DE10393677T5

DE10393677T5 - Alterungskompensation in optoelektronischen Modulen mit integrierter Temperaturregelung

Info

Publication number: DE10393677T5
Application number: DE10393677T
Authority: DE
Inventors: James San Jose Stewart; Lucy Grace Santa Cruz Hosking; Anthony Richmond Ho; Andreas Los Altos Weber
Original assignee: Finisar Corp
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2023-11-06
Also published as: AU2003291296A8; GB2428865B; DE10397005A5; GB2428865A; CA2504691A1; AU2003291296A1; CA2504691C; WO2004042799A3; GB0509716D0; WO2004042799A2; WO2004042799A8; DE10397005B4; GB0619059D0; DE10393677B4; GB2410606B; GB2410606A

Abstract

Verfahren zum Kalibrieren einer optoelektronischen Mehrkanal-Baugruppe mit folgenden Schritten:
Auswählen einer ersten und zweiten Zielwellenlänge, die voneinander um einen vordefinierten Betrag an Kanaltrennung getrennt sind;
Einstellen einer Temperatur der optoelektronischen Baugruppe auf einen ersten Wert;
Betreiben der optoelektronischen Baugruppe zum Ausstrahlen von Licht;
Einstellen der Temperatur, bis ein Unterschied zwischen einer Ausgangswellenlänge der optoelektronischen Baugruppe und der ersten Zielwellenlänge geringer als ein vordefinierter Wert ist und dauerhaftes Speichern eines ersten Wertes entsprechend der eingestellten Temperaturregelung als ein erster, der ersten Zielwellenlänge zugeordneter Regelwert; und
Einstellen der Temperatur, bis ein Unterschied zwischen einer Ausgangswellenlänge der optoelektronischen Baugruppe und der zweiten Zielwellenlänge geringer als der vordefinierte Wert ist und dauerhaftes Speichern eines zweiten Werts entsprechend der eingestellten Temperatur als ein zweiter, der zweiten Zielwellenlänge zugeordneter Regelwert.

Description

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein optoelektronische Bauteile. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kompensieren von Wellenlängendrift in einem faseroptischen Lasersender.
STAND DER TECHNIK
Täglich werden durch die starke Vermehrung an Kommunikationstechniken Bedarfszunahmen an Datenübertragungskanälen verursacht. Zur Erfüllung dieses Bedarfs stellen optische Netze einen hochzuverlässigen und wirkungsvollen Weg dar. Es besteht infolgedessen ein Wunsch, einen höheren Datendurchsatz in bestehenden optischen Netzen zu erzielen. Ein gegenwärtiges Mittel zur Erfüllung dieses Wunsches ist die Verwendung von DWDM (Dense Wave Division Multiplexing – Dichtes Wellenlängenmultiplex). Nach der Darstellung in 1 werden Daten von einer Mehrzahl von Quellen durch eine Mehrzahl von optoelektronischen Sendern/Empfängern 4 in optische Signale 2 mit unterschiedlichen Wellenlängen umgewandelt. Nach Multiplexen durch einen optischen Multiplexer/Demultiplexer 6 können optische Signale 2 gleichzeitig ein einziges optisches Kabel 8 durchlaufen, was den Netzdurchsatz sehr steigert.
Es gibt mehrere Standards für ein ein optisches Netz durchlaufendes Signal. Diese Standards geben annehmbare Wellenlängen eines Signals (Kanals) und die Entfernung bzw. den Abstand zwischen Nachbarkanälen an. Es besteht daher ein Bedarf an optoelektronischen Sendern/Empfängern, die auf spezifischen Wellenlängen arbeiten können. Gegenwärtig sind die beliebtesten Standards ein Abstand von 200 GHz (Gigahertz), was einem Abstand zwischen Nachbarkanälen von 1,6 nm (Nanometern) entspricht, von 100 GHz entsprechend einem Abstand von 0,8 nm, von 50 GHz entsprechend einem Abstand von 0,4 nm und von 25 GHz entsprechend 0,2 nm Abstand zwischen Kanälen. Die für die Datenübertragung in einem optischen Netz annehmbaren spezifischen Wellenlängen (d.h. Kanäle) sind durch die ITU (International Telecommunications Union) vorgeschrieben.
Optische Verstärker, die zur Erhöhung der Stärke eines optischen Signals benutzt werden, ehe es in ein optisches Netz eintritt, weisen typischerweise einen optimalen Betriebswellenbereich auf. Für moderne ebriumdotierte Faserverstärker (EDFA – Ebrium-Doped Fiber Amplifiers) beträgt der typische Betriebswellenlängenbereich 1523 bis 1565 nm. Wenn das Netz einen 200-GHz-Standard für den Kanalabstand benutzt, beträgt die Anzahl verfügbarer Kanäle 22. Die Anzahl von Kanälen ist 45 für den 100-GHz-Standard, 90 Kanäle für 50 GHz; 180 Kanäle für den 25-GHz-Standard.
2 zeigt eine schematische Darstellung von Wellenlängenabständen, wenn der Kanalrasterstandard 100 GHz ist. Die Entfernung zwischen Nachbarkanalmitten 10 ist 0,8 nm. Damit ein Signal innerhalb des zulässigen Passbandes 14 bleibt, muß eine Wellenlänge innerhalb von 0,1 nm der Mitte des angegebenen Kanals liegen. Betrieb außerhalb des zulässigen Passbandes 14 ergibt eine hohe Dämpfung des übertragenen Signals und in äußersten Fällen mögliches Nebensprechen zu einem Nachbarkanal.
Die durch den Laser ausgestrahlte Wellenlänge verschiebt sich mit alterndem Laseremitter. Um zu berechnen, wie weit sich die Laseremitterwellenlänge verschieben kann, ehe sie in einen Nachbarkanal eindringt, müsssen mehrere Parameter der Laseremitterkalibrierung berücksichtigt werden.
Bei Berechnung des zulässigen Passbandes eines Laseremitters muß ein Zuschlag für eine Anfangseinstellungstoleranz 16 (3) und Temperaturregulungstoleranz 18 berücksichtigt werden. Beispielsweise für einen Teil, bei dem die Anfangswellenlänge auf den Mittenkanal ausgerichtet ist und bei einer Einstelltoleranz +/– 10 pm (Pikometer) und einer Temperaturregelungstoleranz von +/– 20 pm für eine kombinierte Einstell- und Temperaturregelungstoleranz von +/– 30 pm. Auf Grundlage dieser Toleranzen und einer maximalen Gesamtwellenlängenversatztoleranz von 100 pm beträgt die zulässige Wellenlängenalterung +/– 70 pm über die Lebensdauer des Teils.
Es gibt mehrere Faktoren, die die Wellenlänge eines durch herkömmliche Laserquellen erzeugten Signals bestimmen. Zu diesen Faktoren gehören Stromdichte, Temperatur des Laseremitters wie auch bestimmte, dem Laseremitter eigene Eigenschaften. Das Verhältnis zwischen der Temperatur des Laseremitters und der erzeugten Wellenlänge ist typischerweise rund 0,1 nm/°C für DFB-Quellen (Distributed Feedback – mit verteilter Rückkoppelung), die gewöhnlich bei DWDM-Anwendungen benutzt werden. Das bedeutet, daß, wenn die Laseremittertemperatur um 10°C erhöht wird, die Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts sich um rund + 1 nm verschieben wird.
Da die von einem Sender/Empfänger mit einer angegebenen Laseremittertemperatur und Stromdichte erzeugte Wellenlänge von einem Laseremitter zum anderen unterschiedlich ist, werden die optoelektronischen Sender/Empfänger anfänglich vor ihrem Einbau in ein optisches Netz kallibriert. Zu der Kalibrierung gehört die Überwachung der Wellenlänge von vom Laseremitter erzeugten optischen Signalen und gleichzeitige Veränderung seiner Temperatur wie auch anderer Betriebsbedingungen und dann Speichern der Kalibrierungsinformationen im Speicher eines Mikroprozessors. Dazu gehört auch der Empfang von Analogsignalen von Sensoren in der optoelektronischen Vorrichtung und Umwandeln der Analogsignale in Digitalwerte, die ebenfalls im Speicher gespeichert werden. Im Ergebnis erzeugt die Vorrichtung auf den Digitalwerten im Mikroprozessor basierende Steuersignale zum Regeln der Temperatur des Laseremitters. Das Verfahren zum Kalibrieren eines optoelektronischen Sender/Empfängers ist ausführlich in einer US-Patentanmeldung mit dem Titel „Control Circuit for Optoelectronic Module With Inteegrated Temperature Control" beschrieben, die durch die Seriennummer 10/101,248 identifiziert ist und am 18. März 2002 eingereicht wurde und die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Aus Leistungs- und Zuverlässigkeitsgründen ist es wünschenswert, einen Laseremitter mit einer Temperatur zwischen 15°C und 50°C zu betreiben. Es gibt mehrere Faktoren, durch die der annehmbare Bereich von Betriebstemperaturen begrenzt wird. Als erstes altert ein Laseremitter schneller, wenn er mit Temperaturen über 50°C betrieben wird, und kann unter typischen Lebensendebedingungen (20-25 Jahren) Zuverlässigkeitsfragen aufwerfen. Die Quantenausbeute des Laseremitters nimmt mit dem Alter ab und zwingt daher den Sender/Empfänger, mit höheren Strömen zu arbeiten, um eine feste Lichtleistung bereitzustellen, wodurch die Alterung des Laseremitters weiter beschleunigt wird. Zusätzlich wird durch Temperaturleistungseigenschaften der zur Regelung der Lasertemperatur benutzten Vorrichtung die Untergrenze des verfügbaren Temperaturbereichs bestimmt. Ein gut konstruiertes Thermosystem mit einem einstufigen thermoelektrischen Kühler (TEC – thermo-electric cooler) als Temperaturregelungs vorrichtung kann typischerweise bis zu 40°C Kühlung bereitstellen. Da die standardmäßige maximale Betriebstemperatur eines Senders/Empfängers 70°C ist, bedeutet die Kühlfähigkeit des TEC von 40°C, daß der effektive Betriebsbereich des Laseremitters im Sender/Empfänger auf Temperaturen zwischen 30°C und 50°C beschränkt ist.
Schließlich weiß der Fachmann, daß sich die Wellenlänge einer Laserdiode während ihrer Betriebslebensdauer verändert. Es müssen infolgedessen Schritte unternommen werden, um sicherzustellen, daß die Wellenlänge während dieser Betriebslebensdauer nicht aus einem ausgewählten Kanal abwandert. Verfahren des Standes der Technik zur Verhinderung dieser Drift umfassen die Verwendung von Wellenhaltevorrichtungen (Wavelockers), die kostspielig und von fragwürdiger Zuverlässigkeit sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zum Betreiben einer optoelektronischen Baugruppe umfaßt 1) Regeln einer Temperatur in der optoelektronischen Baugruppe auf ein definiertes Niveau; 2) Antreiben der optoelektronischen Baugruppe zum Ausstrahlen von Licht, wobei das ausgestrahlte Licht eine Wellenlänge aufweist, die in einem Betriebskanal liegt, wobei der Betriebskanal einen Bereich von Wellenlängen umfaßt, der um eine Kanalmittenwellenlänge zentriert ist; 3) Zugreifen auf einen der Temperatur der optoelektronischen Baugruppe zugeordneten Regelwert aus einem Speicher in der optoelektronischen Baugruppe zu definierten Zeitpunkten in einer Betriebslebensdauer der optoelektronischen Baugruppe; und 4) Neuberechnen des definierten Niveaus durch Bezugnahme auf den Regelwert, wodurch eine Wellenlänge der optoelektronischen Baugruppe trotz einer erwarteten Wellenlängendrift innerhalb des Betriebskanals gehalten wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines optischen Mehrkanal-Netzes.
2 ist eine schematische Darstellung einer Wellenlänge im 100-GHz-Mehrkanalstand.
3 ist eine schematische Darstellung einer Laseremitter-Passbandberechnung.
4 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines optoelektronischen Senders/Empfängers.
5 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform von Schaltungen zum Regeln der Temperatur eines Laseremitters.
6 ist ein Blockschaltbild eines Teils einer Schaltung, die den Mikroprozessor der 5 implementiert.
7 ist ein Flußdiagramm von Verfahrensschritten zum Regeln der Temperatur eines Laseremitters.
8 ist ein Diagramm eines Einstell- und Abstimmsystems.
9 ist ein Flußdiagramm von Verfahrensschritten zum Kalibrieren eines Laseremitters.
10 ist ein Diagramm einer Kanalnachschlagetabelle.
11A und 11B zeigen graphische Darstellungen von Leistung und Strom in einem Laser über Zeit.
12A und 12B zeigen Wellenlängendrift-Nachschlagetabellen.
13A und 13B zeigen Zielwellenlängeneinstellungen.
14A und 14B zeigen Verfahrensschritte zum Einstellen einer Zieltemperatur für einen Laser.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird im folgenden eine Anzahl von Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Der Deutlichkeit halber werden nicht alle Merkmale einer wirklichen Implementierung beschrieben. Es versteht sich, daß bei der Entwicklung jeder derartigen Ausführungsform zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die bestimmten Ziele der Entwickler zu erreichen, wie beispielsweise Konformität zu systembezogenen und geschäftsbezogenen Beschränkungen, die von einer Implementierung zur anderen unterschiedlich sein werden. weiterhin versteht es sich, daß jeder derartige Entwicklungsaufwand kompliziert und zeitaufwendig sein könnte, aber trotzdem für den gewöhnlichen Fachmann mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung ein routinemäßiges Unterfangen sein würde.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines faseroptischen Senders/Empfängers 100. Der Sender/Empfänger 100 enthält zumindest Sende- und Empfängerleitungswege und Stromverbindungen 97 und Erdverbindungen 96.
Weiterhin enthält der Sender/Empfänger 100 eine optische Empfängerteilbaugruppe (ROSA – Receiver Optical Subassembly) 102, die eine mechanische Fasersteckerbuchse und eine Koppeloptik enthält, wie auch eine Photodiode und eine Vorverstärkerschaltung. Die ROSA 102 ist wiederum mit einer integrierten Nachverstärkerschaltung 104 verbunden, deren Funktion darin besteht, relativ kleine Signale von ROSA 102 aufzunehmen und sie zu verstärken und zu begrenzen, um eine elektronische Digitalausgabe mit gleichförmiger Amplitude zu erzeugen, die über die Stifte RX+ und RX– 95 mit Außenschaltungen verbunden ist. Die Nachverstärkerschaltung 104 stellt einen als Signal Detect (Signalerkennung) oder Loss of Signal (Signalverlust) bezeichnetes digitales Ausgangssignal bereit, daß das Vorhandensein oder die Abwesenheit einer ausreichend starken optischen Eingabe anzeigt. Alle Bauteile des Senders/Empfängers 100 befinden sich vorzugsweise in einem Schutzgehäuse 30 abgesehen von Verbindern, die aus dem Gehäuse hervorstehen können.
Geeignete Gehäuse einschließlich von metallischen oder Kunststoffgehäusen, Vergußkästen oder sonstigen Gehäusestrukturen sind in der Technik wohlbekannt. Bei einer Ausführungsform sind die Schutzgehäuse 30 wie folgt: Breite 3 cm oder weniger; Länge 6,5 cm oder weniger; und Höhe 1,2 cm oder weniger. Ein GBIC-Standard (SFF-8053 GBIC-Standard Version 5.5) erfordert, daß die Abmessungen eines Modulgehäuses rund 3 cm × 6,5 cm × 1,2 cm betragen. So entspricht das Schutzgehäuse 30 der vorliegenden Ausführungsform den Formfaktorerfordernissen des GBIC-Standards. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die physikalischen Abmessungen des Modulgehäuses: Breite 0,54 Zoll oder weniger; Länge 2,24 Zoll oder weniger; und Höhe 0,34 Zoll oder weniger. Die SFP MSA (Small form Factor Pluggable Multisource Agreement) erfordert, daß die Abmessungen eines konformen Modulgehäuses ca. 0,54'' × 2,24'' × 0,34'' betragen. So entspricht das Modulgehäuse in dieser Ausführungsform den Formfaktorerfordernissen des SFP-Standards. Man beachte, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Formfaktorerfordernisse begrenzt ist. Ein gewöhnlicher Fachmann mit Nutzen der vorliegenden Offenbarung erkennen wird, daß die vorliegende Erfindung an verschiedene bestehende oder noch zu bestimmende Formfaktoren anpaßbar ist, von denen einige kleiner als die hier identifizierten sein können.
Die Sendeschaltungen des Senders/Empfängers 100 bestehen aus einer optischen Senderteilbaugruppe (TOSA – Transmitter Optical Subassembly) 106 und einer integrierten Lasertreiberschaltung 108, wobei die Signaleingaben von den Stiften TX+ und TX– 90 erhalten werden. Die TOSA 106 enthält eine mechanische Fasersteckerbuchse und Koppeloptik wie auch einen thermoelektrischen Kühler (TEC – thermo-electric cooler) und eine Laserdiode bzw. LED. Die Lasertreiberschaltung 108 stellt Wechselstromantrieb und Gleichstrom-Vorspannungsstrom für den Laser bereit. Die Signaleingaben für den Treiber werden von (nicht gezeigten) E/A-Stiften des Senders/Empfängers 100 erhalten. Bei anderen Ausführungsformen befindet sich der TEC außerhalb der TOSA 106. Bei noch weiteren Ausführungsformen ist der TEC in einer Laser-TO-Packung (transistor-outline – Transistorabmessungen) integriert.
Zusätzlich enthält der optoelektronische Sender/Empfänger 100 einen TEC-Treiber 116 (thermalelectric cooler – theromelektrischer Kühler) und zusätzliche (nicht gezeigte) Schaltungen zum Regeln der Temperatur der TOSA 106. Eine Ausführungsform des TEC-Treibers 116 und der Zusatzschaltungen ist ausführlicher unten in Verbindung mit 5 beschrieben.
Ebenfalls in der 4 dargestellt ist der Mikroprozessor 200, der zwei oder mehr Chips umfassen kann, die zum Regeln der Operationen des Senders/Empfängers 100 konfiguriert sind. Geeignete Mikroprozessoren umfassen die von Microchip Technology, Inc. hergestellten 8-Bit-CMOS-FLASH-Mikrosteuerungen PIC16F873A, PIC16F870 und PIC16F871. Der Mikroprozessor 200 ist so gekoppelt, daß er Steuersignale für den Nachverstärker 104 und Lasertreiber 108 bereitstellt, und diese Bauteile und die ROSA 102 und TOSA 106 liefern Rückkopplungssignale zurück zum Mikroprozessor 200. Beispielsweise stellt der Mikroprozessor 200 Signale (z.B. Vorspannungs- und Amplitudenregelungssignale) zum Regeln des Gleichstrom-Vorspannungsstrompegels und Wechselstrom-Modulationspegels der Lasertreiberschaltung 108 bereit (die dadurch das Extinktionsverhältnis (ER – Extinction Ratio) des optischen Ausgangssignals steuert), während die Nachverstärkerschaltung 104 eine Ausgabe Signal Detect (Signalerkennung) für den Mikroprozessor 200 bereitstellt, um das Vorhandensein oder die Abwesenheit einer ausreichend starken optischen Eingabe anzuzeigen.
Bedeutsamerweise wird die optische Ausgangswellenlänge des Senders/Empfängers 100 sowohl durch den Vorspannungsstrompegel als auch den Wechselstrommodulationspegel beeinflußt. Der Fachmann erkennt, daß Zunahmen im Vorspannungsstrom und zu einem geringen Maß Zunahmen der Wechselstrommodulation die Temperatur des aktiven Bereichs eines Laserchips erhöhen können. Insbesondere steigt mit zunehmendem Vorspannungsstrom und Wechselstrommodulation die Verlustleistung des Laserchips. Und mit zunehmender Abführung von Energie in den Laserchip steigt die Temperatur des Laserchips, der einen festen Wärmewiderstand aufweist. Das trifft zu, obwohl die Temperatur am Träger des Laserchips typischerweise durch den TEC geregelt wird.
Temperatur und/oder physikalische Zustände verschiedener Bauteile des Senders/Empfängers 100 können unter Verwendung von Sensoren erfaßt werden, die an den Mikroprozessor 200 angekoppelt sind. Bei einigen Ausführungsformen können auch Zustände der optischen Verbindungsstrecken unter Verwendung der Sensoren erfaßt werden.
Zusätzlich zu und manchmal in Verbindung mit diesen Regelungsfunktionen gibt es eine Anzahl anderer Aufgaben, die vom Mikroprozessor 200 bearbeitet werden können. Diese Aufgaben umfassen folgendes, sind aber nicht unbedingt darauf begrenzt:

• Einstellfunktionen. Diese beziehen sich allgemein auf die von Teil zu Teil im Werk durchgeführten erforderlichen Einstellungen, um Variationen der Bauteileigenschaften wie beispielsweise Laserdioden-Schwellenstrom zu berücksichtigen.
• Identifikation. Dies bezieht sich auf die Speicher eines Identitätscodes in einem Mehrzweckspeicher (z.B. einem EEPROM). Zusätzliche Informationen wie Teilkomponentenrevisionen und Werksprüfdaten können ebenfalls zwecks Identifikation im Mehrzweckspeicher gespeichert sein.
• Augensicherheit und allgemeine Fehlererkennung. Diese Funktionen werden zur Erkennung abnormaler und möglicherweise unsicherer Betriebsparameter und zum Melden dieser an die Hostvorrichtung und/oder gegebenenfalls zur Durchführung von Laserabschaltung benutzt. Zum Identifizieren solcher abnormalen und möglicherweise unsicheren Betriebsparameter können Sensoren benutzt werden.
• Empfänger-Eingangslichtleistungsmessung. Diese Funktion wird zum Messen der Eingangslichtleistung benutzt und ein Bericht dieser Messung kann im Speicher gespeichert sein.
• Laserdiodenantriebsstrom. Diese Funktion wird zum Einstellen des Ausgangslichtleistungspegels der Laserdiode benutzt.
• Laserdiodentemperaturüberwachung und -regelung. Bei einer Ausführungsform ist ein Temperaturregler (z.B. ein thermoelektrischer Kühler (TEC – thermal-electric cooler) in oder in der Nähe der TOSA 106 angeordnet, um die Temperatur des darin befindlichen Laseremitters zu regeln. Bei dieser Ausführungsform ist der Mikroprozessor 200 für die Bereitstellung von Steuersignalen für den Temperaturregler verantwortlich.

Man beachte, daß der Sender/Empfänger 100 eine serielle Schnittstelle 202 zum Kommunizieren mit einer Hostvorrichtung aufweist. Nach hiesigem Gebrauch bezieht sich eine Hostvorrichtung auf eine Anschlußkarte, an die ein Sender/Empfänger angeschlossen ist, und/oder einem Hostsystemrechner, zu dem ein Sender/Empfänger eine optische Verbindung bereitstellt. Hostsysteme können Rechnersysteme, an das Netz angeschlossene Speichervorrichtungen (NAS – network attached storage), Speicherbereichsnetzvorrichtungen (SAN – storage area network), optoelektronische Router wie auch andere Arten von Hostsystemen und Vorrichtungen sein.
Bei einigen Ausführungsformen umfaßt der optoelektronische Sender/Empfänger 100 eine integrierte Schaltungssteuerung, die einige der oben aufgeführten Funktionen durchführen kann. Beispielsweise führt eine integrierte Schaltungssteuerung die Aufgaben der Identifizierung und Augensicherheit und allgemeinen Fehlererkennung durch, während der Mikroprozessor Steuersignale für den Temperaturregler bereitstellt und auch andere Aufgaben durchführen kann.
Weiterhin kann der optoelektronische Sender/Empfänger auch die im GBIC-Standard (Gigabit Interface Converter) beschriebenen Stifte 91 TX-sperren und 92 TX-Fehler umfassen. Beim GBIC-Standard (SFF-8053) erlaubt der Stift 91 TX-sperren das Abschalten des Senders durch die Hostvorrichtung, während der Stift 92 TX-Fehler für die Hostvorrichtung ein Anzeiger ist, daß irgendein Fehlerzustand im Laser oder der zugehörigen Lasertreiberschaltung besteht.
5 zeigt einen Teil der Temperaturregelungsschaltungen 101 des Senders/Empfängers 100. Die Temperaturregelungsschaltung 101 ist an eine TOSA 106 angekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen umfaßt die TOSA 106 eine Laserbaugruppe 112 (z.B. eine Laser-TO-Packung (transistor outline – mit Transistorabmessungen)), die wiederum einen Laseremitter umfaßt (z.B. eine kantenemittierende Laserdiode), der aktiviert wird, wenn ein positiver Vorspannungsstrom I_{laser bias} an seinen p-n-Übergang angelegt wird. Ebenfalls in der 5 dargestellt sind ein Lasertemperatursensor 110 und ein an die Laserbaugruppe 112 angekoppelter thermoelektrischer Kühler (TEC – thermoelectric cooler) 114. Bei einigen anderen Ausführungsformen sind der Lasertemperatursensor 110 und/oder der TEC 114 in der Laserbaugruppe 112 integriert. Bei noch weiteren Ausführungsformen liegen der Lasertemperatursensor 110 und/oder der TEC 114 außerhalb der TOSA 106.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Lasertemperatursensor 110 ein Thermistor. Es kann auch jede beliebige andere Vorrichtung benutzt werden, die zum Messen der Temperatur der Laserdiode geeignet ist. Vom Lasertemperatursensor 110 wird ein Signal (V_TL) erzeugt, das als Funktion der Temperatur der Laserdiode variiert. Wie oben beschrieben und wie dem Fachmann wohlbekannt ist verändert sich die Wellenlänge von durch eine Laserdiode erzeugten optischen Signalen als Funktion der Temperatur der Laserdiode. Dementsprechend kann bei anderen Ausführungsformen ein die Wellenlänge der optischen Signale messender Sensor direkt gegen den Lasertemperatursensor 110 ausgetauscht werden. Bei noch weiteren Ausführungsformen wird anstatt des Lasertemperatursensors 110 eine Vorrichtung benutzt, die einen Betriebszustand der Laserdiode mißt, der sich als Funktion der Temperatur der Laserdiode verändert.
Noch auf 5 bezugnehmend liefern die Lasertreiberschaltungen 108 sowohl Wechselstromantriebsleistung als auch einen positiven Gleichstorm-Vorspannungsstrom I_{laser bias} an die Laserbaugruppe 112, um den Laseremitter zu aktivieren und die Wechselstrommodulation der Laserbaugruppe einzustellen. Vom Mikroprozessor 200 wird dieser Aspekt der Lasertreiberschaltung 108 über das Vorspannungssteuersignal und das Amplitudensteuersignal geregelt. Auch überträgt die Lasertreiberschaltung 108 eine Spannung V (I_{laser bias}), die zum I_{laser bias} proportional ist, so daß der Mikroprozessor 200 indirekt den Istwert von I_{laser bias} überwachen kann, der sich aufgrund von Betriebszuständen wie beispielsweise der Temperatur verändern kann. Bei einigen Ausführungsformen überwacht der Mikroprozessor 200 ein Signal von einer (auch Monitorphotodiode genannten) Rückflächenphotodiode anstatt (oder zusätzlich zu) der Spannung (V I_{laser bias}) Bei einigen Ausführungsformen benutzt der Mikroprozessor 200 das (die) überwachte(n) Signal(e) zur Bestimmung einer Einstellung des Gleichstrom-Vorspannungsstroms I_{laser bias} Eine zusätzliche Eingabe wird für den Mikroprozessor 200 durch einen Umgebungstemperatursensor 120 bereitgestellt, der die die TOSA 106 umgebende Umgebungstemperatur mißt und ein Signal (V_TA) für den Mikroprozessor 200 erzeugt, das sich als Funktion der Umgebungstemperatur verändert. Obwohl vorzugsweise ein Lasertemperatursensor 110 in die Nähe eines Laseremitters plaziert wird, unterscheidet sich die Temperaturablesung vom Lasertemperatursensor 110 im allgemeinen von der Isttemperatur des Laseremitters, da der Lasertemperatursensor 110 physikalisch entfernt vom Laseremitter ist. Infolgedessen verändern sich die Temperaturmessung vom Temperatursensor 110 und sein Signal V_TL als Funktion der Außentemperatur. Durch Empfangen des Umgebungstemperatursignals V_TA ist der Mikroprozessor 200 in der Lage, die Auswirkung der Umgebungstemperatur auf die Temperaturmessung vom Lasertemperatursensor zu kompensieren.
Zusätzlich zu den Signalen V(I_{laser bias}), V_TL und V_TA empfängt der Mikroprozessor 200 Eingaben von einer Hostvorrichtung 220 über die seriellen Schnittstellenschaltungen 202 (6). Bei einigen Ausführungsformen erzeugt der Mikroprozessor 200 unter Verwendung der von der Hostvorrichtung, der Lasertreiberschaltung 108 und dem Umgebungstemperatursensor 120 eingesammelten Informationen ein analoges TEC-Befehlssignal, um die Temperatur des Laseremitters in der Laserbaugruppe 112 einzustellen. Insbesondere erzeugt der Mikroprozessor 200 das TEC-Befehlssignal auf Grundlage von Eingaben von V(I_{laser bias}) von den Lasertreiberschaltungen 108, V_TL vom Lasertemperatursensor, V_TA vom Umgebungstemperatursensor 120 und vorher während der Kalibrierung des optoelektronischen Senders/Empfängers 100 im Mikroprozessor 200 gespeicherten kalibrierten Werten.
Das TEC-Befehlssignal wird für die TEC-Treiberschaltungen 116 bereitgestellt. Die TEC-Treiberschaltungen 116 sind zum Erzeugen eines Ausgangssignals V_TEC zum Antreiben des TEC 114 gemäß dem TEC-Befehlssignal konfiguriert.
6 ist ein logisches Blockschaltbild, das einen Teil einer dem Mikroprozessor 200 implementierenden Schaltung darstellt. Der Mikroprozessor 200 enthält serielle Schnittstellenschaltungen 202, die an Hostvorrichtungsschnittstellen-Eingangs-/Ausgangsleitungen angekoppelt sind. Bei einigen Ausführungsformen arbeiten die seriellen Schnittstellenschaltungen 202 gemäß dem Standard für doppeltdrahtige serielle Schnittstellen, der auch bei den GBIC-(Gigabit Interface Converter) und SFP-Standards (Small Form Factor Pluggable) benutzt wird; andere serielle Schnittstellen könnten jedoch gleich gut in alternativen Ausführungsformen benutzt werden. Bei noch weiteren Ausführungsformen könnte anstelle einer seriellen Schnittstelle eine mehrpolige Schnittstelle benutzt werden. Die Schnittstellenschaltungen 202 werden zur Einstellung und Abfrage des Mikroprozessors 200 benutzt und ermöglichen Zugang zu dem optoelektronischen Sender/Empfänger 100 durch eine darin angeschlossene Hostvorrichtung 220.
Der Mikroprozessor 200 kann auch eine oder mehrere flüchtige und/oder nichtflüchtige Speichervorrichtungen wie beispielsweise eine Mehrzweck-EEPROM-Vorrichtung 204 (electrically erasable und programmable read only memory) nach der Darstellung in 4 umfassen. Unter Verwendung der EEPROM-Vorrichtung 204 können Tabellen und Parameter durch Einschreiben von Werten in vordefinierte Speicherstellen in den Speichervorrichtungen aufgesetzt werden, und es können verschiedene Ausgangswerte durch Auslesen aus vorbestimmten Speicherstellen in den Speichervorrichtungen ausgegeben werden. In der EEPROM-Vorrichtung 204 sind eine oder mehrere Nachschlagetabellen enthalten, die zur Zuweisung von Werten zu Steuerausgängen als Funktion von durch verschiedene Sensoren bereitgestellten Eingaben benutzt werden können.
Wie ebenfalls in der 6 dargestellt, enthält der Mikroprozessor 200 Analog-Digitalschaltungen (A/D) 206 zum Empfangen von Analogsignalen von anderen Teilen des optoelektronischen Senders/Empfängers 100 und Umwandeln der Analogsignale in Digitalwerte, die durch die digitale Steuerlogik 208 verarbeitet werden können. Die Steuerlogik 208 ist zum Empfangen von Digitalwerten vom A/D 206 wie auch Nachschlagetabellen vom EEPROM 204 und von der Hostvorrichtung 220 über die serielle Schnittstelle 202 konfiguriert. Zusätzlich ist die Steuerlogik 208 zum Einschreiben von ausgewählten Digitalwerten in vordefinierte Speicherstellen im EEPROM 204 und Ausgeben von Digitalwerten an Hostvorrichtungen bei Abfrage über die serielle Schnittstellenschaltung 202 konfiguriert. Weiterhin ist die Steuerlogik 208 zur Bestimmung des TEC-Befehlssignals unter Verwendung der oben beschriebenen Methodik konfiguriert. Bei einer Ausführungsform ist die Steuerlogik 208 durch durch den Mikroprozessor 200 ausführbare Softwareanweisungen implementiert. Bei dieser Ausführungsform kann die Methodik und/oder mathematische Formel, die zur Bestimmung des TEC-Befehlssignals benutzt wird, aktualisiert und abgeändert werden, ohne den Mikroprozessor 200 austauschen zu müssen.
Zuletzt sind wie in der 6 dargestellt Digital-Analog-Ausgangsschaltungen (D/A) 210 vorgesehen, um Digitalwerte von der Steuerlogik 208 zu empfangen und sie in Analogsignale zum Regeln anderer Teile des optoelektronischen Senders/Empfängers 100 umzuwandeln.
Wie ausführlich oben beschrieben betragen die Wellenlängen Abstände eines Kanalrasterstandards mit 100 GHz 0,8 nm. Um auf zwei Kanälen zu arbeiten, muß daher Sender/Empfänger 100 in der Lage sein, die Wellenlängenausgabe um mindestens 0,8 nm zu verstellen. Auf ähnliche Weise muß, um auf drei Kanälen zu arbeiten, der Sender/Empfänger 100 in der Lage sein, die Wellenlängenausgabe um mindestens 1,6 nm zu verstellen. Das Ausmaß, in dem die Wellenlängenausgabe verstellt werden muß, schreitet auf diese Weise für jeden zusätzlichen Kanal fort. Wie oben angedeutet beträgt jedoch die Kanalgrenze bei einem 100-GHz-Kanalrasterstandard 45. Der Kanalabstand und damit die Fähigkeit des Senders/Empfängers 100, die Wellenlängenausgabe zu verstellen, verändert sich im Verhältnis zum Kanalrasterstandard.
Um die Wellenlängenausgabe des Senders/Empfängers 100 zu regeln, wird die Temperatur von Laseremittern wie ausführlich unten beschrieben eingestellt. Und wie oben angedeutet liegt das Verhältnis zwischen der Temperatur des Laseremitters und der erzeugten Wellenlänge typischerweise bei 0,1 nm/°C. Das bedeutet, daß, wenn die Wellenlängenausgabe des Senders/Empfängers 100 beispielsweise um 0,8 nm verstellt werden muß, die Laseremittertemperatur um annähernd 8°C verstellt werden muß. Auf ähnliche Weise muß, wenn die Wellenlängenausgabe des Senders/Empfängers 100 beispielsweise um 1,6 nm verstellt werden muß (um 3-Kanal-Auswählbarkeit zu unterstützen), die Laseremittertemperatur um annähernd 16°C verstellt werden.
7 ist ein Flußdiagramm zum Regeln der Temperatur von Laseremittern unter Verwendung eines Mikroprozessors 200. Im Schritt 702 werden Steuerungs-Firmware und Anfangseinstellungen von einer Hostvorrichtung wie beispielsweise einem Rechner vorzugsweise über die seriellen Schnittstellenschaltungen 202 heruntergeladen. Die Steuersignale umfassen Daten bezüglich Laseralterung und der Auswirkung von Umgebungstemperaturen auf die Wellenlänge von optischen Signalen von einem Laseremitter und können zu dem Mikroprozessor 200 in dem optoelektronischen Sender/Empfänger 100 während der Kalibrierung des optoelektronischen Senders/Empfängers wie unten beschrieben übertragen werden. Die Steuerbefehle und Signale werden im Schritt 704 im EEPROM 204 (6) gespeichert. Der Empfang und die Speicherung von Steuerbefehlen und -signalen in Schritten 702 und 704 können vor dem Betrieb des Laseremitters oder während des Betriebs des Laseremitters bewirkt werden. Während des Betriebs des Laseremitters werden Analogsignale, die verschiedene Betriebszustände des Laseremitters einschließlich seiner Temperatur, der dem Laser-Vorspannungsstroms entsprechenden Spannung und der den Laseremitter umgebenden Umgebungstemperatur erzeugt und durch einen Mikroprozessor 200 (6) im Schritt 706 empfangen. Die Analogsignale werden im Schritt 708 in Digitalwerte umgewandelt und im Schritt 710 im EEPROM 204 des Mikroprozessors 200 gespeichert. Zuletzt erzeugt der Mikroprozessor 200 im Schritt 712 Steuersignale für den Temperaturregelungsmechanismus, der vorzugsweise einen TEC 114 und einen TEC-Treiber 116 umfaßt, auf Grundlage der Steuersignale und Digitalwerte, die während der vorangegangenen Schritte im EEPROM 204 des Mikroprozessors 200 gespeichert worden sind.
8 ist ein logisches Blockschaltbild, das ein System zur Einstellung und Abstimmung einer optoelektronischen Baugruppe darstellt. Wie oben beschrieben müssen bei Anwendungen mit DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing – dichtem Wellenlängenmultiplex) Laseremitter abgestimmt werden, um optische Signale mit Wellenlängen auszusenden, die ITU-Kanälen entsprechen. Der Abstand der ITU-Kanäle beträgt für DWDM 0,8 nm ±0,1 nm bei 100 GHz, 1,6 nm ±0,2 nm bei 200 GHz und 0,4 nm ±0,5 nm bei 50 GHz. Im Handel erhältliche Laserdioden enthalten allgemein Spezifikationsdaten über die Wellenlänge von optischen Signalen, die von den Laserdioden bei Betrieb mit Zimmertemperatur ausgestrahlt werden. Es ist jedoch wünschenswert, in optoelektronischen Baugruppen benutze Laserdioden oberhalb der Umgebungstemperatur zu betreiben.
Im allgemeinen ermöglicht das Betreiben von Laserdioden eine wirkungsvollere Funktionsweise der TEC. Insbesondere sind TEC wirkungsvoller, wenn sie sich erwärmen, als wenn sie sich abkühlen, da der thermoelektrische Effekt und Widerstandserwärmung zusammenwirken, wenn die TEC die Laserdioden erwärmen, anstatt entgegengesetzt zu arbeiten, wie es der Fall ist, wenn die TEC die Laserdioden abkühlen. Der Wirkungsgrad ist von besonderer Bedeutung bei steckbaren Sender/Empfängeranwendungen, wenn die verfügbare Leistung und damit die Funktionsfähigkeit der TEC auf angegebene Pegeln begrenzt sind. Betreiben von Laserdioden mit hohen Temperaturen kann jedoch die nützliche Lebensdauer der Laserdioden verkürzen.
Es ist daher bei vielen Anwendungen vorzuziehen, eine Laserdiode durch Einstellen des TEC-Befehlssignals abzustimmen, so daß die Laserdiode optische Signale ausstrahlt, die für eine ausgewählte DWDM-Frequenz in eine gewünschte ITU-Kanalwellenlänge fallen, wenn die Betriebstemperatur der Laserdiode so hoch wie möglich ist, aber nicht mehr als 50°C beträgt.
Bezugnehmend auf 8 ist ein optoelektronischer Sensor/Empfänger 100 zur Übertragung von optischen Signalen zu einem Wellenmesser 802 gekoppelt. Der Wellenmesser 802 mißt die Wellenlänge der optischen Signale und stellt die Wellenlänge für einen Rechner 804 mit Prüfungssoftware bereit. Der Rechner 804 sendet Signale zum optoelektronischen Sender/Empfänger 100 über eine serielle Schnittstelle unter Verwendung des Standards für eine zweidrahtige serielle Schnittstelle, um die Temperatur des Laseremitters einzustellen, bis die Zielwellenlänge für einen oder mehrere ITU-Kanäle wie ausführlich unten beschrieben erreicht ist.
9 enthält ein Flußdiagramm zum Kalibrieren eines optoelektronischen Senders/Empfängers 100. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird der Sender/Empfänger 100 so kalibriert, daß er in einem oder mehreren ITU-Kanälen arbeitet. In einem ersten Schritt wird vom Rechner 804 eine Zielwellenlänge gesetzt (Schritt 901). Dies kann beispielsweise durch Erwärmen des optoelektronischen Senders/Empfängers auf 50°C, Verringern der Temperatur, bis ein erster ITU-Kanal gefunden wird und dann Einstellen der Zielwellenlänge auf eine Wellenlänge mit diesem ITU-Kanal bewirkt werden. Während die Zielwellenlänge in einem ITU-Kanal liegt, befindet sie sich nicht unbedingt in der Mitte des Kanals. Bei einigen Ausführungsformen ist die Zielwellenlänge niedriger als die Mittenwellenlänge, um Rotverschiebung zu berücksichtigen, die bei Alterung von Lasern wie ausführlicher unten beschrieben auftritt.
Und wie unten angedeutet schreitet der Vorgang des Kalibrierens des Senders/Empfängers 100 zum Betrieb in beispielsweise zwei oder mehr Kanälen typischerweise vom höchsten Kanal zum niedrigsten Kanal fort. Wenn daher der Schritt 901 zum ersten Mal ausgeführt wird (im Zusammenhang mit zwei oder mehr Kanälen), entspricht die Zielwellenlänge typischerweise dem höchsten Kanal. Dann schreitet der Kalibrierungsvorgang schrittweise nacheinander durch die Kanäle fort, sowie Schritte 901-918 für jeden Kanal ausgeführt werden. Wenn der Laser für Betrieb auf nur einem Kanal kalibriert wird, können die Schritte 901-918 gerade einmal ausgeführt werden.
Der Rechner 804 weist dann den Mikroprozessor 200 (über das TEC-Befehlssignal) an, die Temperatur des Laseremitters in der Laserbaugruppe 112 einzustellen (Schritt 902). Wenn der Schritt 902 zum ersten Mal ausgeführt wird, wird die Temperatur vorzugsweise auf T_setup bzw. 50°C eingestellt, die die bevorzugte maximale Betriebstemperatur der Laserbaugruppe 112 ist. Während nachfolgender Ausführungen des Schritts 902 wird jedoch die Temperatur unterschiedlich eingestellt. Wie unten in Verbindung mit dem Schritt 916 beschrieben wird eine Endtemperatur für einen gegebenen Kanal ausgewählt. Bei Kalibrieren des nächsten Kanals ist die im Schritt 902 eingestellte Temperatur vorzugsweise diese Endtemperatur versetzt um einen vordefinierten Betrag. Wenn beispielsweise der Kanalabstand 0,8 nm beträgt, kann dieser vordefinierte Versatz 7 oder 8°C betragen (d.h. die im Schritt 902 eingestellte Temperatur würde annähernd 7 oder 8°C weniger als die Endtemperatur für den vorher kalibrierten Kanal betragen).
Zusätzlich kann der Rechner 804 über die serielle Schnittstelle 202 mit dem Mikroprozessor 200 kommunizieren. Auch kann der Rechner 804 I I_{laser bias} und die Wechselstrommodulation auf Vorgabewerte einstellen.
Der Rechner 804 überprüft dann die Wellenlänge der optischen Signale über den Wellenmesser 802 (Schritt 904). Wenn die gemessene Wellenlänge nicht annähernd gleich der Zielwellenlänge ist (Schritt 906 – Nein), stellt der Rechner 804 die Temperatur des Laseremitters in der Laserbaugruppe 112 ein (Schritt 908). Vorzugsweise ist die gemessene Wellenlänge so lange nicht annähernd gleich der Zielwellenlänge, bis sie innerhalb von 10 pm voneinander liegen. Die Einstellungsrichtung ist davon abhängig, ob die gemessene Wellenlänge größer oder weniger als die Zielwellenlänge ist. Vorzugsweise ist die erste Einstellung eine Verringerung, da die Temperatur weniger gleich T_setup betragen muß. Weiterhin stellt die Einstellung der Temperatur im Schritt 908 eine grobe Einstellung dar, so daß sie vorzugsweise einer Einstellung von 3-10 pm der Wellenlänge des optischen Signals entspricht (in Abhängigkeit von der Auflösung des D/A 210 und dem Aufbau des Sender/Empfängers allgemein). Das Ziel der Schritte 904-908 besteht darin, zu erreichen, daß die Wellenlängen annähernd übereinstimmen, nicht genau übereinstimmen, so daß der Betrag der Verringerung im Schritt 908 nicht sehr fein sein muß. Der Rechner 804 wiederholt dann die Schritte 904-908, bis die gemessene Wellenlänge annähernd gleich der Zielwellenlänge ist.
Sobald die gemessene Wellenlänge annähernd der Zielwellenlänge gleich ist (Schritt 906 – Ja) stellt der Rechner 804 die Gleichstromvorspannung und den Wechselstrommodulationsstrom ein, um die Betriebszielwerte für Laserleistung und Extinktionsverhältnis zu erreichen (Schritt 910). Bei einigen Ausführungsformen kann dieser Schritt unter Verwendung eines digitalen Kommunikationsanalysators oder einer sonstigen externen Einrichtung zum Messen der Laserleistung und des Extinktionsverhältnisses während der Einstellung von Gleichstrom-Vorspannung und Wechselstrommodulationsstrom bewirkt werden. Die genauen Betriebszielwerte können von einer Ausführungsform zur nächsten unterschiedlich sein. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Schritt 910 während der Kalibrierung von anderen Kanälen als dem ersten Kanal übersprungen werden, wenn die Kanäle nahe genug beieinander liegen, daß die Gleichstrom-Vorspannungs- und Wechselstrommodulationspegel für die ersten Kanäle auch zur Verwendung bei diesen anderen Kanälen geeignet sind.
Dann überprüft der Rechner 804 die Wellenlänge der optischen Signale über den Wellenmesser 802 (Schritt 912). Wenn die gemessene Wellenlänge nicht gleich der Zielwellenlänge ist (Schritt 914 – Nein), stellt der Rechner 804 die Temperatur des Laseremitters in der Laserbaugruppe 112 ein (Schritt 916). Typischerweise ist die gemessene Wellenlänge „gleich" der Zielwellenlänge, sobald sie innerhalb 1-5 pm der Zielwellenlänge liegt. Die Einstellungsrichtung ist wiederum davon abhängig, ob die gemessene Wellenlänge größer als oder weniger als die Zielwellenlänge ist. Weiterhin ist der Betrag der Temperaturverringerung im Schritt 916 vorzugsweise geringer als der Betrag der Verringerung im Schritt 908. Beispielsweise könnte die Einstellung im Schritt 916 einer Einstellung von 1-3 pm der Wellenlänge des optischen Signals entsprechen (in Abhängigkeit von der Auflösung des D/A 210 und des Aufbaus des Sender/Empfängers allgemein).
Wenn bestimmt wird, daß die gemessene Wellenlänge gleich der Zielwellenlänge ist (oder innerhalb eines vordefinierten Spielraums davon liegt) (Schritt 914 – Ja), speichert der Rechner 804 Werte, die der Temperatur des Laseremitters, dem Gleichstrom-Vorspannungsstrom I_{laser bias} und der Wechselstrom modulation entsprechen (oder diese darstellen) in einer Kanal-Nachschlagetabelle 1000 (10), die durch den EEPROM 204 des Mikroprozessors 200 unterhalten wird (Schritt 918). 10 zeigt eine beispielhafte Kanal-Nachschlagetabelle 1000, die eine Kanalbezeichnung und entsprechende Werte für die TEC-Temperatur des Laseremitters, den Gleichstrom-Vorspannungsstrom I_laser
bias und die Wechselstrommodulation enthält.
Wenn es einen zusätzlichen Kanal zu kalibrieren gibt (Schritt 920 – Ja) werden die Schritte 901-918 für den zusätzlichen Kanal ausgeführt. Wenn nicht, dann wird der Kalibrierungsvorgang abgeschlossen.
Während des Betriebs des Sender/Empfängers 100 kann der Mikroprozessor 200 Befehle über die serielle Schnittstelle 202 empfangen, um einen der Kanäle auszuwählen, für den die oben beschriebenen Kalibrierungsschritte ausgeführt worden sind. Bei noch weiteren Ausführungsformen wird ein bestimmter Kanal nur einmal ausgewählt, in welchem Fall der Sender/Empfänger 100 dann halb-permanent konfiguriert ist, auf dem ausgewählten Kanal zu arbeiten. In beiden Fällen benutzt der Mikroprozessor 200 eine Kanalkennung, die vorzugsweise bei den Befehlen enthalten ist, um entsprechende Temperatur, den Gleichstrom-Vorspannungsstrom I_{laser bias} und Wechelstrommodulationswerte nachzuschlagen und konfiguriert den Sender/Empfänger 100 dementsprechend.
Bei einigen Ausführungsformen wird eine (nicht dargestellte) Sender/Empfängersteuerung zur Durchführung einiger der Funktionen benutzt, die sonst durch den Mikroprozessor 200 durchgeführt werden.
Beispielsweise kann eine Sender/Empfängersteuerung zum Nachschlagen von Werten in Tabellen und Ausgeben dieser Werte über einen oder mehrere Digital-Analog-Wandler benutzt werden. Dementsprechend kann die Nachschlagetabelle 100 (oder Teile der Nachschlagetabelle 100) auch für die Sender/Empfängersteuerung zugänglich oder durch sie gespeichert sein, so daß sie einige Steuersignale ausgeben kann, während der Mikroprozessor 200 andere Steuersignale ausgibt.
Die Aufmerksamkeit richtet sich nunmehr auf eine Ausführungsform, bei der Eigenschaften von Lasern, die sich mit der Zeit verändern, auf eine oder mehrere Weisen kompensiert werden.
11A enthält eine konzeptmäßige Darstellung einer typischen Aufzeichnung eines optischen Leistungspegels P₁ und I_{laser bias} der Laserdiode in einem Sender/Empfänger 100, der so konfiguriert ist, daß I_laser
bias über eine Zeitperiode konstant ist. P₁ ist durch eine durchgezogene Linie dargestellt und I_laser
bias ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Nach der Darstellung nimmt P₁ (auf schwach exponentielle Weise) ab. Das Lebensende (EOL – end of life) der Laserdiode, das 25 Jahre betragen kann, ist in der Aufzeichnung markiert und entspricht einem Abklingen von P₁, das typischerweise weniger als die Hälfte beträgt.
11B enthält eine konzeptmäßige Darstellung einer typischen Aufstellung von P₁ und I_{laser bias} der Laserdiode in einem Sender/Empfänger 100, der so konfiguriert ist, daß P1 über eine Zeitperiode konstant ist. P₁ ist wiederum durch eine durchgezogene Linie dargestellt und I_laser
bias ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Nach der Darstellung bleibt P₁ bis zum EOL konstant, an welcher Stelle P₁ typischerweise beinahe linear abnimmt. I_{laser bias} verdoppelt sich annähernd über Zeit, um P₁ bis zum EOL konstant zu halten, an welcher Stelle die Laserdiode I_{laser bias} nicht länger erhöhen kann, um P₁ konstant zu halten. Wie oben aufgeführt steigt die Temperatur des Lasers P₁ mit I_{laser bias}, was eine Erhöhung der Wellenlänge des Lasers verursacht (d.h. eine Rotverschiebung). Da weiterhin der Temperatursensor des TEC typischerweise vom Laseremitter entfernt ist, wird die Temperatur des Laseremitters selbst dann zunehmen, wenn die vom Temperatursensor des TEC gemessene Temperatur gut geregelt ist. Die vorliegende Erfindung kompensiert teilweise für die sich aus der Änderung der Laseremittertemperatur aufgrund der Steigerungen des I_{laser bias} ergebenden Wellenlängenänderung.
Zusätzlich weiß der Fachmann, daß die Änderung von T₁ (Δ T₁) gleich der Änderung von P₁ (Δ P₁) mal dem Wärmewiderstand der Laserdiode R₁ ist (d.h. das Δ T₁ = Δ P₁·R₁), und daß Δ P₁ gleich der Änderung des I_{laser bias} (Δ I_{laser bias}) mal der Änderung der Laserspannung V_laser ist (d.h. Δ P₁ = Δ I_{laser bias}·Δ V_laser). Durch Änderungen des Laserstroms (Δ I_{laser bias}) verursachte Änderungen der Laserspannung (Δ V_laser) sind typischerweise sehr klein, wo der Reihenwiderstand des Lasers klein ist, was der Fall bei bevorzugten Ausführungsformen ist. Die Auswirkung auf die Laserspannung ist daher gering und kann praktisch außer Acht gelassen werden. Das Ergebnis ist, daß die obigen Gleichungen wie folgt vereinfacht werden können : Δ P₁ α I_{laser bias} und Δ T₁ α Δ I_{laser bias}·R₁. Der Wärmewiderstand ist eine Konstante für eine gegebene Vorrichtung und die Änderung der Lasertemperatur steht daher im groben Verhältnis zur Änderung des Laserstroms (Δ T₁ α Δ I_{laser bias}).
Da Änderungen der Laserwellenlänge im Verhältnis zu Änderungen der Lasertemperatur stehen, kann aus der obigen Gleichung geschlossen werden, daß die Änderung der Laserwellenlänge (Δλ) ebenfalls im Verhältnis zur Änderung des Vorspannungsstroms (Δλ) α Δ I_{laser bias} steht. So sind in diesem ersten Verhältnis Änderungen von I_{laser bias} proportional zu Änderungen der Wellenlänge der Laserdiode, da die Wellenlänge mit steigendem I_{laser bias} zunimmt. Eine andere Weise, dieses auszudrücken, ist, daß die Wellenlänge von durch eine Laserdiode ausgestrahltem Licht als lineare Funktion von I_{laser bias} dargestellt werden kann. Es ist zu beachten, daß selbst wenn das Verhältnis zwischen Wellenlänge und I_{laser bias} nicht genau linear ist, dieses Verhältnis in dem kleinen Betriebsbereich, der für den Betrieb des Lasers relevant ist, als linear behandelt werden kann.
Wie oben aufgeführt, nimmt die Wellenlänge um ca. 1 nm zu, wenn die Laseremittertemperatur um 10°C erhöht wird. Die genaue Beschaffenheit dieses ersten Verhältnisses kann für eine gegebene Laserdiode oder Klasse von Laserdioden durch Experimentierung oder Berechnung bestimmt werden. Eine Bestimmung des Verhältnisses ist eine Weise zum charakterisieren des Verhaltens der Laserdiode.
Eine weitere Weise des Charakterisierens einer Laserdiode ist durch Bezugnahme auf den Brechungsindex der Laserdiode. Laserdioden enthalten einen Laserresonator, der durch einen Brechungsindex n₁ charakterisiert werden kann, der über Zeit zunehmen kann. Weiterhin erkennt der Fachmann, daß 1) die Wellenlänge der Laserdiode umgekehrt proportional zu (d.h. eine inverse Funktion von) dem Brechungsindex ist (d.h. λ α 1/n₁); 2), daß n₁ proportional zu (d.h. eine lineare Funktion von) der Stromdichte der Laserdiode I_d·T₁ ist (d.h. n₁ α I_d·T₁); und 3), daß I_d gleich dem Bereich des Laserübergangs der Laserdiode A_lj mal I_laser
bias ist (d.h. I_d = A_lj·I_{laser bias}). Durch Kombinieren dieser Verhältnisse wie folgt: Δλ α 1/(I_d·T₁) Δλ α 1/(A_lj·I_{laser bias}·T_j) erhält man Δλ α 1/I_{laser bias}, wobei T₁ eine Funktion von I_{laser bias} und A_lj ist, die für Laserdioden oder eine Klasse von Laserdioden fest und wiederholbar sein kann. Anders gesagt ist das Ergebnis des Kombinierens dieser Verhältnisse, daß die Änderungen der Wellenlänge der Laserdiode auch im umgekehrten Verhältnis zu I_laser
bias stehen. So nimmt in diesem zweiten Verhältnis die Wellenlänge der Laserdiode mit zunehmendem n_j, und damit I_{laser bias}, ab (d.h. eine Blauverschiebung). Die genaue Beschaffenheit dieses zweiten Verhältnisses kann für eine gegebene Laserdiode durch Experimentierung und/oder Berechnung bestimmt werden.
Ein verkomplizierender Faktor besteht darin, daß sich die Stärke des ersten und zweiten Verhältnisses unabhängig über Zeit und mit Laserdioden verändern kann. So kann sich das Ausmaß, in dem das erste und zweite Verhältnis einander ausgleichen (z.B. das Ausmaß, in dem eines der Verhältnisse dominant ist) über Zeit und mit Laserdiodentyp oder -klasse verändern. Selbst dieser verkomplizierende Faktor kann jedoch durch Experimentierung und/oder Berechnung quantifiziert werden.
Durch Quantifizieren dieser Verhältnisse kann die Lasersteuerung so konfiguriert werden, daß sie für vorhergesagte Wellenlängenverschiebungen kompensiert, indem sie Einstellungen an dem TEC-Temperatursollwert durchführt, so daß die Laserdiode für ausgedehnte Zeiten innerhalb einer engen Wellenlängentoleranz arbeiten kann (z.B. 20 oder 25 Jahre, wie typischerweise für Telekommunikationsanwendungen erforderlich ist).
Ein Ergebnis der Quantifizierung des ersten und/oder zweiten Verhältnisses kann eine Nachschlagetabelle sein, mit Einträgen für 1) Zeit, Temperatur und I_{laser bias}; 2) Zeit und Temperatur; oder 3) Temperatur und I_{laser bias}. 12A zeigt eine beispielhafte Nachschlagetabelle 1200 mit Spalten für Zeit, Temperatur und I_{laser bias}. Die Zeiteinträge können beispielsweise einem im Mikroprozessor 200 unterhaltenen Zählerwert entsprechen, der periodisch während des Betriebs der Laserdiode aktualisiert wird.
Durch den Mikroprozessor 200 kann während des Betriebs der Laserdiode auf eine solche Nachschlagetabelle 120 Bezug genommen werden, um die Zieltemperatur des TEC 114 nach Bedarf einzustellen. Beispielsweise kann der Mikroprozessor 200 konfiguriert werden, periodisch während des Betriebs der Laserdiode auf diese Nachschlagetabelle 120 Bezug zu nehmen, eine Zeile mit einem Zeitwert zu finden, der dem Zählerwert entspricht, und die Zieltemperatur des TEC 114 durch Bezugnahme auf den Temperaturwert in dieser Zeile einzustellen. Als Alternative kann der Mikroprozessor 200 konfiguriert werden, den Wert I_{laser bias} zu überwachen und periodisch oder jedes Mal wenn sich dieser Wert um einen vorbestimmten Betrag ändert auf diese Nachschlagetabelle 120 Bezug zu nehmen. Der Mikroprozessor 200 kann eine Zeile mit einem Wert von I_{laser bias} finden, der dem gemessenen Wert von I_{laser bias} entspricht und die Zieltemperatur des TEC 114 durch Bezugnahme auf den Temperaturwert in dieser Zeile einstellen. Weiterhin kann der Mikroprozessor 200 eine Zeile auswählen, die am engsten einem gegebenen Zeitwert oder Wert von I_{laser bias} entspricht oder eine Zieltemperatur durch Bezugnahme auf zwei oder mehr Zeilen in einer Nachschlagetabelle 1210, 1200 interpolieren, die am engsten mit einem gegebenen Zeitwert oder Wert von I_{laser bias} übereinstimmt.
Bei anderen Ausführungsformen wird anstatt der Verwendung einer Nachschlagetabelle vom Mikroprozessor 200 Wellenlängenkompensation unter Verwendung einer Berechnung implementiert, die eine Funktion eines gemessenen Betriebsparameters der Laserdiode wie beispielsweise der Vorspannungsstrom ist. Beispielsweise kann die Kompensation eine berechnete Funktion eines Verhältnisses Δλ/Δ I_{laser bias} sein, die entweder während der Kalibrierung der Laserdiode bestimmt wird oder für alle Laserdioden eines bestimmten Typs bestimmt wird. Wenn beispielsweise während der Kalibrierung bestimmt wird, daß sich die Wellenlänge um 5 pm ändert, wenn sich der Vorspannungsstrom um 1 mA ändert (Δλ/Δ I_{laser bias} = 5 pm/mA), dann kann der Mikroprozessor so programmiert werden, daß er die TEC-Steuerung (zum Anheben des Kühlungsbetrags) um einen vordefinierten Schritt erhöht, wenn der Vorspannungsstrom um 1 mA ansteigt, wobei jeder Schritt der TEC-Regelung einer Wellenlängenänderung von 5 pm entspricht.
Eine weitere Charakterisierung der Laserdiode kann eine Bestimmung enthalten, daß die Wellenlänge der Laserdiode während einer gegebenen Zeitperiode sich nach oben oder nach unten verschiebt. Auf ähnliche Weise kann bestimmt werden, daß die Wellenlänge der Laserdiode sich um einen bestimmten Betragwert einer gegebenen Zeitperiode nach oben oder nach unten verschiebt. In beiden Fällen ist möglicherweise nicht bekannt, wie groß die Verschiebung zu jeder bestimmten Zeit oder jedem Wert von I_{laser bias} sein wird. In solchen Fällen ist es möglicherweise nur möglich, die Anfangszielwellenlänge um einen gewissen Betrag zu verschieben, um eine Wellenlängendrift mit erwarteter Richtung oder Richtung und Höhe zu kompensieren.
Ein noch weiteres Ergebnis einer solchen Aktivität kann eine Charakterisierung der Laserdiode sein, die eine Anfangseinstellung der Zielwellenlänge in Kombination mit einer weitergehenden Verstellung der Zieltemperatur des TEC 114 durch Bezugnahme auf Zeitwerte oder Werte von I_laser
bias während des Betriebs der Laserdiode ermöglicht. Die weiterführende Einstellung kann eine einzige Einstellung an der Zieltemperatur während der Betriebslebensdauer der Laserdiode sein oder kann eine Folge solcher Einstellungen über die Betriebslebensdauer der Vorrichtung umfassen.
Ein noch weiteres Ergebnis der Quantifizierung dieser Verhältnisse kann die Erzeugung einer linearen oder nichtlinearen Gleichung oder Funktion sein, die einem Zeit/Temperaturverhältnis oder einem I_laser
bias/Temperaturverhältnis einer gegebenen Laserdiode entspricht. In diesem Fall wird ein Zeitwert oder Wert von I_{laser bias} in eine gegebene Gleichung oder Funktion eingegeben, um eine entsprechende Zieltemperatur TEC 114 zu berechnen.
Und wie oben bemerkt, kann eine Laserdiode für den Betrieb auf zwei oder mehr Kanälen kalibriert werden. Die Charakterisierung einer Laserdiode kann daher erweitert werden, um zwei oder mehr Kanäle zu berücksichtigen. Es ist möglich, daß die Wellenlängendrift einer Laserdiode für jeden Kanal unterschiedlich sein kann. 12B zeigt eine beispielhafte Nachschlagetabelle 1210, die der ersten Nachschlagetabelle 1200 ähnlich ist, aber erweitert, um Daten für einen zweiten Kanal einzuschließen.
Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zielwellenlänge für einen gegebenen ITU-Kanal oberhalb oder unterhalb der Kanalmitte 10 versetzt, um eine erwartete Wellenlängendrift über Zeit zu berücksichtigen. Wenn eine Blauverschiebung erwartet wird, kann die Zielwellenlänge oberhalb der Kanalmitte 10 gesetzt werden. Wenn umgekehrt eine Rotverschiebung erwartet wird, kann die Zielwellenlänge unterhalb der Kanalmitte 10 gesetzt werden. Dadurch wird eine größere Wellenlängendrift berücksichtigt, als möglich sein würde, wenn die Zielwellenlänge auf die Kanalmitte gesetzt wäre.
Wenn beispielsweise durch Bezugnahme auf das erste und zweite Verhältnis bestimmt wird, daß eine gegebene Laserdiode während ihrer Betriebslebensdauer (bzw. ihrer definierten Betriebslebensdauer wie beispielsweise 20 oder 25 Jahre) eine Blauverschiebung von 90 pm (d.h. eine „90-pm-Blauverschiebung") erfahren wird, wird die Zielwellenlänge auf eine höhere Wellenlänge als die Kanalmitte 10 gesetzt. Bezüglich der 3 ist oben angeführt, daß für die Anfangseinstellung und Temperaturregelung 30 pm Toleranz erforderlich ist, so daß 70 pm Wellenlängendrift von der Kanalmitte 10 aus in beiden Richtungen möglich ist, ohne einen Kanal von 200 pm zu durchbrechen. Ohne Verwendung der vorliegenden Erfindung könnte daher die bestimmte Laserdiode vordem nicht dazu benutzt werden, in einem 200-pm-Kanal zu arbeiten (ohne Verwendung beispielsweise eines Wellenverriegelers), da die erwartete Blauverschiebung von 90 pm die 70 pm zulässiger Drift von der Kanalmitte 10 überschreitet.
Zum Kompensieren wird die Zielwellenlänge für diesen Kanal und diese bestimmte Laserdiode beispielsweise auf 40 pm über Kanalmitte 10 gesetzt (d.h. auf die Wellenlänge der Kanalmitte 10 zuzüglich eines Versatzes von 40 pm gesetzt). Erstens überschreitet der Versatz von 40 pm zuzüglich der 30 pm erforderlicher Toleranz nicht die 100 pm Kanalraum über der Kanalmitte 10 (d.h. es gibt 30 pm verfügbaren Kanalraum über der Zielwellenlänge, selbst bei Berücksichtigung der 30 pm erforderlicher Toleranz). Zweitens wird durch Ausgleichen der erwarteten Blauverschiebung von 90 pm um den Versatz von 40 pm die Wellenlänge der beispielhaften Laserdiode und ihre Nutzlebensdauer auf annähernd 50 pm unterhalb der Wellenlänge der Kanalmitte 10 wandern. Zufügen der 30 pm erforderlicher Toleranz zu dieser erwarteten Verschiebung von 50 pm unter die Kanalmitte 10 erzeugt eine mögliche Blauverschiebung unter die Kanalmitte 10 von bis zu 80 pm, was innerhalb des Kanalraums von 100 pm unter Kanalmitte 10 liegt (d.h. es gibt 20 pm verfügbaren Kanalraum). Der Versatz der Zielwellenlänge in diesem Beispiel ist in 13A dargestellt.
13B zeigt ein weiteres Beispiel, in dem bestimmt wird, daß eine gegebene Laserdiode während ihrer Nutzlebensdauer eine Rotverschiebung von 90 pm (d.h. eine „90-pm-Rotverschiebung") erfahren wird. Zum Kompensieren wird die Zielwellenlänge unter eine Wellenlänge der Kanalmitte 10 gesetzt. Es wird wiederum bezüglich der 3 angegeben, daß für die Anfangseinstellung und Temperaturregelung 30 pm Toleranz erforderlich sind, so daß 70 pm Wellenlängendrift von der Kanalmitte 10 in beiden Richtungen möglich ist, ohne einen Kanal von 200 pm zu durchbrechen. Ohne Verwendung der vorliegenden Erfindung (oder beispielsweise einen Wellenverriegeler) könnte daher diese bestimmte Laserdiode vordem nicht benutzt werden, um in einem Kanal von 200 pm betrieben zu werden, da die erwartete Rotverschiebung von 90 pm die 70 pm zulässiger Drift von der Kanalmitte 10 überschreitet.
Zum Kompensieren wird die Zielwellenlänge für diesen Kanal und diese bestimmte Laserdiode beispielsweise auf 50 pm unter Kanalmitte 10 gesetzt (d.h. auf die Wellenlänge der Kanalmitte 10 abzüglich eines Versatzes von 50 pm gesetzt). Erstens überschreitet der Versatz von 50 pm bezüglich der 30 pm erforderliche Toleranz nicht die 100 pm Kanalraum unter der Kanalmitte 10 (d.h. es gibt 20 pm verfügbaren Kanalraum unter der Zielwellenlänge, selbst bei Berücksichtigung der 30 pm erforderlichen Toleranz). Zweitens wird durch Ausgleichen der erwarteten Rotverschiebung von 90 pm durch den Versatz von 50 pm die Wellenlänge der beispielhaften Laserdiode während ihrer Nutzlebensdauer auf annähernd 40 pm oberhalb der Wellenlänge der Kanalmitte 10 wandern. Zufügen der 30 pm erforderlicher Toleranz zu dieser erwarteten Verschiebung von 40 pm über die Kanalmitte 10 erzeugt eine mögliche Rotverschiebung oberhalb der Kanalmitte 10 von bis zu 70 pm, was innerhalb der 100 pm Kanalraum über der Kanalmitte 10 liegt (d.h. es gibt 30 pm verfügbaren Kanalraum).
Die oben in Verbindung mit 13A und 13B beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zur Auswahl einer Zielwellenlänge wie angedeutet benutzt werden. Diese Zielwellenlänge kann dann in Verbindung mit den oben in Verbindung mit 9 beschriebenen Verarbeitungsschritten zur Berechnung von Anfangswerten für Temperatur und I_{laser bias} benutzt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Zielwellenlänge um einen Wellenlängenversatz von mindestens 30 pm und weniger als 70 pm von der Kanalmittenwellenlänge versetzt. Bei anderen Ausführungsformen wird die Zielwellenlänge von der Kanalmittenwellenlänge um einen Wellenlängenversatz von mindestens 40 pm und weniger als 80 pm versetzt. Bei einer noch weiteren Ausführungsform wird die Zielwellenlänge von der Kanalmittenwellenlänge um einen Wellenlängenversatz von mindestens 50 pm versetzt. Weiterhin beträgt die (oben unter Bezugnahme auf 3 beschriebene) Wellenlängenregelungstoleranz bei der bevorzugten Ausführungsform rund 30 pm, aber bei anderen Ausführungsformen kann die Wellenlängenregelungstoleranz so gering wie 10 pm oder so groß wie 35 pm sein.
Uns einer weiteren Ausführungsform zuwendend zeigt die 14A ein Temperaturregelungsflußdiagramm 1400. Kurz gesagt zeigt dieses Flußdiagramm einen Vorgang, bei dem der Mikroprozessor 200 I_{laser bias} abfragt, um einen Index beispielsweise in die Wellenlängendrift-Nachschlagetabelle 1200 zu erhalten und die Zieltemperatur von TEC 114 dementsprechend einzustellen. Diese Ausführungsform – und andere unten beschriebenen Ausführungsformen – können nach Ausführung der oben in Verbindung mit 9 beschriebenen Verarbeitungsschritte zum Kompensieren einer vorhergesagten Wellenlängendrift benutzt werden (z.B. zum Einstellen des (der) in einer oder mehreren Ausführungen des Schritts 918 gespeicherten Temperaturwerte(s)).
In einem ersten Schritt erhält der Mikroprozessor 200 den Wert von I_laser
bias (Schritt 1402). Wie oben beschrieben liefert der Lasertreiber eine Spannung V(I_{laser bias}), die zum I_{laser bias} proportional ist, an den Mikroprozessor 200. Der Mikroprozessor 200 kann daher diese Spannung zur Berechnung des Istwertes von I_laser
bias benutzen. Als Alternative wird die Wellenlängendrift-Nachschlagetabelle 1200 durch Werte von V(I_{laser bias}) anstatt von I_{laser bias} indexiert, um die Notwendigkeit der Berechnung von I_{laser bias} aus V(I_{laser bias}) durch den Mikroprozessor zu eliminieren.
Der Mikroprozessor 200 durchsucht dann eine Nachschlagetabelle (z.B. Wellenlängendrift-Nachschlagetabelle 1200) um einen entsprechenden Eintrag zu finden (Schritt 1404). Wie oben beschrieben kann der entsprechende Eintrag der Eintrag mit einer genauen Übereinstimmung des Istwertes von I_{laser bias} sein, der Eintrag, der die engste Übereinstimmung des Istwertes von I_{laser bias} einschließt, oder eine Menge von Einträgen, die die Interpolierung einer Zieltemperatur wie oben beschrieben ermöglichen.
Sobald der Mikroprozessor 200 einen entsprechenden Eintrag (bzw. entsprechende Menge von Einträgen) findet und eine Zieltemperatur des TEC 114 aus diesem Eintrag entnimmt oder berechnet, stellt der Mikroprozessor 200 die Zieltemperatur des TEC 114 ein (1406). Dazu gehört vorzugsweise die Einstellung eines Wertes eines TEC-Befehlssignals durch den Mikroprozessor 200, so daß der TEC 114 die Laserdiode so lange auf der neuen Zieltemperatur hält, bis die Zieltemperatur des TEC 114 neu berechnet oder sonstwie rückgesetzt wird.
Der Mikroprozessor 200 kehrt schließlich zum Schritt 1402 zurück, um den Vorgang zu wiederholen. Bei einigen Ausführungsformen wird vom Mikroprozessor 200 I_{laser bias} fortlaufend überwacht und die Schritte 1404 und 1406 wie oben beschrieben jedesmal dann ausgeführt, wenn eine Summenänderung des Wertes von I_{laser bias} einen vordefinierten Prozentsatz erreicht. Beispielsweise führt der Mikroprozessor 200 die Schritte 1404 und 1406 jedesmal dann aus, wenn sich I_{laser bias} um 1% seit der letzten Ausführung des Schritts 1406 ändert (seit Beginn des Betriebs der Laserdiode). Als Alternative können die Schritte 1404 und 1406 bei jedem Einschalten der Laserdiode durchgeführt werden oder jedesmal, wenn sich der interne Summenbetriebszähler der Laserdiode um einen vorbestimmten Betrag erhöht (z.B. eine vordefinierte Anzahl von Betriebsstunden wie beispielsweise 512 Stunden, 1024 Stunden oder 50.000 Betriebsstunden), der vorzugsweise mindestens 500 Stunden und weniger als 100.000 Stunden beträgt.
14B zeigt ein Temperaturregelungsflußdiagramm 1410 entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im allgemeinen zeigt dieses Flußdiagramm einen Vorgang, bei dem der Mikroprozessor 200 die Zieltemperatur des TEC 114 jedesmal dann wieder berechnet, wenn eine vorbestimmte Zeitperiode abgelaufen ist.
In einem ersten Schritt erhielt der Mikroprozessor 200 einen beispielsweise in der EEPROM-Vorrichtung 204 unterhaltenen Zähler (1412). Dieser Schritt wird nur nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitperiode ausgeführt (z.B. 512 Betriebsstunden oder allgemeiner einem Wert zwischen 500 und 100.000 Stunden). Dann durchsucht der Mikroprozessor 200 eine Nachschlagetabelle (z.B. Wellenlängendrift-Nachschlagetabelle 1200), um einen Eintrag entsprechend dem Wert des im Schritt 1412 erhöhten Zählers zu finden (Schritt 1414). Sobald der Mikroprozessor 200 einen entsprechenden Eintrag findet und eine Zieltemperatur des TEC 114 aus dem Eintrag entnimmt, stellt der Mikroprozessor 200 die Zieltemperatur des TEC 114 ein (Schritt 1416). Wie Schritt 1406 oben enthält dieser Schritt vorzugsweise die Einstellung des Wertes des TEC-Befehlssignals durch den Mikroprozessor 200, so daß der TEC 114 die Laserdiode so lange auf der neuen Zieltemperatur hält, bis der Schritt 1416 von neuem ausgeführt wird. Dann kehrt der Mikroprozessor 200 nach Ablauf der vordefinierten Zeitperiode zum Schritt 1412 zurück.
Bei anderen Ausführungsformen sind die Verwendung eines durch 12A und 12B dargestellten Zielwellenlängenversatzes und periodische oder intermittierende Einstellungen der Zieltemperatur von TEC 114 kombiniert. Das kann beispielsweise dann notwendig sein, wenn der Mikroprozessor 200 und/oder der TEC 114 die Wellenlänge der Laserdiode mittels eines Zielwellenlängenversatzes oder der periodischen oder intermittierenden Einstellungen der Zieltemperatur des TEC 114 allein nicht in einem gegebenen Kanal halten können. Bei diesen Ausführungsformen wird die Zielwellenlänge durch Bezugnahme auf eine geschätzte Drift der Wellenlänge der Laserdiode gesetzt (z.B. zum Setzen der in Schritten 901-918 wie oben beschrieben benutzten Zielwellenlänge) und dann wird die Zieltemperatur des TEC 114 wie oben beschrieben intermittiert eingestellt.
Die obigen Beschreibungen bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden für Darstellungs- und Beschreibungszwecke geboten. Die Ausführungsformen wurden gewählt und beschrieben, um die Grundsätze der Erfindung und ihrer praktischen Anwendungen am besten zu erläutern, um damit anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung am besten zu nutzen. Sie sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen begrenzen. Dem Fachmann mit dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung können verschiedene Abänderungen einfallen, ohne aus den hier beschriebenen erfinderischen Konzepten abzuweichen. Dementsprechend sollen die Ansprüche und nicht nur die vorangehende Erläuterung die ausschließlich eine Rechte der Erfindung definieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird beschrieben ein Verfahren zur Kompensation einer Wellenlängendrift in einem faseroptischen Lasersender, das umfasst 1) das Regeln einer Temperatur in der optoelektronischen Anordnung auf ein definiertes Niveau; 2) das Antreiben der optoelektronischen Anordnung zur Lichtemission, wobei das emittierte Licht eine Wellenlänge aufweist, die in einem Betriebskanal liegt, wobei der Betriebskanal einen Bereich von Wellenlängen umfaßt, der um eine Kanalmittenwellenlänge zentriert ist; 3) das Zugreifen auf einen der Temperatur der optoelektronischen Baugruppe zugeordneten Regelwert aus einem Speicher in der optoelektronischen Baugruppe zu definierten Zeitpunkten in einer Betriebslebensdauer der optoelektronischen Baugruppe; und 4) das Neuberechnen des definierten Niveaus durch Bezugnahme auf den Regelwert, wodurch eine Wellenlänge der optoelektronischen Baugruppe trotz einer erwarteten Wellenlängendrift innerhalb des Betriebskanals gehalten wird.

Claims

Verfahren zum Kalibrieren einer optoelektronischen Mehrkanal-Baugruppe mit folgenden Schritten: Auswählen einer ersten und zweiten Zielwellenlänge, die voneinander um einen vordefinierten Betrag an Kanaltrennung getrennt sind; Einstellen einer Temperatur der optoelektronischen Baugruppe auf einen ersten Wert; Betreiben der optoelektronischen Baugruppe zum Ausstrahlen von Licht; Einstellen der Temperatur, bis ein Unterschied zwischen einer Ausgangswellenlänge der optoelektronischen Baugruppe und der ersten Zielwellenlänge geringer als ein vordefinierter Wert ist und dauerhaftes Speichern eines ersten Wertes entsprechend der eingestellten Temperaturregelung als ein erster, der ersten Zielwellenlänge zugeordneter Regelwert; und Einstellen der Temperatur, bis ein Unterschied zwischen einer Ausgangswellenlänge der optoelektronischen Baugruppe und der zweiten Zielwellenlänge geringer als der vordefinierte Wert ist und dauerhaftes Speichern eines zweiten Werts entsprechend der eingestellten Temperatur als ein zweiter, der zweiten Zielwellenlänge zugeordneter Regelwert.
Verfahren nach Anspruch 1 mit Überwachen einer Lasertemperatur von innerhalb der optoelektronischen Baugruppe und einer Umgebungstemperatur von innerhalb eines Gehäuses, in dem die optoelektronische Baugruppe untergebracht ist, und Einstellen der Temperatur der optoelektronischen Baugruppe als Funktion sowohl der überwachten Lasertemperatur als auch der überwachten Umgebungstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Wert und der zweite Wert beide Temperaturen im Bereich von 30°C und 50°C entsprechen.
Verfahren zum Kalibrieren einer optoelektronischen Mehrkanalbaugruppe mit folgenden Schritten: Auswählen als Zielwellenlänge einer Wellenlänge aus einer Menge von Wellenlängen einschließlich von zwei oder mehr Wellenlängen; Einstellen einer Temperatur der optoelektronischen Baugruppe auf einen ersten Wert; Einstellen der Temperatur mit größeren Schritten als einem Einstellungsbetrag, bis ein Unterschied zwischen einer Ausgangswellenlänge der optoelektronischen Baugruppe und der Zielwellenlänge geringer als ein erster vordefinierter Wert ist; Einstellen von einem oder mehreren Betriebswerten der optoelektronischen Baugruppe, wobei der eine oder die mehreren Betriebswerte die Temperatur beeinflussen; Einstellen der Temperatur mit geringeren Schritten als dem Einstellungsbetrag, bis der Unterschied zwischen der Ausgangswellenlänge der optoelektronischen Baugruppe und der Zielwellenlänge geringer als ein zweiter vordefinierter Wert ist, wobei der zweite vordefinierte Wert geringer als der erste vordefinierte Wert ist; Speichern eines Wertes entsprechend der Temperatur und dem einen oder den mehreren Betriebswerten, sobald der Unterschied zwischen der Ausgangswellenlänge der optoelektronischen Baugruppe und der Zielwellenlänge geringer als der zweite vordefinierte Wert ist; und wiederholen des Schritts des Auswählens, jedes der Schritte des Einstellens, jedes der Schritte des Verstellens und des Schritts des Speicherns für jede zusätzliche Wellenlänge in der Menge von Wellenlängen.
Verfahren nach Anspruch 4, mit Überwachen einer Lasertemperatur von innerhalb der optoelektronischen Baugruppe und einer Umgebungstemperatur von innerhalb eines Gehäuses, in dem die optoelektronische Baugruppe untergebracht ist, und Einstellen der Temperatur der optoelektronischen Baugruppe als Funktion sowohl der überwachten Lasertemperatur als auch der überwachten Umgebungstemperatur.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Wert entsprechend der für jede ausgewählte Wellenlänge gespeicherten Temperatur innerhalb des Bereichs von 30°C und 50°C liegt.
Optoelektronische Vorrichtung mit folgendem: einer optoelektronischen Baugruppe, die eine Laserdiode zur Ausstrahlung von Licht enthält; einer an die Laserdiode angekoppelten Temperatursteuerung zum Regeln der Temperatur der Laserdiode; mindestens einem Temperatursensor zum Erkennen einer der Laserdiode zugeordneten Temperatur; und eine an den mindestens einen Temperatursensor und die Temperatursteuerung gekoppelte Steuerungsvorrichtung mit folgendem: einen Speicher zum Speichern einer Mehrzahl von Temperaturregelungswerten, wobei jeder gespeicherte Temperaturregelungswert einer jeweiligen Betriebswellenlänge einer Mehrzahl von Betriebswellenlängen der Laserdiode zugeordnet ist; eine Schnittstelle zum Empfangen mindestens eines Temperatursensorsignals von dem mindestens einen Temperatursensor; und eine an den Speicher und die Schnittstelle angekoppelte Logik zum Erzeugen eines Befehlssignals zum Steuern der Temperatursteuerung entsprechend einer ausgewählten Betriebswellenlänge der Mehrzahl von Betriebswellenlängen, wobei die Logik zum Empfangen des der ausgewählten Betriebswellenlänge zugeordneten Temperaturregelungswertes und zum Erzeugen des Befehlssignals entsprechend dem Temperaturregelungswert mit dem mindestens einen Temperatursensorsignal konfiguriert ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der mindestens eine Temperatursensor einen Lasertemperatursensor zum Überwachen einer Temperatur von innerhalb der optoelektronischen Baugruppe und einen Umgebungstemperatursensor zum Überwachen einer Umgebungstemperatur innerhalb eines Gehäuses, in dem die optoelektronische Baugruppe untergebracht ist, enthält, und die Logik zum Erzeugen des Befehlssignals als Funktion von sowohl der Temperatur innerhalb der optoelektronischen Baugruppe als auch der überwachten Umgebungstemperatur konfiguriert ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei jeder im Speicher gespeicherte Temperaturregelungswert einer Temperatur im Bereich von 30°C und 50°C zugeordnet ist.
Verfahren zum Auswählen einer Zielwellenlänge für eine optoelektronische Baugruppe mit folgenden Schritten: Auswählen eines Betriebskanals zur Verwendung durch die optoelektronische Baugruppe, wobei dieser Kanal einen um eine Kanalmittelwellenlänge zentrierten Bereich von Wellenlängen umfaßt; Auswählen von einem oder mehreren Steuerungsparametern für die optoelektronische Baugruppe, um die Zielwellenlänge der optoelektronischen Baugruppe so einzustellen, daß sie um einen ausgewählten Wellenlängenversatz von der Kanalmittelwellenlänge versetzt ist, so daß (A) die Zielwellenlänge mit mindestens einer vordefinierten Wellenlängenregelungstoleranz in den Betriebskanal fällt, und (B) eine vorhergesagte Lebensendewellenlänge, die die durch eine vorhergesagte Wellenlängendrift der optoelektronischen Baugruppe über eine definierte Betriebslebensdauer angepasste Zielwellenlänge umfasst, mit mindestens der vordefinierten Wellenlängenregelungstoleranz in den Betriebskanal fällt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die vordefinierte Wellenlängenregelungstoleranz einem maximal zulässigen Wellenlängenfehler entsprechend Einstellungstoleranzen der optoelektronischen Baugruppe entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die vorhergesagte Wellenlängendrift der optoelektronischen Baugruppe über die definierte Betriebslebensdauer eine Rotverschiebung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die vorhergesagte Wellenlängendrift der optoelektronischen Baugruppe über die definierte Betriebslebensdauer eine Blauverschiebung umfaßt.
Verfahren zum Regeln der Wellenlänge ausgestrahlten Lichts für eine optoelektronische Baugruppe mit einer zugeordneten Betriebslebensdauer, mit folgenden Schritten: Auswählen eines oder mehrerer Regelungsparameter für die optoelektronische Baugruppe zum Betreiben der optoelektronischen Baugruppe innerhalb eines definierten Betriebskanals, der einen Bereich von Wellenlängen umfaßt, der um eine Kanalmittenwellenlänge zentriert ist; wobei der ausgewählte eine oder die mehreren Regelungsparameter bewirken, daß die optoelektronische Baugruppe Licht mit einer Betriebswellenlänge ausstrahlt, die innerhalb einer vordefinierten Wellenlängenregelungstoleranz einer Zielwellenlänge liegt, wobei die Zielwellenlänge dem ausgewählten einen oder den ausgewählten mehreren Regelungsparametern zugeordnet ist und um einen Wellenlängenversatz von der Kanalmittenwellenlänge versetzt ist, so daß die Zielwellenlänge um mindestens die vordefinierte Wellenlängenregelungstoleranz in den Betriebskanal fällt; und mindestens einmal während der Betriebswellenlänge der optoelektronischen Baugruppe Einstellen von mindestens einem Regelungsparameter des ausgewählten einen oder der ausgewählten mehreren Regelungsparameter, um die Betriebswellenlänge der optoelektronischen Baugruppe um einen Wellenlängenverschiebungsbetrag auf eine eingestellte Wellenlänge einzustellen, wobei die Einstellung der Zielwellenlänge für mindestens teilweise eine vorhergesagte Wellenlängendrift der optoelektronischen Baugruppe über mindestens einen Teil der Betriebslebensdauer der optoelektronischen Lebensdauer kompensiert, so daß die eingestellte Wellenlänge um mindestens die vordefinierte Wellenlängenregelungstoleranz in den Betriebskanal fällt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Einstellung durchgeführt wird, wenn bestimmt wird, daß ein Betriebszustand der optoelektronischen Baugruppe ein Auslösungsniveau erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Auslösungsniveau eine Funktion einer gemessenen Summenbetriebszeit der optoelektronischen Baugruppe ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Auslösungsniveau eine Funktion eines Vorspannungsstroms der optoelektronischen Baugruppe ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Auslösungsniveau eine Funktion eines an einem Vorspannungsstrom der optoelektronischen Baugruppe zugeordneten Regelungsparameters ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Wellenlängenverschiebungsbetrag mindestens 10 pm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Zielwellenlänge um einen Wellenlängenversatz von mindestens 30 pm von der Kanalmittenwellenlänge versetzt ist.