DE60025676T2

DE60025676T2 - Wellenlängenstabilisierter abstimmbarer optischer Sender mit hohem Seitenmodenunterdrückungsverhältnis

Info

Publication number: DE60025676T2
Application number: DE60025676T
Authority: DE
Inventors: David Alan Hopewell Ackerman
Original assignee: Agere Systems Optoelectronics Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: JP3502017B2; US6064681A; CA2310443C; JP2001036190A; EP1059745B1; CA2310443A1; EP1059745A3; DE60025676D1; EP1059745A2

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein abstimmbare optische Sender und insbesondere solche Sender, die abstimmbare VBR-Halbleiterlaser und Anordnungen zum Stabilisieren solcher Laser und zum Aufrechterhalten ihres Seitenmodenunterdrückungsverhältnisses (SMUV) auf einem relativ hohen Niveau enthalten.
Allgemeiner Stand der Technik
Optische Netze mit Wellenlängenmultiplex (WLM) erhöhen die Informationstransportkapazität eines Kommunikationssystems (beispielsweise eines Übertragungssystems) durch Laden mehrerer Kanäle, jeweils mit einer anderen Trägerfrequenz oder Wellenlänge, in eine einzelne optische Faser. In den vergangenen Jahren hat sich die Kanaldichte kommerzieller WLM-Systeme enorm erhöht. Derzeit sind beispielsweise Systeme auf dem freien Markt erhältlich, die mit Trägerwellenlängen von etwa 1,55 μm arbeiten und die 80 einzelne Kanäle im Abstand von 50 GHz transportieren. Es befinden sich sogar Systeme mit noch größerer Kapazität in Planung. Diese Systeme werden oft als dichte WLM- oder DWLM-Systeme bezeichnet. Bei solchen Systemen ist es vorteilhaft, optische Quellen (oder Sender) zu verwenden, die mit einer beliebigen aus einer Teilmenge von gewünschten Kanalwellenlängen arbeiten können.
Wenn diese Systeme jedoch über lange Zeit hinweg betrieben werden, neigen die VBR-Halbleiterlaser infolge von Alterung und Materialdefekten zu einer Leistungsverschlechterung. Infolge dessen verschiebt sich die Wellenlänge des Lasers von der gewünschten Kanalwellenlänge. Wenn die Verschiebung genügend groß ist, kann es in dem Laser zu einem Modensprung kommen, d.h. sein Ausgang kann abrupt zu einem anderen Längsmodus überwechseln. Bei einem WLM-System würde ein Kanal, bei dem es zu einem Modensprung kommt, abrupt in einem Modus (d.h. bei einer Trägerwellenlänge) zu arbeiten beginnen, die von dem ursprünglich zugewiesenen Modus abweicht (beispielsweise bei einer Kanalwellenlänge, die sich von derjenigen unterscheidet, die von einem ITU-Grid vorgegeben wurde).
Mit der Notwendigkeit, die Laser so zu steuern (d.h. zu stabilisieren), dass jeder Kanal bei einer vorgegebenen Trägerwellenlänge (Längsmodus) ohne Modenspringen arbeitet, geht die Notwendigkeit einher, die Intensität anderer Längsmoden relativ gering zu halten, d.h. das Seitenmodenunterdrückungsverhältnis muss so groß wie möglich gehalten werden.
Eine zum Stand der Technik gehörende Herangehensweise an das Erreichen einer Wellenlängenstabilisierung und das Aufrechterhalten eines hohen SMUV ist von S. L. Woodward und Mitarbeitern, IEEE Photonics Lett., Band 4, Nr. 5, Seiten 417–419 (Mai 1992), beschrieben worden (im Weiteren als Woodward bezeichnet). Bei der Woodward-Anordnung enthält ein VBR-Laser eine Bragg-Abstimmsektion, die monolithisch in eine Verstärkungssektion und eine Photodetektorsektion integriert ist und zwischen dieser Verstärkungssektion und Photodetektorsektion angeordnet ist. Ein Regelkreis gewährleistet vorgeblich den Einmodenbetrieb des Lasers mit hohem SMUV. Genauer gesagt, wird dem an die Bragg-Sektion angelegten Abstimmstrom eine Sinuswelle (Dither) von 100 kHz hinzugefügt. Von dem Licht, das durch die Bragg-Sektion zu dem integrierten Photodetektor durchgelassen wird, wird ein Fehlersignal abgeleitet. Dieses Fehlersignal wird in einem Lock-in-Verstärker erkannt und zur Abstimmsektion zurückgespeist. Wie in 2 ihres Aufsatzes gezeigt, zwingt der Regelkreis, der einen Lock-in-Verstärker beinhaltet, die Woodward-Vorrichtung, bei einem Abstimmstrom zu arbeiten, wo die erste Ableitung des Detektorstroms (d.h. die Laserausgangsleistung) bezüglich des Abstimmstroms gleich Null ist (d.h. dP_out/dI_tune = 0), ungeachtet des Umstandes, dass Woodward anerkennt, dass der "Strom, bei dem das SMUV am Maximum ist, nicht immer exakt mit dem Strom übereinstimmt, bei dem der gemessene Photostrom an seinem Minimum ist, was auf einen zusätzlichen Verlust zurückzuführen ist, der durch den Abstimmstrom verursacht wird" (Seite 417, Spalte 2).
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 529 732 (1993) von NV Philips beschreibt eine Vorrichtung mit einem kohärenten System zum Abstimmen eines Lasers auf eine gewünschte Frequenz, die eine Steuereinheit enthält, in der voreingestellte Werte von Frequenzsteuersignalen gespeichert sind. Um unerwünschte Frequenzsprünge des Lasers, zu denen es infolge von Modenspringen kommt, zu vermeiden, erzeugt die Steuereinheit eine vorgegebene disproportionale Beziehung zwischen den Frequenzsteuersignalen. Bei einer Ausführungsform werden die voreingestellten Werte auf der Grundlage eines Frequenzunterschieds zwischen der Laser- und einer Referenzfrequenz korrigiert, die durch ein Frequenzvergleichselement gemessen wird.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt einen optischen Sender gemäß Anspruch 1 der begleitenden Ansprüche bereit.
Bei praktischen WLM-Systemen habe ich festgestellt, dass das maximale SMUV für jeden Kanal nicht unbedingt dann auftritt, wenn dP_out/dI_tune = 0. Bei einem repräsentativen Fall kann das SMUV bei dP_out/dI_tune = 0 um 3–5 dB unter dem Maximum liegen; d.h. bei den meisten Kanälen tritt das maximale SMUV bei Werten des Abstimmstromes auf, wo diese Ableitung nicht Null ist. Unter Ausnutzung dieser Entdeckung enthält gemäß einem Aspekt der Erfindung ein wellenlängenstabilisierter optischer Sender einen VBR-Halbleiterlaser und einen Regelkreis zum Steuern der Schwerpunktwellenlänge des Lasers, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender überdies einen Speicher enthält, in dem die Nicht-Null-Werte von dP_out/dI_tune gespeichert werden, wobei das SMUV für jede einer Vielzahl von verschiedenen Kanalwellenlängen ein Maximum ist, und des Weiteren eine Steuerung enthält, die auf die gespeicherten Werte in der Weise reagiert, dass dem Laser ein Abstimmstrompegel zugeführt wird, der das SMUV für eine bestimmte Kanalwellenlänge maximiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung lässt sich zusammen mit ihren verschiedenen Merkmalen und Vorteilen ohne Weiteres aus der folgenden eingehenderen Beschreibung in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung verstehen.
1 ist eine schematische Blockschaubildansicht eines optischen Senders gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein analoges Regime zur Erzeugung von dP_out/dI_tune verwendet wird.
2 ist eine schematische Blockschaubildansicht eines optischen Senders gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei ein digitales Regime zur Erzeugung von dP_out/dI_tune verwendet wird.
3 zeigt Kurven der Wellenlänge des Ausgangs eines VBR-Lasers und seines SMUV als eine Funktion des Abstimmstroms, gemessen bei einem Verstärkungsstrom von 100 mA und einer Temperatur von 20°C.
4 zeigt Kurven des gleichphasigen Lock-in-Signals und des SMUV als eine Funktion des Abstimmstroms.
5 zeigt Kurven der Frontfacettenausgangsleistung (durchgezogene Linien) und des SMUV (durchbrochene Linien), um zu demonstrieren, dass das maximale SMUV für jeden Kanal nicht unbedingt bei Abstimmströmen auftritt, wo dP_out/dI_tune gleich Null ist.
6 zeigt Kurven der Wellenlänge des Ausgangs eines VBR-Lasers und der Ausgangsleistung des Lasers, die in eine optische Faser eingekoppelt wird, als eine Funktion des Verstärkungsstroms, der unter Regelkreis-Wellenlängen- und -Modensprung-Steuerung an den Laser angelegt wird.
Aus Gründen der Klarheit und Einfachheit wurden die 1 und 2 nicht maßstabsgerecht gezeichnet. Des Weiteren steht, wenn physische oder optische Abmessungen beschrieben werden, das Symbol A für Angstrom, während es für Ampere steht, wenn elektrischer Strom beschrieben wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Wenden wir uns nun 1 zu, wo ein optischer Sender 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung einen abstimmbaren, verteilten Bragg-Reflektorlaser (VBR-Laser) 12 enthält, der dafür konstruiert ist, einen Lichtausgang bei einer beliebigen einer Vielzahl von Schwerpunktwellenlängen zu erzeugen, beispielsweise die Träger- oder Kanalwellenlängen eines WLM-Kommunikationssystems. Der Laserausgang ist an ein Übertragungsmedium gekoppelt, das veranschaulichend als eine optische Faser 14 dargestellt ist. Bei einem WLM-System würden die Ausgänge mehrerer VBR-Laser kombiniert werden, beispielsweise in einem (nicht gezeigten) geeigneten passiven Koppler, um gleichzeitig über die Faser übertragen zu werden. Diese transportiert den Laserausgang zu einer Nutzungsvorrichtung 15, bei der es sich um einen Teil einer Endgeräte-Ausrüstung, einen optischen Empfänger, einen optischen Verstärker, einen optischen Isolator, einen optischen Koppler, einen optischen Multiplexer usw. handeln kann.
Der VBR-Laser, der dem Fachmann allgemein bekannt ist, weist in der Regel wenigstens zwei monolithische, optisch gekoppelte Sektionen auf, die in Tandem-Konfiguration angeordnet sind: eine Verstärkungssektion und eine VBR-Sektion. Optional kann der Laser außerdem eine oder mehrere der folgenden Vorrichtungen enthalten, die monolithisch darin integriert sind: eine optische Verstärkersektion, eine Modulatorsektion, eine Photodetektorsektion, weitere Gittersektionen oder Frequenzabstimmsektionen. Alternativ kann der Photodetektor eine diskrete Vorrichtung sein, die sich außerhalb des Lasers befindet. (Wie weiter unten noch besprochen wird, verwendet jede der Ausführungsformen der 1 und 2 einen externen diskreten Photodetektor 16.1, der einen Teil des Frequenzdiskriminators 16 bildet.) In beiden Fällen dient der Photodetektor als eine Überwachungseinrichtung für die Ausgangsleistung des Lasers. Die Ausgangsleistung wird wiederum durch den Verstärkungsstrom I_gain bestimmt, der an die Verstärkungssektion angelegt wird. Die Ausgangsemission kann aus der Verstärkungssektion austreten, wobei man in diesem Fall gewöhnlich von einer Frontfacettenemission spricht, oder sie kann aus der VBR-Sektion (oder der integrierten Photodetektorsektion, sofern verwendet) austreten, wobei man in diesem Fall gewöhnlich von der Rückfacettenemission spricht. Andererseits wird ein Abstimmstrom I_tune an die VBR-Sektion angelegt, um die Schwerpunktwellenlänge des Laserausgangs abzustimmen. Bei einem WLM-System wäre der Laser in der Lage, eine beliebige einer Vielzahl von Schwerpunktwellenlängen zu erzeugen, die einer Untergruppe der Kanalwellenlängen entsprechen. Die Ausgänge von verschiedenen Lasern, die verschiedene Untergruppen von Wellenlängen erzeugen, würden dann kombiniert werden, um das Spektrum abzudecken, über das sich die Kanäle des Systems erstrecken.
Ohne mehr jedoch würde die Ausgangswellenlänge des Lasers 12 nicht über lange Zeit hinweg stabil sein. Das heißt, die Wellenlänge neigt aufgrund von Alterung und Materialdefekten im Laser zur Verschiebung. Wie bereits besprochen, kann es, wenn die Wellenlängenverschiebung genügend groß ist, bei dem Laser zu Modenspringen kommen; d.h. er kann abrupt vom Betrieb in einem Längsmodus (einer Schwerpunktwellenlänge), welcher der gewünschten oder zugewiesenen Kanalwellenlänge entspricht, zu einem anderen Längsmodus überwechseln. Folglich ist der Sender 10 mit mehreren Regelkreisen ausgestattet, um seine Ausgangswellenlänge zu stabilisieren und Modenspringen zu unterdrücken. Optional kann er auch einen dritten Regelkreis enthalten, um seine Ausgangsleistung konstant zu halten.
Genauer gesagt, enthält der Sender 10 einen Wellenlängenstabilisierungsregelkreis, der durch einen optischen Koppler oder eine optische Abgreifvorrichtung 22, einen Frequenzdiskriminator 16, einem Mikroprozessor (μP) 18 und einen Laser 12 gebildet wird. Ein allgemein bekannter thermoelektischer Kühler (TEK) 12.1 und ein Temperatursensor 12.2 sind thermisch mit dem Laser verbunden. Die Abgreifvorrichtung 22 koppelt einen kleinen Anteil (beispielsweise 5%) des Lichtausgangs in den Diskriminator 16. Der Diskriminator, obgleich allgemein bekannt, enthält einen (nicht gezeigten) Kollimator, um das optische Signal von der Abgreifvorrichtung 22 zu einem (ebenfalls nicht gezeigten) Strahlteiler zu lenken. Der Strahlteiler teilt den Strahl in zwei Anteile, von denen einer von einem Referenz-Photodetektor 16.1 empfangen wird und der andere durch einen (nicht gezeigten) Fabry-Perot-Etalon (FP-Etalon) zu einem FP-Photodetektor 16.2 weitergeleitet wird. Die Gleichstrom-Photoströme I_FP und I_ref von diesen Photodetektoren werden in Transimpedanzverstärker 24 eingekoppelt, um entsprechende Spannungssignale V_FP und V_ref zu erzeugen, die als Eingänge zum μP 18 geleitet werden. Der Diskriminator 16 enthält außerdem einen Temperatursensor 16.3, der einen weiteren Eingang zum μP 18 liefert, so wie auch der Temperatursensor 12.2 des Lasers 12. Der μP liefert seinerseits ein Fehlersignal Terror an den TEK 12.1, um steuerbar die Temperatur des Lasers und insbesondere die Temperatur der VBR-Sektion des Lasers zu ändern.
Während des Betriebes misst der Wellenlängenstabilisierungsregelkreis das Verhältnis (als die Diskriminante bezeichnet) der Gleichstrom-Photoströme. Das Fehlersignal Terror wird durch Abweichung dieser Diskriminante von dem Wert erzeugt, der für eine vorgegebene Betriebs-Schwerpunktwellenlänge für den Laser (beispielsweise ein ITU-Grid-Punkt) in dem μP gespeichert ist. Das Fehlersignal steuert den TEK 12.1 an, die Temperatur des Lasers in einer Regelkreis-Rückkopplung zu ändern, um die Abweichung auf Null zu setzen.
Andererseits enthält der Modensprungunterdrückungsregelkreis einen phasenempfindlichen Detektor (PED) 20 (beispielsweise einen Lock-in-Verstärker), eine Gleichstromquelle 26 für Abstimmstrom, eine Wechselstromquelle 28 für ein Dithersignal und einen μP 18. Der PED 18 erhält Eingänge vom V_ref-Ausgang des Diskriminators 16 und von einer Ditherquelle 28 und leitet sein Ausgangssignal (beispielsweise das gleichphasige Signal des Lock-in-Verstärkers) über die Verbindung 21 zum μP 18. Das Dithersignal von der Quelle 28 wird dem Gleichstrom-Abstimmsignal von der Quelle 26 hinzugefügt und wird an die VBR-Sektion des Lasers angelegt. Die Größenordnung des Gleichstrom-Abstimmstroms wird durch den μP 18 gesteuert.
Der Gleichstrom-Abstimmstrom reicht zur Veranschaulichung von 0,1 bis 40 mA, während der Ditherstrom eine relativ kleine Amplitude von nur etwa 10 μA von Spitze zu Spitze haben kann.
Während des Betriebes bildet die Kombination des PED 20 und der Ditherquelle 28 einen analogen Ansatz zur Erzeugung der ersten Ableitung der Ausgangsleistung des Lasers bezüglich des Abstimmstroms; d.h. dP_out/dI_tune. (Wie weiter unten noch mit Bezug auf 2 besprochen, kann auch ein digitaler Ansatz zur Erzeugung dieser Ableitung verwendet werden.) Wenn der PED ein Lock-in-Verstärker ist, so ist das gleichphasige Lock-in-Signal, das durch den Verstärker erzeugt wird, proportional zu dieser ersten Ableitung. Das gleichphasige Signal wird als positiv angenommen, wenn die Ableitung positiv ist, und andernfalls wird es als negativ oder Null angenommen. (Es wurde beobachtet, dass das Quadratursignal vom Lock-in-Verstärker für alle verwendeten Abstimmstromwerte ohne Bedeutung ist.) Diese erste Ableitung dient dazu, den Betrieb des Lasers so zu steuern, dass er mit maximalem SMUV arbeitet, unabhängig davon, für welchen Kanal er das Trägersignal bereitzustellen hat. Mit "maximal" meinen wir nicht nur das örtliche Maximum für jeden Kanal, sondern auch Werte für das SMUV, die innerhalb von etwa 1 dB dieses Maximums liegen. Dieser Bereich akzeptabler SMUVs meint natürlich, dass es einen entsprechenden Bereich von akzeptablen Werten für dP_out/dI_tune und/oder den Abstimmstrom gibt.
So zeigt die treppenartige Kurve von 3 die Abstimmung eines VBR-Lasers, wobei jeder ungefähr horizontale Schritt verschiedene Werte des gleichphasigen Lock-in-Signals (d.h. Werte proportional zu dP_out/dI_tune) enthält, die dem lokalen maximalen SMUV entsprechen. In der Regel werden diese Werte im Speicher des μP 18 gespeichert, bevor der Sender im Feld eingesetzt wird, beispielsweise während er noch im Werk ist. 4 veranschaulicht die Situation. Die vier vertikalen Pfeile 40–43 bezeichnen die Werte des gleichphasigen Lock-in-Signals, die eine lokales maximales SMUV für jeden von vier benachbarten Kanälen darstellen. In diesem Fall würden die Werte –0,9, –1,0, –0,8 und –0,4 für Kanäle gespeichert werden, die jeweils den Pfeilen 40–43 entsprechen. Die entsprechenden Werte des Abstimmstroms können ebenfalls im Speicher gespeichert werden. Nachdem oben der Begriff "Maximum" definiert wurde, könnte ein Bereich dieser Werte so gespeichert werden, dass jedes der lokalen Maxima ±1 dB erfasst wird.
Es ist wichtig anzumerken, dass die Werte des Abstimmstroms, die lokalen Maxima im SMUV entsprechen, nicht unbedingt jenen entsprechen, wo dP_out/dI_tune = 0, wie in 5 veranschaulicht. Hier zeigen die Kurven sowohl die Frontfacettenausgangsleistung des VBR-Lasers als auch das SMUV als eine Funktion des Abstimmstromes. Die Spitzen der Leistungskurve, wo dP_out/dI_tune = 0, stimmen eindeutig nicht mit den Spitzen der SMUV-Kurve – den lokalen Maxima im SMUV – überein. Die Abstimmströme, wo dP_out/dI_tune = 0, erscheinen sogar zur stromschwächeren Seite jeder SMUV-Spitze hin geneigt und befinden sich allgemein bei Werten, wo das SMUV 3–5 dB unter den lokalen Maxima liegt.
Die Verwendung eines amplitudenkonstanten Ditherstroms erbringt ein verringertes Lock-in-Signal für höhere Werte des Abstimmstroms. In der Praxis wird genügend Lock-in-Signal erkannt, um den Abstimmstrom auf einen bestimmten Wert zu stabilisieren, der einem SMUV innerhalb von etwa 1 dB des lokalen Maximums für jeden Abstimmschritt (d.h. jeden Kanal) entspricht. Wenn mehr Signal erforderlich wäre, so könnte die Amplitude des Ditherstroms proportional zum Abstimmstrom skaliert werden, um eine konstante optische Modulationstiefe für jeden Kanal an jedem Punkt des maximalen SMUV zu erbringen. Alternativ könnte ein spannungs- und amplitudenkonstantes Dithersignal verwendet werden.
Der optionale Leistungsregelkreis, der in 1 gezeigt ist, enthält die μP 18, die Verbindung 19 zur Verstärkungsstromquelle 30 und den Laser 12.
Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Anordnungen lediglich veranschaulichend für die vielen möglichen konkreten Ausführungsformen sind, die ersonnen werden können, um die Anwendung der Prinzipien der Erfindung darzustellen. Der Fachmann kann zahlreiche und verschiedenartige andere Anordnungen gemäß diesen Prinzipien ersinnen, ohne vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann die erste Ableitung dP_out/dI_tune digital anstatt in der oben beschriebenen analogen Weise erzeugt werden. 2 veranschaulicht diese Ausführungsform der Erfindung. Der μP 18 erzeugt einen Rechteckwellenstrom I_SW und steuert seine Amplitude und Dauer. I_SW wird dem Gleichstrom I_DC so hinzugefügt, dass der Gesamtabstimmstrom, der an die VBR-Sektion angelegt wird, zwischen zwei Werten, I_DC1 und I_DC2, umschaltet, beispielsweise zwischen I_DC und I_DC + I_SW für den Fall, wo einer der Werte der Rechteckwelle Null ist. In der Regel ist I_SW relativ klein, beispielsweise 10^–3 bis 10^–4 des I_DC. Die Schwankungen in der Laserausgangleistung, die durch die kleinen inkrementellen Änderungen des Abstimmstroms verursacht werden, werden durch den Referenzdetektor 16.1 im Diskriminator 16 erkannt. Letztendlich erscheinen diese Änderungen des Stroms als Schwankungen in V_ref am Eingang zum μP 18. Eine numerische Ableitung wird durch den μP 18 berechnet und wird zur Stabilisierung des Lasers in der gleichen Weise verwendet wie die Ableitung, die in analoger Weise mittels des Phasenregelkreises von 1 erhalten wird.
Beispiel
Dieses Beispiel beschreibt einen optischen Sender des Typs, der in 1 gezeigt ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Es sind – lediglich zur Veranschaulichung – verschiedene Materialien, Abmessungen und Betriebsbedingungen genannt, die – sofern nicht ausdrücklich anders angegeben – nicht den Geltungsbereich der Erfindung einschränken sollen.
Der VBR-Laser enthielt eine monolithisch integrierte Vorrichtung mit drei Sektionen, einschließlich einer VBR-Sektion, die zwischen einer Verstärkungssektion und einer Photodetektorensektion angeordnet war. Die Photodetektorensektion wurde jedoch nicht verwendet. Statt dessen wurde ein diskreter Photodetektor innerhalb des Diskriminators als Leistungsüberwachungseinrichtung verwendet. Bei einer Bauweise war die Verstärkungssektion 410 μm lang; bei einer anderen war sie 820 μm lang. In beiden Fällen enthielt die Verstärkungssektion eine aktive MQW-Region, die einen Stapel aus sechs druckgespannten (quaternären) InGaAsP-Quantenmuldenschichten enthielt, die auf Wellenleiterschichten mit einem Bandabstand von 1,3 μm aufgewachsen waren. Die VBR-Sektion war 300 μm lang und enthielt eine 2000 A dicke quaternäre Schicht mit einem Bandabstand von 1,42 μm, die während eines separaten Aufwachs-Schrittes auf die Wellenleiterschichten aufgewachsen wurde, nachdem die MQW-Schichten der aktiven Region durch selektives chemisches Ätzen entfernt worden waren.
Der Laser wurde auf einem Träger (beispielsweise einem Silicium- oder Keramiksubstrat) montiert, und der TEK 12.1 und der Sensor 12.2 wurden in einer dem Fachmann allgemein bekannten Weise unter dem Träger montiert. Eine Faser 14 wurde über eine allgemein bekannte Linsenanordnung an die Frontfacette des Lasers gekoppelt. Der Koppler 22 war eine handelsübliche 5%-Abgreifvorrichtung, die einen Anteil der Laserausgangsleistung einem Kollimator zuführte, der in die Gehäusewand des Diskriminators 16 eingebaut war. Der von dem Kollimator ausgehende Lichtstrahl hatte einen Durchmesser von etwa 0,5 mm und eine Divergenz von etwa 0,25°. Er wurde durch eine InP-Schicht, die auf ihrer Ausgangsfläche AR-beschichtet war und relativ zur Eingangsstrahlachse in einem Winkel von etwa 10° geneigt war, in zwei Strahlen geteilt. Der Anteil des Strahls, der vom InP-Strahlteiler reflektiert wurde, traf auf den Photodetektor 16.1 auf, der als eine Leistungsüberwachungseinrichtung diente. Der Anteil des Strahls, der durch den Strahlteiler durchgelassen wurde, traf auf ein FP-Etalon auf, das in einem Winkel von etwa 5° relativ zur Strahlachse geneigt war. Licht, das vom die FP-Etalon ausging, wurde durch den Photodetektor 16.2 gesammelt. Dem Photostrom, der durch den Photodetektor 16.2 erzeugt wurde, waren die Durchlässigkeitseigenschaften des Etalon aufgeprägt. Das leistungsabhängige Verhältnis der Photoströme dieser zwei Detektoren diente als das Diskriminanzsignal, das dem μP 18 als V_FP durch den Transimpedanzverstärker 24 zugeführt wurde.
Das Diskriminanzsignal war laut Messung stark polarisationsunabhängig. Eine Abtastung von etwa 500 Polarisationszuständen, die gleichmäßig über die Poincarésche Kugel verteilt waren, ergab eine Variation des Diskriminanzsignals, die einer Spitze-zu-Spitze-Gesamtvariation der Wellenlänge von etwa 3 pm (Pikometer) an der steilsten Schräge der Diskriminator-zu-Wellenlänge-Funktion entsprach.
Der freie Spektralbereich (FSB) des FP-Etalon war so konfiguriert, dass er an die Abstimmschrittgröße des Lasers angepasst war. Die Daten von 3 zeigten eine Abstimmschrittgröße und einen FSB von jeweils 100 GHz.
Wie weiter unten noch besprochen wird, kann eine Kombination von 100-GHz-Komponenten für ein DWLM-System mit einem Kanalabstand von 50 GHz verwendet werden.
Der PED 20 war ein handelsüblicher Lock-in-Verstärker, und der μP 18 was ein handelsüblicher Mikroprozessor. Die Ditherquelle 28 prägte dem Abstimm-Gleichstrom von der Quelle 26 einen amplitudenkonstanten Strom mit 10 kHz (etwa 10 μA Spitze-zu-Spitze) auf. Der Abstimm-Gleichstrom hatte einen Bereich von etwa 0,1 bis 90 mA.
3 zeigt die Eigenschaften des VBR-Lasers als eine Funktion des Abstimmstroms, der an die VBR-Sektion angelegt wird. Mit zunehmendem Abstimmstrom wurde eine schrittweise Abstimmung zu kürzeren Wellenlängen beobachtet. Es wurden Wellenlängenintervalle von Schrittmitte zu Schrittmitte von 0,8 nm (100 GHz) – gemäß Vorgabe durch die optische Länge der Verstärkungssektion (in diesem Fall 410 μm) – beobachtet. Es wurde beobachtet, dass das SMUV seine Spitze in der Mitte (Durchschnittsstrom) jedes Abstimmschrittes hatte. Die fasergekoppelte Ausgangsleistung von der Verstärkungssektion, in 5 gezeigt, wies charakteristische gerundete Spitzen auf, die bei jedem Abstimmschritt ungefähr in der Mitte lagen. Bei näherer Inspektion zeigte sich, dass die Leistungsspitzen bei Abstimmströmen auftraten, die geringfügig niedriger waren als jene, die den Mitten jedes Abstimmschritts oder den Spitzen in der SMUV-Kurve entsprachen. Wir untersuchten VBR-Laser sowohl mit 100-GHz-Abstimmschritten (3) als auch mit 50-GHz-Abstimmschritten (nicht gezeigt).
Es wurde festgestellt, dass bei offenen Regelkreisen und unveränderlichen Abstimm- und Verstärkungsströmen eine Änderung der Temperatur des VBR-Lasers dazu führt, dass der Laserausgang Modensprünge vollführte. Bei einem typischen Kanal wurden zwei Modensprünge zwischen 10° und 40°C beobachtet. Um die Wirksamkeit des Modensprungunterdrückungskreises zu untersuchen, wurden die Fälle des offenen Regelkreises und des Rückkopplungs-Regelkreises für jeden Abstimmschritt miteinander verglichen, während die Laser-Temperatur allmählich von 0° auf 90°C erhöht wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass das Modenspringen unterdrückt wurde. Es wurden über den gesamten Temperaturbereich hinweg keine Modensprünge bei den ungefähr 20 Abstimmschritten, die durch diesen VBR-Laser, der mit Schrittgrößen von 50 GHz arbeitete, ausgeführt wurden, beobachtet. Die Abstimmung variierte unter Regelkreisbedingungen so, dass das maximale SMUV beibehalten wurde, während sich die Temperatur änderte und der Verstärkungsstrom unverändert blieb. Das SMUV blieb über den gesamten Bereich hinweg bei allen Abstimmschritten oberhalb von etwa 30 dB und war unterhalb von etwa 35 dB nur bei höheren Temperaturen, bei denen der Schwellenstrom des Lasers relativ hoch war. Die beobachtete Abstimmrate mit der Temperatur war bei allen Schritten 0,095 ± 0,003 nm/°C – ein Wert, der auch für DFB-Laser mit 1,55 μm charakteristisch ist.
Es wurde außerdem eine Doppelkreissteuerung demonstriert, wobei der Sender bei geschlossenem Wellenlängenstabilisierungskreis und geschlossenem Modensprungunterdrückungskreis betrieben wurde. Der Verstärkungsstrom wurde allmählich von 50 mA (knapp unterhalb der Schwelle beim höchsten Abstimmstrom) auf 100 mA angehoben. 6 zeigt die Ausgangsleistung und Wellenlänge für einen bestimmten Abstimmschritt. Es wurde beobachtet, dass die Wellenlänge innerhalb von etwa ±2 pm oder ±0,25 GHz blieb (die Wellenlängenauflösung war durch die verwendeten Instrumente beschränkt), während die Ausgangsleistung zunahm. Über den 50-mA-Bereich des Verstärkungsstroms stieg die Faserausgangsleistung von etwa 0,05 auf 0,17 mW, während das SMUV von etwa 35,5 auf 41.5 dB anstieg. In der Praxis könnte der dritte – der Leistungssteuerungsregelkreis – dazu verwendet werden, die Ausgangsleistung unter Verwendung des Photodetektors 16.1 in dem Diskriminator 16 konstant zu halten. Dieser dritte Kreis würde mit den anderen beiden Kreisen zusammenarbeiten, um die Leistung, die Wellenlänge und das SMUV auf einem bestimmten Punkt in 6 zu halten.

Claims

Optischer Sender (10) zur Verwendung in einem Wellenlängenmultiplexsystem, das im vorliegenden Text als ein WLM-System bezeichnet wird, mit einer Vielzahl von Kanälen, von denen jeder mit einer anderen Kanalwellenlänge arbeitet, wobei der Sender Folgendes aufweist: einen verteilten Bragg-Reflektor-Halbleiterlaser, im vorliegenden Text als ein VBR-Halbleiterlaser (12) bezeichnet, wobei das Ausgangssignal des Lasers eine Schwerpunktwellenlänge und wenigstens einen Seitenmodus aufweist, wobei der Schwerpunktwellenlängenlaser auf einen Abstimmstrom (I_TUNE), der an den Laser angelegt wird, reagiert, eine Rückkopplungsschleife (22, 16), die auf das Laserausgangssignal reagiert, zum Steuern der Schwerpunktwellenlänge des Lasers, wobei die Rückkopplungsschleife eine Steuerung (18, 26) zum Erzeugen der ersten Ableitung der Ausgangsleistung des Lasers (12) bezüglich des Abstimmstromes (I_TUNE) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (10) des Weiteren einen Speicher enthält, in dem die Nicht-Null-Werte der ersten Ableitung der Ausgangsleistung des Lasers bezüglich des Abstimmstromes (40, 41, 42, 43) gespeichert sind, wobei das Seitenmodenunterdrückungsverhältnis, im vorliegenden Text als SMUV bezeichnet, ein Maximum für jede der Vielzahl verschiedener Kanalwellenlängen ist, und dass die Steuerung (18) die erzeugten und gespeicherten Werte vergleicht und – in Reaktion auf diesen Ver gleich – dem Laser eine Menge an Abstimmstrom zuführt, die das SMUV für eine bestimmte Kanalwellenlänge maximiert.
Sender nach Anspruch 1, wobei der Sender einen Mikroprozessor (18) enthält, wobei der Mikroprozessor den Speicher und die Steuerung enthält.
Sender nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsschleife eine erste Rückkopplungsschleife (22, 16, 18) enthält, um die Schwerpunktwellenlänge zu stabilisieren, und eine zweite Rückkopplungsschleife (20, 26, 28, 18) enthält, um zu verhindern, dass die Schwerpunktwellenlänge von einem Längsmodus zu einem anderen springt.
Sender nach Anspruch 1, wobei der Laser eine VBR-Sektion und eine Verstärkungssektion aufweist, die in einer Tandemanordnung angeordnet sind, wobei der Sender Folgendes enthält: eine Stromquelle (26) zum Anlegen des Abstimmstromes an die VBR-Sektion, einen phasensensitiven Detektor (20), der im vorliegenden Text als ein PSD bezeichnet wird, und eine Zittersignalquelle (28), die mit dem PSD (20) und der VBR-Sektion verbunden ist.
Sender nach Anspruch 4, der des Weiteren Folgendes enthält: einen Frequenzdiskriminator (16), der auf das Ausgangssignal des Lasers reagiert, und einen Mikroprozessor (18), der auf das Ausgangssignal des Diskriminators (16) und des PSD (20) reagiert, um die erste Ableitung zu erzeugen.
Sender nach Anspruch 5, wobei der PSD (20) ein Lock-in-Verstärker ist, der ein in Phase befindliches Lock-in-Signal erzeugt, und der Mikroprozessor (18) die Werte des in Phase befindlichen Lock-in-Signals mit den gespeicherten Werten der ersten Ableitung vergleicht, um dadurch der VBR- Sektion einen Abstimmstrom zuzuführen, der das SMUV für jede der Kanalwellenlängen maximiert.
Sender nach Anspruch 4, wobei das Sender-Ausgangssignal amplitudenmoduliert ist und das Ausgangssignal der Zitterquelle (28) so in den Kanälen skaliert wird, dass an jedem der Punkte des maximalen SMUV eine im Wesentlichen konstante Modulationstiefe bereitgestellt wird.
Sender nach Anspruch 4, wobei das Sender-Ausgangssignal amplitudenmoduliert ist und das Ausgangssignal der Zitterquelle (28) an jedem der Punkte des maximalen SMUV im Wesentlichen konstant ist.
Sender nach Anspruch 1, wobei der Laser (12) eine VBR-Sektion und eine Verstärkungssektion aufweist, die in einer Tandemanordnung angeordnet sind, wobei der Sender (10) Folgendes enthält: eine Stromquelle (26) zum Anlegen des Abstimmstromes (I_DC) an die VBR-Sektion, wobei die Steuerung einen Mikroprozessor (18) enthält, der eine Rechteckwelle (I_SW) mit einer relativ geringen Amplitude bereitstellt, die dem Abstimmstrom hinzugefügt wird, um darin Amplitudenänderungen hervorzurufen, und der Sender Mittel zum Erkennen (16.1) der Änderungen und zum Zuführen eines entsprechenden Signals an den Mikroprozessor enthält, wobei der Mikroprozessor eine numerische erste Ableitung in Reaktion auf das Signal berechnet und die errechnete und die gespeicherte erste Ableitung miteinander vergleicht und auf der Grundlage dieses Vergleichs die Amplitude und die Dauer der Rechteckwelle so justiert, dass der VBR-Sektion ein Abstimmstrom zugeführt wird, der das SMUV maximiert.