FI105627B - Aallonpituuden stabilointi WDM-järjestelmän lähettimessä - Google Patents

Description

4 1 105627

Aallonpituuden stabilointi WDM -järjestelmän lähettimessä

Keksinnön ala

Keksintö liittyy yleisesti aallonpituusmultipleksointia käyttäviin opti-5 siin siirtojärjestelmiin, erityisesti niissä käytettävään optisen lähettimen aallonpituuden stabilointiin.

Tekniikan tausta

Aallonpituusmultipleksointi WDM (Wavelength Division Multiple-10 xing) on tehokas tapa lisätä optisen kuidun kapasiteettia moninkertaiseksi. Aallonpituusmultipleksoinnissa useat itsenäiset lähetin-vastaanotip-parit käyttävät saamaa kuitua ja kukin pari käyttää omaa muista poikkeavaa aallonpituutta.

Kuviossa 1 on havainnollistettu aallonpituusmultipleksoinnin peri-15 aatetta. Esimerkkinä on järjestelmä, jossa käytetään neljää kanavaa, joissa käytetyt aallonpituudet vastaavasti ovat λ,, λ2, λ3 ja λ4. Lähetys- ja vastaan-ottokanavat ovat omilla optisilla kuiduillaan. Kummassakin päässä optista siirtojohtoa on neljä lähetin-vastaanotin-yksikköä, joista lähetintä merkitään yleisesti Tx ja vastaanotinta Rx. Lähetin TX1 lähettää aallonpituudella λ, ja 20' vastaanotin RX1 vastaanottaa samalla aallonpituudella mutta eri kuidulta kuin mille lähetin lähettää. Muut parit käyttävät vastaavalla tavalla omia aal-lonpituuksiaan.

Kuidun’ 8 vasemman puoleisessa päässä olevien lähettimien tuottamat aallonpituudet yhdistetään optisessa multiplekserissä 1 ja johdetaan 25 tämän jälkeen samalle optiselle kuidulle 8. Kunkin lähteen niodulaatiokais-tanleveys on pienempi kuin aallonpituuksien väli, joten moduloitujen signaalien spektrit eivät mene päällekkäin. Vastaavalla tavalla kuidun 9 oikeanpuoleisessa päässä olevien lähettimien tuottamat aallonpituudet yhdistetään optisessa multiplekserissä 3 ja johdetaan tämän jälkeen samalle optiselle ’ v 30 kuidulle 9.

Kuitujen vastakkaisissa päissä olevat WDM -demultiplekserit 2 ja 4 erottavat yhdistetyn signaalin eri spektrikomponentit toisistaan. Jokainen näistä signaaleista ilmaistaan omalla vastaanottimellaan RX1 ,...RX4.

Kunkin lähteen signaalille annetaan siis käyttöön kapea aallonpi-35 tuusikkuna tietyllä aallonpituusalueella. Tyypillinen käytännön esimerkki voisi • olla järjestelmä, jossa signaalit ovat 1550 nm aallonpituusalueella esim. si- 105627 ten, että ensimmäinen signaali on aallonpituudella 1557,36 nm, toinen signaali aallonpituudella 1554,13 nm, kolmas signaali aallonpituudella 1550,92 nm ja neljäs signaali aallonpituudella 1547,72 nm. Aallonpituusrasteria vas-tavaa taajuusrasteri on tällöin 200 GHz. ITU-T (International Telecom-5 munication Union) on standardoinut kaistalla käytettävät taajuudet niin, että kaista alkaa taajuudesta 191,5 THz (1565,50 nm) ja jatkuu 100 GHz:n portain 195,9 THz (1530,33 nm) asti.

Kuviossa 2 on esitetty erään multlplekserin/demultiplekserin peri-aaterakenne. Se sisältää porttikohtaisia linssejä (Lens) ja viitemerkillä F mer-10 kityn interferenssisuodattimen. Porttiin Common on kytketty tuleva kuitu, jota pitkin tulee tässä esimerkissä neljä aallonpituuskanavaa λ1...λ4. Aallonpituus λ, (channel 1) menee interferenssisuodattimen F ja linssien 21 ja 22 läpi suoraan porttiin B. Loput aallonpituuskanavista heijastuvat takaisin heijastimesta 27 ja etenevät heijastimelle 28. Se laskee lävitseen aallonpituuden λ2, joka 15 johdetaan linssiin 23. Näin saadaan erotettua kanava 2. Tällä tavalla tuleva valosignaali heijastuu edestakaisin suodattimen sisällä ja joka heijastuskoh-dassa yksi tarkalleen määrätty aallonpituus lasketaan heijastimen läpi.

WDM -demultiplekserisuodattimen aallonpituusvaste on juonteeltaan kuvion 3 mukainen. Tässä esimerkissä on käytössä kahdeksan aallon-20' pituutta (kanavaa). Kaistan keskiaallonpituus on 1547,72 nm ja kanavarasteri on joko ITU-T:n standardoima tihein 100 GHz, joka vastaa noin 0,8 nm aallonpituutta, tai jokin valmistajan haluama monikerta, esim. 200 GHz. Kuvion perusteella voidäan päätellä, että suodattimen täytyy olla hyvin stabiili.

Suodattimien lämpötilariippuvuus noudattaa likimain kaavaa: 25 Δλ = y*ATAMB)ENT, jossa y on useimmiten positiivinen luku, (1) joten lämpötilan noustessa suodattimen keskiaallonpituus kasvaa. Siirtojärjestelmän kannalta on oleellista, että lähettimen aallonpituus pysyy riittävän ·' 30 lähellä suodattimen keskiaallonpituutta kaikissa suodattimen lämpötiloissa.

Ongelma käytännön järjestelmissä onkin se, miten lähettimen . muodostaman valoaallon aallonpituus saadaan pysymään riittävän stabiilina, > jotta eri kanavien aallonpituudet olisivat mahdollisimman tarkasti demultiplekserisuodattimen läpäisykäyrien keskellä, kts. kuvio 3.. Tämän vuoksi on 35 lähettimeen tehtävä jonkinlainen aallopituuden stabilointi. Selostetaan lyhyesti seuraavaksi lähettimen rakennetta.

.105627 3 Lähetin voidaan muodostaa erilliskomponenttina toteutetusta laser-yksiköstä, joita on saatavissa eri aallonpituusikkunoin niin, että aiemmin mainittu ITU-T:n.spesifioma aallonpituusalue on katettavissa.

Kuvioissa 4A, 4B ja 4C on esitetty esimerkkinä 14-piikkinen DFB 5 laser (Distibuted feedback laser). Tämän tyyppisiä 1550 nm lasereita, jotka vaativat ulkoisen modulaattorin, käytetään tietoliikennetekniikassa laajalti sekä runkoverkoissa että jakeluverkoissa. Kuvio 4A kuvaa komponenttia päältä ja kuvio 4B sivulta. Kuviot on tarkoitettu ainoastaan havainnollistamaan palan muotoa ja mittoja. Laser on pakattu 14-nastaiseen koteloon, jonka yh-10 dellä sivulla on liitinkohta, jossa optinen kuitu liitetään komponenttiin.

Kuvio 4 C kuvaa lähettimen sähköistä vastinkytkentää. Tärkeimmät osat ovat itse laserdiodi LD, termistön 41 (NTC vastus) ja jäähdytin 42 (cooler). Jäähdyttimen toiminta perustuu lämpötilaeron luomiseen sähkövirran avulla. Lisäksi palalla voi olla laservaloa detektoiva monitori 43. Se on 15 useimmiten sijoitettu laseraukon lähtöpuolen vastakkaiseen päätyyn, jossa ' se mittaa laserin emittoiman valon määrää. Tätä tietoa käytetään hyväksi säädettäessä laserin lähtöteho halutuksi. Sähköistä kytkentää laserin ja monitorin välillä ei välttämättä ole, vaikka kuviossa on niin esitetty.

Lämpötila on tärkein laserin aallonpituuteen vaikuttava tekijä ja sen 20 vuoksi palalla on järjestelyt lämpötilan pitämiseksi mahdollisimman vakaana. Valmistaja ilmoittaa spesifikaatiossaan, mikä on kotelon TCASE. sallittu lämpötila-alue, tyypillinen alue on -20,...,+70 °C. Kotelon lämpötila on hitusen korkeampi kuin ympäristön lämpötila T^ent ja termillä ulkolämpötila voidaan tarkoittaa kumpaa tahansa lämpötilaa. Tällä ulkolämpötila-alueella pyritään 25 stabilointipiirien avulla pitämään itse laserin lämpötila mahdollisimman tarkasti nimellislämpötilassa esim. +25 °C. Tällöin taataan ilmoitettu aallonpi-tuusikkuna ja optinen teho edellyttäen, että käyttövirrat ja jännitteet ovat nimellisarvoissaan.

Koska ympäristön lämpötila muuttuu ja valmistaja takaa tuotteelle ' ’·’ 30 aallonpituusikkunan vain annettujen sähköisten-ja lämpötila-arvojen vallites sa, on laitevalmistajan, joka käyttää laservalmistajan laseria tuotteissaan, • ensinnäkin huolehdittava siitä, että laserin aallonpituus säädetään täsmälli sesti halutuksi kokoonpanon yhteydessä ja toiseksi siitä, että lämpötila pysyy myös mahdollisimman tarkasti halutussa. Näissä tavoitteissa laitevalmistajat 35 hyödyntävät laserpalan sisällä olevaa termistoria ja jäähdytyselementtiä.

105627

Termistorille annetaan resistanssi nimellislämpötilassa sekä läm-pötilariippuvuustiedot. Jäähdytinelementin 42 tietoina annetaan sen jäähdy-tyskapasiteetti, maksimi TEC jännite ja maksimi TEC virta. Jäähdytyskapa-siteetti ilmoittaa, mikä saa olla maksimi lämpötilaero laserin nimellislämpöti-5 lan (esim. +25 °C) ja ympäristön lämpötilan välillä. Tyypillinen arvo on 45 °C. Maksimi TEC jännite on suurin sallittu jännite jäähdytinelementin yli ja maksimi TEC virta on suurin sallittu elementin läpi kulkeva virta. Jäähdytinele-mentti on sellainen, että virran kulkiessa sen läpi yhteen suuntaan se jäähdyttää palaa ja virran kulkiessa vastakkaiseen suuntaan se lämmittää palaa. 10 Elementti voidaan myös maadoittaa toisesta liittimestään, jolloin virran lisäys lämmittää palaa ja virran pienentäminen sallii palan jäähtyä.

Kuvio 5 esittää erästä tunnettua periaatekytkentää laserin stabiloinnista. Piirilevyllä, jossa lähettimet sijaitsevat, on laserin lämpötilan säätö-lohko 51. Ulkoilman lämpötilan T^ient vaihtelusta huolimatta pyritään pitä-15 mään laserin lämpötila Tlaser vakiona. Laserin lämpötilaa mitataan termistö-' rilla ja lämpötilaan verrannollinen jännite johdetaan vahvistimen 53 ensimmäiseen tuloon. Toisessa tulossa vaikuttaa vakio vertailujännite VREF. Esimerkiksi jännitteenjakajan avulla on ensimmäiseen tuloon asetettu jännite VSET siten, että laserin nimellisarvoilla VSET = VREF. Tällöin termistorin resis-20 tanssilla on tietty arvo, jota tässä nimitetään asetusarvoksi.

Kun lämpötila muuttuu jompaan kumpaan suuntaan nimellisarvostaan, muuttuu termistorin resistanssi ja siten vahvistimen ulostulosta saadaan jännite, jonka suuruus on verrannollinen lämpötilapoikkeamaan. Ulostulo johdetaan tarvittaessa virranvahvistuspiiriin 51, jonka vahvistama virta 25 jäähdyttää tai lämmittää laseria LD. Jäähdytinelementin toinen pää kytketty säätölohkon 51 TEC Current lähtöön. Jos lämpötila ylittää nimellisarvon esim. 25 °C, säätölohko alentaa virtaa TEC, jolloin jäähdytinelementti 42 jäähdyttää substraattia, jolla laser LD on ja siten myös itse laseria. Vastaavasti jos lämpötila laskee alle nimellisarvon, säätölohko kasvattaa virtaa 30 TEC, jolloin laserin lämpötila nousee. Lämmitys/jäähdytys ovat luonteeltaan jatkuvia prosesseja, joissa säilytetään lämpötilaero TCASE - T^er vakiona. Tasapainotilassa jäähdytinelementin läpi kulkee pieni vakiovirta.

Tämä tekniikan tason mukainen järjestely ei kuitenkaan takaa täysin stabiilia laserin aallonpituutta. Ongelma on se, että WDM järjestelmissä 35 käytettyjen lasereiden tuottamalla aallonpituudella on kuitenkin riippuvuus ympäristön lämpötilasta siitä huolimatta, että lämpötilaa monitoroidaan la- 5 105627 sermoduulin sisällä olevalla termistorilla ja termistorin antaman tiedon pe-' rusteella lämpötila yritetään pitää vakaana. Tämä johtuu siitä, että laserin ja termistorin välinen lämpökytkentä on äärellinen eli lämpövastus ei ole nolla. Tämän vuoksi termistorin antama laserin lämpötilatieto ei ole tarkka. On ha-5 vaittu, että ympäristön lämpötilan muutos ΔΤαμβιεντ aiheuttaa laserin aallonpituuden muutoksen Δλ kaavaa (2) mukaisesti: Δλ = -Χ*ΔΤΑΜΒ|ΕΝΤ, missä x on useimmiten positiivinen luku. (2) 10

Kun tätä riippuvuutta verrataan demultiplekserin lämpötilariippuvuuteen, kaava (1), havaitaan, että muutos on päinvastainen. Kun nyt demultiplekserin suodattimien ominaiskäyrät siirtyvät lämpötilan noustessa aallonpituustasossa suuremman aallonpituuden suuntaan, kuvio 3, ja vas- · 15 taavasti lämpötilan noustessa tuloaallonpituudet laskevat (kaava 2), ne eivät osu enää suodattimien minimivaimennusten kohdille. Vaikeudet kasvavat mitä enemmän kanavia kuidulle sijoitetaan ja mitä tiheämpi on kanavien aal-lonpituusrasteri. Jos kanavia on esim. 16 ja rasteri pienin mahdollinen .100 GHz, saattavat tulokanavat ajautua kokonaan sivuun, jolloin niitä ei pystytä 20 erottamaan, tai jopa väärän aallonpituuden suodattimen kohdalle, jolloin erotetaan väärä kanava.

Laserin stabiiliusongelma on tekniikan tasossa ratkaistu paitsi ulkoisia komponentteja käyttäen kuten kuviossa 5 myös sijoittamalla lasermo-duulin sisälle aallonpituutta stabiloivia komponentteja. Ainakin kaksi tapaa on •« 25 esitetty. Ensimmäisen tavan mukaan sijoitetaan laserin jälkeen samalle palalle Fibre Bragg Grating tekniikalla suodatin, jonka avulla mitataan laserin aallonpituus. Mittaustuloksen perusteella ohjataan esim. jäähdytyselementtiä niin, että oikea aallonpituus säilyy. Toisen tavan mukaan suodatin tai aallonpituuden mittari sijoitetaan laserkomponentin ulkopuolelle ja mittaustuloksen 30 mukaan Jukitaan aallonpituus oikeaksi.

’ Patenttihakemuksessa EP-0818859 on esitetty eräs ulkopuolista mittausta käyttävä tapa. Siinä laserin valo johdetaan vinoon asetetun suodattimena toimivan Fabry-Perot resonaattorin kautta kahdelle rinnakkaiselle valoilmaisindiodille, joista kumpikin on kytketty vahvistimen tuloon. Reso-35 naattorin lävitse pääsevät valovirrat riippuvat aallonpituudesta, joten vahvistimen ulostulo toimii suoraan laserin ohjauksena.

6 105627 Näillä tunnetuilla tavoilla stabiloidut laserit toimivat kyllä toivotulla tavalla mutta niiden epäkohta on korkea hinta johtuen tarvittavista ylimääräisistä erityiskomponenteista. Lähetin/vastaanotinkorttien tuotannossa pyritään kuitenkin mahdollisimman alhaiseen hintaan suoritusarvoista tinkimättä.

5 Tämän keksinnön tavoitteena on aikaansaada laserlähettimen aal lonpituuden ajautumista stabiloiva kytkentä, joka soveltuu käytettäväksi tavanomaisten peruslasermod ulien yhteydessä ja joka on halpa ja yksinkertainen toteuttaa, mutta jolla silti saavutetaan hyvä stabiilius ulkolämpötilasta riippumatta.

10 Asetettu tavoite saavutetaan itsenäisissä patenttivaatimuksissa ku vatuin määrittein.

Keksinnön lyhyt yhteenveto

Keksintö perustuu siihen oivallukseen, että kompensoimalla laser- · 15 palalla olevan termistorin ja laserin välisen kytkennän epälineaarisuutta voidaan saavuttaa tarkka ja ulkoisesta lämpötilasta lähes riippumaton laserin aallonpituus. Kompensointi voidaan suorittaa täydellisenä tai voidaan toteuttaa ylikompensointi niin, että laserin aallonpituuden muutos lämpötilan muuttuessa on saman suuruinen ja saman suuntainen kuin mux/demux-20 komponenteilla. Jälkimmäisessä tapauksessa laserin aallonpituus muuttuu yhtä paljon kuin mux/demux -komponenteilla ja lisäksi samaan suuntaan. Tällöin, mikäli ympäristön lämpötila on sama lähettimessä ja mux/demux -komponenteissa, ei aallonpituuden muuttuminen aiheuta järjestelmässä ongelmia.

25 Periaatteessa kompensointi toteutetaan muuttamalla termistorin asetuslämpötilaa siten, että ulkolämpötilan muuttuessa muutetaan asetus-lämpötilaa niin, että laserin lämpötila.muuttuu hieman verrattuna siihen, jos kompensointia ei tehdä. Lämpötilan nousu muutos palauttaa laserin lämpötilan nimellisarvoonsa.

v 30 Laserin aallonpituuden ja ympäristön lämpötilan välisen riippuvuu- ' den ollessa negatiivinen kompensointi toteutetaan muuttamalla termistorin asetuslämpötilaa siten, että ulkolämpötilan noustessa asetuslämpötilaa nostetaan, jolloin jäähdytys rajoittuu. Laserin lämpötilan nousu palauttaa aallonpituuden nimellisarvoonsa. Vastaavasti ulkolämpötilan laskiessa ase-35 tuslämpötilaa lasketaan niin, että lämmitys rajoittuu, jolloin laserin lämpötila 105627 laskee hieman. Laserin lämpötilan lasku palauttaa aallonpituuden nimellisarvoonsa.

Käytännössä termistorin asetuslämpötilaa muutetaan muuttamalla sitä vertailuarvoa, johon asetuslämpötilaa verrataan. Useimmissa tapauksis-5 sa verrataan termistorin yli vaikuttavaa jännitettä vertailujännitteeseen, jolloin kompensointi suoritetaan muuttamalla vertailujännitearvoa sopivasti.

Kompensointi voidaan toteuttaa mitoittamalla säätösilmukan DC-vahvistus sopivaksi yksinkertaisella takaisinkytkennällä. Toinen mahdollisuus . on konstruoida vertailujännitteen antava kytkentä, joka sisältää ympäristön 10 lämpötilaa mittaavan termistorin. Vertailujännite muuttuu tällöin verrannollisena termistorin resistanssiarvon muutokselle.

Kuvioluettelo

Keksintöä selostetaan tarkemmin oheisten kaaviollisten piirustus-15 ten avulla, joissa kuvio 1 esittää WDM-siirtojärjestelmää, kuvio 2 kuvaa aallonpituusmultiplekseriä, kuvio 3 esittää multiplekserin vaimennusta, 20 kuviot 4A ja 4B esittävät laseria, kuvio 4C kuvaa kaaviollisesti laserin sähköistä kytkentää, kuvio 5 esittää erästä laserin aallonpituuden stabilointikytkentää, kuvio 6 kuvaa aallonpituuden riippuvuutta ulkolämpötilasta, kuvio 7 havainnollistaa tapahtumia lämpötilan noustessa, 25 kuvio 8 havainnollistaa tapahtumia lämpötilan laskiessa, kuvio 9 havainnollistaa yleisti tapahtumia lämpötilan noustessa, kuvio 10 kuvaa termistorin lämpötilan riippuvuutta ympäristön lämpötilasta, kuvio 11 kuvaa laserdiodin lämpötilan riippuvuutta ympäristön lämpötilasta, kuvio 12 esittää lämpötiloja laserissa, jossa käytetään ehdotettua stabilointi-30 kytkentää.

• < kuvio 13 havainnollistaa tapahtumia lämpötilan noustessa kun lämpötilariippuvuus on positiivinen, kuvio 14 havainnollistaa tapahtumia lämpötilan laskiessa, kun lämpötilariippuvuus on positiivinen 35 8 105627

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Keksinnön mukaisen kytkennän toimintaperiaatteen ymmärtämiseksi palataan vielä laserin aallonpituuden lämpötilariippuvuuteen. Riippuvuus on aiemmin esitetyn kaavan (2) mukainen. Kuviossa 6 on laserin toi-5 mintalämpötilaksi oletettu +25 °C ja tässä lämpötilassa se tuottaa valoa aallonpituudella λΝ. Jos sähköiset arvot ovat valmistajan ilmoittamien mukaiset, pitäisi aallonpituuden pysyä nimellisarvossaan vaikka ympäristön lämpötila tai tarkemmin sanottuna komponenttipakkauksen ulkolämpötila TCASE vaihte-. lisikin esim. alueella -20 °C,...,+70 °C. Laserin lämpötilan pitäisi pysyä vakio-10 na, sillä termistön' ohjaa jäähdytintä (cooler) jäähdyttämään tai lämmittämään laseria. Tätä ideaalitapausta kuvaa kuviossa 6 katkoviiva, jonka mukaisesti ideaalilaserin lämpötila ja siten aallonpituus pysyy vakiona huolimatta kotelon lämpötilan TCASE muutoksesta.

Käytännössä laserin lämpötila ja siten aallonpituus riippuvat kuiten-15 kin ympäristön lämpötilasta TCASE. kaavan (2) mukaisesti. Tämä johtuu siitä, että vaikka laserin lämpötilaa mittaava termistön onkin hyvin lähellä laseria, on niiden välinen lämpökytkentä kuitenkin epäideaalinen johtuen kytkennän äärellisyydestä. Lämpövastus ei ole nolla. Tekniikan tason mukaisessa kuviossa 5 esitetyssä kytkennässä termistori havaitsee ympäristön lämpötilan 20 noustessa muutoksen ja laserin jäähdytys käynnistyy. Jäähdytys lakkaa ta-. sapainotilassa, kun lämpötila termistorin kohdalla on asetteluarvossaan, esim. +25 °C. Edellä mainitun kytkennän epälineaarisuuden käy kuitenkin niin, että laserdiodia jäähdytetään liikaa, mikäli kaavan (2) luku x on positiivien, kuten useimmiten on asianlaita. Kun termistori ilmoittaa lämpötilan ole-25 van oikea, onkin laserin todellinen lämpötila TWSER alle nimellisarvon +25 °C. Laserin aallonpituus pienenee sen lämpötilan laskiessa, joten tasapainotilassa aallonpituus jää nimellisarvoaan pienemmäksi. Tällöin laserin aallonpituuden riippuvuus ympäristön lämpötilasta on yhtenäinen viiva “negative dependence”.

30 Mikäli kaavan (2) luku x on negatiivinen, on lopputulos se, että la- • t serdiodia lämmitetään liikaa, kun termistori ilmoittaa lämpötilan olevan oikea, ' onkin laserin todellinen lämpötila T^r yli nimellisarvon +25 °C. Laserin , aallonpituus kasvaa sen lämpötilan noustessa, joten tasapainotilassa aallonpituus jää nimellisarvoaan suuremmaksi. Tällöin laserin aallonpituuden riip-35 puvuus ympäristön lämpötilasta on katkoviiva “positive dependence”.

* 9 105627 Tästä eteenpäin tekstissä kuvataan tapahtumia olettaen, että aallonpituuden muutos ympäristön lämpötilasta on negatiivinen ts. kuvion 6 yhtenäisen viivan mukainen.

Edellä kuvattua ilmiötä on havainnollistettu kuvion 7 käyrästöllä.

5 Siinä on kolme lämpötila-asteikkoa: kotelon pintalämpötila TCASE, lämpötila termistorin kohdalla TNTC ja laserdiodin lämpötila T^r. Asteikkojen etäisyys toisistaan kuvaa karkeasti kotelon pinnan, termistorin ja laserin keskinäisiä etäisyyksiä. Oletetaan, että laserlähettimen sisältävän kortin kokoonpanon yhteydessä ympäristön lämpötila on +25 °C. Laserin aallonpituus on kalib-10 roitu siten, että sen aallonpituus on tarkalleen haluttu ja oletetaan lisäksi, että laserin lämpötila on +25 °C. Tällöin lämpökäyrä laserin ja kotelon pinnan välillä on pilkkuviivalla esitetty suora. Kalibroinnissa on tasapainotilassa tekniikan tason mukaisen jäähdytys/lämmityskytkennässä VREF; kuvio 5, yhtä suuri kuin jännite termistorin yli. Termistorin resistanssi vastaa siten sen asetus-15 lämpötilaa, jota on kuviossa 7 merkitty pisteellä a.

Kun nyt ympäristön lämpötila käyttöpaikalla syystä tai toisesta nousee kotelon pinnalta mitattuna ΔΤ, astetta, pyrkii lämpötila nousemaan myös termistorin kohdalla. Tällöin tekniikan tason mukainen kompensoimaton jäähdytys/lämmityspiiri alkaa jäähdyttämään laserdiodia. Jäähdytys lakkaa 2Q tai jää johonkin vakioarvoon kun termistorin vastus on palannut asetusar-voonsa eli lämpötila pisteeseen a. Termistorin ja laserin välinen epäideaali-nen kytkentä on aiheuttanut sen, että tässä tasapainotilassa laserdiodin lämpötila onkin AT2 astetta alempi kuin sen pitäisi olla. Sen seurauksena aallonpituus on laskenut vaikka mittauskytkennän mukaan asian pitäisi olla kun-25 nossa. Kuvion 6 käyrässä tämä merkitsee, että toimintapiste on liukunut +25 °C tasosta alaspäin.

Keksinnön mukaisesti tämä siirtymä ΔΤ2 kompensoidaan rajoittamalla jäähdytystä sopivasti. Tämä tehdään erityisellä kompensointikytken-nällä siten, että termistorin asetuslämpötila muutetaan pisteestä a pistee-30 seen b ts. sitä nostetaan määrällä ΔΤ2. Tällöin laseria lämmitetään kompen-soimattamaan tapaukseen verrattuna enemmän, joten sen lämpötila nousee haluttuun 25 °C lämpötilaan. Tällöin lämpökäyrä kotelon pinnan ja laserin välillä on kuvissa 7 esitetty ehyt viiva ja laserin lämpötila ja siten sen aallonpituus on täsmälleen oikea.

35 Vastaava ilmiö tapahtuu ympäristön lämpötilan laskiessa määrällä . ΔΤ3. Tätä on havainnollistettu kuviossa 8. Siinä katkoviiva esittää kompen- 10 105627 soimatonta lämpökäyrää ja ehyt viiva kompensoitua lämpökäyrää. Epälineaarinen kytkentä aiheuttaa sen, että kompensoimattomassa tapauksessa laseria lämmitetään liikaa määrällä AT4, vaikka lämpötila termistorin kohdalla onkin lämmityksen päätyttyä asetusarvossaan pisteessä a eli lämpötilassa 5 25 °C. Keksinnön mukaisesti kompensoidaan liika lämmitys laskemalla ter mistorin asetuslämpötila pisteestä a pisteeseen b, ehyt yhtenäinen viiva. Tällöin tasapainotilassa laseria on lämmitetty vähemmän kuin kompensoimattomassa tapauksessa, jolloin sen lämpötila ja siten aallonpituus ovat oikeat.

10 Kompensointi tarkoittaa sitä, että kaavassa (2) Δλ = -χ*ΔΤαμβιεντ negatiivinen tekijä -x tulee likimain nollaksi.

Haluttaessa voidaan toteuttaa ylikompensaatio niin, että tekijä -x tulee positiiviseksi ja edullisesti likimain samansuuruiseksi kuin multiplekserin ja demultiplekserin lämpötilariippuvuuskaavan (1) Δλ = y*ATAMB,ENT positiivi-15 nen tekijä y. Tällöin lämpötilan muutoksen aiheuttama taajuuden muutos on lähettimessä ja multiplekserissä samanmerkkinen ja samansuuruinen, jolloin järjestelmässä voidaan kanavat aina yhdistää ja erottaa oikein. Ylikompensaatiossa lämmitystä ja jäähdytystä rajoitetaan enemmän kuin on tarpeen. Kuviossa 7 ja 8 tämä merkitsee sitä, että termistorin asetusarvon b etäisyys 2Q pisteestä a on itseisarvoltaan suurempi kuin kuvioissa.

Kuvio 9 esittää vielä yhdistettynä kuvioiden 7 ja 8 käyrien sisällön. Tässä on oletettu, että lähetin on kalibroitu ympäristön ts. kotelon pintalämpötilan ollessa Ts>laserin toimintalämpötila, tässä 25 °C . Ympäristön lämpö-. tilan noustessa käyttöpaikalla määrällä ΔΤ6 tai laskiessa määrällä ΔΤ5 se ai- 25 heuttaisi kompensoimattomassa tapauksessa vastaavasti laserin lämpötilan laskun määrällä ΔΤβ tai nousun määrällä ΔΤ7. Kompensointi tehdään muuttamalla termistorin toimintapistettä pisteestä a pisteeseen b tai b’, jolloin laserin vähempi jäähdytys tai suurempi lämmitys pitää sen lämpötilan ja siten aallonpituuden oikeana.

30 Kuviot 10A ja 10B esittävät NTC vastuksen ja laserin lämpötiloja kotelon pintalämpötilan T^e funktiona. Jos kompensointia ei käytetä, pilkku-viivat kuviossa, niin NTC:n lämpötila pysyy edellä esitetyn mukaan vakiona, esim. 25 °C, kuvio 10A. Tämä merkitsee sitä, että epäideaalisuuden vuoksi laserin lämpötila ja siten aallonpituus ei pysy vakiona vaan noudattaa tun-35 nettua Δλ = -x*ATCASE riippuvuutta, pilkkuviiva kuviossa 10B.

105627

Kun tehdään keksinnön mukainen kompensointi, muuttuu NTC:n asetuslämpötila hallitusti kotelon pintalämpötilan TCASE funktiona, ehyt viiva kuviossa 10A. Laserin ja NTC:n epäideaalisuuden vuoksi laserin lämpötila ja siten aallonpituus pysyvät vakiona, yhtenäinen viiva kuviossa 10B.

5 Erään mahdollisen kompensointipiirin toteutus on esitetty kuviossa 11. Verrattuna kuvion 5 tunnettuun kytkentään on lisäyksenä kompensointi-piiri, joka säätää säätösilmukan DC-vahvistuksen sopivaksi. Yksinkertaisimmillaan kompensointipiiri on takaisinkytkentäresistanssi.

Eräs toinen vaihtoehto kompensoinnin suorittamiseksi on muuttaa 10 vertailujännitettä VREF sopivasti ulkolämpötilan mukaan. Ulkolämpötilahan on hyvin lähellä pakkauksen lämpötilaa TCASE. Tätä on hahmoteltu kuviossa '12. Lämpötilasta riippuvia kompensointikytkentöjä voidaan kehitellä monenlaisia. Kuviossa on äärimmäisen pelkistetty esimerkki kytkennästä, joka käsittää NTC vastuksesta 121 ja kiinteästä tai säädettävästä vastuksesta 122 muo-15 dostuvan jännitteenjakajan. Säätövastuksella viritetään kalibrointitilanteessa VREF sopivaksi. Sen jälkeen käytössä kun lämpötila nousee, laskee VREF hieman, jolloin laserin lämmitys rajoittuu sopivasti. Vastaavasti kun lämpötila laskee, nousee VREF hieman, jolloin laserin jäähdytys rajoittuu sopivasti.

Kompensointikytkennän mitoituksesta riippuen voidaan laserin ja 20 termistorin välisen kytkennän epälineaarisuus kompensoida täysin tai se voidaan jopa ylikompensoida.

Edellä selostetuissa tapahtumissa on oletettu, että kaavan (2) luku x on positiivien, kuten useimmiten on asianlaita. Tällöin laserin aallonpituus laskee lämpötilan noustessa Ammattimiehelle on selvää edeltävän opetuk- » « 25 sen pohjalta tehdä kompensointi myös siinä tapauksessa, että kaavan (2) luku x on negatiivinen, jolloin laserin aallonpituus kasvaa ympäristön lämpötilan noustessa. Tapahtumat ovat tällöin kuvioiden 13 ja 14 mukaiset.

Ympäristön lämpötilan noustessa ΔΤ9 astetta alkaa kompensoima-ton jäähdytys/lämmityspiiri jäähdyttämään laserdiodia. Epäideaalinen kyt-30 kentä on aiheuttanut sen, että tässä tasapainotilassa laserdiodin lämpötila onkin ΔΤ10 astetta korkeampi kuin sen pitäisi olla, jolloin aallonpituus on laskenut.

Siirtymä ΔΤ10 kompensoidaan suurentamalla jäähdytystä siten, että termistorin asetuslämpötila lasketaan pisteestä a pisteeseen b. Tällöin lase-35 ria lämmitetään kompensoimattomaan tapaukseen verrattuna vähemmän, • 12 105627 joten sen lämpötila laskee haluttuun 25 °C lämpötilaan. Tällöin lämpökäyrä kotelon pinnan ja laserin välillä on kuvissa 13 esitetty ehyt viiva.

Vastaava ilmiö tapahtuu ympäristön lämpötilan laskiessa määrällä ΔΤιν Tätä on havainnollistettu kuviossa 14. Kompensoimattomassa tapauk-5 sessa laseria jäähdytetään liikaa määrällä AT12 vaikka lämpötila termistorin kohdalla onkin lämmityksen päätyttyä asetusarvossaan pisteessä a eli lämpötilassa 25 °C. Liika lämmitys kompensoidaan nostamalla termistorin ase-tuslämpötila pisteestä a pisteeseen b, ehyt yhtenäinen viiva. Tällöin tasapainotilassa laseria on lämmitetty enemmän kuin kompensoimattomassa tapa-10 uksessa, jolloin sen lämpötila ja siten aallonpituus ovat oikeat.

Esitetyt kytkennät ovat vain vaihtoehtoja, eivätkä mitenkään rajoita keksintöä. Kytkentä voi olla mikä tahansa, kunhan vain se aikaansaa halutun suuruisen laserin jäähdytyksen ja lämmityksen rajoituksen.

• I

* i .

Claims (13)

13 105627

1. Menetelmä optisen lähettimen aallonpituuden stabiloimiseksi ympäristön lämpötilasta riippumattomaksi aallonpituusmultipleksointia käyttävän optisen siirtojärjestelmän lähettimessä, jossa 5 laserdiodin lämpötilaa mitataan laserdiodin läheisyydessä olevalla termistorilla ja lämpötilaa muutetaan jäähdytyselementillä, säätöpiiri antaa vasteena termistorin mittaamalle poikkeamalle asetuslämpötilasta jäähdytyselementille ohjauksen, jolle vasteena jäähdy-tyselementti lämmittää tai jäähdyttää laserdiodia, 10 termistorin ja laserdiodin välinen lämpökytkentä on epäideaalinen, jolloin termistorin mittaama lämpötila poikkeaa laserdiodin lämpötilasta, tunnettu siitä, että kompensoidaan epäideaalisuus siten, että ympäristön lämpötilan muuttuessa muutetaan termistorin asetuslämpötilaa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä 15 että lämpökytkennän ollessa epäideaalinen siten, että ympäristön lämpötilan noustessa laserin lämpötila pienenee, nostetaan ympäristön lämpötilan noustessa termistorin asetuslämpötilaa, jolloin jäähdytys rajoittuu ja laserin lämpötila ja siten aallonpituus pysyvät nimellisarvossaan ja vastaavasti ympäristön lämpötilan laskiessa lasketaan termistorin asetuslämpötilaa, jolloin 20 lämmitys rajoittuu ja laserin lämpötila ja siten aallonpituus pysyvät nimellisarvossaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä että lämpökytkennän ollessa epäideaalinen siten, että ympäristön lämpötilan .. noustessa laserin lämpötila kasvaa, lasketaan ympäristön lämpötilan nous- 25 tessa termistorin asetuslämpötilaa, jolloin jäähdytys kasvaa ja laserin lämpötila ja siten aallonpituus pysyvät nimellisarvossaan ja vastaavasti ympäristön lämpötilan laskiessa nostetaan termistorin asetuslämpötilaa, jolloin lämmitys kasvaa ja laserin lämpötila ja siten aallonpituus pysyvät nimellisarvossaan.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä . 30 että kompensointi tehdään ylikompensointina, jolloin ympäristön lämpötilan noustessa rajoitetaan jäähdytystä siten, että laserin lämpötila ja siten aallonpituus nousevat yli nimellisarvojensa ja vastaavasti ympäristön lämpötilan laskiessa lämmitystä rajoitetaan siten, että laserin lämpötila ja siten aallonpituus laskevat alle nimellisarvojensa.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, etfä ylikompensaatio järjestetään sellaiseksi, että lähettimen aallonpituuden 9 14 105627 riippuvuus ympäristön lämpötilasta on likimain sama kuin optiseen siirtojärjestelmään kuuluvilla multipleksereila ja demultipleksereillä.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säätöpiirissä verrataan termistorin mittaamaa lämpötilaa vertailulämpö- 5 tilaan ja termistorin asetuslämpötilan muuttaminen suoritetaan muuttamalla vertailulämpötilaa.

7. Kytkentä optisen lähettimen aallonpituuden stabiloimiseksi ympäristön lämpötilasta riippumattomaksi aallonpituusmultipleksointia käyttävän optisen siirtojärjestelmän lähettimessä, johon kuuluu 10 laserdiodi (LD), jonka lämpötilaa (T^er) mitataan laserdiodin lähei syydessä olevalla termistorilla (41), ulkoinen säätöpiiri (51), joka vasteena termistorin mittaaman lämpötilan (TNTC) poikkeamiselle asetuslämpötilasta antaa ohjauksen (TEC), jäähdytyselementti, joka vasteena ohjaukselle (TEC) lämmittää tai 15 jäähdyttää laserdiodia, ja jossa termistorin ja laserdiodin välinen lämpökytkentä on epäideaalinen, jolloin termistorin mittaama lämpötila poikkeaa laserdiodin lämpötilasta, tunnettu siitä, että kytkentään kuuluu kompensointipiiri, joka ul-20 kolämpötilan muuttuessa muuttaa säätöpiirin antamaa ohjausta (TEC) niin, että laserin lämpötila ja siten aallonpituus pysyvät nimellisarvossaan.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että lämpökytkennän ollessa epäideaalinen siten, että ympäristön lämpötilan . noustessa laserin lämpötila pienenee, kompensointipiiri rajoittaa säätöpiirin 25 antamaa ohjausta (TEC) ulkolämpötilan noustessa ja vastaavasti ulkolämpö-tilan laskiessa niin, että laserin lämpötila ja siten aallonpituus pysyvät nimellisarvossaan.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että lämpökytkennän ollessa epäideaalinen siten, että ympäristön lämpötilan , 30 noustessa laserin lämpötila kasvaa, kompensointipiiri kasvattaa säätöpiirin antamaa ohjausta (TEC) ulkolämpötilan noustessa ja vastaavasti ulkolämpötilan laskiessa niin, että laserin lämpötila ja siten aallonpituus pysyvät nimellisarvossaan.

10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, 35 että säätöpiiriin kuuluu vertailuvahvistin (53), joka vertaa termistorin anta- ; ; maan lämpötilatietoon verrannollista jännitettä referenssiarvoon (VREF) ja että r is 105627 kompensointipiiri muodostuu takaisinkytkentäpiiristä (71), joka takaisinkyt-kee ohjauksen (TEC) vertailuvahvistimen (53) referenssituloon.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että takaisinkytkentä on resistiivinen.

12. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että säätöpiiriin kuuluu vertailuvahvistin (53), joka vertaa termistorin antamaan lämpötilatietoon verrannollista jännitettä referenssiarvoon (VREF) ja että kompensointipiiri muodostaa referenssijännitteen (VREF), joka laskee ympäristön lämpötilan noustessa ja vastaavasti nousee ympäristön lämpötilan las-10 kiessa.

13. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että kompensointipiiri sisältää ympäristön lämpötilaa mittaavan termistorin. > · * 16 105627