DE112005000412T5

DE112005000412T5 - Temperatursteuerung für Coarse-Wavelength-Division-Multiplexing-(CWDM)-Systeme

Info

Publication number: DE112005000412T5
Application number: DE112005000412T
Authority: DE
Inventors: James Burlingame Stewart; Anthony Sunnyvale Ho
Original assignee: Finisar Corp
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 2004-02-21
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2007-01-18
Also published as: JP2007523494A; WO2005081921A3; US20050185684A1; KR100858998B1; GB0613861D0; GB2426865B; WO2005081921A2; US7369587B2; GB2426865A; KR20060112689A; JP5179062B2

Abstract

Verfahren zum Aufrechterhalten der Wellenlänge von von einer Laserdiode emittiertem Licht innerhalb eines Toleranzsollbereichs, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
Bereitstellen einer Laserdiode, die von mindestens einer ersten ausgewählten Temperatur bis zu einer zweiten ausgewählten Temperaturbetrieben werden kann, wobei die Wellenlänge von von der Laserdiode emittiertem Licht über den Temperaturbereich von der ersten Temperatur zu der zweiten Temperatur sich um ein Ausmaß verschiebt, das größer ist als erwünscht; und gegebenenfalls
Erwärmen oder Kühlen der Laserdiode, so daß die Laserdiode:
nicht unter eine dritte Temperatur abfällt, wobei die dritte Temperatur zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur liegt, oder
über eine vierte Temperatur ansteigt, wobei die vierte Temperatur zwischen der dritten Temperatur und der zweiten Temperatur liegt,
wobei die Wellenlängenverschiebung des von der Laserdiode emittierten Lichts über den Temperaturbereich von der dritten Temperatur zur vierten Temperatur sich um ein Ausmaß verschiebt, das in den Toleranzsollbereich...

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Das Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein optoelektronische Komponenten. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Systeme und Verfahren, um einen CWDM-Sender über einen erweiterten Temperaturbereich am Emittieren innerhalb eines Zielwellenlängenkanals zu halten.
Die relevante Technologie
Computer- und Datenkommunikationsnetze entwickeln und erweitern sich ständig weiter aufgrund abnehmender Kosten, verbesserter Leistung von Computer- und Vernetzungsgeräten, des bemerkenswerten Wachstums des Internets und der daraus resultierenden zunehmenden Nachfrage nach Kommunikationsbandbreite. Zu dieser zunehmenden Nachfrage kommt es sowohl innerhalb als auch zwischen Stadtbereichen sowie innerhalb von Kommunikationsnetzen. Da Organisationen den wirtschaftlichen Vorteil bei der Verwendung von Kommunikationsnetzen erkannt haben, werden Netzanwendungen wie etwa Email, Sprach- und Datenübertragung, Host-Zugang und gemeinsam benutzte und verteilte Datenbanken zunehmend als Mittel verwendet, um die Benutzerproduktivität zu erhöhen. Diese zunehmende Nachfrage hat zusammen mit der wachsenden Anzahl verteilter Rechenressourcen zu einer schnellen Expansion der erforderlichen Anzahl faseroptischer Systeme geführt.
Durch Faseroptik werden digitale Daten in Form von Lichtsignalen von Lasern oder Leuchtdioden ausgebildet und dann durch ein faseroptisches Kabel geschickt.
Solche Lichtsignale gestatten hohe Datenübertragungsraten und hohe Bandbreitenkapazitäten. Die Lichtsignale werden dann an einer Fotodiode empfangen, die das Lichtsignal zurück in ein elektrisches Signal umwandelt. Gegenwärtige optische Designs enthalten in der Regel sowohl den Laser als auch die Fotodiode in einem einzelnen Sendeempfängermodul, das über einen kompatiblen Verbindungsport an einem Ende an einer Hosteinrichtung wie etwa einen Hostcomputer, ein Vermittlungshub, einen Netz-Router, eine Switch-Box, einen Computer E/A und dergleichen und am anderen Ende an ein faseroptisches Kabel angeschlossen sein kann. Jedes Sendeempfängermodul enthält in der Regel zusätzlich zu dem Laser und der Fotodiode alle die anderen optischen und elektrischen Komponenten, die erforderlich sind, um elektrische Signale über den Laser in optische Signale und optische Signale zurück in an der Fotodiode empfangene elektrische Signale umzuwandeln.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von Licht als Übertragungsmedium besteht darin, daß mehrere Wellenlängenkomponenten von Licht über einen einzelnen Kommunikationsweg wie etwa eine optische Faser übertragen werden können. Dieser Prozeß wird üblicherweise als Wellenlängenmultiplexieren (WDM) bezeichnet, wobei die Bandbreite des Kommunikationsmediums um die Anzahl unabhängiger verwendeter Wellenlängenkanäle erhöht wird. Mehrere Wellenlängenkanäle können unter Verwendung von CWDM-Anwendungen übertragen werden, um eine höhere Kanaldichte und Kanalgesamtanzahl in einer einzelnen Kommunikationsleitung zu erreichen.
1 veranschaulicht 8 Wellenlängenkanäle, die in der Regel in CWDM-Systemen verwendet werden. CWDM implementiert in der Regel, wie dargestellt, einen Kanalabstand von 20 Nanometern. Somit kann mit CWDM eine bescheidene Anzahl von Kanälen, in der Regel 8 oder weniger, um den 1550-nm-Bereich der Faser herum gestapelt werden. 1 zeigt, wie die CWDM-Übertragung auf einer der acht Wellenlängen geschehen kann: in der Regel 1470 nm, 1490 nm, 1510 nm, 1530 nm, 1550 nm, 1570 nm, 1590 nm und 1610 nm.
Um Kosten zu sparen und Stromverbrauch zu reduzieren, verwenden CWDM-Sender herkömmlicherweise ungekühlte Laser mit einer entspannten Toleranz von ± 3 nm bei Raumtemperatur. Der große Abstand berücksichtigt die ungekühlten Laserwellenlängendrifts, zu denen es kommt, wenn die Umgebungstemperatur innerhalb eines relativ kleinen annehmbaren Bereichs variiert.
2 veranschaulicht eingehender drei benachbarte Kanäle in einem CWDM-System. Jeder Kanal verwendet ein Filter, das ein etwa 11 nm breites Paßband aufweist. Betrieb außerhalb des zulässigen zugelassenen Paßbands führt zu einer starken Dämpfung des gesendeten Signals und in Extremfällen zu potentiellem Nebensprechen mit dem benachbarten Kanal. Es ist nicht notwendig, daß das emittierte Licht von einem Sender den ganzen Kanal belegt, nur daß es darin bleibt. Es ist somit ersichtlich, daß das Spektrum des von einem Sender übertragenen Lichts den durch Wellenlängenbereich 12 dargestellten Wellenlängenbereich in der Mitte des Paßbands belegen kann. Es ist auch akzeptabel, wenn das übertragene Licht sich auf einer Seite des Wellenlängenkanals befindet, beispielsweise Wellenlängenbereich 14. Ein CWDM-System arbeitet jedoch nicht korrekt, wenn ein Sender Licht in einem Wellenlängenbereich emittiert, der außerhalb des bezeichneten Paßbands ist oder ein benachbartes Paßband überlappt, als Beispiel Wellenlängenbereich 16.
Es gibt mehrere Faktoren, die die Wellenlänge eines von traditionellen Laserquellen produzierten Signals bestimmen. Zu diesen Faktoren zählen beispielsweise Stromdichte, Temperatur des Lichtemitters und die spezifischen inhärenten Charakteristiken des Lichtemitters. Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Diagramm dargestellt, daß die Verschiebung der Wellenlänge (λ) über einen variierenden Temperaturbereich darstellt. Der Bereich von Wellenlängen ist entlang der y-Achse dargestellt, wobei keine bestimmten Wellenlängen angegeben sind und der Bereich von Temperaturen entlang der x-Achse von –40°C bis 85°C dargestellt ist. Eine Linie 20 ist gezeigt, um die charakteristische Wellenlängenverschiebung bei Zunahme der Temperatur darzustellen. Es ist allgemein akzeptiert, daß eine Wellenlängendrift von 0,1 nm pro Grad Celsius Verschiebung eine gute Approximation der Verschiebung für DFB-(Distributed Feedback – verteilte Rückkopplung)-Laserquellen ist, die üblicherweise in CWDM-Anwendungen verwendet werden. Es ist somit ersichtlich, wie sich die Wellenlänge des emittierten Lichts um etwa +12,5 nm über die Temperaturänderung von 125 Grad verschiebt. Dies wird durch die Steigung der Kurve 20 dargestellt, wobei der untere Punkt 22 der Steigung bei –40°C 12,5 nm unter dem hohen Punkt 24 bei 85°C liegt.
Um die Effekte eines temperaturverursachten Wellenlängendriftens zu steuern, werden CWDM-Sendeempfänger in der Regel durch Einrichtungen außerhalb des Sendeempfängers wie etwa Gebläse und ihre Plazierung in Räumen mit gesteuerter Temperatur gekühlt. Die gesteuerte Umgebung hält die Sendeempfängerkomponente innerhalb eines annehmbaren Temperaturbereichs, so daß der Laser bei einem Wellenlängenbereich innerhalb des bezeichneten Wellenlängenkanals emittiert.
Die Verwendung von CWDM-Sendeempfängern nur in gesteuerten Umgebungen kann jedoch sehr restriktiv und teuer sein. Dadurch ist Interesse daran geweckt worden, CWDM-Sendeempfänger an weniger aufwendigen oder zweckmäßigeren Orten zu betreiben. Beispielsweise würde es einen Fortschritt in der CWDM-Technologie darstellen, wenn ein CWDM-Sendeempfänger im Feld betrieben werden könnte, beispielsweise an einer Datenrelaisstation an einem entfernten Ort. Tatsächlich liegen die Arbeitssollbedingungen für CWDM-Sendeempfänger gegenwärtig in einem großen Bereich von –40°C bis 85°C.
Was benötigt werden, sind folglich Einrichtungen und Verfahren, damit CWDM-Sendeempfänger in einer Umgebung mit großen Temperaturvariationen betrieben werden können, ohne eine übermäßige Wellenlängendrift zu erfahren. Insbesondere würde es einen Fortschritt in der Technik darstellen, den Betrieb von CWDM-Sendeempfängern ohne die Verwendung von Gebläsen oder ihre Plazierung in Räumen mit gesteuerter Temperatur zu ermöglichen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Systeme, die dazu verwendet werden, um einen CWDM-Sendeempfänger über einen erweiterten Umgebungstemperaturbereich hinweg am Arbeiten innerhalb von Designparametern zu halten. Um übermäßige Wellenlängendrift bei Umgebungstemperaturverschiebungen zu vermeiden, werden insbesondere Laser in CWDM-Sendeempfängern auf eine ausgewählte Solltemperatur erwärmt und gekühlt. Die Solltemperatur ist bevorzugt eine, auf der eine Lasertemperatur über den größten Umgebungstemperaturbereich hinweg gehalten werden kann. Durch Erwärmen und Kühlen der Laser könnte eine etwaige Wellenlängendrift, die eine Umgebungstemperaturvariation dem Laser zufügen könnte, auf einen tolerierbaren Bereich minimiert. Wenn die Temperatur des Lasers von der Solltemperatur aus ansteigt oder abfällt, kann der den Laser ansteuernde AC-Ausschlag nachgestellt werden, um ein ausreichendes Auslöschungsverhältnis bei annehmbarer Senderleistung beizubehalten.
Dementsprechend ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Verfahren zum Aufrechterhalten der Wellenlänge von von einer Laserdiode emittiertem Licht innerhalb eines Toleranzsollbereichs. Das Verfahren beinhaltet im allgemeinen: Bereitstellen einer Laserdiode, die von mindestens einer ersten ausgewählten Temperatur bis zu einer zweiten ausgewählten Temperatur betrieben werden kann, wobei die Wellenlänge von von der Laserdiode emittiertem Licht über den Temperaturbereich von der ersten Temperatur zu der zweiten Temperatur sich um ein Ausmaß verschiebt, das größer ist als erwünscht; und gegebenenfalls Erwärmen oder Kühlen der Laserdiode, so daß die Laserdiode nicht unter eine dritte Temperatur abfällt, wobei die dritte Temperatur zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur liegt, oder über eine vierte Temperatur ansteigt, wobei die vierte Temperatur zwischen der dritten Temperatur und der zweiten Temperatur liegt, wobei die Wellenlängenverschiebung des von der Laserdiode emittierten Lichts über den Temperaturbereich von der dritten Temperatur zur vierten Temperatur sich um ein Ausmaß verschiebt, das in den Toleranzsollbereich fällt. Bei einer Variation dieser Ausführungsform wird, wenn die Temperatur der Laserdiode unter die dritte Temperatur fällt oder über die vierte Temperatur ansteigt, der AC-Ausschlag zu der Laserdiode nachgestellt, um die Auslöschungsverhältnisvariation von dem Sollwert zu minimieren.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer optoelektronischen Baugruppe zur Verwendung in einem CWDM-System. Dieses Verfahren beinhaltet im allgemeinen: Erwärmen einer Laserdiode in einer optoelektronischen Baugruppe auf eine Solltemperatur, die über einer typischen Umgebungstemperatur der optoelektronischen Baugruppe liegt; Betreiben der Laserdiode, um Licht zu emittieren; bei Identifizieren, daß die Temperatur der Laserdiode über oder unter der Solltemperatur liegt, Erwärmen oder Kühlen der Laserdiode, um den Laser innerhalb eines ausgewählten Bereichs des Sollwerts zu halten; und bei Identifizieren, daß die Temperatur der Laserdiode über oder unter der Solltemperatur liegt und nicht ausreichend Leistung für ein weiteres Erwärmen oder Kühlen der Laserdiode vorhanden ist, Nachstellen des die Laserdiode ansteuernden AC-Ausschlags, um die Auslöschungsverhältnisvariation zu minimieren.
Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine optoelektronische Einrichtung. Die optoelektronische Einrichtung beinhaltet im allgemeinen: eine optoelektronische Baugruppe, die eine Laserdiode zum Emittieren von Licht enthält; einen Lasertreiber zum Steuern des Betriebs der Laserdiode; einen an die Laserdiode gekoppelten Temperaturcontroller zum Steuern der Temperatur der Laserdiode; mindestens einen Temperatursensor zum Detektieren einer mit der Laserdiode assoziierten Temperatur; Speicher, der konfiguriert ist, ein Nachschlagediagramm zum Steuern des AC-Ausschlags der Laserdiode auf der Basis der detektierten Laserdiodentemperatur zu speichern; und eine oder mehrere Steuervorrichtungen zum Erzeugen: eines Befehlssignals an den Temperaturcontroller zum Steuern des Betriebs des Temperaturcontrollers derart, daß der Temperaturcontroller die Laserdiodentemperatur innerhalb eines Bereichs in der Nähe einer Solltemperatur hält; und eines Befehlssignals an den Lasertreiber zum Steuern des AC-Ausschlags der Laserdiode.
Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich umfassender aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen oder können durch die Ausübung der Erfindung wie nachfolgend dargelegt in Erfahrung gebracht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um die obigen und weiteren Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen, erfolgt eine eingehendere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es versteht sich, daß diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und deshalb nicht als ihren Schutzbereich beschränkend angesehen werden sollen. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifizität und Detail durch Verwendung der beiliegenden Zeichnungen beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 acht typischerweise in einem CWDM-System implementierte Wellenlängenkanäle;
2 größere Details hinsichtlich mehrerer typischerweise in einem CWDM-System implementierter Wellenlängenkanäle;
3 eine graphische Darstellung der Wellenlänge von von einer Laserdiode emittiertem Licht über einen Bereich von Laserdiodentemperaturen;
4 einen optoelektronischen Sendeempfänger gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
5 eine optische Senderunterbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
6 eine graphische Darstellung der Wellenlänge von von einer Laserdiode emittiertem Licht über einen Bereich von Laserdiodentemperaturen und Umgebungstemperaturen gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
7 mehrere graphische Darstellungen von sich mit Umgebungstemperaturänderungen verschiebenden Laserdiodentemperaturen gemäß Ausführungsformen der Erfindung und
8 ein Verfahren zum Betreiben einer optoelektronischen Einrichtung über einen Bereich von Laserdiodentemperaturen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Systeme, die verwendet werden, um einen CWDM-Sender über einen erweiterten Umgebungstemperaturbereich hinweg innerhalb von Designparametern arbeiten zu halten. Um übermäßige Wellenlängendrift bei Umgebungstemperaturverschiebungen zu vermeiden, werden Laser in den CWDM-Sendern auf einen ausgewählten Bereich um eine Solltemperatur herum erwärmt und gekühlt. Durch Erwärmen und Kühlen des Senders wird ein etwaiger Wellenlängendrift, den eine Umgebungstemperaturvariation einem Laser in dem Sender zufügen könnte, auf einen tolerierbaren Bereich minimiert.
Es wird nun Bezug genommen auf die Zeichnungen, um verschiedene Aspekte von Ausführungsbeispielen der Erfindung zu beschreiben. Es versteht sich, daß die Zeichnungen diagrammatische und schematische Darstellungen von solchen Ausführungsbeispielen sind und die vorliegende Erfindung nicht beschränken, und außerdem sind sie nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Dem Fachmann ist jedoch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen sind wohlbekannte Aspekte von optoelektronischen Systemen und Einrichtungen nicht im besonderen Detail beschrieben worden, um zu vermeiden, daß die vorliegende Erfindung unnötig verdunkelt wird.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 zeigt 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines optoelektronischen Sendeempfängers 100, der in einem CWDM-System gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Der Fachmann versteht angesichts der Offenbarung hierin, daß Aspekte der Erfindung außerhalb des Kontextes des Sendeempfängers 100 und der begleitenden Erörterung hierin praktiziert werden können. Wie in 4 dargestellt enthält der Sendeempfänger 100 eine ROSA (Receiver Optical Subassembly – optische Empfängerunterbaugruppe) 106, die eine mechanische Fasererfassungs- 107 und Koppeloptik sowie eine Fotodiode und eine Vorverstärkerschaltung enthält. ROSA 106 ist wiederum mit einer integrierten Nachverstärkerschaltung 108 verbunden, deren Funktion darin besteht, relativ kleine Signale von der ROSA 106 zu nehmen und zu verstärken und zu begrenzen, um ein digitales elektronisches Ausgangssignal mit gleichförmiger Amplitude zu erzeugen, das über RX+ und RX–-Pins 110 an äußere Schaltungsanordnungen angelegt wird. Die Nachverstärkerschaltung 108 liefert ein digitales Ausgangssignal, das als Signal-Detect- oder Loss-of-Signal bekannt ist, die die Anwesenheit oder Abwesenheit eines geeignet starken optischen Eingangssignals anzeigen.
Der Sendeempfänger 100 enthält auch eine TOSA (Transmitter Optical Subassembly) 114 und eine integrierte Lasertreiberschaltung 116 mit Signaleingängen, die von den TX+- und TX–-Pins 118 erhalten werden. TOSA 114 enthält eine mechanische Fasererfassungs- 109 und Koppeloptik sowie einen thermoelektrischen Kühler (TEC) und eine Laserdiode oder eine LED. Die Lasertreiberschaltung 116 liefert einen AC-Ansteuer- und DC-Biasstrom an den Laser. Die Signaleingänge für den Treiber werden von nicht gezeigten E/A-Pins des Sendeempfängers 100 erhalten. Bei anderen Ausführungsformen befindet sich der TEC außerhalb der TOSA 114. Bei noch weiteren Ausführungsformen ist der TEC in einen Laser-Transistorabmessungs-(TO – Transistor Outline)-Baustein integriert.
Wegen der großen Anzahl von Designs, die potentiell erstellt werden könnten, damit ein Sendeempfänger mit einer Hosteinrichtung und einer optischen Faser koppeln kann, wurden internationale und Industrienormen vereinbart, die die physische Größe und Gestalt von optischen Sendeempfängermodulen definieren, um Kompatibilität zwischen verschiedenen Herstellern sicherzustellen. Beispielsweise entwickelte 1998 eine Gruppe von Herstellern von optischen Komponenten einen Satz von Normen für optische Sendeempfängermodule, als SFP-Sendeempfänger-MSA (Small Form-Factor Pluggable Transceiver MultiSource Agreement) bezeichnet. Zusätzlich zu den Details der elektrischen Schnittstelle definiert diese Norm die physische Größe und Gestalt für die SFP-Sendeempfängermodule, die Leistungsmenge, die das Sendeempfängermodul verwenden kann, und den entsprechenden Modulkäfig, der auf einer Leiterplatte bei dem Host montiert ist und die Sendeempfängermodule aufnimmt, um Interoperabilität zwischen den Produkten verschiedener Hersteller sicherzustellen.
Mit zunehmenden Datenraten und mit kleiner werdenden Sendeempfängerbausteinen nimmt auch die von den Sendeempfängern erzeugte Wärme im allgemeinen zu. Die Verwendung von Wärmeabführungsmechanismen erhöht jedoch die Komplexität und Kosten der Sendeempfängerbaugruppe, reduziert den Platz, der ansonsten für die funktionalen optischen und elektrischen Komponenten der Baugruppe zur Verfügung stehen würde, und erhöht die zum Betreiben des Sendeempfängers erforderliche Leistungsmenge. Aus diesem Grund sind herkömmliche CWDM-Systeme ungekühlt und basieren auf breiten Kanalabständen und/oder mäßig gesteuerten Umgebungen.
Eine Lösung für das Kühlen eines Sendeempfängers ist die Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers (TEC – thermoelectric cooler). Ein TEC ist eine Einrichtung, die betrieben werden kann, um die Temperatur einer Komponente auf einem vordefinierten Punkt zu halten. Wenn die Komponente zu heiß wird, fließt Strom in einer Richtung in dem TEC, um Kühlung zu erzeugen. Wenn die Komponente zu kalt wird, fließt der Strom in der anderen Richtung und der TEC wird ein Heizgerät. TECs erfordern leider im Kühlmodus viel mehr Leistung als im Heizmodus. Wenn die Temperatur des Moduls zunimmt, steigt die Leistung, die beim Halten des Moduls auf einer konstanten Temperatur verbraucht wird, exponentiell an. Weil Sendeempfängernormen die Leistungsmenge eng begrenzen, die einem Sendeempfänger geliefert werden kann, ist es herkömmlicherweise nicht durchführbar, den Kühlgrad bereitzustellen, der erforderlich ist, um einen TEC zu verwenden, damit ein Sendeempfänger in einem schmalen Bereich von Solltemperaturen über einen breiten Umgebungstemperaturbereich bleibt.
TECs werden erfolgreich in DWDM-Systemen eingesetzt, bei denen die TECs den Betrieb eines Lasers in Kombination mit anderen Temperatursteuersystemen feinabstimmen, hauptsächlich Räumen mit gesteuerter Temperatur. Somit ist der TEC für signifikante Temperaturnachstellungen nicht verantwortlich.
Gemäß der Erfindung wird der Einsatz von TECs oder anderen Temperatursteuereinrichtungen in CWDM-Sendeempfängern durch Begrenzen des maximalen Erwärmungs- oder Kühlungsgrads ermöglicht. Dies begrenzt den für den Sendeempfänger erforderlichen Stromverbrauch und ermöglicht gleichzeitig die Verwendung eines CWDM-Moduls über einen großen Umgebungstemperaturbereich hinweg. In dieser Ausführungsform enthält ein optoelektronischer Sendeempfänger 100 dementsprechend einen in oder nahe bei der TOSA 114 angeordneten Temperaturcontroller (z.B. einen thermoelektrischen Kühler (TEC)) zum Steuern der Temperatur der Laserdiode darin. Der optoelektronische Sendeempfänger 100 enthält auch einen TEC-Treiber 120 und eine zusätzliche, nicht gezeigte Schaltungsanordnung zum Steuern der Temperatur der TOSA 114.
Ebenfalls in 4 gezeigt ist ein Mikroprozessor 130, der ein, zwei oder mehr Chips enthalten kann, konfiguriert zum Steuern der Operationen des Sendeempfängers 100. Zu geeigneten Mikroprozessoren zählen die von der Firma Microchip Technology, Inc. hergestellten 8-Bit-CMOS-FLASH-Mikrocontroller PIC16F873A, PIC16F8730 und PIC16F871. Der Mikroprozessor 130 ist so gekoppelt, daß er Steuersignale an den Nachverstärker 108, den Lasertreiber 116 und andere Komponenten liefert und Rückkopplungssignale von ROSA 106 und TOSA 114 empfängt. Beispielsweise liefert der Mikroprozessor 130 Signale (z.B. Bias- und Amplitudensteuersignale), um den DC-Biasstrompegel und den AC-Modulationspegel der Lasertreiberschaltung 116 zu steuern (die dadurch das Auslöschungsverhältnis (ER) des optischen Ausgangssignals steuert), während die Nachverstärkerschaltung 108 an den Mikroprozessor 130 eine Signal-Detect-Ausgabe liefert, um die Anwesenheit oder Abwesenheit eines geeignet starken optischen Eingangssignals anzuzeigen.
Was wichtig ist: Der Biasstrompegel und der AC-Modulationspegel beeinflussen beide die optische Ausgabewellenlänge des Sendeempfängers 100. Der Fachmann erkennt, daß durch Zunahmen beim Biasstrom und in einem geringeren Grad Zunahmen bei der AC-Modulation die Temperatur des aktiven Gebiets eines Laserchips erhöht werden kann. Genauer gesagt steigt mit dem Biasstrom und der AC-Modulation auch die Verlustleistung des Laserchips. Und mit der Zunahme der im Laserchip abgeleiteten Leistung steigt die Temperatur des Laserchips, der einen festen thermischen Widerstand aufweist. Dies gilt, obwohl die Temperatur an der Basis des Laserchips in der Regel vom TEC 120 gesteuert wird.
Die Temperatur und/oder andere physikalische Bedin gungen verschiedener Komponenten des Sendeempfängers 100 können unter Verwendung von Sensoren erfaßt werden, die an den Mikroprozessor 130 gekoppelt sind. Bei einigen Ausführungsformen können Zustände der optischen Strecken ebenfalls unter Verwendung der Sensoren erfaßt werden.
Zusätzlich zu und manchmal in Verbindung mit diesen Steuerfunktionen gibt es eine Anzahl anderer Aufgaben, die vom Mikroprozessor 130 gehandhabt werden können. Diese Aufgaben beinhalten folgendes, sind aber nicht notwendigerweise darauf beschränkt: Einstellfunktionen, die im allgemeinen die erforderlichen Einstellungen betreffen, die auf einer Basis Teil für Teil in der Fabrik vorgenommen werden, um Variationen bei Komponentencharakteristiken wie etwa Laserdiodenschwellwertstrom und Steigungseffizienz zu berücksichtigen; Identifikationsfunktionen, die die Speicherung eines Identitätscodes, von Teilkomponentenrevisionen, Fabriktestdaten und dergleichen innerhalb eines Allzweckspeichers steuern (z.B. einem EEPROM); Augensicherheit und allgemeine Fehlerdetektion zum Identifizieren anormaler und potentiell unsicherer Arbeitsparameter und um diese gegebenenfalls an die Hosteinrichtung zu melden und/oder eine Laserabschaltung vorzunehmen; Messung der optischen Leistung am Empfängereingang; Laserdiodenansteuerstromfunktionen, um den optischen Ausgangsleistungspegel der Laserdiode zu setzen; und Überwachung und Steuerung der Laserdiodentemperatur. Außerdem ist der Mikroprozessor 130 verantwortlich für das Liefern von Steuersignalen an den Temperaturcontroller, um die Temperatur der TOSA 114 und des Gehäuses 112 des Sendeempfängers 100 auf einem gewünschten Sollwert zu halten.
Unter weiterer Bezugnahme auf 4 weist der Sendeempfänger 100 eine Schnittstelle 132 zum Kommunizieren mit einer Hosteinrichtung auf, beispielsweise eine Streckenkarte, an der ein Sendeempfänger ange bracht ist, und/oder einen Hostsystemcomputer, zu dem ein Sendeempfänger eine optische Verbindung bereitstellt. Hostsysteme können Computersysteme, Network-Attached-Storage-(NAS)-Einrichtungen, Storage-Area-Network-(SAN)-Einrichtungen, optoelektronische Router sowie andere Arten von Hostsystemen und -einrichtungen sein.
Bei einigen Ausführungsformen enthält der optoelektronische Sendeempfänger 100 einen integrierten Schaltungscontroller, der einige der oben aufgeführten Funktionen ausführen kann. Beispielsweise führt ein integrierter Schaltungscontroller die Aufgaben der Identifikation und Augensicherheit und allgemeine Fehlerdetektion aus, während der Mikroprozessor Steuersignale an den Temperaturcontroller liefert und auch andere Aufgaben ausführen kann.
Alle Komponenten des Sendeempfängers 100 können sich in einem Schutzgehäuse 112 befinden, außer den Verbindern, die aus dem Gehäuse vorstehen können. Außerdem enthält der Sendeempfänger 100 mindestens Sende- und Empfängerschaltungswege sowie einen oder mehrere Leistungsanschlüsse und einen oder mehrere Masseanschlüsse.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 5 sind begrenzte Merkmale einer TOSA 200 in Blockform dargestellt, um die Erfindung näher zu verdeutlichen. Bei einer Ausführungsform kann die TOSA 114 im wesentlichen gleich der TOSA 200 sein. Die TOSA 200 enthält eine Laserbaugruppe 202 (z.B. einen Lasertransistorabmessungsbaustein), der wiederum einen Lichtemitter (z.B. eine kantenemittierende Laserdiode wie etwa einen DFB-Laser (distributed feedback)) enthält, der aktiviert wird, wenn ein positiver Biasstrom, ein Laserbias, an seinem p-n-Übergang angelegt wird. Ebenfalls sind in 5 ein Lasertemperatursensor 204 und ein thermoelektrischer Kühler (TEC) 206 gezeigt, die jeweils an die Laserbaugruppe 202 gekoppelt sind.
Bei anderen Ausführungsformen sind der Lasertemperatursensor 204 und/oder der TEC 206 in die Laserbaugruppe 202 integriert. Bei noch weiteren Ausführungsformen liegt der TEC außerhalb der TOSA 106. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann der Lasertemperatursensor von der Laserunterbaugruppe 202 wegliegen, beispielsweise irgendwo in der TOSA 200 (z.B. TOSA-Temperatursensor 208) oder außerhalb der TOSA (z.B. externer Temperatursensor 210) liegen.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Lasertemperatursensor 204 ein Thermistor. Es kann auch eine beliebige Einrichtung verwendet werden, die sich zum Messen der Temperatur der Laserdiode eignet. Der Lasertemperatursensor 204 erzeugt ein Signal, das als Funktion der Temperatur der Laserdiode variiert. Wie oben beschrieben und wie dem Fachmann wohlbekannt variiert die Wellenlänge von von einer Laserdiode erzeugten optischen Signalen als Funktion der Temperatur der Laserdiode. Dementsprechend kann anstelle des Lasertemperatursensors 204 eine Einrichtung verwendet werden, die einen Arbeitszustand der Laserdiode mißt, der als Funktion der Temperatur der Laserdiode variiert. Da beispielsweise die Wellenlänge des emittierten Lichts mit der Temperatur variiert, können Messungen der Wellenlänge des emittierten Lichts dazu verwendet werden, Temperaturverschiebungen zu bestimmen und dadurch Änderungen im TEC-Betrieb zu koordinieren.
Obwohl ein Lasertemperatursensor 204 bevorzugt in der Nähe einer Laserdiode plaziert wird, differiert der Temperaturmeßwert von dem Lasertemperatursensor 204 im allgemeinen von der Isttemperatur der Laserdiode, weil der Lasertemperatursensor 204 physisch von der Laserdiode getrennt ist. Folglich variieren der Temperaturmeßwert von dem Lasertemperatursensor 204 und sein Signal als Funktion der Außentemperatur. Weil der Mikroprozessor 130 (oder eine ähnliche Einrichtung) das Umgebungstemperatursignal beispielsweise von dem TOSR- Temperatursensor 208 und/oder dem externen Temperatursensor 210 empfängt, kann er den Effekt der Umgebungstemperatur auf den Temperaturmeßwert von dem Lasertemperatursensor kompensieren.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 6 wird eine Kurve ähnlich 3 dargestellt. Wie bereits erwähnt zeigt Kurve 20 in 3 eine stetige Wellenlängenverschiebung über den ganzen Temperaturbereich von –40°C bis 85°C. Kurve 30 in 6 entspricht etwa Kurve 20 von 3, außer daß Kurve 30 auch einen Laser mit einer Temperatur widerspiegelt, der von Punkt 32 bis Punkt 34 direkt mit Umgebungstemperaturänderungen variiert. Der Fachmann erkennt natürlich, daß die Laseristtemperatur aufgrund von Wärme, die durch das Betreiben eines Senders oder andere Faktoren erzeugt wird, geringfügig von der Umgebungstemperatur abweichen kann.
6 veranschaulicht auch, wie das Erwärmen oder Kühlen einer Lasertemperatur auf einen Sollwert die von dem Laser erfahrene Wellenlängenverschiebung reduzieren kann. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der TEC 206 dazu verwendet, gegebenenfalls für eine Erwärmung oder Kühlung des Lasers auf der Basis der Messungen des Lasertemperatursensors 204, des TOSA-Temperatursensors 208 und/oder eines externen Temperatursensors 210 zu sorgen.
Kurve 54 zeigt die Wellenlängenverschiebung von Licht über die gleiche vom Laser erfahrene Temperaturänderung von 125 Grad wie durch Kurve 30 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der TEC so eingestellt, daß er den Sender auf 50°C erwärmt. Keine Kühloperationen sind jedoch aktiviert. Infolgedessen wird eine etwaige Wellenlängenverschiebung mit der Temperatur unter 50°C eliminiert, wie durch das Fehlen der Steigung auf der Kurve 54 links von der Umgebungstemperatur von 50°C angegeben. Bei dieser Ausführungsform kann der TEC oder eine andere Wärmequelle dahingehend betrieben werden, die Laserdiode auf mindestens 90 Grad zu erwärmen. Es gibt immer noch eine Wellenlängenverschiebung bei Umgebungstemperatur über 50°C, da der TEC die Lasertemperatur über diesem Punkt nicht steuert. Dies ist angegeben durch die Linie mit Steigung auf der Kurve 54 rechts von 50°C. Der Ausdruck "Temperatur-synchronisiert", wie er hier verwendet wird, wird deshalb dazu verwendet, zu bezeichnen, wie die Temperatur des Senders (und somit des emittierenden Lasers) bei 50°C gehalten wird, wenn die Umgebungstemperatur 50°C oder weniger beträgt. In 6 ist die in Kurve 54 gezeigte Wellenlänge unter 50°C Umgebungstemperatur Temperatur-synchronisiert und driftet um etwa 3,5 nm über 50°C. Eine Wellenlängendrift von 3,5 nm ist in CWDM-Systemen im allgemeinen akzeptabel.
Bei Implementierungen nur zur Erwärmung, wie beispielsweise die in Kurve 54 gezeigte Ausführungsform, kann der TEC durch eine Widerstandsheizung ersetzt werden. Dieses Merkmal wird möglicherweise in einigen Ausführungsformen bevorzugt, da eine Widerstandsheizung preiswerter ist als ein TEC. Techniken nur mit Erwärmung funktionieren gut in Ausführungsformen, bei denen der Laser bei relativ hohen Temperaturen arbeiten kann, weil die meisten herkömmlichen CWDM-DFB-Laser Probleme hinsichtlich Leistung und/oder Zuverlässigkeit haben, wenn sie über längere Zeiten über 50°C betrieben werden.
Natürlich können die gleichen Vorzüge des Synchronisierens eines Senders auf eine ausgewählte Temperatur verbessert werden, indem Kühloperationen ermöglicht werden. Ein TEC ist für Kühloperationen mit dem Vorzug eines größeren synchronisierten Temperaturbereichs mit weniger Wellenlängenvariation erforderlich. Mit anderen Worten wird eine Wellenlängenverschiebung vermieden, wenn die Laserdiode auf 50°C gekühlt wird, wenn die Umgebungstemperatur 50°C übersteigt. Außerdem weist Einrichtungshardware wie beispielsweise DFB-Laser, weniger Probleme hinsichtlich Leistung und/oder Zuverlässigkeit auf, wenn sie nicht für längere Zeiten über 50°C betrieben werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die in 6 nicht dargestellt ist, ist die Temperatur einer Laserdiode auf 50°C über einen Umgebungstemperaturbereich von –40°C einer Temperatur über 50°C, beispielsweise 70°C, synchronisiert. Jedoch wegen der dem TEC zur Verfügung stehenden begrenzten Leistung verliert die Temperatur der Laserdiode die Synchronisation, wenn die Umgebungstemperatur 70°C übersteigt. In diesem Fall gibt es eine relativ kleine Wellenlängenverschiebung von etwa 1,5 nm für den Temperaturbereich von 70°C bis 85°C.
Die gleichen Vorzüge des Synchronisierens eines Senders auf eine ausgewählte Temperatur können aufrechterhalten werden, indem ein Sender auf andere Temperaturen erwärmt wird, beispielsweise 70°C. Kurve 50 zeigt die Wellenlängenverschiebung von Licht über eine Umgebungstemperaturänderung von 125 Grad, wenn die Sendertemperatur auf 70°C synchronisiert ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der TEC so eingestellt, daß er den Sender auf 70°C erwärmt. Infolgedessen wird eine etwaige Wellenlängenverschiebung mit der Temperatur unter 70°C eliminiert, wie durch das Fehlen der Steigung auf der Kurve 50 links von der Umgebungstemperatur von 70°C angegeben. Es gibt immer noch eine Wellenlängenverschiebung bei Umgebungstemperatur über 70°C, da der TEC die Lasertemperatur über diesem Punkt nicht steuert. Dies ist angegeben durch die Linie mit Steigung auf der Kurve 50 rechts von 70°C. In 6 ist die auf der Kurve dargestellte Wellenlänge unter 70°C synchronisiert und driftet um etwa 1,5 nm über 70°C. Eine Wellenlängendrift von 1,5 nm ist in CWDM-Systemen im allgemeinen akzeptabel.
Wie bereits erörtert können Kühloperationen des TEC für diese Ausführungsform ermöglicht werden, um die Laserdiodentemperatur selbst dann auf 70°C zu synchronisieren, wenn die Umgebungstemperatur diese Temperatur übersteigt. Der genaue Kühlungsgrad, der erhalten werden kann, hängt von der dem Sendeempfänger zur Verfügung stehenden Leistung ab.
Kurve 58 zeigt auch die Wellenlängenverschiebung von Licht über die gleiche von dem Laser erfahrene Temperaturänderung von 125 Grad, wie durch Kurve 30 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der TEC so eingestellt, daß er den Sender auf 70°C erwärmt. Keine Kühlungsoperationen sind in der dargestellten Ausführungsform ermöglicht, obwohl der Fachmann angesichts der Offenbarung hierin eine Kühlungsoperation hinzufügen könnte. Infolgedessen ist eine etwaige Wellenlängenverschiebung mit der Temperatur in dem Bereich unmittelbar unter 70°C Umgebungstemperatur eliminiert, wie durch das Fehlen einer Steigung auf der Kurve 58 unmittelbar links von der Umgebungstemperatur von 70°C angegeben. Es liegt immer noch eine Wellenlängenverschiebung mit der Umgebungstemperatur über 70°C vor, da der TEC die Lasertemperatur über diesem Punkt nicht steuert. Dies ist durch die Linie mit einer Steigung auf Kurve 58 rechts von 70°C angegeben. In 6 ist die auf Kurve 58 gezeigte Wellenlänge in dem Bereich unmittelbar unter 70°C Umgebungstemperatur Temperatur-synchronisiert und driftet auf etwa 1,5 nm über 70°C.
Außerdem verliert der Sender bei dieser Ausführungsform die Synchronisierung unter –20°C (wo die maximale Erwärmung aufgrund von Modulleistungseinschränkungen beschränkt ist). Die Temperatur am unteren Ende, bei der eine bestimmte Einrichtung die Synchronisation verlieren kann, variiert von Einrichtung zu Einrichtung. Wie durch den geneigten Abschnitt der Kurve 58 links von –20°C und bei Punkt 56 bei –40°C Umgebungstemperatur endend dargestellt, verliert die Einrichtung die Synchronisation unter –20°C, so daß der Sender bei –40°C Umgebungstemperatur bei 50°C arbeitet. Das exakte Ausmaß des Temperaturabfalls des Lasers aufgrund des Verlusts an Temperatursynchronisation kann von Einrichtung zu Einrichtung variieren. Bei dieser Ausführungsform driftet die Wellenlänge um etwa 2,0 nm unter –20°C. Infolgedessen erfährt ein auf Kurve 58 arbeitender Sender eine Nettowellenlängendrift von 3,5 nm über den Bereich –40°C bis 85°C. Wie bereits angemerkt ist eine Wellenlängendrift von 3,5 nm in CWDM-Systemen im allgemeinen akzeptabel.
Im allgemeinen gestattet das Betreiben von Laserdioden über der Umgebungstemperatur, daß TECs effizienter funktionieren, weil TECs beim Erwärmen effizienter sind als beim Kühlen. TECs sind beim Erwärmen effizienter als beim Kühlen, da der thermoelektrische Effekt und das Widerstandsheizen zusammenarbeiten, wenn die TECs die Laserdioden erwärmen, anstatt einander entgegenzuwirken, wie dies der Fall ist, wenn die TECs die Laserdioden kühlen. Effizienz ist von besonderer Wichtigkeit bei steckbaren Sendeempfängeranwendungen, wo die zur Verfügung stehende Leistung und somit die Fähigkeit von TECs zu funktionieren, auf spezifische Niveaus begrenzt ist. Das Betreiben von CWDM-Modulen mit einem TEC nur im Erwärmungsmodus ist nach gegenwärtigen CWDM-Sendeempfängernormen akzeptabel, weil der begrenzte Stromverbrauch den maximal zulässigen nicht übersteigt.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 7 werden drei zusätzliche Beispiele von Umgebungstemperatur gegenüber Lasertemperatur für andere Erwärmungs- und Kühlkonfigurationen vorgelegt. Insbesondere zeigt Kurve 500 eine Ausführungsform nur mit Erwärmung, wo die Lasertemperatur in einer Implementierung nur mit Erwärmung auf 60°C synchronisiert ist. Wie bereits erwähnt kann, weil dies eine Ausführungsform nur mit Erwärmung ist, entweder ein TEC oder eine Widerstandsheizung verwendet werden. In Kurve 500 sowie in jeder der unten erörterten Kurven 502 und 504 beträgt die maximale Erwärmung, die der Laser von dem TEC oder der Widerstandsheizung erhalten kann, 75°C. Weil die Temperatursynchronisation 60°C beträgt, verliert die Einrichtung die Temperatursynchronisation unter –15°C Umgebungstemperatur, wie durch die Steigung von Linie 500 auf der linken Seite von –15°C angedeutet ist. Bei einer Umgebungstemperatur von –60°C ist der Laser immer noch bei 35°C. Infolgedessen reduziert die reduzierte Temperaturverschiebung die Wellenlängenverschiebung. Außerdem steigt über 60°C Umgebungstemperatur die Lasertemperatur gleichzeitig mit der ansteigenden Umgebungstemperatur an, weil keine Kühlung aktiviert ist. Dies ist durch die Aufwärtssteigung von Linie 500 auf der rechten Seite der Umgebungstemperatur von 60°C gezeigt.
Analog zeigt Kurve 502 eine weitere Ausführungsform nur mit Erwärmung, wenn die Temperatursynchronisation auf 45°C eingestellt ist. In diesem Fall gibt es weniger Temperaturverschiebung (und somit weniger Wellenlängenverschiebung) am kalten Ende des Umgebungstemperaturbereichs, da er die Synchronisation erst verliert, wenn die Umgebungstemperatur unter –30°C abfällt. Am hohen Ende des Umgebungstemperaturbereichs jedoch verliert die Einrichtung die Synchronisation bei 45°C. Die Lasertemperatur steigt gleichzeitig mit der steigenden Umgebungstemperatur an, weil keine Kühlung aktiviert ist. Es gibt deshalb eine größere Temperatur- und Wellenlängenverschiebung bei hohen Temperaturen.
Kurve 504 wiederum zeigt eine Ausführungsform, bei der sowohl Erwärmung als auch Kühlung ermöglicht sind und die Temperatur auf 45°C synchronisiert ist. Bei dieser Ausführungsform beträgt die maximale Kühlung, die durch den TEC ermöglicht ist, 15°C. Somit verliert die Einrichtung die Synchronisation am kalten Ende bei –30°C, aber am heißen Ende bei nur 60°C (45°C plus 15° Kühlung). Es ist deshalb ohne weiteres ersichtlich, wie durch Ermöglichung von Erwärmung und Kühlung in einer Einrichtung der Bereich maximiert wird, bei dem eine Temperatursynchronisation aufrechterhalten werden kann.
Bei verschiedenen Implementierungen der Erfindung wird das Erwärmen eines Lasers auf eine eingestellte Temperatur nicht ausreichen, um den korrekten Betrieb des Senders über einen großen Temperaturbereich hinweg sicherzustellen, weil beim Hochdriften der Lasertemperatur nicht nur die meisten herkömmlichen CWDM-DFB-Laser Probleme hinsichtlich Leistung und/oder Zuverlässigkeit aufweisen, wenn sie über längere Zeiten über 50°C betrieben werden, die Steigungseffizenz abfällt und das Auslöschungsverhältnis dementsprechend sinkt.
Im allgemeinen sind optische Sender so konfiguriert, daß sie bei verschiedenen Leistungspegeln senden, um die Übertragung von binären Daten zu ermöglichen. Insbesondere stellt ein relativ höherer optischer Leistungsübertragungspegel P1 eine binäre 1 dar, während ein relativ niedrigerer optischer Leistungsübertragungspegel P0 eine binäre 0 darstellt. Somit wird die optische Übertragung von binären Daten erzielt, indem die Ausgangsleistung des optischen Senders moduliert wird. Solche optischen Leistungsübertragungspegel weisen gewisse Implikationen hinsichtlich der Leistung des optischen Senders auf.
Beispielsweise weisen optische Sender in der Regel ein charakteristisches "Auslöschungsverhältnis" auf, definiert als P1/P0 (für in dBm ausgedrückte Leistung). Ein idealer optischer Sender würde ein P0 von 0 aufweisen und das optimale Auslöschungsverhältnis wäre somit unendlich. In der Praxis jedoch muß der optische Sender derart vorgespannt sein, daß P0 näher am Laserschwellwert liegt, so daß P0 notwendigerweise etwas größer als 0 ist. Dies bedeutet, daß zumindest etwas optische Leistung bei P0 übertragen wird und das eigentliche Auslöschungsverhältnis nicht unendlich ist.
Der jeweilige Wert des Auslöschungsverhältnisses sowie Fluktuationen bei dem Auslöschungsverhältnis stehen zu der mit dem übertragenen Datenstrom assoziierten Bitfehlerrate ("BER" – bit error rate) in Beziehung. Im allgemeinen wird die BER von einem Zählwert der Anzahl von Datenfehlern hergeleitet, der innerhalb einer vordefinierten Bitsequenz auftritt. Wenngleich eine ideale BER 0 betragen würde, so läßt sich dieses Ergebnis im allgemeinen in der Praxis nicht erreichen, und so muß eine gewisse BER üblicherweise akzeptiert werden. In jedem Fall ist es wichtig, die BER auf einem akzeptablen Niveau zu halten, da eine relativ konstante BER der Leistung des optischen Systems einen Grad an Vorhersagbarkeit verleiht und auch zur Systemzuverlässigkeit beiträgt.
Nicht nur sind relativ niedrige Auslöschungsverhältnisse problematisch, sondern eine hohe Auslöschungsration oder Auslöschungsverhältnisfluktuation ist ebenfalls ein Anlaß zur Sorge. Insbesondere ist es wünschenswert, das Auslöschungsverhältnis so weit wie möglich auf der fabrikkalibrierten Einstellung konstant zu halten. Insbesondere kann eine Reduzierung beim Auslöschungsverhältnis Probleme hinsichtlich der Signal-Rausch-Ration verursachen, während eine Zunahme beim Auslöschungsverhältnis noch verheerendere Affekte haben kann, wobei die Übertragungsleistung bei hohen Auslöschungsverhältnissen schwer degradiert werden kann.
Insbesondere ist es erforderlich, unerwünschte Auslöschungsverhältnisänderungen zu korrigieren, wenn sich Umgebungstemperaturen ändern. Eine Auslöschungsverhältniskorrektur ist erforderlich auf der Basis von Temperaturfehler oder davon, wie weit weg von der kalibrierten Temperatur der Laser tatsächlich läuft, nicht der absoluten Temperatur. Da die kalibrierten Temperaturen in einigen Fällen variieren können, ist es wichtig, diese Korrektur auf dem Temperaturfehler zu basieren, nicht gemessenen Temperaturen. Um Auslöschungsrationskorrekturen vorzunehmen, enthalten verschiedene Ausführungsformen der Erfindung Firmware mit einer Nachschlagetabelle, die den AC-Ausschlag einstellt, der den AC-Strom für den Laser ansteuert. Wenn die Lasertemperatur über oder unter den Sollwert ansteigt, wird der AC-Ausschlag erhöht oder verringert, wie durch die Nachschlagetabelle angewiesen, um das Auslöschungsverhältnis konstant zu halten. Bei einer Ausführungsform wird die Nachschlagetabelle konzeptuell Spalten wie etwa Temperaturfehler, Laserbiasstrom und AC-Modulation aufweisen, die mit entsprechenden Lasertemperaturreihen ausgerichtet sind.
Wieder unter Bezugnahme auf die 1 und 2 verwenden aktuelle CWDM-Normen Paßbänder von etwa 11 nm, wobei passive Paßbandfilter steile Schultern an den Rändern jedes Paßbandes erzeugen. Es ist deshalb erforderlich, das emittierte Licht von einem Laser innerhalb eines bezeichneten 11-nm-Paßbandes zu halten. Ausführungsformen der Erfindung stellen sicher, durch Temperatursynchronisierung eines Lasers, wenn sich die Umgebungstemperatur über einen großen Bereich verschiebt, die Wellenlänge des emittierten Lichts sich nicht außerhalb ihres bezeichneten Paßbandes verschiebt.
Die bevorzugte Synchronisierungstemperatur ist derart ausgewählt, daß der Verlust an Synchronisation auf ein Minimum reduziert und ausgeglichen wird. Wenn beispielsweise der Arbeitsumgebungstemperaturbereich zwischen –40°C und 85°C liegt und der TEC 20°C an Kühlung und 65°C an Erwärmung bereitstellen kann, dann wäre die optimale eingestellte Lasertemperatur diejenige, bei dem der Verlust an Synchronisation an jedem des hohen und niedrigen Endes ausgeglichen ist, beziehungsweise etwa 45°C. Mit anderen Worten würde diese Einrichtung die Synchronisation für 20 Grad am unteren Ende und 20 Grad am hohen Ende verlieren. Dies ist Verfahrensberechnung gilt auch für ein Designs nur mit Erwärmung, außer daß in diesem Fall die maximale Kühlung Null Grad beträgt.
Für den Fall, daß extreme kalte Temperaturen nicht berücksichtigt werden müssen, können alternativ höhere Temperaturen als der Sollwert ausgewählt werden, um zu vermeiden, daß übermäßig Energie auf das Kühlen aufgewandt wird. Beispielsweise kann 50°C als ein Sollwert ausgewählt werden, da er die maximale Arbeitstemperatur ist, bei der gegenwärtig viele herkömmliche Sendeempfängerkomponenten arbeiten. Falls jedoch Sendeempfängerkomponenten verwendet werden, die höhere Temperaturen aushalten können, kann eine hohe Lasertemperatur wie etwa 55°C, 60°C, 65°C, 70°C, 75°C, 80°C oder 85°C als der Sollwert verwendet werden.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Kalibrieren eines Senders gemäß Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet, zuerst einen Computer oder eine andere Einrichtung in Kommunikation mit dem Sendeempfänger 100 anzuweisen, eine Zielwellenlänge innerhalb eines gewünschten CWDM-Kanals zu setzen, und dem Mikroprozessor 130 zu befehlen, die Solltemperatur der Laserdiode in der TOSA 114 (über ein TEC-Command-Signal) einzustellen.
Außerdem kann der mit dem Mikroprozessor 130 in Kommunikation stehende Computer auf dem I_laserbias und die AC-Modulation für den Laserbetrieb auf Standardwerte einstellen. Diese Werte können später geändert werden durch Referenzieren einer Nachschlagetabelle oder ein anderes Verfahren, wie erforderlich, wenn die Arbeitstemperatur des Lasers die eingestellte Temperatur übersteigt oder darunter abfällt.
Da die von einem Sendeempfänger bei einer spezifizierten Laserdiodentemperatur und Stromdichte erzeugte Wellenlänge von einer Laserdiode zu einer anderen differiert, kann der Sendeempfänger 100 anfänglich kalibriert werden, bevor er in einem optischen Netz installiert wird, wie durch Block 306 angegeben. Die Kalibrierung beinhaltet das Überwachen der Wellenlänge von von der Laserdiode erzeugten optischen Signalen, während ihre Temperatur und andere Arbeitsbedingungen variiert werden, und dann Speichern von Kalibrierungsinformationen in dem Speicher des Mikroprozessors 130. Sie beinhaltet außerdem das Empfangen von analogen Signalen von Sensoren in der optoelektronischen Einrichtung und Konvertieren der analogen Signale in digitale Werte, die ebenfalls im Speicher gespeichert werden. Anhand dieser Daten erzeugt die Einrichtung Steuersignale auf der Basis der digitalen Werte in dem Mikroprozessor, um die Temperatur der Laserdiode dahingehend zu steuern, daß die gewünschte emittierte Wellenlänge aufrechterhalten wird.
Nun unter Bezugnahme auf 8 wird ein weiteres beispielhaftes Verfahren zum Betreiben eines CWDM-Senders in Blockform dargestellt. Anfänglich befiehlt ein Computer oder eine andere Einrichtung dem Mikroprozessor 130, die Solltemperatur der Laserdiode in der TOSA 114 (über ein TEC-Command-Signal) einzustellen, wie durch Block 402 angezeigt.
Die Arbeitstemperatur der Laserdiode wird dann ständig oder wiederholt bestimmt, beispielsweise unter Bezugnahme auf einen oder mehrere der Temperatursensoren 204, 208 und 210 oder durch Verwendung anderer in der Technik bekannter Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur, wie durch Block 404 angezeigt. Der Mikroprozessor 130 überprüft dann beispielsweise ständig die Laserdiodentemperatur, um zu sehen, ob sie über oder unter der Solltemperatur liegt. Wenn die Laserdiodentemperatur über oder unter der Solltemperatur liegt, dann wird die Operation des TEC (oder eines anderen Temperaturcontrollers) gegebenenfalls nachgestellt, wie durch Block 406 angezeigt, und die Temperaturüberwachung wird fortgesetzt. Wenn die Laserdiodentemperatur über der Solltemperatur liegt, arbeitet der TEC im Kühlmodus. Wenn die Laserdiodentemperatur unter dem Sollwert die Temperatur liegt, arbeitet der TEC im Erwärmungsmodus.
Jedoch aufgrund von auf Sendeempfänger anwendbare Normen steht möglicherweise nicht ausreichend Leistung zur Verfügung, um die Laserdiode über den ganzen Arbeitsumgebungstemperaturbereich des Sendeempfängers hinweg auf den Sollwert zu erwärmen oder zu kühlen. Dementsprechend überwacht der Mikroprozessor oder eine andere Einrichtung, ob der Leistungsverbrauch maximiert ist, bevor ausreichende Erwärmung oder Kühlung eingetreten ist, um die Laserdiodentemperatur auf den Sollwert zurückzuführen, wie durch Block 408 angezeigt. Wenn der Leistungsverbrauch maximiert ist, arbeitet die Laserdiode auf über oder unter dem Sollwert und es kommt zu einer Wellenlängendrift. Um Auslöschungsverhältnisprobleme zu vermeiden, nimmt der Mikroprozessor oder die andere Einrichtung auf die Nachschlagetabelle in der TOSA-Firmware Bezug (als Beispiel), und der AC-Ausschlag wird gegebenenfalls nachgestellt, um die Arbeitszielwerte für Laserleistung und Auslöschungsverhältnis zu erreichen, wie durch Block 410 angezeigt.
Bei einigen Ausführungsformen wird ein nicht dargestellter Sendeempfängercontroller verwendet, um einige der Funktionen auszuführen, die ansonsten vom Mikroprozessor 130 ausgeführt werden. Beispielsweise kann ein Sendeempfängercontroller verwendet werden, um Werte in Tabellen nachzuschlagen und diese Werte durch einen oder mehrere Digital-Analog-Wandler auszugeben. Dementsprechend kann die Nachschlagetabelle (oder Teile der Nachschlagetabelle) auch für den Sendeempfängercontroller zugänglich sein oder von diesem gespeichert sein, so daß er einige Steuersignale ausgeben kann, während der Mikroprozessor 130 andere Steuersignale ausgibt.
Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung beinhalten auch computerlesbare Medien zum Tragen oder Aufweisen von computerausführbaren Anweisungen oder darauf gespeicherte Datenstrukturen. Solche computerlesbaren Medien können beliebige verfügbare Medien sein, auf die von einem Allzweck- oder Spezialcomputer zugegriffen werden kann. Als Beispiel und nicht als Einschränkung können solche computerlesbaren Medien in Sendeempfängerfirmware verkörpert sein und/oder RAM, ROM, EEPROM oder ein beliebiges anderes Medium enthalten, das verwendet werden kann, um gewünschte Programmcodemittel in Form von computerausführbaren Anweisungen oder Datenstrukturen zu tragen oder zu speichern, und auf die vom Mikroprozessor 130 oder einem Allzweck- oder Spezialcomputer zugegriffen werden kann. Computerausführbare Anweisungen enthalten beispielsweise Anweisungen und Daten, die bewirken, daß der Mikroprozessor 130, ein Allzweckcomputer, ein Spezialcomputer oder eine Spezialverarbeitungseinrichtung eine bestimmte Funktion oder Gruppe von Funktionen ausführen. Obwohl nicht erforderlich kann die Erfindung in dem allgemeinen Kontext von solchen computerausführbaren Anweisungen wie etwa von Computern ausgeführten Programmodulen beschrieben oder beansprucht werden. Die jeweilige Sequenz von solchen ausführbaren Anweisungen oder assoziierten Datenstrukturen stellt Beispiele von entsprechenden Handlungen zum Implementieren der in solchen Handlungen beschriebenen Funktionen dar. Dementsprechend können die hier oben offenbarten Verfahren der Erfindung so konfiguriert werden, daß sie von einer Recheneinrichtung als computerausführbare Anweisungen betrieben werden können.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert werden, ohne von ihrem Gedanken oder essentiellen Charakteristiken abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeglicher Hinsicht nur als illustrativ und nicht restriktiv anzusehen. Der Schutzbereich der Erfindung wird deshalb durch die beigefügten Ansprüche anstatt durch die vorausgegangene Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Äquivalenzbereichs der Ansprüche liegen, sollen innerhalb ihres Schutzbereichs eingeschlossen sein.
Zusammenfassung
Optoelektronische Einrichtungen und Verfahren werden verwendet, damit ein CWDM-Sender (200) weiterhin innerhalb von Designparametern über einen erweiterten Umgebungstemperaturbereich arbeiten kann. Um übermäßige Wellenlängendrift bei Temperaturverschiebungen zu vermeiden, werden Laser (202) in den CWDM-Sendern (200) auf eine ausgewählte Temperatur erwärmt oder gekühlt, beispielsweise unter Verwendung eines thermoelektrischen Kühlers (206). Durch Erwärmen und Kühlen der Laser (202) wird eine etwaige Wellenlängendrift, die eine Umgebungstemperaturvariation dem Laser zufügen könnte, auf den Bereich heißer oder kälter als die ausgewählte Temperatur minimiert. Wenn der Temperaturbereich des Lasers (202) über die ausgewählte Temperatur ansteigt, wird der den Laser ansteuernde AC-Ausschlag erhöht, um ein ausreichendes Auslöschungsverhältnis für eine akzeptable Senderleistung aufrecht zu erhalten.

Claims

Verfahren zum Aufrechterhalten der Wellenlänge von von einer Laserdiode emittiertem Licht innerhalb eines Toleranzsollbereichs, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Bereitstellen einer Laserdiode, die von mindestens einer ersten ausgewählten Temperatur bis zu einer zweiten ausgewählten Temperaturbetrieben werden kann, wobei die Wellenlänge von von der Laserdiode emittiertem Licht über den Temperaturbereich von der ersten Temperatur zu der zweiten Temperatur sich um ein Ausmaß verschiebt, das größer ist als erwünscht; und gegebenenfalls Erwärmen oder Kühlen der Laserdiode, so daß die Laserdiode: nicht unter eine dritte Temperatur abfällt, wobei die dritte Temperatur zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur liegt, oder über eine vierte Temperatur ansteigt, wobei die vierte Temperatur zwischen der dritten Temperatur und der zweiten Temperatur liegt, wobei die Wellenlängenverschiebung des von der Laserdiode emittierten Lichts über den Temperaturbereich von der dritten Temperatur zur vierten Temperatur sich um ein Ausmaß verschiebt, das in den Toleranzsollbereich fällt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Laserdiode Teil eines CWDM-(Coarse Wavelength Division Multiplexing)-Moduls umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Akt des Erwärmens der Laserdiode von einem an die Laserdiode gekoppelten Temperaturcontroller ausge führt wird, um die Temperatur der Laserdiode zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Temperaturcontroller einen thermoelektrischen Kühler umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend, wenn die Temperatur der Laserdiode die dritte Temperatur übersteigt, Nachstellen des AC-Ausschlags zu der Laserdiode, um das Auslöschungsverhältnis über einer spezifizierten Untergrenze zu halten.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der AC-Ausschlag durch Referenzieren einer Nachschlagetabelle nachgestellt wird, die den AC-Ausschlag auf der Basis einer Laserdiodentemperatur indexiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der Laserdiode von einer Einrichtung bestimmt wird, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Temperatursensor in Kommunikation mit der Laserdiode; einem Temperatursensor, der sich innerhalb der optoelektronischen Baugruppe befindet; und einem Temperatursensor, der sich außerhalb der optoelektronischen Baugruppe befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Temperatur und die zweite Temperatur durch einen Temperaturbereich derart getrennt sind, daß das Betreiben einer über den ganzen Temperaturbereich hinweg arbeitenden Laserdiode eine Wellenlängenverschiebung erfahren würde, die größer ist als 8 nm.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Temperatur bei oder unter etwa –40°C liegt und die zweite Temperatur bei oder über etwa 85°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dritte Temperatur bei mindestens etwa 50°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dritte Temperatur bei mindestens etwa 70°C liegt.
Verfahren zum Betreiben einer optoelektronischen Baugruppe zur Verwendung in einem CWDM-System, umfassend: Erwärmen einer Laserdiode in einer optoelektronischen Baugruppe auf eine Solltemperatur, die über einer typischen Umgebungstemperatur der optoelektronischen Baugruppe liegt; Betreiben der Laserdiode, um Licht zu emittieren; Erwärmen oder Kühlen der Laserdiode, um den Laser innerhalb eines ausgewählten Bereichs um die Solltemperatur herum zu halten; und bei Identifizieren, daß die Temperatur der Laserdiode über dem Sollwert liegt, Nachstellen des die Laserdiode ansteuernden AC-Ausschlags, um das Auslöschungsverhältnis eines von der Laserdiode emittierten optischen Signals über einer spezifizierten Untergrenze zu halten.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend das Überwachen der Laserdiodentemperatur durch eine Einrichtung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Temperatursensor in Kommunikation mit der Laserdiode; einem Temperatursensor, der sich innerhalb der optoelektronischen Baugruppe befindet; und einem Temperatursensor, der sich außerhalb der optoelektronischen Baugruppe befindet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Akt des Erwärmens der Laserdiode von einem thermoelektrischen Kühler ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der AC-Ausschlag durch Referenzieren einer Nachschlagetabelle nachgestellt wird, die den AC-Ausschlag auf der Basis einer Laserdiodentemperatur indexiert.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Solltemperatur mindestens etwa 50°C beträgt.
Optoelektronische Einrichtung, umfassend: eine optoelektronische Baugruppe, die eine Laserdiode zum Emittieren von Licht enthält; einen Lasertreiber zum Steuern des Betriebs der Laserdiode; einen an die Laserdiode gekoppelten Temperaturcontroller zum Steuern der Temperatur der Laserdiode; mindestens einen Temperatursensor zum Detektieren einer mit der Laserdiode assoziierten Temperatur; Speicher, der konfiguriert ist, ein Nachschlagediagramm zum Steuern des AC-Ausschlags der Laserdiode auf der Basis der detektierten Laserdiodentemperatur zu speichern; und eine oder mehrere Steuervorrichtungen zum Erzeugen: eines Befehlssignals an den Temperaturcontroller zum Steuern des Betriebs des Temperaturcontrollers derart, daß der Temperaturcontroller die Laserdiodentemperatur innerhalb eines Bereichs in der Nähe einer Solltemperatur hält; und eines Befehlssignals an den Lasertreiber zum Steuern des AC-Ausschlags der Laserdiode.
Optoelektronische Einrichtung nach Anspruch 17, wobei der mindestens eine Temperatursensor einen Lasertemperatursensor zum Überwachen einer Temperatur von innerhalb der optoelektronischen Baugruppe und einen äußeren Temperatursensor zum Überwachen einer Umgebungstemperatur außerhalb der optoelektronischen Baugruppe enthält und der Mikroprozessor konfiguriert ist, das Befehlssignal an den Temperaturcontroller als Funktion sowohl der Temperatur innerhalb der optoelektronischen Baugruppe als auch der überwachten Umgebungstemperatur zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Temperaturcontroller einen thermoelektrischen Kühler umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die optoelektronische Einrichtung ein CWDM-Modul umfaßt, wobei das CWDM-Modul konfiguriert ist, von einer ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur zu arbeiten, wobei die erste Temperatur und die zweite Temperatur durch einen Temperaturbereich derart getrennt sind, daß das Betreiben einer über den ganzen Temperaturbereich hinweg arbeitenden Laserdiode eine Wellenlängenverschiebung erfahren würde, die größer als 8 nm ist.