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Die Erfindung betrifft ein Lasermodul
für optische Übertragungssysteme
gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Stabilisieren einer Ausgangswellenlänge eines
Lasermoduls gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 18. Entsprechende Lasermodule eignen sich insbesondere
für einen
Einsatz in WDM- (Wavelenght Division Multiplex), DWDM- und CWDM
(Dense und Coarse Wavelength Division Multiplex) Systemen.
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Es sind Laserdioden mit einer sogenannten verteilten
Rückkopplung
bekannt, die aufgrund einer frequenzselektiven Rückkopplung anders als Laserdioden
mit einem Fabry-Perot-Resonator
nicht vielmodig, sondern einmodig emittieren. Insbesondere sind
in diesem Zusammenhang DBR- (distributed Bragg reflector) Laser
bekannt, bei denen außerhalb des üblichen
schwingungsaktiven Gebietes ein Bragg-Reflektor angeordnet ist.
Dabei handelt es sich um eine Struktur mit einer periodischen Störung, dem
Bragg-Interferenzgitter, die eine elekromagnetische Welle frequenzselektiv
reflektiert, vgl. Reinhold Paul: Optoelektronische Halbleiterbauelemente, Stuttgart 1992,
S. 203-204.
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Aus J.M. Hammer et al.: „Single-Wavelength operation
of the hybrid-external Bragg-reflector-waveguide laser under dynamic
conditions", Applied Physics Letters, Vol. 47 Nr. 3, August 1985,
Seiten 183-185, ist es bekannt, den Bragg-Reflektor in einen Glaswellenleiter
einzuschreiben, der optisch an einen Halbleiterlaser angekoppelt
ist, so dass ein externer Resonator entsteht. Es wird ein Halbleiterlaser
mit frequenzselektiver Rückkopplung
gebildet. In vorteilhafter Weise ist es dabei möglich, die spezifische Wellenlänge des Lichts
in gewissen Grenzen unabhängig
von der verwendeten aktiven Laserquelle durch das passive Faser-Bragg-Gitter
bzw. dessen Gitterkonstante festzulegen. So unterstützt das
Faser-Bragg-Gitter
aufgrund der frequenzselektiven Reflektion nur einen engen Laserwellenlängenbereich.
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Ein Faser-Bragg-Gitter besteht aus
einer Gitterstruktur in einem Lichtwellenleiter, welche durch eine
periodische Modulation der Brechzahl im Faserkern herbeigeführt wird.
Ein Einschreiben des Gitters in eine Lichtfaser erfolgt zum Beispiel
durch eine punktuelle Belichtung der Faser mit ultravioletter Strahlung
oder durch Verwendung einer Phasenmaske, die in der Lichtfaser ein
Interferenzstreifenmuster erzeugt. Gängige Verfahren zur Erzeugung
eines Faser-Bragg-Gitters sind in K.O. Hill et al.: "Fiber Bragg Grating
Technology Fundamentals and Overview", Journal of Lightwave Technology,
Vol. 15, No. 8, August 1997, Seiten 1263-1276 beschrieben.
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Lasermodule für optische Übertragungssysteme erzeugen
optische Signale einer oder mehrerer Wellenlängen, die bei Kanalpositionen,
die den Empfehlungen der International Telecommunications Union
(ITU) entsprechen, jeweils einen Informationskanal bilden. Die ITU
Empfehlungen für
WDM-, DWDM- und CWDM-Systeme legen dabei sowohl die absolute Lage
der Wellenlängen
als auch die Wellenlängenraster
(Kanalabstände)
fest. Es ist daher erforderlich, Änderungen in der Wellenlänge (und
bevorzugt auch in der Ausgangsleistung) der eingesetzten Lasermodule
mit hoher Genauigkeit zu vermeiden.
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Bei Lasermodulen mit externem Resonator unter
Verwendung eines Faser-Bragg-Gitters wird der emittierte Wellenlängenbereich
des Halbleiterlasers durch das Faser-Bragg-Gitter eingeengt. Die emittierte
Wellenlänge
des Lasermoduls darf sich jedoch im Laufe der Lebenszeit des Moduls
nicht verändern.
Auch muss die Temperatur des Halbleiterlasers gegenüber Änderungen
der Umgebungstemperatur konstant gehalten werden, da eine Änderung der
Lasertemperatur aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex
des aktiven Materials eines Halbleiterlasers zu einer veränderten
Wellenlänge
führt.
Eine Stabilisierung lediglich der Temperatur des Lasers, wie sie
an sich bekannt ist, kann jedoch keine altersbedingten Änderungen
der Lasereigenschaften berücksichtigen
und ist daher nicht ausreichend zur Erfüllung der strengen Kriterien
der ITU hinsichtlich der absoluten Lage der Kanäle.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
dementsprechend die Aufgabe zu Grunde, ein Lasermodul der eingangs
genannten Art und ein Verfahren zum Stabilisieren der Ausgangswellenlänge eines
Lasermoduls zur Verfügung
zu stellen, die die Wellenlänge des
Halbleiterlasers unabhängig
von Alter und Umgebungstemperatur mit hoher Genauigkeit auf eine gewünschte Wellenlänge, insbesondere
die Zentralwellenlänge
eines Faser-Bragg-Gitters einstellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Lasermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum
Stabilisieren der Ausgangswellenlänge eines Lasermoduls mit den
Merkmalen des Anspruch 18 gelöst.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen
angegeben.
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Danach zeichnet sich das erfindungsgemäße Lasermodul
durch Mittel zum Stabilisieren einer Ausgangswellenlänge des
Lasermodules aus, die eine Messvorrichtung zur Messung der Photonendichte
innerhalb des Resonators, eine Einstellvorrichtung zur Einstellung
bzw. Änderung
der effektiven optischen Weglänge
des Resonators und eine Steuervorrichtung umfassen, wobei letztere
auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen verschiedenen Werten
der Photonendichte bei verschiedenen effektiven optischen Weglängen des
Resonators Steuerbefehle an die Einstellvorrichtung zur Einstellung
der effektiven optischen Weglänge
des Resonators dahingehend erzeugt, dass die emittierte Ausgangswellenlänge gleich
einer gewünschten
Wellenlänge
ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren des nebengeordneten
Anspruchs 18 zeichnet sich dadurch aus, dass die Photonendichte
innerhalb des Resonators zunächst
bei einer ersten effektiven optischen Weglänge des Resonators gemessen
wird, die effektive optische Weglänge des Resonators daraufhin geändert und
die Photonendichte innerhalb des Resonators bei der geänderten
effektiven optischen Weglänge
des Resonators erneut gemessen wird. Die gemessenen Photonendichten
werden daraufhin verglichen, insbesondere voneinander subtrahiert, und
auf der Grundlage des erfolgten Vergleichs wird anschließend die
effektive optische Weglänge
des Resonators eingestellt, wobei in Abhängigkeit von dem erfolgten
Vergleich die effektive optische Weglänge entweder verlängert oder
verkürzt
wird. Die genannten Schritte werden solange wiederholt, bis die emittierte
Ausgangswellenlänge
gleich einer gewünschten
Wellenlänge
ist. Bei der gewünschten Wellenlänge handelt
es sich bevorzugt um die Zentralwellenlänge des Bragg-Gitters oder
eine Wellenlänge
nahe der Zentralwellenlänge,
so dass die Wellenlänge
innerhalb der jeweiligen spezifischen Kanalbreite liegt und den
jeweiligen spezifischen Kanalabstand einhält.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
somit der Gedanke zugrunde, die Ausgangswellenlänge eines Lasers durch eine
iterative Messung der Photonendichte und eine auf der Grundlage
aufeinanderfolgender Messungen erfolgende Anpassung der effektiven
optischen Weglänge
des optischen Resonators einzustellen und zu stabilisieren. Es erfolgt
auf diese Weise eine aktive Regelung auf eine gewünschte Wellenlänge, bevorzugt
die Zentralwellenlänge
des Bragg-Gitters. Durch die Stabilisierung der Wellenlänge werden
zudem Modensprünge
des Lasers verhindert und ein stabiler Betrieb des Lasers gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Stabilisierung der Ausgangswellenlänge kompensiert
sowohl Änderungen
der Lasereigenschaften, die mit einer Alterung der Laserdiode zusammenhängen als
auch solche, die auf eine Änderung
der Umgebungstemperatur oder andere Einflüsse (z.B. mechanische Spannungen)
zurückzuführen sind.
Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zu Nutze, dass die
Photonendichte eines Halbleiterlasers (beispielsweise gemessen über den
Strom einer Monitordiode), aufgetragen in Abhängigkeit von der Ausgangswellenlänge des Halbleiterlasers,
bei der Zentralwellenlänge
des Bragg-Gitter ein Maximum aufweist. Außerhalb des Maximums ist die
Differenz der Photonendichten bei zwei unterschiedlichen effektiven
optischen Weglängen
des Resonators (und damit unterschiedlichen Ausgangswellenlängen) ungleich
Null, wobei aus dem Vorzeichen des Differenzwertes geschlossen werden
kann, auf welcher Seite des Maximums die aktuelle Ausgangswellenlänge sich
gerade befindet.
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Bei bekannter Abhängigkeit der Photonendichte
eines Halbleiterlasers von der Ausgangswellenlänge kann eine Regelung jedoch
grundsätzlich auch
auf einen anderen Wert als die Zentralwellenlänge des Bragg-Gitters erfolgen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass
der Begriff „Photonendichte"
jeweils identisch mit dem Begriff „Lichtintensität" ist.
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Eine „Messung der Photonendichte"
bedeutet, dass ein Wert gemessen wird, dessen Größe von der Photonendichte im
Resonator abhängt.
Es fallen somit auch Messungen hierunter, die nicht unmittelbar
die Photonendichte ergeben, sondern aus denen sich lediglich indirekt
auf die Photonendichte schließen
lässt.
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Weiter wird zu den verwendeten Begrifflichkeiten
darauf hingewiesen, dass die effektive optische Weglänge des Resonators
definiert ist als der geometrische Abstand zwischen den beiden Reflektoren
des optischen Resonators multipliziert mit der Brechzahl n des Materials
im jeweiligen Resonatorabschnitt. Eine Änderung der effektiven optischen Weglänge des
Resonators führt
dazu, dass die Resonanzbedingung bei anderen Wellenlängen stattfindet,
so dass die Laserlinie des ausgekoppelten Lichtes sich verschiebt.
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Allgemein ist in diesem Zusammenhang
zu bemerken, dass für
eine bestimmte effektive optische Weglänge des Resonators für eine Vielzahl
von diskreten Wellenlänge
stehende Wellen innerhalb des Resonators gebildet werden, die die
einzelnen axialen Moden des Resonators darstellen. Aufgrund der frequenzselektiven
Rückkopplung
durch das Bragg-Gitter wird jedoch nur eine dieser Moden verstärkt. Auch
das Bragg-Gitter besitzt jedoch eine gewisse spektrale Ausdehnung,
wobei sich die Laserlinie innerhalb des entsprechenden Bereiches
bewegen kann. Durch eine Änderung
der effektiven optischen Weglänge
des Resonators kann die Laserlinie an einen gewünschten Punkt in der spektralen
Breite des Bragg-Gitters geschoben werden. Dabei ist es sinnvoll,
die Laserlinie des ausgekoppelten Lichtes auf die Zentralwellenlänge des
Bragg-Gitters zu legen, da bei dieser Wellenlänge die Güte des Lasers am größten ist.
Darüberhinaus
ist dieser Wert einer Regelung besonders zugänglich, da bei der Zentralwellenlänge die
Photonendichte im optischen Resonator ein Maximum erreicht.
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Das Bragg-Gitter kann grundsätzlich in
einen beliebigen Lichtwellenleiter eingeschrieben sein, beispielsweise
auch in eine planare Wellenleiterstruktur. Bevorzugt handelt es
sich bei dem Wellenleiter, in den das Bragg-Gitter eingeschrieben
ist, um eine Glasfaser, insbesondere eines Singlemode-Glasfaser. Für diesen
Fall wird das Bragg-Gitter als Faser-Bragg-Gitter bezeichnet. Die Glasfaser
wird bevorzugt über
einen Glasfaserstecker mit einem Gehäuse verbunden, in dem die Laserdiode
angeordnet ist.
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Die Vorrichtung zur Einstellung der
effektiven optischen Weglänge
des Resonators dient, wie erläutert,
der spektralen Verschiebung der Laserlinie des ausgekoppelten Lichtes
zu einer gewünschten
Wellenlänge.
Die Einstellvorrichtung kann auf mehrere Arten ausgebildet sein.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung umfasst
die Einstellvorrichtung Mittel zur Längsverschiebung des Lichtwellenleiters
mit dem eingeschriebenen Bragg-Gitter. Da das Bragg-Gitter die eine
Spiegelfläche
des Resonators darstellt, erfolgt eine Einstellung der effektiven
optischen Weglänge bei
dieser Ausführungvariante über die
Einstellung des geometrischen Abstandes zwischen den beiden Spiegelflächen. Hierbei
ist wichtig, dass das Licht der Laserdiode über einen Freistrahlbereich
mit geeigneter Koppeloptik in die Faser gekoppelt wird.
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In einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung weist
die Einstellvorrichtung Mittel zum Heizen oder Kühlen der Laserdiode auf. In
einer dritten bevorzugten Ausgestaltung wird die Laserdiode indirekt
durch Änderungen
des Betriebsstromes der Laserdiode geheizt. Bei den beiden letztgenannten
Ausführungsvarianten
erfolgt eine Einstellung bzw. Anpassung der effektiven optischen
Wellelänge
durch eine entsprechende Änderung
des temperaturabhängigen
Brechungsindex des Halbleiterkristalls der Laserdiode. Die vorgenannten
Ausgestaltungen der Einstellvorrichtung zur Einstellung der effektiven
optischen Weglänge
des Resonators sind nur beispielhaft zu verstehen. Grundsätzlich kann
eine Verschiebung der Phase des Lichts im Resonator bzw. eine Einstellung
der effektiven optischen Weglänge
des Resonators auch auf andere Art erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
weist die Messvorrichtung eine Monitordiode auf, die benachbart
der hochreflektierenden Spiegelfläche des optischen Resonators
angeordnet ist. Das durch die hochreflektierende Spiegelfläche bzw.
Facette des optischen Resonators entweichende Licht wird dabei auf
die Monitordiode geleitet. Damit kann die in dem Laser existierende
Photonendichte gemessen werden.
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Alternativ kann die Photonendichte
auch über
die an der Laserdiode anliegende Spannung bei konstantem Laserbetriebsstrom
gemessen werden. Die Spannung einer Laserdiode wird in erster Linie durch
die Bandkante des Halbleiterlasers, den Eigenwiderstand des Halbleitermaterials
und im Laserbetrieb auch die Photonendichte beeinflusst. So wird die
stimulierte Emission des Laserbetriebes durch Photonen in dem Halbleiterchip
begünstigt.
Bei höherer
Lichtintensität
und gleicher Spannung können mehr
Elektronen den pn-Übergang überwinden.
Dadurch verringert sich bei steigender Lichtintensität in dem
Resonator der Eigenwiderstand des Halbleiterlasers. Somit kann bei
konstantem Laserbetriebsstrom durch die Spannung an dem Halbleiterlaser
indirekt auf die Photonendichte in dem Resonator geschlossen werden.
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Die Steuervorrichtung ist bevorzugt
Teil einer Regelschleife, die die Ausgangswellenlänge des
Lasermoduls auf eine gewünschte
Wellenlänge
regelt. Die Photonendichte wird dabei iterativ gemessen und die
Steuervorrichtung gibt auf der Grundlage der Differenz zweier aufeinanderfolgender
Messungen jeweils einen Steuerbefehl an die Einstellvorrichtung zur
Einstellung der effektiven optischen Weglänge des Resonators.
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Bei der Laserdiode handelt es sich
bevorzugt um einen Fabry-Perot-Halbleiterlaser,
dessen eine Facette durch die hochreflektierende Spiegelfläche des
optischen Resonators gebildet ist. Die andere, vordere Facette des
Fabry-Perot-Halbleiterlasers
ist bevorzugt mit einer antireflektierenden Schicht beschichtet,
die bevorzugt eine Restreflektion von weniger als 0,1 % aufweist.
Dadurch können
parasitäre Resonanzen
des optischen Resonators unterdrückt werden. Über die
vordere Facette wird Licht zum Bragg-Gitter ausgesandt bzw. von
diesem empfangen, so dass eine Reflektion an dieser Facette unerwünscht ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung weist das Modul zwischen dem Lichtwellenleiter und
der Laserdiode eine Koppeloptik auf. Die Koppeloptik umfaßt bevorzugt
eine hochbrechende Koppellinse mit einer Brennweite von vorzugsweise kleiner
als einem Millimeter. Bei der Koppellinse handelt es sich insbesondere
um eine sphärische
oder asphärische
Siliziumlinse, GaP-Linse, SiC-Linse oder Linse aus einem anderen
geeigneten hochbrechenden optischen Material (organisch oder anorganisch).
Auch kann eine besonders kurzbrennweitige Glaslinse, insbesondere
Glas-Asphäre oder
eine Gradientenindexlinse zum Einsatz kommen.
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Bei dem Lichtwellenleiter handelt
es sich bevorzugt um eine Single-Mode-Glasfaser. Das Ende der Glasfaser
ist dabei bevorzugt antireflektionsbeschichtet oder leicht angeschrägt, um unerwünschte Rückkopplungen
an anderen Strukturen als dem Faser-Bragg-Gitter zu vermeiden. Gleiches
gilt für
die Koppeloptik.
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Das Bragg-Gitter befindet sich bevorzugt
in unmittelbarer Nähe
der Laserdiode. Mit anderen Worten ist die Länge des optischen Resonators
bevorzugt möglichst
kurz, so dass die Umlauffrequenz des Lichtes über einer gewünschten
Modulationsfrequenz des Moduls liegt. Ansonsten wäre eine
Informationsübertragung
auf dem durch den Laser bereit gestellten optischen Informationskanal
nicht möglich. Insbesondere
ist die Länge
des optischen Resonators bevorzugt kleiner als 10 Millimeter.
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Das Bragg-Gitter, das Teil des optischen
Resonators ist, besitzt naturgemäß eine gewisse
spektrale Ausdehnung, innerhalb derer sich die Laserlinie des ausgestrahlten Laserlichtes
bewegen kann. An den Rändern
dieses Bereiches wird der Laser entweder aufhören zu funktionieren oder einen
Modensprung machen, das heißt
der Laser wird an einer anderen Laserlinie innerhalb der spektralen
Breite des Bragg-Gitters anschwingen. Die genaue Position der Wellenlänge wird
erfindungsgemäß durch
die Einstellvorrrichtung auf der Grundlage von Steuerbefehlen der
Steuervorrichtung eingestellt.
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Hinsichtlich der von der Steuervorrichtung
an die Einstellvorrichtung abgegebenen Steuerbefehle zur Einstellung
der effektiven optischen Weglänge des
Resonators ist zu bemerken, dass diese derart sein können, dass
die effektive optische Weglänge des
Resonators stets um einen vorgegeben Wert verlängert oder verkürzt wird.
Da eine Einstellung iterativ solange wiederholt wird, bis eine gewünschte Wellenlänge eingestellt
ist, wird diese Vorgehensweise früher oder später zur Einstellung der gewünschten Wellenlänge führen.
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Sofern angestrebt ist, die Anzahl
des Iterationen möglichst
gering zu halten, kann ein Verlängern oder
Verkürzen
der optischen Weglänge
des Resonators auch um einen Betrag erfolgen, der von den Ergebnis
des Vergleichs der gemessenen Photonendichten abhängt. Sofern
die Photonendichten bei zwei unterschiedlichen effektiven optischen
Weglängen
des Resonators sich beispielsweise um eine großen Betrag unterscheiden, kann
ein Verlängern
oder Verkürzen
der optischen Weglänge
ebenfalls um eine großen
Betrag erfolgen. Entsprechend wird die optischen Weglänge um nur
einen kleinen Betrag verändert,
wenn die gemessenen Photonendichte sich nur geringfügig unterscheiden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematisch
den grundsätzlichen
Aufbau eines Lasermoduls für
optische Übertragungssysteme
mit einem Fasergitter-Laser und einer Ausgangswellenlängenstabilisierung;
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2 schematisch
den grundsätzlichen
Aufbau eines Faser-Gitter-Lasers;
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3 schematisch
zwei Messvorrichtungen zur Messung der Photonendichte innerhalb
des Resonators eines Fasergitter-Lasers;
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4 schematisch
eine erste Ausgestaltung einer Einstellvorrichtung zur Einstellung
der effektiven optischen Weglänge
des Resonators eines Fasergitter-Lasers,
wobei die Einstellvorrichtung ein Heiz- oder Kühlelement aufweist;
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5 schematisch
eine zweite Ausgestaltung einer Einstellvorrichtung zur Einstellung
der effektiven optischen Weglänge
des Resonators eines Fasergitter-Lasers,
wobei die Einstellvorrichtung Mittel zur aktiven Regelung des Betriebsstroms
des Faser-Gitter-Lasers
umfasst;
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6 schematisch
eine dritte Ausgestaltung einer Einstellvorrichtung zur Einstellung
der effektiven optischen Weglänge
des Resonators eines Fasergitter-Lasers,
wobei die Einstellvorrichtung Mittel zum Verschieben eines Faserendes
umfasst;
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7 den
Reflexionskoeffizienten eines Faser-Bragg-Gitters in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
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8 den
Monitordiodenstrom einer einem Fasergitter-Laser zugeordneten Monitordiode
in Abhängigkeit
von der Wellenlänge;
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9 die
Leistung der in einen Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtleistung
eines Fasergitter-Lasers
in Abhängigkeit
von der Wellenlänge;
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10 die
an der Laserdiode eines Fasergitter-Lasers anliegende Spannung bei
konstantem Laserbetriebsstrom in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
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11 die
Wellenlängen/Betriebsstromkennlinie
eines Fasergitter-Lasers ohne aktive Wellenlängenstabilisierung;
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12 die
Wellenlängen/Betriebsstromkennlinie
eines Fasergitter-Lasers bei aktiver Wellenlängenstabilisierung;
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13 die
Ausgangswellenlänge
eines Fasergitter-Lasers in Abhängigkeit
von der Temperatur des Lasers ohne das Vorliegen einer Wellenlängenstabilisierung
und
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14 die
Ausgangswellenlänge
eines Fasergitter-Lasers in Abhängigkeit
von der Temperatur bei Vorliegen einer Wellenlängenstabilisierung.
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Die 1 zeigt
ein Lasermodul für
optische Übertragungssysteme
mit einer Anordnung zum Stabilisieren der Ausgangswellenlänge des
Lasermoduls auf eine gewünschte
Wellenlänge.
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Das Lasermodul besitzt einen Halbleiterlaser 1,
der zusammen mit einem in eine Glasfaser 4 eingeschriebenen
Faser-Bragg-Gitter 5 einen
optischen Resonator ausbildet. Ein Kopplungselement (Koppeloptik) 8,
das der Anpassung des von dem Halbleiterlaser 1 ausgestrahlten
Lichtes an die Apertur der Glasfaser 4 dient, ist dabei
zwischen dem Halbleiterlaser 1 und der Glasfaser 4 angeordnet.
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Dem Halbleiterlaser 1 ist
eine Messvorrichtung 2 zur Messung der Photonendichte innerhalb des
optischen Resonators zugeordnet. Des Weiteren sind eine Steuervorrichtung 6 und
eine Einstellvorrichtung 7 vorgesehen, die zusammen mit
der Messvorrichtung 2 einen Regelkreis bilden.
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Die Messvorrichtung 2 dient
der Messung der Photonendichte innerhalb des optischen Resonators,
der durch den Halbleiterlaser 1 und das Faser-Bragg-Gitter 5 bereitgestellt
wird. Die Messung der Photonendichte kann auf verschiedene Arten
erfolgen, wie nachfolgend noch erläutert werden wird.
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Die Einstellvorrichtung 7 dient
der Einstellung der effektiven optischen Weglänge Δeff des optischen Resonators. Über die
effektive optische Weglänge
des Resonators wird dabei die Laserwellenlänge eingestellt, die durch
den optischen Resonator bereitgestellt wird. Die Einstellung der
effektiven optischen Weglänge
des Resonators kann ebenfalls auf verschiedene Arten erfolgen, wie
nachfolgend noch erläutert
werden wird.
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Die Steuervorrichtung 6 erzeugt
Steuerbefehle an die Einstellvorrichtung 7 derart, dass
die effektive optische Weglänge Δeff des optischen
Resonators dahingehend eingestellt wird, dass die emitierte Ausgangswellenlänge des
Halbleiterlasers 1 gleich einer gewünschten Wellenlänge ist.
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Zielgröße der Regelung ist somit die
effektive optische Weglänge Δeff des optischen
Resonators, die wiederum die Wellenlänge des aus dem Halbleiterlaser 1 ausgekoppelten
Laserlichtes bestimmt. Regelgröße ist die
Differenz oder ein anderer Vergleich zwischen verschiedenen Werten
der Photonendichte bei unterschiedlichen effektiven optischen Weglängen des
Resonators.
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So wird zunächst die Photonendichte I(n)
bei einer ersten effektiven optischen Weglänge Δeff(n) gemessen. Daraufhin gibt
die Steuervorrichtung 6 ein Steuersignal an die Einstellvorrichtung 7 zur Änderung
der effektiven optischen Weglänge
des Resonators ab. Es wird daraufhin erneut die Photonendichte I(n+1)
innerhalb des Resonators bei der geänderten optischen Weglänge Δeff(n+1)
gemessen. Die gemessenen Photonendichten I(n) und I(n+1) werden miteinander
verglichen, insbesondere voneinander subtrahiert und in Abhängigkeit
von dem erfolgten Vergleich ein Steuerbefehl an die Einstellvorrichtung 7 gegeben,
die effektive optische Weglänge
des Resonators entweder zu verlängern
oder zu verkürzen. Anschließend wird
erneut die Photonendichte gemessen und mit dem vorherigen Wert der
Photonendichte verglichen. Dieser iterative Vorgang wird solange
durchgeführt,
bis die emitierte Ausgangswellenlänge des Halbleiterlasers 1 gleich
einer gewünschten
Wellenlänge
ist, insbesondere gleich der Zentralwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters 5.
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Hierzu ist bevorzugt vorgesehen,
dass die Regelgröße, d.h.
die Differenz der Werte der Photonendichte bei zwei aufeinander
folgenden effektiven optischen Weglängen des optischen Resonators
auf Null geregelt wird bzw. einen kleinen Wert kleiner ε. Sofern
die Differenz auf Null geregelt ist, liegt ein Maximum der Photonendichte
im optischen Resonator vor.
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Wie nachfolgend noch erläutert werden
wird, liegt ein Maximum der Photonendichte jedoch gerade bei der
Zentralwellenlänge
des Bragg-Gitters 5 des optischen Resonators vor. Die Regelung
dahingehend, dass die Photonendichte in dem Halbleiterlaser 1 maximal
ist, führt
somit automatisch zu einer Einstellung der Ausgangswellenlänge des
Halbleiterlasers 1 auf die Zentralwellenlänge des
Bragg-Gitters. Diese
ist bevorzugt derart gewählt,
dass sie gleich der Wellenlänge
eines Wellenlängenkanals
eines WDM-, DWDM- oder
CWDM-Systems entsprechend den Empfehlungen der ITU ist.
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Das beschriebene Lasermodul ermöglicht somit
eine Regelung bzw. Einstellung der Ausgangswellenlänge des
Lasermoduls auf eine gewünschte Wellenlänge. Durch
fortlaufende Regelung bzw. einen Regelungszyklus in vorgegebenen
Zeitintervallen ist es dabei möglich,
die Laserwellenlänge
fortlaufend zu kalibrieren und dabei insbesondere auch Schwankungen
zu berücksichtigen
und auszugleichen, die sich aus dem Alter des Halbleiterlasers ergeben.
Die beschriebene Regelung kompensiert dabei sämtliche Einflüsse auf
die Ausgangswellenlänge des
Lasers.
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Es wird darauf hingewiesen, dass
die Positionen der einzelnen Messpunkte vorzugsweise so eng beieinander
liegen, dass die aus diesem resultierende Differenz der spektralen
Position der Laserlinie wesentlich kleiner ist als der vom Faser-Bragg-Gitter 5 stabilisierte
Bereich. Aus dem Vorzeichen der gebildeten Differenz kann geschlossen
werden, ob die optische Weglänge
in dem Resonator verkürzt
oder verlängert
werden muss, um die Laserlinie spektral auf die Zentralwellenlänge λBRAGG des
Faser-Bragg-Gitters 5 zu schieben.
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Gemäß der Differenz der Photonendichten bzw.
Intensitätswerte
wird die effektive optische Resonatorlänge derart verschoben, dass
die Laserlinie spektral der Zentralwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters 5 näher kommt.
Wahlweise kann die Größe der Verschiebung
dabei derart gewählt werden,
dass sich die Laserlinie nach Änderung
der effektiven optischen Weglänge
soweit wie möglich der
Zentralwellenlänge
des Faser-Bragg-Gitters
nähert.
Die Verstellung der effektiven optischen Weglänge des Resonators kann somit
wahlweise um einen Wert erfolgen, der von der gemessenen Differenz
der Photonendichten abhängig
ist.
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Die beschriebene Regelung muss nicht
notwendigerweise auf die Zentralwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters 5,
sondern kann auch auf einen davon abweichenden Wert erfolgen. Die 7 zeigt den Reflexionskoeffizienten
eines Faser-Bragg-Gitters in Abhängigkeit
von der Wellenlänge.
Das Faser-Bragg-Gitter 5 weist eine Zentralwellenlänge λBRAGG auf.
Gleichzeitig besitzt es eine gewisse spektrale Breite Δλ, innerhalb
derer ein einmodiger Laserbetrieb möglich ist. Die aktuelle Laserlinie λOUT wird durch
die effektive optische Weglänge Δeff des optischen
Resonators festgelegt und kann durch die Einstellvorrichtung 7 innerhalb
der spektralen Breite Δλ verschoben.
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Wie erläutert, wird die ausgekoppelte
Wellenlänge
dabei bevorzugt auf die Zentralwellenlänge λ Bragg verschoben. Grundsätzlich kann
die Wellenlänge
jedoch auch auf einen anderen Wert innerhalb des spektralen Fensters Δλ verschoben
werden, beispielsweise, wenn die Zentralwellenlänge aufgrund von Fertigungstoleranzen
nicht der Wellenlänge
eines gewünschten
Kanals entsprechend den ITU-Empfehlungen für WDM- oder DWDM-Kanäle entspricht. Hierzu erfolgt
eine Regelung in dem Regelkreis der 1 beispielsweise
dahingehend, dass die Differenz zweier aufeinander folgender Photonendichten
auf einen bestimmten Wert geregelt wird.
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Die schraffiert dargestellten Bereiche
in 7 stellen die nicht
genutzten Bereiche des Lasers dar. Sofern die ausgekoppelte Wellenlänge diesen
Bereich erreicht, wird der Laser entweder aufhören zu funktionieren oder einen
Modensprung machen, d.h., an einer anderen Laserlinie innerhalb
des Bereiches Δλ anschwingen.
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Da der Halbleiterlaser 1 einen
optischen Resonator mit einer externen Spiegelfläche (dem Faser-Bragg-Gitter 5)
in einer Lichtleitfaser aufweist, wird er auch als Fasergitter-Laser
bezeichnet.
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Ein typischer Fasergitter-Laser ist
in 2 näher dargestellt.
Neben den bereits in 1 genannten
Komponenten sind die Laserdiode 101, eine hochreflektierende
Schicht 102 an der rückseitigen Facette
und eine Antireflexschicht 103 an der vorderen Facette
des Halbleiterlasers 1 sowie eine Monitordiode 21 dargestellt.
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Die hochverspiegelte Facette 102 des
Lasers und das Faser-Bragg-Gitter 5 bilden
den optischen Resonator des Lasers. Die Antireflexschicht 103 weist
eine Restreflexion von bevorzugt weniger als 0,1 % auf und dient
der Unterdrückung
parasitärer Restreflexionen
des Halbleiterkristalls.
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Die als hochbrechende Linse ausgebildete Koppeleinheit 8 dient
der Anpassung der Apertur des Halbleiterchips 1 und der
Glasfaser 4. Über
die Koppeleinheit 8 wird das Licht von der antireflexbeschichteten
Seite aus in die Glasfaser 4 eingeleitet. Das Ende der
Glasfaser 4 ist und die Linsenoberflächen sind dabei bevorzugt entweder
ebenfalls antireflexbeschichtet oder leicht angeschrägt, um Reflexionen vom
Faserende zu verhindern (nicht dargestellt). Das Bragg-Gitter 5 ist
wie dargestellt in unmittelbarer Nähe der Laserdiode 1 angeordnet.
Damit wird die Umlaufzeit des Lichtes in dem Lasersystem klein und die
Lichtintensität
in dem Laser kann schnell Änderungen
des Stromes innerhalb der Laserdiode folgen.
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Ein geringer Teil des Laserlichtes
wird durch die hochreflektierende Schicht 102 ausgekoppelt
und von der Monitor 21 detektiert. Da die hochreflektierende
Schicht 102 des Halbleiterlasers bei allen vom Laser verwendeten
Wellenlängen
das Licht gleichstark passieren lässt, ermittelt die angekoppelte
Monitordiode 21 unmittelbar die Lichtintensität innerhalb des
optischen Resonators.
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Wahlweise kann bei konstantem Strom durch
den Halbleiterchip die Photonendichte in dem Resonator auch mittels
der in dem Halbleiterchip anliegenden Spannung gemessen werden,
worauf noch eingegangen werden wird.
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Weiter wird darauf hingewiesen, dass
auch die vordere Facette 103 des Lasers 1 mit
einem leichten Kippwinkel zur Laserachse versehen sein kann, um
parasitäre
Rückreflexionen
zu verhindern. Als weitere Option kann die Lichtleitung in dem Halbleiterlaser
leicht gebogen sein, ebenfalls um Reflexionen zu minimieren.
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Der Haltleiterlaser ist bevorzugt
in einem TO-Gehäuse
(TO = Transistor Outline) oder einem SMT-Gehäuse (SMT = Surface Mount Technology) angeordnet,
an das die Lichtleitfaser 4 mit dem Faser-Bragg-Gitter 5 über einen
Faserstecker angesteckt wird.
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Die 3 zeigt
schematisch zwei Möglichkeiten
zur Messung der Photonendichte im optischen Resonator. Eine Möglichkeit
besteht, wie in Bezug auf die 2 bereits
erläutert,
in der Bereitstellung einer Monitordiode 21. Die andere
Möglichkeit
besteht in der Messung der an der Laserdiode 1 anliegenden
Spannung bei konstantem Laserbetriebsstrom. Dies ist durch einen
schematisch dargestellten Abgriff 22 zur Messung der an
der Laserdiode 1 anliegenden Spannung dargestellt.
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8 zeigt
die Abhängigkeit
des Stroms durch die Monitordiode 21 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge.
Dabei ist zu erkennen, dass der Monitordiodenstrom bei der Zentralwellenlänge λBRAGG ein Maximum
besitzt. Dies ist unmittelbar einleuchtend, da gemäß 7 der Reflexionsgrad des
Faser-Bragg-Gitters bei der Zentralwellenlänge λBRAGG am
größten ist.
Von der effektiven Reflexion des Faser-Bragg-Gitters hängt jedoch die Güte des Lasers ab,
d.h., je näher
die Laserlinie sich spektral der Zentralwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters
nähert,
desto höher
ist die Photonendichte innerhalb des Resonators. Dementsprechend
wird bei der Zentralwellenlänge
aus der hochreflektierenden Schicht 102 (vgl. 2) am meisten Lichtenergie
ausgekoppelt.
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In der in 1 erläuterten
Regelungsschleife kann somit die Photonendichte über den Monitordiodenstrom
ermittelt werden. Die Messvorrichtung 2 ist in diesem Fall
die Monitordiode 21 und der Ausgang der Monitordiode 21 wird
der Steuereinrichtung 6 zugeführt.
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Die 10 zeigt
die Spannung an der Laserdiode in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Aus 10 ergibt sich dabei, dass
bei der Zentralwellenlänge λBRAGG die
Spannung ein Minimum aufweist. Dies hängt damit zusammen, dass bei
der Zentralwellenlänge
sich am meisten Photonen innerhalb des optischen Resonators befinden.
Hierdurch wird eine weitere stimulierte Emission begünstigt.
Es können bei
höherer
Lichtintensität
und gleicher Spannung somit mehr Elektronen den pn-Übergang
der Laserdiode überwinden.
Hierdurch verringert sich bei steigender Lichtintensität in dem
Resonator der Eigenwiderstand des Halbleiterlasers. Somit kann bei
konstantem Laserbetrieb durch die Spannung an dem Halbleiterlaser
indirekt auf die Photonendichte in dem Resonator geschlossen werden.
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Bei Messung der Laserdiodenspannung stellt
die entsprechende Messvorrichtung 22 die Messvorrichtung 2 des
Regelkreises der 1 dar. Der
gemessene Spannungswert wird der Steuervorrichtung 6 zugeführt. Die
Regelgröße (hier:
Differenz zweier Spannungen bei unterschiedlichen effektiven optischen
Weglängen
des Resonators) wird dabei auf ein Minimum geregelt.
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Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Photonendichte
im optischen Resonator ergibt sich aus dem in 9 dargestellten Zusammenhang. 9 zeigt die in den Lichtwellenleiter 4 eingekoppelte
Lichtleistung in Abhängigkeit
von der Wellenlänge.
Zur Erläuterung
des dargestellten Kurvenverlaufes wird darauf hingewiesen, dass,
wie oben ausgeführt,
die Photonendichte innerhalb des Resonators bei der Zentralwellenlänge λBRAGG maximal
ist. Das Licht muss jedoch auch das Faser-Bragg-Gitter 5 passieren,
um in die Faser 4 zu gelangen. Je mehr die Laserlinie sich
an der Zentralwellenlänge
des Faser-Bragg-Gitters 5 befindet, desto geringer wird
die Transmission des Auskoppelspiegels und desto weniger Licht kann
ausgekoppelt werden. Diese beiden Effekte sind gegenläufig und
geben ein Leistungspektrum, welches gegen die Wellenlänge aufgetragen
entsprechend 9 ein Maximum
und ein Minimum aufweist. Das Minimum liegt dabei bei der Zentralwellenlänge λBRAGG.
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Sofern die in die Lichtleitfaser 4 angekoppelte
Leistung überwacht
wird, beispielsweise über
einen nicht dargestellten optischen Verzweiger und eine zugeordnete
Monitordiode, so würde
eine solche Monitordiode die Messvorrichtung 2 der 1 darstellen und würde das
Monitordiodensignal der Steuervorrichtung 6 zugeführt. Eine
Regelung würde dabei
dahingehend erfolgen, dass die Regelgröße (hier: Differenz des Monitorstroms
an der entsprechenden Monitordiode) auf Null geregelt wird, wobei zusätzlich die
Bedingung vorliegen muss, dass ein Minimum des Monitorstromes vorliegt.
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Anhand der 2 und 3 sowie 8 bis 10 wurde
erläutert,
dass die Photonendichte in dem optischen Resonator auf verschiedene
Weise gemessen werden kann.
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Die nun folgende Beschreibung der 4 bis 6 betrifft verschiedene Ausgestaltungen
der Einstellvorrichtung zur Einstellung der effektiven optischen
Wellenlänge
des optischen Resonators.
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Gemäß 4 ist die Einstellvorrichtung als Heiz-
oder Kühlelement 71 ausgebildet.
Die Vorrichtung 71 wird dabei entsprechend den Steuerbefehlen der
Steuervorrichtung 6 der
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1 geheizt
bzw. gekühlt.
Die Heizvorrichtung 71 regelt die Temperatur der Halbleiterdiode 1. Da
der Brechungsindex des aktiven Materials der Halbleiterdiode 1 temperaturabhängig ist,
erfolgt über
eine Temperaturänderung
auch eine Änderung der
effektiven optischen Weglänge
des Resonators.
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In dem Ausführungsbeispiel der 5 erfolgt eine Einstellung
der effektiven optischen Weglänge
des optischen Resonators durch Änderung
des Betriebsstromes I durch die Halbleiterdiode, die indirekt zu
einem Heizen bzw. Kühlen
des Halbleiterkristalls und damit wiederum zu einer Änderung
der effektiven optischen Weglänge
führt. 5 zeigt einen Leistungsregler 72,
der den Betriebsstrom I für
die Laserdiode 1 bereitstellt. Ein solcher Leistungsregler ist
notwendigerweise stets vorhanden und in den vorherigen Figuren lediglich
zur besseren Übersicht nicht
dargestellt. Der Leistungsregler 72 erhält von der Steuervorrichtung 6 der 1 Steuersignale zur Anpassung
des Betriebsstromes I durch die Laserdiode.
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Die Schwankungen des Betriebsstromes
liegen dabei nur in einem begrenzten Bereich, so dass zum einen
die Funktionalität
des Halbleiterlasers stets gewährt
ist und zum anderen nicht zu hohe Intensitäten entstehen.
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In dem Ausführungsbeispiel der 6 ist die Einstellvorrichtung
durch eine Vorrichtung 73 verwirklicht, die mit der Lichtleitfaser 4 verbunden
ist und ein leichtes Verschieben der Lichtleitfaser und damit auch
des Faser-Bragg-Gitters 5 entlang
der optischen Achse des optischen Resonators ermöglicht. Bei dieser Ausgestaltung
erfolgt eine Änderung
der effektiven optischen Weglänge
des Resonators durch Änderung
des geometrischen Abstandes zwischen den beiden Spiegelflächen des
Resonators.
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Das beschriebene Verfahren zur Wellenlängenstabilisierung
wird iterativ während
der Betriebszeit des Lasers angewendet, so dass die Laserlinie nur
soweit von der Zentralwellenlänge λBRAGG des Bragg-Gitters
abweichen kann, als es die jeweils verwendete Steuerung der Wellenlänge der
Laserlinie erlaubt. Dadurch werden im Laufe der Betriebszeit insbesondere
auf eine Alterung des Laserchips zurückgehende Schwankungen der
Wellenlänge
erfindungsgemäß wieder
ausgeglichen. Zusätzlich
werden sowohl eine Änderung
der Umgebungstemperatur als auch eine Änderung der Betriebstemperatur ausgeglichen.
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Ohne die beschriebene Wellenlängenstabilisierung
wandert die spektrale Position der Wellenlänge (Laserlinie) bei sich ändernden
Betriebsbedingungen solange, bis der vom Faser-Gitter genutzte Bereich verlassen wird
(vgl. 7). An diesen
Grenzen läuft
der Laser nur begrenzt stabil. Entweder hört der Laser auf zu funktionieren
oder er wechselt seine Laserlinie, d.h., es erfolgt ein Modensprung. Änderungen
der Betriebsbedingungen sind neben einer Alterung insbesondere eine Änderung
des Betriebsstromes und eine Änderung
der Betriebstemperatur. Ein weiteres Beispiel für geänderte Betriebsbedingungen sind
mechanische Spannungen, die an der Laserdiode anliegen.
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In den 11 und 13 ist dargestellt, dass sich
die ausgekoppelte Wellenlänge
ohne eine Wellenlängenstabilisierung
in Abhängigkeit
von dem Betriebsstrom und der Temperatur des Halbleiterlasers ändert. Die
in den 11 und 13 dargestellten Unstetigkeiten
entsprechen Bereichen, an denen die ausgekoppelte Wellenlänge die
spektrale Ausdehnung Δλ des Faser-Bragg-Gitters
verlässt
und dementsprechend ein Modensprung erfolgt, wobei sich ein Laserbetrieb
bei einer anderen Wellenlänge
ausbildet.
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Die 12 und 14 zeigen die ausgekoppelte Wellenlänge in Abhängigkeit
von der Temperatur des Halbleiterlasers und dem Betriebsstrom bei
einer erfindungsgemäßen Wellenlängenstabilisierung
gemäß 1. Die ausgekoppelte Wellenlänge ist
konstant. Es wird damit ein Kanal fester Wellenlänge bereitgestellt, wie ihn
die ITU-Empfehlungen für
WDM-, DWDM- und CWDM-Systeme vorschreiben.