DE60210998T2

DE60210998T2 - Mehrsektionslaserdiode

Info

Publication number: DE60210998T2
Application number: DE60210998T
Authority: DE
Inventors: Thomas Farrell; Tommy Mullane; David Mcdonald
Original assignee: Intune Technologies Ltd
Current assignee: Intune Technologies Ltd
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2022-08-13
Also published as: US7339962B2; DE60210998D1; JP2005503028A; EP1433230B1; ATE324690T1; EP1291988A1; EP1433230A1; WO2003023916A1; JP4494781B2; US20050030986A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Mehrsektionslaserdiode, die zwischen unterschiedlichen Wellenlängen geschaltet werden kann, und insbesondere ein Lasersystem mit einem Steuerungsschaltkreis, der ein schnelles Schalten einer Mehrsektionslaserdiode zwischen unterschiedlichen Wellenlängen ermöglicht.
Eine Mehrsektionslaserdiode in ihrer ursprünglichen Form ist durch einen durchstimmbaren Laser mit verteiltem Bragg-Spiegel (distributed Bragg reflector, DBR) gebildet, der drei Sektionen aufweist. Andere Arten von Mehrsektionslaserdioden haben einen DBR mit einer abgetasteten Gitterstruktur (sampled-grating DBR, SG-DBR) oder einen DBR mit einer abgetasteten Überstruktur (superstructure sampled DBR, SSG-DBR), wobei beide jeweils vier Sektionen aufweisen. Eine weitere Art von Mehrsektionslaserdioden ist der gitterunterstützte Koppler (grating-assisted coupler, GCSR), der auf seiner Rückseite einen Spiegel mit einem abgetasteten Gitter oder einem Überstruktur-Gitter und ebenfalls vier Sektionen aufweist. Ein Überblick über solche Laser ist in Referenz [1] dargestellt.
1 zeigt eine einfache schematische Darstellung eines SG-DBR 10. Der Laser umfasst an seiner Rück- und Vorderseite Spiegelsektionen 2 und 8 mit einer dazwischen angeordneten Verstärkungs- oder aktiven Sektion 6 und einer Phasensektion 4. Herkömmlicherweise ist an der vorderen und/oder hinteren Facette des Chips eine Anti-Reflektionsbeschichtung 9 zur Vermeidung von Facettenmoden vorgesehen. Die hinteren und vorderen Spiegel sind als abgetastete Bragg-Gitter 3 und 5 ausgebildet. Die hinteren und vorderen Spiegel weisen einen leicht unterschiedlichen Gitterabstand auf, um eine Verstimmung mittels eines Vernier-Effekts zu ermöglichen, indem der den Sektionen zugeführte Strom verändert wird. Ebenso ist eine Abstimmung der optischen Weglänge der Kavität über die Phasensektion möglich, beispielsweise durch ein Veränderungen des Brechungsindex, welche durch Änderungen der Ladungsträgerdichte in dieser Sektion hervorgerufen werden. Eine genauere Beschreibung des SG-DBR und anderer durchstimmbarer Mehrsektions-Laserdioden kann an anderer Stelle gefunden werden [1].
Mehrsektions-Laserdioden finden in Wellenlängen-Multiplex (WDM) Systemen Verwendung. Als beispielhafte Anwendungen seien Übertragungsquellen, Wellenlängenumwandler in optischen Schaltverteilern (optical cross connects OXCs) und Referenzquellen in Überlagerungsempfängern genannt. Typischerweise weisen WDM-Systeme Kanalabstände auf, die mit dem Standard G692 der internationalen Telekommunikationsunion (ITU) konform sind, welcher einen Fixpunkt bei 193,1 THz und Abstände zwischen den Kanälen mit einem ganzzahligen Vielfachen von 50 GHz oder 100 GHz festlegt. Ein beispielhaftes dichtes WDM-System (DWDM) kann einen Kanalabstand von 50 GHz und eine Breite von 191 THz bis 196 THz (1525 bis 1560 Nm) aufweisen.
Die Daseinsberechtigung von Mehrsektions-Laserdioden liegt in der Durchstimmbarkeit ihrer Wellenlänge begründet. Jeder Sektion der Laserdiode wird ein Treiberstrom zugeführt, und die Laserwellenlänge ist eine Funktion des Satzes dieser Treiberströme, wobei die Funktion im allgemeinen sehr komplex ist. Aus diesem Grund übernimmt das Einstellen der Ausgangwellenlänge eines solchen Lasers üblicherweise ein hochentwickeltes, von einem Mikroprozessor gesteuertes Steuerungssystem. Dem Umstand einer komplexen Beziehung zwischen Ausgangswellenlänge und dem Satz der Treiberströme kommt erschwerend hinzu, dass ein Schalten der Wellenlänge des Lasers das thermische Gleichgewicht zerstört, was in vorrübergehenden Instabilitäten der Wellenlänge resultiert, bis das thermische Gleichgewicht mit dem neuen Satz der Treiberströme erreicht ist. Die zur Stabilisierung der Temperatur benötigte Zeit kann ziemlich lang sein.
Im wesentlichen bestimmen zwei Effekte diese vorübergehenden thermischen Eigenschaften.
Ein erster Effekt ist, dass der Temperaturgradient quer durch das Bauelement zu dem Kühlkörper, auf dem es montiert ist, sich direkt nach dem Schalten des Lasers von demjenigen unterscheidet, welcher unter stationären Betriebsbedingungen für solche Ströme gemessen wird, aufgrund eines bei unterschiedlichen Strömen im Laser erzeugten unterschiedlichen Wärmepegels. Der stationäre Temperaturgradient stellt sich über eine Messperiode in einem Zeitraum von einigen wenigen 100 Nanosekunden bis zu einigen 10 msec wieder ein. Da das Bauelement während dieser Periode eine unterschiedliche Temperatur aufweist, tritt eine Temperaturverstimmung der Wellenlänge auf. Bei einer positiven (negativen) Veränderung des Verstimmungsstroms erfolgt eine Temperaturänderung in der Art, dass das Bauelement anfänglich kälter (wärmer) ist als wenn es sich für solche Ströme im Gleichgewicht befindet, und es vergeht einige Zeit, bevor der zusätzliche Strom genügend Wärmeenergie abführt, um dies zu ändern. In dieser Periode ist das Bauelement kälter (wärmer) als erwartet, so dass eine Blau-(Rot-)Verschiebung bezüglich der erwarteten Ausgangswellenlänge auftritt.
Ein zweiter Effekt findet über eine viel längere Zeitskala statt. Der Laser weist eine thermische Verbindung mit einem Kühlkörper mit endlicher thermischer Masse auf, welcher einen Temperaturregler zur Aufrechterhaltung seiner Temperatur besitzt. Der Temperaturregler kann nicht ohne Verzögerung auf eine Temperaturänderung reagieren, was bedeutet, dass bei zunehmendem (abnehmendem) Ruhestrom sich der Kühlkörper aufheizt (abkühlt). Dies wiederum bedeutet, dass das Bauelement bei einem gegebenen Temperaturgradienten eine unterschiedliche Temperatur aufweist, da die Bezugstemperatur des Gradienten unterschiedlich ist. Diese Temperaturänderung führt dazu, dass das Bauelement die Temperatur überschreitet und über (unter) den Normalwert für diese Ströme hinausgeht. Dieser Effekt besteht fort, bis der Temperaturregler den Kühlkörper auf seine Normaltemperatur zurückführt, was 1 bis 1,5 sec dauern kann.
Zur Bewältigung der mit den vorübergehenden (und nicht-vorübergehenden) thermischen Effekten verknüpften Probleme und auch jeglicher anderer Effekte, die ein Abweichen der Wellenlänge von einer für einen vorbestimmten Satz von Treiberströmen gewollten Wellenlänge verursachen, ist es möglich, ein Wellenlängen-Messsystem einzubinden, welches das Steuerungssystem mit Messungen der Ausgangswellen länge versorgt. Dadurch kann der Treiberstrom des Lasers in einer Rückkopplungsschleife angepasst werden, um ein Verriegeln des Ausgangssignals in der Ausgangswellenlänge zu erzielen.
Die 2 zeigt ein typisches Beispiel einer solchen Anwendung, wobei ein SG-DBR-Laser als Quelle für ein WDM-System verwendet wird, bei welchem ein Mikroprozessor-Steuerungssystem zum Verriegeln der Wellenlänge vorgesehen ist.
Ein SG-DBR 10 weist einen Anschluss für den Ausgang an einen Lichtleiter 20 auf. Ein Optokoppler 12 ist in dem Ausgangspfad 20 des Lichtleiters angeordnet, um einen geringen Bestandteil der Ausgangsleistung, beispielsweise 5%, auszukoppeln. Der Koppler 12 kann beispielsweise ein eingeschweißter kegelförmiger Koppler 12 sein. Der von dem Koppler 12 abgelenkte Bestandteil des Ausgangsstrahls wird einem optischen Wellenlängen-Verriegler 14 zugeführt, beispielsweise einem JDS Uniphase WL 5000 Serien-Wellenlängen-Verriegler. Der optische Wellenlängen-Verriegler 14 ist ein Wellenlängenmessgerät, welches auf einem Fabry-Perot Etalon basiert. Für Anwendungen in dem WDM-Bereich ist das Etalon derart ausgelegt, dass sein zyklisches Frequenz-Ansprechverhalten demjenigen des ITU-Gitters angepasst ist.
Die 3 zeigt das Frequenz-Ansprechverhalten des Etalon hinsichtlich seines prozentualen Durchsatzes T in Funktion der Frequenz f. Das Frequenz-Ansprechverhalten des Etalon ist so gewählt, dass eine ITU-Kanalfrequenz an der maximalen positiven Steigung der Etalon-Peaks auftritt, wie in der Figur angedeutet ist. Der optische Wellenlängen-Verriegler 14 weist eine erste und zweite Photodiode PD1 und PD2 auf. Die Photodiode PD1 ist so angeordnet, dass sie das von dem Etalon übertragene Licht erfasst. In Bezugnahme auf
3 erfasst die Photodiode PD1 dementsprechend, falls die Ausgangsfrequenz des Lasers beispielsweise größer als die ITU-Frequenz ist, einen höheren einfallenden Leistungspegel P1, als sie bei der ITU-Kanalfrequenz erfassen würde. Ähnlich ist die auf die Photodiode PD1 einfallende Leistung P1, falls die Ausgangsfrequenz des Lasers geringer als die ITU-Kanalfrequenz ist, niedriger als der Wert, den sie aufweisen würde, wenn die Laserausgabe auf der ITU-Kanalfrequenz wäre. Somit gibt die Photodiode PD1 eine Spannung V_pd1 aus, die sich als Basis zur Erzeugung eines Fehlersignals eignet, welches sich auf die Frequenzabweichung des Laserausgangs bezüglich der ITU-Kanalfrequenz bezieht.
Die zweite Photodiode PD2 des optischen Wellenlängen-Verrieglers ist zum Messen der optischen Eingangsleistung in den Verriegler 14 ausgebildet, wobei sie ein Maß der gesamten Ausgangsleistung des Lasers in Form einer Spannungsmessung V_pd2 bereitstellt. Die Spannungsmessungen V_pd1 und V_pd2 werden über entsprechende Signallinien 16 und 18 einem Analog-Digital-Wandler (ADW) 22 zugeführt. Der ADW 22 kann beispielsweise eine Zwölf-Bit-Auflösung aufweisen. Der ADW 22 führt die digitalisierten Spannungsmessungen V_pd1 und V_pd2 einem Mikroprozessor 24 zu, welcher mit einer untergeordneten Computereinrichtung durch eine Schnittstelle 26 verbunden sein kann.
Beim anfänglichen Einstellen des Lasers 10 auf eine vorgegebene ITU-Kanalfrequenz bezieht sich der Mikroprozessor 24 auf einen vorbestimmten Satz von Treiberspannungen V_f, V_b, V_g und V_ph für die betreffende ITU-Kanalfrequenz. Beispielsweise kann eine Nachschlagetabelle den Satz von Treiberspannungen vorteilhaft enthalten. Zu diesem Zweck kann der Mikroprozessor 24 deshalb einen Speicher auf dem Chip, beispielsweise einen Flash-Speicher aufweisen. Zum Einstellen des Lasers 10 auf eine bestimmte ITU-Kanalfre quenz vermittelt der Mikroprozessor 24 einen Satz von Spannungen an einen Digital-Analog-Wandler (DAW) 28. Der DAW 28 kann beispielsweise eine Zwölf-Bit-Auflösung aufweisen.
Daraufhin führt der DAW 28 die Spannungen einem Steuerungsschaltkreis 30 zu, welcher die Spannungen in entsprechende Treiberströme I_f, I_b, I_g und I_ph umwandelt, welche dann dem entsprechenden vorderen Spiegel, hinteren Spiegel, der Verstärkungs- und Phasensektion 8, 2, 6 und 4 des SG-DBR 10 zugeführt werden.
Der Mikroprozessor 24 stellt in dem Steuerungssystem eine Rückkopplung von dem optischen Wellenlängen-Verriegler 14 zur Verfügung, wobei der Satz von Spannungen kontinuierlich wieder angepasst wird, welcher dem DAW 28 auf Basis der gemessenen Spannungen V_pd1 und V_pd2 zugesandt wird. Die Anpassung der Rückkopplung wird im wesentlichen durch Verändern des Stromes I_ph durchgeführt, welcher der Phasensektion 4 des SG-DBR 10 zugeführt wird. Es folgt eine Beschreibung, welche erläutert, wie dies geschieht. Zunächst wird jedoch darauf hingewiesen, dass, obwohl die aktive Steuerung der Wellenlänge des Lasers 10 in erster Linie durch Anpassen des Phasenstromes hervorgerufen wird, dieses im allgemeinen andere Effekte nach sich zieht, wie ein Verursachen von Veränderungen der Verluste in der Kavität. Dies kann durch Einstellen des Verstärkungsstroms I_g kompensiert werden (alternativ kann eine Kompensierung durch Benutzen eines extern veränderbaren optischen Abschwächers (VOA) erzielt werden, der in dem Ausgangspfad 20 hinter dem Koppler 12 angeordnet ist). Folglich können der Verstärkungsstrom und gegebenenfalls einer der anderen Steuerungsströme als Teil der Rückkopplung verändert werden, obwohl die Steuerung der Wellenlänge hauptsächlich durch Veränderung des Phasenstroms durchgeführt wird. Aus Gründen der Einfachheit bezieht sich die folgende Beschreibung nur auf eine Änderung des Phasenstroms.
Der Phasenstrom I_ph wird durch einen Korrekturfaktor I_err verändert, der durch folgende Gleichung definiert ist
wobei es sich bei V_pd1 und V_pd2 um zu den Leistungen P1 und P2 proportionale Spannungen handelt, wie obenstehend beschrieben ist, und R_ITU der Wert von V_pd1/V_pd2 bei einer ITU-Kanalfrequenz und k ein konstanter Faktor ist. Im allgemeinen wird ein eigener Wert von R_ITU für jeden ITU-Kanal verwendet, wobei diese Werte in einer Nachschlagetabelle gespeichert sind, welche durch einen Bestandteil des Speicherchips des Steuerungs-Mikroprozessors gebildet sein kann, oder in einem EPROM oder einem anderen Speicher enthalten sein kann. Typischerweise erfolgt eine Voreinstellung der Werte von R_ITU während der Herstellungsphase. Durch ein Einstellen von Vph → V_ph – V_err in jedem Steuerungszyklus erfolgt eine effektive Korrektur des Phasenstroms, da der Stromfehlerwert I_err proportional ist zur Abweichung der Wellenlänge von der Wellenlänge des ITU-Kanals. Falls der Wert von V_err negativ ist, erfolgt also eine Erhöhung des Phasenstroms um einen kleinen Betrag, und umgekehrt. Der Vorgang wird solange wiederholt, bis sich die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem gespeicherten Wert innerhalb einer Toleranzgrenze befindet. Folglich wird der Phasenstrom dazu verwendet, eine Feinabstimmung der Ausgangsfrequenz des Lasers bereitzustellen, wobei ein zunehmender Phasenstrom typischerweise eine Zunahme der Ausgangsfrequenz des Lasers bewirkt.
Somit basiert ein herkömmliches Steuerungssystem für die Wellenlängen-Verriegelung, wie es voranstehend oder in Referenz [2] beschrieben ist, auf dem Berechnen eines Fehlerfaktors aus der Abweichung des Verhältnisses P1/P2 von einem gewünschten Wert von P1/P2 für den betreffenden Wellenlängenkanal, das als zusammengesetzter Wert des Verhältnisses R_ITU gespeichert wird.
Die Steuerungsschleife hängt also von der Durchführung eines Divisionsvorgangs ab. Die Durchführung von Divisionsvorgängen kann durch Verwendung eines Mikroprozessors, wie einem digitalen Signal-Prozessor (DSP) leicht bewerkstelligt werden, und kann auch von einigen Arten von Multiplizierer-Komponenten durchgeführt werden. Jedoch sind sowohl auf einem Chip implementierte Mikroprozessoren als auch solche Multiplizierer mit Einschränkungen behaftet.
Ein Nachteil bei der Verwendung eines DSP oder anderen Mikroprozessorchips besteht darin, dass eine Analog-Digital-(AD)Eingabe am Eingang und eine Digital-Analog-(DA)-Ausgabe am Ausgang durchgeführt werden muss. Die Durchführung derselben kostet Zeit und beschränkt die Verriegelungs-Geschwindigkeit des Systems.
Ein Nachteil bei der Benutzung von Multiplizierer-Chips ist deren Genauigkeit und Bandbreite. Die Genauigkeit ist typischerweise schlechter als +/– 2% und die Bandbreite ist auf einen Maximalwert von ungefähr 1 MHz begrenzt. Dies beschränkt die Geschwindigkeit und Genauigkeit des Verriegelungs-Mechanismus.
Der Artikel von G. Sarlet et al. "Control of widely tunable SSG-DBR lasers for dense wavelength division multiplexing" beschreibt ein weiteres System zur Wellenlängen- Verriegelung (G. Sarlet et al., Journal of Light wave Technology, Vol. 18, No. 8, p. 1128, August 2000).
Mit einem Steuerungssystem nach dem Stand der Technik, welches Mikroprozessor-Chips verwendet oder Multiplizierer-Chips aufweist, welche Divisionsvorgänge erlauben, sollte eine Verbesserung der Schaltgeschwindigkeit über einen Bereich von einigen 10 Millisekunden hinaus möglich sein, eventuell eine Geschwindigkeit von bis zu einigen 10 Mikrosekunden. Es ist jedoch nicht möglich, schnellere Schaltzeiten zu erreichen, zumindest nicht mittels gegenwärtig kommerziell verfügbarer elektronischer Komponenten.
Dennoch sollte idealerweise das Steuerungssystem eine Ansprechzeit aufweisen, welche sich dem fundamentalen Limit der Schaltzeit einer Laserdiode annähert, welche in dem Bereich von 10 Nanosekunden angesiedelt ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird entsprechend den unabhängigen Ansprüchen ein Weg zum Verriegeln einer Mehrsektions-Laserdiode in einer festgelegten Frequenz vorgeschlagen, der ohne Durchführung einer Division realisiert werden kann, und somit ermöglicht, die Rückkopplungssteuerung zum Verriegeln der Wellenlänge vollständig mittels einfacher elektronischer Komponenten, wie Addierern, Subtrahierern und Multiplizierern, durchzuführen.
Insbesondere ist im Rückkopplungspfad kein Mikroprozessor vorgesehen, so dass langsame Digital-Analog- und Analog-Digital-Umwandlungen kein Bestandteil der Steuerungsschleife sind. Dadurch wird der Einsatz von Mehrsektions-Laserdioden in Anwendungen ermöglicht, welche ein schnelles Schalten zwischen Frequenzkanälen benötigen. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes Lasersystem in einem Vermittlungsnetzwerk für optische Pakete Verwendung finden.
Die Erfindung schlägt ein System vor mit einer Mehrsektionslaserdiode, die eine Mehrzahl von Sektionen mit jeweiligen Steuerungseingängen aufweist, mit einem Datenspeicher, in dem eine Mehrzahl von Sätzen von Steuerungseingangswerten abgelegt ist, wobei jeder Satz von Steuerungseingangswerten einer Zielausgangsfrequenz des Lasers entspricht, mit einer Mikroprozessor-Steuerung, die zur Auswahl eines Satzes von Steuerungseingangswerten und zu deren Weiterleitung an einen Digital-Analogumsetzer ausgebildet ist, um dem Laser einen entsprechenden Satz von Analog-Steuerungssignalen über dessen Steuerungseingänge zuzuführen, und mit einem Verriegelungsschaltkreis, der zur Erzeugung und Ausgabe eines Analog-Korrektursignals ausgebildet ist, welches auf Messungen des Laserausgangssignals anspricht, wobei das Analog-Korrektursignal mit einem der Analog-Steuerungssignale verknüpft wird, bevor dieses Steuerungssignal dem zugehörigen Steuerungseingang des Lasers zugeführt wird, um dabei den Laser in der vorgegebenen Ausgangssignalfrequenz zu verriegeln.
Es erfolgt somit eine Überbrückung des Prozessors, welcher mit langsamen Eingangs-/Ausgangsverzögerungen des Analog-Digitalwandlers (ADC) und Digital-Analogwandlers (DAC) behaftet ist, durch einen Rückkopplungs-Steuerungspfad mit hoher Geschwindigkeit, der auf Analogsignalen basiert.
Gemäß einer Ausführungsform wird nur ein Analog-Korrektursignal verwendet. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Verriegelungsschaltkreis zur Erzeugung und Ausgabe eines weiteren Analog-Korrektursignals ausgebildet ist, welches auf Messungen des Laserausgangssignals anspricht und welches mit einem weiteren der Analog-Steuerungssignale verknüpft wird, bevor dieses Steuerungssignal dem zugehörigen Steuerungseingang des Lasers zugeführt wird.
Zur Messung des Laserausgangssignals sind in anderen Ausführungsformen der Erfindung ein frequenzselektives Element, das ein auf die Wellenlängenkanäle abgestimmtes zyklisches Frequenzansprechverhalten besitzt und zum Empfang von zumindest einem Teil des Laserausgangssignals ausgebildet ist, sowie ein erster Detektor, der zur Versorgung des Verriegelungsschaltkreis mit einem ersten Leistungswert ausgebildet ist, der die vom frequenzselektiven Element übertragene Leistung anzeigt und ein zweiter Detektor, der zur Versorgung des Verriegelungsschaltkreises mit einem zweiten Leistungswert ausgebildet ist, der die gesamte Ausgangsleistung des Lasers anzeigt, vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Steuern eines Lasers vorgeschlagen, welcher aus einer Mehrzahl von Sektionen mit jeweiligen Steuerungseingängen zum Empfang von zugehörigen Analog-Steuerungssignalen besteht, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Speichern einer Mehrzahl von Sätzen von Steuerungseingangswerten in einem Datenspeicher, wobei jeder Satz von Steuerungseingangswerten einer vorgegebenen Ausgangssignalfrequenz des Lasers entspricht; Festlegen eines Ausgangskanals des Lasers unter Benutzung eines Mikroprozessors, um die Weiterleitung einer der Sätze von Steuerungseingangswerten an einen Digital-Analog-Umsetzer, und einen anschließenden Treiberschaltkreis sicherzustellen, um eine entsprechende Reihe von Analog-Steuerungssignalen zu erzeugen, die den Steuerungseingängen des Lasers zugeführt werden; Verriegeln des Lasers in der vorgegebenen Ausgangssignalfrequenz durch Erzeugen und Ausgeben eines Analog-Korrektursignals, welches auf Messungen des Laserausgangssignals anspricht, wobei das Analog-Korrektursignal mit einem der Analog-Steuerungssignale verknüpft wird, bevor dieses Steuerungssignal dem zugehörigen Steuerungseingang des Lasers zugeführt wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein Steuerungsverfahren zum Verriegeln eines Lasers in irgendeine aus einer Mehrzahl von gewünschten Wellenlängen vorgesehen, die auf den entsprechenden Wellenlängenkanälen liegen, umfassend:

(a) Festlegen des Ausgangssignals des Lasers innerhalb eines der Wellenlängenkanäle;
(b) Messen eines ersten Leistungswerts, der die von einem frequenzselektiven Element übertragene Leistung anzeigt, wobei diese Messung ein auf die Wellenlängenkanäle abgestimmtes zyklisches Frequenzansprechverhalten besitzt;
(c) Messen eines zweiten Leistungswerts, der die gesamte Ausgangsleistung des Lasers anzeigt;
(d) Bestimmen eines ersten Fehlerwerts aus der Differenz zwischen dem ersten Leistungswert und einem gewünschten ersten Leistungswert für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal;
(e) Bestimmen eines zweiten Fehlerwerts aus der Differenz zwischen dem zweiten Leistungswert und einem gewünschten zweiten Leistungswert für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal;
(f) Bestimmen eines Lasersteuerungsparameters aus der Differenz zwischen dem ersten oder zweiten Fehlerwert und dem mit einem konstantem Faktor multiplizierten anderen von beiden Fehlerwerten;
(g) Benutzen des Lasersteuerungsparameters zur Verriegelung des Lasers in der gewünschten Wellenlänge.

Bei der ersten Ausführungsform ist möglich, dass der konstante Faktor für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal dem Quotienten aus erstem gewünschten Leistungswert und zweitem gewünschten Leistungswert entspricht. Der Laser kann eine Phasensektion aufweisen und der Lasersteuerungsparameter wird zur Einstellung des Phasenstroms benutzt, welcher der Phasensektion zugeführt wird. Der zweite Fehlerwert kann zur Bestimmung eines weiteren Lasersteuerungsparameters benutzt werden, welcher zum Einstellen von Verstärkung oder Abschwächung im Laser oder dessen Ausgangssignals benutzt wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist ein Steuerungsverfahren zum Verriegeln eines Lasers in irgendeine von einer Mehrzahl aus gewünschten Wellenlängen vorgesehen, welche auf entsprechenden Wellenlängenkanälen liegen, umfassend:

(a) Festlegen des Ausgangssignals des Lasers innerhalb eines der Wellenlängenkanäle;
(b) Messen eines ersten Leistungswerts, der die Ausgangsleistung des Lasers an der gewünschten Wellenlänge anzeigt;
(c) Messen eines zweiten Leistungswerts, der die Gesamtausgangsleistung des Lasers anzeigt;
(d) Bestimmen eines ersten Fehlerwerts aus der Differenz des ersten Leistungswert und eines gewünschten ersten Leistungswerts für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal;
(e) Bestimmen eines zweiten Fehlerwerts aus der Differenz des zweiten Leistungswert und eines gewünschten zweiten Leistungswerts für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal; und
(f) Bestimmen des ersten und zweiten Lasersteuerungsparameters aus dem jeweils ersten und zweiten Fehlerwert, und Benutzung des ersten und zweiten Lasersteuerungsparameters zur Einstellung des jeweils ersten und zweiten Steuerungseingangs des Lasers.

In der zweiten Ausführungsform kann der erste Steuerungseingang der Phasenstrom einer Phasensektion des Lasers sein. Der zweite Steuerungseingang kann ein Verstärkungsstrom sein, der einer Verstärkungssektion des Laser zugeführt wird, oder ein Steuerungsstrom sein, der einem verstellbaren Abschwächungs- oder Verstärkungselement zugeführt wird, welches in dem Pfad des Ausgangssignals des Lasers angeordnet ist.
Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein Lasersystem vorgesehen mit:

(a) einer wellenlängendurchstimmbaren Laserquelle, mit einem Laserausgangssignal auf einem beliebigen einer Mehrzahl von Wellenlängenkanälen;
(b) einem frequenzselektiven Element, das ein auf die Wellenlängenkanäle abgestimmtes Frequenzansprechverhalten hat und zum Empfang von zumindest einem Teil des Laserausgangssignals ausgebildet ist; und
(c) einem ersten Detektor zur Messung eines ersten Leistungswerts, welcher die Leistung anzeigt, die vom frequenzselektiven Element übertragen wird;
(d) einem zweiten Detektor zur Messung eines zweiten Leistungswerts, welcher die Gesamtausgangsleistung des Lasers anzeigt; und
(e) einer den ersten und den zweiten Leistungswert vom ersten und zweiten Detektor empfangenden Steuerungseinheit, die zum einen in einem Kanaleinstellmodus zum Einstellen des Ausgangssignals der Laserquelle auf irgendeinen der Mehrzahl der Wellenlängenkanäle, und zum anderen in einem Wellenlängenverriegelungsmodus zum Verriegeln des Laserausgangssignals in einer gewünschten Wellenlänge unter Benutzung einer Rückkoppelungssteuerung in jedem Wellenlängenkanal ausgebildet ist, wobei die Rückkoppelungssteuerung:
(i) einen ersten Fehlerwert aus der Differenz zwischen dem ersten Leistungswert und einem gewünschten ersten Leistungswert für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal bestimmt;
(ii) einen zweiten Fehlerwert aus der Differenz zwischen dem zweiten Leistungswert und einem gewünschten zweiten Leistungswert für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal bestimmt;
(iii) einen Lasersteuerungsparameter aus der Differenz zwischen dem ersten Fehlerwert und dem mit einem konstanten Faktor multiplizierten zweiten Fehlerwert bestimmt; und
(iv) den Lasersteuerungsparameter zur Ausgabe eines Steuerungssignals an den Laser benutzt, um das Laserausgangssignal in der gewünschten Wellenlänge zu stabilisieren.

Der Wellenlängenverriegelungsmodus kann vorteilhaft für eine Zeitspanne während des Kanaleinstellungsmodus deaktiviert sein, beispielsweise für eine Zeitspanne von 1–50 Nanosekunden, bevorzugt 5–30 Nanosekunden, höchst bevorzugt 10–20 Nanosekunden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend ist die Erfindung zum besseren Verständnis anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Diodenlaser mit einem abgetasteten Gitter-Struktur-DBR (SG-DBR), wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist;
2 einen SG-DBR mit einem zugeordneten Rückkopplungs-Steuerungssystem, welches einen Wellenlängen-Verriegler aufweist, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist;
3 den prozentualen Durchsatz T eines Fabry-Perot Etalon des Wellenlängen-Verrieglers in Funktion der Frequenz f;
4 ein SG-DBR mit einem zugeordneten Rückkopplungs-Steuerungssystem, welches einen Verriegelungsschaltkreis gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst;
5 den Verriegelungsschaltkreis von 4 in höherer Detailtreue;
6 einen SG-DBR mit einem zugeordneten Rückkopplungs-Steuerungssystem, welches einen alternativen Verriegelungsschaltkreis gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst;
7 den Verriegelungsschaltkreis von 6 in höherer Detailtreue;
8 eine Laserdiode mit einem verteilten Bragg-Spiegel (DBR); und
9 einen Diodenlaser mit einem Spiegel, der von einem auf der hinteren Seite abgetasteten oder einem Überstruktur-Gitter (GCSR) gebildet ist.
Ausführliche Beschreibung
4 zeigt einen Laser mit einem zugeordneten Steuerungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese weist eine große Anzahl gemeinsamer Komponenten mit dem Beispiel nach dem Stand der Technik auf, welches in 2 dargestellt und vorstehend beschrieben ist. Aus Gründen der Klarheit werden bezugnehmend auf entsprechende oder vergleichbare Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
Ein SG-DBR 10 wird als Laserquelle verwendet und weist einen Ausgangsanschluss für einen Lichtleiter 20 auf. Zum Einstellen des Lasers 10 auf eine vorgegebene ITU-Kanalfrequenz (unter der Annahme einer DWDM-Anwendung) ist ein Mikroprozessor 24 vorgesehen, beispielsweise ein DSP. Der Mikroprozessor 24 kann mit einer untergeordneten Computereinrichtung über eine Schnittstelle 26 verbunden sein. Der Mikroprozessor 24 zieht für die betreffende ITU-Kanalfrequenz einen vorbestimmten Satz von Treiberspannungen V_f, V_b, V_g und V_ph heran. Beispielsweise kann der Satz von Treiberspannungen vorteilhaft in einer Nachschlagetabelle enthalten sein. Zu diesem Zweck kann der Mikroprozessor 24 deshalb einen Speicher auf dem Chip umfassen, beispielsweise einen Flash-Speicher. Alternativ kann ein dezentraler Speicher wie ein EPROM Verwendung finden, auf welchen der Mikroprozessor 24 über die Schnittstelle 26 Zugriff hat. Zum Einstellen des Lasers 10 auf eine bestimmte ITU-Kanalfrequenz leitet der Mikroprozessor 24 einen Satz von Spannungen an einen Digital-Analog-Wandler (DAW) 28. Der DAW 28 kann beispielsweise eine Auflösung von 12 Bit aufweisen. Der DAW 28 führt die Spannungen V_f, V_b, V_g und V_ph einem Treiberschaltkreis 30 zu. Im Falle der Steuerung der Phase ist ein Addierer 25 zwischen dem DAW 28 und dem Treiberschaltkreis 30 angeordnet, welcher einen ersten Eingang für die Phasenspannung V_ph von dem DAC 28 und einen zweiten Eingang für eine Korrekturspannung ΔV_ph aufweist. Die Fehlerkorrektur der Phasenspannung ist weiter unten eingehender beschrieben. Der Treiberschaltkreis 30 wandelt die Spannungen in entsprechende Treiberströme I_f, I_b, I_g und I_ph um, welche dann dem entsprechenden vorderen und hinteren Spiegel, der Verstärkungs- und Phasensektion 8, 2, 6 und 4 des SG-DBR 10 zugeführt werden.
Der DAW 28 kann auch zur Pulsausbildung verwendet werden, indem die Ströme von einem Arbeitspunkt auf einen anderen verändert werden. Dadurch ist ein schnelleres Schalten des Lasers möglich, falls ein Überschreiten auftritt.
In dem Ausgangspfad 20 des Lasers 10 ist ein Optokoppler 12 zum Auskoppeln eines geringen Anteils der Ausgangsleistung vorgesehen, beispielsweise von 5%. Bei dem Koppler 12 kann es sich beispielsweise um einen eingeschweißten kegelförmigen Koppler handeln. Der von dem Koppler 12 abgetrennte Teil des Ausgangsstrahls wird einem optischen Wellenlängen-Verriegler 14 zugeführt, beispielsweise einem JDS Uniphase WL5000 Serien-Wellenlängen-Verriegler. Bei dem optischen Wellenlängen-Verriegler 14 handelt es sich um ein Wellenlängen-Messgerät, welches auf einem Fabry-Perot Etalon basiert (alternativ kann ein langes Gitter anstelle des Etalon verwendet werden). Für WDM-Anwendungen ist das Etalon derart ausgelegt, dass sein zyklisches Frequenz-Ansprechverhalten mit demjenigen des ITU-Gitters abgestimmt ist. Das Frequenzansprechverhalten des Etalon wurde bereits in Bezugnahme auf 3 erläutert.
Der optische Wellenlängen-Verriegler 14 umfasst eine erste und zweite Photodiode PD1 und PD2. Die Photodiode PD1 ist zum Empfangen des von dem Etalon übertragenen Lichts ausgebildet. Bezugnehmend auf 3 empfängt die Photodiode PD1 dementsprechend einen höheren eingehenden Leistungspegel P1 als sie bei der ITU-Kanalfrequenz empfangen würde, falls die Ausgangsfrequenz des Lasers größer als die ITU-Frequenz ist. Ähnlich, falls die Ausgangsfrequenz des Lasers unterhalb der ITU-Kanalfrequenz ist, ist die in die Photodiode PD1 eingehende Leistung P1 niedriger als der Wert, den sie aufweisen würde, falls der Laserausgang bei der ITU-Kanalfrequenz wäre. (In einer alternativen Ausführung sind die Vorzeichen umgekehrt, wenn die ITU-Kanalfrequenzen an die fallenden Flanken des Etalon angeglichen sind, anstelle der in 3 gezeigten steigenden Flanken). Somit gibt die Photodiode PD1 eine Spannung V_pd1 aus, die als Basis zur Erzeugung eines Fehlersignals verwendet werden kann, welches sich auf die Frequenzabweichung des Laserausgangs von der ITU-Kanalfrequenz bezieht. Die zweite Photodiode PD2 des optischen Wellenlängen-Verrieglers ist zum Messen der optischen Eingangsleistung in den Verriegler 14 vorgesehen, wobei sie ein Maß der gesamten Ausgangsleistung des Lasers in Form einer Spannungsmessung V_pd2 bereitstellt. Die Spannungsmessungen V_pd1 und V_pd2 werden über entsprechende Signalleistungen 16 und 18 dem Verriegelungsschaltkreis zugeführt.
Sinn und Zweck des Verriegelungsschaltkreises 14 ist es, den Korrekturspannungswert ΔV_ph zu erzeugen, welcher der von dem DAW 28 erzeugten Phasenspannung V_ph unter Benutzung des Addierers 25 hinzuaddiert wird, so dass sich die dem Treiberschaltkreis 30 zugeführte Phasenspannung zu V_ph ^' = V_ph + ΔV_ph ergibt.
5 stellt den Verriegelungsschaltkreis ausführlicher dar. Der Verriegelungsschaltkreis empfängt vier Eingangssignale, die gemessenen Spannungen V_pd1 und V_pd2 und zwei voreingestellte Kalibrierungsspannungen V_spd1 und V_spd2 welche den Werten entsprechen, die V_pd1 und V_pd2 haben sollte, wenn der Laserausgang an der gewünschten ITU-Kanalfrequenz (oder einer anderen Zielausgangsfrequenz) erfolgt. Die Spannungen V_spd1 und V_spd2 werden dem Verriegelungsschaltkreis von dem Mikroprozessor 24 über den DAW 28 zugeführt. Die Eingabewerte V_spd1 und V_spd2 sind für jeden ITU-Kanal spezifisch und werden bei der Kalibrierung während der Fertigung des Systems erhalten, indem das Laserausgangssignal auf jede ITU-Kanalfrequenz eingestellt wird und V_pd1 und V_pd2 gemessen wird. Somit erfolgt die Ausgabe des Lasers mit der richtigen Frequenz, falls V_pd1 = V_spd1 und V_pd2 = V_spd2, und V_ph = V_ph ^'.
Die Funktionsweise des Verriegelungsschaltkreises ist im folgenden beschrieben. Die Spannungen V_pd2 – V_spd2 werden durch Subtraktion in einem ersten logischen Subtrahierer 41 kombiniert, um einem Abweichungswert von V_pd2 von seinem Kalibrierungswert zu erhalten. Das resultierende Ergebnis V_pd2 – V_spd2 wird dann mit einem konstanten Faktor k in einem ersten logischen Multiplizierer 42 multipliziert. Der Faktor k wird aus Messungen des Verrieglers gewonnen und entspricht dem Wert des Verhältnisses V_pd1/V_pd2, welches an der betreffenden ITU-Kanalfrequenz bestimmt wird. Der Faktor k ist eine Konstante und ist in die Elektronik eingebunden.
Die Spannungen V_pd1 – V_spd1 werden durch Subtraktion in einem zweiten logischen Subtrahierer 43 kombiniert, um einen Abweichungswert von V_pd1 von seinem Kalibrierungswert zu erhalten. Das andere erhaltene Ergebnis k(V_pd2 – V_spd2) wird dann von V_pd1 – V_spd1 in einem dritten logischen Subtrahierer 44 subtrahiert. Der Faktor k dient also als Gewichtungsfaktor, falls die zwei Abweichungen kombiniert werden, zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Gewichtung.
Falls die Ausgangsleistung des Bauelements sich verändert oder die Ausrichtung der Verriegelung bewegt wurde, was eine Veränderung in den empfangenen Spannungen bei V_pd1 und V_pd2 verursacht, kann diese somit wegnormalisiert werden, ohne dass dabei eine Division erforderlich ist.
Das kombinierte Ergebnis an dem Ausgang des dritten Subtrahierers 44 wird dann mit einen Faktor k' unter Verwendung eines zweiten Multiplizierers 45 skaliert, so dass das Ausgangssignal des zweiten Multiplizierers ausgedrückt werden kann als ΔVph = k'((Vpd1 – Vspd1) – k(Vpd2 – Vspd2))wobei ΔV_ph die Spannung ist, welche zu der von dem Mikroprozessor 24 gelieferten vorkalibrierten Phasenspannung V_ph hinzuzuaddieren ist. Bei dem Faktor k' handelt es sich um einen zusammengefassten Parameter, der als Ausdruck für den Proportionalitätsterm in der Rückkopplungsschleife betrachtet werden kann, durch welchen die Verstärkung in der Schleife festlegt wird.
Die logischen Elemente und andere Schaltkreiselemente des Verriegelungsschaltkreises können durch herkömmliche Hardware realisiert werden, oder mittels programmierbarer Logik, beispielsweise in einer feldprogrammierbaren Gatteranordnung (field programmable gate array, FPGA).
Obwohl der konstante Faktor k in der Praxis nicht genau dem Wert von V_pd1/V_pd2 entspricht, nähert er sich diesem in genügendem Maße an, um diesen Term gering zu halten. wenn beispielsweise F = 0,5 (was einem 3 dB-Abfall in der Ausgangsleistung des Bauelements entspricht) und die Abweichung zwischen k und dem gegenwärtigen Wert von V_pd1/V_pd2 1% beträgt, ergibt sich ein Gesamtfehler von 0,5%. Dies würde eine Versetzung der Ausgangsfrequenz des Lasers von < 200 MHz verursachen, also einem Wert, der vollkommen innerhalb einer typischen Spezifikationsgrenze von +/– 2,5 GHz angesiedelt ist.
Der Grund dafür, dass k nicht genau gleich dem Wert von V_pd1/V_pd2 ist, liegt an einer leichten Veränderung dieses Verhältnisses bei unterschiedlichen ITU-Wellenlängen, welches typischerweise eine Streubreite von 1% über einige 10 Nanometer in dem Bereich einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometer aufweist.
Zusammenfassend ist der Verriegelungsschaltkreis 40 in der Lage, einen Korrekturfaktor für den Phasenstrom bereitzustellen, wobei nur analoge Schaltkreiselemente verwendet werden und kein Mikroprozessor benötigt wird. Dies wird durch Benutzen eines Steuerungsalgorithmus erreicht, der auf Additionen, Subtraktionen und Multiplikationen basiert, und auf keiner Division. Folglich wird eine schnelle Rückkopplungs-Steuerungsschleife hinzugefügt, die den Mikroprozessor überbrückt, der zum Einstellen der Treiberströme des Lasers verwendet wird. Die Steuerung der Rückkopplung basiert auf einem getrennten Ermitteln der Abweichungen der gemessenen Spannung V_pd1 und V_pd2 von gespeicherten Zielwerten dieser Parameter V_spd1 und V_spd2. Dies ist ein Unterschied zu einem herkömmlichen Steuerungsalgorithmus nach dem Stand der Technik, welcher auf einem Bestimmen der Abweichung aus einem Zielverhältnis dieser Spannungswerte basiert. Die Zusammensetzung in dem Speicher unterscheidet sich somit von derjenigen bei dem Stand der Technik in dem Sinne, dass für jeden Satz von Steuerungsspannungen V_f, V_b, V_g und V_ph und eine vorgegebene Zielausgangsfrequenz zwei Werte V_spd1 und V_spd2 anstelle eines einzelnen zusammengesetzten Werts R_ITU gespeichert werden, wobei V_spd1/V_spd2 = R_ITU.
Der Mikroprozessor 24 ist vorteilhaft in der Lage, den Verriegelungsschaltkreis 40 aus- und einzuschalten. In 4 ist eine Steuerungsleistung 27 für diesen Zweck mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Insbesondere ist ein bevorzugter Betriebsmodus vorgesehen, bei welchem der Ver riegelungsschaltkreis während eines jeden Frequenzschaltereignisses außer Funktion ist. In anderen Worten schaltet der Mikroprozessor 24 bei jedem Weiterleiten eines neuen Satzes von Steuerungsspannungen V_f, V_b, V_g und V_ph an den DAW 28 gleichzeitig oder kurz vorher den Verriegelungsschaltkreis 40 aus und schaltet den Verriegelungsschaltkreis 40 kurz danach wieder an, beispielsweise einige 10 Nanosekunden nach einem Schalten, z.B. 10, 20, 30 oder 40 Nanosekunden. Dadurch wird es dem Laser ermöglicht, eine grobe Stabilisierung nach dem Schalten und vor der Aktivierung der Rückkopplung des Verriegelungsschaltkreises einzunehmen. Die Verzögerung bei der Aktivierung des Verriegelungsschaltkreises nach dem Schalten erlaubt es dem Laser, die Ausgangswellenlänge zu schalten und daraufhin Ladungsträgereffekte auszugleichen, so dass, wenn die Verriegelung aktiviert ist, die Ausgangswellenlänge des Lasers sich innerhalb des Verriegelungsbereichs des Systems, d.h. innerhalb des Ziel-ITU-Kanals (wenn auch nicht nahe an der Zentralfrequenz des Kanals), befindet. Die Verriegelung kann dann eine Kompensierung für Alterungseffekte und thermische Effekte bewirken.
Ebenso ist es möglich, einen Mitregelungsmechanismus während des anfänglichen Übergangs zu verwenden, um sicherzustellen, dass der Laser auf eine Wellenlänge in dem Verriegelungsbereich des Bauelements springt.
Offensichtlich können auch die Spannungsmessungen V_pd1 und V_pd2 dem Mikroprozessor zusätzlich über einen geeigneten ADW (nicht gezeigt) zugeführt werden, wie in dem Beispiel nach dem Stand der Technik in 2 gezeigt ist. Die Spannungsmessungen können dann von dem Mikroprozessor 24 zum Verändern der Ausgangsspannungen V_f, V_b, V_g und V_ph verwendet werden, die dem DAW 28 zugeführt werden, wodurch eine zusätzliche Rückkopplung ähnlich wie bei dem Beispiel nach dem Stand der Technik bereitgestellt wird, so dass ein Korrigieren von langsam sich verändernden Variationen in der Wellenlänge bewirkt wird, welche Zeitkonstanten im Mikro- oder Millisekundenbereich aufweisen.
Der Ausgang des Fehlersignals ΔV_ph von dem Verriegelungsschaltkreis 40 kann auch zur Erzeugung des Gesamtsystem-Fehlerwerts herangezogen werden. Falls der Wert der Korrekturspannung einen gewissen Wert übersteigt, kann daraus gefolgert werden, dass die Rückkopplungssteuerung nicht korrekt arbeitet, woraus wiederum abgeleitet werden kann, dass das System einem Gesamtfehler unterliegt. Beispielsweise kann der Laserausgang in dem falschen Wellenlängenbereich oder mit einer instabilen Leistung auf einen geeigneten Pegel erfolgen. Eine Ausführungsform sieht dabei vor, dass ein Gesamtfehlersignal und ein Abstellen des Systems durch Zuführung des Fehlersignals von dem Verriegelungsschaltkreis an den Mikroprozessor 24 über einen geeigneten ADW (nicht gezeigt) oder ein logisches Signal erzeugt werden kann.
6 zeigt einen Laser mit einem zugeordneten Steuerungssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese weist eine Vielzahl gemeinsamer Komponenten mit der ersten Ausführungsform auf, nämlich eine SG-DBR Laserquelle 10 mit einem Ausgangsanschluss an einen Lichtleiter 20, einen Mikroprozessor 24 mit einer zugeordneten Schnittstelle 26, der zur Steuerung des Lasers 10 über einen DAW 28 und einen Treiberschaltkreis 30 angeschlossen ist, wobei eine Rückkopplung durch einen Wellenlängen-Verriegler 14 und einen Verriegelungsschaltkreis 140 bereitgestellt wird. Im folgenden wird die zweite Ausführungsform kurz bezüglich ihrer Ähnlichkeiten und Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben. Wie auch in der ersten Ausführungsform benutzt die zweite Ausführungsform einen Verriegelungsschaltkreis zum Bereitstellen einer Hochgeschwindigkeits-Rückkopplung zum Wellenlängenverriegeln, welche den Mikroprozessor 24 überbrückt und welche auf vier Eingangssignalen basiert, nämlich den Signalmesswerten V_pd1 und V_pd2 und den Kalibrierungssignalen V_spd1 und V_spd2. Den Spannungen kommt dieselbe Bedeutung und derselbe Ursprung als denjenigen der ersten Ausführungsform zu. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch ihren internen Aufbau des Verriegelungsschaltkreises, und durch die Tatsache, dass der Verriegelungsschaltkreis zwei Ausgänge aufweist, einen zum Korrigieren der Phasenspannung ΔV_ph (wie in der ersten Ausführungsform) und einen anderen zum Korrigieren der Verstärkungsspannung ΔV_g, welche zu den Mikroprozessor-Werten für die Phasen- und Verstärkungsspannungen durch entsprechende Addierer 25 und 23 hinzuaddiert werden, die zwischen dem DAW 28 und dem Treiberschaltkreis 30 wie dargestellt angeordnet sind, so dass der Treiberschaltkreis die entsprechenden Verstärkungs- und Phasenspannungen V_g ^' und V_ph ^' empfängt, wobei V_ph ^' = V_ph + ΔV_ph und V_g ^' = V_g.
Die innere Struktur des Verriegelungsschaltkreises 140 in der zweiten Ausführungsform ist in 7 gezeigt. Im folgenden wird die Funktionsweise des Verriegelungsschaltkreises erläutert. Die Spannungen V_pd1 – V_spd2 welche die gesamte gemessene Ausgangsleistung des Lasers darstellen, werden durch einen ersten logischen Subtrahierer 141 durch Subtraktion kombiniert, um einen Abweichungswert der gesamten Ausgangsleistung von ihrem Kalibrierungswert zu erhalten. Das folgende Ergebnis V_pd2 – V_spd2 wird dann mit einem konstanten Faktor k'' in einem ersten logischen Multiplizierer 142 multipliziert.
Die Spannungen V_pd1 – V_spd1, die die Leistung darstellen, welche das Etalon oder ein anderes wellenlängenselektives Element durchläuft, werden durch Subtraktion in einem zweiten logischen Subtrahierer 143 kombiniert, um einen Abweichungswert für V_pd1 von seinem Kalibrierungswert zu erhalten.
Die Abweichungswerte, welchen V_pd1 und V_pd2 zugeordnet sind, stellen zwei entsprechende Spannungskorrektursignale für die Phase und die Verstärkung dar, und werden an getrennten Ausgängen des Verriegelungsschaltkreises den entsprechenden Addierern 25 und 23 zugeführt, um eine Korrektur der entsprechenden Treiberströme durchzuführen, welche dem Laser zugeführt werden. Alternativ kann das Abweichungssignal für die Verstärkung einem variierbaren Abschwächer oder optischen Verstärker zugeführt werden, der in dem Ausgangspfad des Lasers, beispielsweise in Serie mit dem Ausgangslichtleiter 20, angeordnet ist. Folglich ermöglicht die zweite Ausführungsform, wie die erste Ausführungsform, eine schnelle Rückkopplung für die Wellenlängen-Verriegelung, ohne dass die Benutzung eines Mikroprozessors oder einer anderen Komponente zum Ausführen einer Division erforderlich ist.
Offensichtlich sind die Variationen, die hinsichtlich der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, auch auf die zweite Ausführungsform anwendbar.
Ebenso ist es offensichtlich, dass in weiteren Ausführungsformen der SG-DBR durch einen SSG-DBR, oder durch einem DBR oder GCSR ersetzt werden kann, wie sie jeweils in den 8 und 9 dargestellt sind, oder mit jeglicher anderen Laserdiode mit einer Phasensektion.
8 zeigt eine einfache schematische Ansicht eines DBR. Der Laser umfasst eine hintere Spiegelsektion 102 mit einer Verstärkungs- oder aktiven Sektion 106 und einer Phasensektion 104. Herkömmlicherweise ist an der hinteren Facette des Chip eine Antireflektions-Beschichtung 100 vorgesehen, um Facettenmoden zu vermeiden. Die optische Weglänge der Kavität kann ebenfalls mittels der Phasensektion 104 eingestellt werden.
Die 9 zeigt eine einfache schematische Darstellung eines GCSR. Der Laser umfasst eine SG-DBR-Spiegelsektion 110, eine Phasensektion 112, eine Kopplersektion 114 und eine Verstärkungs- oder aktive Sektion 116. Zwei ebene Wellenleiter 118 und 120 erstrecken sich durch den SG-DBR, die Phasen- und die Kopplersektion, wobei sich nur der weiter unten angeordnete Wellenleiter 120 durch die Verstärkungssektion erstreckt.
Anhang 1
Im folgenden wird gezeigt, dass der Steuerungsalgorithmus in der ersten Ausführungsform auf dieselbe mathematische Form wie ein herkömmlicher Steuerungsalgorithmus nach dem Stand der Technik, welcher auf einem Bestimmen der Abweichung von V_pd1/V_pd2 von V_spd1/V_spd2 basiert, zurückgeführt werden kann, wodurch der Beweis geliefert wird, dass die Rückkopplungssteuerung gemäß der ersten Ausführungsform stabil ist.
Die Phasenstromanpassung I_err wird in der ersten Ausführungsform unter Anwendung folgender Gleichung erhalten: Ierr = k1((Vpd2 – Vspd2) – k2(Vpd1 – Vspp1)) Gleichung 1 wobei

V_pd2: = die Spannung an dem Photodetektor PD2 (Etalon-Leistung von dem Verriegler)
V_spd2: = der eingestellte Wert von dem DAC SPD2
V_pd1: = die Spannung an dem Photodetektor PD1 (direkte Leistung von dem Verriegler)
V_spd1: = die eingestellte Spannung von dem DAC SPD
I_err: = der Strom, welcher der Phasensektion des Lasers zuzuführen ist

₁

₂

Lokal an dem ITU-Kanal gilt die folgende Gleichung Vpd2 = (m1λ + C1)P0 und Vpd1 = aP0 wobei P₀ die Lichtausgangsleistung des Lasers und a, m1, C1 Konstanten sind.
Während des Betriebs sind V_spd2 und V_spd1 gleich den Werten von V_pd2 und V_pd1 gewählt, wobei sich der Laser auf dem ITU-Kanal befindet, so dass Vspd2 = (m1λITU + C1)PITU und Vspd1 = aPITU
Der Verriegelungsmechanismus stellt die Wellenlänge des Lasers auf den ITU-Kanal ein, falls sich der Laser noch nicht darauf befindet. Im folgenden wird angenommen, dass sich die Ausgangsleistung und die Wellenlänge des Lasers nicht auf den korrekten Leistungspegeln befinden, so dass Vpd2 = (m1(λITU + Δλ) + C1)(PITU + ΔP)und Vpd1 = a(PITU + ΔP)
Eine Substitution dieser Gleichungen in Gleichung 1 ergibt Ierr = k1((m1(λITU + Δλ) + C1)(PITU + ΔP) – (m1λITU + C1)PITU) – k2(a(PITU + ΔP) – aPITU))
Dies lässt sich in vereinfachter Form schreiben, nämlich Ierr = k1((m1λITUΔP + m1ΔλPITU + m1ΔλΔ + C1ΔP) – k2(aΔP))
Wenn k₂ wie folgt gewählt wird
so ergibt sich, dass Ierr = k1(m1ΔλPITU + m1ΔλΔP),wobei m₁ Δλ ΔP → 0 Ierr = k1(m1ΔλPITU)wobei k₁, m₁, P_ITU Konstanten sind, so dass I_err zu der Wellenlängenänderung an dem gewünschten Einstellungspunkt direkt proportional ist.
Dagegen wird bei der herkömmlichen Methode folgende Gleichung eingesetzt
wobei V_pd1 und V_pd2 wie vorher gewählt sind und R_ITU dem Wert von V_pd1/V_pd2 auf einem ITU-Kanal entspricht. Somit ergibt sich
Es lässt sich zeigen, dass der Bereich eines ITU-Kanals unter Benutzung einer Taylor Entwicklung wie folgt angenähert werden kann
Daraus folgt
wobei Δλ << λ_ITU d.h. in dem Bereich eines ITU-Kanals. Dies trifft zu, falls die Verstärkung in der Schleife des Systems hoch ist, und folglich
Ierr = k(am3Δλ)
Folglich ist I_err durch Auswählen der korrekten Beziehung zwischen k und k₂ in beiden Methoden identisch, wobei es auf den Unterschied ankommt, dass in der erfindungsgemäßen Methode die Berechnung von I_err die Durchführung einer Division nicht erforderlich ist. Es ist anzumerken, dass in dem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ein P-Term auftritt, jedoch kann dieser unter Verwendung eines Verstärkungsausgleiches in dem Laser konstant gemacht werden, so dass der Laser dieselbe Ausgangsleistung für alle Kanäle aufweist. Weiterhin ist es offensichtlich, dass I_err der Stromänderung in der Beschreibung der ersten Ausführungsform entspricht, welche durch Ändern der Phasenspannung V_ph um das Korrekturinkrement ΔV_ph hervorgerufen wird.
Referenzen

1. Kapitel 2 der PhD-Arbeit von Geert Sarlet, University of Gent, Belgien (September 2000) "Tunable laser diodes for WDM communication-methods for control and characterisation".
2. WO-A-0049693 (Andersson)

Claims

System mit: einer Mehrsektionslaserdiode (10), die eine Mehrzahl von Sektionen mit jeweiligen Steuerungseingängen aufweist; einem Datenspeicher, in dem eine Mehrzahl von Sätzen von Steuerungseingangswerten abgelegt ist, wobei jeder Satz von Steuerungseingangswerten einer Zielausgangsfrequenz des Lasers entspricht; eine Mikroprozessor-Steuerung, die zur Auswahl eines Satzes von Steuerungseingangswerten und zu deren Weiterleitung an einen Digital-Analogumsetzer (28) ausgebildet ist, um dem Laser einen entsprechenden Satz von Analog-Steuerungssignale über dessen Steuerungseingänge zuzuführen; und einem Verriegelungsschaltkreis (40), der zur Erzeugung und Ausgabe eines Analog-Korrektursignals ausgebildet ist, welches auf Messungen des Laserausgangssignals anspricht, wobei das Analog-Korrektursignal mit einem der Analog-Steuerungssignale verknüpft wird, bevor dieses Steuerungssignal dem zugehörigen Steuerungseingang des Lasers zugeführt wird, um dabei den Laser in der vorgegebenen Ausgangssignalfrequenz zu verriegeln.
System nach Anspruch 1, wobei der Verriegelungsschaltkreis (40) zur Erzeugung und Ausgabe eines weiteren Analog-Korrektursignals ausgebildet ist, welches auf Messungen des Laserausgangssignals anspricht und welches mit einem weiteren der Analog-Steuerungssignale verknüpft wird, bevor dieses Steuerungssignal dem zugehörigen Steuerungseingang des Lasers zugeführt wird.
System nach Anspruch 1 oder 2, zusätzlich aufweisend: ein frequenzselektives Element, das ein auf die Wellenlängenkanäle abgestimmtes zyklisches Frequenzansprechverhalten besitzt und zum Empfang von zumindest einem Teil des Laserausgangssignals ausgebildet ist; und einen ersten Detektor, der zur Versorgung des Verriegelungsschaltkreis mit einem ersten Leistungswert ausgebildet ist, der die vom frequenzselektiven Element übertragene Leistung anzeigt; und einen zweiten Detektor, der zur Versorgung des Verriegelungsschaltkreises mit einem zweiten Leistungswert ausgebildet ist, der die gesamte Ausgangsleistung des Lasers anzeigt.
Verfahren zum Steuern eines Lasers (10), welcher aus einer Mehrzahl von Sektionen mit jeweiligen Steuerungseingängen zum Empfang von zugehörigen Analog-Steue rungssignalen besteht, gekennzeichnet durch: Speichern einer Mehrzahl von Sätzen von Steuerungseingangswerten in einem Datenspeicher, wobei jeder Satz von Steuerungseingangswerten einer vorgegebenen Ausgangssignalfrequenz des Lasers entspricht; Festlegen eines Ausgangskanals des Lasers unter Benutzung eines Mikroprozessors (24), um die Weiterleitung einer der Sätze von Steuerungseingangswerten an einen Digital-Analog-Umsetzer (28), und einen anschließenden Treiberschaltkreis (30) sicherzustellen, um eine entsprechende Reihe von Analog-Steuerungssignalen zu erzeugen, die den Steuerungseingängen des Lasers zugeführt werden; Verriegeln des Lasers in der vorgegebenen Ausgangssignalfrequenz durch Erzeugen und Ausgeben eines Analog-Korrektursignals, welches auf Messungen des Laserausgangssignals anspricht, wobei das Analog-Korrektursignal mit einem der Analog-Steuerungssignale verknüpft wird, bevor dieses Steuerungssignal dem zugehörigen Steuerungseingang des Lasers zugeführt wird.
Steuerungsverfahren zum Verriegeln eines Lasers in irgendeine aus einer Mehrzahl von gewünschten Wellenlängen, die auf den entsprechenden Wellenlängenkanälen liegen, gekennzeichnet durch: (a) Festlegen des Ausgangssignals des Lasers (10) innerhalb eines der Wellenlängenkanäle; (b) Messen eines ersten Leistungswerts, der die von einem frequenzselektiven Element übertragene Leistung anzeigt, wobei diese Messung ein auf die Wel lenlängenkanäle abgestimmtes zyklisches Frequenzansprechverhalten besitzt; (c) Messen eines zweiten Leistungswerts, der die gesamte Ausgangsleistung des Lasers anzeigt; (d) Bestimmen eines ersten Fehlerwerts aus der Differenz zwischen dem ersten Leistungswert und einem gewünschten ersten Leistungswert für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal; (e) Bestimmen eines zweiten Fehlerwerts aus der Differenz zwischen dem zweiten Leistungswert und einem gewünschten zweiten Leistungswert für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal; (f) Bestimmen eines Lasersteuerungsparameters aus der Differenz zwischen dem ersten oder zweiten Fehlerwert und dem mit einem konstantem Faktor multiplizierten anderen von beiden Fehlerwerten; (g) Benutzen des Lasersteuerungsparameters zur Verriegelung des Lasers in der gewünschten Wellenlänge.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Faktor für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal dem Quotienten aus erstem gewünschten Leistungswert und zweitem gewünschten Leistungswert entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser eine Phasensektion aufweist und der Lasersteuerungsparameter zur Einstellung des Phasenstroms benutzt wird, welcher der Phasensektion zuge führt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fehlerwert zur Bestimmung eines weiteren Lasersteuerungsparameters benutzt wird, welcher zur Einstellung von Verstärkung oder Abschwächung im Laser oder dessen Ausgangssignals benutzt wird.
Steuerungsverfahren zum Verriegeln eines Lasers in irgendeine von einer Mehrzahl aus gewünschten Wellenlängen, welche auf entsprechenden Wellenlängenkanälen liegen, wobei das Steuerungsverfahren folgendes umfasst: (a) Festlegen des Ausgangssignals des Lasers (10) innerhalb eines der Wellenlängenkanäle; (b) Messen eines ersten Leistungswerts, der die Ausgangsleistung des Lasers an der gewünschten Wellenlänge anzeigt; (c) Messen eines zweiten Leistungswerts, der die Gesamtausgangsleistung des Lasers anzeigt; (d) Bestimmen eines ersten Fehlerwerts aus der Differenz des ersten Leistungswert und eines gewünschten ersten Leistungswerts für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal; (e) Bestimmen eines zweiten Fehlerwerts aus der Differenz des zweiten Leistungswert und eines gewünschten zweiten Leistungswerts für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal; und (f) Bestimmen des ersten und zweiten Lasersteuerungsparameters aus dem jeweils ersten und zweiten Fehlerwert, und Benutzung des ersten und zweiten Lasersteuerungsparameters zur Einstellung des jeweils ersten und zweiten Steuerungseingangs des Lasers.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Steuerungseingang der Phasenstrom einer Phasensektion des Lasers ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Steuerungseingang ein Verstärkungsstrom ist, der einer Verstärkungssektion des Laser zugeführt wird, oder ein Steuerungsstrom ist, der einem verstellbaren Abschwächungs- oder Verstärkungselement zugeführt wird, welches auf dem Ausgangssignalpfad des Lasers angeordnet ist.
Lasersystem mit: (a) einer wellenlängendurchstimmbaren Laserquelle (10), mit einem Laserausgangssignal auf einem beliebigen einer Mehrzahl von Wellenlängenkanälen; (b) einem frequenzselektiven Element, das ein auf die Wellenlängenkanäle abgestimmtes Frequenzansprechverhalten hat und zum Empfang von zumindest einem Teil des Laserausgangssignals ausgebildet ist; und (c) einem ersten Detektor zur Messung eines ersten Leistungswerts, welcher die Leistung anzeigt, die vom frequenzselektiven Element übertragen wird; (d) einem zweiten Detektor zur Messung eines zweiten Leistungswerts, welcher die Gesamtausgangsleistung des Lasers anzeigt; und (e) einer den ersten und den zweiten Leistungswert vom ersten und zweiten Detektor empfangenden Steuerungseinheit, die zum einen in einem Kanaleinstellmodus zum Einstellen des Ausgangssignals der Laserquelle auf irgendeinen der Mehrzahl der Wellenlängenkanäle, und zum anderen in einem Wellenlängenverriegelungsmodus zum Verriegeln des Laserausgangssignals in einer gewünschten Wellenlänge unter Benutzung einer Rückkoppelungssteuerung in jedem Wellenlängenkanal ausgebildet ist, wobei die Rückkoppelungssteuerung: (i) einen ersten Fehlerwert aus der Differenz zwischen dem ersten Leistungswert und einem gewünschten ersten Leistungswert für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal bestimmt; (ii) einen zweiten Fehlerwert aus der Differenz zwischen dem zweiten Leistungswert und einem gewünschten zweiten Leistungswert für den gegenwärtig eingestellten Wellenlängenkanal bestimmt; (iii) einen Lasersteuerungsparameter aus der Differenz zwischen dem ersten Fehlerwert und dem mit einem konstanten Faktor multiplizierten zweiten Fehlerwert bestimmt; und (iv) den Lasersteuerungsparameter zur Ausgabe eines Steuerungssignals an den Laser benutzt, um das Laserausgangssignal in der gewünschten Wellenlänge zu stabilisieren.
Lasersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle eine Phasensektion (112) umfasst und der Steuerungsparameter ein Phasenstrom ist, der der Phasensektion zugeführt wird.
Lasersystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenlängenverriegelungsmodus für eine Zeitspanne während des Kanaleinstellungsmodus deaktiviert ist.