DE69711126T2

DE69711126T2 - Wellenlängenmonitor und Bedienungsanordnung für WDM optische Übertragungssysteme

Info

Publication number: DE69711126T2
Application number: DE69711126T
Authority: DE
Inventors: Hyung B. Kim; Bernard Villeneuve
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1996-07-11
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2017-07-10
Also published as: EP0818859B1; CA2209558A1; DE69711126D1; EP0818859A1; US5825792A; JPH1079723A; CA2209558C; JP3979703B2

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Wellenlängen-Überwachungs-Anordnung zur Schaffung eines Steuer- oder Regelsignals zur Wellenlängen-Stabilisierung einer Laserquelle, mit Anwendung auf optische WDM- (Wellenlängen-) Multiplex- Übertragungs-Systeme.

Hintergrund der Erfindung

Lichtleitfaser-Kommunikationssysteme ergeben geringe Verluste und eine hohe Informations-Übertragungskapazität. In der Praxis kann die Bandbreite einer Lichtleitfaser durch Übertragung vieler unterschiedlicher Kanäle gleichzeitig unter Verwendung unterschiedlicher Trägerwellenlängen verwendet werden. Die zugehörige Technologie wird als Wellenlängen-Multiplex (WDM) bezeichnet. Bei einem Schmalband-WDM-System sind 8, 16 oder mehr unterschiedliche Wellenlängen in engem Abstand zueinander angeordnet, um die Lichtleitfaser-Übertragungskapazität zu vergrößern.
Die Wellenlängen-Bandbreite, die irgendein einzelner Kanal einnimmt, hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, unter Einschluß der Bandbreite der aufgeprägten Information und Sicherheitsabständen zur Berücksichtigung der Trägerfrequenzdrift, der Trägerfrequenz-Unsicherheit sowie der Notwendigkeit, ein mögliches Zwischenkanal- Übersprechen aufgrund von nicht idealen Filtern zu verringern.
Um die Anzahl der Kanäle zu einem Maximum zu machen, sind Laser mit einer stabilen und präzisen Wellenlängensteuerung erforderlich, um mit engem Abstand angeordnete mehrfache Wellenlängen zu ermöglichen.
Einige Laserquellen, beispielsweise Laser mit verteilter Rückführung (DFB), weisen mit der Zeit eine Wellenlängendrift auf, die größer ist, als die Forderungen für Schmalband-WDM. Die Wellenlänge des Bauteils neigt dazu, sich mit der Alterung und der Dauerleistung zu ändern. Weil erwartet wird, daß Telekommunikationssysteme eine Lebensdauer in der Größenordnung von 25 Jahren haben, muß dem Lasersender eine Wellenlängensteuerung oder -regelung hinzugefügt werden, um ein minimales Übersprechen zwischen den einen engen Abstand aufweisenden Kanälen über lange Zeitperioden sicherzustellen.
Mit einer einzigen Wellenlänge arbeitende optische Kommunikationssysteme werden in weitem Umfang in der Industrie verwendet. In idealer Weise sind die Systemkonstrukteure bestrebt, eine minimale Unterbrechung vorhandener Systeme und eine Kompatibilität mit vorhandenen Gehäuseanordnungen bei der Entwicklung von WDM-Systemen zu erreichen.
Typischerweise beruhen bekannte Laserwellenlängen-Überwachungs- und Stabilisierungssysteme auf einer Einheit, die sich außerhalb des üblichen Gehäuses einer Laserquelle (Sender) befindet. Ein im Handel erhältliches System zur Überwachung und zur Steuerung der Wellenlänge eines Halbleiterbauteils, ist eine Anordnung, die auf Kristallgittern beruht. Beispielsweise wird bei einem bekannten System, das von der Firma Accuwave hergestellt und in der Produkt-Literatur beschrieben ist, eine Wellenlängen-Verriegelungseinheit vorgesehen, die einen Lithium-Niobat-Kristall, in den zwei Bragg-Gitter eingeschrieben sind, die von einem kollimierten Strahl von einer mit der Anordnung gekoppelten Laserquelle angesteuert werden, und zwei Photodetektoren umfaßt. Jedes Gitter weist eine geringfügig unterschiedliche Bragg-Wellenlänge und einen Winkel gegenüber dem Eingangsstrahl auf. Der von den Gittern reflektierte Ausgang wird auf die beiden Detektoren gerichtet, und der Differenzausgang wird zur Schaffung einer Rückführungssteuerung für den Laser verwendet. Eine Wellenlängenstabilität von besser als 10 um kann mit der Regelschleife erzielt werden. Die Verriegelungseinheit verwendet jedoch eine von dem Sender getrennte Einheit und erfordert somit eine externe Kopplung mit dem Laser oder der Lichtquelle. Weiterhin ist die Einheit für eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt, wie sie durch die Gitterparameter bestimmt ist. Es sind unterschiedliche Einheiten für unterschiedliche Wellenlängen erforderlich.
Eine andere bekannte Art einer Wellenlängen-Überwachungs-/Steuer-Anordnung beruht auf Lichtleitfaser-Gittern. Beispielsweise bezieht sich die anhängige GB- Patentanmeldung 96/00478 vom 4. März 1996 auf den Namen Epworth et al. auf einen Laser vom Typ mit externem Hohlraum, dessen äußerer Reflektor durch einen Bragg-Reflektor gebildet ist, der sich in einer Lichtleitfaser befindet, die an eine mit einer Antireflexions-Beschichtung versehene Facette des Halbleiter-Lasers anschließt. Das Gitter ist weit genug entfernt von dem Laser angeordnet, damit die longitudinalen Moden einen so engen Abstand aufweisen, daß der Laser im Multimoden-Betrieb mit so vielen Moden arbeitet, daß das Moden-Aufteilungsrauschen vernachlässigbar wird. Eine weitere anhängige GB-Patentanmeldung 95/19614.3 vom 26. Sept. 1995 auf den Namen von Epworth et al., bezieht sich auf die Verwendung eines gechirpten Lichtleitfasergitters zur Entzerrung und zur Laserfrequenz-Stabilisierung.
Die Herstellung von Lichtleitfaser-Gitteranordnungen ist kompliziert. Wie bei dem vorstehend erwähnten Kristallgittersystem, werden Lichtleitfaser-Gitter so hergestellt, daß sie an die spezielle Wellenlänge des Senders angepaßt sind, und die Anordnung ist daher wellenlängenspezifisch.
Ein weiteres System zur Stabilisierung eines Halbleiterlasers ist in dem US-Patent 4 309 671 auf den Namen von Malyon beschrieben, wobei dieses System ein Paar von angepaßten Photodioden und zwei Strahlteiler verwendet. Der erste Strahlteiler und die erste Photodiode überwachen die Leistung und ein zweiter Strahlteiler, ein frequenzabhängiges Filter und ein zweite Photodiode werden zur Überwachung von Wellenlängen-Änderungen verwendet. Die Ausgänge der aneinander angepaßten Photodioden werden über Verstärker einem subtrahierenden Verstärker zugeführt, und der Ausgang wird als Gegenkopplung dem Verstärker zugeführt, der die Betriebsweise des Lasers steuert.
Andere bekannte Systeme beruhen auf einem Filterelement, wie zum Beispiel einem Fabry-Perot-Etalon. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 5 331 651 auf den Namen von Becker et al., die Verwendung eines Fabry-Perot-Etalons zur Feinabstimmung in Verbindung mit einem Gitter zur Grobabstimmung des Ausgangssignals eines Lasers.
In einem in dem US 5 438 579 auf den Namen von Eda et al., beschriebenen System wird ein Fabry-Perot-Etalon mit einem einzigen Photodetektor verwendet, um ein Signal zu erzeugen, das dazu verwendet wird, eine Verriegelung auf eine Spitze eines Halbleiterlasers durchzuführen, was kollimierte Strahlen erfordert. Hill et al. beschreiben in dem US-Patent 4 839 614 ein System, das Frequenzen einer Strahlung von mehrfachen Quellen bezüglich einer Bezugsquelle in Beziehung setzt, wobei ein Filterelement, wie zum Beispiel ein Fabry-Perot-Etalon, und eine entsprechende Vielzahl von Detektoren verwendet wird.
Ein weiteres System zur Laser-Wellenlängen-Stabilisierung ist in dem US-Patent 4 914 662 auf den Namen von Nakatani et al. beschrieben, wobei dieses System die spektroskopische Verarbeitung des Ausgangssignals eines eine veränderliche Wellenlänge aufweisenden Lasers und die Messung einer räumlichen Verteilung unter Verwendung von Bildverarbeitungs-Geräten beinhaltet, worauf die Verteilung mit der eine Bezugs-Lichtquelle mit fester Wellenlänge verglichen wird. Das letztere Bildverarbeitungssystem ist kompliziert und ist nicht ohne weiteres mit der Schaffung einer geringe Kosten aufweisenden kompakten Einheit vereinbar.
Die japanische Patentanmeldung 92-157780 bezieht sich auf einen Frequenzstabilisator für einen Halbleiter-Laser ohne die Verwendung externer Modulationseinrichtungen und beruht auf einem geneigten Fabry-Perot-Etalon, auf das die Laserquelle auftrifft, sowie auf zwei Photodetektoren zur Erfassung von jeweils den ausgesandten und reflektierten Signalen. Durch Substraktieren der Ausgangssignale der beiden Detektoren wird ein Signal zur Steuerung der Schwingungsfrequenz erzeugt. Die Resonator-Länge wird durch Ändern der Neigung des Etalons geändert, um eine Abstimmbarkeit zu schaffen. Die gerätemäßige Ausführung dieses Systems für einen minimalen Raum erfordert die Verwendung des FP mit einem relativ großen Winkel bei verringerter Stabilität hinsichtlich der Mitten-Wellenlänge und der Bandbreite. Andererseits erfordert ein kleiner FP-Winkel zusätzliche Bauteile und Raum, wie dies in Fig. 1B dieser Patentanmeldung gezeigt ist. Weiterhin werden unabhängige Detektoren mit möglicherweise unterschiedlichen Ansprech- und Alterungs-Eigenschaften verwendet.
Die Europäische Patentanmeldung auf den Namen Nacharu Yanagawa, EP-A-0516318 mit dem Titel "Vorrichtung zur Steuerung der Halbleiter-Laser-Betriebstemperatur" beschreibt eine Wellenlängen-Detektions-Nergleichs-Einheit, die zwei Fabry-Perot- Filter einschließt. Die Filter sind so ausgebildet, daß sie Rückwärtsemissions- Laserstrahlen des Halbleiterlasers empfangen, die unterschiedliche Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; aufweisen, wobei die von den Filtern emittierten Signale von zwei Photodioden erfaßt werden, deren Differenzsignal mit einem Bezugssignal verglichen und zur Erzeugung eines Steuersignals zur Überwachung der Laserwellenlänge verwendet wird.
Entsprechend sind verschiedene vorhandene Systeme zur Wellenlängen-Stabilisation unter Verwendung von Anordnungen bekannt, die ein Kristallgitter, eine Lichtleitfaser- Gitter oder ein Etalon verwenden. Die auf Gittern beruhenden Systeme weisen den Mangel an Wellenlängen-Abstimmbarkeit auf, und viele Systeme beruhen auf relativ großen Steuereinheiten außerhalb einer in einem Gehäuse angeordneten Laserquelle, mit sich daraus ergebenden Kopplungs-, Raum- und Leistungs-Verbrauchsproblemen. Obwohl Systeme auf der Grundlage eines Etalons eine Abstimmbarkeit ergeben, ist keine der bekannten Konfigurationen ausreichend kompakt, um sie ohne Unterbrechung in bekannte genormte Gehäuse einzufügen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf die Schaffung einer kompakten Wellenlängen- Überwachungs- und Steueranordnung gemäß Anspruch 1 gerichtet, vorzugsweise zur Integration im Inneren eines kleinen Halbleiter-Laser-Gehäuses und zur Anwendung in optischen WDM Übertragungssystemen.
Somit wird entsprechend einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine Wellenlängen-Überwachungs- und Steueranordnung für ein optisches System geschaffen, das eine divergierende Laseremissionsquelle aufweist, wobei die Anordnung folgendes umfaßt:
- erste und zweite Photodetektoren, die durch einem bestimmten Abstand voneinander getrennt sind und sich in einer bestimmten Entfernung von der Emissionsquelle befinden,
- eine schmales wellenlängenselektives Bandpaß-Transmissions- oder Übertragungsfilterelement mit einer Fabry-Perot-Struktur, das sich zwischen der Quelle und den Detektoren befindet, wobei das Filter unter einem Winkel Θ gegenüber der optischen Achse der Emissionsquelle geneigt ist, um eine Winkelabhängigkeit der Wellenlängenübertragung des Filters zu schaffen, und
- eine Regelschleife zur Rückführung eines Differenzsignals, das von den ersten und zweiten Photodetektoren in Abhängigkeit von einer Änderung der Wellenlänge der Emissionsquelle erzeugt wird, an Steuereinrichtungen der Emissionsquelle.
Somit wird eine einfache und kompakte Wellenlängen-Überwachungs- und Steueranordnung für eine Laser-Emissionsquelle geschaffen. Die Photodetektoren werden über geneigte Schmalband-Durchlaßfilter mit einem geringfügig divergierenden Strahl beleuchtet. Somit wird die Wellenlängen-Änderung der Laser-Emissionsquelle in differentielle Photostrom-Änderungen in den beiden Photodetektoren umgewandelt. Die Wellenlänge des Eingangsstrahls wird durch das relative Ansprechverhalten der beiden Detektoren überwacht. Das Differenz-Ausgangssignal der beiden Detektoren wird in einer Rückführungsschleife zur Stabilisierung der Wellenlänge der Quelle auf eine gewünschte Ziel-Wellenlänge verwendet, das heißt über ein Signal, das zum Laser (Sender) zurückgesandt wird, beispielsweise über Temperaturänderungen des aktiven Bereichs, oder Stromänderungen, um eine Wellenlängendrift zu korrigieren.
Diese Anordnung ermöglicht eine präzise optische Überwachung der Wellenlänge, um ein Steuersignal zur Wellenlängen-Stabilisierung zu schaffen, um die Laser- Wellenlänge innerhalb der Grenzen zu halten, die erforderlich sind, um ein Übersprechen bei der Verwendung in beispielsweise einem optischen WDM- Übertragungssystem zu verringern. Ein Differenzsignal ist weiterhin vorteilhaft, um eine Unempfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Ausgangsleistung zu schaffen.
Das eine schmale Bandpaßbreite aufweisende wellenlängenselektive Übertragungsfilterelement muß eine Fabry-Perot-Struktur sein. Die Photodetektoren sind vorzugsweise ein angepaßtes Paar von Photodioden. Durch die Winkelabhängigkeit der Wellenlängen-Übertragung des Fabry-Perot-Etalons wird eine Wellenlängenänderung von der Quelle in einen Übertragungsverlust umgewandelt, und die Wellenlängenänderung wird als eine Leistungsänderung erfaßt. Somit arbeitet das Gerät als ein optischer Wellenlängen-Diskriminator, bei dem der Detektor die optische Energie in einen Strom für eine Rückführungsschleife zur Steuerung der Lichtquelle umwandelt. Zur Wellenlängen-Stabilisation wird der Differenzausgang der beiden Photodetektoren in einer Rückführungs-Schleife verwendet, um die Wellenlänge der Laserquelle auf eine gewünschte Zielwellenlänge zu stabilisieren.
In nützlicher Weise ist der Neigungswinkel des Filters einstellbar, um eine Abstimmbarkeit der vorgegebenen Wellenlänge zu schaffen. Weil das wellenlängenselektive Filterelement ein Fabry-Perot-Etalon ist, dessen Übertragungseigenschaften von dem Winkel des Etalons gegenüber dem Strahl abhängig sind, ergibt die Anordnung eine Abstimmbarkeit durch Einstellung des Winkels des Etalons. Weiterhin können die mehrfachen Übertragungsspitzen eines Etalons mit einem Abstand von beispielsweise 4 nm für mehrfache Wellenlängen verwendet werden, das heißt, daß mehrfache Stabilisierungspunkte für eine Vielzahl von vorgegebenen Wellenlängen erreichbar sind, die durch die Wellenlängenabstände der mehrfachen Übertragungsspitzen bestimmt sind, die für das Fabry-Perot-Filter charakteristisch sind.
Die Anordnung ist verglichen mit der Herstellung von Lichtleitfaser-Gittersystemen zur Wellenlängen-Stabilisation einfach herstellbar. Diese Lösung ergibt ein schwankungsfreies Diskriminationsschema, das außerdem Frequenzmodulations- und Demodulations-Schritte vermeidet.
In vorteilhafter Weise sind die Photodetektoren ein angepaßtes Paar von Photodioden. Wenn die Verstärkung jedes der beiden Photodetektoren unabhängig einstellbar ist, kann die vorgegebene Wellenlänge durch Einstellen ungleicher Verstärkungen für die beiden Photodetektoren ausgewählt werden.
Wahlweise ist eine Linse zwischen der Emissionsquelle und dem Übertragungs- Filterelement angeordnet, um die Divergenz der Laseremissionsquelle zu steuern. Die Divergenz des Strahls wird gesteuert, um das Betriebsverhalten und die Leistung der Detektion zu einem Optimum zu machen. Eine größere Fleckgröße ist vorzuziehen, um eine idealere Filterform zu schaffen, damit eine wirkungsvollere Leistungsübertragung erreicht wird.
Die Laseremissionsquelle kann eine Ausgangsfacette eines Halbleiter-Lasers sein, oder sie kann alternativ eine gespleißte oder verjüngte Monomoden-Lichtleitfaser sein.
Vorzugsweise ist die Überwachungsanordnung in einem Gehäuse integriert.
Weil die Überwachungsanordnung einfach und kompakt ist, besteht ein wichtiger Vorteil darin, daß die Anordnung zusammen mit der Laserquelle in einer vorhandenen Sender-Modul-Einheit verpackt werden kann, das heißt in einer üblichen Laser- Gehäuse-Anordnung. Dies ist besonders bei der Anpassung vorhandener Sender- Moduleinheiten, wie sie für mit einer einzigen Wellenlänge arbeitende Übertragungssysteme verwendet werden, zur Verwendung mit zusätzlichen Komponenten für WDM nützlich, ohne daß ein zusätzlicher Raum erforderlich ist, und bei einer minimalen Unterbrechung vorhandener Systeme. Obwohl die Verwendung der Anordnung als externe Bezugseinheit denkbar ist, sind die Polarisation beibehaltende Filter und Koppler in idealer Weise erforderlich, um eine Polarisations- Abhängigkeit zu vermeiden.
Es wird erwartet, daß die Langzeitzuverlässigkeit der Anordnung Lebensdauer- Forderungen für WDM-Systeme erfüllt.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Schaffung einer Wellenlängen-Stabilisation für eine divergierende Laseremissionsquelle in einem optischen System geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt. Bereitstellen erster und zweiter Photodetektoren, die durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt sind und die sich in einer bestimmten Entfernung von der Emissionsquelle befinden; Bereitstellen eines eine schmale Bandpaßbreite aufweisenden wellenlängenselektiven Übertragungs-Filterelements mit einer Fabry- Perot-Struktur, das sich zwischen der Quelle und den Detektoren befindet, wobei das Filter unter einem Winkel 0 gegenüber der optischen Achse der Emissionsquelle geneigt ist, um eine Winkelabhängigkeit der Wellenlängen-Übertragung des Filters zu schaffen; und Bereitstellen einer Regelschleife zur Rückführung eines Differenzsignals, das von den ersten und zweiten Photodetektoren in Abhängigkeit von einer Änderung der Wellenlänge der Emissionsquelle erzeugt wird, zu Steuereinrichtungen für die Emissionsquelle.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer Wellenlängen- Überwachungsanordnung, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt Übertragungskurven des Etalons für das Signal bei zwei Wellenlängen;
Fig. 3 zeigt das entsprechende Differenzsignal von den ersten und zweiten Photodetektoren;
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, die Koordinaten und Parameter für die Konstruktion der Anordnung festlegt; und
Fig. 5 zeigt ein Schaltbild eines Testsystems für eine Wellenlängen- Stabilisierungs-Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein Teil einer Wellenlängen-Überwachungsanordnung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt. Die Anordnung umfaßt eine divergierende Quelle 12 für Laseremission, das heißt eine Halbleiter- Laser-Facette 14 eines DFB-Lasers, wie dies gezeigt ist, oder alternativ eine Ausgangs-Facette einer Monomoden-Lichtleitfaser (SMF). Eine wahlweise Linse 16 ermöglicht eine Steuerung der Divergenz des Ausgangsstrahls der Laser-Quelle, der auf ein eine schmale Bandpaßbreite aufweisendes wellenlängenselektives Übertragungsfilterelement 18 gerichtet wird. Das letztere ist vorzugsweise ein Fabry- Perot- (FP-) Resonator, der eine Struktur ist, die eine Abstandsschicht umfaßt, die zwischen zwei stark reflektierenden Schichten eingeschichtet ist. Er ist beispielsweise als Typ vom Mehrschicht-Einzelhohlraum-Filter-Typ konstruiert, bei dem eine vollständig dielektrische Spiegel/Abstandselement/Spiegel-Struktur auf einem Glassubstrat abgeschieden ist. Alternativ wird ein massiver Etalon-Typ verwendet, bei dem die Spiegel auf beiden Seiten auf einer Glas-Abstandsplatte abgeschieden sind.
Der übertragene divergierende Strahl wird auf erste und zweite ähnliche koplanare Photodetektoren (P&sub1;) 20 und (P&sub2;) 22 gerichtet, die einen bestimmten Durchmesser und einen bestimmten Abstand aufweisen, und die auf einem gemeinsamen Träger 24 in einer bestimmten Entfernung von dem FP-Etalon, befestigt sind, wie dies schematisch in Fig. 1 gezeigt ist.
Weil die Wellenlänge der Lichtquelle bestimmt, wie stark der Strahl von dem FP-Filter übertragen wird, hängt das an jedem Detektor 20 und 22 empfangene Signal von der von der Lichtquelle emittierten Wellenlänge ab. Somit wird über die Winkelabhängigkeit der Wellenlängen-Übertragung des Fabry-Perot-Etalons eine Wellenlängenänderung von der Quelle in eine Transmissions- Übertragungs-Änderung umgewandelt, und die Wellenlängenänderung wird als eine Leistungsänderung von den beiden Photodetektoren erfaßt. Die Ausgangssignale von den beiden Photodetektoren werden zur Erzeugung eines Differenzsignals in einem Subtrahierverstärker 26 verwendet, das einer Rückführungsschleife 28 zur Steuerung der Ausgangswellenlänge der Laserquelle zugeführt wird. Wenn die Anordnung so getroffen wird, daß die von beiden Detektoren erfaßte Übertragung bei einer ausgewählten Wellenlänge gleich ist, so wird das Differenzsignal so eingestellt, daß es bei der vorgegebenen Wellenlänge gleich Null ist, das heißt bei der eingerasteten oder der verriegelten Wellenlänge. Die eingerastete Wellenlänge kann mit äquivalenter Stabilität auf unterschiedliche Werte dadurch eingestellt werden, daß ungleiche Verstärkungen für die Photodetektoren P&sub1; und P&sub2; verwendet werden. Wenn sich die Wellenlänge der Quelle ändert, so ist das von den beiden Detektoren erzeugte Differenzsignal, das heißt das Fehlersignal, wellenlängenabhängig, und es kann zur Überwachung der Wellenlänge der Lichtquelle verwendet werden. Das Gerät arbeitet daher als ein optischer Wellenlängen- Diskriminator, bei dem die Photodetektoren optische Energie in einen Strom für eine Rückführungsschleife zur Steuerung der Laserquelle umwandeln.
Schematische Darstellungen der Übertragungskurven und des von den beiden Detektoren erzeugten Differenzsignals sind jeweils in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Fig. 2 zeigt die Übertragungskurven der beiden Detektoren, wobei T die Übertragung von der Quelle zu den Detektoren ist worin T&sub1; und T&sub2; die Übertragungskurven für die einzelnen Detektoren P&sub1; und P&sub2; darstellen, die eine maximale Übertragung bei T1M und T2M bei λ&sub1; und λ&sub2; haben. Das Differenzsignal von den beiden Detektoren ist in Fig. 3 gezeigt. Bei der gewünschten eingerasteten Wellenlänge ist die Steigung SR der Differenz an dem Einrastpunkt λR gleich
und der nahezu lineare Bereich zwischen λ&sub1; und λ&sub2; definiert den Nutzbereich der erreichten Steuerung, beispielsweise durch Verwendung ungleicher Photodetektor- Verstärkungen.
Fig. 4 definiert Koordinaten und eine Anzahl von wesentlichen Konfigurations- Parametern für eine Anordnung, die eine divergierende Emissionsquelle, beispielsweise eine Monomoden-Lichtleitfaser, eine Linse, ein Filter und zwei Photodetektoren einschließt. Ein Schaltbild einer Anordnung und ein Testaufbau für die Wellenlängen-Stabilisierung eines DFB-Lasers unter Einschluß einer Regelschleife ist in Fig. 5 gezeigt.
In Fig. 5 ist die eine Linse 116, das FP-Etalon 118 und ein Paar von PIN-Dioden 120 und 122 umfassende Wellenlängen-Stabilisierungs-Anordnung zusammen mit einer DFB-Laserquelle 112 in einem einzigen Gehäuse 128 verpackt, das ein genormtes 14 Anschlußstifte aufweisendes Gehäuse ist. Die Dioden des angepaßten Dioden-Paars 120 und 122 sind koplanar und nahe aneinander auf einer gemeinsamen Halterung 124 befestigt. Ausgangssignale von den beiden Dioden werden einem Substrahier- Verstärker 130 zugeführt, um ein Differenzsignal zu erzeugen, das an das Laser- Steuergerät 140 zurückgespeist wird, um die Ausgangs-Wellenlänge des Lasers zu steuern. Andere in Fig. 5 gezeigte Bauteile schließen Testvorrichtungen ein, die bei der Entwicklung optimaler Konfigurationen für den Prototyp verwendet wurden. Vorzugsweise ist die Halterung 117 für die Linse 116 und die Halterung 119 für das FP-Etalon 118 einstellbar. Eine Änderung des Neigungswinkels Θx des FP-Etalons ermöglicht eine Abstimmung der Ziel-Wellenlänge, wie dies weiter unten beschrieben wird.
Wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, hat die divergierende Quelle 13 ein allgemein Gauß'sches Muster, das elliptisch (Laser) oder kreisförmig (Monomoden-Lichtleitfaser) sein kann.
Das Fabry-Perot-Etalon hat Parameter der Dicke t, des Brechungsindex n, des Reflexionsvermögens R, der internen Transmission oder Übertragung A, einen x- Achsen-Neigungswinkel ΘxFP, der durch die Wahl der FP-Konstruktion und die erforderliche λR bestimmt ist und einen y Achsen-Neigungswinkel ΘyFP, der willkürlich so gewählt sein kann, daß er 0º ist. Die beiden Detektoren weisen nominelle y- Achsen-Positionen von y&sub0;&sub1; = 0 und y&sub0;&sub2; = 0 auf, die willkürlich gewählt sind.
Andere Konfigurationsparameter werden entsprechend dieser Parameter und der gewünschten Spezifikationen gewählt, das heißt der erforderlichen Transmissions- oder Übertragungskurven.
Diese Parameter schließen folgendes ein: die Brennweite der Linse f, die z-Achsen- Position S&sub1;, den x-Achsen-Neigungswinkel ΘxL' den y-Achsen-Neigungswinkel ΘyL, die z-Achsen-Position des Etalons zFP, und, unter der Annahme, daß die Detektoren kreisförmig sind, den Radius r der Photodetektoren, deren z-Achsenposition z&sub0; und die X-Achsen-Positionen x&sub0;&sub1; und x&sub0;&sub2;.
Jeder Detektor hat einen Durchmesser von d&sub1; bzw. d&sub2;, und die beiden Detektoren sind koplanar und sie sind durch einen Mittenabstand mit einer Entfernung von D getrennt, der sich in einer Entfernung I von der Lichtquelle befindet, wobei das FP-Filter unter einem Winkel von Θ gegenüber der Normalen auf die Ebene der beiden Detektoren geneigt ist.
Faktoren, die das Betriebsverhalten der Anordnung beeinflussen, schließen die Neigungswinkel des FP-Etalons in den x- und y-Achsen, die FP-Index-Änderung mit der Temperatur, die x- und y-Achsen-Versetzung der Detektoren, die Linsenposition und Neigung und die z-Achsen-Position der Detektoren ein. T ist die Übertragung von der Quelle zu einem Detektor und schließt den Kopplungsverlust aufgrund der beschränkten Detektorgröße ein.
Die gewünschte eingerastete Wellenlänge λR hat einen bestimmten Zielwert, beispielsweise 1557,0 nm. Die Verhältnisse T1R/T1M und T2R/T2M sind so festgelegt, daß sie in einer ersten Näherung einhalb sind. Die Steigung an dem Einrastpunkt SR ist ebenfalls von Interesse, und zwar aufgrund ihrer Auswirkung auf die Schleifenverstärkung. Eine große Steigung ist allgemein wünschenswert. λ&sub2; -λ&sub1; drückt den Abstimmbereich aus, über den T&sub1; und T&sub2; verglichen werden können. TiM und T2M ermöglichen die Abschätzung der absoluten Leistung und damit des S/N für eine vorgegebene Detektor-Charakteristik.
Die Anordnung ist dadurch hinsichtlich der Wellenlänge abstimmbar, daß der Neigungswinkel Θ des Filterelements geändert wird, beispielsweise der Neigungswinkel Θx, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, wobei das Filterelement, das heißt das Etalon, auf einer einstellbaren Halterung mit vier Freiheitsgraden, unter Einschluß einer Winkeleinstellung, befestigt ist. In dem Testaufbau war die Linse außerdem in drei Abmessungen beweglich. Sobald die Anordnung für eine bestimmte Ziel- Wellenlänge ausgerichtet ist, werden die Bauteile unter Einschluß des Filters und der Linse unter Verwendung dünner Klebematerial-Schichten an ihrem Platz festgelegt.
Die Wellenlängen-Abstimmbarkeit in der Modul-Ausrichtstufe ist ein Vorteil gegenüber bekannten Wellenlängen-Steuereinheiten auf der Grundlage von Gittern.
Weil weiterhin die Übertragung eines Fabry-Perot-Filters durch eine Serie von Übertragungs- oder Transmissions-Spitzen unter regelmäßigen Wellenlängen- Intervallen gekennzeichnet ist, beispielsweise mit einem Abstand von 4 nm, sind gleichzeitige Stabilisierungspunkte für eine Vielzahl von vorgegebenen Wellenlängen erreichbar, die durch die Wellenlängen-Abstände der mehrfachen Transmissions- Spitzen-Charakteristik des Fabry-Perot-Filters bestimmt sind.
Somit sind die minimal erforderlichen Komponenten für das Wellenlängen- Diskriminations-Schema ein Schmalband-Übertragungs-Filter (Etalon) und zwei mit engem Abstand angeordnete Detektoren, vorzugsweise ein angepaßtes Paar von Photodioden, und eine Regelschleife, die auf das Differenzsignal von dem beiden Photodetektoren anspricht. Ein Fabry-Perot-Etalon ist erforderlich, um geeignete Characteristiken des wellenlängenselektiven Filterelements zu schaffen.
Die Lichtquelle kann beispielsweise eine vordere Facette eines Halbleiter-Lasers, beispielsweise eines DFB-Lasers, oder das gespleißte oder verjüngte Ende einer Monomoden-Lichtleitfaser sein. Wenn dies erforderlich ist, wird die Divergenz der Emissionsquelle in der in Fig. 1 gezeigten Weise durch eine Linse kontrolliert werden, die irgendeine geeignete aspherische Linse, eine Zylinder-Linse, eine spherische Linse oder eine gradierte Index-Linse aus Glas oder Kunststoff sein kann. Eine größere Fleckgröße gibt dem Filter eine Form, die näher an dem Erwünschten liegt, und ergibt eine bessere Leistungsübertragung an die Detektoren. Alternativ kann die Anordnung ohne die Linse vorgesehen werden, wenn die Divergenz der Emissionsquelle ausreichend ist, um diese Forderungen zu erfüllen. In vorteilhafter Weise sind keine kollimierenden Strahlen erforderlich, wodurch möglicherweise die Anzahl von Bauteilen und die Größe der Anordnung verringert wird.
In der vorstehend beschriebenen Anordnung ermöglicht es die Kompaktheit und Einfachheit der Konfiguration, diese zusammen mit einer Laserquelle in einem üblichen Laser-Sender-Gehäuse anzuordnen. Dies ist von besonderem Vorteil für die Integration mit vorhandenen Systemen. Einige der Vorteile der gleichen Konfiguration können in einer Einheit erzielt werden, die außerhalb der Laserquelle angeordnet ist, weil jedoch die Kopplung mit einer externen Einheit polarisationsabhängig ist, würden Koppler oder Lichtleitfasern, die die Polarisation aufrechterhalten, bevorzugt sein.
Somit wird eine einfache und kompakte Wellenlängen-Überwachungs- und Steueranordnung für eine Laseremissionsquelle geschaffen, die ein einen schmalen Bandpaß bildendes wellenlängenselektives Übertragungsfilter-Element umfaßt, beispielsweise ein Fabry-Perot-Etalon, durch das hindurch ein nicht kollimierter Strahl von der Laser-Quelle auf zwei mit engem Abstand angeordnete Photodetektoren gelenkt wird. Zur Wellenlängen-Stabilisation wird der Differenzausgang der beiden Photodetektoren, der durch die Änderung der Übertragung oder Transmission des Filterelements bei einer Änderung der Wellenlänge erzeugt wird in einer Rückführungsschleife zur Stabilisation der Wellenlänge der Laser-Quelle auf eine gewünschte Ziel-Wellenlänge verwendet. Wahlweise wird eine Wellenlängen- Abstimmbarkeit durch Ändern des Neigungswinkels des Fabry-Perot-Etalons gegenüber der Laser-Quelle vorgesehen. Das System ist kompakt und kann zusammen mit einer Laseremissionsquelle in dem gleichen Gehäuse oder der Verpackung angeordnet werden, wodurch Kopplungs-, Raum- und Verlustleistungs- Probleme vermieden werden, die bei bekannten externen Halbleiterlaser-Wellenlängen- Steuereinheiten üblich sind.
Obwohl spezielle Ausführungsformen im einzelnen beschrieben wurden, ist es verständlich, daß Abänderungen und Modifikationen der Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche durchgeführt werden können.

Claims

1. Wellenlängen-Überwachungs- und Steueranordnung (10) für ein optisches System, das eine divergente Laseremissionsquelle (12) umfaßt, wobei die Anordnung folgendes umfaßt:

- erste (20) und zweite (22) Photodetektoren, die durch einen bestimmten Abstand getrennt sind und in einer bestimmten Entfernung von der Emissionsquelle angeordnet sind, eine Regelschleife (28) zur Rückführung eines Differenzsignals, das von den ersten und zweiten Photodetektoren in Abhängigkeit von einer Änderung der Wellenlänge der Emissionsquelle erzeugt wird, an Steuereinrichtungen für die Emissionsquelle, gekennzeichnet durch:

- ein einen schmalen Bandpaß bildendes wellenlängenselektives Transmissions- Filterelement (18) mit einer Fabry-Perot-Struktur, das zwischen der Quelle und den Detektoren angeordnet ist, wobei das Filter unter einem Winkel Θ gegenüber der optischen Achse der Emissionsquelle geneigt ist, um eine Winkelabhängigkeit der Wellenlängentransmission des Filters zu schaffen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, die eine Linse (16) umfaßt, die zwischen der Emissionsquelle und dem Transmissions-Filterelement angeordnet ist, um die Divergenz der Laseremissionsquelle zu steuern.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Laseremissionsquelle einen Halbleiterlaser umfaßt, der in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Wellenlängen- Überwachungs-Anordnung innerhalb des gleichen Gehäuses vorgesehen ist, um eine integrale Einheit zu bilden.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Laseremissionsquelle eine Ausgangsfacette eines Halbleiterlasers umfaßt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Laseremissionsquelle eine gespleißte Monomoden-Lichtleitfaser umfaßt.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Laseremissionsquelle eine verjüngte Monomoden-Lichtleitfaser umfaßt.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Filter ein Fabry-Perot-Etalon umfaßt, und wobei der Neigungswinkel Θ des Etalon zur Emissionsquelle einstellbar ist, um eine Abstimmbarkeit der vorgegebenen Wellenlänge zu schaffen.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Photodetektoren durch ein angepaßtes Paar von Photodioden gebildet sind.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verstärkung jedes der beiden Photodetektoren unabhängig einstellbar ist, und wobei eine vorgegebene Wellenlänge durch Einstellung ungleicher Verstärkungen für die beiden Photodetektoren auswählbar ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der gleichzeitige Stabilisierungspunkte für eine Vielzahl von vorgegebenen Wellenlängen erreichbar sind, die durch Wellenlängen-Abstände der mehrfachen Transmissionsspitzen- Charakteristik des Fabry-Perot-Filters bestimmt sind.

11. Gehäuse für ein optisches System, das eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 einschließt.

12. Verfahren zur Schaffung einer Wellenlängen-Stabilisierung einer divergierenden Laseremissionsquelle (12) in einem optischen System, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

- Bereitstellen erster (20) und zweiter (22) Photodetektoren, die durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt sind, und die an einer bestimmten Entfernung von der Emissionsquelle angeordnet sind,

- Bereitstellen eines einen schmalen Bandpaß bildenden wellenlängenselektiven Transmissions-Filterelements (18) mit einer Fabry-Perot-Struktur, das zwischen der Quelle und dem Detektor angeordnet ist, wobei das Filter unter einem Winkel Θ gegenüber der optischen Achse der Emissionsquelle geneigt ist, um eine Winkelabhängigkeit der Wellenlängen-Transmission des Filters zu schaffen,

- und die Bereitstellung einer Regelschleife (28) zur Rückführung eines Differenzsignals, das von den ersten und zweiten Photodetektoren als Antwort auf eine Änderung der Wellenlänge der Emissionsquelle erzeugt wird, an Steuereinrichtungen der Emissionsquelle.

13. Verfahren nach Anspruch 12, das den weiteren Schritt der Bereitstellung einer Linse (16) umfaßt, die zwischen der Emissionsquelle und dem Transmissions- Filterelement angeordnet ist, um die Divergenz der Laseremissionsquelle zu steuern.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, das weiterhin den Schritt der Auswahl einer Wellenlänge durch unabhängiges Einstellen der Verstärkungen der zwei Photodetektoren derart umfaßt, daß diese ungleiche Verstärkungen aufweisen.