CN100541946C - 用于粗波分复用系统的温度控制 - Google Patents

Abstract

用于在扩展的环境温度范围内维持CWDM发送器在设计参数内运行的光电设备和方法。为了避免随温度移动的过度的波长漂移，CWDM发送器中的激光器例如通过使用热电冷却器而被加热或冷却到所选温度。通过对激光器进行加热或冷却，环境温度变化可能对激光器造成的任何波长漂移被最小化至比所选温度热或冷的范围。当激光器的温度范围增加到所选温度以上时，使驱动激光器的AC摆幅增加，以便为可接受的发送器性能维持足够的消光比。

Description

用于粗波分复用系统的温度控制

技术领域

总体而言，本发明涉及光电部件。更具体而言，本发明涉及用于维持CWDM发送器在扩展的温度范围上在目标波长通道中进行发送的系统和方法。

背景技术

计算机和数据通信网络因下降的成本、提高的计算机和组网设备的性能、因特网的显著增长和由此所导致的对通信带宽的增加的需求而继续发展和扩展。如此的增加的需求发生在城市区域内和之间、以及通信网络内。而且，由于各组织已经意识到使用通信网络的经济利益，网络应用如电子邮件、话音和数据传递、主机访问以及共享和分布式数据库正越来越多地被用作增加用户生产率的手段。这种增加的需求，连同分布式计算资源的增加的数量，已经导致所需的光纤系统的数量的快速扩展。

通过光纤，光信号形式的数字数据通过激光器或发光二极管而形成，然后通过光缆来传播。这样的光信号允许高数据传输速率和高带宽容量。然后，光信号在光电二极管处被接收，光电二极管将光信号转换回电信号。当前的光学设计典型地包括在单个收发器模块内的激光器和光电二极管二者，该单个收发器模块在一端可经由兼容的连接端口而连接到如主计算机、交换集线器、网络路由器、交换机盒、计算机I/O等的主设备，并在另一端连接到光缆。除激光器和光电二极管之外，每个收发器模块典型地包含经由激光器将电信号变为光信号并将光信号变回在光电二极管处所接收的电信号所需要的所有其它光和电部件。

使用光作为传输介质的另一优点是，多个波长成分的光可通过单个通信路径如光纤来传输。该过程一般称作波分复用(WDM)，其中通信介质的带宽通过所使用的独立的波长通道的数量而增加。几个波长通道可使用粗波分复用(CWDM)应用来传输，以在单个通信线中实现较高的通道密度和总通道数量。

图1图示了典型地用在CWDM系统中的八个波长通道。如图所示，CWDM典型地实施了20纳米的通道间隔。因此，CWDM允许适度数量-典型地是8或更少-的通道堆叠在光纤1550nm区的周围。图1图示了CWDM传输是如何可发生在如下八个波长之一的：典型地1470nm、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nm和1610nm。

为了节约成本并降低功率消耗，CWDM发送器通常以不严格的±3nm的室温容差来使用无制冷激光器。宽的间隔适应了由于环境温度在相对小的可接受范围内发生变化而出现的无制冷激光器的波长漂移(wavelength drift)。

图2更详细地图示了CWDM系统中的三个相邻通道。每个通道使用具有宽约11nm的通带的滤波器。在可允许的允许通带之外的运行导致所发送信号的高衰减，且在极端情况下，导致与相邻通道的潜在串扰。从发送器发射的光无需占用整个通道，仅需保持在其中。因此，可以看出从发送器所发送的光的谱线可占用通带中心中由波长范围12所图示的波长范围。如果所发送的光在波长通道的一侧上也是可接受的，例如波长范围14。然而，如果发送器发射的光在指定的通带外或与相邻通带重叠的波长范围内，例如波长范围16，则CWDM系统不正常工作。

存在若干因素来确定由传统激光器源所产生的信号的波长。例如，这些因素包括：电流密度、光发射器的温度和光发送器的特定固有特性。参考图3，该图示出了在变化的温度范围内的波长(λ)移动(wavelengthshift)。波长范围沿y轴示出，没有具体地指出波长，而温度范围沿x轴示出，从-40℃到85℃。线20图示了温度增加时的特征波长移动。对于CWDM应用中通常所使用的分布式反馈(“DFB”)激光源，在对移动的良好近似的情况下，每摄氏度变化的0.1nm的波长漂移一般是可接受的。因此可以看出，所发射的光的波长是如何在125度的温度变化内移动约+12.5nm的。这由曲线20的线率示出，在-40℃斜线的低点22比在85℃的高点24低12.5nm。

为了控制温度所导致的波长漂移的效应，CWDM收发器典型地由该收发器外部的设备来冷却，如扇或其置于温度受控的室内。该受控环境使收发器部件保持在合理的温度范围内，使得激光器在所指定的波长通道内在一波长范围来发射。

然而，仅在受控环境中使用CWDM收发器可以是非常受限而昂贵的。结果，对于如何在较不昂贵或较方便的场所来运行CWDM收发器，已引起更多关注。例如，如果CWDM收发器可在诸如边远场所的数据中继站的现场中工作，将可以体现CWDM技术的先进性。事实上，对于CWDM收发器所期望的工作条件目前是从-40℃到85℃。

因此，需要这样的设备和方法，使得CWDM收发器能够在具有大的温度变化的环境中工作而没有过度的波长漂移。具体地，在没有风扇或在其不置于温度受控的室内的情况下使CWDM收发器能够工作，将体现本领域技术的进步。

发明内容

本发明涉及用于在扩展的环境温度范围内维持CWDM发送器工作在设计参数内的方法和系统。更具体地，为了避免随环境温度移动的过度的波长漂移，CWDM发送器中的激光器被加热并冷却至所选的设定点温度。设定点温度优选地是在最大环境温度范围内可将激光器温度锁定的温度。通过对激光器进行加热和冷却，环境温度变化可造成的激光器的任何波长漂移被最小化到可容许的范围。当激光器的温度从设定点温度增加或减小时，可调节驱动激光器的AC摆幅(AC Swing)，以维持用于可接受的发送器性能的足够的消光比。

由此，本发明的第一实例实施例是一种将由激光器二极管(laserdiode)所发射的光的波长维持在所期望容差范围内的方法。该方法一般包括：提供可从至少第一所选温度到第二所选温度工作的激光器二极管，其中在从第一温度到第二温度的温度范围内由激光器二极管所发射的光的波长移动大于所期望的量；以及按需对激光器二极管进行加热或冷却，使得激光器二极管不下降到第三温度以下，该第三温度在第一温度和第二温度之间，或使得激光器二极管不上升到第四温度以上，该第四温度在第三温度和第二温度之间，其中在从第三温度到第四温度的温度范围内由激光器二极管所发射的光的波长移动移动了落到所期望容差范围内的量。在该实施例的一个变型中，在下降到第三温度以下或上升到第四温度以上的激光器二极管的温度上，对激光器二极管的AC摆幅进行调节，以最小化从设定点的消光比变化。

本发明的另一实例实施例也是一种运行用于CWDM系统中的光电组件的方法。该方法一般包括：将光电组件中的激光器二极管加热到高于典型的光电组件环境温度的设定点温度；运行激光器二极管以发射光；在识别出激光器二极管的温度在设定点温度以上或以下时，将激光器二极管加热或冷却到设定点的所选范围内；在识别出激光器二极管的温度在设定点温度以上或以下且没有足够可用的功率来进一步加热或冷却该激光器二极管时，调节驱动激光器二极管的AC摆幅，以使消光比变化最小化。

本发明的再一实例实施例是一种光电设备。该光电设备一般包括：光电组件，其包括用于发射光的激光器二极管；用于控制该激光器二极管的工作的激光器驱动器；耦合到激光器二极管用于控制该激光器二极管的温度的温度控制器；用于检测与该激光器二极管相关联的温度的至少一个温度传感器；存储器，配置成存储查找图表，用于基于所检测的激光器二极管温度来控制激光器二极管的AC摆幅；以及一个或多个控制装置，用于生成：到温度控制器的命令信号，用于控制该温度控制器的运行使得该温度控制器将激光器二极管温度维持在设定点附近的温度范围内；以及到激光器驱动器的命令信号，用于控制激光器二极管的AC摆幅。

本发明的这些和其它目的及特征从下面的描述和所附权利要求中将会变得更加充分明显，或者可以由下述的发明实践习知。

附图说明

为了使本发明的上述和其它优点和特征更加清楚，下面参考附图中示出的特定实施例对本发明做更具体的描述。应注意的是，这些附图仅描述本发明的典型的实施例，因此不应认为是对其范围的限制。下面通过使用附图利用附加的特性和细节来描述并解释本发明。

图1图示在CWDM系统中典型实施的八个波长通道；

图2图示与在CWDM系统中典型实施的若干波长通道有关的更具体的细节；

图3图示在激光器二极管温度范围内由激光器二极管所发射的光的波长图；

图4图示根据本发明一个实施例的光电收发器；

图5图示根据本发明一个实施例的发送器光学子组件；

图6图示根据本发明实施例在激光器二极管温度和环境温度范围内由激光器二极管所发送的光的波长图；

图7图示根据本发明实施例的激光器二极管温度随环境温度变化而移动的若干曲线；

图8图示根据本发明另一实施例在激光器二极管温度范围内运行光电设备的方法。

具体实施方式

本发明涉及用于在扩展的环境温度范围内维持CWDM发送器在设计参数内来工作的方法和系统。为了避免随着环境温度变化而出现过度的波长漂移，CWDM发送器中的激光器被加热并冷却至所选的设定点温度左右的范围。通过对发送器进行加热和冷却，环境温度变化可能对发送器中的激光器造成的任何波长漂移被最小化至可容许的范围。

现在参考附图描述本发明的示范性实施例的各个方面。应该理解的是，附图是这些示范性实施例的概略的和示意性的表述，不应限制本发明，也不是必须按比例绘制。

在下面的描述中，列出了大量的特定细节，以提供对本发明的彻底的理解。然而，对本领域的技术人员明显的是，本发明可以无需这些特定的细节来实践。在其它例子中，光电系统和设备的公知方面没有具体描述，以避免不必要地混淆本发明。

现在参考图4，图4示出根据本发明的可在CWDM系统中使用的光电收发器100的实施例的示意性表述。本领域的技术人员应该理解的是，考虑到在此公开的内容，本发明的各方面可在收发器100及这里所附讨论的上下文的范围之外实践。如图4示例，收发器100包括接收器光学子组件(ROSA)106，其包含机械光纤插座107和耦合光学装置、以及光电二极管和预放大器(预放大)电路。ROSA 106依次连接到后置放大器(后置放大)集成电路108，该集成电路108的功能是从ROSA 106获得相对小的信号并将它们放大和限制以产生等幅的数字电子输出，其经由RX+和RX-引脚110连接到外部电路。后置放大电路108提供了公知为表示合适的强的光输入存在或不存在的Signal Detect(信号检测)或Loss of Signal(信号损耗)的数字输出信号。

收发器100还包括发送器光学子组件(TOSA)114和激光器驱动器集成电路116，该集成电路116从RX+和RX-引脚118获取信号输入。TOSA 114包含机械光纤插座109和耦合光学装置、以及热电冷却器(TEC)和激光器二极管或LED。激光器驱动器电路116将AC驱动和DC偏置电流提供到激光器。从收发器100的I/O引脚(未示)获取用于驱动器的信号输入。在其它实施例中，TEC在TOSA 114的外部。在另外的实施例中，TEC集成在激光器晶体管外形(TO，transistor-outline)封装内。

因为存在大量潜在的使收发器能够与主设备和光纤对接的设计，所以已采用了限定光收发器模块的物理尺寸和形状的国际和工业标准，来保证不同制造商之间的兼容性。例如，1998年，一组光学部件制造商开发了一套用于光收发器模块的标准，称为小型可插拔收发器多源协议(SFP Transceiver MSA)。除了电接口的细节之外，该标准还针对SFP收发器模块定义了物理尺寸和形状、收发器模块可使用的功率的量以及在主机的印刷电路板上所安装的并容纳收发器模块的对应的模块盒(module cage)，由此确保不同制造商的产品之间的互操作性。

由于数据速率增加，而收发器封装变得更小，因此由收发器所生成的热也典型地增加。然而，散热机构的使用增加了收发器组件的复杂度和成本，减少了组件的功能光和电部件原本可得到的空间，且增加了运行收发器所期望的功率量。由于这个原因，传统的CWDM系统无制冷而依赖于宽通道间隔和/或适度受控的环境。

用于冷却收发器的一个方案是使用热电冷却器(TEC)。TEC是一种能够将部件的温度维持在预定点的设备。如果部件变得太热，功率在TEC中的一个方向上流动以制冷。如果部件变得太冷，功率在另一方向上传递而TEC变成加热器。不幸的是，TEC在冷却模式中比在加热模式需要更多的功率。当模块的温度增加时，将模块保持在恒定温度所消耗的功率量呈指数增加。因为收发器标准严格地控制可提供给收发器的功率的量，因此，在宽的环境温度范围下利用TEC来提供使收发器维持在所期望的温度的窄范围内所需的冷却量，在常规上不是可行的。

TEC成功地用于密集波分复用(DWDM)系统，其中TEC结合其它温度控制系统-主要是温度受控室-来精密调整激光器的工作。因此，TEC不负责大幅度的温度调节。

根据本发明，通过限制加热或冷却的最大量，使得在CWDM收发器中使用TEC或其它温度控制设备成为可能。这限制了收发器所需的功率使用，同时使得CWDM模块能够在宽环境温度范围内使用。因此，在该实施例中，光电收发器100包括在TOSA 114中或TOSA 114附近所设置的温度控制器(例如，热电冷却器(TEC))，用于控制其中的激光器二极管的温度。光电收发器100还包括TEC驱动器120和未示出的附加电路，用于控制TOSA 114的温度。

图4中亦示出了微处理器130，该微处理器130可包括一个、两个或多个芯片，被配置用于控制收发器100的工作。合适的微处理器包括由Microchip Technology，Inc制造的PIC16F873A、PIC16F8730、PIC16F8718-比特CMOS FLASH微控制器。微处理器130耦合以将控制信号提供到后置放大器108、激光器驱动器116和其它部件，并接收来自ROSA 106和TOSA 114的反馈信号。例如，微处理器130提供信号(例如，偏置和幅度控制信号)来控制激光器驱动器电路116(其由此控制光输出信号的消光比(ER))的DC偏置电流电平和AC调制电平，同时后置放大器电路108将Signal Detect(信号检测)输出提供到微处理器130，以指示合适的强的光输入的存在或不存在。

重要的是，偏置电流电平和AC调制电平二者都影响收发器100的光输出波长。本领域的技术人员理解，偏置电流的增加，而就较低的程度来说，AC调制的增加，可增加激光器芯片的有源区的温度。更具体地，由于偏置电流和AC调制增加，激光器芯片的功率耗散也增加。且在激光器芯片中所耗散的功率增加时，具有固定热阻的激光器芯片的温度也增加。甚至在激光器芯片的基部的温度典型地由TEC 120控制时也是如此。

收发器100的各个部件的温度和/或其它物理状况可使用耦合到微处理器130的传感器来获取。在某些实施例中，光学链接的状况也可使用传感器来获取。

微处理器130可处理除了这些控制功能外的、以及有时与这些控制功能结合的若干其它任务。这些任务包括但不必限于下述任务：设置功能，其一般涉及在工厂中在逐个部分的基础上所进行的所需调整以考虑部件特性的变化，如：激光器二极管阈值电流和斜率效率；识别功能，其控制在通用存储器(例如，EEPROM)中的标识码、子部件修正、工厂测试数据等的存储；眼睛安全和一般故障检测，用于适当地识别非正常的和潜在的不安全的工作参数，并将其报告给主设备和/或执行激光器关断；接收器输入光功率测量；激光器二极管驱动电流功能，用于设定激光器二极管的输出光功率水平；以及激光器二极管温度监视和控制。另外，微处理器130负责将控制信号提供到温度控制器，以将收发器100的壳体112和TOSA 114的温度维持在所期望的设定点上。

继续参考图4，收发器100具有用于与主设备通信的接口132，主设备例如其上附连一收发器的链接卡和/或一收发器提供光连接到其上的主系统计算机。主系统可以是计算机系统、网络附连的存储(NAS)设备、存储区域网络(SAN)设备、光电路由器以及其它类型的主系统和设备。

在某些实施例中，光电收发器100包括可执行上述列出的功能中的一些功能的集成电路控制器。例如，集成电路控制器执行识别和眼睛安全以及一般故障检测的任务，而微处理器将控制信号提供给温度控制器，且也可执行其它任务。

除了可以从壳中突出的连接器之外，收发器100的所有部件可位于保护壳112中。另外，收发器100最少包含发送和接收器电路路径以及一个或多个电源连接及一个或多个接地连接。

现在参考图5，以框图的形式示出TOSA 200的限定特征，以进一步图示本发明。在一个实施例中，TOSA 114可基本上与TOSA 200相同。TOSA 200包括激光器组件202(例如，激光器晶体管外形封装)，该激光器组件202又包括光发射器(例如，边缘发射激光器二极管，如分布式反馈激光器(DFB))，所述光发射器在正偏置电流、激光偏置被施加在其p-n结上时激活。图5还示出激光器温度传感器204和热电冷却器(TEC)206，其每一个耦合到激光器组件202。在其它实施例中，激光器温度传感器204和/或TEC 206集成在激光器组件202中。在另外的实施例中，TEC 206在TOSA 106外部。在另外的实施例中，激光器温度传感器可设置得与激光器子组件202间隔开，例如位于TOSA 200中的其它位置(例如，TOSA温度传感器208)，或位于TOSA的外部(例如，外部温度传感器210)。

在一些实施例中，激光器温度传感器204是热敏电阻(thermistor)。也可使用适于测量激光器二极管温度的任何其它设备。激光器二极管温度传感器204产生根据激光器二极管温度而变化的信号。如上所述，且如本领域的技术人员所熟知的，由激光器二极管产生的光信号的波长根据激光器二极管的温度而变化。因此，除了激光器温度传感器204外，采用对激光器二极管的工作状况进行测量的设备，该激光器二极管的工作状况根据该激光器二极管的温度而变化。例如，由于所发射的光的波长随温度变化，因此，所发射光的波长的测量可用于确定温度变化，并由此协调TEC工作中的改变。

虽然激光器温度传感器204优选地置于激光器二极管附近，但是，因为激光器温度传感器204与激光器二极管是物理上分离的，所以从激光器温度传感器204所读取的温度一般不同于激光器二极管的实际温度。因此，从激光器温度传感器204所读取的温度及其信号根据外部温度而变化。通过接收例如来自TOSA温度传感器208和/或外部温度传感器201的环境温度信号，微处理器130(或相似设备)能够补偿环境温度对于从激光器温度传感器所读取的温度的影响。

现在参考图6，其示出了与图3相似的曲线。如前所述，图3中的曲线20示出在-40℃到85℃的整个温度范围内的稳定的波长移动。除了曲线30也反映激光器具有随环境温度变化而直接从点32变到点34的温度之外，图6中的曲线30大致对应于图3的曲线20。当然，本领域的技术人员将意识到，实际的激光器温度由于运行发送器所生成的热或其它因素可相对环境温度轻微地变化。

图6还示出将激光器温度加热或冷却到设定点如何能够减少激光器所经历的波长移动。在本发明的一个实施例中，TEC 206用于基于对激光器温度传感器204、TOSA温度传感器208和/或外部温度传感器210的测量来按需地提供对激光器的加热或冷却。

曲线54示出与如曲线30所示相同的由激光器所经历的125度温度变化内光的波长移动。在该实施例中，TEC被设置成将发送器加热达到50℃。然而，不使能冷却操作。结果是，消除了50℃以下的随温度的任何波长移动，这由在50℃环境温度的左侧的曲线54上缺少斜线所示出。在该实施例中，TEC或其它热源能够加热激光器二极管至少90℃。由于TEC不控制50℃的点以上的激光器温度，因此在50℃以上仍然存在随环境温度的波长移动。这由50℃右侧的曲线54上的斜线示出。因此，如在此所使用的，术语“温度锁定”用于表示当环境温度在50℃或50℃以下时，如何将发送器(因此，发射激光器)的温度维持在50℃。在图6中，曲线54上所示的波长是在50℃的环境温度以下是温度锁定的，而在50℃以上漂移大约3.5nm。3.5nm的波长漂移在CWDM系统中一般是可接受的。

在只加热的实施中，例如曲线54中所示的实施例，TEC可由电阻加热器代替。因为电阻加热器成本比TEC小，所以该特征在某些实施例中是优选的。只加热技术在激光器可在相对高的温度工作的实施例中作用良好。这是因为如果在50℃以上工作在延长的时段，多数常规CWDM分布式反馈激光器具有性能和/或可靠性的问题。

当然，将发送器锁定在所选的温度的相同益处可通过实现冷却操作来加强。为了使冷却操作在较大的锁定温度范围具有较小的波长变化的益处，需要TEC。换言之，通过在环境温度超过50℃时将激光器二极管冷却到50℃，可避免波长移动。另外，例如分布式反馈激光器的设备硬件，如果在50℃以上没有工作在延长的时段，则具有较少的性能和/或可靠性的问题。

在图6中没有示出的本发明的一个实施例中，激光器二极管的温度在从-40℃到高于50℃的例如70℃的温度的环境温度范围内被锁定于50℃。然而，因为对TEC可用的有限功率，当环境温度超过70℃时，激光器二极管的温度失锁定。在这种情况下，对于从70℃到85℃的温度范围，有大约1.5nm的相对小的波长移动。

将发送器锁定到一所选温度的相同益处可通过将发送器加热到其它温度-例如70℃-来维持。曲线50示出当发送器温度锁定到70℃时在125度的环境温度变化内光的波长移动。在所示的实施例中，TEC被设定成将发送器加热到70℃。结果是，在70℃以下消除了随温度的任何波长移动，如在曲线50上70℃的环境温度左侧缺少斜线所示。由于TEC不控制该点以上的激光器温度，因此70℃以上仍然有随环境温度的波长移动。这由在曲线50上70℃的右侧的斜线所示。在图6中，曲线上所示的波长在70℃以下被锁定，而在70℃以上漂移大约1.5nm。1.5nm的漂移在CWDM系统中一般是可接受的。

如前述所讨论的，对于该实施例，甚至在环境温度超过70℃时，也可实现TEC的冷却操作，以将激光器二极管温度锁定在70℃。可获取的冷却的精确量依赖于对收发器可用的功率。

曲线58也示出在由激光器所经历的、与曲线30所示相同的、在125度温度变化内光的波长移动。在该实施例中，TEC被设定成将发送器加热达到70℃。尽管本领域的技术人员考虑到在此的公开，可增加冷却操作，在所示的实施例中没有实现冷却操作。结果，在紧随70℃的环境温度以下的范围内消除了随温度的任何波长移动，如在曲线58上紧随70℃的环境温度以左缺少斜线所示。由于TEC不控制该点以上的激光器温度，因此在70℃以上仍然有随环境温度的波长移动。这由在曲线58上70℃的右侧的斜线示出。在图6中，曲线58上所示的波长在紧随70℃环境温度以下的范围内是温度锁定的，而在70℃以上漂移大约1.5nm。

另外，在该实施例中，发送器在-20℃以下也失锁(其中，最大加热因模块功率约束而受限)。特定设备可失锁的较低端温度可随设备而变化。如曲线58的-20℃的左侧且结束在-40℃环境温度的点56处的斜线部分所示，设备在-20℃以下失锁，使得在-40℃的环境温度，发送器工作在50℃。因温度失锁而导致的激光器温度下降的确切量会随设备而变化。在该实施例中，在-20℃以下，波长漂移约2.0nm。结果，以曲线58的方式工作的发送器在-40℃到85℃的范围内经历了3.5nm的净波长漂移。如前所述，3.5nm的波长漂移在CWDM系统中一般是可接受的。

一般地，因为TEC在加热时比冷却时更有效，所以，在环境温度以上运行激光器二极管使得TEC更有效地工作。TEC在加热时比冷却时更有效，是因为当TEC对激光器二极管进行加热时热电效应和电阻加热一同起作用，而当TEC对激光器二极管进行冷却时却是彼此冲突的。在可插拔收发器应用中，效率特别重要，其中，可用功率，因此要起作用的TEC的能力，被限制到规定的水平。以仅在加热模式下的TEC运行CWDM模块在当前的CWDM收发器标准下是可接受的，因为受限电流汲取(current draw)不超过可允许的最大值。

现在参考图7，针对其它加热和冷却配置，示出了环境温度相对于激光器温度的三个附加实例。具体地，曲线500示出只加热的实施例，其中在只加热的实施中，激光器温度锁定到60℃。如前所述，因为这是只加热实施例，所以可使用TEC或电阻加热器。在曲线500中以及在下述的曲线502和504的每个中，由TEC或电阻加热器可提供到激光器的最大加热是75℃。因为温度锁定在60℃，该设备在-15℃的环境温度以下失去温度锁定，如线500的-15℃左侧的斜线所示。在-60℃的环境温度，激光器仍然是在35℃。结果，减小的温度变化减少了波长移动。而且，因为没有实施冷却，在60℃的环境温度以上，激光器温度随环境温度的上升而逐步上升。这通过线500的60℃的环境温度右侧的向上斜线示出。

相似地，曲线502示出了另一个只加热的实施例，其中温度锁定设定为45℃。在此情形中，因为直到环境温度下降到-30℃其才失锁，所以在环境温度范围的冷端存在较小的温度移动(且因此存在较小的波长移动)。然而，在环境温度范围的高端，设备在45℃失锁。因为没有实施冷却，所以激光器温度随环境温度的上升而逐步上升。因此在高温度具有较大的温度和波长移动。

接着，曲线504示出了一个实施例，其中加热和冷却都被实施，且温度锁定在45℃。在该实施例中，由TEC所实施的最大冷却是15℃。因此，设备在-30℃的冷端、但在仅60℃(45℃加15℃的冷却)的热端失锁。因此，易于看出，在设备中实施加热和冷却如何使温度锁定可维持的范围最大化。

在本发明的各种实施中，将激光器加热到设定温度不足以确保发送器在宽温度范围内精确工作。这是因为当激光器温度向上漂移时，当大多数常规CWDM分布式反馈激光器在50℃以上工作延长的时段时，不仅会有性能和/或可靠性的问题，而且斜率效率降低，而消光比也对应地下降。

一般地，光发送器被配置成在各种功率水平发送，以实现二进制数据的发送。更具体地，相对较高的光功率发送水平P1代表二进制1，而相对较低的光功率发送水平P0代表二进制0。因此，二进制数据的光发送通过对光发送器的输出功率进行调制来实现。这样的光功率发送水平具有关于光发送器的性能某种含义。

例如，光发送器典型地具有特征“消光比”，定义为P1/P0(用于以dBm表示的功率)。理想的光发送器会具有0的P0，且最佳消光比因此是无穷大。然而在实际中，光发送器必须如此偏置，以便P0位于激光器阈值附近，使得P0必然地在某种程度上大于0。这意味着至少一些光功率以P0发送，而实际的消光比并非无穷大。

消光比的具体值以及消光比的波动，涉及与所发送的数据流相关联的比特误差率(BER)。一般地，BER通过对在预定的比特序列中所发生的数据误差的数量进行计数而得出。而理想的BER应是零，这在实际中一般是不能实现的，而因此，事实上必须接受某个BER。在任何情况下，因为相对恒定的BER对光学系统的性能带来一定程度的可预见性且还有助于系统的可靠性，所以将BER维持在可接受的水平是重要的。

不仅相对低的消光比是有问题的，而且高的消光比或消光比波动也值得考虑。具体地，所期望的是使消光比尽可能地在工厂所校准的设置保持恒定。具体地，消光比减小可导致信噪比的问题，而消光比的增加甚至具有更有害的影响，其中发送性能在高的消光比时可严重劣化。

具体地，有必要校正随环境温度变化的不期望的消光比变化。进行消光比校正需要根据温度误差、也就是偏离激光器实际运行的校准温度有多大，而不是绝对温度。由于校准温度在某些情况下可以变化，重要的是使校正基于温度误差，而不是所测量的温度。为了进行消光比校正，本发明的各实施例合并了具有对AC摆幅进行设置的查找表的固件，其驱动用于激光器的AC电流。当激光器温度上升到设定点以上或以下时，AC摆幅按查找表的指引来增加或降低，以使消光比保持恒定。在一个实施例中，查找表在概念上将具有如温度误差、激光器偏置电流以及AC调制的列，结合对应的激光器温度的行。

再次参考图1和2，当前的CWDM标准使用大约11nm的通带，无源带通滤波器在每个通带的边缘上产生陡肩(steep shoulder)。因此，有必要使从激光器发射的光保持在指定的11nm通带内。本发明的实施例通过温度锁定激光器来保证当环境温度在宽范围内移动时、所发射光的波长不移动到所指定的通带以外。

选择优选的锁定温度，以便使失锁最小化且平衡。例如，如果可运行的环境温度范围是从-40℃到85℃，且TEC可提供20℃的冷却和65℃的加热，则最佳激光器设置温度将是在高和低端中的每个来平衡失锁的温度，即大约45℃。换言之，该设备对在低端20度和在高端20度会失锁。除了最大冷却是零度的情况，这种方法的计算对于只加热的设计也是正确的。

可替换地，在不需要考虑极低的温度的情况下，可选择较高的温度作为设定点，以避免在制冷上花费过多能量。例如可选择50℃作为设定点，因为它是许多常规收发器部件当前工作的最大工作温度。然而，在使用可经受住较高温度的收发器部件的情况下，可使用高的激光器温度作为设定点，如55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃。

根据本发明的实施例的校准发送器的一个实例方法包括：首先使与收发器100通信的计算机或其它设备在所期望CWDM通道中设定目标波长；以及命令微处理器130设定TOSA 114中的激光器二极管的设定点温度(经由TEC Command(命令)信号)。

另外，与微处理器130通信的计算机也可将用于激光器工作的AC调制和I_laser bias设定为缺省值。如果激光器的工作温度超过或下降到设定温度以下，这些值以后可根据需要通过查询查找表或其它方法来改变。

由于由收发器在规定的激光器二极管温度和电流密度所产生的波长从一个激光器二极管到另一个激光器二极管而不同，因此收发器100可在被安装在光网络中之前进行初始校准，如框图306所示。校准包括：对由激光器二极管所产生的光信号的波长进行监视，同时改变其温度和其它运行状况，然后将校准信息存储在微处理器130的存储器中。其还包括从光电设备中的传感器接收模拟信号并将该模拟信号转换为数字值，该数字值也存储在存储器中。使用该数据，设备基于微处理器中的数字值生成控制信号，以控制激光器二极管的温度来维持所期望的发射波长。

现在参考图8，以框图的形式示出运行CWDM收发器的另一实例方法。开始，计算机或其它设备命令微处理器130设定TOSA 114中的激光器二极管的设定点温度(经由TEC Command(命令)信号)，如框402所示。

例如通过参考一个或多个温度传感器204、208和210，或通过使用本领域公知的其它方法来确定温度，激光器二极管的运行温度然后被连续地或重复地确定，如框图404所示。例如，微处理器130然后连续地检查激光器二极管温度，以了解其是否在设定点温度以上或以下。如果激光器二极管温度在设定点温度以上或以下，则按需来调节TEC的(或其它温度控制器)运行，如框图406所示，且温度监视继续。如果激光器二极管温度在设定点温度以上，则TEC以冷却模式工作。如果激光器二极管温度在设定点温度以下，则TEC以加热模式工作。

然而，归因于可应用于收发器的标准，在收发器的整个工作的环境温度范围内，可能没有足够可用的功率将激光器二极管加热或冷却到设定点。因此，在充分的加热或冷却发生以使激光器二极管温度回到设定点之前，微处理器或其它设备监视功率消耗是否被最大化，如框图408所示。如果功率消耗是最大化的，那么激光器二极管将工作在设定点以上或以下，从而将发生波长漂移。为了避免消光比的问题，例如，微处理器或其它设备查阅TOSA固件中的查找表，且按需调节AC摆幅以实现用于激光器功率和消光比的工作的目标值，如框图410所示。

在某些实施例中，收发器控制器(未示出)用于执行某些否则可由微处理器130执行的功能。例如，收发器控制器可以用于在表中查找值并通过一个或多个数字模拟转换器来输出这些值。因此，查找表(或查找表的部分)还可通过收发器控制器来访问或存储，使得其可以输出某些控制信号而微处理器130输出其它控制信号。

本发明范围内的实施例还包括用于在其上承载或具有所存储的计算机可执行指令或数据结构的计算机可读介质。这样的计算机可读介质可以是可由通用或专用计算机来访问的任何可用介质。通过实例而非限制的方式，这样的计算机可读介质可实施在收发器固件中，和/或包括RAM、ROM、EEPROM或任何其它介质，所述介质可用于以计算机可执行指令或数据结构的形式来承载或存储所需的程序码装置，且可由微处理器130或通用或专用计算机来访问。计算机可执行指令包括例如使微处理器130、通用计算机、专用计算机或专用处理设备执行某一功能或某组功能的指令和数据。虽然不要求，可在由计算机所执行的如程序模块的这种计算机可执行指令的一般上下文中来描述或要求本发明。这种相关联的数据结构或可执行指令的特定序列代表对应动作的实例，用于实施在这些动作中所描述的功能。因此，上述所公开的本发明的方法可配置为作为计算机可执行指令通过计算设备来操作。

在不偏离本发明实质和本质特性的情况下，本发明可实施为其它特定的形式。所述实施例在各方面中都应视为示例性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附的权利要求而非前面的描述来表明。在权利要求的含义和等价的范围内的所有变化应包括在其范围内。

Claims (20)

1.一种将由激光器二极管所发射的光的波长维持在所需容差范围内的方法，所述方法包括：

提供可从至少第一温度到比该第一温度高的第二温度工作的激光器二极管，其中在从第一温度到第二温度的温度范围内由所述激光器二极管所发射的光的波长移动大于所期望的量；以及

按需地对所述激光器二极管进行加热或冷却，使得所述激光器二极管：

不下降到第三温度以下，所述第三温度在所述第一温度和所述第二温度之间；或

不上升到第四温度以上，所述第四温度在所述第三温度和所述第二温度之间；

其中在从所述第三温度到所述第四温度的温度范围内由所述激光器二极管所发射的光的波长移动偏移一个落入所期望的容差范围内的量。

2.如权利要求1的方法，其中所述激光器二极管被包括在粗波分复用(CWDM)模块中。

3.如权利要求1的方法，其中对所述激光器二极管进行加热的动作由耦合到所述激光器二极管、用于对所述激光器二极管的温度进行控制的温度控制器来执行。

4.如权利要求3的方法，其中所述温度控制器包括热电冷却器。

5.如权利要求1的方法，进一步包括：在所述激光器二极管的温度超过所述第三温度时，对到所述激光器二极管的AC摆幅进行调节，以将消光比维持在规定的下限以上。

6.如权利要求5的方法，其中所述AC摆幅通过对基于激光器二极管温度来索引AC摆幅的查找表进行查阅来调节。

7.如权利要求1的方法，其中所述激光器二极管的温度由从以下所构成的组中所选的设备来确定：与所述激光器二极管通信的温度传感器；位于光电组件中的温度传感器；以及位于光电组件外部的温度传感器。

8.如权利要求1的方法，其中所述第一温度和所述第二温度通过一温度范围而分开，以使得在整个所述温度范围内工作的所述激光器二极管的运行将经历大于8nm的波长移动。

9.如权利要求1的方法，其中所述第一温度包括负40℃或以下，且所述第二温度包括85℃或以上。

10.如权利要求1的方法，其中所述第三温度为50℃或更高。

11.如权利要求1的方法，其中所述第三温度为70℃或更高。

12.一种运行用于粗波分复用(CWDM)系统的光电组件的方法，包括：

将光电组件中的激光器二极管加热到设定点温度，该设定点温度在所述光电组件的典型的环境温度以上；

运行所述激光器二极管来发射光；

对所述激光器二极管进行加热或冷却，以将所述激光器保持在围绕所述设定点温度的所选范围内；以及

在识别出所述激光器二极管的温度在所述设定点以上时，对驱动所述激光器二极管的AC摆幅进行调节，以将由所述激光器二极管所发射的光信号的消光比维持在规定的下限以上。

13.如权利要求12的方法，进一步包括通过从由以下构成的组中所选的设备对所述激光器二极管温度进行监视：与所述激光器二极管通信的温度传感器；位于所述光电组件中的温度传感器；以及位于所述光电组件外部的温度传感器。

14.如权利要求12的方法，其中对所述激光器二极管进行加热的动作通过热电冷却器来执行。

15.如权利要求12的方法，其中所述AC摆幅通过对基于激光器二极管温度来索引所述AC摆幅的查找表进行查阅来调节。

16.如权利要求12的方法，其中所述设定点温度为50℃或更高。

17.一种光电设备，包括：

包括用于发射光的激光器二极管的光电组件；

用于对所述激光器二极管的运行进行控制的激光器驱动器；

耦合到所述激光器二极管用于对所述激光器二极管的温度进行控制的温度控制器；

用于对与所述激光器二极管相关联的温度进行检测的至少一个温度传感器；

存储器，配置成存储用于基于所检测的激光器二极管温度对所述激光器二极管的AC摆幅进行控制的查找表；以及

一个或多个控制装置，用于产生：到所述温度控制器的、用于对所述温度控制器的运行进行控制的命令信号，以使得所述温度控制器将所述激光器二极管温度维持在设定点温度附近的范围内；以及到所述激光器驱动器的、用于对所述激光器二极管的AC摆幅进行控制的命令信号。

18.如权利要求17的光电设备，其中：

所述至少一个温度传感器包括用于对来自所述光电组件内部的温度进行监视的激光器温度传感器和用于对所述光电组件外部的环境温度进行监视的外部温度传感器；以及

所述一个或多个控制装置包括微处理器，所述微处理器被配置成根据所述光电组件内的温度和所监视的环境温度二者来生成到所述温度控制器的命令信号。

19.如权利要求17的方法，其中所述温度控制器包括热电冷却器。

20.如权利要求17的方法，其中所述光电设备包括粗波分复用(CWDM)模块，其中所述粗波分复用(CWDM)模块配置成从第一温度到第二温度来工作，其中所述第一温度和所述第二温度通过一温度范围而分开，以使得在整个所述温度范围内工作的激光器二极管的运行将经历大于8nm的波长移动。

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