Optische Interferometer sind Geräte, bei denen ein Lichtstrahl in mindestens zwei Teillichtstrahlen aufgespalten wird, die-nachdem sie definierte Wege zu- rückgelegt haben-wieder zu einem Strahl vereinigt werden. Die intensität des wiedervereinigten Gesamtlichtstrahls ist aufgrund von Interferenz abhãngig von der Phasendifferenz der beiden Teillichtstrahlen.

Optische Interferometer werden z. B. zur Wellenlängenstabilisierung einer Licht- quelle, zur Wellenlãngenmessung, zur Frequenzanalyse von Licht oder zur Demo- dulation frequenzmodulierter optischer Signale benutzt.

Ein verstimmtes Mach-Zehnder-Interferometer besitzt zwei Arme unterschiedli- cher Lange und demnach unterschiedlicher Laufzeit (fur das Licht), so dal3 die getrennten und dann wieder vereinigten Lichtstrahlen bei ihrem Zusammentref- fen eine gegenseitige Phasenverschiebung aufweisen, die von der Laufzeitdiffe- renz und der Frequenz (bzw. Wellenlänge) des Lichts abhãngt. Modulierbar heißt, dal3 die Laufzeit des Lichts in den beiden Armen (und damit die Laufzeitdiffe- renz) durch ein externes Signal (beispielsweise durch einen elektrooptischen Ef- fekt mittels angebrachter Elektroden) gesteuert (oder moduliert) werden kann.

Es seien AL die Lãngendifferenz des verstimmten Interferometers, n der Bre- <BR> <BR> <BR> chungsindex im Wellenleiter des Interferometers, A die Lichtwellenlänge im Va- kuum und #m die Phase der zusätzlich aufgeprägten Modulation. Die Ge- samtphase ergibt sich dann zu <BR> <BR> <BR> nAL<BR> <BR> <BR> cp=2n +cpm y) Der Term nAL (pg = 2 n wird im folgenden als Grundverstimmung des Interferometers bezeichnet. Die

Leistung e des Lichts am Ausgang des Interferometers ergibt sich dann zu Diese Leistung wird durch einen Photodetektor (mit nachgeschaltetem Verstar- ker) in eine Detektorspannung udet umgewandelt. wobei zusãtzlich noch der konstante Anteil 1 abgetrennt wird, bzw. unberücksichtigt bleibt, so daß gilt. Das ist die sogenannte Interferometerkennlinie, mit Umkehrpunkten, die dadurch definiert sind, daß das Argument der Cosinusfunktion (nämlich die Phase (p) ein ungerades, ganzzahliges Vielfaches von 7C/2 wird.

Verstimmte Mach-Zehnder-Interferometer sind in der Regel weitgehend tempera turkompensiert. Es bleibt jedoch ein restlicher Einfluß der Temperatur im Kom- penstationssignal abri, der die Messung der Wellenlãnge verfãlscht.

Weiter weisen derartige auf der Basis integrierter Optik aufgebaute Bauelemente eine mehr oder weniger starke Gleichspannungsdrift auf. Daher wird zur Mes- sung eine gleichspannungsfreie Modulationstechnik angewendet, bei der das In- terferometer in die Umkehrpunkte seiner Kennlinie gesteuert wird, damit die beiden Lichtstrahlen periodisch in den Arbeitspunkt hõchster Empfindlichkeit des Interferometers um Winkel von (2n+1) wobei n eine ganze Zahl ist. Dazu wird tuber einen Phasenmodulator ein Signal (Pm er- zeugt, das eine Phasenverschiebung von beispielsweise (p = a/2, 3n/2,.., be- wirkt.

Zusãtzlich zu den zuvor beschriebenen Effekten wird die Messung der Wellen- lange durch wellenlãngenabhângige Grundverstimmungen des Interferometers selbst verfälscht. Hier besteht das besondere Problem, daß diese Grundverstim- mungen fur jedes Interferometer individuell verschieden sind und sich tuber des- sen Lebensdauer ändern können. weshalb sie nicht durch ein Kalibrierungsver- fahren wahrend der Fertigung abgeglichen und dann z. B. mittels einer Look-up Tabelle fehlerkompensiert werden kõnnen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Ver- fahren zur Wellenlãngenbestimmung von Licht mittels eines modulierbaren Mach-Zehnder-Interformeters anzugeben, bei dem die Grundverstimmung des

Interferometers unter Berücksichtigung von Kompensationsverfahren ausgegli- chen wird, um eine exakte Wellenlängenbestimmung zu ermõglichen.

Die erfindungsgemãße Einrichtung zur Wellenlangenbestimmung von Licht mit- tels eines modulierbaren Mach-Zehnder-Interferometers, mit einem Modulator zur Modulation des eingestrahlten Lichtstrahls, der das Interferometer mittels eines Modulationssignals in die Umkehrpunkte seiner Kennlinie steuert, ist ge- kennzeichnet durch einen Integrator, der die wellenlängenabhãngige Grundver- stimmung des Interferometers rücksetzt und als Mei3gr6-Be ausgibt, einen Addie- rer, der das vom Integrator erzeugte Signal zur Rücksetzung der wellenlan- genabhãngigen Grundverstimmung dem vom Modulator erzeugten Modulations- signal überlagert, und eine Integrationseinrichtung, die einen Mittelwert dieses zusammengesetzten und dem Interferometer zugeführten Modulationssignals in- tegriert und durch eine Steuerung der Hãufigkeit der angesteuerten Umkehr- punkte diesen Mittelwert immer auf dem Wert Null hãlt.

Vorzugsweise wird der Integrator durch ein von einem Verstärker verstärktes und mit einem Demodulator durch ein Signal mit dem Vorzeichen der Steigung des jeweils angesteuerten Umkehrpunkts demoduliertes Detektorsignal gespeist.

Auf diese Weise ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung eine ge- schlossene Regelschleife, durch die die durch die Modulation angesteuerten Punkte so lange verschoben werden, bis das Detektorsignal zu Null wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wellenlangenbestimmung von Licht mit- tels eines modulierbaren Mach-Zehnder-Interferometers, bei dem das Interfero- meter durch ein Modulationssignal in die Umkehrpunkte seiner Kennlinie ge- steuert wird, ist dadurch gekennzeichnet. daB eine wellenlängenabhängige Grundverstimmung des Interferometers ruckgesetzt wird, indem ein verstãrktes und mit dem Vorzeichung der Steigung des jeweils angesteuerten Umkehrpunk- tes demoduliertes Detektorsignal aufintegriert wird, dem Modulationssignal uberlagert wird, und das so erzeugte Ruckstellsignal fur die wellenlangenabhan- gige Grundverstimmung des Interferometers als Mel3groJ3e ausgegeben wird.

Auf diese Weise wird die wellenlängenabhängige Grundverstimmung des Inter- ferometers ausgeglichen und die Wellenlänge kann korrekt bestimmt werden.

Andere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind jeweils in den Unteransprüchen definiert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnun- gen, es zeigen : Figur 1 eine erfindungsgemdj3e Einrichtung zur Wellenlãngenbestimmung von Licht mittels eines verstimmten, modulierbaren Mach-Zehnder- Interferometers ; und Figur 2 die Einrichtung gemali Figur 1 mit zusãtzlicher Temperaturkom- pensation.

In Figur 1 ist das Mach-Zehnder-Interferometer 1 mit einer sinusfõrmigen Kenn- linie abgebildet. Das Interferometer 1 ist mittels einer daran anzulegenden Mo- dulationsspannung umoa modulierbar. Da verstimmte, modulierbare Mach-Zehn- der-Interferometer auf der Basis integrierter Optik, auf die sich die Erfindung bezieht, eine mehr oder weniger starke Gleichspannungsdrift aufweisen, wird eine gleichspannungsfreie Modulationstechnik angewendet, bei der die Modula- tionsspannung umod stets gleichspannungsfrei ist. Um das Interferometer in den Arbeitspunkt hõchster Empfindlichkeit zu bringen, wird der eingekoppelte Licht- strahl in zufãlliger Folge oder Hãufigkeit um einen Winkel von +7C/2 oder #3#/2 verschoben, das heißt, daß das Interformeter in die Wende-oder Umkehrpunkte seiner Kennlinie gesteuert wird.

Hierzu ist ein Modulator vorgesehen, der statistisch verteilte Ausgangswerte von 1/4 oder 3/4 liefert, die das Modulationssignal xmod bilden. Zur Erzeugung des Modulationssignals xmod ist ein erster Zufallszahlengenerator 3 vorgesehen, der statistisch verteilte Ausgangswerte von +1 erzeugt, die von einer ersten Be- wertungseinheit 8 mit einem Faktor von 0,25 bewertet werden. Weiter ist ein zweiter Zufallszahlengenerator 2 vorhanden, der ebenfalls statistisch verteilte Ausgangswerte von il erzeugt. die jedoch von einer zweiten Bewertungeinheit 9 mit einem Wert von 0,5 bewertet werden. Diese so gewichteten Werte der beiden Zufallszahlengeneratoren werden von einem Addierer 18 addiert und bilden das Modulationssignal xmOd. In diesem Modulationssignal wird das Rucksetzsignal <BR> <BR> <BR> des Integrierers 11 addiert, wobei das zusammengesetzte Modulationssignal xm entsteht. Dieses zusammengesetzte Modulationssignal durchlauft zur Erzeugung

der Modulationsphase cpmoa einen Skalenfaktormultiplizierer 14, der mit dem Skalenfaktor SKF multipliziert. und ein Verstãrkungsglied 19 mit dem Verstar- kungsfaktor c. In letzterem sind die Verstdrkungsfaktoren eines Digittal-analog- wandlers, eines nachgeschalteten Verstarkers und die elektro-optische Umset- zungskonstante des Phasenmodulators zusammengefalit. Der Skalenfaktormul- tiplizierer multipliziert im Idealfall mit einem Faktor SKF = 27t/c, so daß ein zu- sammengesetztes Modulationssignal 1ineineModulationsphase#m=2#= umgesetzt wird, da (Pm = xm # XKF # c.

Damit das zusammengesetzte Modulationssignal xm stets gleichspannungsfrei ist, wird es an einen Integrator 6 angelegt. dessen Ausgangssignal die statisti- sche Häufigkeit für das Auftreten von +1 bzw.-1 am Ausgang des zweiten Zu- fallszahlengenerators 2 tuber dessen Eingang h steuert.

Die vom Interferometer 1 erzeugte modulierte Detektorspannung udet beauf- schlagt einen Verstãrker 5 mit dem Verstãrkungsfaktor V. Das Ausgangssignal des Verstãrkers 5 lãuft durch ein Verzõgerungsglied 12, das um eine Zeit T ver- zogert und als Laufzeitausgleich dient, und gelangt an einen Demodulator 16, der es durch ein Signal mit dem Vorzeichen der Steigung des jeweils angesteuer- ten Umkehrpunkts demoduliert. Das Demodulationssignal ergibt sich aus dem Ausgangssignal des ersten Zufallsgenerators 3, das zum Laufzeitausgleich durch ein Verzõgerungsglied 13 mit der Verzõgerungszeit T gelaufen ist. Um ein gleich- spannungsfreies Demodulationssignal zu erhalten, wird das Ausgangssignal des Zufallszahlengenerators 3 an einen Integrator 7 gefuhrt, der die statistische Haufigkeit fur das Auftreten von + 1 bzw. - 1 am Ausgang des ersten Zufallszah- lengenerators 3 tuber dessen Eingang h steuert. Die Verzõgerungszeit T soll Si- gnallaufzeiten, verursacht durch die Verarbeitungszeit der digitale Signalverar- beitung und eines Digital-Analogwandlers, ausgleichen.

Die demodulierte Detektorspannung udet wird an einen Integrator 11 gefuhrt, der die wellenlangenabhangige Grundverstimmung #g des Interferometers durch Aufintegration der demodulierten Detektorspannung udet rücksetzt (bzw. kom- pensiert). Diese wellenlängenabhängige Grundverstimmung (pg kann durch <BR> <BR> <BR> VOL<BR> <BR> <BR> x = 2 n<BR> <BR> <BR> zig<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> in die Wellenlãnge X umgerechnet werden und wird als Me-signal f (#) = #g/2# ausgegeben. Gleichzeitig wird das Me-signal mittels eines Addierers 17 dem

vom Modulator erzeugten Modulationssignal xmod uberlagert und-so ein zusam- mengesetztes dem Interferometer 1 zugeführtes Modulationssignal xm erzeugt.

Durch diese Überlagerung werden die durch die Modulation angesteuerten Punkte solange verschoben, bis die Detektorspannung udet zu Null wird.

Eine Hilfsregelschaltung fur den Skalenfaktor besteht aus einem Skalenfaktor- demodulator 15, der die demodulierte Detektorspannung udet mittels eines Si- gnals demoduliert, das von einer speziellen, von dem ersten Zufallszahlengene- rator 3 und dem zweiten Zufallszahlengenerator 2 gesteuerten Logik 4 erzeugt wird. Die auf these Weise bewertete Detektorspannung Udet wird an einen Inte- grator 10 gefuhrt, dessen Ausgangssignal einen Skalenfaktor SKF darstellt, der den korrekte Skalenfaktor am Skalenfaktormultiplizierer 14 einstellt.

Eine Abweichung des Skalenfaktors vom Idealwert 27t/c hat ein typisches, von den Signalen der beiden Zufallszahlengeneratoren 2 und 3 abhängiges Fehlersi- gnal (oder Signalmuster) im demodulierten Detektorsignal zur Folge, verursacht dadurch, dal3 nun nicht mehr exakt die Umkehrpunkte der Interferometerkenn- linie angesteuert werden. Dieses typische Signalmuster wird in der Logik 4 syn- thetisiert, und mit diesem synthetisierten Signalmuster wird das verstärkte Ein- gangssignal in einem zweiten Demodulator 15 demoduliert. Falls eine Abwei- chung vom Idealwert des Skalenfaktors tatsächlich existiert, erfolgt im Integra- tor 10 eine Aufintegration des Fehlersignals solange, bis sich als Ausgangswert der korrekte Wert fur den Skalenfaktor ergibt. <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <P>Das Signal f (X), welches die wellenlängenabhängige Grundverstimmung rock- setzt (bzw. kompensiert), wird ebenfalls mit dem Skalenfaktor SKF multipliziert, damit es von dem Verstãrkungsfaktor c unabhãngig wird, da es ebenfalls das Verstärkungsglied 19 mit dem Verstãrkungsfaktor c durchläuft. Es ergibt sich <BR> <BR> <BR> also die am Interferometer 1 anliegende Modulationsphase (Pm = (Pmod + f(#) # SKF # c = (xmod + f (%))-SKF-c = xm # SKF # c. Daraus folgt, dai3 auch ein zu- <BR> <BR> <BR> <BR> sammengesetztes Modulationssignal von xm = 1 einer Modulationsphase von (Pm<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> = 2n entspricht.

Das in der Figur gezeigte verstimmte Mach-Zehnder-Interferometer ist im we- <BR> <BR> <BR> <BR> sentlichen temperaturkompensiert, ein restlicher Einflu-3 der Temperatur 15 bleibt jedoch im Kompensationssignal ubrig und verfãlscht die Messung der Wellenlãnge.

Der geregelte Skalenfaktorwert SKF dagegen ist direkt von den Materialkonstan- ten (n (#), #L(#)) beispielsweise von Lithiumniobat abhangig, auf dem das Mach- Zehnder-Interferometer aufgebaut ist, und repräsentiert überwiegend die Teme- pratur des Chips mit geringen Verfälschungen durch die Wellenlänge.

Durch die Verknupfung der beiden Signale (Kompensationssignal, 2n-Signal) kann tuber den Skalenfaktormultiplizierer 14 eine sehr effektive Kompensation restlicher Temperatureinflusse erzielt werden.

Eine hierfur geeignete Schaltung ist in der Figur 2 gezeigt. Zusãtzlich zu der er- findungsgemäßen Einrichtung zur Wellenlãngenbestimmung, die in der Figur 1 dargestellt ist, ist hier ein Temperaturkompensator (20) vorhanden, der sowohl <BR> <BR> <BR> <BR> das Ausgangssignal f (#) = (pg/2= des Integrators 11, als auch den temperaturab-<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> hãngigen Skalenfaktor SKF = f (#) empfängt. Abhängig von diesen Signalen gibt der Temperaturkompensator 20 eine kompensierte Wellenlänge # aus.

Die Temperaturkompensation wird entsprechend des folgenden Ansatzes er- reicht : tuber den Skalenfaktor SKF wird erreicht, daß Werten von xm = 1 Phasenwerte <BR> <BR> <BR> <BR> von (Pm = 2# entsprechen. Dieser Skalenfaktor stellt sich automatisch ein, und erreicht, um die obige Bedingung zu erfüllen. den Wert SKF = 27r/c. In c sind zusammengefaßt die Wandlungskonstante eines Digital-Analog-Wandlers, die als konstant angenommen werden kann, und der elektro-optische Koppelfaktor des Phasenmodulators. Letzterer ist, besonders bei Wandlern in integriert-opti- scher Technik, in relativ starkem Maß von der Chiptemperatur # abhängig. So- mit ist auch c = c (#) eine Funktion der Chiptemperatur, so daß auch der Ska- <BR> <BR> <BR> <BR> lenfaktor SKF = 27C/c (ß) = f (#) eine Funktion der Chiptemperatur ist. Daraus folgt, dal3 aus dem Skalenfaktor auf die Chiptemperatur geschlossen werden kann. Damit kann uber diese Temperatur eine Resttemperaturabhängigkeit der Meßgröße n (ß) AL (it) (pg (S, i) = 2n (6) kompensiert werden.

Das geschieht dadurch, daß der Temperaturkompensator 20 die schwach tempe- raturabhangige Meligr3J3e cpg/2 durch den stark temperaturabhängigen Ska- lenfaktor SKF temperaturkompensiert wird, so daß der Temperaturkompensator

20 hieraus die von Temperatureinflussen befreite Meßgröße # bestimmen kann.

Der zuvor beschriebene Aufbau der erfindungsgemäßen Wellenlängenmeßinrich- tung kann in verschiedener Hinsicht abgewandelt sein. Es ist insbesondere mõglich, zur Steuerung des Interferometers in die Umkehrpunkte seiner Kennli- nie einen unterschiedlich realisierten Modulator einzusetzen, oder den hier vor- gesehenen Modulator auch fur andere Interferometer zu nutzen, bei denen keine oder eine andere Kompensationsschaltung eingesetzt ist.