DE60111207T2

DE60111207T2 - Stabilisierte strahlungsquelle

Info

Publication number: DE60111207T2
Application number: DE60111207T
Authority: DE
Inventors: James Peter Beeston LIVERMORE; John Michael LEACH; Graham Chilwell BUTLER; Darren Longeaton VASS
Original assignee: Marconi Communications Ltd; Marconi Co Ltd
Current assignee: Ericsson AB
Priority date: 2000-03-25
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2021-03-15
Also published as: AU2001240830A1; EP1269589A1; CN1419723A; WO2001073904A1; DE60111207D1; GB0007234D0; EP1269589B1; CN1230953C; US6933485B2; US20030047665A1; GB2360628A; JP2003529224A

Description

Die Erfindung betrifft eine stabilisierte Strahlungsquelle. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Stabilisierung von Leistung und Wellenlänge von Ausgangsstrahlung einer stabilisierten Strahlungsquelle.
Bei herkömmlichen optischen Kommunikationssystemen ist der Kommunikationsverkehr, der optische Strahlung enthält, in eine Anzahl von Wellenbändern aufgeteilt, wobei jedem Wellenband ein korrespondierender Kommunikationskanal zugeordnet ist. Die Strahlung innerhalb jedes Wellenbandes überträgt den ihr zugehörigen Teil des Kommunikationsverkehrs. Eine solche Verteilung des Kommunikationsverkehrs innerhalb der Wellenbänder ist bekannt als Wellenlängen-Verteilungs-Multiplexing (WDM).
In vielen Kommunikationssystemen liegen Kanäle mit gegenseitigen Wellenlängenabständen von 0,8 nm vor, bei denen die optischen Strahlen eine nominelle Wellenlänge von etwa 1,5 μm haben; ein solcher Abstand ist äquivalent zu einem gegenseitigen Frequenzkanalabstand von ungefähr 1000 Hz. Obwohl jeder Kanal eine zugehörige Potentialbandbreite von 100 GHz hat, kann diese Bandbreite in der Praxis aufgrund von Bandbreitenbegrenzungen, die in Verbindung mit elektrischen Umwandlern stehen, die zur Modulation der optischen Strahlung jedes Kanals dienen, nicht voll genutzt werden. Daher ist es zur Steigerung der Kommunikationskapazität von Kommunikationssystemen wünschenswert, den gegenseitigen Kanalabstand auf unter 100 GHz zu reduzieren. Wie auch immer, eine Reduzierung des gegenseitigen Kanalabstands legt hohe Anforderungen an die Stabilität von in Kommunikationssystemen arbeitenden optischen Komponenten zur Generierung der Strahlung für jeden Kanal und zur Isolation der Strahlung, wenn sie zu Zwecken der Detektion von mit spezifischen Kanälen verbundenem Verkehr erhalten wurde.
Bei den Kommunikationssystemen ist es zur Zeit Praxis, durchstimmbare Laser zur Herstellung von Strahlung, die zu den ihnen zugehörigen Kanälen korrespondiert, einzusetzen. Da die gegenseitigen Kanalabstände auf unter 100 GHz reduziert sind, wird die Frequenzstabilität solcher Laser ein wichtiges Problem. Überdies setzen herkömmliche Kommunikationssysteme oft optische Verstärker an Repeater-Knoten ein, um die sich durch diese fortpflanzende Strahlung zu verstärken. Solche optischen Verstärker sind von Natur aus nichtlineare Geräte, da ihnen zugeführte Strahlung innerhalb einer begrenzten Leistungsrate an Strahlung liegen muß, bei welcher die Verstärker optimal arbeiten. Wo eine solche Strahlung Strahlungskomponenten aufweist, die einer Vielzahl von Kanälen zugehörig sind, haben die Erfinder es als wünschenswert geschätzt, daß die Komponenten von ähnlicher Strahlungsleistung sind, anderenfalls heben die optischen Verstärker Strahlungskomponenten bestimmter Kanäle gegenüber denen anderer Kanäle hervor. Daher ist es wünschenswert, die der Strahlung jedes Kanals zugehörige Strahlungsleistung zu steuern. Eine solche Steuerung ist konventionell erreichbar durch Benutzen eines jedem Kanal zugehörigen variablen optischen Dämpfers. Wie auch immer, die Erfinder haben es als zusätzlich wünschenswert geschätzt, daß auch Laser, die solche Dämpfer mit Strahlung versorgen, im Hinblick auf ihre Strahlungsausgangsleistung gesteuert werden können.
Aus dem Vorangegangenen kann realisiert werden, daß es bei zukünftigen Kommunikationssystemen Bedarf an Laserstrahlungsquellen gibt, die hochstabil sind in Bezug auf die Ausgangsstrahlungsfrequenz und die Ausgangsstrahlungsleistung.
Es ist bekannt, negative Rückkopplungsschleifen um die Laser herum anzubringen, um ihre Frequenzstabilität zu steigern. Mindestens eine kommerzielle Firma stellt derzeit einen Typ einer frequenzstabilisierten Laserquelle her, die einen durchstimmbaren DFB-Laser aufweist zusammen mit zwei zugehörigen gegenseitig verstimmten optischen Filtern mit zugehörigen optischen Detektoren und negativen elektronischen Rückkopplungsschleifen, welche alle zusammen in einem einzigen Paket untergebracht sind. Ein korrekter Frequenzbetrieb wird in der Quelle erreicht, wenn die durch die optischen Filter geschickte Strahlung nominal von gleicher Leistung ist, die korrekte Frequenz gemittelt ist, wo die Paßbandkennlinie der Filter gegenseitig überlappt. Als Konsequenz einer solchen Betriebsart haben die Erfinder geschätzt, daß die von den Detektoren detektierten Signale nicht für Steuerzwecke der Ausgangsamplitude benutzt werden können, bis die Quelle kraft ihrer Frequenzrückkopplungsschleife ihre Frequenz stabilisiert hat. Daher stellt die Quelle ein Problem in sich selbst dar in bezug auf das Erreichen von sowohl Frequenz- als auch Amplitudenstabilität, insbesondere in bezug auf anfängliche Anstarteigenschaften der Quelle.
Die Erfinder haben dieses intrinsische Problem durch Ersinnen einer alternativen stabilisierten Strahlungsquelle adressiert.
Gemäß einem ersten wie in Anspruch 1 definierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine stabilisierte Strahlungsquelle bereitgestellt, aufweisend: eine Vorrichtung zur Strahlungserzeugung zur Erzeugung von Ausgangsstrahlung; eine Vorrichtung zur Strahlungsauskopplung zur Auskopplung eines Teils der Ausgangsstrahlung in einen ersten und zweiten optischen Pfad; eine Nachweisvorrichtung zum Nachweisen von durch den ersten und zweiten optischen Pfad geschickten Strahlung, und zur Erzeugung eines ersten und zweiten Signals anzeigend die Strahlungsleistung der durch den jeweiligen ersten und zweiten optischen Pfad geschickte Strahlung; eine Steuervorrichtung zum Steuern der Erzeugungsvorrichtung als Reaktion auf die Signale zur Stabilisierung von Wellenlänge und Leistung der Aus gangsstrahlung, und in der der erste Pfad fähig ist, im wesentlichen ungefilterte Strahlung zu der Nachweisvorrichtung zu liefern und der zweite Pfad einen Filter enthält, so daß er wellenlängenabhängig gefilterte Strahlung zu der Nachweisvorrichtung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter eine Transmissions-Wellenlängen-Kennlinie aufweist, die im wesentlichen linear mit der Wellenlänge der Strahlung abnimmt über einen Wellenlängenbereich, in dem die Quelle arbeitet und in der die Steuervorrichtung arbeitsfähig ist, die Leistung der Strahlungserzeugungsvorrichtung so einzustellen, daß das erste Signal J₁ im wesentlichen gleich eines Referenzsignals zur Kontrolle der Strahlungsleistung der Ausgangsleistung ist und die Steuervorrichtung arbeitsfähig ist, die Erzeugungsvorrichtung so zu steuern, daß das Verhältnis von zweitem zu erstem Signal im wesentlichen von der gleichen Größe ist wie eine vorgewählte Größe zur Steuerung der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung.
Die Benutzung eines Filters mit einer im wesentlichen linearen Durchgangskennlinie vermeidet lokale Minima in der Kennlinie, welche eine unvorhersehbare anfängliche Stabilisation der Quelle hervorrufen kann. Die Benutzung des Signalverhältnisses zur Wellenlängensteuerung bringt den Vorteil einer in einfacher Weise zu implementierenden negativen Rückkopplungsschleife zur Stabilisierung der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung. Die Benutzung des ersten Signals zur Steuerung der Ausgangsstrahlungsleistung ermöglicht die Verwendung einer einfachen negativen Rückkopplungsschleife. Vorteilhafterweise ist die vorgewählte Größe die Einheitsgröße, so daß das Erzeugungsmittel so gesteuert ist, daß gewährleistet ist, daß die Größe des ersten und zweiten Signals im wesentlichen von der gleichen Größe sind. Die Steuerung des Erzeugungsmittels in der Art, daß die Signale von gleicher Größe sind bringt den Vorteil, daß eine solche Gleichheit direkt unter Verwendung von her kömmlichen Verstärkern oder Komparatoren nachweisbar ist, egal ob diese in analoger oder digitaler Form implementiert sind.
Vorzugsweise weisen die Filter einen optischen Etalonfilter auf. Solche Etalons können fertig eingestellt werden, um eine Bandbreite von wellenlängenabhängigen Durchgangskennlinien bereitzustellen.
Vorzugsweise, insbesondere unter Berücksichtigung der Stabilisation der Ausgangsstrahlungsleistung, enthält der erste Pfad keine wellenlängenabhängigen Filterkomponenten. Eine solche Abwesenheit von Komponenten bedeutet, daß das erste Signal eine direkte Indikation der Ausgangsstrahlungsleistung unabhängig von der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung darstellt.
In der Praxis wird es als vorteilhaft erachtet, daß das Steuerungsmittel in der Lage ist, die Temperatur der Erzeugungsvorrichtung zur Steuerung der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung zu verändern. Thermische Expansion des Steuerungsmittels mit steigender Temperatur bringt die Erzeugung einer linearen Ausdehnung des Steuerungsmittels mit sich und damit einen Anstieg der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung. Eine solche thermische Steuerung wird bevorzugt, weil sie einfach zu implementieren ist.
Vorzugsweise beinhaltet die Erzeugungsvorrichtung einen Laser zur Erzeugung der Ausgangsstrahlung und ein thermoelektrisches Element, das fähig ist, den Laser zu kühlen oder zu heizen, um die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung zu verändern, wobei das Element von der Steuervorrichtung aus steuerbar ist.
Alternativ kann die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung durch eine Biegeelement gesteuert werden. In einer solchen Anordnung beinhaltet die Erzeugungsvorrichtung einen Laser zur Erzeugung der Ausgangsstrahlung und ein Biegeelement, das arbeitsfähig ist, die Wellenlänge des Lasers zu verändern, wobei das Biegeelement von der Steuervorrichtung aus steuerbar ist. Die Verwendung eines solche Biegeelements gibt möglicherweise die Quelle besser wieder.
Zur Verbesserung der allgemeinen Modensperrcharakteristik der Quelle bei Umgebungstemperatur enthält die Nachweisvorrichtung eine Vielzahl von Strahlungsdetektoren zur Erzeugung der Signale, wobei die Detektoren über gegenseitig angepaßte Nachweiskennlinien verfügen.
Gemäß einem zweiten wie in Anspruch 9 definierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Stabilisierung der Leistung und Wellenlänge von Ausgangsstrahlung einer Strahlungsquelle bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Auskopplung eines Teils der Ausgangsstrahlung in erste und zweite optische Pfade; Ausstattung des zweiten Pfades mit einen Filter, der eine Transmissions-Wellenlängen-Kennlinie aufweist, die im wesentlichen linear mit der Wellenlänge der Strahlung abnimmt; Nachweisen ersten und zweiten Signals J₁, J₂ korrespondierend zur durch die Pfade eins und zwei geschickten Strahlung;
Steuern der Strahlungsleistung der Ausgangsstrahlung, so daß das erste Signal J₁ im wesentlichen gleich eines Referenzsignals ist und dann Steuerung der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung, so daß das Verhältnis von zweitem zu erstem Signal im wesentlichen von der gleichen Größe ist wie eine vorgewählte Größe.
Vorteilhafterweise ist die vorgewählte Größe gleich eins, so daß die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung so gesteuert ist, daß gewährleistet ist, daß die Größe des ersten und zweiten Signals im wesentlichen von der gleichen Größe sind.
Eine Ausgestaltung der Erfindung wird nun beispielshalber anhand der angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein schematisches Diagramm der prinzipiellen optischen Elemente einer frequenzstabilisierten Laserquelle der herkömmlichen Art zeigt;
2 einen Graphen zeigt, der die Durchgangskennlinien von optischen Filtern illustriert, die in der in 1 dargestellten Quelle enthalten sind;
3 ein schematisches Diagramm der prinzipiellen optischen Elemente einer stabilisierten Laserquelle in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 einen Graphen zeigt, der die Durchgangskennlinien von optischen Pfaden zu Detektoren illustriert, die in der in 3 dargestellten Quelle enthalten sind;
5 ein schematisches Diagramm von elektronisch gesteuerten negativen Rückkopplungsschleifen zeigt, die der in 3 dargestellten Quelle zugehörig sind;
6 einen Graphen einer initialen Anstartkennlinie der in 3 dargestellten Quelle zeigt.
Jetzt bezugnehmend auf 1 wird eine frequenzstabilisierte Laserquelle, generell durch 10 gekennzeichnet, der herkömmlichen Art gezeigt. Die Quelle 10 weist einen durchstimmbaren DFB-Laser 20 auf, eine vordere Facettenlinse 30, eine hintere Facettenlinse 40, zwei aufeinander abgestimmte optische Filter 50, 60, eine Schablonenmaske 65, zwei passende optische Detektoren 70, 80 und einen Frequenzsteuerschaltkreis 90 mit negativer Rückkopplung.
Die vordere Linse 30 befindet sich zwischen einem Ausgabeanschluß der Quelle 10 und einem ersten Ende des Lasers 20. Die hintere Linse befindet sich zwischen dem zweiten Ende des La sers 20 und den beiden Filtern 50, 60. Die Maske 65 befindet sich weiter entfernt vom Laser 20 hinter den Filtern 50, 60. Hinter der Maske 65 und noch weiter vom Laser 20 weg befinden sich die beiden Detektoren 70, 80.
Wenn die Quelle 10 in Betrieb ist, focussiert die Linse 30 optische Strahlung, die in Vorwärtsrichtung vom Laser 20 emittiert worden ist, zum Empfang zum Beispiel an einem Ende eines optischen Wellenleiters 95, der mit dem optischen Anschluß verbunden ist. Die hintere Linse 40 erhält einen im Vergleich zur vorderen Linse 30 relativ kleineren Teil der Strahlung, die im Laser 20 generiert worden ist. Die Linse 40 verteilt gleiche Strahlungsanteile zu jedem der Filter 50, 60. Die Filter 50, 60 filtern die dort erhaltene Strahlung und schicken die zugehörige gefilterte Strahlung durch Öffnungen in der Schablonenmaske 65 zu den jeweiligen Detektoren 70, 80. Die Detektoren 70, 80 wandeln die dort erhaltene gefilterte optische Strahlung in korrespondierende jeweilige elektrische Signale I₁, I₂ um. Der negative Rückkopplungsschaltkreis 90 ist mit dem Laser 20 verbunden und steuert die Arbeitsfrequenz des Lasers 20, so daß die Signale I₁, I₂ von gleicher Größe sind. Wenn die Signale I₁, I₂ von gleicher Größe sind, ist der Laser 20 frequenzstabilisiert.
Als Konsequenz daraus, daß die Filter 50, 60 von gleicher Bauart sind, anders als aufeinander abgestimmt zu sein, und daß die Detektoren angeglichen sind, verfolgen die Filter 50, 60 und die Detektoren 70, 80 Änderungen der Temperatur.
Die Frequenzstabilität der Quelle 10 wird in erster Linie durch die Wellenlängenstabilität der optischen Durchgangskennlinie der Filter 50, 60 bestimmt, durch temporäre und thermische Empfindlichkeitsanpassung der Detektoren 70, 80 sowie durch Steuergenauigkeit und Stabilität des Rückkopplungssteuerschaltkreises 90.
Zur Beschreibung der weiteren Arbeitsweise der Quelle 10 der herkömmlichen Art ist in 2a ein Graph gezeigt, der die Durchgangskennlinien der Filter 50, 60 innerhalb der Quelle 10 zeigt. In dem Graph ist die Strahlungswellenlänge auf der horizontalen Achse 200 abgebildet und der Strahlendurchgang durch die Filter 50,60 entlang einer vertikalen Achse 210. Die Durchgangskennlinie der Filter ist durch jeweilige Gaussähnliche Kurven 220, 2320 dargestellt. Wie im vorangegangenen beschrieben, erhalten beide Filter 50, 60 im wesentlichen ähnliche Strahlung von der Quelle 20. Die Kurven 220, 230 sind aufeinander abgestimmt mit Spitzenresonanzen bei jeweiligen Frequenzen λ₁, λ₂. Wie auch immer, Teile der Kurven 220, 230 überlappen und zeigen nominell ähnliche Durchgangskennlinien bei einer Wellenlänge λ₀. Wenn der Laser durchgestimmt ist, Strahlung mit einer Wellenlänge λ₀ zu emittieren, lassen die Filter 50, 60 nominell ähnliche Mengen Strahlung durch, was in gegenseitig ähnlichen Signalen I₁, I₂ resultiert. Der Rückkopplungsschaltkreis 90 ist so gestaltet, daß er den Laser 20 so durchstimmt, daß die Signale I₁, I₂ ähnlich sind; ein solches Durchstimmen versichert, daß der Laser Strahlung mit der Wellenlänge λ₀ ausgibt.
Aus 2 ist ersichtlich, daß der Laser 20 beim Startvorgang sich in den meisten Fällen von der Wellenlänge λ₀ weg verstimmt. Da der Laser 20 während einer Durchstimmperiode zu seiner durchgestimmten Wellenlänge λ₀ hin gesteuert wird, ändern sich beide Signale I₁, I₂, bis ein Betrieb bei der Wellenlänge λ₀ erreicht ist. Daher ist während der Durchstimmperiode eine Nutzung der Signale I₁, I₂ zur Steuerung der Strahlungsausgangsleistung des Lasers 20 nicht durchführbar. Ist der La ser 20 merklich verstimmt, ist es hingegen für die Signale I₁, I₂ machbar, der vernachlässigbaren an den Detektoren 50, 60 empfangenen Strahlung nominell zu entsprechen. In Kommunikationssystemen ist es wünschenswert, daß die Strahlungsausgangsleistung des Lasers 20 während der Durchstimmungsperiode reguliert wird, um eine Überladung innerhalb des Systems zu vermeiden, wie zum Beispiel in darin eingebundenen Erbiumdotierten Glasfaserverstärkern.
Die Erfinder haben festgestellt, daß es in Kommunikationssystemen, in denen dichte DWDMs verwendet werden, zum Beispiel mit Kanalabständen von merklich weniger als 100 GHz, notwendig ist, die Wellenlänge von darin inkorporierten Laserquellen mit einem relativ hohen Maß an Genauigkeit zu steuern und währenddessen die optische Ausgangsleistung von der Quelle auf einem vorbestimmten Maß beizubehalten. Das vorbestimmte Maß erfordert unter manchen Umständen eine In-Service-Anpassung, während der die Wellenlängenstabilität der Quellen aufrechterhalten wird. Daher habe die Erfinder eine alternative Strahlungsquelle ersonnen, die die vorgenannten Probleme der Wellenlängen- und Leistungssteuerung adressiert.
Nun bezugnehmend auf 3, dort ist ein schematisches Diagramm von prinzipiellen optischen Komponenten einer stabilisierten Strahlungsquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt; die Quelle ist generell durch 300 gekennzeichnet und in einem einzigen Paket untergebracht. Die Quelle enthält einen Distributed-Feedback-Laser (DFB) 310, dem ein thermoelektrisches Element 320 zugeordnet ist. Das Element 320 steht in thermischer Kommunikation mit dem Laser 310 und ist in der Lage, den Laser 310 zu erhitzen oder abzukühlen, um damit die Wellenlänge der optischen Strahlungsausgabe zu modifizieren.
Die Quelle 300 weist ferner eine vordere Facettenlinse 330 von ähnlichem Design wie die Linse 30 auf, eine hintere Facettenlinse von ähnlichem Design wie die Linse 40, ein optisches Filter-Etalon 350, eine Schablonenmaske 360, erste und zweite aufeinander abgestimmte optische Strahlungsdetektoren 370, 380 von ähnlichem Design wie die Detektoren 70, 80 und einen negativen Rückkopplungssteuerschaltkreis 390. Die Quelle 300 ist in der Lage, Strahlung in ein optisches Fiberglas 395 einzuspeisen, das angebracht ist, um eine Strahlungsausgabe des Lasers 310 durch die Linse 330 in das Fiberglas 395 aufzunehmen.
Jetzt werden die Zwischenverbindungen von Komponententeilen der Quelle 300 beschrieben. Die vordere Linse befindet sich entlang einem ersten optischen Pfad, der von einem ersten Strahlungsausgangsende des Lasers 310 zu einer Eingangsöffnung des Fiberglases 395 reicht. Die hintere Linse 340 befindet sich in einem zweiten optischen Strahlenpfad eines zweiten Ausgabeendes des Lasers 310. Die hintere Linse ist fähig, die Strahlung zu koppeln, die sich entlang des zweiten Pfades in einen dritten und vierten Strahlenpfad fortpflanzt. Der dritte Strahlenpfad reicht von der hinteren Linse 340 durch eine erste Öffnung der Maske 360 bis zum ersten Detektor 370. Der vierte Strahlenpfad reicht von der hinteren Linse 340 durch das Filteretalon 350 und durch eine zweite Öffnung der Maske 360 bis zum zweiten Detektor 380. Der dritte und vierte Pfad sind nicht koinzident, aber gegenüberliegend und winklig zueinander. Elektrische Ausgabesignale J₁, J₂ der jeweiligen Detektoren 370, 380 sind mit dem Steuerschaltkreis 390 verbunden. Die elektrischen Ausgaben J₀, J_K des Schaltkreises 390 sind jeweils mit dem thermoelektrischen Element und dem Laser 310 verbunden.
Mit Referenz zu 3 wird nun die Arbeitsweise der Quelle 300 im Überblick beschrieben. Der Laser 310 emittiert Strah lung aus seinem ersten Ende, die sich entlang des ersten Pfades zu der vorderen Linse 330 fortpflanzt, welche die Strahlung in einer Eingangsöffnung des Fiberglases 395 fokussiert. Der Laser 310 emittiert auch Strahlung aus seinem zweiten Ende, die sich entlang des zweiten Pfades zur hinteren Linse 340 hin fortpflanzt, die die Strahlung in Strahlungskomponenten koppelt, die sich entlang des dritten und vierten Pfades fortpflanzen. Die sich entlang des dritten Pfades fortpflanzende Strahlung durchläuft die erste Öffnung zum ersten Detektor 370, der die Strahlung empfängt und ein korrespondierendes elektrisches Signal J₁ generiert. Die von der hinteren Linse 340 kommende sich entlang des vierten Pfades fortpflanzende Strahlung durchläuft den Etalon-Filter 350, in dem sie gefiltert wird und sodann die zweite Öffnung zum zweiten Detektor 380. Der zweite Detektor 380 empfängt die Strahlung und generiert ein korrespondierendes elektrisches Signal J₂. Die Signale laufen zu dem Steuerschaltkreis 390, der die Signale J₁, J₂ aufzeichnet und die korrespondierenden Signale J₀, J_K zur Steuerung des Lasers 310 generiert. Der Schaltkreis ist in Betrieb, um die an dem thermischen Element 320 angelegte Leistung anzupassen, damit die Signale J₁, J₂ von nominell ähnlicher Größe sind; sind die Signale J₁, J₂ ähnlich, nimmt man an, daß der Laser bei seiner korrekten stabilisierten Frequenz arbeitet. Überdies arbeitet der Schaltkreis 390 an der Anpassung des an dem Laser 310 angelegten Laserstroms, so daß das Signal J₁ ähnlich dem eines Referenzlevelsignals ist, das an dem Schaltkreis 390 angelegt ist; ist das Signal J₁ in der Größe ähnlich dem des Referenzlevelsignals, nimmt man an, daß der Laser 310 bei seiner korrekt stabilisierten Leistung arbeitet; die Konsequenz daraus, daß der dritte Pfad keinen optischen Filter beinhaltet, ist, daß das Signal J₁ im wesentlichen unbeeinflußt ist durch das Durchstimmen des Lasers 310.
Bezugnehmend auf 4 ist ein Graph gezeigt, der die Durchgangskennlinie des dritten und vierten optischen Pfads wie repräsentiert durch die Signale J₁, J₂ darstellt. Der Graph beinhaltet eine horizontale Wellenlängenachse 400 und eine vertikale detektierte Signal-Achse. Das Etalon-Filter weist auf einen optisch resonanten Hohlraum (Etalon) und zugehörige optische Gitter, um eine Strahlungsdurchgangskennlinie entlang des vierten Pfades bereitzustellen, die kleiner wird im Verhältnis zu größer werdender Wellenlänge über einen Wellenlängenbereich von Interesse; eine solche Kennlinie ist gezeigt in einer Kurve 430 in 3. Als Konsequenz daraus, daß der dritte Pfad keinen optischen Filter beinhaltet, weist der Detektor 370 eine Antwort auf, die im wesentlichen konstant ist mit der Wellenlänge, wie gezeigt in Kurve 420. Bei einer Wellenlänge λ₀ sind die Signale J₁, J₂ der jeweiligen Detektoren 370, 380 ähnlich; der Steuerschaltkreis 390 reguliert den Leistungseingang am thermoelektrischen Element 320, um die Signale J₁, J₂ gegenseitig gleich zu halten und dabei den Laser 310 auf der Wellenlänge λ₀ zu stabilisieren. Das Signal J₁ ist ein direktes Maß des Ausgangsstrahlungsmaßes unabhängig vom Durchstimmen des Lasers 310, und damit kann eine Leistungssteuerung durch Steuerung des Laserstroms, der an dem Laser 310 angelegt ist, sofort beim initialen Anstarten der Quelle 300 implementiert werden.
Aus 4 ist zu ersehen, daß die Kurve 430 nicht von Gauss'scher Form ist, aber von im wesentlichen linearer Form. Eine solche lineare Form unterstützt den Steuerschaltkreis 390 dabei, in schnellen Iterationen den Laser 310 zu stabilisieren. Dem gegenüber kann der Steuerschaltkreis 90 der herkömmlichen Art von Quelle 10, gezeigt in 1, in Schwierigkeiten geraten beim Stabilisieren des Lasers 20, wenn der Laser 20 anfänglich verstimmt ist hin zu Wellenlängen, die größer als λ₂ und kleiner als λ₁ sind; eine solche Schwierigkeit ent steht aufgrund der Anwesenheit lokaler Minima. Daher unterstützen die in den Kurven 420, 430 gezeigten Kennlinien den Steuerschaltkreis 390 darin, unzweideutig zur korrekten Stabilisierung des Laser 310 hin zu iterieren.
Für jemanden mit durchschnittlichen Fähigkeiten in diesem Fachgebiet, würde das Feststellen, daß kein optischer Filter im dritten Pfad der Quelle 300 implementiert ist, als rückwärtige Entwicklung angesehen werden, da eine Symmetrie innerhalb der Quelle 300 sich gegenüber der Quelle 10 verwirkt hat. Überdies würde die Benutzung eines Etalon-Filters 350, der eine breite, im wesentlichen lineare Reaktion mit sich bringt, wie gezeigt in Kurve 430, als ein Verlust an Wellenlängenempfindlichkeit erscheinen verglichen mit spitzenbehafteten Gauss-Verhalten, wie es durch die Kurven 220, 230 repräsentiert wird, für die Quelle 30. In der Praxis finden die Erfinder es als ein überraschendes Ergebnis, daß das Benutzen nur eines Filters in der Quelle 300 nicht deren zeitliche und thermische Stabilität relativ zu der Quelle 30 herkömmlicher Art herabsetzt.
Zur weiteren Beleuchtung der Erfindung wird nun der Steuerschaltkreis 390 der Quelle mit Bezugnahme auf 5 näher beschrieben. Der Steuerschaltkreis 390 weist einen Verhältnisrechner 500, einen ersten Verstärker 510 und einen zweiten Verstärker 520 auf. Der Schaltkreis 390 enthält Signaleingänge J₁, J₂ und auch zwei zusätzliche Eingänge für ein Wellenlängenset Referenzsignal P_W und ein Leistungsset-Referenzsignal P_S. Der Schaltkreis 390 weist zwei Signalausgänge J₀ und J_K zur Steuerung jeweils des thermoelektrischen Elements 320 und des Lasers 310 auf. Der Schaltkreis 390 ist unter Verwendung von analogen elektronischen Bauteilen implementierbar, wenn die Verstärker 510, 520 Operationsverstärker sind und der Verhältnisrechner 500 ein spezialisiertes analoges Gerät ist, zum Beispiel hergestellt von der Firma Analog Devices Inc. Alternativ ist der Schaltkreis 390 digital implementierbar, wobei in diesem Fall der Verhältnisrechner 500 und die Verstärker 510, 520 als Software ausgeführt sind; der Schaltkreis kann zum Beispiel ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder ein Mikroprozessor mit zugehöriger Software und Analog-Digital-Input-Output-Interface-Komponenten sein.
Die Zwischenverbindungen innerhalb des Schaltkreises 390 werden dort beschrieben, wo sie unter Benutzung von analogen Komponenten implementiert sind. Die Eingangssignale J₁, J₂ sind mit einem jeweiligen ersten und zweiten Eingang des Rechners 500 verbunden. Überdies ist das Eingangssignal J₁ mit einem invertierenden Eingang des Verstärkers 520 verbunden. Das Leistungsset-Referenzsignal P_S ist verbunden mit einem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 520. Ein Ausgang des Verstärkers 520 ist angeschlossen, um das J_K Ausgangssignal zur Steuerung des Laserstroms des Lasers 310 bereitzustellen. Der Rechner 500 enthält eine Ausgang J₃, der ein zu dem Verhältnis J₂/J₁ korrespondierendes Signal liefert. Das Signal J₃ ist mit einem invertierenden Eingang des Verstärkers 510 verbunden. Überdies ist das Wellenlängenset-Referenzsignal P_W mit einem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 510 verbunden. Ein Ausgang des Verstärkers 510 ist mit dem J₀ Ausgangssignal verbunden, um das thermoelektrische Element 320 zu steuern.
Während des Betriebs paßt der Schaltkreis 390 das Signal J_K an, bis das J₁ Signal gleich dem Leistungssetsignal P_S ist. Eine solche Anpassung stabilisiert die Strahlungsausgangsleistung des Lasers 310. Überdies paßt der Schaltkreis 390 das Steuersignal J₀ an das thermoelektrische Element 320 an, so daß das Verhältnis J₂/J₁ gleich dem Wellenlängensetsignal P_W ist; wird das P_W Signal auf einen Einheitswert gesetzt, wird der Laser 310 auf einer Wellenlänge λ₀ stabilisiert wie gezeigt in 4.
Um die Arbeitsweise der Quelle 300 näher zu beschreiben, wird Bezug auf 6 genommen. 6 ist ein Graph der anfänglichen Anstartcharakteristik der Quelle 300. Strom wird zu einer Zeit t₀ zugeführt. Lasern innerhalb des Lasers 310 startet unmittelbar nach der Stromzugabe zu dem Laser; Da der erste Detektor 370 und der Schaltkreis 390 sofort reagieren, ist die Leistungsausgabe der vom Laser 310 emittierten Strahlung zu einer Zeit t₁ leistungsstabilisiert, die meist ein paar Millisekunden nach der Zeit t₀ liegt. Wie auch immer, da thermische Steuerung über das thermoelektrische Element 320 zur Steuerung der Wellenlänge des Lasers 310 genutzt wird, ist der Wellenlängensteuerung der Quelle 300 ein viel größere Zeitkonstante zugehörig; Thermische dem Element 320 und dem Laser 310 zugehörige Zeitkonstanten bestimmen grundsätzlich die Zeitkonstante zur Wellenlängenstabilisation. In der Praxis beträgt die Stabilisation etwa 60 Sekunden, hängt aber davon ab, wie verstimmt der Laser 310 zur Zeit t₀ ist, bei der initial Strom angelegt wird.
In 6 ist die verstrichene Zeit durch die horizontale Achse 700 repräsentiert. Laserstrahlungsausgangsleistung ist durch die vertikale Achse 710 repräsentiert. Überdies ist die Wellenlänge der Laserausgangsstrahlung durch die vertikale Achse 720 repräsentiert. Eine Kurve 750 illustriert die Kennlinie der Ausrichtung der Ausgangsleistung der Quelle 300. Überdies illustriert eine Kurve 730 eine Setzungskennlinie der Quelle 300, wenn ihr Laser 310 anfänglich eine zu hohe Frequenz hat, und eine Kurve 740 illustriert eine Setzungskennlinie der Quelle 300, wenn ihr Laser 310 anfänglich eine zu niedrige Frequenz hat.
Die Quelle 300 weist die vorteilhaften Eigenschaften auf, daß ihre Ausgangsleistung und Ausgangsstrahlungswellenlänge unabhängig voneinander unter Benutzung der Signale P_S, P_W angepaßt werden können. Überdies werden aufgrund der Benutzung von Rückkopplungssteuerung Alterungs- und thermische Drift-Effekte, die in dem Laser 310 auftreten, durch Rückkopplungsschleifen in der Quelle 300 kompensiert. Weiterhin beeinflussen durch Verwendung von abgestimmten Detektoren 370, 380 gewöhnliche Modedrifteffekte darin nicht die Wellenlängenstabilität der Quelle- 300.
In der Praxis wurde herausgefunden, daß der Steuerschaltkreis 390 in der Lage ist, die Temperatur des Lasers 310 auf einen Stabilitätsfehler von 0,01°C zu regeln. In einer modifizierten Form der Quelle 300 ist es wünschenswert, einen zusätzlichen Alarmschaltkreis einzubeziehen, der aktiviert wird, falls der Laser um mehr als 0,5°C von seinen kalibrierten Einstellungen zur Ausgabe von Ausgangsstrahlung einer spezifischen Wellenlänge abweicht; ein solcher Alarm kann dazu verwendet werden, den Anfang eines Fehlers an der Quelle 300 zu detektieren und das Abschalten der Quelle 300 zu erlauben, bevor eine Unterbrechung verursacht wird.
Es ist abschätzbar, daß Veränderungen an der Quelle 300 vorgenommen werden können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann das Signal P₀ ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Steuersignal sein, daß vom Schaltkreis 390 zur Steuerung des thermoelektrischen Elements generiert wurde; ein solches PWM-Signal reduziert die Leistungsabweichung innerhalb des Steuerschaltkreises 390. Darüber hinaus kann die Quelle 300, obwohl der Laser 310 unter Berücksichtigung der Wellenlänge in der Quelle 300 thermisch gesteuert ist, so modifiziert werden, daß das thermoelektrische Element 320 durch ein flexibles Element zur Modifikation der Wellenlänge des Lasers 310 ersetzt wird; die Verwendung eines solchen flexiblen Elements macht die Quelle höchstwahrscheinlich teuer.
Obwohl die Quelle 300 nur zwei Detektoren 370, 380 enthält, ist es möglich, daß sie mehr Detektoren enthält, um ihre Verläßlichkeit oder Genauigkeit zu verbessern.
Die Quelle 300 kann in Kommunikationssystemen eingebunden werden, um Strahlung zur Modulation mit Kommunikationsverkehr zu generieren und darauf folgend durch optische Fiberglaswellenleiter zu Empfangspunkten durchzuschicken.

Claims

Eine stabilisierte Strahlungsquelle (300) aufweisend: Vorrichtung zur Strahlungserzeugung (310, 320) zur Erzeugung von Ausgangsstrahlung; Vorrichtung zur Strahlungsauskopplung (340) zur Auskopplung eines Teils der Ausgangsstrahlung in einen ersten und zweiten optischen Pfad; Nachweisvorrichtung (370, 380) zum Nachweisen von durch den ersten und zweiten optischen Pfad geschickten Strahlung, und zur Erzeugung eines ersten und zweiten Signals J₁, J₂ anzeigend die Strahlungsleistung der durch den jeweiligen ersten und zweiten optischen Pfad geschickte Strahlung; Steuervorrichtung (390) zum Steuern der Erzeugungsvorrichtung (310, 320) als Reaktion auf die Signale zur Stabilisierung von Wellenlänge und Leistung der Ausgangsstrahlung, und in der der erste Pfad arbeitsfähig ist, im wesentlichen ungefilterte Strahlung zu der Nachweisvorrichtung zu liefern und der zweite Pfad einen Filter enthält, so daß er wellenlängenabhängig gefilterte Strahlung zu der Nachweisvorrichtung liefert dadurch gekennzeichnet, daß der Filter eine Transmissions-Wellenlängen-Kennlinie aufweist, die im wesentlichen linear mit der Wellenlänge der Strahlung abnimmt über einen Wellenlängenbereich, in dem die Quelle arbeitet und in der die Steuervorrichtung (390) arbeitsfähig ist, die Leistung der Strahlungserzeugungsvorrichtung so einzustellen, daß das erste Signal J₁ im wesentlichen gleich eines Referenzsignals zur Kontrolle der Strahlungsleistung der Ausgangsleistung ist und die Steuervorrichtung arbeitsfähig ist, die Erzeugungsvorrichtung (310, 320) so zu steuern, daß das Verhältnis von zweitem zu erstem Signal im wesentlichen von der gleichen Größe ist wie eine vorgewählte Größe zur Steuerung der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung.
Quelle gemäß Anspruch 1, bei der die vorgewählte Größe gleich eins ist.
Quelle gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Filter einen Etalon-Filter (350) aufweist.
Quelle gemäß jedem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der erste Pfad keine wellenlängenabhängigen Filterkomponenten enthält.
Quelle gemäß jedem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Steuervorrichtung (390) arbeitsfähig ist, die Temperatur der Erzeugungsvorrichtung (310, 320) zur Steuerung der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung zu verändern.
Quelle gemäß Anspruch 5, bei der die Erzeugungsvorrichtung (310, 320) einen Laser (310) zur Erzeugung der Ausgangsstrahlung beinhaltet, und ein thermoelektrisches Element (320), das arbeitsfähig ist, den Laser (310) zu kühlen oder zu heizen, um die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung zu verändern, wobei das Element (320) von der Steuervorrichtung (390) aus steuerbar ist.
Quelle gemäß jedem einzelnen der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Erzeugungsvorrichtung (310) einen Laser zur Erzeugung der Ausgangsstrahlung beinhaltet und ein Biegeelement, das arbeitsfähig ist, die Wellenlänge des Lasers zu verändern, wobei das Biegeelement von der Steuervorrichtung (390) aus steuerbar ist.
Quelle gemäß jedem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Nachweisvorrichtung (370, 380) eine Vielzahl von Strahlungsdetektoren (370, 380) zur Erzeugung der Signale J₁, J₂ enthält, wobei die Detektoren (370, 380) über jeweils angepaßte Nachweiskennlinien verfügen.
Verfahren zur Stabilisierung der Leistung und Wellenlänge von Ausgangsstrahlung einer Strahlungsquelle (300), das Verfahren die folgenden Schritte aufweisend: Auskopplung eines Teils der Ausgangsstrahlung in erste und zweite optische Pfade; Ausstattung des zweiten Pfades mit einen Filter, der eine Transmissions-Wellenlängen-Kennlinie aufweist, die im wesentlichen linear mit der Wellenlänge der Strahlung abnimmt; Nachweisen ersten und zweiten Signals J₁, J₂ korrespondierend zur durch die Pfade eins und zwei geschickten Strahlung; Steuern der Strahlungsleistung der Ausgangsstrahlung, so daß das erste Signal J₁ im wesentlichen gleich eines Referenzsignals ist und dann Steuerung der Wellenlänge der Ausgangsstrahlung, so daß das Verhältnis von zweitem zu erstem Signal im wesentlichen von der gleichen Größe ist wie eine vorgewählte Größe.
Verfahren gemäß Anspruch 9, bei der die vorgewählte Größe gleich eins ist.