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Die
Erfindung betrifft eine Laservorrichtung für die optische Paketdatenübertragung
in Burst-Modus-Systemen und einen optischen Sender in einem solchen
System.
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Solche
Laservorrichtungen und optischen Sender sind im Wesentlichen gemäß dem Stand
der Technik bekannt. Bekannte Laservorrichtungen umfassen insbesondere
eine Laserlichtquelle zur Ausgabe eines Laserlichtstrahls und einen
Lasertreiber zum Steuern dieser Laserlichtquelle. Die bekannten Laservorrichtungen
umfassen des Weiteren eine Paketdatenquelle zur Ausgabe eines Paketdatenstroms.
Darüber
hinaus umfassen sie Filtermittel zum Erzeugen eines Gruppensignals
der Datenpakete in den Paketdatenströmen und Umschaltmittel zum Umschalten
des Lasertreibers als Reaktion auf das Gruppensignal.
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Die
derzeit im Markt verfügbaren
Laservorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass sie ihren Lichtausgang
nicht vollständig
schließen
können, auch
wenn sie über
ein Abschaltsignal wie beispielsweise eine logische Null gesteuert
werden. Der Grund dafür
ist, dass sie nur ein niedriges Extinktionsverhältnis aufweisen. Dadurch bleibt
ein Restlicht erhalten, das von den Laservorrichtungen beispielsweise
auf eine Glasfaser ausgegeben wird, auch wenn eine logische Null übertragen
werden soll.
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Wenn
nur eine dieser Laservorrichtungen in einem Telekommunikationssystem
bereitgestellt wird, verursacht dieses Restlicht keine Schwierigkeiten
bei der korrekten Erkennung des übertragenen logischen
Werts, insbesondere bei einer logischen Null, da ein Schwellenwert
zum Erkennen der logischen Null entsprechend angepasst werden kann.
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Bei
DWDM-Systemen („Dense
Wavelength Division Multiplex",
Dichte Wellenlängen-Multiplex), die
in einem Burst-Modus betrieben werden, arbeitet jedoch eine Vielzahl
von Laservorrichtungen auf der gleichen Wellenlänge, und alle diese Vorrichtungen übertragen
den modulierten Laserstrahl über
den gleichen Kanal. Daher summieren sich auf dem Kanal die Ausgänge aller
dieser Laservorrichtungen, oder präziser, dieser optischen Modulatormittel. Wenn
relativ viele dieser Laservorrichtungen oder Modulatormittel dieses
Restlicht, das eine logische Null darstellt, gleichzeitig ausgeben,
so ergibt sich das Problem, dass sich diese Restlichtanteile auf dem
Kanal summieren und vom Empfänger
dieses Laserstrahls fälschlicherweise
als logisch „1" interpretiert werden
können.
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Aus
der Patentschrift 6,590,686 ist ein Lasersender bekannt, der eine
Laserdiode und einen Überwachungsdetektor
umfasst, die ein Rückmeldungssignal
erzeugen nach dem Überwachen
der Leistung eines Teils des von der Laserdiode erzeugten optischen
Signals. Der Lasersender umfasst des Weiteren eine Steuerungseinheit,
die einen kontrollierten Treiberstrom liefert, sodass die von der
Leistungsüberwachung
erkannte Leistung konstant wird. Die bekannten Lasersender bieten
jedoch keine Garantie dafür,
dass vom Lasersender kein Restlicht emittiert wird, wenn keine Datenpakete übertragen
werden sollen.
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Ein
weiterer Lasersender ist bekannt aus der Patentschrift
EP 0 683 553 A2 , wobei dieser
Sender eine Laserlichtquelle, einen Lasertreiber und eine Datenquelle
umfasst. Die Datenquelle stellt ein Datensignal bereit für einen
ersten Generator sowie ein Zellengruppensignal für einen zweiten Generator. Der
zweite Generator wird entsprechend dem Gruppensignal ein- und ausgeschaltet.
Zur Steuerung der Spitzenleistung des bekannten Lasersenders wird ein Überwachungsdetektor
bereitgestellt, der nach einer Durchschnittsberechnung der erfassten
Daten ein aktuelles Spitzenleistungssignal erzeugt. Das aktuelle
Spitzenleistungssignal wird verstärkt und in eine Spitzenleistungs-Steuerungseinheit
eingespeist. Die Spitzenleistungs-Steuerungseinheit erzeugt anschließend einen
Schwellenwert, nachdem sie das aktuelle Spitzenleistungssignal mit
einem vordefinierten Referenzwert verglichen hat. Der Schwellenwert
wird in den zweiten Generator eingespeist und nur wirksam, wenn
der zweite Generator durch das Gruppensignal aktiviert wird. Dieser
Lasersender wird nur während
einer so genannten sendefreien Schutzzeit vollständig ausgeschaltet, wobei diese
Schutzzeit zum Synchronisieren der Datenübertragung von ATM-Zellen (Asynchroner
Transfermodus) erforderlich ist. Wenn eine Vielzahl der bekannten
Lasersender auf der gleichen Wellenlänge arbeitet und alle den Laserstrahl über den
gleichen Kanal senden, liegt das Problem der Fehlinterpretation
einer Summe aus logischen Nullen als einer logischen Eins somit
wegen der Restlichtanteile weiterhin vor. Darüber hinaus basiert dieser bekannte
Lasersender auf einer sehr komplexen Konzeption, die sich nur mit
hohen Kosten realisieren lässt.
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Ausgehend
vom Stand der Technik ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine bekannte
Laservorrichtung und einen optischen Sender für die optische Datenpaketübertragung
in TDM-Systemen so zu verbessern, dass ein ausreichend hohes Extinktionsverhältnis erzielt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfüllt
durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1. Konkret ist die oben beschriebene Laservorrichtung gemäß der Erfindung gekennzeichnet
durch optische Modulatormittel zum Empfangen und Modulieren des
Laserlichtstrahlausgangs von der Laserlichtquelle. Die Laservorrichtung ist
des Weiteren gekennzeichnet durch einen Modulatortreiber zum Empfangen
des Paketdatenstromausgangs von der Paketdatenquelle und zur Steuerung
der optischen Modulatormittel als Reaktion auf diesen Paketdatenstrom,
was dazu führt,
dass die optischen Modulatormittel den Laserstrahl als Reaktion
auf diesen Paketdatenstrom modulieren.
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Gemäß der Erfindung
wird die Laserquelle in vorteilhafter Weise ein- und ausgeschaltet
als Reaktion auf das Gruppensignal der Datenpakete dieses Datenstroms.
Sie wird insbesondere eingeschaltet, wenn ein Paket übertragen
werden soll, und sie wird ausgeschaltet, wenn kein Paket übertragen
wird. Wegen der spezifischen Architektur der Laservorrichtung gemäß der Erfindung,
insbesondere wegen der Umschaltung dieser Laserquelle, wird ein
eindeutiges Umschalten des Laserstrahls erzielt. Wenn die Laserlichtquelle
ausgeschaltet wird, emittiert sie – im Gegensatz zu optischen
Modulatormitteln – definitiv keinen
Restlichtanteil. In diesem Fall emittiert daher auch der optische
Modulator in Abwärtsrichtung
kein Restlaserlicht. Selbst wenn beispielsweise in einem Burst-Modus-System
eine Vielzahl von Laservorrichtungen am gleichen Kanal angeschlossen
ist und gleichzeitig ausgeschaltet wird, liegt kein unerwünschter
logischer Pegel durch die Überlagerung oder
Summierung von Restlichtanteilen am Kanal an. Anders ausgedrückt: Das
Extinktionsverhältnis
der Laservorrichtung gemäß der Erfindung
und insbesondere des optischen Modulators ist ausreichend hoch,
selbst für
die Verwendung in Burst-Modus-Systemen.
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Statt
Pausen werden gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
Füllmuster
zwischen den Paketdaten im Paketdatenstrom eingefügt. Diese
Füllmuster
werden bereitstellt, um sicherzustellen, dass eine konstante Komponente
des Datenstroms nicht mit der Zeit variiert, insbesondere nicht über verschiedene
Zeitschlitze hinweg. Da diese konstante Komponente konstant gehalten
wird, sendet sie keine Informationen und braucht daher auch nicht
korrekt übertragen
zu werden. Die somit verfügbaren preisgünstigen
Modulatortreiber können
innerhalb der Laservor richtung verwendet werden, auch wenn sie nicht
in der Lage sind, diese konstante Komponente während der Übertragung konstant zu halten.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich durch die Ausführung der Laserlichtquelle
als einer Einheit mit dualem Energieverbrauch, die mindestens zwei
Energie verbrauchende Elemente umfasst, und durch die Ausführung des
Lasertreibers als Differenzialtreiber zur Steuerung beider Elemente
in komplementärer Weise
als Reaktion auf das Gruppensignal. Dies ist vorteilhaft, da die
Laserlichtquelle beim Einschalten eine thermische Ausdehnung erfährt und
sich beim Ausschalten thermisch zusammenzieht. Diese Schwankungen
der thermischen Ausdehnung bewirken eine proportionale Variation
des Abstands zwischen zwei gegenüber
liegenden Spiegeln innerhalb der Laserlichtquelle und bewirken somit
Variationen in der Wellenlänge
des von dieser Laserlichtquelle emittierten Laserlichts, da der
Abstand dieser gegenüber
liegenden Spiegel diese Wellenlänge
bestimmt. Variationen in der Wellenlänge verursachen Probleme bei
der korrekten Erkennung eines übertragenen Signals,
insbesondere bei Wellenlängen-Multiplex-Systemen,
bei denen eine Vielzahl von Laservorrichtungen insbesondere Paketdatenströme senden, die
auf unterschiedliche Trägerfrequenzen
(Wellenlängen) über den
gleichen Kanal moduliert werden. Wegen der beschriebenen Ausführungsform
der Laserlichtquelle als Einheit mit dualem Energieverbrauch können diese
Nachteile der variierenden thermischen Ausdehnung und der variierenden
Wellenlängen
vermieden werden. Die Laserfrequenz wird stabil innerhalb einer
Zeitskala, die mit der optischen Paketdauer kompatibel ist.
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Die
oben angegebene Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch einen optischen Sender
für die beanspruchte
Laservorrichtung.
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Die
Vorteile dieser Lösung
entsprechen den oben aufgeführten
Vorteilen im Hinblick auf die beanspruchte Laservorrichtung.
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Der
Beschreibung beigefügt
sind fünf
Figuren, wobei gilt:
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der Laservorrichtung gemäß den Erfindungen;
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2a zeigt
einen Paketdatenstrom einschließlich
Füllmustern
als Ausgang von einer Paketdatenquelle;
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2b zeigt
ein Datenpaket;
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2c zeigt
ein Gruppensignal, das dieses Datenpaket abdeckt;
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Laservorrichtung gemäß der Erfindung;
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4 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Laservorrichtung gemäß der Erfindung;
und
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5 zeigt
einen optischen Sender gemäß der Erfindung.
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlich beschrieben mit Bezug
auf die oben angegebenen Figuren.
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Erste Ausführungsform
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der Laservorrichtung 100 für die optische Paketdatenübertragung
in einem TDM-System,
insbesondere in einem DWDM-System gemäß der Erfindung. Diese Laservorrichtung
umfasst eine Laserlichtquelle 130 zur Ausgabe eines Laserlichtstrahls
und einen Lasertreiber 120 zur Steuerung dieser Laserlichtquelle 130.
Die Laservorrichtung 100 umfasst des Weiteren optische
Modulatormittel 140 zum Empfangen und Modulieren des von
dieser Laserlichtquelle 130 ausgegebenen Laserlichtstrahls.
Die optischen Modulatormittel 140 können an eine Glasfaser 160 angeschlossen
sein und den modulierten Laserlichtstrahl auf diese Faser ausgeben.
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Die
Laservorrichtung 100 umfasst des Weiteren eine Paketdatenquelle 110 zum
Ausgeben eines Paketdatenstroms, wie in 2a gezeigt.
Die beiden vertikalen Linien 11, 12 in 2 stellen
die Begrenzungen eines Zeitschlitzes dar; innerhalb dieses Zeitschlitzes
umfasst der Paketdatenstrom ein Datenpaket dp wie in 2b dargestellt.
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Die
Laservorrichtung 100, bevorzugt die Paketdatenquellen 110,
umfasst Filtermittel 112 zum Erzeugen eines Gruppensignals,
wie in 2c des Datenpakets dp in diesem
Paketdatenstrom gezeigt. Darüber
hinaus umfasst sie Umschaltmittel 114 zum Umschalten des
Lasertreibers 120 als Reaktion auf dieses Gruppensignal.
Beim Umschalten des Lasertreibers 120 als Reaktion auf
dieses Gruppensignal wird auch die Laserlichtquelle 130 vom
Lasertreiber 120 umgeschaltet als Reaktion auf dieses Gruppensignal.
Dieses Gruppensignal stellt ein Aktivierungssignal für die Laserlichtquelle
dar. Wenn die Laserlichtquelle 130 aktiviert wird, hat
die Helligkeit des Laserlichtstrahls, der von dieser Laserlichtquelle
ausgegeben wird, eine konstante Intensität. Wenn die Laserlichtquelle
dagegen von diesem Gruppensignal inaktiviert wird, gibt sie überhaupt
kein Licht aus. Selbst in Burst-Modus-Systemen, in denen eine Vielzahl von
Laservorrichtungen und insbesondere Laserlichtquellen Laserlichtstrahlen
einer identischen Wellenlänge über den
gleichen Kanal senden, ist daher keine Fehlinterpretation der vom
Laserlichtstrahl transportierten Informationen innerhalb der Zeitschlitze,
in denen die meisten oder alle Laservorrichtungen inaktiviert sind,
möglich.
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Mit
Bezug auf 1 umfasst die Laservorrichtung
des Weiteren einen Modulatortreiber 150 zum Empfangen dieses
Paketdatenstroms, der gemäß 2a von
der Paketdatenquelle 110 ausgegeben wird, und zum Steuern
oder Kontrollieren dieser optischen Modularmittel 140 als
Reaktion auf diesen Paketdatenstrom. Dies wird durchgeführt zum
Aktivieren der optischen Modulatormittel 140, so dass diese
den Laserlichtstrahl modulieren können als Reaktion auf diesen
Paketdatenstrom, wenn die Laserlichtquelle gemäß diesem Gruppensignal eingeschaltet
wird.
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Das
Datenpaket dp innerhalb eines Zeitschlitzes gemäß der Darstellung in 2b umfasst eine
konstante Komponente, die innerhalb dieses Zeitschlitzes nicht variiert.
Typischerweise umfasst ein Datenstrom nicht nur Zeitschlitze mit
Datenpaketen, sondern auch eine nicht definierte oder zufällige Anzahl
von Pausen zwischen den einzelnen Datenpaketen. Wegen dieser zufälligen Anzahl
von Pausen zwischen diesen Datenpaketen innerhalb des Datenstroms
variiert die konstante Komponente des Datenstroms mit der Zeit.
Um dies zu vermeiden, werden statt der Pausen zwischen den Datenpaketen
Füllmuster
fp, bevorzugt mit einer gleichen konstanten Komponente wie die Datenpakete
bereitgestellt. Solche Füllmuster
fp sind in 2a auf der rechten Seite und
auf der linken Seite des gezeigten Zeitschlitzes, der das Datenpaket
umfasst, dargestellt. Dadurch hat der in 2a dargestellte
Datenstrom eine konstante Komponente, die nicht mit der Zeit variiert.
Der Betrag dieser konstanten Komponente ist unbeträchtlich
und kann vernachlässigt
werden, da er keinerlei Informationen enthält. Die Ausführungsform des
Modulatortreibers 150 braucht daher kein korrektes Senden
dieser konstanten Komponente sicherzustellen.
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Dies
wird durch den zwischen der Datenpaketquelle 110 und dem
Modulatortreiber 150 bereitgestellten Kondensator 155 schematisch
dargestellt. Die Füllmuster
werden von den optischen Modulatormitteln 140 nicht auf
diese optische Faser 160 moduliert, da die Laserlichtquelle 130 beim
Auftreten dieser Füllmuster
im Datenstromsignal durch dieses Gruppensignal inaktiviert ist.
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Zweite Ausführungsform
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Die
Laservorrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform
leidet unter Schwankungen der thermischen Ausdehnung der Laserlichtquelle 130.
Diese Schwankungen werden dadurch verursacht, dass die Laserlichtquelle
als Reaktion auf das Gruppensignal ein- und ausgeschaltet wird. Beim Einschalten
sind ihr thermischer Energieverbrauch und ihre thermische Ausdehnung
hoch, solange sie dagegen ausgeschaltet ist, kühlt sie sich ab und zieht sich
thermisch zusammen. Diese Schwankungen der thermischen Ausdehnung
bewirken eine proportionale Variation der Wellenlänge des
von dieser Laserlichtquelle ausgegebenen Laserlichtstrahls, da der
Abstand zweier gegenüber
liegender Spiegel innerhalb dieser Laserlichtquelle 130,
der die Wellenlänge
bestimmt, entsprechend variiert. Diese Variationen der Wellenlänge bedeuten
Variationen in der Trägerfrequenz
des gesendeten Signals und verursachen Probleme bei der korrekten
Erkennung der auf diesen Trägerfrequenzen
modulierten Informationen, insbesondere bei Systemen, bei denen
unterschiedliche Trägerfrequenzen über einen
einzigen Kanal gesendet werden.
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Die
zweite Ausführungsform
der in 3 dargestellten Laservorrichtung löst dieses
Problem durch Implementieren der Laserlichtquelle 130 als
einer Einheit mit dualem Energieverbrauch, die ein aktives Laserlicht-Ausgangselement 130'-1 zum Ausgeben
des umgeschalteten Laserlichtstrahls als erstes Energieverbrauchselement
und ein zweites Energieverbrauchselement 130'-2 umfasst. Diese Elemente haben
vorzugsweise identische elektrische Parameter und identische thermische
Verluste, und beide sind thermisch miteinander gekoppelt. Sie sind bevorzugt
auf einem einzigen Chip ausgeführt.
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Für die Steuerung
einer solchen Laserlichtquelle 130' wird der Lasertreiber 120' als Differenzialtreiber
ausgeführt
zur Steuerung beider Energieverbrauchselemente 130'-1, 130'-2 in komplementärer Weise,
so dass die Summe ihrer Treiberströme im Bereich der thermischen
Zeitkonstante dieser dualen Energieverbrauchseinheit konstant ist.
Bevorzugt wird das Energieverbrauchselement 130'-2 als „blindes" Laserlichtquellenelement
ausgeführt.
Im Gegensatz zum aktiven Laserlichtquellenelement gibt das blinde
Laserlichtquellenelement keinen Laserlichtstrahl aus, sondern stellt
lediglich ein komplementäres
Energieverbrauchselement dar.
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Die
Ausführung
der Laserlichtquelle 130' in dieser
Weise und die Steuerung dieser Laserlichtquelle in der beschriebenen
komplementären
Weise bietet den Vorteil, dass der Energieverbrauch und damit auch
die thermische Ausdehnung der als duale Energieverbrauchseinheit
ausgeführten
Laserlichtquelle insgesamt mit der Zeit nicht variiert, auch wenn
das aktive Laserlichtquellenelement 130'-1 als Reaktion auf das Gruppensignal
ein- und ausgeschaltet wird. Die Schwankungen der thermischen Ausdehnung
dieses aktiven Laserlicht-Ausgangselements werden zumindest im Wesentlichen
kompensiert durch die komplementären
Schwankungen der thermischen Ausdehnung des zweiten Energieverbrauchselements 130'-2. Die Wellenlänge des
von diesem aktiven Laserlichtquellenelement 130'-1 ausgegebenen
Laserlichtstrahlausgangs ist über
die Zeit hinweg konstant, auch wenn das Laserlichtquellenelement
als Reaktion auf das Gruppensignal umgeschaltet wird.
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In
dieser zweiten Ausführungsform
haben die Paketdatenquelle 110', die Filtermittel 112' und die Umschaltmittel 114' die gleichen
Funktionen wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben;
sie wurden jedoch auf die Anforderungen des Differenzialtreibers 120' abgestimmt.
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Auch
ohne die Ausführung
der Laserlichtquelle 130 als Einheit mit dualem Energieverbrauch kann
der Nachteil der thermischen Schwankungen der Laserlichtquelle abgeschwächt oder
vermieden werden durch Verbessern einer Kopplung zwischen der Laserlichtquelle
und einem Thermistor, der heutzutage in verfügbaren Laservorrichtungen zur
Durchführung
einer Temperatursteuerung bereitgestellt wird. Eine weitere Möglichkeit,
den beschriebenen Nachteil abzuschwächen oder zu vermeiden, wäre das Verringern
der thermischen Kapazität
einer Peltier-Kühlung,
die ebenfalls im Rahmen verfügbarer Laservorrichtungen
bereitgestellt wird. Eine weitere Verbesserung lässt sich erreichen durch Vorwärtskopplung
des Gruppensignals mit dem Sollwert der Peltier-Kühlung. Alle
diese als dritte Ausführungsform
vorgeschlagenen Verfahren können – einzeln oder
in Verbindung miteinander – zur
Vermeidung datenverkehrsabhängiger
thermischer Schwankungen beitragen, und die daraus resultierenden
Schwankungen der Wellenlänge
liegen im schlimmsten Fall am Grenzwert eines Gitterabstands, d.
h. dem Mindestabstand zwischen zwei Wellenlängen zweier angrenzender Kanäle gemäß der Definition
der International Telecommunication Unit ITU.
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Dritte Ausführungsform
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Gemäß dem Stand
der Technik sind Laservorrichtungen für die optische Paketdatenübertragung
in DWDM-Systemem („Dense
Wavelength Division Multiplex",
Dichte Wellenlängen-Multiplex)
bekannt. Sie umfassen typischerweise eine Laserlichtquelle 130' zur Ausgabe
eines Laserlichtstrahls, beispielsweise auf eine Glasfaser 160,
siehe 4. Sie umfassen des Weiteren einen Lasertreiber 120' zur Steuerung
dieser Laserlichtquelle 130' und
eine Datenpaketquelle 110' zur
Ausgabe eines Paketdatenstroms, wobei der Laserlichtstrahlausgang
durch diese Laserlichtquelle 130' direkt moduliert wird als Reaktion
auf diesen Paketdatenstrom. Diese bekannten Laservorrichtungen leiden
unter Variationen der Wellenlänge
des Laserlichtstrahls, die durch Schwankungen der thermischen Ausdehnung
der Laserlichtquelle verursacht werden, wie mit Bezug auf die zweite
Ausführungsform
beschrieben.
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Zur Überwindung
dieses Nachteils wird vorgeschlagen, die Laserlichtquelle dieser
Laservorrichtung als Einheit mit dualem Energieverbrauch auszuführen, bevorzugt
auf einem einzigen Chip, wie in 4 gezeigt.
Diese Energieverbrauchseinheit 130' umfasst ein aktives Lichtquellenelement 130'-1 zur Ausgabe
des modulierten Laserlichtstrahls als erstes Energieverbrauchselement 130'-1 und ein zweites Energieverbrauchselement 130'-2, wobei beide
Elemente identische elektrische Parameter und thermische Verluste
aufweisen und thermisch miteinander gekoppelt sind. Darüber hinaus
ist der Lasertreiber 120' der
Laservorrichtung 100' als
Differenzialtreiber ausgeführt
zur Steuerung beider Energieverbrauchselemente 130'-1, 130'-2 in komplementärer Weise, so
dass die Summe ihrer Treiberströme
im Bereich der thermischen Zeitkonstante dieser dualen Energieverbrauchseinheit 130' konstant ist.
Bevorzugt wird das zweite Energieverbrauchselement 130'-2 als „blindes" Laserquellenelement
ausgeführt.
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5 zeigt
einen optischen Sender 200, 200' in einem TDM-System, insbesondere in einem DWDM-System,
der eine Laservorrichtung 130 oder 130' umfasst gemäß der obigen
Beschreibung zur Ausgabe eines Laserlichtstrahls, der als Reaktion
auf einen Paketdatenstrom auf eine Glasfaser 160 moduliert
wird.