CN100536264C - 感测可调谐光学器件中的热调谐元件的温度的方法和装置 - Google Patents

感测可调谐光学器件中的热调谐元件的温度的方法和装置 Download PDF

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Abstract

可调谐光学单元包括一电阻温度器件(RTD)，一热调谐器件和一测量电路。RTD具有一依赖于热调谐器件的温度的电阻。测量电路输出一依赖于RTD的电阻的信号。该信号用来在调谐可调谐光学单元时控制热调谐器件的温度。参考电阻可以与RTD串联以进行在无需知道流过RTD的电流数值的情况下也可用按比率计量的方法确定RTD的电阻值(从而确定调谐元件的温度)并且降低对于激发信号中波动的敏感度。

Description

感测可调谐光学器件中的热调谐元件的温度的方法和装置
有关申请的交叉参照
本申请与共同待批的号码为[律师案号：42P15597]、题为“Remote ReferenceResistors(远距离参考电阻器)”、并与本申请同日提交的美国专利申请有关。
技术领域
本发明的实施例一般地涉及可调谐光器件，更具体地但并非排他地涉及可调谐光学器件中热调谐元件的温度感测。
背景技术
可调谐外腔激光器(“ECL”)广泛应用于光波测试与测量设备中，并且作为快速发展的波分复用(WDM)光通信领域的基本元件而开始得到认可。该领域中的很多应用要求各自不同系列的性能规格。然而，以下为一些典型要求：光机械组件和控制系统的小波形因数(form factor)、对输出激光波长的控制、激光组件的可靠性、以及低制作成本。
一个已知的选择性调谐ECL的中心激光波长的方法是在激光束路路上放置楔形光学滤波器。通过在光路上移动楔型滤波器来进行调谐。调谐来自于与激光束相交的楔型滤波器厚度的变化。另一种方法是，在激光束路路上旋转一个平形光学滤波器，通过调整激光束必须穿过光学滤波器的光程长度来达到理想的调谐效果。
这些调谐ECL的方法在某些应用中是行不通的，因为它们需要在ECL模块中安装诸如马达之类的机械致动器以达到滤波器理想的转化或旋转。在ECL模块中安装马达可能会妨碍ECL中其他敏感的光学元件并且产生妨碍性电磁干涉。此外，马达严重限制了现代ECL模块的小型化。小马达相对昂贵，并且在移动部件使用任何机械器件往往不如固定的机械和电子替代品可靠。
附图简要说明
本发明的非限定性、非穷举性实施例参考附图来描述，其中贯穿所有附图相同标记指代相同部件，除非另有说明。
图1是说明依据本发明一实施例的可调谐光学单元的结构图。
图2是说明依据本发明实施例的图1中可调谐光学单元的操作流程的流程图。
图3是说明依据本发明一实施例的图1可调谐光学单元的热调谐激光器的实现的结构图。
图4是说明依据本发明一实施例的实现图3的热调谐光学滤波器的热调谐标准具的结构图。
图5是说明依据本发明一实施例使用图3的热调谐激光器的光通讯系统的结构图。
详细说明
在以下详细描述中，陈述了很多具体细节。但是，应该理解的是，本发明的实施例无需这些具体细节也可以实现。在其他实例中，为了不妨碍对本描述的理解，没有详细地示出众所周知的电路、结构与技术。这些实施例以充分的细节来描述以使本领域普通技术人员可实践本发明。因此，以下的详细描述不应以限制性意味来对等，本发明的范围仅在所附的权利要求书中形成。
图1是依据本发明实施例的一个可调谐光学单元100。可调谐光学单元100可调至在所选波长上工作(例如，作为光学滤波器、光学发射器、光学接收器或其他光学器件)。在本实施例中，可调谐光学单元100包括一激发源102、一具有电阻温度器件(RTD)106的热调谐元件104、一参考电阻108以及一测量电路110。在一些实施例中，运用薄膜沉积工艺，RTD 106可成为热调谐元件104的一个组成部分。在另一实施例中，RTD 106可使用热敏电阻实现。
在一实施例中，激发源102输出一电信号，例如一所选电压信号或者一所选电流信号。RTD 106是一个电阻值随温度而变化的器件。在一实施例中，RTD106使用铂制结构来实现，该结构有益的是具有一在相对较大的温度范围内与其温度呈线性相关的电阻值，由此简化了调谐操作。参考电阻108是一已知电阻的阻抗器件。在一实施例中，参考电阻通过使用诸如美国加州Santa Clara的Vishay公司的型号为VSM0805的电阻器的精密低温度系数电阻器来实现。测量电路110被设计成用来测量例如电阻、电压、电流等电参数的电路。
在本实施例中，激发源102具有连接到RTD 106的节点114上的输出引线。RTD 106有另一节点115，其经由线117连接到参考电阻108的节点116上。
在此上下文中，线可以指例如一个或多个导电互连或者总线。参考电阻108的另一节点118通过线119连接到补给线V2(例如：接地线)。线121和122分别把RTD 106的节点114和115连接到测量电路110的输入端口123。同样，线124和125分别把参考电阻的节点116和118连接到测量电路110的输入端口126。测量电路110在线128上提供输出信号。
在一个实施例中，线128连接至控制电路(未示出)。可调谐光学单元100在调整其所选波长的操作上依结合图1和2的以下描述操作。
图2是依据本发明实施例的可调谐光学单元100(图1)的操作流程。参照图1和2，可调谐光学单元100运行如下。
在调谐操作中，激发信号通过热调谐元件104的RTD 106传播。在一个实施例中，激发源102输出激发信号，通过线113传送到RTD 106的节点114。例如，在一些实施例中，激发源可以是恒压源或恒流源，向RTD 106提供电信号。接着，RTD 106通过节点115把激发信号传播至线117。在一些实施例中，激发信号接着通过线117传送到参考电阻108的节点116、穿过参考电阻到节点118并经由线119到补给线V2。图2中方块201表示此操作流程。
接着，检测一受RTD 106影响的激发信号的电参数。在本实施例中，测量电路110检测所选电参数。例如，在一实施例中，测量电路110经由线121和122测量RTD 106上的电压降。在一实施例中，测量电路110可以对电压取样、生成对应于电压降的数值、并缓冲该数值以在需要时经由线128输出。在一些实施例中，还可检测到受参考电阻108影响的激发信号的电参数。例如，测量电路110可按照类似于上述测量RTD 106上电压降的方法经由线124和125测量出参考电阻108上的电压降。图2中方块203表示这一操作流程。
于是，热调谐元件104的温度是作为检测到的电参数的函数控制的。在这个实施例中，测量电路110经由线128输出依赖于检测到的电参数的信号，该信号随后由另一电路(未示出)用来调整热调谐元件104的温度至理想值。例如，可调谐光学元件100可以是光学发射器，用来发射所选波长的光信号。热调谐元件104的温度可通过反馈环路来控制以使得输出光信号的波长保持在理想波长。
在一些测量电路110测量RTD 106上和参考电阻108上的电压降的实施例中，RTD 106的电阻值可以使用恒流激发信号下的RTD 106上的电压降除以参考电阻108上的电压降按比率计量来确定。在其他实施例中，激发信号可以是恒定电压。因为相对精确地知道了参考电阻108的电阻值且电流是共享的，电流数值可在比率中约掉。因而，有益的是，不需要知道电流值就可以确定RTD106的电阻值。此外，按比率计量的测量对于激发信号中的波动与干扰相对不敏感。
此外，因为电压测量是通过线121和122的微分测量，测量电路110对于线121和122上的同模干扰相对不敏感。
因为RTD 106的阻值对应于温度，热调谐元件104的温度可以确定。因此，利用已知控制系统技术，热调谐元件104可使用电压测量来调整。图2中方块205表示此操作流程。
图3是依据本发明一个实施例的实际上是可调谐光学单元100(图1)的实现的热调谐激光器300。在此实施例中，热调谐激光器300如同可调谐光学单元100(图1)包括激发源102、参考电阻108和测量电路110。此外，热调谐激光器300包括一由反射器302和303限定的激光光路301、热调谐元件104A和104B(每一个都与图1描述的热调谐元件104大致类似)、一电压基准305、一开关306、模数变换器(ADC)电路308。在此实施例中，包括了在其他实施例中可以省却的校准电阻309。在此实施例中，热调谐元件104A和104B(分别包括RTD的106A和106B)是热调谐光学滤波器。开关306有一共有终端、一第一输出端以及一第二输出端。
在此实施例中，电压基准305和开关306是激发源102的一部件，电压基准305的输出端与开关306的共有终端相连接。开关306的第一输出端连接至线113使得发射源可以选择性地在线113上保持基本恒定的电压。在此实施例中，开关306的第二输出端与线117相连。
RTD 106A和106B设置于激光光路301中并经由线317相串联。特别地，RTD 106A有一个节点连到线113，另一个节点连到线317。RTD 106B有一个节点连到线317，另一个节点连到线117。参考电阻108连接至线117，在这一实施例中是经由线119接地。
在这一实施例中，ADC电路308是通过线121A和122A连接至RTD 106A、通过线121B和122B连接至RTD 106B的测量电路110的一部分。此外，测量电路110通过线128连接到控制单元310(此实施例中是在热调谐激光器300的外面)。控制单元310通过线319连接到热调谐光学滤波器104A和104B。在一些实施例中，控制单元310是以处理器为基础的单元，包括固件或软件来实现期望的控制功能(包括那些以下叙述的)。
在调谐操作中，热调谐激光器300按照上述关于可调谐光学单元100(图1)基本相似的方式操作。在一些实施例中，控制单元310可以检测和控制热调谐光学滤波器104A和104B的温度以具有不同的温度。这样可以控制激光器输出的波长。
更特别的是，在此实施例中，控制单元310促使开关306将电压基准305的输出端耦合至线113，而使校准电阻处于开路状态。因而，参考电阻108与RTD 106A和106B串联并传导基本相同的电流。这些元件所传导的电流中的任何差异可以在校准操作(其一个实施例在下文描述)时解决。ADC电路308分别测量参考电阻108、RTD 106A和RTD 106B上的电压降。在一些实施例中，ADC电路308包括一个多端口ADC，而在其他实施例中，ADC电路308包括带有三端口复用器的单个ADC以有选择地测量这三个元件上的电压降。如同以上关于可调谐光学单元100(图1)所述，RTD 106A和106B上的电压降(进而电阻)可以使用上述的按比率计量方法准确地测定，进而可用来控制热调谐光学滤波器的温度使得激光器输出具有期望的波长。此外，在一些实施例中，电压降是基本上同时测量的，以致激发信号的波动和/或干扰在两种测量中是共同的，使之可以通过按比率计量测量方法而抵除。
在此实施例中，热调谐激光器300可以执行校准操作。在校准操作中，控制单元310促使开关306将电压基准305的输出端连接至线117，由此旁路RTD106A和106B并以具有已知电阻值的校准电阻309代替它们。提供校准电阻309以便使激发源102和参考电阻108在校准模式和非校准模式中经历基本相似的条件。测量电路110随后测量RTD106A和106B的电压。测到的电压可能是由于ADC电路308和互连电阻的漏电引起的。控制单元310可以在非校准操作中运用这些测量以改善准确度。在其他实施例中，使用其它校准方法。
图4说明了依照此发明的一个实施例的热调谐光学滤波器104A(图3)。在此实施例中，热调谐光学滤波器104A包括热调谐标准具(etalon)401、加热器单元403和安装在标准具401的表面上使其围绕光信号传播区406(虚线表示)的加热器元件404。在此实施例中，RTD 106A被安装在标准具401的同一表面上，基本围绕着加热元件404。在一实施例中，RTD 106A由铂制成，运用传统的沉积和光刻技术形成于标准具401的表面。
图5是说明依照本发明一个实施例的运用图3的热调谐激光器的光通信系统的结构图。
在这里描述了用于可调谐光学器件的热调谐元件的温度检测的方法和装置的实施例。在以上描述中陈述了大量具体细节(诸如实现RTD的材料、准确测量温度的方法等等)以对发明实施例的全面认识。然而，熟悉相关技术的人会意识到，本发明的实施例在没有一个或多个具体细节的情况下或者用其他方法、组件、材料等等同样可以实践。在其他实例中，不具体说明或描述众所周知的结构、材料或操作以避免妨碍描述。
整个说明书中用“一个实施例”或“一实施例”是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被至少包括在本发明的一个实施例中。因而，在整个说明书的各种地方出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”等短语未必都是指同一实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中用任何合适的方法组合。
此外，本说明书的实施例不仅可在半导体芯片中实现而且可在机器可读媒质中实现。例如，上述的设计可以被储存在和/或被嵌入与用于设计半导体器件的设计工具相关联的机器可读媒质中。实例包括以VHSIC硬件描述语言(VHDL)语言、Verilog语言或SPICE语言为格式的网表。一些网表实例包括：行为层网表，寄存器转移层(RTL)网表，门层网表以及晶体管层网表。机器可读媒质也包括具有布置信息，诸如GPS-II文件的媒质。此外，网表文件或其他用于半导体芯片设计的机器可读媒质可以在模拟环境中使用以执行上述教导的方法。
因而，此发明的实施例可以被用作或支持在某种形式的处理核心(例如计算机的CPU)上执行的软件程序、或者以其它方式在机器可读媒质之上或之中执行或实现。机器可读媒质包括任何以可被机器(如计算机)读取的形式储存或传送信息的机制。例如，机器可读媒质可包括例如只读储存器(ROM)；随机存取储存器(RAM)；磁盘存储媒质；光学存储媒质；和闪存器件等等。此外，机器可读媒质可包括传播信号，诸如电信号、光信号、声信号或其它传播信号的形式(例如，载波、红外信号、数字信号等等)。
本发明的图示实施例的上述描述，包括摘要中的描述，并不是要穷举或限制于所揭示的精确形态。虽然为了说明的目的在此描述了本发明的具体实施例或示例，但本领域技术人员会意识到，各种等效更改方案是可能的。
這些更改可以根据以上对本发明实施例的具体描述进行。所附权利要求书中使用的术语不应当被解释为把发明局限于在详细说明书和权利要求书中所揭示的具体实施例。相反，范围完全由所附权利要求书确定，而权利要求将根据权利要求书的通用规则解释。

Claims (27)

1.一种感测可调谐光学器件的热调谐元件的温度的方法，它包括；
通过具有取决于可调谐光学器件的热调谐元件的温度的电阻值的电阻温度器件RTD以及与所述RTD相连的参考电阻传播一激发信号；以及
至少部分地响应于感测到的受RTD影响的电参数以及至少部分地响应于感测到的受所述参考电阻影响的电参数，选择性地调整热调谐元件的温度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激发信号促使RTD和参考电阻传导基本相等的电流。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，选择性地调整温度进一步包括：
测量参考电阻上的第一电压；
测量RTD上的第二电压；
确定RTD的电阻值作为第一和第二电压之比的函数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一和第二电压是基本同时测量的。
5.如权利要求3所述的方法，进一步包括耦合一校准电阻以在校准操作期间旁路所述RTD。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，测量RTD上的第二电压包括：
导通一电流通过所述参考电阻；以及
运用一电压测量装置测量所述参考电阻上的电压，使得所述电流基本没有流过所述电压测量装置。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电压测量装置包括一模数变换器。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，热调谐元件的温度在调谐激光器时被调整。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述热调谐元件有一光学滤波器。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光学滤波器包括一标准具。
11.一种感测可调谐光学器件的热调谐元件的温度的装置，它包括：
一电阻温度器件RTD，具有赖于可调谐光学器件的热调谐元件的温度的电阻；
测量RTD电阻的测量电路；
耦合到所述RTD和所述测量电路的参考电阻，所述参考电阻具有已知的电阻；以及
控制单元，响应于测得的RTD电阻和所述参考电阻的电阻有选择地调整热调谐元件的温度。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述测量电路使用由RTD传播的激发信号测量RTD的电阻。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述参考电阻以及所述RTD传播所述激发信号。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述测量电路测量RTD上的电压和参考电阻上的电压。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述测量电路基本上同时测量RTD上的电压和参考电阻上的电压。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述测量电路包括一模数变换器。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述模数变换器是一多端口模数变换器。
18.一种感测可调谐光学器件的热调谐元件的温度的系统，它包括：
一光学接收器；以及
一传输光学信号至所述光学接收器的光学传输器，所述光学传输器包括：
一电阻温度器件RTD，具有取决于可调谐光学器件的热调谐元件的温度的电阻，
一测量所述RTD电阻的测量电路，
耦合到所述RTD和所述测量电路的参考电阻，所述参考电阻具有已知的电阻，以及
一控制单元，响应于测得的RTD电阻和所述参考电阻的电阻有选择地调整热调谐元件的温度。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述测量电路运用由RTD传播的激发信号测量RTD的电阻。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述参考电阻和所述RTD传播所述激发信号。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述测量电路测量RTD上的电压和参考电阻上的电压。
22.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述测量电路包括一模数变换器。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，所述模数变换器是多端口模数变换器。
24.一种感测可调谐光学器件的热调谐元件的温度的装置，它包括：
电阻温度器件RTD，其具有依赖于可调谐光学器件的热调谐元件的温度的电阻；
与所述RTD相连的参考电阻；以及
用于至少部分地响应于受RTD影响的感测到的电参数以及至少部分地响应于感测到的受所述参考电阻影响的电参数有选择地调整热调谐元件的装置。
25.如权利要求24所述的装置，进一步包括用于生成激发信号的装置，所述激发信号促使RTD和参考电阻传导基本相等的电流。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述用于选择性地调整的装置包括：
用于测量参考电阻上的第一电压和用于测量RTD上的第二电压的装置；以及
用于确定RTD的电阻值作为所述第一和第二电压之比的函数的装置。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述用于测量的装置基本上同时测量所述第一和第二电压。
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