiple bias points within its operating range, the bias is also automatically reset to the smallest linear point with V 0 =±V π /2 by a bias reset.

Während in [5] noch ein rechteckförmiges Pilotsignal zum Einsatz kam, werden in [6,7] sinusförmige Wellenformen V d i t h e r ( t ) = V d s i n ( ω d t + φ d )  mit  ω d = 2 π f d ,   V d > 0 mit niedriger Frequenz fd und möglichst geringer Aussteuerspannung Vd verwendet. Die Frequenz fd des Dither-Pilottons (in der Regel innerhalb des Bereichs 0,5 kHz bis 10 kHz) ist in der Regel viel niedriger als die Frequenzkomponenten innerhalb des Spektrums des zeitveränderlichen elektrischen HF-Signals. Der Halbleistungsarbeitspunkt bei T=0,5 ist genau dann erreicht, wenn alle geraden Oberwellen (mit 2fd, 4fd, ...) des harmonischen Pilotsignals verschwinden und nur ungerade Oberwellen (mit 1fd, 3fd, ...) im optischen Rückkoppelungspfad vorhanden sind. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass die Übertragungsfunktion an den Quad-Positionen bei T=0,5 ein punktsymmetrisches Kurvenverhalten zeigt und eine Taylor-Polynomreihenentwicklung der trigonometrischen Funktion aus Gl. (1) an diesem Entwicklungspunkt nur ungerade Exponenten in der Funktionsgleichung aufweisen würde.While in [5] a rectangular pilot signal was used, in [6,7] sinusoidal waveforms are used V d i t h e r ( t ) = V d s i n ( ω d t + φ d )  mit  ω d = 2 π f d ,   V d > 0 with low frequency f d and as low a drive voltage V d as possible. The frequency f d of the dither pilot tone (usually within the range 0.5 kHz to 10 kHz) is usually much lower than the frequency components within the spectrum of the time-varying electrical RF signal. The half-power operating point at T = 0.5 is reached exactly when all even harmonics (with 2f d , 4f d , ...) of the harmonic pilot signal disappear and only odd harmonics (with 1f d , 3f d , ...) are present in the optical feedback path. This is due to the fact that the transfer function at the quad positions at T = 0.5 shows a point-symmetric curve behavior and a Taylor polynomial series expansion of the trigonometric function from Eq. (1) at this expansion point would only show odd exponents in the functional equation.

Die zweite harmonische Oberwelle bei 2fd, die als Maß der Auslenkung aus dem Halbleistungspunkt anzusehen ist, wird aus dem optischen Ausgang extrahiert, gefolgt von einer synchronen Demodulation, die ein Fehlersignal erzeugt, das die DC-Vorspannung VDC so anpasst, dass die Leistung der zweiten harmonischen Oberwelle gegen null (0) konvergieren lässt. Da die Leistung der zweiten harmonischen Oberwelle deutlich niedriger ist als die des ursprünglichen Pilotsignals bei fd, ergibt sich ein deutlich geringeres SNR im Vergleich zur Detektion des Pilotsignals. Damit dieses SNR erreicht werden kann, wird üblicherweise ein analoges Tief- oder Bandpassfilter verwendet, welches die zweite harmonische Oberwelle entsprechend rauschreduziert extrahiert. Das SNR kann auch durch die Verwendung von zwei phasensynchronen Pilotfrequenzen fd1 und fd2 verbessert werden, bei denen dann die Differenzkomponente |fd1 - fd2| der beiden Pilottöne extrahiert und minimiert wird. Dies wird in [8] näher beschrieben.The second harmonic at 2f d , which can be regarded as a measure of the excursion from the half-power point, is extracted from the optical output, followed by synchronous demodulation that generates an error signal that adjusts the DC bias voltage V DC so that the power of the second harmonic converges to zero (0). Since the power of the second harmonic is significantly lower than that of the original pilot signal at f d , the SNR results in a significantly lower one compared to detecting the pilot signal. To achieve this SNR, an analog low-pass or band-pass filter is usually used, which extracts the second harmonic with appropriate noise reduction. The SNR can also be improved by using two phase-synchronous pilot frequencies f d1 and f d2 , at which the difference component |f d1 - f d2 | of the two pilot tones is then extracted and minimized. This is described in more detail in [8].

In analoger Art und Weise können im „Schalterbetrieb“ an den anderen Arbeitspunkten der Übertragungsfunktionskurve des Modulators, d. h. an den Maximum- und Minimumpunkten, Verzerrungs-produkte ungerader Ordnung (1fd, 3fd, ...) des Dither-Signals minimiert werden. In an analogous manner, in “switch mode” at the other operating points of the transfer function curve of the modulator, ie at the maximum and minimum points, odd order distortion products (1f d , 3f d , ...) of the dither signal can be minimized.

Die Übertragungsfunktion weist in diesen Bias-Betriebspunkten ein achsensymmetrisches Kurvenverhalten auf und eine Taylor-Polynomreihenentwicklung der trigonometrischen Funktion aus Gl. (1) würde an diesen Entwicklungspunkten nur gerade Exponenten aufweisen, so wie es in [9] erläutert wird. Da der Anwendung in der Regel bekannt ist, auf welchem der vier üblichen und daher praktisch relevanten Bias-Betriebspunkten der Übertragungsfunktion sie aktuell zu arbeiten hat, ist mit der Minimierung der Signalamplitude bei der Grundfrequenz 1fd oder der Oberwelle bei 2fd auch eine entsprechende Fallunterscheidung, wie in [10] gezeigt, möglich.The transfer function exhibits an axisymmetric curve behavior at these bias operating points, and a Taylor polynomial series expansion of the trigonometric function from Equation (1) would exhibit only even exponents at these points, as explained in [9]. Since the application usually knows at which of the four common and therefore practically relevant bias operating points of the transfer function it currently has to operate, a corresponding case distinction is also possible by minimizing the signal amplitude at the fundamental frequency 1f d or the harmonic at 2f d , as shown in [10].

Alle bisher betrachteten Techniken zur Bias-Stabilitätskontrolle [5-10] sind überwiegend analoger Natur und das Pilotsignal liegt neben dem zeitveränderlichen elektrischen HF-Signals permanent in Überlagerung an. Das Fehlersignal wird durch eine Filterung gemittelt und die Driftverschiebung Vdrift wird mit unterschiedlichen Methoden auf die DC-Vorspannung VDC abgebildet. Diese Methoden können Tabellenverfahren sein oder Regelalgorithmen wie beispielsweise ein PID-Regler nach [11].All bias stability control techniques considered so far [5-10] are predominantly analog in nature, with the pilot signal permanently superimposed on the time-varying electrical RF signal. The error signal is averaged by filtering, and the drift shift V drift is mapped to the DC bias voltage V DC using various methods. These methods can be spreadsheet methods or control algorithms such as a PID controller according to [11].

Für einige Anwendungen in der digitalen Kommunikation oder Mikrowellen-Photonik sind beliebige Bias-Punkte entlang der Übertragungsfunktionskurve des MZ-Modulators anstelle der sonst oft üblichen 4 Betriebs-Bias-Punkten (positiv (Quad+) oder negativ (Quad-) geneigten Quadraturpunkte, die Minima (auch Nullen genannt) und die Maxima (auch Spitzen genannt)) erforderlich, um die Systemleistung zu optimieren [12,13]. Dies erfolgt in [14,15,16,17], wobei hier auch erstmalig ein vollständiger analytischer Lösungsansatz verfolgt wurde. Durch Einsetzen des Dither-Signals aus Gl. (2) in Gl. (1), einigen trigonometrischen Umformungen und einer anschließenden Taylor-Reihenentwicklung 4-ter Ordnung ergibt sich eine Beziehung R1 zwischen den Schwingungen erster und zweiter Grundfrequenz, entsprechend R 1 = s 1 f d s 2 f d = tan ( φ d r i f t ) ( a a 3 8 ) ( a 2 4 a 4 48 )  mit a = π V π V d   φ d r i f t = π V π V d r i f t For some applications in digital communications or microwave photonics, arbitrary bias points along the transfer function curve of the MZ modulator are required instead of the otherwise often common four operating bias points (positively (Quad+) or negatively (Quad-) inclined quadrature points, the minima (also called zeros) and the maxima (also called peaks)) to optimize system performance [12, 13]. This is done in [14, 15, 16, 17], where a complete analytical solution approach was also pursued for the first time. By inserting the dither signal from Eq. (2) into Eq. (1), some trigonometric transformations, and a subsequent 4th-order Taylor series expansion, a relationship R 1 between the oscillations of the first and second fundamental frequencies is obtained, corresponding to R 1 = s 1 f d s 2 f d = tan ( φ d r i f t ) ( a a 3 8 ) ( a 2 4 a 4 48 )  mit a = π V π V d   φ d r i f t = π V π V d r i f t

Die Berechnung von Grund- und Oberschwingung erfolgt in [14,16] noch mittels zweier Bandpassfilter, wohingegen in [15] diese dann mittels einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) berechnet werden. Durch einen Vergleich der daraus erhaltenen harmonischen Verhältnisse mit dem in einer Datenbank (Lookup-Tabelle) gespeicherten Werten kann die vorzeichenlose Abweichung der DC-Steuerspannung VDC von ihrem idealen Wert berechnet werden und daraufhin eine entsprechende Nachjustierung erfolgen.In [14,16], the fundamental and harmonic components are calculated using two bandpass filters, whereas in [15] they are calculated using a fast Fourier transform (FFT). By comparing the resulting harmonic ratios with the values stored in a database (lookup table), the unsigned deviation of the DC control voltage V DC from its ideal value can be calculated, allowing for appropriate adjustment.

4 zeigt in einem Diagramm einen Verlauf des Verhältnisses R1 zwischen Schwingungen erster und zweiter Grundfrequenz in Abhängigkeit aufgetragen über einen Bias-Phasendriftwinkel. Dabei beschreibt die Ordinate das Verhältnis R1 und die Abszisse den Bias-Phasendriftwinkel in Winkelgrad. Mit anderen Worten, 4 zeigt den Verlauf von Gl. (3) in Abhängigkeit vom unbekannten Phasendriftwinkel φdrift und einem a = 0.1. Da üblicherweise Vd << Vπ gewählt wird, gilt a < 1 und die beiden Klammerausdrücke in Gl. (3) nehmen immer einen positiven Wert an. 4 shows a diagram showing the relationship R1 between oscillations of the first and second fundamental frequencies plotted against a bias phase drift angle. The ordinate represents the relationship R1, and the abscissa represents the bias phase drift angle in degrees. In other words, 4 shows the course of Eq. (3) as a function of the unknown phase drift angle φ drift and a = 0.1. Since V d << V π is usually chosen, a < 1 holds and the two expressions in brackets in Eq. (3) always assume a positive value.

Wie in 4 gezeigt, befindet sich das Minimum (der Nuller-Betriebsspannungspunkt) Vmin bei φdrift = 180°. Da der gesuchte Phasendriftwinkel φdrift jedoch nicht bekannt ist, erfolgt nach entsprechender Umformung von Gl. (3) eine reine Pegelberechnung der Grund- und erster Oberwelle mit anschließender Verhältnisbildung [14]. Dieses vorzeichenlose Verhältnis wird in einer Regelung mit älteren Resultaten verglichen und durch den Vergleich des Verhältnisses und des vorgegebenen Verhältnisses erfolgt die Berechnung des Bias-Steuerwertes [18]. Da somit in Gl. (3) keine Phaseninformation φd des Dither-Pilottons aus Gl. (2) berücksichtigt wird, liegt gem. dem Stand der Technik keine instantane gedächtnislose Information zur relativen Position (rechts oder links) der Abweichung vom minimalen Betriebspunkt (vgl. 7) vor.As in 4 As shown, the minimum (the zero operating voltage point) V min is located at φ drift = 180°. However, since the desired phase drift angle φ drift is unknown, a pure level calculation of the fundamental and first harmonic is carried out after appropriate transformation of Eq. (3), with subsequent ratio formation [14]. This unsigned ratio is compared with older results in a control system, and the bias control value is calculated by comparing the ratio and the specified ratio [18]. Since no phase information φ d of the dither pilot tone from Eq. (2) is taken into account in Eq. (3), according to the state of the art, there is no instantaneous memoryless information on the relative position (right or left) of the deviation from the minimum operating point (cf. 7 ) before.

Würde diese Zusatzinformation vorliegen, dann würde sich eine (z. B. wesentlich) bessere Konvergenz bei der Minimum-Nachführung ergeben, u.a. auch für den Fall, dass das Rückkoppelungssignal (siehe z. B. 6, Pout[k]) stark verrauscht ist.If this additional information were available, then a (e.g. significantly) better convergence in the minimum tracking would result, among other things, in the case that the feedback signal (see e.g. 6 , P out [k]) is very noisy.

Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele berücksichtigen daher die Phaseninformation (z. B. Phasenwinkel) des Pilotsignals bei der Bereitstellung der Vorspannung für den elektro-optischen Modulator.The embodiments described below therefore take into account the phase information (e.g. phase angle) of the pilot signal when providing the bias voltage for the electro-optical modulator.

Beispielsweise kann hierdurch die Minimum-Nachführung verbessert werden.For example, this can improve minimum tracking.

Zum Beispiel kann die Konvergenz der Rückkopplung (z. B. rückgekoppelte Bias-Control-Regelschleife) unter Berücksichtigung der Phaseninformation φd des Pilotsignals (z. B. Dither-Pilottons aus Gl. (2)) verbessert werden.For example, the convergence of the feedback (e.g., feedback bias control loop) can be improved by taking into account the phase information φ d of the pilot signal (e.g., dither pilot tone from Eq. (2)).

5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zur Erzeugung einer Vorspannung VDC für einen elektro-optischen Modulator (EOM) 102, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 ist konfiguriert, um ein von einer optischen Ausgangsleistung P̂out des elektro-optischen Modulators (EOM) 102 abhängiges Ausgangsleistungssignal P̂out zu erhalten und um die Vorspannung VDC für den elektro-optischen Modulator (EOM) 102 in Abhängigkeit von einem Amplitudenverhältnis zwischen Grundwelle und erster Oberwelle des Ausgangsleistungssignals P̂out und in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel eines an dem elektro-optischen Modulator (EOM) 102 anliegenden Pilotsignals Vpilot zu erzeugen. 5 shows a schematic block diagram of a device 100 for generating a bias voltage V DC for an electro-optical modulator (EOM) 102, according to an embodiment of the present invention. The device 100 is configured to receive an output power signal P̂ out that is dependent on an optical output power P̂ out of the electro-optical modulator (EOM) 102 and to generate the bias voltage V DC for the electro-optical modulator (EOM) 102 as a function of an amplitude ratio between the fundamental wave and the first harmonic of the output power signal P̂ out and as a function of a phase angle of a pilot signal V pilot applied to the electro-optical modulator (EOM) 102.

Bei Ausführungsbeispielen wird bei der Bereitstellung der Vorspannung VDC für den elektro-optischen Modulator (EOM) 102 also nicht nur das Amplitudenverhältnis zwischen Grundwelle und erster Oberwelle des Ausgangsleistungssignals P̂out berücksichtigt, sondern auch der Phasenwinkel des an dem elektro-optischen Modulator (EOM) 102 anliegenden Pilotsignals Vpilot.In embodiments, when providing the bias voltage V DC for the electro-optical modulator (EOM) 102, not only the amplitude ratio between the fundamental wave and the first harmonic of the output power signal P̂ out is taken into account, but also the phase angle of the pilot signal V pilot applied to the electro-optical modulator (EOM) 102.

Bei Ausführungsbeispielen kann das Pilotsignal Vpilot für den elektro-optischen Modulator (EOM) 102 von der Vorrichtung erzeugt werden, z. B. mittels einer Pilotsignalerzeugungseinrichtung der Vorrichtung 100, oder aber auch von einer anderen (z. B. externen) Pilotsignalerzeugungseinrichtung, wobei die Vorrichtung 100 dann das Pilotsignal Vpilot und/oder den Phasenwinkel bzw. eine Information über den Phasenwinkel des Pilotsignals Vpilot von der anderen Pilotsignalerzeugungseinrichtung erhält.In embodiments, the pilot signal V pilot for the electro-optical modulator (EOM) 102 can be generated by the device, e.g., by means of a pilot signal generating device of the device 100, or else by another (e.g., external) pilot signal generating device, wherein the device 100 then receives the pilot signal V pilot and/or the phase angle or information about the phase angle of the pilot signal V pilot from the other pilot signal generating device.

Bei Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 100 konfiguriert ist, um die Vorspannung VDC und/oder das Pilotsignal Vpilot an zumindest einen Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen.In embodiments, the device 100 may be configured to apply the bias voltage V DC and/or the pilot signal V pilot to at least one control input of the electro-optical modulator.

Beispielsweise kann die Vorrichtung 100 konfiguriert sein, um eine Kombination bzw. Überlagerung aus Vorspannung VDC und Pilotsignal Vpilot an einem Steuereingang des elektro-optischen Modulators (EOM) 102 anzulegen. Zum Beispiel kann die Vorrichtung 100 konfiguriert sein, um die Vorspannung VDC mit dem Pilotsignal Vpilot zu überlagern oder zu kombinieren, um eine Kontrollspannung VC für den elektro-optischen Modulator (EOM) 102 zu erhalten. Die Kontrollspannung VC kann z. B. an einem Steuereingang des elektro-optischen Modulators (EOM) 102 angelegt werden.For example, the device 100 may be configured to apply a combination or superposition of bias voltage V DC and pilot signal V pilot to a control input of the electro-optic modulator (EOM) 102. For example, the device 100 may be configured to superimpose or combine the bias voltage V DC with the pilot signal V pilot to obtain a control voltage V C for the electro-optic modulator (EOM) 102. The control voltage V C may, for example, be applied to a control input of the electro-optic modulator (EOM) 102.

Alternativ kann die Vorrichtung 100 auch konfiguriert sein, um die Vorspannung VDC an einem ersten Steuereingang und das Pilotsignal Vpilot an einem zweiten Steuereingang des elektro-optischen Modulators (EOM) 102 anzulegen.Alternatively, the device 100 may also be configured to apply the bias voltage V DC to a first control input and the pilot signal V pilot to a second control input of the electro-optic modulator (EOM) 102.

Bei Ausführungsbeispielen kann das Ausgangsleistungssignal P̂out eine geschätzte optische Ausgangsleistung des elektro-optischen Modulators (EOM) 102 beschreiben. In embodiments, the output power signal P̂ out may describe an estimated optical output power of the electro-optic modulator (EOM) 102.

Beispielsweise kann die Ausgangsleistungssignal P̂out über einen Strahlungsteiler 104 und einer Messvorrichtung 106 für optische Leistung ermittelt/geschätzt werden. Zum Beispiel kann der Strahlungsteiler 104 einen Teil der optischen Ausgangsleistung P̂out des elektro-optischen Modulators (EOM) 102 auf die Messvorrichtung 106 für optische Leistung lenken, wobei die Messvorrichtung 106 für optische Leistung dann die Ausgangsleistung P̂out des elektro-optischen Modulators (EOM) 102 basierend auf dem über den Strahlungsteiler 104 erhaltenen Teil der optischen Ausgangsleistung P̂out des elektro-optischen Modulators (EOM) 102 schätzt.For example, the output power signal P̂ out can be determined/estimated via a beam splitter 104 and an optical power measuring device 106. For example, the beam splitter 104 can direct a portion of the optical output power P̂ out of the electro-optic modulator (EOM) 102 to the optical power measuring device 106, wherein the optical power measuring device 106 then estimates the output power P̂ out of the electro-optic modulator (EOM) 102 based on the portion of the optical output power P̂ out of the electro-optic modulator (EOM) 102 obtained via the beam splitter 104.

Der Strahlungsteiler 104 und/oder die Messvorrichtung 106 für optische Leistung können intern oder extern zu der Vorrichtung 100 ausgeführt werden.The beam splitter 104 and/or the optical power measuring device 106 may be implemented internally or externally to the device 100.

Die Messvorrichtung 106 für optische Leistung kann beispielsweise ein Photodetektor sein.The optical power measuring device 106 may be, for example, a photodetector.

Wie dies in 5 angedeutet ist, kann die Vorrichtung 100 Teil einer optischen Anordnung 110 sein, die die Vorrichtung 100 zur Erzeugung einer Vorspannung VDC für einen elektro-optischen Modulator (EOM) 102 und den elektrooptischen Modulator (EOM) 102 umfasst. Die optische Anordnung 110 kann optional eine Lichtquelle (z. B. Laser) aufweisen, der die an einem Eingang des elektrooptischen Modulators (EOM) 102 anliegende optische Eingangsleistung Pin bereitstellt.As this is 5 As indicated, the device 100 can be part of an optical arrangement 110, which comprises the device 100 for generating a bias voltage V DC for an electro-optic modulator (EOM) 102 and the electro-optic modulator (EOM) 102. The optical arrangement 110 can optionally have a light source (e.g., laser) that provides the optical input power P in applied to an input of the electro-optic modulator (EOM) 102.

Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele näher beschrieben.Further embodiments are described in more detail below.

Die im Folgenenden beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen bei einem elektro-optischen Modulator (EOM) auf Basis eines definierten Pilotsignals mit gegebener Phaseninformation φd die Schätzung der Vorspannung, die nötig ist, um die geringstmögliche optische Ausgangsleistung, d. h. die maximal mögliche Dämpfung der eingehenden optischen Leistung, zu erzielen. Diese Spannung wird im Folgenden auch als „Schwarzwert-Spannung“ bezeichnet.The embodiments described below enable the estimation of the bias voltage required to achieve the lowest possible optical output power, i.e., the maximum possible attenuation of the incoming optical power, for an electro-optical modulator (EOM) based on a defined pilot signal with given phase information φ d . This voltage is also referred to below as the "black level voltage."

Bei den folgenden Ausführungsbeispielen wird angenommen, dass

  • • die Übertragungsfunktion des EOM zumindest in grober Näherung durch Gl. (1) beschreibbar ist,
  • • der EOM sich während des anliegenden Pilotsignals bereits zumindest näherungsweise in einem Arbeitspunkt maximaler Dämpfung der optischen Übertragung befindet,
  • • die optische Ausgangsleistung des EOM in ihrem zeitlichen Verlauf während des anliegenden Pilotsignals durch eine geeignete Messvorrichtung in Form eines Rückkopplungssignales geschätzt wird,
  • • die Phasenbeziehung zwischen dem Pilotsignal und dem Rückkopplungssignal bekannt ist, z. B. durch Kenntnis der Laufzeitverzögerung des Rückkopplungssignals relativ zum Pilotsignal,
  • • die optische Eingangsleistung des EOM in dem für die Auswertung des Rückkopplungssignals herangezogenen Zeitabschnitt näherungsweise konstant ist.
In the following examples it is assumed that
  • • the transfer function of the EOM can be described at least roughly by Eq. (1),
  • • the EOM is already at least approximately at an operating point of maximum attenuation of the optical transmission during the pilot signal,
  • • the optical output power of the EOM is estimated in its temporal course during the applied pilot signal by a suitable measuring device in the form of a feedback signal,
  • • the phase relationship between the pilot signal and the feedback signal is known, e.g. by knowing the propagation delay of the feedback signal relative to the pilot signal,
  • • the optical input power of the EOM is approximately constant in the time period used for the evaluation of the feedback signal.

Ein möglicher beispielhafter Anwendungsfall ist der Betrieb eines EOM als optischer Schalter, wie er z. B. bei Quantencomputern eingesetzt wird, um aus einer Lichtquelle mit näherungsweiser konstanter optischer Leistung (z. B. Laser) Lichtimpulse mit definiertem Verlauf (z. B. hinsichtlich Form, Dauer, Amplitude, Energie) zu erzeugen unter der Maßgabe, im Schaltzustand „Aus“ möglichst wenig Lichtleistung passieren zu lassen.A possible example application is the operation of an EOM as an optical switch, as used, for example, in quantum computers, to generate light pulses with a defined course (e.g. with regard to shape, duration, amplitude, energy) from a light source with approximately constant optical power (e.g. laser), under the condition that as little light power as possible is allowed to pass through in the "off" switching state.

Da bei Ausführungsbeispielen die Phaseninformation φd des Dither-Pilottons berücksichtigt wird, liegt eine instantane gedächtnislose Information zur relativen Position (rechts oder links) der Abweichung vom minimalen Betriebspunkt vor. Dadurch wird eine wesentlich bessere Konvergenz bei der Minimum-Nachführung erreicht, insbesondere für den Fall, dass das Rückkoppelungssignal stark verrauscht ist.Since the phase information φ d of the dither pilot tone is taken into account in exemplary embodiments, instantaneous, memoryless information is available regarding the relative position (right or left) of the deviation from the minimum operating point. This results in significantly better convergence during minimum tracking, especially in the case of a highly noisy feedback signal.

Ausführungsbeispiele ermöglichen bei einem elektro-optischen Modulator (EOM) die Schätzung der Vorspannung Vmin, die nötig ist, um die minimal mögliche optische Leistung Pout,min = min(Pout) am optischen Ausgang zu erzielen. Bei Ausführungsbeispielen erfolgt diese Schätzung mittels eines Pilotsignals in Form einer vergleichsweise kleinen sinusförmigen Spannung, welche am Steuereingang des EOM angelegt wird.Embodiments allow for the estimation of the bias voltage V min required to achieve the minimum possible optical power P out,min = min(P out ) at the optical output of an electro-optical modulator (EOM). In embodiments, this estimation is performed using a pilot signal in the form of a comparatively small sinusoidal voltage applied to the control input of the EOM.

Im Folgenden werden die mathematischen Grundlagen und die Herleitung des Verfahrens beschrieben.The mathematical principles and the derivation of the method are described below.

1. Getroffene Annahmen1. Assumptions made

Es wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die Leistung Pin am optischen EOM-Eingang konstant ist und ein Schätzwert P̂out für die Lichtleistung P̂out am optischen EOM-Ausgang mittels einer geeigneten Messvorrichtung in ihrem zeitlichen Verlauf zur Verfügung steht. Die Messvorrichtung kann beispielsweise über eine Teilauskopplung des ausgehenden Lichts (Strahlteiler) in einen Photodetektor und Auswertung dessen elektrischen Ausgangssignals realisiert werden. Die betrachtete Anordnung ist in 6 schematisch dargestellt.In the following, it is assumed that the power P in at the optical EOM input is constant and that an estimated value P̂ out for the light power P̂ out at the optical EOM output is available using a suitable measuring device. The measuring device can be implemented, for example, by partially coupling the outgoing light (beam splitter) into a photodetector and evaluating its electrical output signal. The arrangement considered is shown in 6 shown schematically.

Im Detail zeigt 6 eine schematische Ansicht einer optischen Anordnung 110 mit einer Lichtquelle (z. B. Laser) 101, einem EOM 102, einem optischen Strahlteiler 104, einer Messvorrichtung 106 für optische Leistung und einer Abtastvorrichtung 108. Die Lichtquelle ist ausgebildet, um eine (konstante) optische Leistung Pin an einem Eingang des EOM 102 anzulegen. Der EOM 102 ist ausgebildet, um die am Eingang anliegende optische Leistung Pin in Abhängigkeit von einer Kontrollspannung Vc(t) = VDC + VRF zu modulieren, und an einen Ausgang des EOM eine optische Ausgangsleistung Pout(t) bereitzustellen. Der optische Strahlteiler 104 lenkt einen Teil der optischen Ausgangsleistung Pout(t) des EOM 102 auf die Messvorrichtung 106 für optische Leistung, wobei die Messvorrichtung 106 für optische Leistung dann die Ausgangsleistung Pout(t) des EOM 102 basierend auf dem über den Strahlungsteiler 104 erhaltenen Teil der optischen Ausgangsleistung Pout(t) des EOM 102 schätzt, um ein geschätztes Ausgangsleistungssignal P̂out(t) bereitzustellen, welches die optische Ausgangsleistung Pout(t) des EOM 102 beschreibt. Die Abtastvorrichtung 108 ist ausgebildet, um das Ausgangsleistungssignal P̂out(t) abzutasten, um ein abgetastetes Ausgangsleistungssignal P̂out[k] zu erhalten.In detail, 6 a schematic view of an optical arrangement 110 with a light source (e.g. laser) 101, an EOM 102, an optical beam splitter 104, an optical power measuring device 106, and a scanning device 108. The light source is designed to apply a (constant) optical power P in to an input of the EOM 102. The EOM 102 is designed to modulate the optical power P in applied at the input as a function of a control voltage V c (t) = V DC + V RF and to provide an optical output power P out (t) to an output of the EOM. The optical beam splitter 104 directs a portion of the optical output power P out (t) of the EOM 102 to the optical power measuring device 106, wherein the optical power measuring device 106 then estimates the output power P out (t) of the EOM 102 based on the portion of the optical output power P out (t) of the EOM 102 obtained via the beam splitter 104 to provide an estimated output power signal P̂ out (t) describing the optical output power P out (t) of the EOM 102. The sampling device 108 is configured to sample the output power signal P̂ out (t) to obtain a sampled output power signal P̂ out [k].

Bei Ausführungsbeispielen wird angenommen, dass am EOM zum Zeitpunkt der Schätzung bereits eine bekannte Vorspannung VDC = V̂min anliegt, die in etwa der idealen Vorspannung Vmin entspricht, welche zur minimal realisierbaren optischen Ausgangsleistung Pout,min führt (siehe auch 7). Der EOM befindet sich somit zum Schätzzeitpunkt hinsichtlich VDC in einem Arbeitspunkt, an welchem die optische Ausgangsleistung zumindest in der Größenordnung der minimal erzielbaren liegt.In embodiments, it is assumed that at the time of estimation, a known bias voltage V DC = V̂ min is already present at the EOM, which corresponds approximately to the ideal bias voltage V min , which leads to the minimum achievable optical output power P out,min (see also 7 ). Thus, at the time of estimation, the EOM is at an operating point with respect to V DC at which the optical output power is at least in the order of magnitude of the minimum achievable.

Während der Schätzung sei außer dem sinusförmigen Pilotsignal und der konstanten Vorspannung keine weitere Spannung am Kontrolleingang des EOM angelegt.During the estimation, no further voltage is applied to the control input of the EOM except the sinusoidal pilot signal and the constant bias voltage.

2. Approximation der Übertragungsfunktion in der Umgebung ihres Minimums2. Approximation of the transfer function in the vicinity of its minimum

Ausgehend von dem aktuellen, bekannten Arbeitspunkt des EOM mit der Vorspannung VDC = V̂min wird die Spannung Vmin gesucht, die gemäß Gl. (1) zur minimal möglichen optischen Ausgangsleistung des EOM führt. Der bisherige Schätzwert V̂min weicht dabei um die zu schätzende Differenzspannung ΔV vom exakten Wert Vmin ab, gemäß der Beziehung Δ V = V m i n V ^ m i n . Starting from the current, known operating point of the EOM with the bias voltage V DC = V̂ min , the voltage V min is sought that leads to the minimum possible optical output power of the EOM according to Equation (1). The previous estimated value V̂ min deviates from the exact value V min by the differential voltage ΔV to be estimated, according to the relationship Δ V = V m i n V ^ m i n .

Die Kenntnis der Differenzspannung ΔV erlaubt somit die Berechnung der gesuchten Spannung Vmin. Im Folgenden wird das Verfahren zur Schätzung von ΔV hergeleitet, wodurch unmittelbar eine Schätzung von Vmin einhergeht.Knowing the differential voltage ΔV thus allows the calculation of the desired voltage V min . The following describes the method for estimating ΔV, which directly leads to an estimate of V min .

Die idealisierte Übertragungsfunktion nach Gl. (1) ist periodisch und weist somit dem Modell nach unendlich viele Minima auf. Zur Vereinfachung der folgenden Darstellung wird ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit auf das Minimum bei Vmin = V0 - Vπ referenziert, siehe 7.The idealized transfer function according to Eq. (1) is periodic and thus, according to the model, exhibits an infinite number of minima. To simplify the following presentation, the minimum at V min = V 0 - V π is referenced without loss of generality, see 7 .

Im Detail zeigt 7 in einem Diagramm eine schematische Ansicht vom Zusammenhang zwischen gesuchter Vorspannung Vmin, bekannter Vorspannung V̂min und geschätzter Differenzspannung ΔV in der Übertragungsfunktion. Dabei beschreibt die Ordinate den optischen Durchsatz (Übertragungsfunktion von Steuerspannung zu optischer Ausgangsleistung) und die Abszisse die Kontrollspannung Vc.In detail, 7 A diagram showing the relationship between the desired bias voltage V min , the known bias voltage V̂ min , and the estimated differential voltage ΔV in the transfer function. The ordinate represents the optical throughput (transfer function from control voltage to optical output power) and the abscissa represents the control voltage V c .

Befindet sich der EOM wie oben vorausgesetzt im Arbeitspunkt VDC = V̂min und überlagert diesem die sinusförmige Pilotsignal-Spannung VRF(t) = Vpilot(t) = -Vd · sin(ωdt + φd) mit der Kreisfrequenz ωd = 2πfg und der Anfangsphase φd, so ergibt sich für die gesamte Kontrollspannung V c ( t ) = V ^ m i n V d s i n ( ω d t + φ d ) = V 0 V π Δ V V d s i n ( ω d t + φ d ) . If the EOM is located at the operating point V DC = V̂ min as assumed above and superimposes the sinusoidal pilot signal voltage V RF (t) = V pilot (t) = -V d · sin(ω d t + φ d ) with the angular frequency ω d = 2πf g and the initial phase φ d , the total control voltage is V c ( t ) = V ^ m i n V d s i n ( ω d t + φ d ) = V 0 V π Δ V V d s i n ( ω d t + φ d ) .

Die Anfangsphase φd beschreibt dabei die Phasenlage des sinusförmigen Pilotsignals relativ zu einem definierbaren Zeitpunkt t = 0. Sie setzt sich zusammen aus einer frei wählbaren Phase φ0 und einer laufzeitbedingten Phasendifferenz Δφ, auf die weiter unten noch genauer eingegangen werden wird: φ d = φ 0 + Δ φ The initial phase φ d describes the phase position of the sinusoidal pilot signal relative to a definable time t = 0. It consists of a freely selectable phase φ 0 and a runtime-dependent phase difference Δφ, which will be discussed in more detail below: φ d = φ 0 + Δ φ

Wird Vc(t) aus Gl. (5) in Gl. (1) eingesetzt, dann ergibt sich für die optische Leistung Pout: P o u t = P i n ( 1 2 + f i b c o s ( π + π V π ( Δ V + V d s i n ( ω d t + φ d ) ) ) ) . If V c (t) from Eq. (5) is inserted into Eq. (1), the optical power P out is: P o u t = P i n ( 1 2 + f i b c o s ( π + π V π ( Δ V + V d s i n ( ω d t + φ d ) ) ) ) .

In der Nähe ihres Minimums bei π, d. h. bei ihrer Entwicklungsstelle x ≈ π und dementsprechend für |ΔV|/Vπ << 1 und Vd/Vπ << 1, kann die trigonometrische Funktion cos(x) mit hoher Genauigkeit durch die quadratische Taylorreihe gemäß cos ( x ) 1 + 1 2 ( x π ) 2 approximiert werden. Wird diese Näherung auf Gl. (7) angewendet, dann ergibt sich folgender Ausdruck Pout,T2 als Approximation für Pout: P o u t P o u t , T 2 = P i n ( 1 2 + f i b ( 1 + 1 2 ( π V π ) 2 ( Δ V + V d s i n ( ω d t + φ s ) ) 2 ) ) . Near its minimum at π, ie at its point of expansion x ≈ π and accordingly for |ΔV|/V π << 1 and V d /V π << 1, the trigonometric function cos(x) can be described with high accuracy by the quadratic Taylor series according to cos ( x ) 1 + 1 2 ( x π ) 2 If this approximation is applied to Eq. (7), the following expression P out,T2 results as an approximation for P out : P o u t P o u t , T 2 = P i n ( 1 2 + f i b ( 1 + 1 2 ( π V π ) 2 ( Δ V + V d s i n ( ω d t + φ s ) ) 2 ) ) .

Durch Anwendung der binomischen Formel auf den quadratischen Term (ΔV + Vd · sin(ωdt + φd))2 ergibt sich nach Umformungen: ( Δ V + V d s i n ( ω d t + φ d ) ) 2 = = 1 2 ( V d ) 2 + ( Δ V ) 2 + 2 Δ V V d s i n ( ω d t + φ d ) + 1 2 ( V d ) 2 s i n ( 2 ω d t + 2 φ d π 2 ) By applying the binomial formula to the quadratic term (ΔV + V d · sin(ω d t + φ d )) 2 we obtain, after transformations: ( Δ V + V d s i n ( ω d t + φ d ) ) 2 = = 1 2 ( V d ) 2 + ( Δ V ) 2 + 2 Δ V V d s i n ( ω d t + φ d ) + 1 2 ( V d ) 2 s i n ( 2 ω d t + 2 φ d π 2 )

3. Frequenzkomponenten der optischen Ausgangsleistung mit Phaseninformation3. Frequency components of the optical output power with phase information

Werden die spektralen Komponenten des Ausgangssignals Pout,T2 aus Gl. (9) und (10) betrachtet, so ergeben sich drei Anteile: Pout,T2(ω = 0), Pout,T2(ω = ωd) und Pout,T2(ω = 2ωd). Die reellwertigen Skalierungsfaktoren S*,T2, die die Größen der drei Spektralkomponenten darstellen, sowie die zugehörigen Phasen φ*.T2 sind: DC Komponente bei ω = 0: S D C , T 2 = P i n ( 1 2 f i b + f i b 2 ( π V π ) 2 ( 1 2 ( V d ) 2 + ( Δ V ) 2 ) ) 1fd Grundwelle bei ω = ωd : S 1 f d , T 2 = P i n f i b 2 ( π V π ) 2 2 Δ V V d mit dem Phasenoffset φ1fd,T2 = φd 2fd Oberwelle bei ω = 2ωd: S 2 f d , T 2 = P i n f i b 2 ( π V π ) 2 1 2 ( V d ) 2 mit dem Phasenoffset φ 2 f d , T 2 = 2 φ d π 2 Considering the spectral components of the output signal P out,T2 from Eqs. (9) and (10), three components emerge: P out,T2 (ω = 0), P out,T2 (ω = ω d ), and P out,T2 (ω = 2ω d ). The real-valued scaling factors S *,T2 , which represent the magnitudes of the three spectral components, as well as the corresponding phases φ *,T2 are: DC component at ω = 0: S D C , T 2 = P i n ( 1 2 f i b + f i b 2 ( π V π ) 2 ( 1 2 ( V d ) 2 + ( Δ V ) 2 ) ) 1f d fundamental wave at ω = ω d : S 1 f d , T 2 = P i n f i b 2 ( π V π ) 2 2 Δ V V d with the phase offset φ 1fd,T2 = φ d 2f d harmonic at ω = 2ω d : S 2 f d , T 2 = P i n f i b 2 ( π V π ) 2 1 2 ( V d ) 2 with the phase offset φ 2 f d , T 2 = 2 φ d π 2

Sowohl die DC als auch die 1fd-Grundwellen-Komponente (SDC,T2, S1fd,T2) hängen von der gesuchten und zu schätzenden Variable ΔV ab, während die 2fd-Oberwellen-Komponente S2fd,T2 unabhängig von ΔV ist.Both the DC and the 1f d fundamental wave components (S DC,T2 , S 1fd,T2 ) depend on the variable ΔV to be estimated, while the 2f d harmonic component S 2f d ,T2 is independent of ΔV.

Damit gibt es prinzipiell mehrere Möglichkeiten, das gesuchte ΔV zu schätzen. Um möglichst unabhängig von physikalisch determinierten Größen wie Pin, fib zu werden, wird bei Ausführungbeispielen zur Ermittlung von ΔV die 1fd- und 2fd-Komponenten unter Berücksichtigung von Amplituden- und Phaseninformation sowie des Phasenwinkels φd zueinander ins Verhältnis gesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wird bei Ausführungsbeispielen auch die Phaseninformation berücksichtigt.Thus, there are, in principle, several ways to estimate the desired ΔV. To be as independent as possible from physically determined quantities such as P in , f ib , the 1f d and 2f d components are related to each other in the exemplary embodiments for determining ΔV, taking into account amplitude and phase information as well as the phase angle φ d . In contrast to conventional methods, the phase information is also taken into account in the exemplary embodiments.

4. Schätzung der Fehlerabweichung ΔV unter Berücksichtigung von Grund- und erster Oberwelle:4. Estimation of the error deviation ΔV taking into account the fundamental and first harmonic:

Es wird die Fouriertransformierte F { P o u t , T 2 ( t ) } der 1fd- und 2fd-Komponenten von Pout,T2 betrachtet. Da die DC-Komponente für die folgenden Betrachtungen irrelevant ist, wird sie aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mitberücksichtigt. Weil es sich bei der Ausgangsleistung P̂out ≈ Pout,T2 um ein rein reelles Signal handelt, werden auch negative Frequenzen hier nicht betrachtet. Dies wird durch den Fourier-Operator F 1 f 2 f + ausgedrückt.The Fourier transform F { P o u t , T 2 ( t ) } the 1f d - and 2f d -components of P out,T2 are considered. Since the DC component is irrelevant for the following considerations, it is not considered for the sake of clarity. Because the output power P̂ out ≈ P out,T2 is a purely real signal, negative frequencies are also not considered here. This is achieved by the Fourier operator F 1 f 2 f + expressed.

Für die Fouriertransformierte der 1fd- und 2fd-Komponenten von Pout,T2 ergibt sich für positive Werte von ω: F { P o u t , T 2 ( t ) } ( ω > 0 ) = F 1 f 2 f + { S 1 f d , T 2 s i n ( ω d t + φ d ) + S 2 f d , T 2 s i n ( 2 ω d t + 2 φ d π 2 ) } ( ω ) = = S 1 f d , T 2 i π 2 e i φ d δ ( ω ω d ) + S 2 f d , T 2 i π 2 ( e i 2 φ d ) δ ( ω 2 ω d ) For the Fourier transform of the 1f d - and 2f d -components of P out,T2, the following results for positive values of ω: F { P o u t , T 2 ( t ) } ( ω > 0 ) = F 1 f 2 f + { S 1 f d , T 2 s i n ( ω d t + φ d ) + S 2 f d , T 2 s i n ( 2 ω d t + 2 φ d π 2 ) } ( ω ) = = S 1 f d , T 2 i π 2 e i φ d δ ( ω ω d ) + S 2 f d , T 2 i π 2 ( e i 2 φ d ) δ ( ω 2 ω d )

Werden die Werte der obigen Fouriertransformierten bei ω = ωd und ω = 2ωd zueinander ins Verhältnis gesetzt, so ergibt sich nach entsprechenden Kürzungen: F 1 f 2 f + ( ω d ) F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) = S 1 f d , T 2 i π 2 e i φ d S 2 f d , T 2 π 2 ( e i 2 φ d ) = S 1 f d , T 2 e i ( φ d + π 2 ) S 2 f d , T 2 e i ( π 2 φ d ) = 4 Δ V V d e i ( φ d π 2 ) If the values of the above Fourier transforms at ω = ω d and ω = 2ω d are related to each other, the result after appropriate reductions is: F 1 f 2 f + ( ω d ) F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) = S 1 f d , T 2 i π 2 e i φ d S 2 f d , T 2 π 2 ( e i 2 φ d ) = S 1 f d , T 2 e i ( φ d + π 2 ) S 2 f d , T 2 e i ( π 2 φ d ) = 4 Δ V V d e i ( φ d π 2 )

Nach Umformung ergibt sich für ΔV: Δ V = F 1 f 2 f + ( ω d ) F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) V d 4 e i ( φ d π 2 ) After transformation, ΔV is: Δ V = F 1 f 2 f + ( ω d ) F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) V d 4 e i ( φ d π 2 )

Es zeigt sich, dass sich der Wert von ΔV bei bekannter Phasenlage des Pilotsignales φd sowie dessen Amplitude Vd aus dem Quotienten der Fouriertransformierten der Ausgangleistung P̂out ≈ Pout,T2 bei ω = ωd und ω = 2ωd bestimmen lässt. Während herkömmliche Verfahren lediglich die Schätzung des Betrags von ΔV nach Gl. (4) ermöglichen, enthielten sie im Gegensatz zu Ausführungsbeispielen keine Information über das Vorzeichen.It turns out that the value of ΔV, given a known phase position of the pilot signal φ d and its amplitude V d, can be determined from the quotient of the Fourier transform of the output power P̂ out ≈ P out,T2 at ω = ω d and ω = 2ω d . While conventional methods only allow the estimation of the magnitude of ΔV according to Equation (4), they do not contain any information about the sign, unlike the exemplary embodiments.

Gewinnung der Schätzwerte von ΔV bei zeitdiskreter Darstellung der Ausgangsleistung Pout Obtaining the estimated values of ΔV with a time-discrete representation of the output power P out

Die obige Gl. (13) basiert auf der Auswertung der zeitkontinuierlichen Fouriertransformierten der approximierten Ausgangsleistung Pout,T2 ≈ Pout. In realen Systemen liegen Signale i. d. R. in Form von zeitdiskreten Abtastwerten in Vielfachen des Abtastintervalls Ts vor, die auf einer Messung basieren. Dadurch ergibt sich sowohl eine Diskretisierung der Zeitachse als auch eine additive Störung n(t). Die zeitdiskrete Folge P̂out P ^ o u t [ k ] P o u t , T 2 ( t = k T s ) + n ( t = k T s ) repräsentiert dabei näherungsweise das Signal Pout,T2 zu den Zeitpunkten t = k · Ts zuzüglich eines Terms n[k], der eine additive Störung zu denselben Zeitpunkten berücksichtigt. Zur spektralen Darstellung wird die oben verwendete Fouriertransformierte eines kontinuierlichen Signals F { P o u t , T 2 } durch die Diskrete Fouriertransformierte DFT{Pout} der Folge P̂out[k] ersetzt. Für den Schätzwert ΔV̂c von ΔV ergibt sich damit: Δ V ^ c = D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] V d 4 e i ( φ d π 2 ) , wobei z1ωd das Element der Diskrete Fouriertransformierten (DFT) indiziert, welches im kontinuierlichen Frequenzbereich der Kreisfrequenz ωd entspricht und in entsprechender Weise der Index zd der Kreisfrequenz 2ωd entspricht.The above equation (13) is based on the evaluation of the continuous-time Fourier transform of the approximated output power P out,T2 ≈ P out . In real systems, signals are usually present in the form of discrete-time samples in multiples of the sampling interval T s , which are based on a measurement. This results in both a discretization of the time axis and an additive disturbance n(t). The discrete-time sequence P̂ out P ^ o u t [ k ] P o u t , T 2 ( t = k T s ) + n ( t = k T s ) represents approximately the signal P out,T2 at the times t = k · T s plus a term n[k] that takes into account an additive disturbance at the same times. For the spectral representation, the Fourier transform of a continuous signal used above is F { P o u t , T 2 } by the discrete Fourier transform DFT{P out } of the sequence P̂ out [k]. The estimated value ΔV̂ c of ΔV is thus: Δ V ^ c = D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] V d 4 e i ( φ d π 2 ) , where z 1ωd indicates the element of the Discrete Fourier Transform (DFT) which corresponds in the continuous frequency domain to the angular frequency ω d and correspondingly the index z d the angular frequency 2 ω d corresponds.

Im Idealfall würde sich für ΔV̂c ein rein reeller Wert ergeben, da es sich um die Schätzung einer reellwertigen, physikalischen Größe (Spannung) handelt. Durch das oben erwähnte additive Rauschen n[k] in P̂out entstehen bei der Bestimmung von ΔV̂c über die DFT auch parasitäre imaginäre Anteile. Eine Abbildung des im Allgemeinen komplexen Schätzwerts ΔV̂c auf eine reelle Größe bei gleichzeitiger Reduktion der Rauschanteile lässt sich erzielen, indem als finaler Schritt der Realteil von ΔV̂c gebildet wird, d.h. Δ V ^ = r e a l ( Δ V ^ c ) Ideally, a purely real value would result for ΔV̂ c , since it is the estimate of a real-valued physical quantity (voltage). Due to the above-mentioned additive noise n[k] in P̂ out , parasitic imaginary components also arise when determining ΔV̂ c via DFT. A mapping of the generally complex estimated value ΔV̂ c to a real value with simultaneous reduction of the noise components can be achieved by forming the real part of ΔV̂ c as a final step, i.e. Δ V ^ = r e a l ( Δ V ^ c )

Wie in Gl. (4) definiert, lässt sich mit dem Schätzwert ΔV̂ ausgehend von einem bekannten Arbeitspunkt VDC = V̂min die gesuchte Größe Vmin schätzen, d. h. Vmin ≃ V̂min + ΔV̂.As defined in Eq. (4), the desired value V min can be estimated using the estimated value ΔV̂ starting from a known operating point V DC = V̂ min , ie V min ≃ V̂ min + ΔV̂.

Bestimmung von φd Determination of φ d

Wie aus Gl. (15) ersichtlich, erfordert die Schätzung von ΔV̂ nach Betrag und Vorzeichen die Kenntnis des Phasenwinkels φd = φ0 + Δφ, siehe Gl. (6). Dieser beschreibt die effektive Phasenverschiebung der sinusförmigen Pilotspannung Vpilot(t) relativ zum Zeitpunkt t = 0. Dieser zeitliche Nullpunkt kann prinzipiell beliebig gewählt werden, gilt dann aber gemeinsam für das Pilotsignal Vpilot und für die geschätzte Ausgangsleistung P̂out sowohl in ihrer zeitkontinuierlichen Darstellung P̂out(t) als auch in der zeitdiskreten Darstellung als Folge P̂out[k].As can be seen from Eq. (15), the estimation of ΔV̂ in terms of magnitude and sign requires knowledge of the phase angle φ d = φ 0 + Δφ, see Eq. (6). This describes the effective phase shift of the sinusoidal pilot voltage V pilot (t) relative to time t = 0. This temporal zero point can, in principle, be chosen arbitrarily, but then applies jointly to the pilot signal V pilot and to the estimated output power P̂ out , both in its continuous-time representation P̂ out (t) and in the discrete-time representation as the sequence P̂ out [k].

Dies ist in 8 oben beispielhaft für ein sinusförmiges Pilotsignal mit φ0 = 0 dargestellt, welches zur besseren Veranschaulichung und ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit für t < 0 identisch null gewählt wurde. Der Zeitpunkt t = 0 wurde so gewählt, dass er sich auf den Beginn des Pilotsignals bezieht.This is in 8 The above example shows a sinusoidal pilot signal with φ 0 = 0, which was chosen to be identically zero for t < 0 for better illustration and without loss of generality. The time t = 0 was chosen to refer to the beginning of the pilot signal.

Im Detail zeigt 8 in Diagramm einen zeitlichen Zusammenhang zwischen Pilotsignal Vpilot und geschätzter Ausgangsleistung P̂out. Dabei beschreiben die Ordinaten die Amplituden des Pilotsignals Vpilot und der geschätzten Ausgangsleistung Pout, während die Abszissen die jeweiligen Zeiten t und t' beschreiben.In detail, 8 The diagram shows a temporal relationship between the pilot signal V pilot and the estimated output power P̂ out . The ordinates describe the amplitudes of the pilot signal V pilot and the estimated output power P out , while the abscissas describe the respective times t and t'.

In realen kausalen Systemen ergibt sich u. a. durch Signallaufzeiten z. B. in Messvorrichtungen, Verstärkern etc. stets eine unvermeidliche zeitliche Verzögerung Δτ > 0 von P̂out(t) relativ zu Vpilot(t), siehe 8 unten. Das dem Beginn des Pilotsignals zum Zeitpunkt t = 0 zuzuordnende Ausgangssignal wird also in P̂out zum Zeitpunkt t = Δτ bzw. t' = 0 wirksam. Da die Schätzung von ΔV̂ auf der Auswertung von P̂out basiert, ist dessen Zeitachse maßgeblich. Unter Zugrundelegung der Zeitachse t' von P̂out erfährt das Pilotsignal Vpilot(t) durch die (Laufzeit-)Verzögerung Δτ eine Phasenverschiebung von Δφ = Δτ · ωd. Die hinsichtlich der Zeitachse von P̂out effektiv wirksame Phase φd errechnet sich damit zu φ d = φ 0 + Δ τ ω d , wobei φ0 frei gewählt werden kann.In real causal systems, there is always an unavoidable time delay Δτ > 0 of P̂ out (t) relative to V pilot (t) due to signal propagation times, e.g. in measuring devices, amplifiers, etc., see 8 below. The output signal attributable to the beginning of the pilot signal at time t = 0 thus becomes effective in P̂ out at time t = Δτ or t' = 0. Since the estimation of ΔV̂ is based on the evaluation of P̂ out , its time axis is decisive. Based on the time axis t' of P̂ out , the pilot signal V pilot (t) experiences a phase shift of Δφ = Δτ · ω d due to the (propagation time) delay Δτ. The effective phase φ d with respect to the time axis of P̂ out is thus calculated as φ d = φ 0 + Δ τ ω d , where φ 0 can be chosen freely.

Ausgleich der Laufzeitverzögerung ΔτCompensation of the propagation delay Δτ

Alternativ zur expliziten Bestimmung von φd kann die Laufzeitverzögerung Δτ berücksichtigt werden, indem das Signal P̂out(t) bzw. nach Abtastung dessen zeitdiskrete Folge P̂out[k] um Δτ in negativer Zeitrichtung (nach „links“) verschoben werden. Durch diese Verschiebung um -Δτ sind P̂out und Vpilot(t) zeitlich aufeinander justiert, wodurch sich Δφ = 0 ergibt. Die Signale nach zeitlicher Verschiebung von P̂out um -Δτ sind in 9 dargestellt.As an alternative to the explicit determination of φ d, the propagation delay Δτ can be taken into account by shifting the signal P̂ out (t) or, after sampling, its discrete-time sequence P̂ out [k] by Δτ in the negative time direction (to the "left"). Due to this shift by -Δτ, P̂ out and V pilot (t) are time-aligned to each other, resulting in Δφ = 0. The signals after shifting P̂ out by -Δτ are in 9 shown.

Im Detail zeigt 9 in Diagramm einen zeitlichen Zusammenhang zwischen Pilotsignal Vpilot und geschätzter Ausgangsleistung P̂out nach Ausgleich der Laufzeitverzögerung. Dabei beschreiben die Ordinaten die Amplituden des Pilotsignals Vpilot und der geschätzten Ausgangsleistung Pout, während die Abszissen die Zeit t beschreiben.In detail, 9 The diagram shows a temporal relationship between the pilot signal V pilot and the estimated output power P̂ out after compensation for the propagation delay. The ordinates represent the amplitudes of the pilot signal V pilot and the estimated output power P out , while the abscissas represent time t.

Damit ist die Laufzeit Δτ kompensiert und es gilt φd = φ0. Wird φ0 = 0 gewählt, so ergibt sich φd = 0. Für diesen Fall vereinfacht sich Gl. (11) zu F { P o u t , T 2 ( t ) } ( ( ω > 0 | φ d = 0 ) ) = S 1 f d , T 2 i π 2 δ ( ω ω d ) S 2 f d , T 2 π 2 δ ( ω 2 ω d ) . Thus, the running time Δτ is compensated and φ d = φ 0 applies. If φ 0 = 0 is chosen, then φ d = 0 results. In this case, equation (11) simplifies to F { P o u t , T 2 ( t ) } ( ( ω > 0 | φ d = 0 ) ) = S 1 f d , T 2 i π 2 δ ( ω ω d ) S 2 f d , T 2 π 2 δ ( ω 2 ω d ) .

Die spektrale Komponente bei ω = ωd ist somit rein imaginär, die Komponente bei ω = 2ωd rein reell. Unter Berücksichtigung dieser Gegebenheit ergibt sich für ΔV damit nach Umformungen Δ V = i m a g ( F 1 f 2 f + ( ω d ) ) i m a g ( F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) ) V d 4 und für ΔV̂ entsprechend Δ V ^ = i m a g ( D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] ) r e a l ( D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] ) V d 4 . The spectral component at ω = ω d is thus purely imaginary, the component at ω = 2 ω d purely real. Taking this fact into account, ΔV is thus obtained after transformations Δ V = i m a g ( F 1 f 2 f + ( ω d ) ) i m a g ( F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) ) V d 4 and for ΔV̂ accordingly Δ V ^ = i m a g ( D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] ) r e a l ( D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] ) V d 4 .

Es zeigt sich, dass auf diese Weise Rauschstörungen im Signal P̂out wirksam reduziert werden, da diese in der Regel spektral jeweils sowohl einen Real- als auch Imaginärteil aufweisen. Im Zähler und Nenner von Gl. (20) werden daher entsprechende Rauschstörungen bei ωd sowie 2ωd durch die getrennte Realteil- bzw. Imaginärteilbildung nochmals halbiert.It turns out that this approach effectively reduces noise interference in the signal P̂ out , since these typically have both a real and an imaginary spectral component. In the numerator and denominator of Eq. (20), corresponding noise interference at ω d and 2ω d is therefore halved again by the separate formation of the real and imaginary parts.

Praktische AspektePractical aspects

In praktisch realisierbaren Systemen ist die Folge P̂out[k] von begrenzter Länge K. Um bei der Diskreten Fouriertransformierten eines rein sinusförmigen Signals möglichst viel Energie in den der entsprechenden (pos. und neg.) Frequenz zugehörigen Elementen zu konzentrieren, soll die zu transformierende Folge (in diesem Fall P̂out[k]) ein ganzzahliges Vielfaches an Signalperioden enthalten.In practically realizable systems, the sequence P̂ out [k] is of limited length K. In order to concentrate as much energy as possible in the elements belonging to the corresponding (pos. and neg.) frequency in the discrete Fourier transform of a purely sinusoidal signal, the sequence to be transformed (in this case P̂ out [k]) should contain an integer multiple of signal periods.

Im Fall der vorliegenden Erfindung bedeutet dies, dass die Folge P̂out[k] mit K Elementen ein ganzzahliges Vielfaches N an Pilotsignal-Perioden der Länge Td = 1/fd enthält, d. h. K T s = N T d  mit  K , N , wobei sich das Abtastintervall gemäß Ts = 1/fs aus der Abtastfrequenz von P̂out(t) ergibt. Eine Erfüllung der Bedingung gemäß Gl. (20) lässt sich insbesondere durch eine geeignete Wahl der Pilotsignal-Frequenz relativ zur Abtastrate sowie eine geeignete Länge der Folge P̂out[k] realisieren.In the case of the present invention, this means that the sequence P̂ out [k] with K elements contains an integer multiple N of pilot signal periods of length T d = 1/f d , ie K T s = N T d  mit  K , N , where the sampling interval according to T s = 1/f s results from the sampling frequency of P̂ out (t). Fulfillment of the condition according to Eq. (20) can be achieved in particular by a suitable choice of the pilot signal frequency relative to the sampling rate and a suitable length of the sequence P̂ out [k].

5. Zusammenfassung / weitere Ausführungsbeispiele5. Summary / further examples

Bei Ausführungsbeispielen erfolgt die Gewinnung des Schätzwertes ΔV̂ der zu schätzenden Differenzspannung ΔV = Vmin - V̂min nicht wie bisher aus dem reinen Amplitudenverhältnis von Grundwelle und erster Oberwelle der geschätzten optischen Ausgangsleistung Pout, sondern auch der effektive Phasenwinkel φd des Dither-Pilotsignals wird bei Ausführungbeispielen in die Berechnung mit einbezogen. Durch die Berücksichtigung von Betrag und Phase in der Herleitung ist eine vorzeichenbehaftete Schätzung der Differenzspannung möglich. Dadurch wird eine wesentlich bessere Konvergenz bei der Minimum-Nachführung erreicht, gedächtnisbehaftete Regelschleifen sind obsolet, insbesondere für den Fall, dass die geschätzte Ausgangsleistung P̂out(t) stark verrauscht ist.In exemplary embodiments, the estimated value ΔV̂ of the differential voltage to be estimated ΔV = V min - V̂ min is not obtained from the pure amplitude ratio of the fundamental wave and the first harmonic of the estimated optical output power P out , as was previously the case, but the effective phase angle φ d of the dither pilot signal is also included in the calculation in exemplary embodiments. By taking the magnitude and phase into account in the derivation, a signed estimate of the differential voltage is possible. This achieves significantly better convergence during minimum tracking; memory-based control loops are obsolete, especially in the case where the estimated output power P̂ out (t) is very noisy.

Die Schätzung von ΔV̂ nach Betrag und Vorzeichen erfordert die Kenntnis des Phasenwinkels φd des Dither-Pilotsignals. Bei Ausführungsbeispielen lässt sich zusammen mit der Kenntnis der unvermeidlichen zeitlichen Verzögerung Δτ > 0, also der Signallaufzeitdifferenz von P̂out(t) relativ zu Vpilot(t), die vorab in einem Initialisierungsschritt vermessen wird, und der Berücksichtigung von ganzzahligen Vielfachen an Pilotsignal-Perioden, der initiale Phasenwinkels φd kontrollieren.Estimating ΔV̂ by magnitude and sign requires knowledge of the phase angle φ d of the dither pilot signal. In exemplary embodiments, the initial phase angle φ d can be controlled by knowing the unavoidable time delay Δτ > 0, i.e., the signal propagation time difference of P̂ out ( t ) relative to V pilot (t), which is measured in advance in an initialization step, and by considering integer multiples of pilot signal periods.

Für den Sonderfall, dass für den Phasenwinkels des Dither-Pilotsignals φd = 0 gilt und dass ganzzahlige Vielfache an Pilotsignal-Perioden im DFT-Fenster berücksichtigt werden, lässt sich bei Ausführungsbeispielen die Schätzung von ΔV̂ entsprechend Gl. (20) besonders einfach realisieren, da dort insgesamt nur zwei reellwertige Spektralkomponenten benötigt werden. Durch das Weglassen der anderen Anteile, die lediglich Rauschanteile enthalten, werden die Rauschstörungen bei ωd sowie 2ωd durch die getrennte Realteil- bzw. Imaginärteilbildung nochmals halbiert.For the special case where the phase angle of the dithered pilot signal is φ d = 0 and where integer multiples of pilot signal periods are considered in the DFT window, the estimation of ΔV̂ according to Equation (20) can be implemented particularly easily in exemplary embodiments, since only two real-valued spectral components are required. By omitting the other components, which contain only noise components, the noise interference at ω d and 2ω d is halved again by the separate formation of the real and imaginary parts, respectively.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.Although some aspects have been described in the context of a device, it should be understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or component of a device can also be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects described in the context of or as a method step also represent a description of a corresponding block, detail, or feature of a corresponding device. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware apparatus, such as a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the key method steps may be performed by such an apparatus.

Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.Depending on specific implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or software. The implementation may be performed using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM, or a FLASH memory, a hard disk, or other magnetic or optical storage device storing electronically readable control signals that can interact or cooperate with a programmable computer system to perform the respective method. Therefore, the digital storage medium may be computer-readable.

Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.Some embodiments according to the invention thus comprise a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is carried out.

Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.In general, embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is effective to perform one of the methods when the computer program product is run on a computer.

Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.The program code can, for example, also be stored on a machine-readable medium.

Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.Other embodiments include the computer program for performing one of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable carrier.

Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.In other words, an embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise gegenständlich und/oder nichtvergänglich bzw. nichtvorübergehend.A further embodiment of the method according to the invention is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for performing one of the methods described herein is recorded. The data carrier, the digital storage medium, or the computer-readable medium is typically physical and/or non-perishable or non-transient.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.A further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals that represents the computer program for carrying out one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals can be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example, via the Internet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.A further embodiment comprises a processing device, for example a computer or a programmable logic device, which is configured or adapted to carry out one of the methods described herein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.A further embodiment comprises a computer on which the computer program for performing one of the methods described herein is installed.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.A further embodiment according to the invention comprises a device or system designed to transmit a computer program for performing at least one of the methods described herein to a recipient. The transmission can be electronic or optical, for example. The recipient can be, for example, a computer, a mobile device, a storage device, or a similar device. The device or system can, for example, comprise a file server for transmitting the computer program to the recipient.

Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.In some embodiments, a programmable logic device (e.g., a field-programmable gate array, an FPGA) may be used to perform some or all of the functionalities of the methods described herein. In some embodiments, a field-programmable gate array may interact with a microprocessor to perform any of the methods described herein. In general, in some embodiments, the methods are performed by any hardware device. This may be general-purpose hardware such as a computer processor (CPU) or method-specific hardware such as an ASIC.

Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.The devices described herein may be implemented, for example, using a hardware apparatus, or using a computer, or using a combination of a hardware apparatus and a computer.

Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Computerprogramm) implementiert sein.The devices described herein, or any components of the devices described herein, may be implemented at least partially in hardware and/or in software (computer program).

Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.The methods described herein may be implemented, for example, using a hardware apparatus, or using a computer, or using a combination of a hardware apparatus and a computer.

Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.The methods described herein, or any components of the methods described herein, may be implemented at least partially by hardware and/or by software.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The above-described embodiments are merely illustrative of the principles of the present invention. It is understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to others skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.

AbkürzungsverzeichnisList of abbreviations

EOMEOM
elektro-optischer Modulatorelectro-optical modulator
DFTDFT
Diskrete FouriertransformierteDiscrete Fourier transform
MZMMZM
Mach-Zehnder-ModulatorMach-Zehnder modulator
SNRSNR
signal to noise ratio (dt. Signal-zu-Rausch Verhältnis)signal-to-noise ratio

BezeichnungenDesignations

ΔV = Vmin - V̂min:ΔV = Vmin - V̂min:
zu schätzende Differenzspannungdifferential voltage to be estimated
Δτ:Δτ:
zeitliche Laufzeitverzögerungtemporal runtime delay
fd:fd:
Frequenz eines sinusförmigen Pilot- oder Dither-SignalsFrequency of a sinusoidal pilot or dither signal
fib:fib:
Imbalance-Faktor zur Modellierung eines nichtidealen MZMImbalance factor for modeling a non-ideal MZM
Fouriertransformierte, diskrete FouriertransformierteFourier transformed, discrete Fourier transformed
S*,T2, φ*,T2:S*,T2, φ*,T2:
reellwertige Skalierungsfaktoren der verschiedenen Spektralkomponenten mit zugehörigen Phasenreal-valued scaling factors of the various spectral components with associated phases
T = Pout/Pin:T = Pout/Pin:
Übertragungsfunktion von Steuerspannung zu optischer Ausgangsleistung (auf optische Eingangsleistung normiert)Transfer function from control voltage to optical output power (normalized to optical input power)
Td = 1/fd:Td = 1/fd:
Zeitdauer einer Pilotsignal-PeriodeDuration of a pilot signal period
inhärente Phasendifferenz zwischen den beiden Modulator-Zweigen, die ohne Anliegen eines elektrischen Feldes die Position des ersten Maximums der Übertragungsfunktion kennzeichnetinherent phase difference between the two modulator branches, which characterizes the position of the first maximum of the transfer function without the application of an electric field
Vπ:Vπ:
an die HF-Elektrode anzulegende konstanter Wert einer Halbwellenspannung, um die optische Leistung vom Maximalwert auf den Mindestwert (oder umgekehrt) zu bringenconstant value of a half-wave voltage to be applied to the RF electrode to bring the optical power from the maximum value to the minimum value (or vice versa)
Vdrift:Vdrift:
durch Brechungsindexänderungen verursachte Driftverschiebungdrift shift caused by refractive index changes
Vdither, Vpilot:Vdither, Vpilot:
Pilotton-SignalPilot tone signal
Vc = VRF + VDC:Vc = VRF + VDC:
an den Elektroden anliegende elektrische Kontrollspannungelectrical control voltage applied to the electrodes
VDC:VDC:
an Vorspannungselektrode anliegende DC-VorspannungDC bias voltage applied to bias electrode
VRF:VRF:
an RF-Elektrode anliegendes Hochfrequenz-Modulationssignalhigh-frequency modulation signal applied to the RF electrode
Vmin = V0 - Vπ:Vmin = V0 - Vπ:
Vorspannung, welche zur minimal realisierbaren optischen Ausgangsleistung Pout,min führtBias voltage leading to the minimum achievable optical output power P out,min
V̂min, ΔV̂, ΔV̂c, P̂out:V̂min, ΔV̂, ΔV̂c, P̂out:
zu schätzende Messwertemeasured values to be estimated
Vd:Vd:
Aussteuerspannung des Pilot- oder DithersignalsControl voltage of the pilot or dither signal
ωd = 2πfd :ωd = 2πfd :
Kreisfrequenz des Pilot- oder DithersignalsAngular frequency of the pilot or dither signal
φd = φ0 + Δφ:φd = φ0 + Δφ:
PhasenwinkelPhase angle
φ0:φ0:
AnfangsphaseInitial phase
Δφ:Δφ:
laufzeitbedingte Phasendifferenzruntime-related phase difference

LiteraturverzeichnisBibliography

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Claims (19)

Vorrichtung zur Erzeugung einer Vorspannung VDC für einen elektro-optischen Modulator, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um ein von einer optischen Ausgangsleistung des elektro-optischen Modulators abhängiges Ausgangsleistungssignal P̂out zu erhalten, wobei die Vorrichtung ausgebildet, um die Vorspannung VDC in Abhängigkeit von einem Amplitudenverhältnis zwischen Grundwelle und erster Oberwelle des Ausgangsleistungssignals P̂out und in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel eines an dem elektro-optischen Modulator anliegenden Pilotsignals zu erzeugen.Device for generating a bias voltage V DC for an electro-optical modulator, wherein the device is configured to obtain an output power signal P̂ out that is dependent on an optical output power of the electro-optical modulator, wherein the device is designed to generate the bias voltage V DC as a function of an amplitude ratio between the fundamental wave and the first harmonic of the output power signal P̂ out and as a function of a phase angle of a pilot signal applied to the electro-optical modulator. Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um das Pilotsignal Vpilot für den elektro-optischen Modulator zu erzeugen.Apparatus according to the preceding claim, wherein the apparatus is configured to generate the pilot signal V pilot for the electro-optical modulator. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um die Vorspannung VDC und/oder das Pilotsignal Vpilot an zumindest einen Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen.Device according to one of the preceding claims, wherein the device is configured to apply the bias voltage V DC and/or the pilot signal V pilot to at least one control input of the electro-optical modulator. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um die Vorspannung VDC mit dem Pilotsignal Vpilot zu überlagern oder zu kombinieren, um eine Kontrollspannung VC für den elektro-optischen Modulator zu erhalten.Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the apparatus is configured to superimpose or combine the bias voltage V DC with the pilot signal V pilot to obtain a control voltage V C for the electro-optical modulator. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um Kontrollspannung VC an einem Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen. Device according to Claim 4 , wherein the device is configured to apply control voltage V C to a control input of the electro-optical modulator. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um die Vorspannung VDC an einem ersten Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen und das Pilotsignal Vpilot an einem zweiten Steuereingang des elektro-optischen Modulators anzulegen.Device according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the device is configured to apply the bias voltage V DC to a first control input of the electro-optical modulator and to apply the pilot signal V pilot to a second control input of the electro-optical modulator. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ausgangsleistungssignal P̂out eine geschätzte optische Ausgangsleistung des elektro-optischen Modulators beschreibt.Device according to one of the preceding claims, wherein the output power signal P̂ out describes an estimated optical output power of the electro-optical modulator. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Pilotsignal Vpilot ein zeitlich begrenztes, sinusförmiges Signal ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the pilot signal V pilot is a time-limited, sinusoidal signal. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der elektro-optische Modulator ein Mach-Zehnder-Modulator ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the electro-optical modulator is a Mach-Zehnder modulator. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen Photodetektor aufweist, der ausgebildet ist, um zumindest einen Teil einer optischen Ausgangsleistung P̂out des elektro-optischen Modulators zu detektieren, um das Ausgangsleistungssignal zu erhalten.Device according to one of the preceding claims, wherein the device comprises a photodetector configured to detect at least a portion of an optical output power P̂ out of the electro-optical modulator to obtain the output power signal. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um in Abhängigkeit von dem Amplitudenverhältnis zwischen Grundwelle und erster Oberwelle des Ausgangsleistungssignals P̂out und in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel des an dem elektro-optischen Modulator anliegenden Pilotsignals eine Differenzspannung ΔV zu schätzen, wobei die Differenzspannung ΔV eine Differenz zwischen der aktuellen Vorspannung VDC = V̂min und einer Soll-Vorspannung Vmin beschreibt, bei der die optische Ausgangsleistung P̂out des elektro-optischen Modulator einen Minimumwert aufweist.Device according to one of the preceding claims, wherein the device is configured to estimate a difference voltage ΔV as a function of the amplitude ratio between the fundamental wave and the first harmonic of the output power signal P̂ out and as a function of the phase angle of the pilot signal applied to the electro-optical modulator, wherein the difference voltage ΔV describes a difference between the current bias voltage V DC = V̂ min and a target bias voltage V min at which the optical output power P̂ out of the electro-optical modulator has a minimum value. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um die Vorspannung VDC in Abhängigkeit der geschätzten Differenzspannung ΔV nachzuführen hin in Richtung auf die Soll-Vorspannung Vmin.Device according to Claim 11 , wherein the device is configured to adjust the bias voltage V DC as a function of the estimated difference voltage ΔV towards the desired bias voltage V min . Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um die Differenzspannung ΔV basierend auf der folgenden Gleichung zu ermitteln: Δ V = F 1 f 2 f + ( ω d ) F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) V d 4 e i ( φ d π 2 ) wobei F 1 f 2 f + ( ω d ) eine Fouriertransformierte der Grundwelle des Ausgangsleistungssignals ist, wobei F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) eine Fouriertransformierte der ersten Oberwelle des Ausgangsleistungssignals ist, wobei Vd eine Amplitude des Pilotsignals ist, und wobei φd der Phasenwinkel des Pilotsignals ist.Device according to Claim 11 or 12 , wherein the device is configured to determine the differential voltage ΔV based on the following equation: Δ V = F 1 f 2 f + ( ω d ) F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) V d 4 e i ( φ d π 2 ) where F 1 f 2 f + ( ω d ) is a Fourier transform of the fundamental wave of the output power signal, where F 1 f 2 f + ( 2 ω d ) is a Fourier transform of the first harmonic of the output power signal, where V d is an amplitude of the pilot signal, and where φ d is the phase angle of the pilot signal. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Ausgangsleistungssignal P̂out diskret abgetastet ist, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um die Differenzspannung ΔV basierend auf der folgenden Gleichung zu schätzen: Δ V ^ c = D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] V d 4 e i ( φ d π 2 ) wobei ΔVc ein Schätzwert der Differenzspannung ΔV ist, wobei DFT{P̂out}[zd ] eine diskrete Fouriertransformierte der Grundwelle des diskret abgetasteten Ausgangsleistungssignals ist, wobei DFT{P̂out}[zd ] eine diskrete Fouriertransformierte der ersten Oberwelle des diskret abgetasteten Ausgangsleistungssignals ist, wobei Vd eine Amplitude des Pilotsignals ist, und wobei φd der Phasenwinkel des Pilotsignals ist.Device according to Claim 11 or 12 , wherein the output power signal P̂ out is discretely sampled, the device being configured to estimate the differential voltage ΔV based on the following equation: Δ V ^ c = D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] V d 4 e i ( φ d π 2 ) where ΔV c is an estimate of the differential voltage ΔV, where DFT{P̂ out }[z d ] is a discrete Fourier transform of the fundamental wave of the discretely sampled output power signal, where DFT{P̂ out }[z d ] is a discrete Fourier transform of the first harmonic of the discretely sampled output power signal, where V d is an amplitude of the pilot signal, and where φ d is the phase angle of the pilot signal. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um den Phasenwinkel in Abhängigkeit von einer Signallaufzeitdifferenz zwischen dem Ausgangsleistungssignal und dem Pilotsignal zu schätzen.Apparatus according to one of the preceding claims, wherein the apparatus is configured to estimate the phase angle in dependence on a signal propagation time difference between the output power signal and the pilot signal. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Pilotsignal Vpilot sinusförmig ist, wobei das Ausgangsleistungssignal ein abgetastetes Ausgangsleistungssignal P̂out[k] mit K Abtastwerten ist, wobei K ein ganzzahliges Vielfaches N an Perioden des Pilotsignals Vpilot aufweist.Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the pilot signal V pilot is sinusoidal, wherein the output power signal is a sampled output power signal P̂ out [k] having K samples, where K is an integer multiple N of periods of the pilot signal V pilot . Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um das Ausgangsleistungssignal oder eine abgetastete Version des Ausgangsleistungssignals um eine Laufzeitverzögerung Δτ des Pilotsignals zu verschieben, um eine laufzeitbedingte Phasendifferenz Δφ des Phasenwinkels φd zu kompensieren.Apparatus according to one of the preceding claims, wherein the apparatus is configured to shift the output power signal or a sampled version of the output power signal by a propagation delay Δτ of the pilot signal in order to compensate for a propagation-related phase difference Δφ of the phase angle φ d . Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Vorrichtung konfiguriert ist, um die Differenzspannung ΔV basierend auf der folgenden Gleichung zu ermitteln: Δ V ^ = i m a g ( D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] ) r e a l ( D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] ) V d 4 wobei ΔV ein Schätzwert der Differenzspannung ΔV ist, wobei imagDFT{P̂out}[zd ] ein Imaginärteil einer diskreten Fouriertransformierten der Grundwelle z1ωd des diskret abgetasteten Ausgangsleistungssignals P̂out ist, wobei imagDFT{P̂out}[zd ] ein Realteil einer diskreten Fouriertransformierten der ersten Oberwelle zd des diskret abgetasteten Ausgangsleistungssignals P̂out ist, wobei Vd eine Amplitude des Pilotsignals ist.Device according to the preceding claim, wherein the device is configured to determine the differential voltage ΔV based on the following equation: Δ V ^ = i m a g ( D F T { P ^ o u t } [ z 1 ω d ] ) r e a l ( D F T { P ^ o u t } [ z 2 ω d ] ) V d 4 where ΔV is an estimate of the differential voltage ΔV, where imagDFT{P̂ out }[z d ] is an imaginary part of a discrete Fourier transform of the fundamental wave z 1ωd of the discretely sampled output power signal P̂ out , where imagDFT{P̂ out }[z d ] a real part of a discrete Fourier transform of the first harmonic z d of the discretely sampled output power signal P̂ out , where V d is an amplitude of the pilot signal. Optische Anordnung, mit folgenden Merkmalen: einer Lichtquelle, und einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.An optical arrangement comprising: a light source, and a device according to any one of the preceding claims.
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