-
Erfindungsgebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein optische Sender und insbesondere laserbasierte Sender zur
Verwendung in Wellenlängenmultiplex-Systemen
(WDM).
-
Allgemeiner
Stand der Technik
-
Bei optischen Sendern, die als die
optische Quelle Halbleiterlaser verwenden, kann der Laser entweder
direkt oder extern moduliert werden. Im Fall der direkten Modulation
wird der Ansteuerstrom für
den Laser gemäß einem
Informationssignal moduliert, um eine entsprechende Modulation eines
Parameters (z.B. Intensität)
des Ausgangsstrahls des Lasers zu erzeugen. Im Fall der externen
Modulation wird der Laser im Dauerstrichmodus (CW-Modus) betrieben,
und der Ausgangsstrahl des Lasers wird an einen optischen Modulator außerhalb
des Lasers angekoppelt. Ein Informationssignal wird an den Modulator
angelegt und moduliert einen Parameter des Ausgangsstrahls. Ein ähnlicher
Stand der Technik ist bekannt aus CLESCA, B. et al.: "3.2 nm wavelength
tuuning via temperature control for integrated electroabsorption
modulator/DFB laser with high tolerance to chromatic dispersion", ELECTRONICS LETTERS,
Mai 1996.
-
Bei einem typischen, extern modulierten
optischen Sender ist der Modulator ein Halbleiterelektroabsorptionsmodulator
(EA-Modulator). Der EA-Modulator basiert, um die Absorption des
Laserstrahls zu ändern, auf
dem Quantum-Confined Stark-Effect (in MQW-Halbleitern) oder dem
Franz-Keldysh-Effect (in Volumenhalbleitern). Das heißt, eine
an den EA-Modulator angelegte Vorspannung bewirkt, daß sich die
Bandlücke
des Modulators relativ zur Wellenlänge des Strahls verschiebt,
was wiederum die Absorption des Strahls ändert.
-
Die Differenz zwischen der Wellenlänge des
Laserstrahls und der der Bandlücke
des EA-Modulators entsprechenden Wellenlänge wird als das Verstimmen
bezeichnet. Das Verstimmen steuert viele wichtige Übertragungsparameter
wie etwa Ausgangsleistung, Extinktionsverhältnis und dynamiches Chirp
des Modulators.
-
Bei einem Einwellenlängensender
wie etwa einem monolithisch integrierten DFB-Laser/EA-Modulator wird
das Verstimmen durch das Design der Bauelemente fest gesteuert;
z.B. durch Variieren der Bandlücke des
EA-Modulators bei epitaxialem Aufwachsen, um der gewünschten
DFB-Wellenlänge
auf einem bestimmten Wafer zu entsprechen. Ein oder zwei Nanometer
an Variabilität
können
durch Justieren der Vorspannung an den Modulator kompensiert werden.
Der Justierbereich wird jedoch durch die Spannung begrenzt, bei
der sich die Kennlinie des EA-Modulators verschlechtert.
-
Bei WDM-Systemen ist der Sender so
modifiziert, daß er
bei einer beliebigen von vielen Wellenlängen einen Ausgangsstrahl erzeugen
kann. Eine derartige Modifikation besteht darin, den Einkanal-DFB-Laser
entweder durch einen breitbandigen wellenlängenselektierbaren Laser (WSL),
wie etwa einen abstimmbaren DBR-Laser oder durch ein an ein passives
Combiner-Netz angekoppeltes Array von DFB-Lasern zu ersetzen. In
diesem Fall jedoch würde
das Verstimmen jeder Kanalwellenlänge von der Bandlücke des
EA-Modulators von Kanal zu Kanal unterschiedlich sein, mit der unerwünschten
Folge, daß die Übertragungsleistung
jedes Kanals unterschiedlich wäre.
-
Kurze Darstellung
der Erfindung
-
Ein optischer Sender zum Erzeugen
eines beliebigen von N Trägersignalen
zur Verwendung in einem M-kanaligen WDM-System (M ≥ N), wobei
jeder Kanal bei einer anderen Trägerwellenlänge λs (s
= 1, 2 ... M) arbeitet, enthält
eine optische Quelle zum Erzeugen der Trägersignale bei einer beliebigen
einer Vielzahl von N Wellenlängen λi (i
= 1, 2 ... N), wobei (1 ≤ N ≤ M). Eine
erste Steuerung wählt
eine bestimmte der Wellenlängen λi aus,
bei der die Quelle arbeitet. Ein optischer Modulator empfängt das
Trägersignal
entsprechend der ausgewählten
Wellenlänge λi und
prägt Informationen
auf das empfangene Signal auf. Der Modulator weist eine charakteristische
elektronische Bandlücke
und eine dieser entsprechende Wellenlänge λg auf.
Bei einer gegebenen Temperatur ist λg um
einen Betrag Δλi von
jedem λi versetzt. Für jede Wellenlänge λi gibt
es einen vorbestimmten Wert von Δλi,
der eine bevorzugte (z.B. optimale) Übertragungsleistung liefert.
Der tatsächliche Wert Δλi ist
jedoch allgemein möglicherweise
nicht für
alle Werte von i gleich dem vorbestimmten Wert Δλi. Die Differenz
zwischen dem tatsächlichen
Wert Δλi und
dem vorbestimmten Wert Δλi wird
als der Verstimmfehler bezeichnet. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung enthält
der Sender eine zweite Steuerung zum Minimieren des Verstimmfehlers.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ändert die
zweite Steuerung die Temperatur des Modulators, wenn die Wellenlänge der
Quelle geändert
wird (z.B. wenn verschiedene Werte λi ausgewählt werden),
so daß Δλi entsprechend
dem obigen Kriterium gesteuert wird. Bei einer Ausführungsform,
bei der die Wellenlänge
der Quelle unabhängig
von der Temperatur des Modulators abgestimmt werden kann, hält die zweite
Steuerung den Verstimmfehler für
alle ausgewählten
Werte von i im wesentlichen auf Null. Bei einer weiteren Ausführungsformen,
bei der die Wellenlänge
der Quelle nicht unabhängig
von der Temperatur des Modulators abgestimmt wird, wird λi um
einen vorbestimmten Betrag, der bezüglich der Temperatur zu der Änderungsgeschwindigkeit
von λi und λg in Beziehung steht, von λs verstimmt.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnung
-
Die vorliegende Erfindung läßt sich
zusammen mit ihren verschiedenen Merkmalen und Vorteilen anhand
der folgenden ausführlicheren
Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung ohne weiteres
verstehen. Es zeigen:
-
1 ein
Blockschaltbild eines optischen Senders gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der die Quelle und der Modulator über einen
gemeinsamen thermoelektrischen Kühler
(TEC) thermisch miteinander gekoppelt sind;
-
2 ein
Blockschaltbild eines optischen Senders gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der die Quelle und der Modulator
thermisch mit getrennten TECs gekoppelt sind;
-
3 ein
schematisches Diagramm der Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge als
Funktion der an einen EA-Modulator angelegten Vorspannung;
-
4 ein
schematisches Diagramm der Absorption in Abhängigkeit von der Wellenlänge als
Funktion der Temperatur eines EA-Modulators;
-
5 ein
Diagramm des Extinktionsverhältnisses
in Abhängigkeit
von der an einen EA-Modulator angelegten Vorspannung für einen
Eingangswellenlängenabstand
von 5 nm und eine Differenz zwischen der Modulatortemperatur von
10°C bei
benachbarten Wellenlängen
von 1550 nm (bei 15°C),
1555 nm (bei 25°C)
und 1560 nm (bei 35°C);
-
6 ein
Diagramm ähnlich 5 des Extinktionsverhältnisses
in Abhängigkeit
von der an einen EA-Modulator
angelegten Vorspannung, aber bei der gleichen Temperatur (25°C) für alle drei
Wellenlängen; d.h.
der Modulator ist, wie im Stand der Technik, nicht hinsichtlich
der Temperatur abgestimmt; und
-
7 ein
schematisches Diagramm, das die Kanalwellenlängen bei verschiedenen Temperaturen
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
-
Im Interesse der Klarheit und Einfachheit
wurden die 1-4 & 7 nicht
maßstabsgetreu
gezeichnet. Außerdem
steht bei der Beschreibung physikalischer oder optischer Abmessungen
das Symbol A für
Angström,
wohingegen es bei der Beschreibung eines elektrischen Stroms für Ampere
steht.
-
Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
-
Allgemeine Überlegungen beim Design Bei
einem M-Kanal-WDM-System werden in der Regel M optische Sender verwendet,
um getrennte der erforderlichen M optischen Trägersignale mit jeweils einer
anderen Wellenlänge λs (s
= 1, 2 ... M) zu erzeugen, und zwar einer pro Kanal. Falls M relativ
groß ist,
kann jeder Sender in der Lage sein, einen beliebigen von lediglich
einer kleinen Teilmenge N der gewünschten Wellenlängen zu erzeugen
(jeweils eine Wellenlänge).
Um das ganze Kanalspektrum abzudecken, kann in diesem Fall eine Vielzahl
derartiger Sender verwendet werden, die jeweils eine andere Teilmenge
von Wellenlängen
erzeugen (jeweils eine Wellenlänge
pro Sender). Praktisch gesehen stellen WSLs einen bevorzugten Weg
dar, diese Mehrwellenlängenfunktion
bereitzustellen, da sie die Anzahl der Ersatzteile reduzieren, die
zum Ersatz ausgefallener Sender bereitgehalten werden müssen.
-
Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird in 1 ein
optischer Sender zur Verwendung in einem derartigen WDM-System gezeigt.
Als Beispiel enthält
der Sender 10 eine optische Quelle 12, die über einen
optischen Wellenleiter 16 an einen optischen Modulator 14 angekoppelt
ist. Die Quelle 12 erzeugt einen optischen Strahl, in der
Regel einen Laserstrahl, der durch den Wellenleiter 16 zum
Modulator 14 geführt
wird. Bei einem typischen optischen System würde der Ausgang des Modulators
an eine nicht gezeigte Nutzungseinrichtung angekoppelt sein. Bei
letzterer kann es sich beispielsweise um eines oder mehrere der
folgenden handeln: ein Übertragungsmedium
wie etwa eine optische Faser, ein optischer Isolator, ein optischer
Verstärker,
ein optischer Empfänger,
ein Teil einer Anschlußausrüstung, einen
optischen Multiplexer, einen optischen Zirkulator usw.
-
Die Quelle, der Wellenleiter und
der Modulator können
aber auch als eine optische integrierte Schaltung ausgebildet sein;
beispielsweise als ein über
Elektroabsorption modulierter Laser (EML). Ein EML ist in der Regel
eine optische integrierte InP/InGaAsP-Halbleiterschaltung, die einen
DFB-Laser, einen optischen Wellenleiter und einen EA-Modulator,
die hintereinander angeordnet sind, enthält.
-
Eine Informationsquelle 54 (die
beispielsweise eine Ansteuerschaltung und eine Vorspannungsquelle – nicht
gezeigt – enthält) ist
an den Modulator angekoppelt und moduliert den Ausgangsstrahl der
Quelle 12 gemäß zu übertragenden
Informationen (z.B. Sprache, Daten, Video und/oder Signalisierungsinformationen).
-
Die Quelle
12 kann in einer
Vielzahl von Formen vorliegen, doch ist sie bei WDM-Anwendungen
in der Regel ein wohlbekannter abstimmbarer Laser (z.B. ein DBR-Laser)
oder ein wohlbekanntes Array von Einfrequenzlasern (z.B. DFB-Lasern),
die über
ein wohlbekanntes passives Netz an den Wellenleiter/Modulator angekoppelt
sind. Ein beispielhafter breitbandiger abstimmbarer Laser wird in
EP-A-0911927 beschrieben,
das durch Bezugnahme hier aufgenommen ist. Bei einem M-Kanal-WDM-System
kann die Quelle
12 ein Trägersignal (z.B. einen Laserstrahl)
bei einer beliebigen einer Vielzahl von N Wellenlängen λ
i (i
= 1, 2 ... N) erzeugen, wobei (1 ≤ N ≤ M). Eine
Hauptsteuerung
52 wählt
eine bestimmte der Wellenlängen λ
i aus,
bei der die Quelle arbeitet. Diese Quelle kann auch eine wohlbekannte
Rückkopplungsanordnung
zum Synchronisieren der Quellenwellenlänge mit der Systemwellenlänge nach
Auswahl durch die Hauptsteuerung
52 enthalten. Die Hauptsteuerung
steuert außerdem
eine Reihe weiterer Steuerungen
36,
46 und
50,
von denen eine oder mehrere in verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
-
Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Quelle und der Modulator über einen
Träger 18 mit
hoher Wärmeleitfähigkeit
thermisch an einen TEC 20 angekoppelt. Somit sind die Temperatur
der Quelle und des Modulators voneinander nicht vollständig unabhängig. Insbesondere
wird die Mindesttemperatur der Quelle und des Modulators durch den
TEC 20 und die Steuerung 50 gesteuert. Im Gegensatz dazu
wird die inkrementale örtliche
Temperatur der Quelle durch eine Heizvorrichtung 32 und
eine Steuerung 36 gesteuert, wohingegen die inkrementale örtliche
Temperatur des Modulators durch eine Heizvorrichtung 42 und
eine Steuerung 46 gesteuert wird. Wenn andererseits zwischen
der Quelle und dem Modulator ein ausreichender Wärmewiderstand vorliegt, kann
der übliche
TEC 20 in Verbindung mit nur einer der Steuerungen 36 oder 46 verwendet
werden, um die lokalen Temperaturen der Quelle und des Modulators
getrennt zu steuern. Falls beispielsweise die Steuerung 36 und
die Heizvorrichtung 32 nicht vorliegen, wird die Temperatur
der Quelle nur durch den TEC 20 und die Steuerung 50 gesteuert,
wohingegen die Modulatormindesttemperatur durch den TEC 20 und
die Steuerung 50 und ihre inkrementale örtliche Temperatur durch die
Heizvorrichtung 42 und die Steuerung 46 gesteuert
wird.
-
Diese Steuerungen 36 und 46 liefern
einen elektrischen Strom zu Heizelementen 32 bzw. 42,
die jeweils in unmittelbarer Nähe
zu der Quelle 12 und dem Modulator 14 angeordnet
sind. Temperatursensoren 34 und 44 liefern Rückkopplungssignale
an die Steuerungen 36 und 46 entsprechend den
Temperaturen der Quelle 12 bzw. des Modulators 14.
-
Man beachte jedoch, daß die Quelle
und der Modulator nicht auf dem gleichen Träger montiert sein müssen; es
kann sich bei ihnen um diskrete Bauelemente handeln, die nicht thermisch
an den gleichen TEC/die gleiche Steuerung gekoppelt sind, so daß die Temperatur
der Quelle und des Modulators unabhängig voneinander gesteuert
werden können. 2 veranschaulicht eine derartige
Anordnung, bei der die Quelle 12 über einen Träger 18s thermisch
an den TEC 20s angekoppelt ist, wohingegen der Modulator 14 über einen Träger 18m thermisch
an den TEC 20m angekoppelt ist. Getrennte Temperatursteuerungen 50s und 50m steuern
die Temperatur der Quelle bzw. des Modulators und reagieren auf
die Hauptsteuerung 52. Bei diesem Design ist das Übertragungsmedium
in der Regel eine optische Faser 16f, und die Komponenten
Quelle und Modulator sind getrennt verkapselt. Das heißt, ein
Baustein enthält
die Quellenteilbaugruppe (Quelle 12, Träger 18s und TEC 20s),
wohingegen der andere Baustein die Modulatorteilbaugruppe (Modulator 14,
Träger 18m und
TEC 20m) enthält.
-
Überlegungen
beim Verstimmen
-
Bei einer gegebenen Temperatur ist λg um
einen Betrag Δλi von
jedem λi versetzt. Bei jeder Wellenlänge λi gibt
es einen vorbestimmten Wert von Δλi,
der eine bevorzugte (z.B. optimale) Übertragungsleistung liefert.
Der tatsächliche
Wert Δλi ist
jedoch allgemein möglicherweise
nicht gleich dem vorbestimmten Δλi.
Wie weiter oben angemerkt, wird die Differenz zwischen dem tatsächlichen Δλi und
dem vorbestimmten Δλi für jeden
Kanal als der Verstimmfehler für
diesen Kanal bezeichnet. Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält der Sender eine oder mehrere
Steuerungen zum Minimieren des Verstimmfehlers für jeden Kanal.
-
Bei einer Ausführungsform (z.B. wie in 2 gezeigt), bei der die
Wellenlänge
der Quelle unabhängig von
der Temperatur des Modulators temperaturabgestimmt werden kann,
hält die
Steuerung den Verstimmfehler für
alle ausgewählten
Werte von i im wesentlichen auf Null. Wenn in diesem Fall die Wellenlänge der
Quelle von einem Kanal zu einem benachbarten geändert wird (d.h., die Wellenlänge der
Quelle ändert
sich um Δλs, wird
die Bandlücke
des Modulators verschoben, indem seine Temperatur um einen von Gleichung
(1) angegebenen Betrag geändert
wird: ΔT = (dT/dλg)
(Δλs + Δλi – Δλi+1) (1)
-
Bei einer weiteren Ausführungsform
(wie in 1 gezeigt),
bei der die Wellenlänge
der Quelle temperaturabgestimmt wird, aber nicht unabhängig von
der Temperatur des Modulators, wird die Wellenlänge λi der Quelle
von der Systemwellenlänge λs um
einen vorbestimmten Betrag, der zu der Änderungsgeschwindigkeit von λi und λs bezüglich der
Temperatur in Beziehung steht, so verstimmt, daß der Bereich von Verstimmfehlern minimiert
wird; d.h. Δλi+1 (Ti) – Δλi (Ti) = Δλs [1–(∂λi/∂T) (∂T/∂λg)]
+ (dλi/dT) (dT/dλg) (Δλi+1 – Δλi) (2)
-
In einem Fall ist das vorbestimmte
Verstimmen für
alle Kanäle
im wesentlichen das gleiche; d.h. Δλ1 ≈ Δλ2 ≈ Δλ3 ... ≈ ΔλN
(3)
-
In diesem Fall werden die Gleichungen
(1) und (2) zu den Gleichungen (4) bzw. (5) vereinfacht: ΔT = Δλs (∂λg/∂T) (4)
Δλi = Δλs [1–(∂λi/∂T) (∂T/∂λg)] (5)
-
Ausführungsform des EA-Modulators
-
In der sich anschließenden Erörterung
wird davon ausgegangen, daß der
Modulator nur zu Veranschaulichungszwecken ein EA-Modulator ist.
Andere Formen des Modulators, insbesondere Halbleitermodulatoren,
können
sich jedoch zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung eignen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 3 wird
schematisch die Absorption (a) eines EA-Modulators als Funktion
der optischen Wellenlänge
eines sich durch den Modulator ausbreitenden Strahls gezeigt. Wenn
das am Modulator anliegende elektrische Feld relativ schwach ist
(Kurve I, als Eon bezeichnet), ist die Absorption
des Strahls bei der Wellenlänge λL relativ
gering (als αon bezeichnet). Wenn umgekehrt das am Modulator
anliegende elektrische Feld relativ stark ist (Kurve II, als Eoff bezeichnet), verschiebt sich die Absorptionskennlinie
zu höheren
Wellenlängen
und die Absorption des Strahls bei der Wellenlänge λL ist
relativ groß (als αoff bezeichnet).
Der Bruch αoff/αon ist als das Extinktionsverhältnis bekannt
und wird in der Regel in dB gemessen. Bei einem Feld von Eon wird die Wellenlängendifferenz Δλ zwischen λL und
der der elektronischen Bandlücke
des Modulators entsprechenden Wellenlänge λg wie
weiter oben angemerkt als das Offset oder Verstimmen bezeichnet. Δλ wird allgemein für einen
geringen Einschaltzustandverlust bei Eon und
ein hohes Extinktionsverhältnis
bei Eoff optimiert.
-
Unter Bezugnahme auf 4 kann man den Effekt der Temperatur
auf die Absorptionskennlinie eines EA-Modulators verstehen. Wenn
die Temperatur eines EA-Modulators erhöht wird, beispielsweise von
T1 auf T2 auf T3, wobei T1 > T2 > T3,
verschiebt sich die Absorptionskennlinie nach rechts zu höheren Wellenlängen. Diese
Verschiebung impliziert wiederum, daß die Bandlücke des Modulators mit steigender
Temperatur abnimmt, da die der Bandlücke entsprechende Wellenlänge λg zunimmt;
d.h. λg3 > λg2 > λg1.
Aus 4 geht hervor, daß sich mit
der Temperatur auch die Absorption bei einer bestimmten Quellenwellenlänge ändert. Bei
einer Quellenwellenlänge λL = λ1 nimmt
somit die Absorption von α11 auf α12 auf α13 zu, wenn die Temperatur von T1 auf
T2 auf T3 ansteigt.
Gleichermaßen
liefert der Modulator bei einer festen Modulatortemperatur, wenn
die Quelle auf kürzere
Wellenlängen
abgestimmt ist, eine niedrigere Ausgangsleistung, höhere Extinktionsverhältnisse
und ein größeres negatives
Chirp.
-
Um diese Änderungen zu kompensieren und
um sicherzustellen, daß diese
Parameter bei den vorbestimmten (z.B. optimalen) Werten für jede Quellenwellenlänge bleiben,
wird die Temperatur des EA-Modulators so geändert, daß der Verstimmfehler auf ein
Minimum reduziert ist. Bei der folgenden Erörterung wird davon ausgegangen,
daß das
vorbestimmte Verstimmen für
alle Kanäle
für alle
Werte von i gleich ist. Die gleichen Konzepte gelten in dem allgemeineren
Fall, wenn anstelle der Gleichungen (4) und (5) die Gleichungen (1)
und (2) verwendet werden. Bei einer Ausführungsform, bei der die Quellenwellenlänge unabhängig von
der Temperatur des Modulators temperaturabgestimmt werden kann,
ist das Verstimmen bei jedem der Kanalwellenlängen im wesentlichen das gleiche;
sie genügen
beispielsweise Gleichung (3) oder, wie in 4 gezeigt, Δλ1 ≈ Δλ2 ≈ Δλ3.
Eine strikte Gleichheit ist nicht erforderlich; die Erfindung kann
beim Abstimmen der Quelle ein gewisses Chirp tolerieren. Bei einigen
Anwendungen ist beispielsweise bei den verschiedenen Offsets eine Schwankung
von ± 1
nm akzeptabel. Diese Ausführungsform
eignet sich insbesondere bei denjenigen Senderdesigns, die einen
WSL als Quelle verwenden.
-
Wenn diese Bedingung erfüllt ist, überlappt
sich die Schar der Extinktionsverhältnis-Modulatorspannung-Kurven im wesentlichen,
wie in 5 gezeigt (Versuchsergebnisse
für einen
diskreten EA-Modulator). Diese graphische Darstellung zeigt das
Extinktionsverhältnis
in Abhängigkeit
von der an den Modulator angelegten Spannung als Funktion der Quellenwellenlänge und
der Modulatortemperatur; d.h. 1550 nm, 1555 nm und 1560 nm bei 15°C, 25°C bzw. 35°C. Es ist
offensichtlich, daß die
drei Kurven im wesentlichen identisch sind. Das Justieren der Bandlücke des
Modulators (über
seine Temperatur), wenn die Quellenwellenlänge geändert wird, gestattet das Beibehalten
des gewünschten
Verstimmens wie oben definiert. Falls hingegen der Modulator bei
einer konstanten Temperatur gehalten wird, überlappen sich die Kurven nicht,
wie in 6 gezeigt. Bei
einer konstanten Modulatortemperatur von 25°C ändert sich hierbei das Extinktionsverhältnis mit
der Quellenwellenlänge.
Bei vielen Anwendungen ist beispielsweise die Änderung von etwa 5 dB bei –2 V unerwünscht.
-
Bei vielen praktischen Anwendungen
der vorliegenden Erfindung jedoch ist der EA-Modulator entweder
als die Quelle monolithisch auf dem gleichen Chip integriert (z.B.
ein WSL), oder er ist als Hybrid mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit
zwischen der Quelle und dem Modulator auf einer gemeinsamen Montagebasis
integriert, wie in 1 gezeigt
(jedoch ohne die Heizvorrichtungen 32 und 42).
In beiden Fällen
weisen der Modulator und die Quelle im wesentlichen die gleiche
Temperatur auf, und sie sind nicht unabhängig voneinander temperaturabgestimmt.
Folglich verschiebt sich die Quellenwellenlänge, die in der Regel entsprechend
Systemspezifikationen fest gesteuert wird, wenn sich die Temperatur
des Modulators ändert.
Beispielsweise ändert
sich die Wellenlänge
eines typischen InP/InGaAsP-Lasers, der bei einer nominellen Mittenwellenlänge von
1550 nm arbeitet, mit der Rate von 0,1 nm/°C, wohingegen die entsprechende
Rate für
einen aus ähnlichen
Materialien hergestellten EA-Modulator
größer (z.B.
0,5 nm/°C),
kleiner oder gleich der des Lasers sein kann.
-
Um einen breitbandigen EA-modulierten
Sender aufzubauen, ohne Modulatorleistung einzubüßen, sollte also der Quellenkanalabstand Δλi zwischen
zwei beliebigen benachbarten Kanälen
bei einer festen Temperatur von dem Systemkanalabstand Δλs zwischen
den entsprechenden beiden benachbarten Kanälen abweichen. Bei diesen Ausführungsformen,
bei denen die Quelle beispielsweise ein WSL-Laser ist, wird der
Laserkanalabstand so justiert, daß die Kombination aus der Höhe des zum
Auswählen
einer bestimmten Laserwellenlänge
verwendeten Stroms und der Temperaturänderung zusammen den gewünschten
Systemkanalabstand ergeben. Die Beziehung zwischen dem Laserkanalabstand
und dem Systemkanalabstand sollte bevorzugt Gleichung (5) genügen. Dieser
Kanalabstand stellt sicher, daß bei Änderung
der Temperatur, um das EA-Verstimmen konstant zu halten, die Laserwellenlängen vorbestimmten
Systemwellenlängen
entsprechen; d.h., die Laserwellenlängen richten sich nach dem
Systemgitter (z.B. ITU) aus.
-
Bei dem Fall, bei dem die Quelle
ein abstimmbarer Laser ist und die Temperatur keines der individuellen
Kanäle
abgestimmt wird, erfolgt die Umsetzung wie oben angegeben, und das
relative EA-Verstimmen ist für
alle Kanäle
fast Null. Die unten stehende Tabelle I zeigt dieses Konzept für einen
Sender, dessen Quelle einen abstimmbaren Laser umfaßt, der
N = 7 Kanäle
abdeckt, die mit 0,8 nm beabstandet sind (etwa 100 GHz), wobei EA-Modulator
und Lasertemperaturkoeffizienten von 0,5 nm/°C bzw. 0,1 nm/°C angenommen
werden. Der Kanalabstand des justierten Lasers beträgt 0,64
nm und die Temperaturdifferenz beträgt 1,6°C pro Kanal.
-
-
Wenn die Quelle hingegen ein Array
von Lasern (z.B. DFB-Laser) umfaßt, bei dem jeder Laser durch Temperaturabstimmung
n < N Kanäle (einzeln)
bedienen kann, ähnelt
der Ansatz dem oben beschriebenen, doch kann das EA-Verstimmen nicht
für alle
Kanäle
konstant gehalten werden, da jeder Laser temperaturabgestimmt werden
muß (z.B. über die
Steuerung 36 von 1).
Der Verstimmbereich ist jedoch erheblich kleiner als der ohne Verwendung
der vorliegenden Erfindung.
-
Das Konzept besteht darin, bei der
gleichen Temperatur die beste Wellenlänge für jeden Laser zu finden, so
daß die
Gleichung (3), wobei nΔλs für Δλssubstituiert
wird, erfüllt
ist. Die unten stehende Tabelle II und 7 veranschaulichen
das Konzept für
einen Sender, dessen Quelle ein Array aus drei DFB-Lasern umfaßt. Jeder Laser
deckt n = 3 Kanäle
bei insgesamt N = 9 Kanälen
pro Sender ab. Die Kanäle
sind um etwa 0,4 nm (etwa 50 GHz) beabstandet. Tabelle II (sowie
Tabelle III unten) sollten wie folgt ausgelegt werden. Damit der Sender
ein Ausgangssignal liefern kann, das dem Träger beispielsweise für Systemkanal
Nr. 4 entspricht, würde
der Laser Nr. 2 bestromt (eingeschaltet) werden und seine Arbeitstemperatur
würde auf
21°C gesetzt
werden. Damit er andererseits ein Ausgangssignal liefert, das dem
Träger
für Kanal
Nr. 5 entspricht, würde
Laser Nr. 2 wieder bestromt werden, doch würde seine Temperatur auf 25°C gesetzt
werden. Jeder Laser in dem Array aus drei Lasern kann somit durch Ändern seiner
Arbeitstemperatur jeweils auf einen von drei verschiedenen Systemkanälen eingestellt
werden. Man beachte, daß jeweils
nur ein Laser im Array bestromt (eingeschaltet) ist.
-
Wenn diese Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, beträgt
der gewünschte Wellenlängenabstand
zwischen Lasern etwa 0,96 nm, und der Temperaturschritt zwischen
Lasern beträgt 2,4°C, was durch
die oben identifizierte Substitution erhalten wird. Bei den dazwischenliegenden
Kanälen
wird der Temperaturschritt im Laser durch die normale Lasertemperaturabstimmung
von 0,1 nm/°C
oder 4°C
pro Kanal gesteuert. Das Ergebnis davon ist, daß diese Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen maximalen Verstimmbereich von ± 1,6 (3,2)
nm aufweist. Die gleiche Methodik kann auf eine Quelle angewendet werden,
die einen abstimmbaren Laser umfaßt, bei dem der Systemkanalabstand
kleiner ist als der Lasermodenabstand und bei dem zum Zugriff auf
den/die dazwischenliegenden Kanäle
eine Temperaturabstimmung verwendet wird.
-
-
Ohne den Einsatz der vorliegenden
Erfindung würde
hingegen jeder Laser temperaturabgestimmt werden, um wie oben n
= 3 Kanäle
abzudecken, würde
aber, wie in Tabelle III gezeigt, zwischen den Lasern einen Abstand
von 1,2 nm und einen maximalen Verstimmbereich von ± 2,8 (5,6)
nm aufweisen, im Vergleich zu einem Abstand von nur 0,96 nm und
einem maximalen Verstimmbereich von nur 3,2 nm bei der vorliegenden
Erfindung. Wenn die Anzahl der Kanäle im WDM-System ansteigt,
ist außerdem
der durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung bei diesen Parametern
realisierte Vorteil noch größer. Genauer
gesagt nimmt bei dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung der Verstimmbereich mit n zu, aber nicht
mit N; somit wird eine Quelle, die ein Array aus 3 Lasern umfaßt, den
gleichen Verstimmbereich wie eine Quelle aufweisen, die beispielsweise
ein Array aus 8 Lasern umfaßt.
Ohne den Einsatz der vorliegenden Erfindung nimmt jedoch der Verstimmbereich
mit entweder n oder N oder beiden zu.
-
-
Es versteht sich, daß die oben
beschriebenen Anordnungen für
die vielen möglichen
spezifischen Ausführungsformen,
die man sich ausdenken kann, um die Anwendung der Grundlagen der
Erfindung darzustellen, lediglich beispielhaft sind. Gemäß diesen
Grundlagen kann sich der Fachmann zahlreiche und verschiedene weitere
Anordnungen ausdenken, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie
er durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist, abzuweichen. Der Sender kann insbesondere auch eine Leistungsüberwachungseinrichtung
(z.B. eine Rückseitenüberwachungsphotodiode)
enthalten, die an die Ansteuerschaltung der Quelle angekoppelt ist,
um die Leistung des Ausgangsstrahls zu steuern (um z.B. die Ausgangsleistung
konstant zu halten). Der Sender kann aber auch noch andere Elemente
enthalten, die zwischen der Quelle und dem Modulator angeordnet
sind; beispielsweise einen optischen Isolator oder einen optischen
Koppler. Letzterer kann in Verbindung mit einem Photodetektor dazu
verwendet werden, die Ausgangsleistung und Wellenlänge der Quelle
zu überwachen.
