DE69631534T2

DE69631534T2 - Laserwellenlängen-regelungssystem

Info

Publication number: DE69631534T2
Application number: DE69631534T
Authority: DE
Inventors: Bo LAGERSTRÖM
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1995-08-16
Filing date: 1996-08-16
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2016-08-17
Also published as: WO1997007577A1; AU6840296A; US5706301A; EP0845166B1; DE69631534D1; TW329063B; EP0845166A1

Description

HINTERGRUND
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern bzw. Regeln einer Laserausgangs-Wellenlänge und insbesondere ein Verriegeln einer Laserausgangs-Wellenlänge.
2. Zugehöriger Stand der Technik und weitere Betrachtungen
Laser werden bei vielen Anwendungen verwendet, wobei es typischerweise erforderlich ist, dass die Laserausgangs-Wellenlänge stabilisiert wird, z. B. auf eine Referenzwellenlänge verriegelt wird. Beispielsweise müssen bei einem optischen Mehrkanalsystem mit engem Kanalraum bzw. Kanalabstand Lasersender-Wellenlängen stabilisiert und auf eine Referenzwellenlänge verriegelt werden. Die erforderliche Genauigkeit der Verriegelung hängt in einem solchen Mehrkanalsystem von zahlreichen Faktoren ab, einschließlich eines Kanalraums und spezifizierter Übertragungseigenschaften, wie beispielsweise einer Bitrate, einer Anzahl von Kanälen, einem Übersprechen, einer Verzerrung und Empfängerfiltercharakteristiken. In der Tat wird die Anzahl von Kanälen in einem solchen Mehrkanalsystem ein Kompromiss zwischen einem nutzbaren optischen Verstärkerfenster und den erforderlichen Übertragungseigenschaften.
Eine Laserausgangs-Wellenlängenstabilisierung wird durch die Tatsache kompliziert, dass eine Laserausgangs-Wellenlänge normalerweise eine Funktion von Faktoren, wie beispielsweise einer schwankenden Laserbetriebstemperatur, ist. Demgemäß sind Techniken für eine Wellenlängenverriegelung entwickelt worden. Eine derartige Technik, die in Lyu, G. Y. und Park, C. S., "Four-channel Frequency Locking Using Back-Reflection Dips of a Fibre-Fed Fabry-Perot Filter", Electron. Lett., 1995 31, (2), S. 121–122 beschrieben ist, verwendet ein Schwanken von Laserströmen zusammen mit einem Frequenzkamm von einem fasergespeisten Fabry-Perot-(FFP)-Filter zum Ermöglichen, dass alle Kanäle dieselbe Referenzwellenlänge verwenden, aber auf ihre eigene spezifische Spitze im Filter verriegeln.
Andere Laserstabilisierungstechniken erfordern Strukturen, wie beispielsweise ein ein Hologramm erzeugenden Kristall oder Etalon. Beispielsweise wird in Mao et al., "Laser Wavelength Stabilization Using Holographic Filters", reflektiertes Licht von einem Hologramm erzeugenden Kristall aufgeteilt und auf zwei sich unterscheidende Fotodetektoren fokussiert, wobei die relativen Amplituden der Fotodetektoren proportional zu einer Wellenlängenposition sind. Im U. S.-Patent 5,283,845 von Ip stimmt ein Piezo-Stellglied eine übertragene Wellenlänge eines Etalons auf diejenige einer externen Quelle ab.
Optische Fasergitter sind bislang für eine Laserabstimmung verwendet worden. Das US-Patent 5,077,816 von Glomb et al. betrifft eine Schwankungstechnik, wobei eine Laserausgabe an ein Fasergitter angelegt wird. Nur eine Strahlung, die durch das Fasergitter übertragen wird, wird zum Abstimmen des Lasers verwendet, wobei ein solches Abstimmen auf Spitzen in der Gitterübertragungsfunktion basiert.
Optische Fasergitter sind auch für andere Zwecke verwendet worden, wie beispielsweise zum Entwickeln von Referenzsignalen für Sensoren (Cavaleiro et al., "Referencing Technique For Intensity-based Sensors Using Fibre Optic Bragg Gratings", Electronic Letters, 2. März 1995, Vol. 31, Nr. 5, S. 392–394) und zum Bewerten einer Wellenleiter-Wellenlänge (US-Patent 5,319,435 von Melle et al.).
Was benötigt wird ist ein Laserwellenlängen-Regelungssystem, das auf einfache Weise, jedoch sehr genau eine stabilisierte Laserwellenlänge zur Verfügung stellt. Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein genaues Laserwellenlängen-Regelungssystem zu schaffen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht im Schaffen eines Laserwellenlängen-Regelungssystems, das in einem optischen Mehrkanal-Übertragungssystem verwendet werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Laserwellenlängen-Regelungssystem stabilisiert eine Laserausgangs-Wellenlänge. Das Regelungssystem enthält eine Reflektor/Filter-Vorrichtung, auf welche eine Laserstrahlung einfällt, um sowohl ein gefiltertes übertragenes Signal als auch ein reflektiertes Signal zu ergeben. Ein Controller bzw. eine Steuerung bzw. eine Regelungsvorrichtung verwendet sowohl das gefilterte übertragene Signal als auch das reflektierte Signal zum Erzeugen eines Regelungssignals bzw. Steuersignals. Das Steuersignal wird durch einen Temperaturwandler zum Einstellen einer Laserausgangs-Wellenlänge des Lasers verwendet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Reflektor/Filter-Vorrichtung ein optisches Fasergitter. Das Wellenlängen-Regelungssystem ermöglicht bzw. erleichtert einen Aufbau eines modularen optischen Mehrkanal-Übertragungssystems.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorangehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden genaueren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen offensichtlich werden, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, wobei sich Bezugszeichen auf dieselben Teile in den gesamten der verschiedenen Ansichten beziehen. Die Zeichnungen dienen nicht notwendigerweise für ein Skalieren und statt dessen wird eine Betonung auf ein Darstellen der Prinzipien der Erfindung gelegt.
1 ist eine schematische Ansicht eines Laserwellenlängen-Regelungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2A ist eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Steuerung, die im Laserwellenlängen-Regelungssystem der 1 enthalten sein kann.
2B ist eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Steuerung, die im Laserwellenlängen-Regelungssystem der 1 enthalten sein kann.
3 ist eine Kurve eines gefilterten Signals FS und eines reflektierten Signals RS, die im Laserwellenlängen-Regelungssystem der 1 verwendet werden.
4 ist eine Kurve, die ein Fehlersignal zeigt, das durch einen Signalprozessor des Laserwellenlängen-Regelungssystems der 1 erzeugt wird.
5 ist eine schematische Ansicht eines optischen Mehrkanal-Übertragungssystems, das das Laserwellenlängen-Regelungssystem der 1 enthält.
6 ist ein Ablaufdiagramm, das Schritte zeigt, die durch eine Steuerung ausgeführt werden, die im Laserwellenlängen-Regelungssystem der 1 enthalten ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Laserwellenlängen-Regelungssystem 20 zum Steuern bzw. Regeln der Wellenlängen einer durch einen Laser 22 erzeugten Strahlung. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist es so, dass der Laser 22 ein Elektro-Absorptions-Laser mit verteilter Rückkopplung (EA-DFB) ist, obwohl es verstanden werden wird, dass andere Typen von Lasern auch verwendet werden können. Bei einer herkömmlichen Art enthält der Laser 22 ein Peltier-Element 23. Die Funktion des Regelungssystems 20 besteht im Verriegeln der ausgegebenen Wellenlänge des Lasers 22 auf eine vorbestimmte Verriegelungs-Wellenlänge λ₀.
Das Laserwellenlängen-Regelungssystem 20 enthält einen Koppler/Teiler 30; eine Reflektor/Filter-Vorrichtung 40; und eine Steuerung 45. Eine durch den Laser 22 erzeugte Strahlung wird durch eine optische Faser 70 zum Koppler/Teiler 30 übertragen bzw. gesendet, wo sie in einen Laserausgangsstrahl (durch eine optische Faser 72 übertragen) und einen Laserabtaststrahl (durch eine optische Faser 74 übertragen) aufgeteilt wird. Der Laserabtaststrahl fällt auf die Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 ein, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein optisches Fasergitterfilter mit einer Mittenwellenlänge bei 1548,6 nm ist. Eine durch die Vorrichtung 40 gefilterte und übertragene Strahlung wird weiterhin durch eine optische Faser 76 zu einem ersten Tor der Steuerung 45 übertragen. Eine durch die Vorrichtung 40 reflektierte Strahlung wird durch die Faser 74 zurück zum Koppler/Teiler 30 übertragen und dann über eine optische Faser 78 zu einem zweiten Tor der Steuerung 45 geführt. Die Steuerung 45 erzeugt ein Lasertemperatur-Rückkoppelsignal "TEMP" auf einer Leitung 82 zum Einstellen der Laserausgangs-Wellenlänge des Lasers 22.
Die Steuerung 45 kann mehrere Formen annehmen, einschließlich der Form einer Steuerung 45' der 2A und der Steuerung 45'' der 2B. Während die Steuerung 45' der 2A primär ein analoges Ausführungsbeispiel ist, ist die Steuerung 45'' der 2B vorherrschend ein digitales Ausführungsbeispiel.
Sowohl die Steuerung 45' der 2A als auch die Steuerung 45'' der 2B enthalten einen Signalprozessor 50 und einen Temperaturwandler 100. Insbesondere enthält die Steuerung 45' der 2A einen Signalprozessor 50' und einen Temperaturwandler 100, sowie einen Schalter 110 und eine Überwachungssteuerung 120. Die Steuerung 45'' der 2B enthält einen Signalprozessor 50'' und einen Temperaturwandler 100. Wie es hierin nachfolgend beschrieben wird, erzeugen die Signalprozessoren 50', 50'' ein analoges Steuersignal "CS" auf der Leitung 80 zum Anlegen an den Temperaturwandler 100. Der Temperaturwandler 100 ist grundsätzlich ein Spannung/Strom-Wandler, welcher ein Stromsignal "TEMP" in einer Leitung 82 zum Pettier-Element 23 des Lasers 22 ausgibt.
Sowohl der Signalprozessor 50' der 2A als auch der Signalprozessor 50'' der 2B enthalten einen Detektor 52 für ein gefiltertes Signal und einen Detektor 53 für ein reflektiertes Signal. Der Detektor 52 für ein gefiltertes Signal ist ausgerichtet, um die durch eine optische Faser 76 von der Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 übertragene Strahlung zu erfassen; der Detektor 53 für ein reflektiertes Signal ist ausgerichtet, um die durch die Vorrichtung 40 reflektierte und über eine Faser 74, den Koppler/Teiler 30 und die optische Faser 78 zurückgesendete Strahlung zu erfassen. Ein Ausgangssignal vom Detektor 52 wird an einen Verstärker 54 für ein gefiltertes Signal angelegt und ein Ausgangssignal vom Detektor 53 wird an einen Verstärker 55 für ein reflektiertes Signal angelegt. Wie es symbolisch hierin dargestellt ist, ist das Ausgangssignal vom Detektor 52 als das gefilterte Signal oder "FS" bekannt; das Ausgangssignal vom Detektor 53 ist als das reflektierte Signal oder "RS" bekannt. Sowohl das gefilterte Signal FS als auch das reflektierte Signal RS sind Funktionen der Wellenlänge und werden demgemäß auch jeweils als FS(λ) und RS(λ) bezeichnet.
Vorzugsweise wird die Verstärkung "k" des Verstärkers 55 für ein reflektiertes Signal so eingestellt, dass bei der Verriegelungswellenlänge (λ₀) die Größe bzw. Amplitude des reflektierten Signals RS, multipliziert mit einer Verstärkungskonstanten k, gleich der Größe bzw. Amplitude des Filtersignals bzw. gefilterten FS ist d. h. FS(λ₀) = k RS(λ₀)]. Wie es hierin nachfolgend gesehen wird, erlaubt ein Einstellen der Verstärkung k auf diese Weise vorteilhaft ein Abstimmen des Lasers 22 relativ zu einer Nulldurchgangsstelle des auf der Leitung 80 getragenen Steuersignals CS.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 2A sind Ausgangsanschlüsse der Verstärker 54 und 55 jeweils über einen Schalter 57 mit positiven und negativen Eingangsanschlüssen einer analogen Schaltung oder einer analogen Vorrichtung verbunden, wie beispielsweise einem ausgeglichenen Operationsverstärker 56. In einem aktiven Bereich oder einer Nachbarschaft, die hierin nachfolgend beschrieben wird, vergleicht der Operationsverstärker 56 das gefilterte Signal FS und das reflektierte Signal RS, um ein Steuersignal "CS" auf der Leitung 80 zum Anlegen an die Temperatursteuerung 100 zu erzeugen. Im aktiven Bereich oder in der Nachbarschaft ist der Operationsverstärker derart konfiguriert, dass er ein Steuersignal CS auf der Leitung 80 gemäß einer Gleichung 1 erzeugt: CS(λ) = FS(λ) – k*RS(λ) Gleichung 1wobei daran erinnert wird, dass das Ausgangssignal vom Detektor 52 "FS(λ)" ist; das Ausgangssignal vom Detektor 54 "RS(λ)" ist; und die Verstärkung des Verstärkers 55 "k" ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 2A wird ein Steuersignal CS auf der Leitung 80 über einen Schalter 110 selektiv an den Temperaturwandler 100 angelegt. Alternativ dazu kann der Schalter 110 ein durch eine Überwachung erzeugtes Steuersignal auf einer Leitung 130 an den Temperaturwandler 100 anlegen. Eine Überwachungssteuerung 120 gibt ein Auswahlsignal auf einer Leitung 132 zum Steuerschalter 110 zum Auswählen zwischen dem Steuersignal CS auf der Leitung 80 und dem durch eine Überwachung erzeugten Steuersignal auf der Leitung 130 aus. Gleichermaßen gibt die Überwachungssteuerung 120 ein Modemauswahlsignal auf einer Leitung 133 zu einem Steuerschalter 57 zur anfänglichen Auswahl zwischen einem Betriebsmode mit positiver oder negativer Steigung bzw. Neigung aus.
Der Signalprozessor 50'' des Ausführungsbeispiels der 2B unterscheidet sich vom Signalprozessor 50'' der 2A z. B. darin, dass er Ausgangssignale von den Verstärkern 54 und 55 direkt an jeweilige Analog/Digital-Wandler (ADCs) 62A und 62B angelegt hat. Die ADCs 62A und 62B können in einem Mikroprozessor 60 enthalten sein (wie es in 2B) gezeigt ist, oder zwischen dem Mikroprozessor 60 und den jeweiligen Verstärkern 54 und 55 angeschlossen sein. Der Mikroprozessor 60 der 2B erzeugt einen digitale Version des Steuersignals CS unter Verwendung der Gleichung 1 unter Berücksichtigung des Neigungsmodes. Diese digitale Version von CS wird dann durch den Digital/Analog-Wandler (DAC) 64 umgewandelt, was in dem Anlegen des analogen Steuersignals CS auf der Leitung 80 an die Temperatursteuerung 100 resultiert. Der DAC 64 kann im Mikroprozessor 60 enthalten sein (wie es dargestellt ist), oder zwischen dem Mikroprozessor 60 und der Temperatursteuerung 100 angeschlossen sein.
In Zusammenhang mit der Signalsteuerung 50'' der 2B erzeugen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ADCs 62A und 62B jeweils ein digitales 12-Bit-Signal, das durch den Mikroprozessor 60 zum Erzeugen der digitalen Version des Steuersignals CS verwendet wird. Der DAC 64, an welchen die digitale Version des Steuersignals CS angelegt wird, ist ein Acht-Bit-Digital/Analog-Wandler. Beim Erzeugen seines digitalen Ausgangssignals kann der Mikroprozessor 60 ein Programm ausführen, bei welchem andere Rückkoppelparameter (die hier nicht relevant sind) berücksichtigt und optimiert werden.
Die Temperatursteuerung 100 ist ein herkömmlicher Spannungs/Strom-Wandler, der (wie es oben beschrieben ist) an seinem Einstell-Stellenanschluss das (Spannungs-)Steuersignal CS auf der Leitung 80 empfängt. Die Temperatursteuerung 100 gibt auf einer Leitung 82 ein umgewandeltes Stromsignal (einen positiven oder negativen Strom), das als das Lasertemperatur-Rückkoppelsignal oder TEMP bekannt ist, zu dem im Laser 22 enthaltenen Peltier-Element 23 aus. Es wird für möglich gehalten, dass andere Signale von der Steuerung 100 oder von anderswo an den Laser 22 angelegt werden können, wie beispielsweise ein Laserstrom-Rückkoppelsignal.
Das analoge umgewandelte Ausgangssignal des Signalprozessors 50, d. h. das Steuersignal CS, wird auf der analogen Leitung 80 an den Einstell-Stelleneingang der Temperatursteuerung 100 angelegt. Unter Verwendung des Signals auf der Leitung 80 erzeugt die Temperatursteuerung 100 das Lasertemperatur- Rückkoppelsignal TEMP auf der Leitung 82 zum Einstellen der Ausgangs-Wellenlänge des Lasers 22 auf den erwünschten Wert im Bereich von 1548,3 nm bis 1548,8 nm.
Der Signalprozessor 50 von jedem Ausführungsbeispiel kann in entweder einem Mode mit positiver Neigung oder einem Mode mit negativer Steigung betrieben werden. Die Temperatursteuerung 100 muss mit dem Betriebsmode des Signalprozessors 50 koordiniert werden, um zu wissen, wie das Signal des Steuersignals CS auf der Leitung 80 zu interpretieren ist. Wie es in 2A gezeigt ist, ist der Signalprozessor 50' in einem Mode mit positiver Steigung und interpretiert die Temperatursteuerung 100 ein positives Signal auf der Leitung 80 als eine Erniedrigung bezüglich eines Stroms auf der Leitung 82 erfordernd. Zum Arbeiten in einem Mode mit negativer Steigung können die Eingaben zum Operationsverstärker 56 vertauscht werden, oder kann die Interpretation durch die Temperatursteuerung 100 entgegengesetzt zu derjenigen des Modes mit positiver Steigung sein.
3 zeigt eine Kurve des gefilterten Signals (siehe Kurve FS), wie es durch das Ausgangssignal des Detektors 52 für ein gefiltertes Signal angezeigt wird, und eine Kurve des reflektierten Signals (siehe Kurve RS), wie es durch das Ausgangssignal des Detektors 54 für ein reflektiertes Signal angezeigt wird, wobei sowohl FS als auch RS eine Funktion einer Wellenlänge sind. In 3 erstreckt sich der Bereich von 1548,3 nm bis 1548,8 nm, wobei Bereichsteilungsmarkierungen 0,1 nm pro Teilungsmarkierungen sind. Die dargestellten Kurven FS und RS sind repräsentativ für Charakteristiken der Reflektor/Filter-Vorrichtung 40, wobei die asymmetrische Form der Charakteristiken für ein optisches Fasergitter durch die Tatsache erklärt werden kann, dass die Intensitätsverteilung des belichtenden UV-Lichts nicht flach ist. Diesbezüglich siehe Mizrahi, V. und Sipe, J. E., "Optical Properties of Photosensitive Fiber Gratings", J. Lightwave Technol., 1993, vol. 11.
4 zeigt eine Kurve bezüglich eines Fehlersignals ES, wenn der Laser bezüglich einer Temperatur über dem Wellenlängenbereich von 1548,3 nm bis 1548,8 nm (d. h. über demselben Bereich wie bei 3) abgetastet wird. Das Fehlersignal ES resultiert aus der Berechnung FS(λ)–k RS(λ) über dem Wellenlängenbereich der 3. Beim Vergleichen des Fehlersignals ES der 5 relativ zu Kurven FS und RS der 3 sollte in Erinnerung gerufen werden, dass die Kurve RS der 3 noch mit der Verstärkungskonstanten k multipliziert werden muss.
Ein Segment des Fehlersignals ES wird zur Erzeugung des Steuersignals CS auf der Leitung 80 verwendet. Insbesondere wird das Steuersignal CS in einer Nachbarschaft NBHD oder einem "Operationsfenster" einer glatten Steigung um eine Referenzstelle P erzeugt. Die Nachbarschaft NBHD ist auf eine glatte Steigung bei der Übertragungsfunktion der Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 beschränkt. Die Referenzstelle P ist die Stelle, bei welcher das Steuersignal CS einen Wert von Null hat (d. h. die x-Achse der 4 kreuzt). Die Position der stelle P ist ein Ergebnis einer Verstärkung der FS- und RS-Signale, wobei wiederum auf den Verstärkungsfaktor k in der Gleichung 1 Bezug genommen wird. Mit geeigneten Einstellungen wird die Stelle P im aktiven Bereich (z. B. Nachbarschaft NBHD) zentralisiert. Die Einstellungen sind zum Kompensieren einer nicht idealen Gitter-Übertragungsfunktion beabsichtigt. Ein ideales Gitter mit einem Reflexionsvermögen von 100% und ohne Verluste würde keine solchen Einstellungen erfordern.
Es sollte verstanden werden, dass eines oder mehrere zusätzliche Segmente des Fehlersignals ES sich für das Steuersignal CS qualifizieren könnten. Das bedeutet, dass zusätzliche Nachbarschaften einer glatten Steigung des Fehlersignals ES existieren könnten und (demgemäß) zusätzliche entsprechende Referenzstellen in der (den) zusätzlichen Nachbarschaft(en). Beispielsweise ist eine zusätzliche Referenzstelle P' in der Nachbarschaft NBHD' in 4 gezeigt. Während in der Nachbarschaft NBHD das Steuersignal CS eine positive Steigung hat, hat in der Nachbarschaft NBHD' das Steuersignal CS' eine negative Steigung. Allgemein ist eine Verwendung von Nachbarschaften mit positiver Steigung in Richtung zu längeren Wellenlängen vorzuziehen, da bei einigen Typen von Gittern Störungen bei kürzeren Wellenlängen auftreten können.
Für eine anfängliche Kalibrierung wird die nominelle Betriebswellenlänge des Lasers 22 manuell auf den NBHD-Bereich der Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 unter Verwendung eines optischen Spektrumanalysers eingestellt. Im NBHD-Bereich wird die Verstärkung "k" des Verstärkers 55 so bestimmt, dass FS (λ₀) = k*RS(λ₀) gilt, wobei λ₀ die Verriegelungs-Wellenlänge ist. Der Temperaturbereich des Lasers 22 wird eingestellt, um 0,5 nm um die Mitten-Wellenlänge der Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 und Filtersteigungen abzudecken. Das bedeutet, dass der maximale Betriebstemperaturbereich des Lasers 22 eingestellt wird, um 0,5 Nanometer bei einer entsprechenden Wellenlänge die gesamte Fasergitter-Wellenlängenübertragungsfunktion der Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 mit ihrer Mitten-Wellenlängenspitze und ihren Steigungen abzudecken. Dieser Bereich von 0,5 nm entspricht etwa einer Änderung von 5 Grad Celsius bezüglich der Lasertemperatur. Durch Einstellen der Verstärkung an den Detektorverstärkern 54 und 55 kann die Referenzstelle P auf die erwünschte Wellenlänge für den Laser 22 fein abgestimmt werden. Die Wellenlängensteigung ist etwas größer als eine Breite von 0,1 nm, und ein EA-DFB-Laser wird bezüglich der Temperatur auf einfache Weise innerhalb eines solchen Fensters voreingestellt. Irgendeine Welligkeit bei dieser Steigung beeinflusst die Rückkoppelsignalparameter und die Genauigkeit. Bei einem normalen optischen Übertragungssystem (wie beispielsweise einem SDH/SONET-System) wird das Signal immer moduliert, um dadurch eine breitere Linienbreite zu ergeben und allgemein eine stabile Temperaturoperation zu begünstigen.
6 zeigt Schritte, die durch die Steuerung 45 zum Steuern einer Laserausgangs-Wellenlänge des Lasers 22 (unter Annahme eines Modes mit positiver Steigung) ausgeführt werden. Anfangs werden die Schritte der 6 in Zusammenhang mit der Steuerung 45 des Ausführungsbeispiels der 2A diskutiert werden. Anfangs wählt bei einem Schritt 601 bei einem Starten die Überwachungssteuerung 120 einen nominellen Vorgabe-TEMP-Wert aus, der an die Leitung 82 anzulegen ist, und legt ein Spannungssignal, das einen solchen nominellen TEMP-Wert anzeigt, auf einer Leitung 130 an den Schalter 110 an. Die Überwachungssteuerung 120 gibt ein Auswahlsignal auf einer Leitung 132 aus, um zu veranlassen, dass der Schalter 110 das auf der Leitung 130 an den Temperaturwandler 100 angelegte Spannungssignal auswählt.
Zusätzlich legt die Überwachungssteuerung 120 beim Schritt 601 ein Signal auf einer Leitung 133 an einen Schalter 57 zum Auswählen von entweder dem Mode mit positiver Steigung oder dem Mode mit negativer Steigung an. Wie es oben angezeigt ist, wird während des Modes mit positiver Steigung die Ausgabe des Verstärkers 54 an den positiven Anschluss des Verstärkers 56 angelegt und wird die Ausgabe des Verstärkers 55 an den negativen Anschluss des Verstärkers 56 angelegt. In einem Mode mit negativer Steigung würde das Signal auf der Leitung 133 diese Anschlüsse vertauschen.
Dann bestimmt die Überwachungssteuerung 120 bei einem Schritt 602 einen dekrementierten TEMP-Wert (der in Bezug auf den beim Schritt 601 angelegten TEMP-Wert dekrementiert ist), und bestimmt bei einem Schritt 603, ob ein solcher dekrementierter Wert gleich einem minimalen TEMP-Wert ist. Wenn die Bestimmung beim Schritt 603 bestätigend ist, stellt die Überwachungssteuerung 120 bei einem Schritt 604 eine Spannung auf der Leitung 130 derart ein, dass sie einem maximalen TEMP-Wert entspricht. Sonst wird eine Spannung entsprechend dem dekrementierten TEMP-Wert auf der Leitung 130 (über den Schalter 110) an den Temperaturwandler 100 angelegt.
Unter Verwendung von entweder dem maximalen TEMP-Wert (wie er beim Schritt 604 bestimmt wird) oder dem dekrementierten TEMP-Wert (wie es beim Schritt 602 bestimmt wird), wie es geeignet ist, bestimmt der Überwachungsprozessor 120 bei einem Schritt 605, ob die Größe bzw. Amplitude (k*RF) die Größe FS übersteigt. Eine solche Bestimmung wird auf der Basis des Signals durchgeführt, das auf der Leitung 80 an den Überwachungsprozessor 120 angelegt wird. Wenn die Bestimmung beim Schritt 605 negativ ist, führt der Überwachungsprozessor 120 wieder den Schritt 602 aus, um den TEMP-Wert wieder zu dekrementieren.
Unter der Annahme einer positiven Bestimmung beim Schritt 605 erzeugt ein Signalprozessor 50 bei einem Schritt 606 ein Steuersignal CS unter Verwendung der Gleichung 1 (d. h. CS = FS – k*RS) zum Anlegen auf der Leitung 80. Wenn der Wert des Steuersignals CS Null übersteigt (wie es durch einen Schritt 607 angezeigt ist), erniedrigt der Temperaturwandler 100 den Wert des Signals TEMP auf der Leitung 82 (wie es durch einen Schritt 608 angezeigt ist). Sonst, nämlich dann, wenn der Wert des Steuersignals CS kleiner als Null ist (wie es durch einen Schritt 609 angezeigt ist), erhöht der Temperaturwandler 100 den Wert des Signals TEMP auf der Leitung 82 (wie es durch einen Schritt 610 angezeigt ist). Als Ergebnis von jeder Erhöhung oder Erniedrigung bezüglich des Werts des Signals TEMP auf der Leitung 82 ändert sich die Ausgabe des Lasers 22. Nach einer vorbestimmten Zeitverzögerung (wie es durch einen Schritt 611 angezeigt ist), berechnet der Signalprozessor 50 einen neuen Wert für das Steuersignal CS (wie es durch Zurückspringen zum Schritt 606 in der 6 angezeigt ist).
Somit erniedrigt im Betriebsmode mit positiver Steigung dann, wenn der Wert des Steuersignals CS auf der Leitung 80 positiv ist (z. B. größer als null Volt ist), die Temperatursteuerung 100 den Strom des Lasertemperatur-Rückkoppelsignals auf der Leitung 82. Gegensätzlich dazu erhöht im Betriebsmode mit positiver Steigung dann, wenn der Wert des Steuersignals CS auf der Leitung 80 negativ ist (z. B. kleiner als null Volt ist), die Temperatursteuerung 100 den Strom des Lasertemperatur-Rückkoppelsignals auf der Leitung 82.
Ein Betrieb eines Modes mit negativer Steigung kann aus der vorangehenden Beschreibung des Modes mit positiver Steigung abgeleitet werden.
Unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel der 2B können Schritte der 6, von denen gesagt ist, dass sie durch die Überwachungssteuerung 120 ausgeführt werden, auf eine konsolidierte Weise durch den Mikroprozessor 60 ausgeführt werden. Alternativ dazu kann das Ausführungsbeispiel der 2B auch eine Überwachungssteuerung und/oder einen Steigungsmoden-Auswahlschalter 70 enthalten, wie es in 2A dargestellt ist.
Irgendein bezüglich der Wellenlänge abstimmbarer Laser kann für den Laser 22 verwendet werden, vorausgesetzt, dass die optische Linienbreite des Lasers gleich der oder kleiner als die Reflektor/Filter-Steigung ist, und vorausgesetzt, dass es nur eine optische Wellenlängenspitze im Reflektor/Filter-Steigungsbereich gibt. Darüber hinaus können, wie es oben angegeben ist, Laser verwendet werden, die andere als EA-DFB-Laser sind, wie beispielsweise ein Laser vom verteilten Bragg-Reflektortyp, vorausgesetzt, dass Anschlüsse für eine Wellenlängenabstimmbarkeit und/oder eine Absorptionssteuerung vorhanden sind.
Eine Empfindlichkeit von 0,0083 nm/C (1G Hz/C) wurde für die dargestellte Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 gemessen. Die Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 ist vorzugsweise ein optisches Fasergatter mit einer glatten Übertragungsfunktion und einem Reflexionsvermögen von 50%–100%. Die Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 sollte hergestellt sein, um eine geeignete Temperaturempfindlichkeit und eine geeignete Vorrichtungskopplungskoeffizientenstabilität zu haben.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 ein optisches Fasergitter und kann gemäß herkömmlichen Techniken auf einem Glas, einem Polymer, einem Kristall oder einem Halbleitersubstrat hergestellt sein. Vorzugsweise wird die Reflektor-Filter-Vorrichtung 40 in optisch stabilen und temperaturstabilen Materialien hergestellt, wie beispielsweise Glas oder Kristallen. Optische Eigenschaften und geometrische Dimensionen in Quarzglasfasern sind sehr stabil in Bezug auf hohe optische Leistungspegel und Umgebungstemperaturänderungen. Ebenso sind integrierte Optiken auf Silizium, z. B. Silika-basierende Wellenleiter auf Silizium, einsetzbar.
Das Vorangehende zeigt, wie der Laser 22 auf die Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 zu verriegeln ist. Signifikanterweise ist die Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 relativ unempfindlich gegenüber der Temperatur, und demgemäß eine gute Wellenlängenreferenzquelle. "Relativ unempfindlich" bedeutet, dass die Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 eine Änderung von 0,0083 Nanometer oder darunter pro Grad Celsius hat. Es ist möglich, die Temperatur der Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 durch Packen derselben in ein temperaturgesteuertes bzw. -geregeltes Rohr oder ähnliches weiter zu steuern bzw. zu regeln.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Koppler/Teiler 30 ein 2 × 2-Koppler mit einem Verhältnis von 1/99. Signalpegel der Detektoren 52 und 54 sind in der Größenordnung von –30 dB.
Die Detektoren 52 und 53 können irgendein optischer Detektor sein, der ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umwandelt, wie beispielsweise ein PIN-Dioden-Typ PRG1010/T, der von Ericsson Components AB hergestellt wird.
Die Verstärker 54 und 55 werden zum Optimieren und Zentrieren des Arbeitspunkts P in der Nachbarschaft NBHD (siehe 4) durch Vorsehen von Verstärkungseinstellungen für sowohl FS- als auch RS-Signale in Bezug auf die spezifischen Übertragungscharakteristiken der Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 verwendet. Beispielsweise dann, wenn die Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 eine Reflexion von weniger als 50% hat, sind Verstärkungseinstellungen über Verstärker 44 und 55 nötig, um eine Durchgangsstelle in der FS/RS-Übertragungscharakteristik zu erhalten. Eine ideale Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 würde keine Verstärkung 54 und 55 erfordern, obwohl die Verstärker aus anderen Gründen nötig sein könnten (z. B. zur Verwendung der Signale durch den Mikroprozessor 60).
Eine Zeitverzögerung (wie sie durch einen Schritt 311 in 6 angezeigt ist) ist zwischen Einstellungen des Lasertemperatur-Rückkoppelsignals auf der Leitung 82 vorgesehen. Eine solche Zeitverzögerung kann in der Temperatursteuerung 100 enthalten sein, oder zwischen aufeinander folgenden erneuten Berechnungen des Steuersignals CS.
Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden werden, dass es lange Zeitkonstanten gibt, wenn sich die Temperatur des Lasers 22 ändert, im Vergleich mit dem sehr viel schnelleren Effekt in Bezug auf eine Wellenlänge, welcher durch andere Faktoren induziert wird, wie beispielsweise eine Änderung des Laserstroms. Eine Signalprozessorsteuerung 50 berücksichtigt bei einer Ausführung ihres Programms solche anderen Rückkoppelparameter, wie eine Zeitkonstante und eine Verstärkung.
Unter Verwendung des Laserwellenlängen-Regelungssystems 20 der vorliegenden Erfindung wurde eine Wellenlängenstabilität für den Laser 22 auf innerhalb von 10 pm (1,2 GHz) gehalten. Eine solche Leistung ist besser als diejenige, die für ein 100 GHz-Abstands-Mehrkanalsystem erforderlich ist, das STM-16-Signale trägt.
5 zeigt ein optisches Mehrkanal-Übertragungssystem 200, das eine Vielzahl von modularen Kanalsignalgeneratoren 200A– 200N aufweist. Jeder Kanalgenerator 200A–200N enthält jeweils einen Laser 22A–22N, sowie jeweils ein Laserwellenlängen-Regelungssystem 20A–20N. Jedes der Laserwellenlängen-Regelungssysteme 20A–20N ist im Wesentlichen, wie es zuvor in Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben ist. Laserausgangsstrahlen 72A–72N werden durch bekannte Techniken gekoppelt (z. B. durch Koppler 230), um in einer Mehrkanalübertragung auf einer Leitung 272 zu resultieren. Jeder Kanalgenerator 200A–200N hat seine eigene lokale Referenz, was in einer Modularität der Kanalgeneratoren 200A –200N resultiert. Eine Modularität erlaubt eine Flexibilität bezüglich der Auswahl von Betriebswellenlänge und ermöglicht bzw. erleichtert auch eine weitere Integration. Darüber hinaus sind Kanalmanagement- und Kanalschutz-Merkmale vereinfacht.
Es sollte verstanden werden, dass Strukturen, die andere als ein optisches Fasergitter sind, für die Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 verwendet werden können, solange gefilterte und reflektierte Signale erhalten werden und zum Erzeugen eines Fehlersignals verwendbar sind, wie es hierin beschrieben ist. Beispielsweise wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Mehrfachtor-Etalon-Filter als Reflektor/Filter-Vorrichtung 40 verwendet. Während ein solches Etalon-Filter nicht so stabil wie ein optisches Fasergitter sein kann, hat das Etalon-Filter andere Vorteile, wie beispielsweise eine Periodizität der optischen Interferenz im Etalon. Eine solche Periodizität ist insbesondere in einem Mehrfach-Lasersystem von Vorteil, in welchem eine Vielzahl von identischen Etalonen verwendet wird. Jeder Laser ist auf die unterschiedlichen Wellenlängenspitzen in dem gleich beabstandeten Kamm von Resonanzen verriegelt.
In Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 2A sollte weiterhin verstanden werden, dass die Funktion des Schalters 110 durch die Überwachungssteuerung 120 übernommen werden kann. In einem solchen Fall würde die Überwachungssteuerung 120 an den Temperaturwandler 100 entweder den analogen Wert auf der Leitung 80 oder den analogen Wert, der sonst angelegt worden wäre, auf der Leitung 130 anlegen.
Während die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben worden ist, wird es von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden werden, dass verschiedene Abänderungen bezüglich der Form und des Details daran durchgeführt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die Ansprüche definiert ist.
Die Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei welchen eine exklusive Eigenschaft oder eine Vorherrschaft beansprucht wird, sind wie folgt definiert.

Claims

Laserwellenlängen-Regelungssystem zum Stabilisieren einer Laserausgangs-Wellenlänge von einem Laser, der eine Laserausgangsstrahlung erzeugt, wobei das System folgendes aufweist: eine Reflektor/Filter-Vorrichtung, auf welche die Laserausgangsstrahlung wenigstens teilweise einfällt, zum Ergeben von sowohl einem filterübertragenen Signal als auch einem reflektierten Signal; eine Steuerung, die sowohl das filterübertragene Signal als auch das reflektierte Signal verwendet, um ein Steuersignal zur Verwendung beim Stabilisieren der Laserausgangs-Wellenlänge zu erzeugen; wobei die Steuerung das Steuersignal basierend auf einer Null-Durchgangsstelle des Steuersignals in einer Nachbarschaft einer glatten Steigung des Steuersignals erzeugt.
Laserwellenlängen-Regelungssystem zum Stabilisieren einer Laserausgangs-Wellenlänge von einem Laser, der eine Laserausgangsstrahlung erzeugt, wobei das System folgendes aufweist: eine Reflektor/Filter-Vorrichtung, auf welche die Laserausgangsstrahlung wenigstens teilweise einfällt, wobei die Reflektor/Filter-Vorrichtung eine Übertragungsfunktion hat, die sowohl ein filterübertragenes Signal als auch ein reflektiertes Signal ergibt; eine Steuerung, die sowohl das filterübertragene Signal als auch das reflektierte Signal verwendet, um ein Fehlersignal zu erzeugen, wobei das Fehlersignal wiederum durch die Steuerung verwendet wird, um ein Steuersignal mit einer Null-Durchgangsstelle in einer Nachbarschaft einer glatten Steigung der Übertragungsfunktion zu erzeugen, wobei die Steuerung das Steuersignal zum Stabilisieren der Laserausgangs-Wellenlänge verwendet.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung einen Temperaturwandler aufweist, der das Steuersignal zum Erzeugen eines Lasertemperatur-Rückkoppelsignals zum Einstellen der Laserausgangs-Wellenlänge des Lasers verwendet.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Reflektor/Filter-Vorrichtung ein optisches Fasergitter ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung einen Signalprozessor aufweist und wobei der Signalprozessor folgendes aufweist: einen ersten Detektor zum Erfassen des filterübertragenen Signals; einen zweiten Detektor zum Erfassen des reflektierten Signals; und eine analoge Schaltung, die das filterübertragene Signal und das reflektierte Signal zur Erzeugung des Steuersignals vergleicht.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung einen Signalprozessor aufweist und wobei der Signalprozessor folgendes aufweist: einen ersten Detektor zum Erfassen des filterübertragenen Signals; einen zweiten Detektor zum Erfassen des reflektierten Signals; und einen digitalen Prozessor, der das filterübertragene Signal und das reflektierte Signal zur Erzeugung des Steuersignals vergleicht.
Laserwellenlängen-Regelungsverfahren zum Stabilisieren einer Laserausgangs-Wellenlänge, wobei das Verfahren folgendes aufweist: Führen einer Laserausgangsstrahlung von einem Laser zu einer Reflektor/Filter-Vorrichtung, die sowohl ein filterübertragenes Signal als auch ein reflektiertes Signal ergibt; Verwenden von sowohl dem filterübertragenen Signal als auch dem reflektierten Signal zum Erzeugen eines Steuersignals; Verwenden des Steuersignals zum Stabilisieren der ausgegebenen Wellenlänge des Lasers; wobei das Steuersignal basierend auf einer Null-Durchgangsstelle des Steuersignals in einer Nachbarschaft einer glatten Steigung des Steuersignals erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin ein Verwenden des Steuersignals zum Erzeugen eines Lasertemperatur-Rückkoppelsignals zum Einstellen der Laserausgangs-Wellenlänge des Lasers aufweist.
Optisches Mehrkanal-Übertragungssystem, das folgendes aufweist: eine Vielzahl von Kanalgeneratoren, wobei jeder Kanalgenerator folgendes enthält: einen Laser zum Erzeugen einer Laserausgangsstrahlung für seinen jeweiligen Kanalgenerator; ein Laserwellenlängen-Regelungssystem zum Stabilisieren der Laserausgangsstrahlung für seinen jeweiligen Kanalgenerator, wobei das Laserwellenlängen-Regelungssystem folgendes aufweist: eine Reflektor/Filter-Vorrichtung, auf welche die Laserausgangsstrahlung wenigstens teilweise einfällt, zum Ergeben von sowohl einem filterübertragenen Signal als auch einem reflektierten Signal; eine Steuerung, die sowohl das filterübertragene Signal als auch reflektierte Signal zum Erzeugen eines Steuersignals zur Verwendung beim Stabilisieren der Laserausgangs-Wellenlänge verwendet; und ein Kopplungssystem zum Koppeln der Laserausgangsstrahlung für die Vielzahl von Kanalgeneratoren, um eine optische Mehrkanalübertragung zu erzeugen; wobei die Signalverarbeitungssteuerung das Steuersignal basierend auf einer Null-Durchgangsstelle des Steuersignals in einer Nachbarschaft einer glatten Steigung des Steuersignals erzeugt.
System nach Anspruch 9, wobei die Reflektor/Filter-Vorrichtung ein optisches Fasergitter ist.
System nach Anspruch 9, wobei die Steuerung einen Temperaturwandler aufweist, der das Steuersignal zum Erzeugen eines Lasertemperatur-Rückkoppelsignals zum Einstellen der Laserausgangs-Wellenlänge des Lasers verwendet.
System nach Anspruch 9, wobei die Steuerung einen Signalprozessor aufweist und wobei der Signalprozessor folgendes aufweist: einen ersten Detektor zum Erfassen des filterübertragenen Signals; einen zweiten Detektor zum Erfassen des reflektierten Signals; und eine analoge Schaltung, die das filterübertragene Signal und das reflektierte Signal zur Erzeugung des Steuersignals vergleicht.
System nach Anspruch 9, wobei die Steuerung einen Signalprozessor aufweist und wobei der Signalprozessor folgendes aufweist: einen ersten Detektor zum Erfassen des filterübertragenen Signals; einen zweiten Detektor zum Erfassen des reflektierten Signals; und einen digitalen Prozessor, der das filterübertragene Signal und das reflektierte Signal zur Erzeugung des Steuersignals vergleicht.