DE69905342T2

DE69905342T2 - Verfahren und vorrichtung zum überwachen und steuern der laserwellenlänge

Info

Publication number: DE69905342T2
Application number: DE69905342T
Authority: DE
Inventors: E. Paul DUNN; C. Timothy MUNKS; J. David ALLIE
Original assignee: JDS Uniphase Corp
Current assignee: Viavi Solutions Inc
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1999-02-18
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: EP1057230B1; JP2002504755A; EP1057230A1; US6289028B1; CA2321037C; WO1999043060A1; AU2971999A; DE69905342D1; CA2321037A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Laser und insbesondere Vorrichtungen zum Überwachen und Steuern der Wellenlänge von Laserstrahlung.
Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Manche der hier enthaltenden Gegenstände sind in den folgenden gemeinsamen US-Patentanmeldungen offenbart und beansprucht: US-Patentanmeldung Nr. 08/934,189 mit dem Titel "Integrierter Wellenlängenauswahl-Sender"; US-Patentanmeldung Nr. 08/885,428 mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung und zum unabhängigen Einstellen von mehreren integrierten optisch gerichteten Kopplem auf einem einzelnen Substrat"; US-Patentanmeldung Nr. 08/885,449 mit dem Titel "Vertahren und Vorrichtung zum dynamischen Gewinnentzerren in einem optischen Netzwerk"; US-Patentanmeldung Nr. 08/885,427 mit dem Titel "Schleifenzustandsüberwacher zum Bestimmen der Amplitude von Komponentensignalen von einem optischen Strahl mit einer Mehrfach-Wellenlänge"; und US-Patentanmeldung Nr. 08/885,747 mit dem Titel "Dynamischer optischer Verstärker".
Stand der Technik
In dichtem Wellenlängenmultiplexen ("Dense Wavelength Division Multiplexing" (DWDM)) werden mehrere Lichtstrahlen mit jeweils verschiedenen Wellenlängen und einen unterschiedlichen Kanal für die Übertragung von Daten darstellend kombiniert (multiplext), um sich als ein Strahl entlang eines einzelnen optischen Strahlengangs, wie einem Strahlengang, der durch eine optische Faser definiert wird, auszubreiten. Damit wird die Menge an Information, die entlang des Strahlengangs, z. B. durch die Faser, übertragen wird, stark er höht. An dem Empfangsende des Strahlengangs werden die Kanäle demultiplext und geeignet demoduliert. Jeder Kanal verwendet eine Laserlichtquelle, typischerweise einen Halbleiterlaser, wie ein Laser mit verteilter Rückkopplung ("Distributed Feedback" (DFB)) oder ein Laser mit verteilter Rückreflexion ("Distributed Back Reflection (DBR)), die einen Strahl der Wellenlänge dieses Kanals erzeugt. Ein Modulator moduliert den Strahl zum Übertragen der Kanaldaten. Die Entwicklung eines praktischen Breitbandverstärkers, der in den optischen Strahlengang eingeführt werden kann, wie der Erbium-dotierte Faserverstärker, machte DWDM realistisch und spornte die technische Entwicklung von verwandten Geräten, wie Multiplexem, Demultiplexem, Modulatoren, etc. stark an.
Ein wichtiges Anliegen bei DWDM-Systemen ist das Erzielen von höheren Datenraten, wie durch Erhöhung der Anzahl von Kanälen. Die Wellenlängenstabilität der Laserquellen begrenzt die Anzahl von Kanälen. Die Wellenlänge der Laserlichtquelle verschiebt sich üblicherweise im Laufe der Zeit, und die Kanäle können nicht so nahe beieinander angeordnet sein, dass die Wellenlänge einer Kanallaserquelle zu nahe an die Wellenlänge driftet, bei der eine andere Kanallichtquelle betrieben wird. Information geht verloren. Je besser die Stabilisierung der Wellenlänge der Laserquelle ist, umso dichter können dementsprechend die Kanäle innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs gepackt werden.
Zum Beispiel weiß man, dass die Wellenlänge eines DFB-Lasers von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird, wie dem Laserquellenstrom, der Lasertemperatur und dem Altem des Lasers. In den meisten praktischen Anwendungen wird die Wellenlänge des Lasers durch Regulieren der Temperatur des Lasers stabilisiert, da ein Verändern des Stroms den Leistungshaushalt des gesamten Systems beeinflusst und einen eingeschränkteren Wellenlängenbereich, über den Laser durchgestimmt werden kann, bereitstellt. DFB-Laser werden typischerweise mit Hilfe einer thermischen Kontrollschleife temperaturstabilisiert, die aus einem Thermistor zum Erfassen der Gerätetemperatur, einer elektronischen Rückkopplungsschleife und einem thermoelektrischen Kühler (TEC), der entsprechend der Rückkopplung die Temperatur des Lasers anpasst, bestehen. Die thermische Regulierung wird verwendet, da sie auch den DFB-Laser vor einer Überhitzung schützt und dazu beiträgt, den Leistungs ausgang des Lasers zu stabilisieren. Trotzdem ist die Laserdrift immer noch ein Anliegen und schränkt die Kanaldichte ein. Eine Verbesserung wird benötigt, um die Kanäle dichter zu packen und damit höhere Datenraten in DWDM-Systemen zu erhalten.
Ein weiteres wichtiges Anliegen bei der Implementierung eines DWDM-Systems ist das Wellenlängenmanagement und die Wellenlängenoptimierung. Systemdesigner sind bei der Optimierung einer DWDM-Verbindung vor schwierige Probleme gestellt. Sie müssen Verluste minimieren, eine angemessene Kanalisolierung aufrechterhalten und andere Parameter in Verbindung mit der Wellenlänge berücksichtigen. Verschiedene Komponenten eines DWDM-Systems, wie optische Verstärker (z. B. ein Erbium-dotierter Faserverstärker), Multiplexer, Demultiplexer, optische Isolatoren, Addier-/Abzweige-Multiplexer und Koppler, sind wellenlängenempfindlich. Faserstreuung ist auch zu berücksichtigen. Die Steuerung, z. B. das Durchstimmen, der Wellenlänge von einzelnen Kanälen innerhalb verfügbarer Kanalbandbreiten ist nicht typischerweise als Optimierungswerkzeug gänzlich realisiert.
Ein weiteres Anliegen beim Betreiben solcher Systeme bringt ein Überwachen der Laserstrahlung, die für einige oder alle der Kanäle verwendet wird, mit sich. Wie oben erwähnt, ist es bekannt, dass sich die Wellenlänge mit dem elektrischen Strom, mit dem der Laser versorgt wird, der Temperatur des Lasers und dem Altem des Lasers verändert. Ein Überwachen der Wellenlänge kann für das Maximieren der Leistung des gesamten Informationsübertragungssystems nützlich sein.
Die Probleme der Wellenlängeregulierung, -steuerung und -überwachung wurden nicht zufriedenstellend gelöst. Eine bessere Wellenlängenüberwachung, -regulierung und – steuerung wird Laserinformationssysteme mit höherer Leistung erlauben, die einfacher entworfen, gewartet und verändert werden, und ein dichteres Packen der Kanäle und damit höhere Datenraten. Wenige Arten von Lasern könnten eine vorgegebene Anzahl von Kommunikationskanälen erzielen. Die vorhandenen Verfahren und Vorrichtungen sind nicht vollständig passend.
Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, sich mit einem oder mehreren der zuvor erwähnten Nachteile des Stands der Technik zu beschäftigen.
E, ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine verbesserte Steuerung und/oder Überwachung der Strahlungswellenlänge, die von einem Laser abgestrahlt wird, bereitzustellen.
E, ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zur Wellenlängenüberwachung und – steuerung bereitzustellen, die einfacher in typische Lasersysteme integriert werden kann.
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist es, eine durchstimmbare und stabilisierte Laserquelle von Laserstrahlung bereitzustellen, um vielseitigere Lasersysteme zur Datenübertragung bereitzustehen.
Weitere Ziele der Erfindung werden zum Teil offensichtlich sein und sich zum Teil im folgenden zeigen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung erzielt diese und weitere Ziele durch Bereitstellen einer Vorrichtung zum Überwachen der Wellenlänge von Laserstrahlung, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das der Abweichung der Wellenlänge von einer Sollwertweilenlänge entspricht bzw. dafür repräsentativ ist. Das Fehlersignal kann als Teil einer Rückkopplungsschleife verwendet werden, um die Wellenlänge des Lasers zu überwachen, zu stabilisieren, durchzustimmen oder anderweitig zu steuern, z. B. durch Steuern der Temperatur des Lasers oder des Stroms, mit dem der Laser versorgt wird. Ein Ändern der Art, wie das Fehlersignal erzeugt wird, verschiebt oder verändert die Sollwertwellenlänge, so dass die Wellenlänge des Lasers abgestimmt bzw. durchgestimmt wird.
In einer Hinsicht stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Überwachen der Wellenlänge von Laserstrahlung mit einer optischen Strahlteilervorrichtung zum Teilen bzw. Abteilen eines ersten und zweiten Teilstrahls aus dem zu überwachenden Strahl bereit. Ein erster optischer Filter spricht auf den ersten Teilstrahl an, um daraus einen ersten gefilterten Strahl gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion zu erzeugen; ein zweiter optischer Filter spricht auf den zweiten Teilstrahl gemäß einer zweiten spektralen Filterfunktion an, um einen zweiten gefilterten Strahl daraus zu erzeugen.
Der erste Filter umfasst ein Substrat mit einem daran angeordneten Filter, und eine Oberfläche des Substrats ist zum Empfangen des ersten Teilstrahls unter einem Einfallswinkel ungleich Null angeordnet. Der Winkel ungleich Null kann so gewählt werden, dass sich die erste; und zweite Filterfunktion bei einer ausgewählten Kreuzungswellenlänge kreuzen bzw. schneiden, und dass sie einen Wellenlängeneinfangbereich definieren, der wenigstens einen Teil der Bandbreite eines Kanals eines DWDM-Systems umfasst. Das Strahlvergleichelement vergleicht den ersten und zweiten gefilterten Strahl, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das der Abweichung der Wellenlänge des Strahls von einer Sollwertwellenlänge entspricht, die der Kreuzungswellenlänge entsprechen kann.
In einer weiteren Hinsicht stellt die Erfindung ein wellenlängenstabilisiertes Lasersystem bereit, das einen Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einer auswählten Wellenlänge und ein Element zum Teilen bzw. Abteilen von ersten und zweiten Laserlichtstrahlen aus dem Laserstrahl umfasst. Ein erster optischer Filter ist zum Empfangen wenigstens eines Teils des ersten Teilstrahls angeordnet. Der erste Filter erzeugt einen ersten gefilterten Strahl, und ein Fotodetektor ist zum Empfangen wenigstens eines Teils des ersten gefilterten Strahls und zum Erzeugen eines ersten nachgewiesenen bzw. detektierten Signals angeordnet. Ein zweiter optischer Filter ist zum Empfangen wenigstens eines Teils des zweiten Teilstrahls und zum Erzeugen eines zweiten gefilterten Strahls angeordnet, und ein zweiter Fotodetektor empfängt wenigstens einen Teil des zweiten Teilstrahls und erzeugt ein zweites nachgewiesenes Signal. Der erste Filter umfasst ein Substrat mit einer Filterschicht, wobei die Filterschicht wenigstens eine Filmschicht mit einer dielektrischen Konstante, die von der des Substrats verschieden ist, umfasst. Eine Fehlersignalschaltung ist in elektrischer Verbindung mit den ersten und zweiten Fotodetektoren zum Erzeugen eines Fehlersignals, das auf die ersten und zweiten erfassten Signale anspricht und der Abweichung der Wellenlänge der Laserstrahlung von einer Sollwertwellenlänge entspricht. Ein Laserwellenlängenkontrollelement ist in elektrischer Verbindung mit der Fehlerschaltung zum Anpassen der Betriebstemperatur des Lasers entsprechend dem Fehlersignal, so dass die Wellenlänge des Lasers gegen die Sollwertwellenlänge strebt. Der erste Teilstrahl fällt auf eine Oberfläche des Substrats oder der Filterschicht unter einem Einfallswinkel ungleich Null, der so ausgewählt ist, dass die erste und zweite spektrale Filterfunktion einen Wellenlängeneinfallbereich definieren, der die Sollwertwellenlänge umfasst.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Überwachen der Wellenlänge eines Laserstrahls wenigstens einen optischen Filter. Der optische Filter umfasst ein Substrat mit einer Filterschicht, und die Filterschicht umfasst wenigstens eine Filmschicht mit einer dielektrischen Konstante, die von der des Substrats verschieden ist. Der optische Filter empfängt wenigstens einen Teil des Strahls unter einem ausgewählten Einfallswinkel ungleich Null bezüglich einer Oberfläche des Substrats oder der Filterschicht, urn einen ersten gefilterten Strahl gemäß einer spektralen Filterfunktion zu erzeugen, die eine resonante Antwort bei einer resonanten Antwortwellenlänge aufweist. Wenigstens ein Detektor erfasst den ersten gefilterten Strahl bzw. weist diesen nach, um ein erstes erfasstes Signal zu erzeugen, das der Intensität des ersten gefilterten Strahls entspricht. Eine Fehlerschaltung in elektrischer Verbindung mit dem Detektor erzeugt, ansprechend auf das erfasste Signal, ein Fehlersignal, das der Abweichung der Wellenlänge des Strahls von einer Sollwertwellenlänge entspricht. Der Einfallswinkel ungleich Null ist so gewählt, dass die spektrale Filterfunktion einen Einfangbereich von Wellenlängen definiert, der die Sollwertwellenlänge umfasst.
Durch die Erfindung wird außerdem eine Vorrichtung zum Überwachen der Wellenlänge von Laserstrahlung bereitgestellt, die eine Strahlteilervorrichtung zum Teilen von ersten und zwieiten Teilstrahlen aus einem Strahl, einen ersten optischen Filter zum Empfangendes ersten Teilstrahls und zum Erzeugen eines ersten gefilterten Strahls gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion, einen zweiten optischen Filter zum Empfangen des zweiten Teil strahls und zum Erzeugen eines zweiten gefilterten Strahls gemäß einer zweiten spektralen Filterfunktion, die von der ersten spektralen Filterfunktion verschieden ist, erste und zweite Fotodetektoren zum Empfangen wenigstens eines Teils von jeweils den ersten und zweiten gefilterten Strahlen und zum Erzeugen von jeweils ersten und zweiten erfassten Signalen und eine Fehlerschaltung zum Erzeugen, ansprechend auf die ersten und zweiten erfassten Signale, eines Ausgangssignals, das der Abweichung der überwachten Wellenlänge von einer Sollwertwellenlänge entspricht, umfasst.
Die Fehlerschaltung umfasst eine Summierschaltung zum Summieren der ersten und zweiten Signale, um ein summiertes Signal zu erzeugen, ein erstes Schaltungselement zum Bestimmen eines ersten Verhältnisses von einer ersten Referenzspannung zu dem summierten Signal, und ein zweites Schaltungselement, ansprechend auf das erste Schaltungselement, zum Multiplizieren des zweiten Signals mit einem Faktor, der im Wesentlichen gleich dem ersten Verhältnis ist, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einem Verhältnis des zweiten Signals geteilt durch die Summe der ersten und zweiten Signale entspricht.
In einem zusätzlichen Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Überwachen der Wellenlängen von Laserstrahlung bereit, die einen optischen Filter zum Empfangen eines Laserstrahls und zum Übertragen eines ersten gefilterten Strahls gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion umfasst. Außerdem reflektiert der optische Filter einen zweiten gefilterten Strahl gemäß einer zweiten spektralen Filterfunktion, die mit der ersten spektralen Filterfunktion invers zusammenhängt, wobei sich die spektralen Filterfunktionen an ersten und zweiten nicht verschobenen ("zero bias") Sollwerten kreuzen. Der optische Filter umfasst ein Substrat mit einer Filterschicht auf einer ersten Oberfläche, wobei die Filterschicht wenigstens eine Filmschicht mit einer dielektrischen Konstante, die von der des Substrats verschieden ist, umfasst. Ein Strahlvergleichelement vergleicht die Intensitäten der ersten und zweiten gefilterten Strahlen, um ein Signal zu erzeugen, das der Abweichung der Wellenlänge des Strahls von einer Sollwertwellenlänge entspricht.
In einer weiteren Hinsicht stellt die Erfindung eine Halbleiteriaservorrichtung bereit, die Mittel zum Abtasten der Laserstrahlung umfasst, um wenigstens die Wellenlänge der Laserstrahlung zu überwachen. Die Laservorrichtung umfasst einen Halbleiterlaser zum Erzeugen eines ersten Laserstrahls aus einer ersten Fläche und eines zweiten Strahls aus einer zweiten Fläche und einen optischen Filter zum Empfangen des zweiten Laserstrahls und zum Übertragen eines ersten gefilterten Strahls gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion und zum Reflektieren eines zweiten gefilterten Strahls gemäß einer zweiten spektralen Filterfunktion, die mit der ersten spektralen Filterfunktion invers zusammenhängt, so dass ein Fehlersignal, das der Abweichung der Wellenlänge der Laserstrahlung von einer Sollwertwellenlänge entspricht, durch Vergleichen der gefilterten Strahlen erhalten werden kann. Der Filter und der Laser können auf einem thermischen Leiter angeordnet sein und die Vorrichtung kann weiterhin einen Modulator und/oder einen faseroptischen Koppler zum Bereitstellen eines faseroptischen Ausgangs für den ersten Strahl umfassen. Der Laser kann ein durchstimmbarer Laser sein.
In einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung eine Vonrrichtung zum Überwachen der Wellenlänge von Laserstrahlung mit einem optischen Filter zum Empfangen von räumlich getrennten ersten und zweiten Laserstrahlen und, ansprechend auf den ersten Strahl, zum Übertragen eines ersten gefilterten Strahls gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion und Reflektieren eines zweiten gefilterten Strahls gemäß einer zweiten spektralen Filterfunktion, die mit der ersten spektralen Filterfunktion invers zusammenhängt. Die erste und zweite Filterfunktion kreuzen sich bei ersten und zweiten nicht verschobenen Sollwerten, und der optische Filter spricht weiterhin auf den zweiten Strahl an, um einen dritten gefilterten Strahl gemäß der ersten spektralen Filterfunktion zu übertragen und einen vierten gefilterten Strahl gemäß der zweiten spektralen Filterfunktion zu reflektieren. Der optische Filter umfasst ein Substrat mit einer Filterschicht auf einer ersten Oberfläche, wobei die Filterschicht wenigstens eine Filmschicht mit einer dielektrischen Konstante umfasst, die von der des Substrats verschieden ist. Die ersten und zweiten optischen Detektoren empfangen jeweils die ersten und zweiten gefilterten Strahlen und erzeugen erste und zweite erfasste Signale. Dritte und vierte optische Detektoren erfassen jeweils die dritten und vierten gefilterten Strahlen, um dritte und vierte erfasste Signale zu erzeugen. Eine erste Fehlerschaltung erzeugt, ansprechend auf die ersten und zweiten erfassten Signale, ein erstes Fehlersignal, das auf die Differenz zwischen der Wellenlänge des ersten Strahls und wenigstens dem ersten nicht verschobenen Sollwert oder einem davon verschobenen Sollwert anspricht. Die zweite Fehlerschaltung erzeugt, ansprechend auf die dritten und vierten erfassten Signale, ein zweites Fehlersignal, das auf die Differenz zwischen der Wellenlänge des zweiten Strahls und wenigstens dem zweiten nicht verschobenen Sollwert oder einem davon verschobenen Sollwert anspricht.
Ein Verfahren zum Kalibrieren einer Laserwellenlängenüberwachungsvorrichtung wird durch die vorliegende Erfindung ebenfalls bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte:

A. Betreiben eines Lasers bei einer ersten Wellenlänge, um einen Laserstrahl mit der ersten Wellenlänge bereitzustellen;
B. Filtern wenigstens eines Teils des Laserstrahls mit einem ersten optischen Filter, um einen gefilterten Strahl gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion mit einer resonanten Antwort bei einer resonanten Antwortwellenlänge zu erzeugen;
C. Messen der Intensität des ersten gefilterten Strahls;
D. Filtern wenigstens eines zweiten Teils des Laserstrahls mit einem zweiten optischen Filter, um einen zweiten gefilterten Strahl zu erzeugen, wobei der zweite optische Filter ein Substrat mit einer Filterschicht darauf umfasst, wobei die Filterschicht wenigstens eine Filmschicht mit einem Brechungsindex umfasst, der von dem des Substrats verschieden ist, wobei der Filterschritt ein Richten des Strahls umfasst, so dass er auf eine Oberfläche wenigstens des Substrats oder der Filterschicht unter einem ausgewählten Einfallswinkel einfällt;
E. Überwachen der gemessenen Intensität des zweiten gefilterten Strahls;
F. Auswählen eines Endeinfallswinkels, wobei der Auswahlschritt ein Anpassen des Einfallswinkels des Laserstrahls an die Oberfläche umfasst, so dass die Intensität des zweiten gefilterten Strahls im Wesentlichen gleich der gemessenen Intensität des ersten gefilterten Strahls ist.

Der Endwinkel ist weiterhin so gewählt, dass die ersten und zweiten spektralen Filtertunktionen einen Wellenlängenbereich definieren, in dem ein Signal, das der Abweichung der Wellenlänge des Lasers von der ersten Wellenlänge entspricht, durch Vergleichen der Intensitäten der ersten und zweiten gefilterten Strahlen erzeugt werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt somit eine Vorrichtung zum Überwachen und/oder Steuern einer Laserwellenlänge bereit, die unterwechselnden Umgebungsbedingungen stabil und unempfindlich gegenüber Alterungseffekten ist, die teilweise von der Verwendung von optischen Plattenfiltern herrühren, wobei die Filmschichten mit einem Hochenergieabscheidungsvertahren abgeschieden werden. Eine Wellenlängenüberwachungsvorrichtung gemäß der Erfindung soll ökonomisch sein und verhältnismäßig einfach in Laserkommunikationssysteme, wie DWDM-Systeme, zum Einstellen und Stabilisieren der Kanalwellenlängen eingebracht werden können.
Die zuvor erwähnten und weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen deutlich, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile in allen Ansichten beziehen. Die Zeichnungen illustrieren Prinzipien der Efindung, sind aber nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
Die Erfindung umfasst auch Verfahren, die gemäß den hier beschriebenen Lehren. durchgeführt werden, wie weiter unten ausführlicher erläutert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Lasersystems mit einer Laserwellenlängenüberwachungsvorrrichtung gemäß der vorliegenden Efindung.
2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Lasersystems und der Laserwellenlängenüberwachungsvorrichtung von 1.
3A stellt typische erste und zweite spektrale Filterfunktionen dar, die den ersten und zweiten optischen Filtern von 2 entsprechen.
3B stellt die Ableitung eines Fehlersignals aus den spektralen Filterfunktionen von 3A dar.
4A illustriert die Geometrie eines optischen Strahls, der auf den optischen Filter von 2 fällt, und ist nützlich für das Verständnis des Phänomens des Winkeleinstellens einer spektralen Filtertunktion von 3A.
4B illustriert das Einstellen bzw. Durchstimmen der resonanten Antwortwellenlänge einer spektralen Filterfunktion als Funktion des Einfallswinkels des einfallenden Laserstrahls.
5A-5D illustrieren schematisch Fehlerschaltungen zum Erzeugen eines Fehlersignals gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 illustriert die Veränderung der Sollwertwellenlänge und des Fehlersignals durch Verändern des relativen Gewinns bzw. Verstärkungsfaktors der ersten und zweiten Verstärker der Fehlerschaltungen von 5.
7A illustriert ein mechanisches Verändern des Einfallswinkels eines Strahls auf einer Oberfläche des ersten optischen Filters von 2 zum Verändern der spektralen Filterfunktion, inklusive der resonanten Antwortwellenlänge.
7B illustriert ein Festmachen eines ersten optischen Filters von 3A an einem Ort mit Hilfe von Laserschweißen.
8 illustriert ein alternatives "In-Line"-Ausführungsbeispiel des Lasersystems mit einem Wellenlängenüberwachungssystem von 1.
9A und 9B illustrieren Beispiele der Strahlteilervorrichtung, die in 8 illustriert ist.
10 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lasersystems und der Wellenlängenüberwachungsvorrichtung, die in 1 illustriert ist.
11A illustriert das Fehlersignal von 1, abgeleitet aus einem Verhältnis der Ausgänge der ersten und zweiten Detektoren von 1.
11B illustriert eine Fehlerschaltung zum Erzeugen des Fehlersignals durch Nehmen des in 11A gezeigten Verhältnisses.
12 illustriert ein Variieren der Sollwertwellenlänge und des Fehlersignals durch Einstellen der Sollwertreferenzspannung der Fehlerschaltung zum Verhältnisbilden von 11B
13 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lasersystems und der Laserwellenlängenübennrachungsvorrichtung von 11.
14 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lasersystems und der Laserwellenlängenüberwachungsvorrichtung von 1.
15 illustriert noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lasersystems und der Laserwellenlängenüberwachungsvorrichtung von 1.
16 illustriert erste und zweite spektrale Filterfunktionen, die jeweils den reflektierten und transmittierten Strahlen entsprechen und von den optischen Filtern von 15 erzeugt wurden.
17 illustriert das Fehlersignal, abgeleitet aus der Differenz zwischen den Intensitäten der reflektierten und transmittierten Strahlen von 16.
18 illustriert noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Laservorrichtung gemäß der Efindung.
19 illustriert eine Querschnittsansicht der Laservorrichtung von 18, illustrierend einen thermoelektrischen Kühler.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
1 illustriert allgemein ein Lasersystem 10, das eine Wellenlängenüberwachungsvorrichtung 18 gemäß der vorliegenden Efindung umfasst. Ein Laser 12 strahlt einen zu überwachenden Strahl 14 entlang eines optischen Pfads 16, der ein optischer Pfad im Freiraum sein kann oder durch einen optischen Wellenleiter, wie eine optische Faser, definiert sein kann. Die Wellenlängenüberwachungsvorrichtung 18 empfängt den Strahl 14 und erzeugt ein Fehlersignal, das der Abweichung der Wellenlänge von Strahl 14 von einer ausgewählten Sollwertwellenlänge entspricht. Die Wellenlängenüberwachungsvorrichtung 18 übermittelt das Fehlersignal, wie durch das Bezugszeichen 22 angegeben, an eine Lasewellenlängensteuerung 24, die, ansprechend auf das Fehlersignal, die Wellenlänge des Strahls 14 steuert, um das Fehlersignal zu reduzieren und somit die Wellenlänge des Strahls 14 zu der Sollwertwellenlänge zu treiben. Die Laserwellenlängensteuerung 24 kann z. B. die Tempera tur der Laserquelle 12 oder den Anregungsstrom, mit dem der Laser 12 versorgt wird, steuern. Somit kann die Laserwellenlänge gesteuert werden, wie zum Einstellen bzw. Durchstimmen oder Stabilisieren der Wellenlänge. Die Laserwellenlängensteuerung kann eine Proportional-Intregral-Differential-(PID)-Schaltung umfassen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Wenn die Laserwellenlängensteuerung die Temperatur des Lasers steuert, kann die Steuerung auf einen Temperatursensor ansprechen, der die Temperatur des Lasers fühlt.
Viele Arten von Laser 12 sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet und können aus dem Überwachen, Steuern und Stabilisieren, wie es durch die folgende Efindung bereitgestellt wird, Nutzen ziehen. Der Laser mit verteilter Rückkopplung wird unten als ein Beispiel diskutiert; andere Beispiele folgen danach. Zum Beispiel kann der Laser 12 ein 980-nm-Laser sein, der als Pumpe für einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA) verwendet wird. Die Leistung des EDFA erfordert typischerweise ein Kontrollieren der Wellenlänge des Pumplasers, um die Absorption der Pumplaserenergie durch den EDFA zu maximieren. Der Laser 12 kann auch ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) sein; ein Laser mit verteilter Rückreflexion (DBR), ein ein Laser mit verteilter Rückreflexion und Überstrukturgitter ("Super Structure Grating Distributed Back Reflection" (SSG-DBR)) und ein gitterunterstützter Koppler mit Laser mit abgetastetem Rückreflektor ("Grating Assisted Coupler with Sampled Rear Reflector" (GSCR)). Solche Laser können in Laserkommunikationssystemen mit dichtem Wellenlängenmultiplexen (DWDM) von besonderem Nutzen sein. Beispielsweise kann ein Halbleiterlaser, der mit einer Frequenz von beispielsweise 1550 nm betrieben wird und durchstimmbar ist, wie über den Bereich von 60 nm oder einen Teil davon, wie es typisch für die DWDM-Systeme und insbesondere den EDFA ist, von besonderem Nutzen sein. Es sind weniger Laserarten erforderlich, um Laserstrahlung bei den verschiedenen Kanalwellenlängen bereitzustellen. Jeder Laser ist so eingestellt, um in der bestimmten Wellenlänge eines bestimmten Kanals betrieben zu werden. Wenn der Laser 12 ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB) ist, wie er häufig in Laserkommunikationssystemen mit dichtem Wellenlängenmultiplexen (DWDM) verwendet wird, kontrolliert die Laserwellenlängensteuerung 24 vorzugsweise die Temperatur der Laserquelle 12.
Typischerweise ändert sich die Wellenlänge eines DFB-Lasers um 0,1 nm/°C. Wenn also die Betriebstemperatur so gesteuert wird, dass sie über einen Bereich von 20°C verändert wird, sollte es möglich sein, die Laserwellenlänge über einen Bereich von 2,0 nm zu verändem. Da die Wellenlängendrift eines DFB-Lasers typischerweise nicht vofiersehbar ist, wird die Sollweriwellenlänge typischerweise so gewählt, dass sie dem Mittelpunkt dieses Bereichs als den sichersten Betriebspunkt für langdauernde Wellenlängensteuerung der Laserquelle 12 entspricht.
Eine Steuerung 50, wie ein PC oder ein geeigneter Mikroprozessor, können zum Verändern der Sollwertwellenlänge enthalten sein. Ein Verändern der Sollwertwellenlänge erlaubt ein Durchstimmen der Wellenlänge des Lasers 12, wie im Folgenden ausführlich beschrieben wird.
Das Wellenwellenüberwachungssystem 18 kann eine Strahlteilervorrichtung 26 zum Teilen des Strahls 14 in erste und zweite Teilstrahlen 28 und 30 umfassen. Ein erster optischer Filter 32 filtert den ersten Teilstrahl 28 gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion (SFF), um einen gefilterten Strahl 36 zu erzeugen; ein zweiter optischer Filter 34 filtert den zweiten Teilstrahl 30 gemäß einer zweiten SFF, die von der ersten spektralen Filterfunktion verschieden ist, um einen zweiten gefilterten Strahl 38 zu erzeugen. Ein Strahlvergleichelement 20 empfängt und verarbeitet die gefilterten Strahlen, um das Fehlersignal zur Übermittlung an die Laserwellenlängensteuerung 24 zu erzeugen. Typischerweise subtrahiert das Strahlvergleichelement die gefilterten Strahlen 36 und 38 oder nimmt das Verhältnis.
Die ersten und zweiten spektralen Filterfunktionen unterscheiden sich, so dass das Strahlvergleichelement 20 durch Vergleich der gefilterten Strahlen 36 und 38 ein Fehlersignal erzeugen kann, das der Abweichung der Wellenlänge des Strahls 14 von einer Sollwertwellenlänge entspricht. Wie im Folgenden ausführlicher diskutiert wird, kann beispielsweise eine nützliche spektrale Filterfunktion dadurch charakterisiert sein, dass sie eine BandpassBandbreite und eine resonante Antwort aufweist, bei welcher der von dem Filter transmittierte oder reflektierte gefilterte Strahl der schwächste oder intensivste, zumindest lokal, ist. Die resonante Antwort tritt bei einer resonanten Antwortwellenlänge auf. Ein Verfahren zum Vereinfachen der Herstellung eines nützlichen Fehlersignals bei dem Strahlvergleichelement 20, das der Abweichung der Wellenlänge des Strahls 14 von einer Sollwertwellenlänge entspricht, besteht darin, eine erste und zweite SFF zu wählen, wobei deren resonante Antwortwellenlänge um einen ausgewählten Betrag verschieden sind. Der Bereich von Wellenlängen, der zwischen den resonanten Antwortwellenlängen enthalten ist, kann wenigstens einem Teil der Bandbreite eines bestimmten Kanals eines DWDM-Systems entsprechen. Die Sollwertwellenlänge kann der Wellenlänge entsprechen, bei der sich die spektralen Filterfunktionen kreuzen, die hier als Kreuzungswellenlänge bezeichnet wird. Spezielle spektrale Filterfunktionen werden im Folgenden ausführlicher diskutiert.
Entsprechend kann das Strahlvergleichelement 20 einen ersten optischen Detektor 40, einen zweiten optischen Detektor 42 und eine Fehlerschaltung 48 umfassen. Der erste optische Detektor 40 erfasst den ersten gefilterten Strahl 36 und übermittelt ein erstes erfasstes Signal, wie durch das Bezugszeichen 44 angegeben, an die Fehlerschaltung 48. Der zweite optische Detektor 42 erfasst entsprechend den zweiten gefilterten Strahl 38 und übermittelt ein zweites erfasstes Signal, wie durch das Bezugszeichen 46 angegeben, an die Fehlerschaltung 48. Die Fehlerschaltung 48 kombiniert die erfassten Signale, wie durch Bilden eines Vehältnisses unter Verwendung der Signale oder Subtrahieren der Signale, um das Fehlersignal zu erzeugen.
Vorzugsweise vergleicht das Strahlvergleichelement die Intensitäten der ersten und zweiten gefilterten Strahlen. Dem gewöhnlichen Fachmann ist es im Lichte dieser Offenbarung klar, dass die Phasen der gefilterten Strahlen auch verglichen werden können, um das Fehlersignal zu erzeugen, das der Abweichung der Wellenlänge von der Sollwertwellenlänge entspricht.
Wie in 1 gezeigt, kann die Steuerung 50 mit der Fehlerschaltung 48 und/oder einem der optischen Filter, wie dem ersten optischen Filter 34, kommunizieren, um jeweils die erste spektrale Filterfunktion und das Kombinieren der erfassten Signale zu steuern, um die Sollwertwellenlänge zu verändern. Eine Sollwertwellenlänge, die von der Kreuzungs-Wellenlänge verschieden ist, wenn das Konzept einer Kreuzungswellenlänge relevant ist, wird hier als verschobene ("biased") Sollwertwellenlänge bezeichnet; der Begriff Sollwertwellenlänge wird im Allgemeinen so verwendet, dass er sowohl Sollwertwellenlängen, die Kreuzungspunktwellenlängen sind, und davon verschobene Sollwertwellenlängen umfasst. Wie unten weiter diskutiert wird, kann eine einzelne SFF zum Erzeugen eines Fehlersignals verwendet werden, das der Abweichung der Laserwellenlänge von einer Sollwertwellenlänge entspricht, obwohl es keine Kreuzung von SFFen und somit keine relevante Kreuzungswellenlänge gibt.
2 illustriert ein Ausführungsbeispiel eines Lasersystems 10, das eine Wellenlängenüberwachungsvorrichtung 18 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Der Laser 12 erzeugt einen Hauptstrahl 14 entlang eines optischen Pfads 15, der durch eine optische Faser definiert wird. Ein faseroptischer Koppler 60 koppelt einen Teil des Hauptstrahls 14 entlang eines optischen Pfads 16, der ebenfalls durch eine optische Faser definiert wird, als Strahl 14A aus. Der Hauptstrahl 14 tritt zu der rechten Seite von 2 als Strahl 14B entlang des optischen Pfads 17 zur weiteren Verarbeitung, wie Modulation mit einem Telekommunikationssignal, aus.
Der faseroptische Kollimator 64 kollimiert den Strahl 14B, um den optischen Freiraumpfad 63 zu der Strahlteilervorrichtung 26 zu durchqueren, wobei es sich hier um einen typischen Freiraumstrahlteiler handelt, wie er dem durchschnittlichen Fachmann bekannt ist. Die Strahlteilvorrichtung 26 teilt den Strahl 14B in erste und zweite Teilstrahlen 28 und 30, die durch erste und zweite optische Filter 32 und 34 gefiltert werden.
Vorzugsweise sind jeweils die ersten und zweiten optischen Filter 32 und 34 Filter, die jeweils Substrate 66 und 76 mit jeweils darauf angeordneten Filterschichten 68 und 78 umfas sen. Repräsentativ für beide Filterschichten 68 und 78 wird die Filterschicht 68 diskutiert. Die Filterschicht 68 umfasst wenigstens einen Film, der typischerweise eine optische Länge einei Viertelwellenlänge bei einer ausgewählten Wellenlänge und eine dielektrische Konstante oder, in gleicher Weise, einen Brechungsindex umfasst, die/der sich von der/dem des Substrats 66 oder eines der anderen Filter, welche die Filterschicht 68 umfasst, verschieden ist.
Wie in 2 gezeigt wird, trifft der erste Teilstrahl 28 unter einem ausgewählten Winkel 70 auf eine Oberfläche 71 des ersten optischen Filters 32. Der zweite optische Filter 34 kann auch so angeordnet sein, dass der zweite Teilstrahl auf eine Oberfläche 82 des zweiten Filters unter einem Winkel 80 auftrifft. Die spektrale Filtertunktion eines gegebenen Filters ist eine Funktion des Substrats, der Filterschicht und des Einfallswinkels des optischen Strahls.
3A illustriert eine erste spektrale Filterfunktion (SFF) 100 (angegeben durch eine durchgezogene Linie) verbunden mit dem ersten optischen Filter 32 und eine zweite SFF 102 (angegeben durch eine gestrichelte Linie) verbunden mit dem zweiten optischen Filter 34. Jede SFF kann dadurch charakterisiert sein, dass sie eine Bandbreite, wie die Breite 108 auf halber Höhe für die erste SFF 100, und eine resonante Antwort, wie die resonante Antwort 110 für die erste SFF 100 und die resonante Antwort 112 für die zweite SFF 102, aufweist. Die erste und zweite SFF unterscheiden sich in erster Linie dadurch, dass die Wellenlängen, die den resonanten Antworten für jede SFF entsprechen, gegeneinander verschoben sind.
Die erste SFF und zweite SFF kreuzen sich in dem Punkt 116 bei der Kreuzungswellenlänge:, angezeigt durch das Bezugszeichen 118, die der Sollwertwellenlänge entsprechen kann. Beispielsweise sind bei der Betriebswellenlänge des Lasers 12, dargestellt durch die Spektrallinie 114 in 3A, die ersten und zweiten spektralen Filterfunktionen und damit die Intensitäten der ersten und zweiten gefilterten Strahlen gleich. Wenn sich jedoch die Wellenlänge 114 des Strahls 14 zu einer Seite des Wellenlängenpunkts 118 verschiebt, würde entweder die erste SFF zunehmen und die zweite SFF abnehmen oder umgekehrt. Somit kann ein Strahlvergleichelement 20, das Signale, wie das erste und zweite erfasste Signal, subtrahiert oder deren Verhältnis bildet, ein Fehlersignal erzeugen, das der Abweichung der Wellenlän ge 114 von der Sollwertwellenlänge 118 entspricht. 3B illustriert die Veränderung jeweils der ersten und zweiten erfassten Signale 126 und 124 als eine Funktion der Wellenlänge. Die Fehlerschaltung 48 kann eine Differenzierschaltung sein, um die Differenz 128 zwischen dem ersten erfassten Signal 126, angegeben durch die durchgezogene Linie, und dem zweiten erfassten Signal 124, angegeben durch die gestrichelte Linie, zu bilden. Solche Difterenziertehlerschaltungen werden in Zusammenhang mit 5 diskutiert.
In Hinblick auf diese Offenbarung versteht der Fachmann, dass verschiedene Arten von optischen Filtern betrieben werden können, um spektrale Filterfunktionen auf verschiedene Arten bereitzustellen. Zum Beispiel kann durch einen optischen Filter Lichtenergie absorbiert, reflektiert oder transmittiert werden. Die nichtabsorbierte Energie wird entweder transmittiert oder reflektiert oder beides, und ein gefilterter Strahl kann einem Strahl entsprechen, der von einem Filter eher reflektiert als transmittiert wurde. Dementsprechend kann sich, wie hier verwendet, eine resonante Antwort auf ein lokales oder globales Maximum oder Minimum (d. h. Null) einer spektralen Filterfunktion beziehen, und ein gefilterter Strahl kann einen von einem optischen Filter reflektierten oder transmittierten Strahl umfassen. Weiterhin kann ein Filter mehrere Filmschichten umfassen, die angeordnet wurden, um eine Filterschicht zu bilden, oder kann durch ein an einem Substrat angeordnetes Gitter gebildet werden, wie es durch ein Ätzen auf einer Oberfläche eines Substrats oder anderweitig innerhalb eines Substrats gebildet wird.
Nochmals Bezug nehmend auf 2 sind jeweils die ersten und zweiten optischen Detektoren 40 und 42 vorzugsweise PIN-Fotodetektoren, die in einem nichtverschobenen Transimpedanzmodus betrieben werden. Um beispielsweise den PIN-Fotodetektor in einem nicht verschobenen Transimpedanzmodus zu betreiben, kann ein Anschluss des PIN-Fotodetekturs mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (nicht gezeigt) verbunden sein, und der andere Anschluss kann geerdet sein. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers ist auch geerdet, und ein Widerstand koppelt den invertierenden Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers. Das erfasste Signal kann dann in verstärkter Form an dem Ausgang des Operationsverstärkers erhalten werden.
Die optischen Filter 32 und 34 und die Detektoren 40 und 42 haben die Funktion eines Wellenlänge/Spannungswandlers. Die Fehlerschaltung 48 verarbeitet die ersten und zweiten erfassten Signale und erzeugt ein Fehlersignal 22, wobei die Spannung des Signals der Ab-weichung der Wellenlänge des Strahls 14 (und somit des Hauptstrahls 13) von der Sollwertvellenlänge entspricht. Mit der hierin offenbarten Lehre ist dem Fachmann klar, dass die PIN-Fotodetektoren 40 und 42 auch in einem fotoleitenden Modus betrieben werden können, so dass die Fotodetektoren 40 und 42 und die optischen Filter 32 und 34 als Wellenlänge/Stromwandler wirken.
Verändern des Einfallswinkels eines Strahls auf einen Filter verschiebt in erster Linie die Wellenlänge, die der resonanten Antwort der SFF entspricht. Daher können die ersten und zweiten Filter im Wesentlichen physisch identisch sein und trotzdem unterschiedliche spektrale Filterfunktionen 110 und 112 haben, da die Filter unter einem Winkel zu den jeweiligen einfallenden Strahlen angeordnet sind. Anordnen der ersten oder zweiten oder beider Filter unter einem Winkel zu dem einfallenden Strahl, um die SFF der Filter zu verändern, wird hier als Winkeleinstellen bzw. Winkeldurchstimmen bezeichnet und kann bedeutende Vorzüge haben. Zum Beispiel kann ein 16-Kanallaserkommunikations-system mit 16 Laserquellen, die alle bei verschiedenen Wellenlängen betrieben werden, 32 verschiedene spektrale Filterfunktionen (2 pro Laserwellenlänge, wie in 2) erfordem und somit, in typischen Systemen des Stands der Technik, bis zu 32 physisch unterschiedliche Filter (d.h. Filter mit unterschiedlichen Filterschichten, Dicken und/oder Substraten), um 32 verschiedene SFFen zum Wellenlängenüberwachen und -steuern aller Kanäle bereitzustellen. Die Verwendung des Winkeleinstellens gemäß der Erfindung zum Verändem der SFFen der Filter kann für ein Lasersystem nur noch 3 oder 4 physisch verschiedene Filter erforderlich machen, um die 32 verschiedenen spektralen Filterfunktionen zu erhalten.
Das Verändem der spektralen Filterfunktion eines Filters mit dem Einfallswinkel ist in 4A und 4B illustriert. Ein Verändem des Einfallswinkels 70 eines optischen Strahls, wie des ersten Teilstrahls 28, auf einer Oberfläche 71 eines optischen Filters, wie des optischen Filters 32, verändert die resonante Antwortwellenlänge der spektralen Filterfunktion des optischen Filters 32.
Die resonante Antwortwellenlänge ist invers proportional zu dem Einfallswinkel 129 des Strahls 127, der den optischen Filter 32 durchwandert, und gehorcht der folgenden Beziehung:
resonante Antwortwellenlänge μ [Io Cos.(qi)]
wobei qi der Einfallswinkel 129 des Strahls 127, der innerhalb des optischen Filters 32 auf die Filmschicht 68 trifft, und Io die resonante Antwortwellenlänge, falls der Einfallswinkel 129a auf die. Filmschicht 68 0 Grad beträgt, ist. Der Einfallswinkel 129 des Strahls 127 auf der Filmschicht 58 steht zu dem Einfallswinkel 70 auf dem Substrat 66 gemäß dem Snellius-Gesetz in Beziehung. qi = sin – 1(1/n(sin(q)) wobei q der Einfallswinkel 70 des Strahls 28 auf das Substrat 66 und n der Brechungsindex des Substrats 66 sind.
4B illustriert die Funktionsbeziehung 136 zwischen der resonanten Antwortwellenlänge und dem Einfallswinkel 70. Bezugsziffer 132 bezieht sich auf die horizontale Achse (Grad) und Bezugszeichen 134 bezieht sich auf die vertikale Achse (Nanometer). Verändem des Einfallswinkels 70 um etwa 13 Grad verändert die resonante Antwortwellenlänge um etwa 6 Nanometer. Eine typische spektrale Filterfunktion kann eine 3 dB-Bandbreite von etwa 1 Nanometer aufweisen, wie in 3A dargestellt.
Man beachte, dass die Einstellcharakteristika bzw. Durchstimmcharakteristika des optischen Flters 32 eine Funktion des Brechungsindex des Substrats 66 sind. Ein Verändem der resonanten Antwortwellenlänge des optischen Filters 32 kann bezüglich des Einfallswinkels 70 mehr oder weniger empfindlich gemacht werden, indem der Brechungsindex des Substrats 66 verändert wird. Für einen Einfallswinkel 70 auf das Substrat 66 von 8° und eine Wellenlänge von 1550 nm beispielsweise verschiebt sich die resonante Antwortwellenlänge eines optischen Filters mit einem Substrat 66 aus Hartglas um etwa 6,6 nm, wohingegen sich die resonante Antwortwellenlänge nur um etwa 2,5 nm verschiebt, wenn das Substrat 66 TaF3 ist. Dementsprechend kann der Brechungsindex des Substrats 66 als Designparameter verwendet werden, um die Leistung des Wellenlänge/Elektrisches-Signal-Wandlers, der durch die ersten und zweiten optischen Filter 32 und 34 und die ersten und zweiten Detekto- ren 40 und 42 gebildet wird, geeignet anzupassen.
Außerdem kann der Bandpass, wie der in 3A gezeigte Bandpass 108, verändert werden, indem die Filterschicht 68 verändert wird, um den optischen Filter 32 empfindlicher oder weniger empfindlich auf Veränderungen der Wellenlänge des Strahls 14 zu machen. Unter Berücksichtigung der hier offenbarten Lehre versteht der Fachmann, dass die spektrale Filterfunktion in Beziehung zu der Schicht bzw. den einzelnen Schichten steht, welche die Filterschicht 68 auf dem Substrat 66 bildet bzw. bilden. Die Anzahl der Schichten, die Wellenlänge, bei der die Schichten eine Viertelwellenlänge lang sind, und die dielektrische Konstante jeder der Schichten beeinflussen alle die spektralen Filtertunktion. Um die Empfindlichkeit des optischen Filters 32 zu verringern, kann der Bandpass der spektralen Filterfunktion verbreitet werden, wodurch die Steigung des erfassten Signals 44 relativ zu der Abweichung der Wellenlänge des Strahls 14 von der resonanten Antwortwellenlänge abgeflacht wird.
Gemäß der Erfindung sind die in 2 und 4 gezeigten optischen Filter vorteilhaft zum Wellenlängenüberwachen und -steuern aus zusätzlichen Gründen als dem Errmöglichen von Winkeleinstellen, um die Anzahl von benötigten, physisch unterschiedlichen Filtern zu reduzieren. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wellenlängenüberwachungsvorrichtung bereitzustellen, die einen zeitlich stabilen und wiederholbaren Ausgang bereitstellt, selbst wenn sie verändernden Umgebungsbedingungen unterworfen ist.. Die Filterschichten 68 und 78 der ersten und zweiten optischen Filter 32 und 34 können mittels Abscheidung von mehreren dielektrischen Viertelwellenlängen-Schichten unter Verwendung eines ener giereichen Abscheidungsvertahrens, wie Ionenstrahl- oder Ionenunterstütztes Sputtem auf das optische Substrat 66, hergestellt werden. Solche energiereichen Abscheidungsprozesse können Filme erzeugen, die Packungsdichten nahe Eins aufweisen und somit im Hinblick auf sich verändernde Umgebungsbedingungen und Altern sehr robust sind.
Weiterhin kann die spektrale Filterfunktion (SFF) eines Filters leicht verändert werden, indem die Anzahl und die physische Beschaffenheit des Filters, d.h. die dielektrische Konstante und Dicke der Schichten, die die Filterschicht 68 auf dem Substrat 66 bilden, und des Substrats 66 verändert werden. Somit kann die SFF einfach verändert werden, um ein Design für verschiedene Anwendungen zu entwerten. Außerdem können die Filter typischerweise wiederholbar und zu geringen Kosten produziert werden.
Die Fehlerschaltung 48 stellt vorzugsweise ein Fehlersignal 22 bereit, das sich Null nähert, wenn die Wellenlänge des Strahls 14 gleich der Sollwertwellenlänge ist. Vorzugsweise bleibt die Sollwertwellenlänge für viele Jahre, über einen weiten Temperaturbereich und über einen sinnvollen Bereich optischer Leistungspegel stabil. Ein geeigneter Ansatz besteht darin, einen ausgewählten Verstärkungsfaktor bzw. Gewinn auf jedes der ersten und zweiten erfassten Signale 44 und 46 anzuwenden und das Fehlersignal durch Subtraktion des ersten erfassten Signals von dem anderen oder umgekehrt zu erhalten. Wenn der auf das erste und zweite erfasste Signal angewendete Verstärkungsfaktor variabel ist, ist es möglich, die Sollwertwellenlänge zu verändern, um eine verschobene Sollwertwellenlänge zu erzeugen und die Betriebswellenlänge des Lasers 12 über einen ausgewählten Bereich zu steuern.
5A–5D illustrieren Differenziertehlerschaltungen 28. Operationsverstärker 154 und 15f sind als Transkonduktanzverstärker ausgebildet und verstärken jeweils die ersten und zweiten erfassten Signale 44 und 46. Der Ausgang des Operationsverstärkers 154 ist invertiert. In 5A werden die ersten und zweiten erfassten Signale mit einem einfachen Doppelwiderstandsnetzwerk 48 differenziert. In 5B sind die beiden Widerstände als Potentiometer ausgebildet. Ein Anpassen der Potentiometer verändert den Verstärkungsfaktor eines Detektorsignals bezüglich des anderen, um den Sollwert zu verändern und somit die Betriebs wellenlänge des Lasers 12 zu verändem. Das Potentiometer 150 kann ein gewöhnliches Potentiometer oder ein digitales Potentiometer sein. In 5C treibt ein Treiber 162 einen analogen Schalter 154, um schnell zwischen den ersten und zweiten erfassten Signalen 44 und 46 hin- und herzuschalten, und der Filter 166 filtert das von dem Schalter 154 empfangene Signal. Dieser Ansatz hat zwei Vorteile: erstens ist der Drift eines Signalkanals relativ zu dem anderen minimiert und zweitens kann der Wellenlängensollwert verschoben werden, indem der Tastgrad des Schaltertreibers 162 verändert wird.
6 illustriert das Fehlersignal, das von einer typischen Differenzierfehlerschaltung erzeugt wurde, als Funktion des Verstärkungsfaktors der Transkonduktanzoperationsverstärker 154 und 156. Die horizontale Achse stellt die Wellenlänge und die vertikale Achse die Stärke des Fehlersignals 22 dar. Die Kurve 172 entspricht gleichem Verstärkungsfaktor jeweils der ersten und zweiten Operationsverstärker 154 und 156; die Kurve 174 entspricht dem Fall, dass der zweite Operationsverstärker 156 den doppelten Verstärkungsfaktor des ersten Operationsverstärkers 154 bereitstellt; und die Kurve 176 entspricht dem Fall, dass der erste Operationsverstärker 154 den doppelten Verstärkungsfaktor des zweiten Operationsverstärkers 156 bereitstellt. Man beachte das Verschieben der Sollwertwellenlänge. Falls die Sollwertwellenlänge einem Fehlersignal von Null entspricht, verändert sich die Sollwertwellenlänge von der Sollwertwellenlänge 188 für gleichen Verstärkungsfaktor zu der verschobenen Sollwertwellenlänge 178 der Kurve 176.
Das Bezugszeichen 173 gibt den Wellenlängendurchstimmbereich an, welcher der Kurve 172 gleichen Verstärkungsfaktors entspricht. Der Begriff normaler "Durchstimmbereich", wie er hier verwendet wird, bezeichnet einen Wellenlängenbereich, über den ein eindeutiges Fehlersignal zum Überwachen und Steuern der Wellenlänge des Strahls 14 und somit des Lasers 12 erzeugt wird. Unter Berücksichtigung der hier offenbarten Lehre versteht der Fachmann, dass der Durchstimmbereich 173 für die Kurve 172 gleichen Gewinns durch die Separation in Wellenlängen zwischen der resonanten Antwortwellenlängen jeweils entsprechend den resonanten Antworten 110 und 112 der ersten und zweiten spektralen Filterfunktionen 100 und 102 in 3 bestimmt werden kann. Außerhalb des normalen Durchstimm bereichs kann ein vorgegebener Wert des Fehlersignals mehr als einer Wellenlänge des Strahls entsprechen, und das Fehlersignal stellt nicht eindeutig die Abweichung der Wellenlänge des Strahls von der Sollwertwellenlänge dar.
Die Aufgabe eines Durchstimmens der Lasenwellenlänge oder Bereitstellens eines einfachen wellenlänge/Spannungs-(oder Strom-)Wandlers wird für Wellenlängen außerhalb des Durchstimmbereichs komplizierter. Außerhalb des normalen Durchstimmbereichs können jedoch Maßnahmen ergriffen werden, um zu bestimmen, ob die Laserwellenlänge bei einer negativen oder positiven Steigung einer spektralen Filterfunktion oder ggf. einer Fehlersignal-zu-Wellenlängenkurve liegt, um zu bestimmen, welche der mehr als einen der möglichen Werte der Fehlersignalkurve oder SFF die Wellenlänge des Lasers darstellt.
Es wurde jedoch festgestellt, dass in Wellenlängenstabilisierungsanwendungen der Einfangbereich der Laserwellenlängen größer sein kann als der oben definierte Durchstimmbereich. Der Einfangbereich ist der Bereich der Laserwellenlänge, in dem die Wellenlänge des Lasers "eingefangen" und, mittels Rückkopplung des Fehlersignals an die Laserwellenlängensteuerung, zu oder nahe zu der Sollwertwellenlänge getneben werden kann. Für die Kurve 172 z. B. ist der Einfangbereich wenigstens so breit wie der gesamte Bereich der gezeigten Wellenlänge. In Bezug auf die Kurve 172 stellt das Fehlersignal die Abweichung von der Sollwertwellenlänge innerhalb des Einfangbereichs insoweit dar, dass es von einer Polarität für Laserwellenlängen kleiner als die Sollwertwellenlänge und von der anderen Polarität für Signale größer als die Sollwertwellenlänge ist. Außerdem nähert sich das Fehlersignal Null, wenn sich die Laserwellenlänge der Sollwertwellenlänge nähert.
7A illustriert ein mechanisches Positionieren des ersten optischen Filters 32, um den Einfallswinkel 70 des ersten Teilstrahls 28 auf der Oberfläche 71 des Substrats 66 zu verändern und somit die erste spektrale Filteriunktion, wie oben diskutiert, zu verändern. Ein Trägerelement 182, wie ein Schaft bzw. Stiel, hält den ersten Filter 32 und ist daran mit dem Epoxid 185 befestigt. Die Halterung 187 koppelt das Trägerelement 182 drehbar an einen Rahmen oder ein optisches Bett 179. Das Trägerelement 182 umfasst einen Arm 188 zum Rotieren des Elements 182, um somit den Einfallswinkel 70 zu verändem. Die Steuerung 50 kann einen piezoelektrischen Wandler 189 steuern, der je nach angelegter Spannung "wächst" oder "sich zusammenzieht", um den ersten Filter 32 zu rotieren, wie durch den Pfeil 184 angegeben ist, um den Einfallswinkel 70 zu ändern. Ein zweites Trägerelement 190 kann den piezoelektrischen Wandler 189 an dem Rahmen 179 befestigen. Ein Verändern der Position, wie in 7A gezeigt, von einem der oder von beiden ersten und zweiten optischen Filter 32 und 34 kann die Kreuzungswellenlänge variieren, so dass die Wellenlänge des Strahls durchgestimmt wird, indem die Wellenlänge, bei der sich die ersten und zweiten Filterfunktionen schneiden oder kreuzen, verändert wird, d.h. die Wellenlänge, bei der sie im Wesentlichen gleich sind, verändert wird. Alternativ kann der erste optische Filter 32 an einem Schrittmotor zum Positionieren des Filters angeordnet sein, um den Einfallswinkel zu verändem, und der Schrittmotor kann durch die Steuerung 50 gesteuert sein.
Der Fachmann erkennt aus der hier offenbarten Lehre, dass statt eines Verändems der Position des ersten optischen Filters 32, der erste optische Filter 32, wie in 7B, lasergeschweißt oder anderweitig befestigt sein kann, und ein Strahlrichtelement zum Verändern des Einfallswinkels 70 eingefügt sein kann, z. B. oberhalb des optischen Filters 32. Die mechanische Position des Strahlrichtelements kann verändert werden, wie durch einen piezoelektrischen Wandler 189 oder einen Schrittmotor, um den Einfallswinkel 70 zu verändem. Eine solche Modifikation soll innerhalb des Bereichs der Efindung liegen.
7B illustriert ein Laserschweißen des Trägerelements 182 an den Rahmen oder die optische Bank 179 mit Hilfe eines Laserstrahls 191, um eine Laserschweißstelle 192 zu erzeugen. Der erste Filter 32 wird üblicherweise manuell rotiert, um eine gewünschte SFF zu erhalten und dann an diesem Ort lasergeschweißt. Das Laserschweißen befestigt die ersten filterträger 182 an dem Rahmen 171 in einer robusteren und bezüglich der Umgebung stabileren Art als Verfahren des Stands der Technik, wie Löten oder Verwenden von Epoxid. Die Verwendung von Winkeleinstellen, das die Anzahl von verschiedenen Filtern, die für ein vorgegebenes Filtersystem benötigt werden, verringert, in Verbindung mit dem Laserschweißen der Filter an ihrem Ort ist vorteilhaft gegenüber den Entwürfen des Stands der Technik, da es die Anzahl von Teilen reduziert, den Herstellungsprozess vereinfacht und zu einer geringeren Veränderung der Leistung einer Wellenlängenüberwachungsvorrichtung 18 aufgrund von Alterung und Umgebungsbedingungen führt, so dass ein robusteres Lasersystem 10 zur Verwendung, z. B., in DWDM-Systemen hergestellt wird.
Zur Vereinfachung ist der erste optische Filter 32 in 7A und 7B als physisch größer als das Trägerelement 182 dargestellt, obwohl typischerweise das Umgekehrte wahr ist. Ein Laserschweißen des Trägerelements 182 an den Rahmen 179 wird als den Verfahren des Stands der Technik, wie Kleben mit Epoxid oder Löten, zum Befestigen der Masse des Trägerelements 182 und des ersten optischen Filters 32, um den Einfallswinkel 70 während ausgedehnter Zeiträume und sich verändernden Umgebungsbedingungen aufrechtzuerhalten, überlegen erachtet. Das Epoxid 185 ist akzeptabel, um den ersten optischen Filter 32 ein dem Trägerelement 182 zu befestigen, da hier das Epoxid 185 nur die Masse des Filters Befestigen muss.
8 illustriert ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Wellenlängenüberwachungsvorrichtung 18 und eines Lasersystems 10, das eine solche Vorrichtung umfasst. Die Strahlteilervorrichtung 26 übermittelt, zusätzlich zum Teilen der Teilstrahlen 28 und 30 aus dem Strahl 14, der den optischen Freiraumpfad 63 durchquert, den Strahl 14 entlang eines Freiraumstrahlpfads bzw. Freiraumstrahlengangs 195, der im Wesentlichen kollinear mit dem Freiraumstrahlengang 63 sein kann. Der Ausgangskollimator 194, der entlang des Strahlengangs 195 angeordnet ist, sammelt den Strahl zum Durchlaufen entlang eines optischen Wellenleiters 196. Der optischen Wellenleiter 196 kann den Strahl 14 an einen Modulator zur Prägung eines Telekommunikationssignals auf den Strahl übermitteln. Eine solche "In-Line"-Anordnung der Überwachungsvorrichtung 18 kann vorteilhafterweise einfach in praktische Lasersysteme, wie sie z. B. in der Kabelfernsehen-(CAN)-Industrie verwendet werden, eingebaut werden.
9A und 9B zeigen zwei Strahlteilervorrichtungen 26, die zur Verwendung in der Laserwellenlängenüberwachungsvorrichtung 18 von 8 geeignet sind. In 9A wirken zwei Freiraumstrahlteiler 200 und 204, wie gezeigt, zusammen, um erste und zweite Teilstrahlen 28 und 30 aus dem Strahl 14 abzuteilen, der sich entlang des Freiraumpfads 63 ausbreitet, und um den Strahl entlang des optischen Ausgangspfads 195 im Freiraum zu übermitteln. Der erste Strahlteiler teilt den Strahl 14 in den ersten Teilstrahl 28 und einen Zwischenstrahl 202; der zweite Strahlteiler 204 teilt den Strahl 202 in den zweiten Teilstrahl 30 und den Strahl 14, der den Strahlengang 195 durchläuft. Man beachte, dass der Begriff"Teilen", wie er hier verwendet wird, nicht notwendigerweise bedeutet, dass die Leistung eines einfallenden Strahls gleichmäßig durch einen Strahlteiler in Teilstrahlen geteilt wird. 9B illustriert eine Strahlteilervorrichtung 26, wobei ein einzelner Strahlteiler 203 teilweise reflektierende Oberflächen 205 und 207 aufweist, die zusammenwirken, um sowohl den Strahl 28 und 30 zu erzeugen als auch den Stahl 14 entlang des Strahlengangs 195 passieren zu lassen.
10 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Laserwellenlängenüberwachungsvorrichtung 18 und eines Lasersystems 10, das die Vorrichtung 18 umfasst. Die Strahlteilervorrichtung 26 empfängt den Strahl 14, der sich entlang einer optischen Faser 17 ausbreitet. Ein erster faseroptischer Koppler 210 teilt den ersten Teilstrahl 28 von dem Strahl ab, und ein zweiter faseroptischer Koppler 212 empfängt den Strahl von dem ersten optischen Faserkoppler 210 über eine optische Faser 212 und teilt den zweiten Teilstrahl 34 zum Ausbreiten entlang der optischen Faser 215 ab. Der Strahl 14 verlässt den zweiten optischen Faserkoppler 212 entlang der optischen Faser 219. Der Kollimator 214 und 216 kollimiert die ersten und zweiten Teilstrahlen, bevor die Strahlen jeweils von den ersten und zweiten optischen Filtern 32 und 34 gefiltert werden.
Um nochmals kurz zu 3B zurückzukehren, kann ein nützliches Fehlersignal nicht nur durch Subtrahieren der ersten und zweiten erfassten Signale 44 und 46 abgeleitet werden, sondern auch durch Bilden des Verhältnisses der Signale. In 11A illustriert die Kurve 2.30 grafisch das Ableiten eines Fehlersignals aus dem Vehältnis des ersten erfassten Signals zu der Summe der ersten und zweiten erfassten Signale. Die vertikale Achse 234 ist der Wert des genannten Verhältnisses und die horizontale Achse 232 ist die Wellenlänge. Ein Verhältnis von 1/2 kann der Kreuzungswellenlänge 118 entsprechen.
11 B illustriert ein Strahlvergleichelement 20, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Fehlerschaltung 48 zum Bilden des Verhältnisses des ersten und zweiten erfassten Signals 44 und 46 umfasst. Der Summierer 250, der ein einfaches Doppelwiderstandsnetzwerk sein kann, summiert die ersten und zweiten erfassten Signale 44 und 46. Ein Vorteil, die Summe der ersten und zweiten erfassten Signale in einem Verhältnis verwenden, besteht darin, dass die Spannung am Punkt 252 proportional zur gesamten Leistung ist, die beisispielsweise von dem Laser 12 von 1 abgestrahlt wird und zum externen Gebrauch, wie durch Bezugszeichen 254 angedeutet, verfügbar gemacht werden kann, wie in einem Stabilisator zum Stabilisieren der Ausgangsleistung eines Systemlasers 12. Eine Differenziertehlerschaltung, wie die Schaltungen von 5A-5D, stellt typischerweise ein solches Signal nicht bereit.
Die digitale Steuerung 274 erfasst den Ausgang des Komparators 262, um den Verstärkungsfaktor des ersten Digital/Analogwandlers (DAC) 258 anzupassen, so dass die Ausgangsspannung 259 des ersten DAC 258, mit der der Pluseingang des Komparators 262 versorgt wird, gleich einer Referenzspannung Vref 264 ist, die für den negativen Eingang des Komparators 262 bereitgestellt wird. Dementsprechend ist der Verstärkungsfaktor des ersten DAC 258, G1, multipliziert mit der Summe der ersten und zweiten erfassten Signale gleich der Spannung Vref. Vref = (erstes erfasstes Signal 44 + zweites erfasstes Signal 46) × G1
Die digitale Steuerung 274 steuert den zweiten DAC 278, so dass der Verstärkungsfaktor G2 des zweiten DAC 278, der auf das zweite erfasste Signal 44 angewendet wird, gleich dem Verstärkungsfaktor G1 des ersten DAC 278 ist. Somit ist G1 = G2 Vref/(erstes erfasstes Signal 44 + zweites erfasstes Signal 46) und die Ausgangsspannung 279 des zweiten DAC 278 ist zweites erfasstes Signal 46 × G1 = (zweites erfasstes Signal 46 × Vref)/(erstes erfasstes Signal 44 + zweites erfasstes Signal 46) Ein Kombinieren 286, der ein einfaches Doppelwiderstandsnetzwerk mit Widerständen 287 sain kann, addiert den Ausgang des zweiten DAC 278 zu einer Sollwertreferenzspannung (die typischerwieise negativ ist), die von einer Sollwertspannungsreferenzquelle 290 bereitgestellt wird, um das Fehlersignal 22 bereitzustellen.
12 illustriert das Verschieben der Sollwertwellenlänge als eine Funktion der Spannung der Sollwertreferenzspannung 290. Erhöhen der Spannung der Sollwertreferenzspannung 290 verschiebt die Kurve 308 zu der Kurve 310, und wie Sollwertwellenlänge 110 zu dem Punkt 118A. Ein Verringem der Wellenlängenreferenzspannung verschiebt die Kurve 308 zu der Kurve 312, so dass die Wellenlängensollwertspannung zu dem Punkt 118B verschoben wird. Man beachte, dass die Kurven 308, 310 und 312 einen gleichmäßigen Abstand aufweisen und nicht wie die Kurven 172, 174 und 176 von 6 zusammengedrückt sind, was einen Vorteil der Vefiältnisfehlerschaltung von 11A illustriert. Das Bezugszeichen 300 gibt den normalen Einstellbereich der Fehlersignalkurve 308 an. Wie in 11 B gezeigt, kann die Steuerung 50 die Quelle 290 zum Verschieben der Sollwertwellenlänge steuern.
Zusätzlich zu dem obengenannten Vorteil des Erzeugens eines Signals 254, das proportional zu der gesamten von dem Laser 12 abgestrahlten Leistung ist, soll die Vefiältnisfehlerschaltung 28 von 11 B gewisse weitere Vorteile gegenüber den Differenzierfehlerschaltungen von 5A-5D haben. Der Bereich, in dem die Fehlerspannung 22 variiert, wird durch Veränderungen in der optischen Leistung des Lasers 12, und somit der ersten und zweiten gefilterten Strahlen 36 und 38, weniger beeinflusst. Somit wird die Steuerung des Lasers 12 durch die Bereitstellung des Fehlersignals 22 an die Lasersteuerung 24 durch Veränderungen der optischen Leistung nicht so beeinflusst. Außerdem können der erste DAC 258 und der zweite DAC 278 aneinander angepasst sein und typischerweise für aus gedehnte Zeiträume zuverlässig funktionieren, um somit einen stabilen Wellenlängensollwert bereitzustellen.
Bezüglich der Erzeugung des Fehlersignals 22 wird der Fachmann aufgrund der Offenbarung verstehen, dass das Fehlersignal 22 als Teil seiner Bereitstellung an die Laseiwellenlängensteuerung 24 zusätzlich verarbeitet werden kann. Ein solches Verarbeiten umfasst typischerweise eine Verstärkung und/oder Integration des Signals. Ein Integrator kann zum Reduzieren des Restfehlers in dem Fehlersignal umfasst sein, das sonst vorhanden ist, wenn die Wellenlänge des Strahls 14 oder, in gleicher Weise, des Lasers 12 nahe der Sollwertwellenlänge liegt und das Fehlersignal klein ist. Diese Überlegungen gelten auch für die Fehlerschaltungen, die in Verbindung mit 5A-5D diskutiert wurden.
13A und 13B illustrieren die Verbindung eines optischen Filters, wie des ersten optischen Filters 32, und eines Detektors, wie des ersten Detektors 40, in einem Lasersystem 120. 13B zeigt die SFF 100 für den ersten optischen Filter 32, die winkeleingestellt sein kann oder nicht. Eine Sollwertwellenlänge 118 kann dem Punkt 106B des SFF 100 entsprechen. Da jedoch die SFF 100 an den Punkten 106A und 106B gleich ist, ist es wichtig, sicherzustellen, dass der erste gefilterte Strahl 32 wirklich eine Wellenlänge aufweist, die eher der negativen Steigung 100B der SFF 100 entspricht als der positiven Steigung 100A. Die Steigungen 100A und 100B oder Teile davon können jeweils erste und zweite Durchstimmbereiche bzw. Einstellbereiche definieren. Ein Zittermodulator ("Dither Modulator") 350 kann mit der Laserwellenlängensteuerung 24 oder mit der Positioniereinrichtung 357, die ein piezoelektrischer Wandler oder ein Schrittmotor zum Erzeugen eines Zitterns 380 in der Wellenlänge oder eines Zitterns 390 in der SFF, in Verbindung stehen. An der positiven Steigung 106A verändert sich die Intensität des gefilterten Strahls 364 in Phase mit dem Zittern; an der negativen Steigung 106B wird sie sich gegenphasig mit dem Zittern verändem. Dementsprechend steht ein phasenempfindlicher Modulator 370 mit dem Zittermodulator 350 in Verbindung, um das ertasste Signal zum Kommunizieren mit der Fehlerschaltung 48 zu demodulieren, wie durch das Bezugszeichen 372 angedeutet wird, um ein Betreiben an der positiven Steigung 106B zu garantieren (d.h. in dem richtigen Einstellbereich) oder um die Fehlerschaltung darüber zu informieren, welche Steigung bei der Bestimmung des Fehlersignals zu verwenden ist. Die Fehlerschaltung 48 umfasst eine Verschiebeeinrichtung für das erfasste Signal 364 ungleich Null, falls die Wellenlänge des Strahls gleich der Sollwertwellenlänge 118 ist.
14 illustriert ein Lasersystem 122 mit einer Vorrichtung zur Wellenlängenüberwachung und -steuerung, wobei das Strahlvergleichelement 20 die ersten und zweiten gefilterten Strahlen auf einen einzigen Detektor zeitmultiplext. Ein Schaltertreiber 404 treibt die optischen Schalter 408 und 410, um abwechselnd die Strahlen 36 und 38 auf den Detektor 40 zu schalten. Optische Elemente 414 und 416 richten die ersten und zweiten gefilterten Strahlen, nachdem sie die Schalter 410 und 408 passiert haben, auf den Detektor 40. Der Treiber 404 steht mit einem Schalter 403 zum Invertieren des ersten erfassten Signals in Verbindung, das von dem Detektor 403 an den Filter 420 weitergeleitet wurde, wenn der optische Schalter 410 den ersten gefilterten Strahl 36 auf den Detektor 40 richtet. Dementsprechend stellt der Filter 420 ein Ausgangsfehlersignal zum Bereitstellen an die Laserwellenlängensteuerung 24 bereit, wie durch das Bezugszeichen 22 angegeben wird. Was den Schaltertreiber 162 von 5C betrifft, kann die Tastrate des Schaltertreibers 404 zum Verändern der Sollwertwellenlänge verändert werden.
15 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lasersystems 10, das die Laserwellenlängenüberwachungsvorrichtung 18 von 1 umfasst.
Der Abgreifkoppler 60 greift einen Teil der von dem Laser 12 ausgesandten Laserstrahlung ab. Der Kollimator 64 kollimiert die Strahlung, die auf eine erste Oberfläche des optischen Filters 32 unter dem Winkel 446 und auf die Filterschicht 78 unter einem Einfallswinkel 444 fällt, der mit dem Winkel 446 über den Keilwinkel 443 zusammenhängt. Wie gezeigt, kann der Winkel 446 neunzig Grad betragen. Das Substrat 76 hat Keilform, um Etaloneffekte zu reduzieren, und kann zusätzlich zu der Filterschicht 78 eine Vergütungsschicht bzw. Antireflexionsbeschichtung 44 umfassen. Der optische Filter 32 transmittiert einen ersten gefilter ten Strahl 447 gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion und reflektiert einen zweiten gefilterten Strahl 445 gemäß einer zweiten spektralen Filterfunktion.
Der erste optische Detektor 40 empfängt den ersten gefilterten Strahl 447 zum Erzeugen eines erfassten Signals; der zweite optische Detektor empfängt den zweiten optischen Strahl 445 zum Erzeugen eines zweiten erfassten Signals. Die Fehlerschaltung 48, die auf die ersten und zweiten erfassten Signale anspricht, erzeugt ein Fehlersignal, das der Laserwellenhingensteuerung 24 bereitgestellt werden kann, um die Wellenlänge der von dem Laser 12 ausgesandten Strahlung zu steuern.
16 illustriert erste und zweite spektrale Fehlerfunktionen 502 (durchgezogene Linie) und 504 (gestrichelte Linie), die jeweils den ersten und zweiten gefilterten Strahlen 447 und 445 entsprechen. Die ersten und zweiten spektralen Filterfunktionen 502 und 504 hängen invers miteinander zusammen, die erste spektrale Filterfunktion hat eine resonante Antwort 513, die einer Spitze entspricht, und die zweite spektrale Filterfunktion hat eine resonante Antwort 512, die einer Null entspricht. Es ist dem Fachmann klar, dass die Wellenlänge, bei der die resonanten Antworten 513 und 512 auftreten, gleich oder typischerweise nahezu gleich sind, und der Einfachheit halber sind in 16 beide durch das Bezugszeichen 514 dargestellt. Die ersten und zweiten spektralen Filterfunktionen kreuzen sich an den Punkten 508 und 510, die den ersten und zweiten Kreuzungswellenlängen 118 und 118C entsprechen. Wie der Fachmann aufgrund der Offenbarung versteht, muss das Substrat 32 in 15 keine Keilform aufweisen. Außerdem verschiebt ein Positionieren des Substrats 32, wie oben beschrieben, oder ein Verändern des Keilwinkels 443, sowohl die erste als auch die zweite spektrale Filterfunktion entlang der horizontalen Wellenlängenachse in 16, wodurch die Kreuzungspunktwellenlängen 118 und 118C (sowie die Spitzen- und -nullwellenlängen) verändert werden. Die Linienbreite 114 stellt die Laserstrahlung des Lasers 12 dar.
17 illustriert das Fehlersignal, das aus der Differenz zwischen den Intensitäten der reflektierten und transmittierten Strahlen von 16 erhalten wird, typischerweise abgeleitet durch Differenzieren der ersten und zweiten erfassten Signale. Wie oben diskutiert, kann das Fehlersignal auch durch Bilden eines Verhältnisses mit den ersten und zweiten erfassten Signalen abgeleitet werden. Die Bezugszeichen 508 und 510 entsprechen jeweils den Kreuzungspunktwellenlängen 118 und 118C.
Nochmals Bezug nehmend auf 15 kann das Substrat 70 verwendet werden, um einen zweiten Laserstrahl zu überwachen oder zu steuern, der von dem Strahl, ausgestrahlt durch den Laser 12, räumlich getrennt ist und eine von diesem verschiedene Wellenlänge aufweist. Eine der Kreuzungspunktwellenlängen, wie 1180, wird zum Steuern und/oder Überwachen der Wellenlänge des zweiten Strahls verwendet, während die andere in Verbindung mit dem von dem Laser 12 ausgesandten Strahl verwendet wird. Der zweite Strahl kann sich entlang des Strahlengangs 451 fortsetzen. Optionale dritte und vierte optische Detektoren 460 und 453 erzeugen dritte und vierte erfasste Signale zum Bereitstellen an eine weitere Fehlerschaltung (nicht gezeigt). Somit kann ein optischer Filter 32 zum Steuern oder Überwachen der Wellenlänge von zwei Strahlen verwendet werden. Wie dem Fachmann aufgrund der Offenbarung klar ist, sind die resonanten Antwortwellenlänge und die Bandbreite der ersten und zweiten spektralen Filterfunktionen geeignet ausgewählt, um ausgewählte Kreuzungspunkte und Einfang- oder Durchstimmbereiche, die für die Kanäle, deren Wellenlänge überwacht und/oder gesteuert werden soll, geeignet sind, bereitzustellen. Resonante Antwortfrequenzen, -Bandbreiten und -kreuzungspunkte können durch geeignete Wahl der Dicken und dielektrischen Konstanten der Filmschichten der Filterschicht, dielektrische Konstante und Dicke des Substrats und Einfallswinkel des von dem Filter empfangenen Strahls, unter weiteren Faktoren, gewählt werden. Die Sollwertwellenlängen können unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken einzeln von den Kreuzungswellenlängen verschoben werden. Damit kann die Anzahl physisch unterschiedlicher Filter, die zum Betreiben eines DWDM-Systems mit einer vorgegebenen Anzahl von Kanälen benötigt werden, reduziert werden.
18 illustriert ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel 525 einer Laservorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Halbleiterlaser 12, der Laserstrahlen aus zwei Flächen 12A und 12B aussendet. Oben wurden verschiedene Techniken offenbart, um eine Probe eines Laser strahls an wenigstens einen optischen Filter bereitzustellen. In dem in 18 gezeigten Ausfühnangsbeispiel strahlt der Strahl 14A von der Frontfläche 12A und der Strahl 14B von der Rückfläche 12B des Lasers 12 aus. Der optische Filter 32 empfängt den Strahl 14B zum Überwachen und Steuern, wie Durchstimmen und Stabilisieren der Strahlen 14A und 14B. Ein Träger 527 haltert den Laser 12 und den Filter 32 und ist vorzugsweise ein thermischer Leiter zum Bereitstellen einer thermischen Verbindung mit einem thermoelektrischen Kühler, wie in 19 gezeigt, die die Vorrichtung von 18 in Querschnittsansicht zeigt. Die Laserwellenlängensteuerung 24 kann den Laser direkt steuern, wie durch Steuem des Anregungsstromsfür den Laser, kann den thennoelektrischen Kühler 54, der in thermischer Verbindung mit dem Laser 12 über den thermischen Leiter 12 ist, kontrollieren. Ein Modulator 534 und faseroptischer Koppler 536 mit einem faseroptischen Ausgangskabel 540 kann auch in thermischer Verbindung mit dem thermischen Leiter 527 umfasst sein. Der Filter 32 haltert die Detektoren 40 und 42 zur thermischen Verbindung mit dem Substrat 76 und somit mit dem thermischen Leiter 527 und thennoelektrischen Kühler 542.
Die Laservorrichtung 525 wird als vorteilhaft in mehrerlei Hinsicht erachtet. Ein kompaktes, In-line-Design wird bereitgestellt. Die Komponenten 12, 32 und 532, die mit dem thermischen Leiter 527 angeordnet sind, können ein Kanaltransmittiermodul 526 bilden, das in die DWDM-Kommunikationssendern einfach eingebracht und ersetzt werden kann. Eine Dritt aufgrund von Temperatureinflüssen ist reduziert, da der Filter, die Detektoren und der Laser auf gleicher Temperatur gehalten werden. Zusätzlich erfordert die Laservorrichtung 525 keinen Strahlteiler, da die Strahlen, die von dem Filter 32 reflektiert und durch ihn transmittiert werden, räumlich getrennt sind. Der Laser kann ein durchstimmbarer Halbleiterlaser sein, wie: ein Laser mit verteilter Rückreflexion (DBR); ein Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB); ein Laser mit verteilter Rückreflexion und Überstrukturgitter ("Super Structure Grating Distributed Back Reflection" (SSG-DBR)) und ein gitterunterstützter Koppler mit Laser mit abgetastetem Rückreflektor ("Grating Assisted Coupler with Sampled Rear Reflector" (GSCR)). Besonders nützlich ist ein Laser, der bei einer Wellenlänge im Wesentlichen gleich 980 nm strahlt, und der als Pumplaser für einen Erbium-dotierten Faserverstärker geeignet ist, oder ein Laser 12, der Strahlung einer Wellenlänge im Wesentlichen gleich 1550 nm ab strahlt. Der Laser 12 kann außerdem ein Halbleiterlaser sein, der über einen Bereich von etwa 60 nm durchstimmbar ist, wobei der Bereich 1550 nm umfasst, was einen durchstimmbaren Betrieb über die gesamte Bandbreite eines typischen Erbium-dotierten Faserverstärkers erlaubt. Die Betriebswellenlänge des Lasers 12 wird durch Verschieben der Sollwertwellenlänge ausgewählt, wie oben beschrieben, oder durch eine geeignete Wahl der ersten und zweiten SFF des optischen Filters 32 oder durch beides. Somit wird gemäß der Efindung eine Laservorrichtung 525 bereitgestellt, die Strahlung der Wellenlänge jeder der Mehrzahl von Kanälen eines DWDM-Systems bereitstellen kann.
Daraus erkennt man somit, dass die Erfindung die obengenannten Ziele effektiv erreicht, derunter die, welche aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich wurden. Da gewisse Änderungen in den obigen Konstruktionen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, ist es beabsichtigt, dass alle Gegenstände, die in der obigen Beschreibung offenbart wurden oder in den begleitenden Zeichnungen gezeigt wurden, illustrativ und nicht einschränkend zu verstehen sind. Beispielsweise sind, wie der Fachmann aufgrund der Offenbarung versteht, viele Techniken und Schaltungen, die zuvor in Verbindung mit der Verwendung von zwei optischen Filtern beschrieben wurden, auch geeignet für die Verwendung mit einem Filter, wie dem in 18 gezeigten Filter 32, der jeweils die ersten und die zweiten gefilterten Strahlen transmittiert und reflektiert, geeignet, und solche Veränderungen werden als innerhalb des Umfangs der Erfindung liegend erachtet. Beispielsweise kann ein geeignetes Führen der gefilterten Strahlen die Verwendung eines einzelnen Detektors ermöglichen, wie in 14 illustriert, mit dem optischen Filter 32, der in 15 gezeigt ist.
Es versteht sich ebenfalls, dass die folgenden Ansprüche alle generischen und spezifischen Merkmale der hier beschriebenen Erfindung abdecken sollen, und alle Aussagen des Umfangs der Erfindung sollen darunter fallen.

Claims

Vorrichtung zum Überwachen der Wellenlänge eines überwachten Laserstrahls umfassend: wenigstens einen optischen Filter (32), der wenigstens einen Teil des überwachten Strahls (14) empfängt, wobei der Filter einen ersten gefilterten Strahl (36) gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion erzeugt, die eine resonante Antwortwellenlänge aufweist; wenigsten einen Detektor (40) zum Erfassen des ersten gefilterten Strahls, um ein erstes erfasstes Signal (44) zu erzeugen, das für die Intensität des ersten gefilterten Strahls repräsentativ ist; eine Fehlerschaltung (48) in elektrischer Verbindung mit dem Detektor und zur Erzeugung, ansprechend auf das erste ertasste Signal, eines Fehlersignals (22) entsprechend der Abweichung der Wellenlänge des Strahls von einer Sollweriwellenlänge; dadurch gekennzeichnet, dass der optische Filter (32) ein Substrat (66) mit einer Filterschicht (68) darauf umfasst, wobei die Filterschicht wenigstens eine Filmschicht mit einer dielektrischen Konstante umfasst, die von der des Substrats verschieden ist; der optische Filter den Teil des überwachten Strahls auf einer Oberfläche des Substrats oder der Filterschicht unter einem ausgewählten Einfallswinkel (70) ungleich Null empfängt, und der ausgewählte Einfallswinkel ungleich Null so ausgewählt ist, dass die spektrale Filterfunktion einen Wellenlängeneinfangbereich definiert, der die Sollwertwellenlänge umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Zittereinrichtung (350), um die Wellenlänge des überwachten Strahls mit einem Zittern zu versehen, wobei der Detektor auf die Zittereinrichtung zur phasenempfindlichen Erfassung des gefilterten Strahls anspricht, um zu bestimmen, ob die überwachte Wellenlänge innerhalb eines ausgewählten Abstimmbereichs ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine erste Einrichtung zum Verändern des ausgewählten Einfallswinkels, wobei die erste Einrichtung einen piezoelektrischen Wandler und/oder einen Motor umfasst; eine Zitterschaltung zum Steuern der ersten Einrichtung, um ein Zittern in den ausgewählten Einfallswinkel einzuführen; wobei der Detektor auf die Schwankungsschaltung zur phasenempfindlichen Erfassung des gefilterten Strahls anspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine optische Strahlteilervorrichtung (26), um einen ersten und einen zweiten Teilstrahl (28, 30) aus dem überwachten Strahl mit einer überwachten Wellenlänge abzuteilen, wobei der wenigstens eine optische Filter (32) auf den ersten Teilstrahl anspricht; einen zweiter optischer Filter (34), um, ansprechend auf den zweiten Teilstrahl, einen zweiten gefilterten Strahl gemäß einer zweiten spektralen Filterfunktion zu erzeugen, wobei sich die erste und zweite spektrale Filterfunktion an einer Kreuzungspunktwellenlänge (118) kreuzen; einen zweiter optischer Detektor (42), um den zweiten gefilterten Strahl zu erfassen, um ein zweites erfasstes Signal (46) zu erzeugen, das für die Intensität des zweiten gefilterten Strahls (38) repräsentativ ist, und wobei der wenigstens eine Detektor (40) ein optischer Detektor ist; wobei die Fehlerschaltung (48) die ersten und zweiten erfassten Signale (44, 46) des wenigstens einen Detektors und des zweiten Detektors vergleicht, um das Fehlersignal entsprechend der Abweichung der Wellenlänge des überwachten Strahls von der Sollwertwellenlänge zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin umfassend ein Trägerelement zum Anordnen des ersten optischen Filters und einen Trägerrahmen zum Anordnen des Trägerelements relativ zu dem Strahlteiler, wobei das Trägerelement an den Trägerrahmen lasergeschweißt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Einfallswinkel ungleich Null gewählt ist, um die Kreuzungspunktwellenlänge zu wählen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die ersten und zweiten Filter im Wesentlichen physisch identisch sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Fehlerschaltung umfasst: eine Summierschaltung zum Summieren des ersten und zweiten erfassten Signals, um ein summiertes Signal zu erzeugen, eine erste Schaltungseinrichtung zum Bestimmen eines ersten Verhältnisses von einer ersten Referenzspannung zu dem summierten Signal, und eine zweite Schaltungseinrichtung, die auf die erste Schaltungseinrichtung anspricht, zum Multiplizieren des zweiten Signals mit einem Faktor, der im Wesentlichen gleich dem ersten Verhältnis ist, um das Fehlersignals zu erzeugen, das einem Verhältnis von dem zweiten Signal geteilt durch die Summe der ersten und zweiten erfassten Signale entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste Schaltungseinrichtung umfasst: einen ersten Digital/Analog-Wandler (258), um einen Verstärkungsfaktor auf das summierte Signal anzuwenden, um ein Zwischensignal zu erzeugen, das dem Produkt des summierten Signals und dem Verstärkungsfaktor entspricht; eine digitale Steuerung (274) zum Steuern des ersten Digital/Analog-Wandlers, um den Verstärkungsfaktor zu steuern; einen Komparator (262), der auf das Zwischensignal und die erste Referenzspannung anspricht, um ein Rückkopplungssignal für die Steuerung zum Steuern des Verstärkungsfaktors bereitzustellen; und wobei die zweite Schaltungseinrichtung einen zweiten Digital/Analog-Wandler (278), der auf die Steuerung anspricht, für das Multiplizieren des zweiten Signals umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Fehlerschaltung einen elektronischen Schalter und einen Treiber (162) zum Treiben eines Ausgangs des Schalters zwischen der elektrischen Verbindung mit dem ersten und zweiten Detektor umfasst, so dass der Ausgang jeweils dem ersten und zweiten erfassten Signal entspricht, und einen Filter (166) zum Filtern des Ausgangs.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Fehlerschaltung zum Verändern des Tastgrades des Schalters zum Verändern der Sollwertwellenlänge ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Fehlerschaltung einen ersten Operationsverstärker (154) mit einem Eingang, der auf das erste erfasste Signal reagiert, aufweist und einen zweiten Operationsverstärker (156) mit einem Eingang, der auf das Inverse des zweiten erfassten Signals amspricht, und eine Widerstandskombinierschaltung (148) zum Kombinieren der Ausgänge der Operationsverstärker.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Widerstandskombinierschaltung ein variables Widerstandselement (150) zum Variieren der Sollwertwellenlänge der Fehlerschaltung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Fehlerschaltung einen ersten Operationsverstärker mit einem Eingang, der auf das erste erfasste Signal anspricht, umfasst und einen zweiten Operationsverstärker mit einem Eingang, der auf das Inverse des zweiten erfassten Signals anspricht, und eine Kombinierschaltung mit einem digitalen Potentiometer zum Kombinieren der Ausgangssignale der Operationsverstärker.
Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin umfassend einen Kollimator zum Empfangen des überwachten Strahls von einer Faser und zum Kollimieren des überwachten Strahls, um entlang eines optischen Pfades im Freiraum zum Empfang durch den Strahlteiler zu wandern.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Strahlteiler wenigstens einen optischen Wellenleiterkoppler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Strahlteilervonichtung ausgebildet ist, um wenigstens einen Teil des überwachten Strahls als einen Ausgangsstrahl entlang eines optischen Freiraumausgangsstrahlpfads zu übertragen, der im Wesentlichen kollinear mit einem optischen Eingangsstrahlpfad ist, der von dem überwachten Strahl durchlaufen wird, wenn er von der Strahlteilervorrichtung empfangen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin umfassend einen Eingangskollimator zum Empfangen des überwachten Strahls von einer optischen Eingangsfaser und zum Kollimieren des überwachten Strahls, um den optischen Eingangspfad im Freiraum zum Empfang durch den Strahlteiler zu durchlaufen und ein Ausgangskollimator, der an einen Ausgang gekoppelt ist, um den überwachten Ausgangsstrahl zu empfangen, der den Freiraum für die Übertragung durch die Ausgangsfaser durchläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei wenigstens einer der Detektoren ein PIN-Fotodetektor ist, der zum Betrieb in einem photovoltaischen Betrieb geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine optische Strahlteilervonichtung (26) zum Abteilen eines ersten und zweiten Teilstrahls aus dem überwachten Strahl mit einer überwachten Wellenlänge, wobei der wenigstens eine optische Filter (32) auf den ersten Teilstrahl anspricht; einen zweiten optischen Filter (34) zum Erzeugen, ansprechend auf den zweiten Teilstrahl, eines zweiten gefilterten Strahls gemäß einer zweiten spektralen Filterfunktion, wobei sich die erste und zweite spektrale Filterfunktion an einer Kreuzungspunktwellenlänge kreuzen; erste und zweite optische Schalter (410, 408) zum jeweiligen Empfangen des ersten und zweiten gefilterten Strahls, wobei der Detektor den ersten und zweiten gefilterten Strahl von dem ersten und zweiten optischen Schalter empfängt, um ein erfasstes Signal zu erzeugen; einen Filter in elektrischer Verbindung mit dem Detektor zum Filtern des erfassten Signals, um das Fehlersignal (22) zu erzeugen; und eine Treiberschaltung (404) zum Treiben des ersten und zweiten optischen Schalters, um den ersten und zweiten gefilterten Strahl in Zeitaufteilung zu multiplexen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste spektrale Filterfunktion von der zweiten spektralen Filterfunktion verschieden ist; der wenigstens eine Detektor und der zweite Detektor Fotodetektoren sind, und die Fehlerschaltung umfasst: eine Summierschaltung (250) zum Summieren der ersten und zweiten erfassten Signale, um ein summiertes Signal zu erzeugen, eine erste Schaltungseinrichtung zum Bestimmen eines ersten Verhältnisses von einer ersten Referenzspannung und dem summierten Signal, und eine zweite Schaltungseinrichtung, die auf die erste Schaltungseinrichtung anspricht, zum Multiplizieren des zweiten Signals mit einem Faktor, der im Wesentlichen gleich dem ersten Verhältnis ist, um ein Ausgangssignal als das Fehlersignal zu erzeugen, das einem Verhältnis des zweiten Signals geteilt durch die Summe der ersten und zweiten Signale entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 21, weiterhin umfassend eine Kombinierschaltung zum Kombinieren des Ausgangssignals mit einer zweiten Referenzspannung, um ein Abweichungsausgangssignal zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste Schaltungseinrichtung einen ersten Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor zum Anwenden eines Verstärkungs-faktors, auf das summierte Signal umfasst, so dass das Produkt aus dem summierten Signal und dem Verstärkungsfaktor im Wesentlichen gleich der ersten Referenzspannung ist, uvobei der Verstärkungsfaktor das Verhältnis des summierten Signals zu der ersten Feferenzspannung darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die zweite Schaltungseinrichtung einen zweiten Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor zum Multiplizieren des zweiten Signals umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei der erste Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor einen ersten Digital/Analog-Wandler umfasst, und wobei die erste Schaltungseinrichtung weiterhin eine digitale Steuerung zum Steuern des Digital/Analog-Wandlers zum Steuern des Verstärkungsfaktors umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei der erste Digital/Analog-Wandler ein Zwischensignal erzeugt, das dem Produkt des ersten summierten Signals und des Verstärkungsfaktors entspricht, und wobei die erste Schaltungseinrichtung einen Komparator umfasst, der auf das Zwischensignal und die erste Referenzspannung anspricht, um ein Rückkopplungssignal an die Steuerung zum Steuern des Verstärkungsfaktors bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die zweite Schaltungseinrichtung einen zweiten Digital/Analog-Wandler umfasst, und wobei der Steuerung den zweiten Digital/Analog-Wandler zum Multiplizieren des zweiten Signals mit dem Faktor steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Kombinierschaltung eine Widerstandschaltung zum Summieren des Ausgangssignals mit der zweiten Referenzspannung umfasst, wobei die zweite Referenzspannung negativ ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Kombinierschaltung eine Schaltung zur Differenzbildung zwischen dem Ausgangssignal und der zweiten Referenzspannung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der optische Filter (32) den Teil des überwachten Strahls empfängt und den ersten gefilterten Strahl gemäß der ersten spektralen Filterfunktion überträgt und einen zweiten gefilterten Strahl gemäß einer zweiten spektralen Filterfunktion, die invers mit der ersten spektralen Filterfunktion zusammenhängt, reflektiert, wobei sich die spektralen Filterfunktionen bei wenigstens einer Kreuzungswellenlänge kreuzen; die Vorrichtung weiterhin umfassend: einen zweiten Detektor (42) zum Erfassen des zweiten gefilterten Strahls, um ein zweites erfasstes Signal zu erzeugen, das der Intensität des zweiten gefilterten Strahls entspricht; wobei die Fehlerschaltung (48) die ersten und zweiten erfassten Signale der ersten und zweiten Detektoren (40, 42) vergleicht, um das Fehlersignal zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei der optische Filter räumlich voneinander getrennt den Teil des überwachten Strahls und einen zweiten Laserstrahl empfängt, wobei der optische Filter weiterhin ansprechend auf den zweiten Strahl einen dritten gefilterten Strahl gemäß der ersten spektralen Filterfunktion überträgt und einen vierten gefilterten Strahl gemäß der zweiten Filterfunktion reflektiert; wobei sich die ersten und zweiten Filterfunktionen bei ersten und zweiten Kreuzungswellenlängen kreuzen; die Vorrichtung weiterhin umfassend: dritte und vierte Detektoren (460, 453) zum jeweiligen Empfangen des dritten und vierten gefilterten Strahls und zum Erzeugen von dritten und vierten erfassten Signalen, wobei die Sollwertwellenlänge um die erste Kreuzungswellenlänge verschoben ist; und die Vorrichtung weiterhin umfassend: eine zweite Fehlerschaltung zum Erzeugen, ansprechend auf die dritten und vierten erfassten Signale, eines zweiten Fehlersignals entsprechend der Abweichung der Wellenlänge des zweiten Strahls von der zweiten Kreuzungswellenlänge und einer weiteren darum verschobenen Sollwertwellenlänge.
Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, wobei das Substrat eine zweite Oberfläche umfasst, die unter einem Winkel zu der ersten Oberfläche angeordnet ist, um den Strahl zur Reflexion und Transmission des Strahls durch die erste Oberfläche zu empfangen, um jeweils den ersten und zweiten gefilterten Strahl zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei das Substrat eine Keilform aufweist und der optische Filter eine Vergütungsschicht auf der zweiten Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 30, wobei das Fehlersignal einem Verhältnis umfassend das erste und zweite Signal oder einer Subtraktion des ersten und zweiten Signals entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei das Fehlersignal auf die Differenz zwischen der Wellenlänge des Strahls und einer der wenigstens einen Kreuzungswellenlänge anspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 30, wobei die Kreuzungswellenlänge im Wesentlichen gleich der ausgewählten Sollwertwellenlänge ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei die dielektrische Konstante von jeder Filmschicht von der des Substrats und jeder anderen Filmschicht der Filterschicht verschieden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 37, wobei das Substrat eine zweite Oberfläche umfasst, die unter einem Winkel zu der ersten Oberfläche angeordnet ist, so dass das Substrat eine Keilform aufweist.
Laservorrichtung, umfassend: eine Vorrichtung zum Überwachen der Wellenlänge eines überwachten Laserstrahls gemäß einem der Ansprüche 1 bis 38; einen Laser zum Erzeugen des Laserstrahls mit einer ausgewählten Wellenlänge; und ein Laserwellenlängenkontrollelement in elektrischer Verbindung mit der Fehlerschaltung zum Steuern der Betriebstemperatur des Lasers entsprechend dem Fehlersignal, um so nach der Sollwertwellenlänge zu streben.
Laservorrichtung nach Anspruch 39, wobei der Laser ein durchstimmbarer monolithischer Halbleiterlaser ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 39, wobei der Laser ein Halbleiterlaser zum Erzeugen eines ersten Laserstrahls (14A) von einer ersten Fläche (12A) und eines zweiten Strahls (14B) von einer zweiten Fläche (12B).
Vorrichtung nach Anspruch 41, weiterhin umfassend einen thermischen Leiter, an dem der Laser und der optische Filter zur thermischen Verbindung dazwischen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 42, umfassend einen thermo-elektrischen Kühler in thermischer Verbindung mit dem thermischen Leiter zum Steuern der Temperatur des Lasers und des optischen Filters.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei der Laser Laserstrahlung mit einer Wellenlänge erzeugen kann, die im Wesentlichen gleich 980 nm ist, und der Laser als Pumplaser für einen Erbium-dotierten Faserverstärker geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei der Laser Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Wesentlichen gleich 1550 nm erzeugen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei der Laser über einen Bereich von etwa 60 nm durchstimmbar ist, wobei der Bereich eine Wellenlänge von 1550 nm umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 41, wobei der Laser ein DBR-(Distributed Back Reflection)-Laser, ein DFB-(Distributed Feed Back)-Laser, ein SSG-(Super Structure Grating)-DBR-Laser oder ein GSCR-(Grating Assisted Coupler with Sampled Rear Reflector)-Laser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41, weiterhin umfassend: einen thereto-elektrischen Kühler in thermischer Verbindung mit einem thermischen Leiter zum Steuern der Temperatur des Lasers ansprechend auf das Steuerelement.
Optische Vorrichtung zum Empfangen eines optischen Strahls und zum Erzeugen von ersten und zweiten Signalen zum Vergleich, um die Abweichung der Wellenlänge des Strahls von einer Sollwertwellenlänge zu bestimmen, umfassend: ein optisches keilförmiges Substrat (76) zum Ausbreiten des optischen Strahls eines Lasers (12) und mit ersten und zweiten Oberflächen, wenigstens eine der Oberflächen zum Übertragen des optischen Strahls; einen Filter (32), der mit dem Substrat (76) zum Empfangen des optischen Strahls zum Übertragen eines ersten gefilterten Strahls (447) und Reflektieren eines zweiten gefilterten Strahls (445) angeordnet ist, wobei der Filter eine Filterschicht (78) umfasst, die auf einer der Oberflächen angeordnet ist und wenigstens einen optischen Film mit einer dielektrischen Konstante umfasst, die von der des Brechungsindex des Substrats (76) und von jeder der anderen Filme der Filterschicht (78) verschieden ist; einen erster Detektor (40), der mit einer der Oberflächen zum Empfangen eines der ersten oder zweiten gefilterten Strahlen (447) zum Erzeugen des ersten Signals angeordnet ist; und einen zweiter Detektor (42), der mit der anderen der Oberflächen zum Empfangen des anderen gefilterten Strahls (445) zum Erzeugen des zweiten Signals angeordnet ist; und eine Fehlerschaltung (48) in elektrischer Verbindung mit den Detektoren (40, 42) und zum Erzeugen, ansprechend auf die Signale, eines Fehlersignals, entsprechend der Abweichung der Wellenlänge des Laserstrahls von einer Sollwertwellenlänge.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 49, weiterhin umfassend eine Vergütung (410), die auf der anderen Oberfläche angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 49, wobei die ersten und zweiten Oberflächen unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, so dass das Substrat eine Keilform aufweist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 49, umfassend einen thermischen Sockel in thermischer Verbindung mit dem Substrat, und wobei die Detektoren in thermischer Verbindung mit dem Substrat sind.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 49, wobei die ersten und zweiten Detektoren jeweils erste und zweite Fotodioden umfassen.
Verfahren zum Kalibrieren einer Laserwellenlängenvorrichtung, das Verfahren umfassend die Schritte: Betreiben eines Lasers bei einer ersten Wellenlänge, um einen Laserstrahl mit der ersten Wellenlänge bereitzustellen; Filtern wenigstens eines ersten Teils des Laserstrahls mit einem ersten optischen Filter, um einen gefilterten Strahl gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion mit einem resonanten Ansprechen bei einer Resonanzantwortwellenlänge zu erzeugen; Messen der Intensität des ersten gefilterten Strahls; Filtern wenigstens eines zweiten Teils des Laserstrahls mit einem zweiten optischen Filter, um einen zweiten gefilterten Strahl zu erzeugen, wobei der zweite optische Filter ein Substrat mit einer Filterschicht darauf umfasst, wobei die Filterschicht wenigstens eine Filmschicht mit einem Brechungsindex umfasst, der von dem des Substrats verschieden ist, wobei der Filterschritt ein Richten des Strahls auf eine der Oberflächen des Substrats und der Filterschicht unter einem anfänglichen Einfallswinkel umfasst; Überwachen der gemessenen Intensität des zweiten gefilterten Strahls; und Auswählen eines Endeinfallswinkels, wobei der Auswahlschritt ein Anpassen des Einfallswinkels des Laserstrahls an die Oberfläche umfasst, um die spektrale Filterfunktion des zweiten Filters zu verändern, so dass die Intensität des zweiten gefilterten Strahls im Wesentlichen gleich der Intensität des ersten gefilterten Strahls ist.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei der Endwinkel weiterhin ausgewählt wird, so dass die erste und zweite spektrale Filterfunktion einen Durchstimmbereich von Wellenlängen umfasst, innerhalb dessen ein Signal, das eindeutig eine Abweichung der Wellenlänge des Lasers von der ersten Wellenlänge darstellt, durch Vergleichen der Intensitäten der ersten und zweiten gefilterten Strahlen erzeugt werden kann.
Verfahren zum Betreiben einer Laservorrichtung, umfassend Bereitstellen wenigstens eines Teils der Laserstrahlung, die von dem Laser (12) ausstrahlt, für einen optischen Filter (32) zum Übertragen eines ersten gefilterten Strahls (447) gemäß einer ersten spektralen Filterfunktion und Reflektieren eines zweiten gefilterten Strahls (445) gemäß einer zweiten spektralen Filterfunktion, die mit der ersten spektralen Filterfunktion invers zusammenhängt, wobei der Filter ein keilförmiges Substrat (76) mit einer Filterschicht (78) darauf umfasst, wobei die Filterschicht (78) wenigstens eine Filmschicht umfasst, deren dielektrische Konstante von der des Substrats (76) oder von jeder der anderen Filmschichten verschieden ist; und Vergleichen der ersten und zweiten gefilterten Strahlen (447, 445), um die Abweichung der Wellenlänge der Laserstrahlung von einer Sollwertwellenlänge für wenigstens ein Überwachen, Einstellen oder Stabilisieren der Wellenlänge der Laserstrahlung zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 56, wobei der Schritt des Bereitstellens ein Bereitstellen von Strahlung für den optischen Filter von einer Fläche eines Halbleiterlasers umfasst, der Laserstrahlung aus wenigstens zwei Flächen ausstrahlt.
Verfahren nach Anspruch 57, umfassend den Schritt eines Bereitstellens eines thermischen Leiters in thermischer Verbindung mit dem Laser und dem optischen Filter, und wobei der Schritt des Vergleichens ein Erfassen der ersten und zweiten gefilterten Strahlen mit ersten und zweiten Fotodetektoren umfasst, die zur thermischen Verbindung mit dem optischen Filter angeordnet sind, um erste und zweite erfasste Signale zu erzeugen, und wobei der Schritt des Vergleichens der Strahlen wenigstens ein Verhältnis-Bilden oder ein Differenz-Bilden der erfassten Signale umfasst.
Verfahren nach Anspruch 57, weiterhin umfassend den Schritt eines Bereitstellens des Fehlersignals für ein Kontrollelement zum Steuern der Temperatur oder des Erregerstroms des Lasers.
Verfahren nach Anspruch 59, umfassend den Schritt eines Verändems der Sollwertwellenlänge zum Steuern der Betriebswellenlänge der Laserstrahlung.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Schritt eines Bereitstellens von Strahlung von dem Laser ein Bereitstellen von Strahlung von einem durchstimmbaren Halbleiterlaser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Schritt eines Bereitstellens von Strahlung von dem Laser ein Bereitstellen von Strahlung von einem Halbleiterlaser umfasst, der über einen Bereich von etwa 60 nm durchstimmbar ist, wobei der Bereich eine Wellenlänge von 1550 nm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei der Schritt eines Bereitstellens von Strahlung den Schritt eines Bereitstellens von Strahlung von einem DBR-(Distributed Back Reflection)-Laser, ein DFB-(Distributed Feed Backl)-Laser, ein SSG-(Supter Structure Grating)-DBR-Laser oder ein GSCR-(Grating Assisted Coupler with Sampled Rear Reflector)-Laser umfasst.