JP3798751B2 - 電磁信号の使用 - Google Patents

Description

本発明は、全般的には、ラジオ周波数、マイクロ波、および光周波数のスペクトルで電磁信号を生成し、処理するシステムに関し、具体的には、そのようなシステムを介する信号出力および伝送帯域幅を最適化する波長ロック・ループ（wavelength-locked loop）の原理を教示する、そのような電磁信号を使用するそのようなシステムの新規のサーボ制御回路に関する。

波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing、ＷＤＭ）および高密度波長分割多重（Dense
Wavelength Division Multiplexing、ＤＷＤＭ）は、複数の波長（光の色）を同一の光ファイバに並列化し、各波長が潜在的にそれ自体のデータ診断を割り当てられる、光波応用技術である。現在、ＷＤＭおよびＤＷＤＭ製品では、データをレーザの組に再変調することによって、多数の異なるデータ・リンクが光ファイバの単一の対で組み合わされ、レーザの組は、非常に特定の波長（業界標準に従って、公差０．８ｎｍ以内）に同調される。現在の製品では、光の３２個までの波長を、単一の光ファイバ・リンク上で組み合わせることができ、将来の応用についてより多くの波長が企図されている。波長は、一連の薄膜干渉フィルタを介して光を渡すことによって組み合わされ、この薄膜フィルタは、光ファイバにピグテールされたガラス基板上の複数層コーティングからなる。フィルタによって、複数の波長が、単一のファイバ・パスに組み合わされ、多重化リンクの遠端で分離される。フィルタは、光ネットワークに波長チャネルを追加するか除去するために、中間点で使用することもできる。

理想的には、ＷＤＭレーザによって、単一波長だけからなる非常に狭い線幅スペクトルが作られ、理想的なフィルタが、たとえば周波数領域で、約０．４ｎｍ幅の方形の帯域通過特性を有する。しかし、実際には、すべてのレーザが、有限のスペクトル幅を有し、このスペクトル幅は、たとえば約１から３ｎｍ幅のガウス分布の広がりであり、すべての実際のフィルタが、ガウス分布の帯域通過関数を有する。したがって、レーザの中心波長を、フィルタ通過帯域の中心に整列させて、波長間のクロストークの低減を容易にすることが望ましい。というのは、ＷＤＭ波長の間の間隔が、非常に狭いからである。しかし、現在使用されている商業システムでは、この整列を実行することが非常に難しい。レーザおよびフィルタが、異なる会社によって作られ、正確に同調された光構成要素を作成するのは、困難かつ高価である。その結果、現在使用されているシステムは、最適には程遠く、ＷＤＭフィルタでの光学損失は、レーザ中心波長との不整列に起因して、４ｄｂほどになる可能性がある（レーザの光学出力は、フィルタを通過できない場合に失われる）。これは、特に多数のフィルタが直列に互いにカスケードされなければならない（現在の設計では８フィルタまで、将来にはおそらくそれ以上）ので、光リンク・バジェットおよびサポートされる距離に深刻な影響を及ぼす。すべてのフィルタが、そのワースト・ケース条件（最悪の損失）で動作する場合に、実用的なシステムを作ることは不可能である。さらに、レーザの中心波長は、電圧、温度、およびその寿命での加齢に伴ってドリフトし、フィルタ特性も、温度および加齢に伴って変化する可能性がある。レーザの中心波長およびフィルタ帯域幅は、偏光依存でもある場合がある。この問題によって、将来のＷＤＭネットワーキング・システムの設計に基本的な制限が課される。

第２の関連する問題は、半導体レーザ・ダイオードでのデータの直流変調が、２つの効果を引き起こし、これによって、レーザ・パルスの開始直後のレーザの中心周波数のすばやいシフトが誘導される場合があるという事実から生じる。２つの効果は、（１）周波数チャープおよび（２）弛緩振動である。両方の効果が、より高いレーザ出力電力および駆動電圧またはより高い変調ビット・レートでより顕著になる。これらの効果は、レーザ中心波長のすばやい予測不能な変化を引き起こすだけではなく、レーザ線幅も広げ、これが、光フィルタと相互作用する時の損失の源になるか、光クロストークを引き起こす可能性がある。この２つの効果を回避するには、非標準の高価なレーザ、外部変調器（損失がありコストが増える）、または最大出力容量未満でのレーザの駆動（リンク・バジェットおよび距離が減る）のいずれかが必要である。データ変調レートを下げることも役にはたつが、マルチギガビット・レーザ・リンクの選択肢でないことがしばしばである。

米国特許第５０６８８６４号に、レーザ・ビームの周波数をディザリングする変調器および周波数ディザリングされたビームが適用される所定の線幅での共鳴を有する吸収共鳴セルを含む周波数安定化ステージを使用してレーザ・ビームの周波数変調が安定化される、１つの従来技術の解決策が示されている。ディザリングに同期化された対称復調器によって、吸収セルの出力を復調することによって線幅内の基準周波数に関する周波数変動を表す訂正信号が作られる。訂正信号は、周波数変動を訂正し、ステージの出力としてディザリングされない周波数を安定化されたビームを作る構成で使用される。

したがって、そのような光ファイバ・システムを介する出力伝送を最適化し、光ネットワークでの光クロストーク干渉を減らすために、レーザ中心波長とガウス分布帯域フィルタの中心の間の安定した最適の整列を提供する新しい方法を提供することが、非常に望ましい。

本発明の目的は、電磁波を使用するシステムで、中心波長を含むピークを有するスペクトル関数を有する電磁信号と、中心波長を含むピークを有する通過帯域関数を実施する波長選択デバイスとのリアル・タイム相互整列を可能にするサーボ制御「波長ロック・ループ」回路を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、マルチギガビット・レーザ／光学システムを介する出力を最適化するように設計されたＷＤＭおよびＤＷＤＭのシステムおよび応用例のサーボ制御のシステムおよび方法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、ＷＤＭシステムでの使用のための、光ファイバおよび導波管での、ブラッグ格子（Bragg grating）などの波長を選択するスペクトル・デバイスのリアル・タイムの整列およびトラッキングを可能にする光学システムの波長ロック・ループを提供することである。

本発明のもう１つの目的は、光フィルタを光ファイバおよび導波管などでの既知の伝送からオフセットすることによる、さまざまな光減衰器のリアル・タイム整列を可能にする、「波長ロック・ループ」と称する光学システムのサーボ／フィードバック・ループを提供することである。

本発明のもう１つの目的は、光の偏光応用例に使用できる、「波長ロック・ループ」と称する光学システムのサーボ／フィードバック・ループを提供することである。

本発明のもう１つの目的は、ＷＤＭフィルタ／レーザの組合せの光学損失が非常に減り、これによってかなり大きいリンク・バジェットおよびより長いサポートされる距離が可能になる、マルチギガビット・レーザ／光学システムでレーザ中心波長およびフィルタ通過帯域中心波長のリアル・タイムの整列およびトラッキングを可能にする、「波長ロック・ループ」と称する光学システムのサーボ／フィードバック・ループを提供することである。

本発明のもう１つの目的は、ＷＤＭ機器のかなりのコスト低下をもたらすために、より低コストのレーザおよびフィルタを使用できるようになる、マルチギガビット・レーザ／光学システムでレーザ中心波長およびフィルタ通過帯域中心波長のリアル・タイムの整列およびトラッキングを可能にする、「波長ロック・ループ」と称する光学システムのサーボ／フィードバック・ループを提供することである。

したがって、本発明の原理に従って、電磁波を使用するシステムで、中心波長を含むピークを有するスペクトル関数を有する電磁信号と、中心波長を含むピークを有する通過帯域関数を実施する波長選択デバイスとのリアル・タイム相互整列を可能にする波長ロック・ループ・サーボ制御の回路および方法が提供される。このシステムおよび方法では、ａ）ディザ変調周波数のディザ変調信号を、特定の波長で動作する電磁信号に印加し、ディザ変調された電磁信号を、所望の波長のピーク周波数応答を有する波長選択デバイスに入力するステップと、ｂ）ディザ変調された電磁信号の一部を電気フィードバック信号に変換するステップと、ｃ）フィードバック信号をディザ変調信号と継続的に比較し、フィードバック信号に固有の周波数とディザ変調周波数との間の差を表す誤差信号を生成するステップと、ｄ）誤差信号に従って、電磁信号のピーク・スペクトル関数を調整するステップであって、電磁信号の中心波長および波長選択デバイス中心波長が、フィードバック信号に固有の周波数がディザ変調周波数の２倍である時に整列される、ステップとが使用される。

波長ロック・ループを使用するシステムは、電磁周波数スペクトルの、ラジオ周波数部分、マイクロ波周波数部分、および光周波数部分の波を含む電磁波を使用する情報担持システムまたは制御システムとすることができる。したがって、電磁波に、ラジオ周波数信号、マイクロ波信号、および光信号を含めることができる。

レーザ／光ネットワークで使用される時に、本発明のシステムおよび方法を使用して、レーザ・ダイオード・デバイスを同調し、または、ファイバ・ブラッグ格子内の波長選択フィルタ、減衰器、およびスイッチと、光増幅器のリング共振器と、音響光学可変波長フィルタなどの外部変調器と、アレイ導波管格子を含むネットワーク内の任意のタイプの波長選択要素を補償し、あるいはその両方を行うことができる。これは、ネットワーク内の多数の他の光学構成要素（たとえば、非線形領域で動作する時にフィルタとして働くことができる光増幅器）にも適用される。さらに、本発明のシステムおよび方法を使用して、上記の応用領域のすべてについて、より安価なデバイスを実施することができる。

代替案では、本発明のシステムおよび方法を実施して、リアル・タイムで、製造中に、たとえばすべてのレーザを特定の波長に同調させるなど、ＷＤＭ応用例および光ネットワーク応用例のそのようなデバイスを同調させることができる。これによって、たとえば製造プロセス変動の結果として波長仕様に合致しないので破棄される可能性があるレーザ・デバイスの歩留まりがかなり高くなる。

本発明の装置および方法のさらなる特徴、態様、および利点は、以下の説明、請求項、および添付図面に関してよりよく理解される。

本発明は、レーザなどの光源および帯域フィルタなどの周波数選択デバイスを含む光学システムについて実施される新規のサーボ制御システムである。本明細書で「波長ロック・ループ」または「ラムダロック・ループ（lambda-locked loop）」（記号ラムダが、波長を示すのに一般的に使用されるので）と称するサーボ制御システムによって、ディザ変調が実施されて、フィルタ通過帯域などの周波数選択デバイスの中心をトラッキングするために、レーザ光などのピークを有する周波数スペクトルまたはピークを有する中心周波数を有するという特徴を有する電磁信号源が継続的に調整される。この形で、信号の最適の出力が、送出され、システム伝送帯域幅の最適使用が行われる。

波長ロック・ループ（ＷＬＬ）の基本的な動作原理を、図１に関して説明するが、図１には、電圧バイアス回路１４からのバイアス電圧１５およびデータ供給源（図示せず）からの変調データ１８の両方を用いて駆動される、レーザ・ダイオード１２などの光源を含む例の光学システム１０が示されている。レーザ・ダイオードによって、光学（レーザ光）信号２０が生成され、信号２０は、帯域フィルタ２５または、薄膜光学干渉フィルタ、音響光フィルタ、電子光フィルタ、回折格子、プリズム、ファイバ・ブラッグ格子、集積光学干渉計（integrated optics interferometer）、電界吸収型フィルタ（electroabsorption filter）、および液晶を含むがこれに制限されない任意の周波数選択デバイスによって受け取られる。レーザ・ダイオード自体に、標準的なファブリ・ペロー（Fabry
Perot）または他のタイプ（たとえば、Vertical Cavity Surface Emitting（ＶＣＳＥＬ））、を含めることができ、あるいは、波長多重化に一般的に使用されるものなどの分布帰還半導体レーザ・ダイオード（ＤＦＢ）を含めることができる。レーザ・ダイオードは、８５０ｎｍから１５５０ｎｍ波長範囲の範囲内の光を発することが好ましい。上で述べたように、帯域フィルタに、透明基板、たとえばガラス上の交番する屈折率の複数の層を含む薄膜干渉フィルタを含めることができる。図１にさらに示されているように、本発明によれば、レーザ・バイアス電圧を変調する正弦波ディザ変調信号２７を生成する、追加の正弦波ディザ変調回路または発振器２２がある。正弦波ディザ信号は、たとえば、レーザの電流を変更することによって電子的に作るか、波長を変更するためにマイクロエレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）のミラーを変更することによって機械的に作ることができる。ディザ変調周波数は、数キロヘルツ（ｋＨｚ）程度であるが、メガヘルツ範囲におよぶものとすることができる。ディザ変調周波数は、通常は１から１０ＧＨｚ程度であるデータレートよりはるかに低いことが好ましい。レーザ・ダイオード・バイアス電圧１５のこの形での変調によって、レーザ中心波長の対応するディザが引き起こされる。その後、変調されたデータが、レーザに重畳され、光出力が、帯域フィルタ２５を通過する。フィルタ２５は、たとえば、少ない量の光２９をタップ・オフするように設計されることが好ましく、少ない量の光２９は、光検出器レシーバ・デバイス、たとえばＰ−Ｉ−Ｎダイオード３０に入射し、電気フィードバック信号３２に変換される。タップ・オフすることができる光の量は、たとえば、光出力信号の１％から５％の間の範囲とすることができるが、当業者は、ディザ変調特性を含む出力信号の完全性を保つ、雑音レベルを超えるレーザ光の任意の量をタップ・オフできることを諒解するであろう。残りのレーザ光は、フィルタ２５を介して光ネットワーク（図示せず）に進む。ＰＩＮダイオード出力３２は、比較的弱い電気信号なので、結果のフィードバック信号を、増幅器デバイス３５によって増幅して、信号強度を高める。増幅された電気フィードバック信号３７は、マルチプレクサ・デバイス４０に入力され、元のディザ変調信号３５と組み合わされる。増幅されたＰＩＮダイオード出力（フィードバック信号）３７とディザ信号３５の乗算からもたらされるクロス乗積信号４２には、ディザ周波数の和および差の項が含まれる。したがって、その結果が、低域フィルタ・デバイス４５に入力され、低域フィルタリングされ、積分器回路４８によって平均をとられて、誤差信号５０が作られ、誤差信号５０は、レーザ中心波長が帯域フィルタの中心点より少ないか多いかに応じて、それぞれ正または負になる。誤差信号５０は、レーザ・バイアス電圧デバイス１５に入力され、適当な方向にレーザ・バイアス電圧１５を訂正するために、加算（たとえば、図示されていない加算器デバイスによって）することができる。この形で、バイアス電流（およびレーザ波長）が、フィルタ通過帯域の中心と正確に一致するまで増減される。代替案では、誤差信号５０を、バイアス電圧デバイスに入力する前に、まずディジタル形式に変換することができる。

本発明の一態様によれば、ＷＬＬによって、レーザ中心波長の、光フィルタのピークへのトラッキングが自動的に維持される。しかし、いくつかの場合に、たとえば光減衰器など、フィルタ・ピークへのレーザ整列を可能にすることが望ましくない場合がある。したがって、図２に示された実施形態に示されているように、本明細書で波長シフタ・デバイス５１と称する、誤差信号を受け取り、それを変更するかオフセットし、その結果、レーザ中心波長を、特定のネットワーク応用例に従って所定の形でシフトまたはオフセットできるようにする任意選択の外部同調回路が提供される。すなわち、波長シフタ５１を用いると、ある外部入力、たとえばノブなどの手動制御要素によって、レーザ中心波長とフィルタ・ピークの間の任意の固定されたオフセットを導入できるようになる。

本発明のＷＬＬを提供するためにディザリングがどのように実施されるかの一般化された説明を、図１８に関して与える。図１８からわかるように、正弦波ディザ・ジェネレータ（調波発振器）２２によって、ディザ信号２７が作られ、これによって、レーザ中心波長が、公称位置付近で小さい振幅で発振するようになる。光帯域フィルタを通過した後に、レーザ波長の変動が、強度変動に変換され、この強度変動が、光検出器回路３０（たとえば光ダイオード）によって検出される。サーボ・ループによって、光ダイオード出力信号Ｓがフィード・バックされ、元の正弦波ディザＩとのベクトル・クロス乗積がとられる。クロス乗積結果が、時間期間Ｔにわたって平均（積分）され、これをサンプリングし、ディジタル化して、誤差検出信号Ｒの同等物を作ることができ、このＲは、両極であり、レーザ中心波長およびフィルタ中心波長の不整列の量に比例する。任意選択として、信号を正規化して、フィルタからのレーザ出力の変動を考慮に入れることができる。任意選択として、外部同調回路を実施して、誤差信号を受け取り、レーザ中心波長オフセットを任意の値に変更できるようにすることができる。最後に、誤差信号Ｒが、フィード・バックされ、レーザ・バイアス電圧に加算されて、バイアス電圧のＤＣオフセットが作られ、このＤＣオフセットによって、レーザ中心波長が、フィルタ中心波長とよりよく整列されるように正しい方向に調整される。これは、同調可能レーザ、同調可能フィルタ、可変減衰器などを作成するのに使用される技法である。

この動作原理を、図３から１７のタイミング図および信号図にさらに示す。図３から５は、光レーザ信号の３つの例の波長の関数としてのレーザ光出力の間の関係を具体的に示す図であり、第１の例（図３）では、レーザ信号周波数中心点２１が、図に重畳して示されいている中心点６２を有するフィルタ帯域通過関数６０によって示される帯域通過関数中心点より小さく、第２の例（図４）では、レーザ周波数中心点２１が、帯域通過関数中心点６２と整列し、第３の例（図５）では、レーザ周波数中心点２１が、帯域通過関数中心点６２より大きい。対応する図６から８に示されたそれぞれの例で、レーザ・ダイオード駆動電圧信号１５が、ディザリングされ（正弦波）、同一の形でのレーザ波長ディザリングがもたらされる。ディザリングされたレーザ・ダイドード・スペクトルは、フィルタを通過し、ＰＩＮダイオード３０によって電気の形に変換される。図３および５に示された、それぞれ帯域フィルタ中心点より小さいかより大きい周波数中心点を有するレーザ信号の例のそれぞれで、ディザ調波スペクトルが、帯域フィルタの周波数ピークまたは中心点を通らない。その結果、ＰＩＮダイオードの結果の出力は、対応する図９および１１に示されたものなどの、ディザ周波数と同一周波数の電気正弦波である。ピークより低い周波数のレーザ信号（図３）について、フィードバック誤差信号３２が、ディザ信号の周波数および位相に対応する（図９）が、ピークを超える周波数でのレーザ信号（図５）について、フィードバック誤差信号３２が、周波数では対応するが、ディザ信号（図１１）と１８０°反対の位相であることに留意されたい。したがって、レーザ信号中心点が帯域フィルタ中心点と不整列である時の場合のフィードバック信号（誤差信号）の両極の性質に起因して、レーザ・ダイオードをどの方向に駆動するか（大きさおよび向き）がわかり、この現象を、多数の異なる応用例で利用することができる。図４に示された、帯域通過関数中心点と整列したレーザ周波数中心点を有するレーザ信号について、ディザ調波スペクトルが、帯域フィルタの周波数ピーク（最大値）と整列し、これを２回通る。すなわち、１つのサイクル（正弦波状ディザ・信号の完全なラウンド・トリップ）中に、ディザ信号が、中心点を２回通る。これによって、ディザ周波数の２倍の周波数でのフィードバック誤差信号を示す図１０のＰＩＮダイオード出力３２’に示されているように、フィードバック信号３２のディザ周波数の周波数２倍化すなわち、独自の周波数２倍化シグニチャがもたらされる。

したがって、それぞれの例で、対応する図１０に示されているように、結果のフィードバック信号は、レーザ中心波長がフィルタ中心波長と整列する場合に周波数２倍化を示し、そうでない場合に、同一のディザ周波数を有する信号が生成され、これは、元のディザ変調と同相（図９）または位相はずれ（図１１）である。レーザ中心周波数が、帯域フィルタ・ピークと不整列であり、帯域フィルタ・ピークを介するディザ・スペクトルの部分的なオーバーラップが示される（すなわち、中心点ピークが、ディザ・サイクルで２回トラバースされる）場合に、レーザ中心周波数が、フィルタ中心周波数の内側または外側のどちらにあるかに依存して、ＰＩＮダイオードによって、反対の位相の部分的周波数２倍化が検出されることを理解されたい。したがって、たとえ部分的な周波数２倍化が検出されても、レーザ信号を整列のためにどの向きでどの大きさで駆動しなければならないかを、フィードバック信号から検出することができる。

したがって、図１２および１４を参照すると、レーザおよびフィルタが整列されていない場合に、増幅されたフィードバック誤差を元のディザ正弦波と混合することからもたらされるクロス乗積信号４２は、図１２に示されたものなどの第１の極性（帯域フィルタ中心点未満の周波数を有するレーザ信号の場合）または図１４に示されたものなどの第２の極性（帯域フィルタ中心点を超える周波数を有するレーザ信号の場合）のいずれかの符号付き誤差信号である。これらの信号のそれぞれを、整流し、それぞれ図１５および１７に示されたディジタル出力レーザ・バイアス電圧信号４８に変換することができ、この信号４８は、レーザ中心波長を帯域フィルタ中心点に近い方に移動する形で、レーザ電流（波長）を増やすか減らすためにフィード・バックされる。レーザとフィルタが整列している時には、生成されるクロス乗積が、図に示されているように、周波数を２倍にされた信号（ディザの周波数の２倍）である。その結果、これによって、０Ｖ ｄｃバイアス電圧（図１６）がもたらされ、これによって、レーザ周波数中心点が現在の波長値に維持される。

本発明のさらなる利点を説明するために、まず、フィルタ帯域通過がレーザ線幅より大きい場合に、光パルス全体が、影響を受けずにフィルタを通過するように見える可能性があることに留意された。しかし、これは明らかにそうではない。レーザ・スペクトルおよびフィルタ関数が、両方とも、時間および周波数の両方で正規分布である。したがって、レーザ・スペクトルをフィルタに通すことによって、スペクトル関数とフィルタ関数の間の畳み込みがもたらされる。アナログ信号処理を実施すると、実際に入力スペクトルより狭い出力光スペクトルが作られる（すなわち、光の一部がフィルタリング中に失われる）。実際のＷＤＭシステムでは、両端で多重化／多重化解除を実行するために、リンク内に少なくとも２つの帯域フィルタ・デバイスがある場合があり、実際には、直列に構成された多数の帯域フィルタがある場合がある。これは、副次的問題につながる可能性がある、すなわち、２つのフィルタが直列であり、その帯域通過中心が整列されない時に、元の信号を、両方のフィルタ関数で畳み込まなければならず、これによって、光スペクトルのエッジを破棄することによる光出力の低下を犠牲にして、信号スペクトルがさらに狭くなる。互いに整列されない連続するフィルタが、単一のはるかに狭いフィルタと同一の特性を有することを示すことができる。これによって、レーザと複数のフィルタの間の不整列に関するマージンがさらに減る。たとえば、ＷＤＭシステムの理想的な中心間波長間隔が、多重化フィルタと多重化解除フィルタの間の不整列に起因して０．８ｎｍである場合であっても、このウィンドウが約０．４ｎｍ以下に減る可能性がある。これは、レーザ波長に関する極端な精度および安定性を必要とし、非常に高価なレーザ送信器に向かう。したがって、実際には、（１）レーザ対フィルタの整列、および（２）フィルタ対フィルタの整列という２つの解決すべき問題がある。信号が、ファイバ光ネットワークを介して伝搬し、複数のフィルタをトラバースする時に、波長が、これらの影響と温度および環境の影響の組合せに起因して、シフトする可能性があることに留意されたい。入力波長をネットワーク全体を通じて同一に保ち、その結果、リング・メッシュなどのネットワーク・アーキテクチャ、波長再利用、および波長変換が正しく機能するようにする（すなわち、これを周波数リファレンシング（frequency referencing）と呼ぶ）ことが、実際の実用での問題である。

本発明は、これらの例の両方を扱うことができるので、周波数リファレンシングに対処する。たとえば、図１９に示されているように、２つの帯域フィルタ２５ａおよび２５ｂの直列接続を使用する光学システム１０’で波長ロック・ループ技法を使用する、基礎となるシステム・アーキテクチャを示す全般的なブロック図が示されている。図２０に、図１９の２つの帯域フィルタ２５ａおよび２５ｂの個々のフィルタ応答６７および６８のそれぞれと、中心点またはピーク７０を有する対応する合成フィルタ応答６９を示す。フィルタ対フィルタ整列または複数フィルタ整列を実行する時に、図１９に示された本発明の技法を実施して、合成フィルタ応答６９（図２０）によって表される２つの帯域フィルタの直列接続を介して最大出力転送が行われる中心周波数を有するようにレーザ信号５５を同調することができる。一般に、帯域フィルタのカスケードによって、正味フィルタ応答が合成フィルタ応答の畳み込みなので、全体的な通過帯域が効果的に狭められることがもたらされる。ＷＬＬによって、レーザ中心波長を、この合成通過帯域の中央に整列することができる。

本発明のシステムおよび方法を使用して、レーザ波長を同調して、波長選択スイッチ、ブラッグ格子内の同調可能フィルタ、光増幅器のリング共振器、音響光学可変波長フィルタなどの外部変調器、またはアレイ導波管格子を含むネットワーク内の任意のタイプの波長選択要素を補償することができる。これは、ネットワーク内の多数の他の光学構成要素（たとえば、非線形領域で動作する時にフィルタとして働くことができる光増幅器）にも適用される。この方法を使用して、さらに、上の応用領域のすべてについて、より安価なデバイスを実施することができる。ＷＤＭフィルタ／レーザの組合せの光学損失が、本発明の技法を実施することによって大幅に減らされるので、かなり多いリンク・バジェットおよびより長い距離をサポートすることができる。さらに、本発明によって、はるかに低コストのレーザおよびフィルタを使用できるようになる。というのは、これらが、現在のＷＤＭデバイスの最も高価な部品であり、ＷＤＭ機器のかなりのコスト削減があるからである。

例として、図２１に、たとえば光減衰器、光利得制御回路などの、さまざまな光ネットワーク応用例の帯域フィルタなどの同調可能周波数選択デバイスを同調させるＷＬＬサーボ制御システム１００の実施形態を示す。図２１からわかるように、バイアス電圧デバイス１４０によって、バイアス信号がレーザ・ダイオード１２０に印加されて、ピークを有するスペクトル関数を有する光信号２００が生成される。この光信号は、たとえば同調可能帯域フィルタなどの同調可能周波数選択デバイス２５０に入力される。しかし、図２１からわかるように、正弦波ディザ／ドライバ・デバイス２２０が、小さいディザ信号２７０を用いてフィルタ通過帯域のピーク中心周波数を変調するために実施される。少量の光２９０が、光検出器デバイス、たとえばＰＩＮダイオード３００への入力のためにフィルタ２５０の出力からタップ・オフされ、この光信号は、電気信号３２０に変換され、増幅器デバイス３５０によって増幅され、ミキサ・デバイス４００に入力され、このミキサ・デバイス４００は、さらに、ディザ信号２７０を受け取る。ミキサ・デバイスは、増幅されたフィードバック信号３７０とディザ信号２７０のベクトル・クロス乗積４２０を生成し、その結果が、積分器デバイス４８０によって低域フィルタリングされ、平滑化（たとえば積分）されて、誤差信号５００が、本明細書で図２から１７に関して説明した形で提供される。この誤差信号５００は、両極信号とすることができ、フィルタ通過帯域のピーク中心周波数が、レーザ信号入力２００の中心周波数と一致するまで、フィルタ通過帯域のピーク中心周波数を動的に調整するのに使用することができる。

本発明のシステムおよび方法を実施することによって達成されるさらなる利益には、波長ドリフトを引き起こすエンド・オブ・ライフ（end of life）効果の補償、レーザの寿命および信頼性の延長を可能にすること；コストの高い設計変更を必要としない周波数チャープおよび弛緩振動の克服、およびレーザをその最大の出力および変調容量で駆動できるようにすること；レーザの熱ドリフトの補償を可能にすることが含まれる。たとえば、図２２に示されたシステム・アーキテクチャ１０”に示された代替実施形態では、熱電対または類似する温度変換器要素７２を使用して、レーザ・ダイオード要素に入力されるバイアス電流を調整するのではなく、誤差信号４８に従ってレーザ・ダイオード要素１２の温度を変更することによって、レーザ波長を調整することができる。したがって、熱光学変調器を、本発明の応用例に使用できることが企図されている。さらに、本発明のシステムおよび方法を、レーザ光学出力を規制するためにレーザ中心波長をフィルタ・ピークから同調解除することによって、レーザの外部キャビティ変調器として使用するために実施することができる。

波長ロック・ループの原理を、電磁信号（たとえば、ラジオ周波数スペクトル、マイクロ波周波数スペクトル、および光周波数スペクトル）を使用する任意のシステムで、中心波長を含むピークを有するスペクトル関数を有する電磁信号および中心波長を含むピークを有する通過帯域関数を実施する波長選択デバイスの整列について実施することができ、電磁波源の同調または調節あるいはそのようなシステムで実施される同調可能フィルタなどの周波数選択デバイスの伝送特性を同調または調整するために実施することができることを理解されたい。図２３に、ピークを有するスペクトル関数を有するマイクロ波またはＲＦ周波数範囲などの電磁信号を使用する情報搬送システムまたは制御システムで使用される波長ロック・ループ原理を実施する包括的なシステムを示す。そのような電磁信号ジェネレータを、電流ドライバまたは電圧ドライバと電磁信号ソースの組合せ１３として、図２３に示す。たとえば、マイクロ波ネットワークで使用される時に、エミッタ・ソースに、クライストロン・デバイスを含めることができ、波長選択フィルタに、表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタ１３を含めることができ、検出器に、任意の電磁界検出器３１を含めることができる。

本発明の原理による波長ロック・ループ技法を使用する、基礎となるシステム・アーキテクチャを示す図である。 本発明の原理による波長ロック・ループ技法を使用する、基礎となるシステム・アーキテクチャを示す図である。 光レーザ信号の例の波長の関数としてのレーザ光出力の間の関係を示す、信号波形の図である。 光レーザ信号の例の波長の関数としてのレーザ光出力の間の関係を示す、信号波形の図である。 光レーザ信号の例の波長の関数としてのレーザ光出力の間の関係を示す、信号波形の図である。 図３から５の３つの波形図のそれぞれのレーザ・ダイオード駆動電圧ディザ変調（正弦波状）を示す信号波形図である。 図３から５の３つの波形図のそれぞれのレーザ・ダイオード駆動電圧ディザ変調（正弦波状）を示す信号波形図である。 図３から５の３つの波形図のそれぞれのレーザ・ダイオード駆動電圧ディザ変調（正弦波状）を示す信号波形図である。 図３から５の３つの波形図のそれぞれのＰＩＮダイオードの結果のフィードバック誤差信号出力を示す信号波形図である。 図３から５の３つの波形図のそれぞれのＰＩＮダイオードの結果のフィードバック誤差信号出力を示す信号波形図である。 図３から５の３つの波形図のそれぞれのＰＩＮダイオードの結果のフィードバック誤差信号出力を示す信号波形図である。 増幅されたフィードバック誤差と元のディザ正弦波状の混合からもたらされるクロス乗積信号を示す信号波形図である。 増幅されたフィードバック誤差と元のディザ正弦波状の混合からもたらされるクロス乗積信号を示す信号波形図である。 増幅されたフィードバック誤差と元のディザ正弦波状の混合からもたらされるクロス乗積信号を示す信号波形図である。 レーザ電流および中心周波数を調整するためにフィード・バックされる整流された出力レーザ・バイアス電圧信号を示す信号波形図である。 レーザ電流および中心周波数を調整するためにフィード・バックされる整流された出力レーザ・バイアス電圧信号を示す信号波形図である。 レーザ電流および中心周波数を調整するためにフィード・バックされる整流された出力レーザ・バイアス電圧信号を示す信号波形図である。 本発明のＷＬＬシステムでディザリングがどのように実施されるかを示す一般化された回路図である。 本発明による２つの帯域フィルタを使用する光学システムで波長ロック・ループ技法を使用する、基礎となるシステム・アーキテクチャを示す全般的なブロック図である。 図１９に示された直列の２つの帯域フィルタを含むシステムを介するレーザ信号の整列の場合の波長の関数としてのレーザ光出力の間の関係を示す信号波形図である。 本発明の原理による、帯域フィルタなどの同調可能周波数選択デバイスを同調する、基礎となるシステム・アーキテクチャを示す全般的なブロック図である。 誤差信号によるレーザ・ダイオード要素の温度の変更によってレーザ波長を調整するのに熱電対または類似する温度変換器要素を使用する、本発明の基礎となるシステム・アーキテクチャを示す全般的なブロック図である。 波長ロック・ループの原理を実施する、基礎となるシステム・アーキテクチャを示す全般的なブロック図である。

Claims (22)

1. 電磁波を使用するシステムで、中心波長を含むピークを有するスペクトル関数を有する電磁信号（１８）の前記中心波長を、波長選択デバイス（２５）の通過帯域の中心に整列させるための波長ロック・ループ・サーボ制御回路（１０）であって、
   ディザ変調周波数のディザ変調信号（２７）を前記電磁信号（１８）に印加する変調機構（１２、１４、２２）、
   前記変調機構の出力であるディザ変調された電磁信号（２０）の所定の波長域を通過させる波長選択デバイス（２５）、
   前記波長選択デバイス（２５）を通過した信号の一部（２９）を電気フィードバック信号（３２）に変換する機構（３０）と、
   前記電気フィードバック信号（３２）を前記ディザ変調信号（２７）と継続的に比較し、前記電気フィードバック信号の周波数とディザ変調周波数との間の差を表す誤差信号（５０）を生成する機構（３５、４０、４５、４８）と、
   前記誤差信号に従って、前記電磁信号のピーク・スペクトル関数を調整する機構（１４）であって、前記フィードバック信号の前記周波数が前記ディザ変調周波数の２倍である時に、前記電磁信号（１８）の前記中心波長と前記波長選択デバイスの中心波長とが整列される機構と
   を含む、波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
2. 前記電磁波が、ラジオ波、マイクロ波、および光からなる群から選択されるいずれかの電磁波であり、前記電磁信号が、それぞれラジオ波信号、マイクロ波信号、および光信号の１つである、請求項１に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
3. 前記光信号が、光ネットワークで使用されるレーザ信号であり、前記変調機構が、
   前記レーザ信号を生成するレーザ・ダイオード・デバイス（１２）と、
   前記レーザ信号を制御するためにレーザ・ダイオード・デバイスにバイアス電圧を供給するレーザ・バイアス電圧制御回路（１４）であって、前記誤差信号が入力され、該誤差信号に応じてバイアス電圧が増減される、レーザ・バイアス電圧制御回路（１４）と
   を含む、請求項２に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
4. 前記電磁信号が、マイクロ波を使用する情報搬送システムで使用され、前記情報搬送システムが、
   前記マイクロ波信号を生成するマイクロ波ジェネレータ・デバイスと、
   前記マイクロ波を制御するために前記マイクロ波ジェネレータ・デバイスに駆動信号を供給するドライバ制御回路であって、前記誤差信号が入力され、該誤差信号に応じて前記ドライバ制御回路の出力電圧が増減される、ドライバ制御回路と
   を含む、請求項２に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
5. 前記波長選択デバイスが、フィルタ通過帯域中心波長を表す所望の波長を有する帯域フィルタを含み、前記電磁信号が、信号出力が前記システム内の前記帯域フィルタを介して最大に伝送されるようにするために、前記通過帯域中心波長に同調される、請求項１に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
6. 前記波長選択デバイスが、直列の複数の帯域フィルタを含み、前記複数の帯域フィルタが、通過帯域中心波長を表す合成フィルタ応答を示し、前記電磁信号が、信号出力が前記システム内の前記直列の複数の帯域フィルタを介して最大に伝送されるようにするために、前記通過帯域中心波長に同調される、請求項１に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
7. 前記変調機構が、所定の周波数の正弦波ディザ変調信号を生成する正弦波ディザ回路を含む、請求項１に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
8. 前記変換する機構が、ラジオ周波数検出器、マイクロ波検出器、および光信号検出器デバイスからなる群から選択される１つを含む、請求項２に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
9. 前記光信号検出器が、光検出器を含む、請求項８に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
10. 前記マイクロ波信号検出器が、表面弾性波検出器を含む、請求項８に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
11. 誤差信号（５０）を生成する前記機構が、前記電気フィードバック信号を前記正弦波ディザ変調信号と組み合わせ、ディザ周波数との和および差を表す成分を有するクロス乗積信号を生成することができるミキサを含む、請求項１に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
12. 前記出力されるクロス乗積信号をフィルタリングする低域フィルタ・デバイスと、
    前記誤差信号（５０）を生成するために前記出力されるクロス乗積信号の平均をとる積分器回路であって、これによって、前記誤差信号が、前記電磁信号の中心波長が前記波長選択デバイスの前記所望の波長より小さいまたは大きいのいずれであるかに依存して、それぞれ直流正電圧信号または直流負電圧信号である、積分器回路と
    をさらに含む、請求項１１に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
13. 前記誤差信号を受け取り、電磁信号中心波長をオフセットするために前記誤差信号をある量だけ変更する波長シフタ・デバイスをさらに含む、請求項１に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
14. 前記誤差信号を受け取り、前記誤差信号に従って適当な方向に前記レーザ信号の周波数を調整するために前記レーザ信号の周波数を調整するために前記レーザ・ダイオードの温度を修正する熱電対デバイスをさらに含む、請求項３に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
15. 前記波長選択デバイスが、前記電気フィードバック信号を増幅するための増幅器を含む、請求項３に記載の波長ロック・ループ・サーボ制御回路。
16. 電磁波を使用するシステムで、中心波長を含むピークを有するスペクトル関数を有する電磁信号（１８）の前記中心波長を、波長選択デバイス（２５）の通過帯域の中心に整列させる方法であって、
    ａ）ディザ変調周波数のディザ変調信号を、特定の波長で動作する前記電磁信号に印加し、前記ディザ変調された電磁信号を、所望の波長のピーク周波数応答を有する前記波長選択デバイスに入力するステップと、
    ｂ）前記ディザ変調された電磁信号の一部を電気フィードバック信号に変換するステップと、
    ｃ）前記電気フィードバック信号を前記ディザ変調信号と継続的に比較し、前記フィードバック信号に固有の周波数とディザ変調周波数との間の差を表す誤差信号を生成するステップと、
    ｄ）前記誤差信号に従って、前記電磁信号のピーク・スペクトル関数を調整するステップであって、前記電磁信号の前記中心波長および前記波長選択デバイス中心波長が、前記フィードバック信号に固有の前記周波数が前記ディザ変調周波数の２倍である時に整列される、ステップと
    を含む方法。
17. 前記電磁信号が、中心波長を有するレーザ信号であり、前記光ネットワークが、前記レーザ信号を生成するレーザ・ダイオード・デバイスと、前記レーザ信号を制御するためにレーザ・ダイオード・デバイスにバイアス電圧を供給するレーザ・バイアス電圧制御回路とを含み、前記調整するステップｄ）が、前記レーザ信号の中心波長を調整するために前記レーザ・バイアス制御回路に前記誤差信号を入力し、該誤差信号に応じてバイアス電圧を増減することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記波長選択デバイスが、フィルタ通過帯域中心波長を表す所望の波長を有する帯域フィルタを含み、前記方法が、電磁信号出力が前記システム内の前記帯域フィルタを介して最大に伝送されるようにするために、前記電磁信号を前記通過帯域中心波長に同調することを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記波長選択デバイスが、直列の複数の帯域フィルタを含み、前記複数の帯域フィルタが、通過帯域中心波長を表す合成フィルタ応答を示し、前記方法が、光信号出力が前記光学システム内の前記直列の複数の帯域フィルタを介して最大に伝送されるようにするために、前記光信号を前記通過帯域中心波長に同調することを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記継続的に比較するステップｃ）が、
    前記変換された電気フィードバック信号を前記ディザ変調信号と組み合わせ、ディザ周波数での和および差を表す成分を有するクロス乗積信号を生成し、
    前記出力されるクロス乗積信号をフィルタリングするステップと、
    前記誤差信号を生成するために前記出力されるクロス乗積信号の平均をとるステップであって、前記誤差信号が、前記電磁信号の中心波長が前記波長選択デバイスの前記所望の波長より小さいまたは大きいのいずれであるかに依存して、それぞれ直流正電圧または直流負電圧になる、ステップと
    を含む、請求項１６に記載の方法。
21. 前記調整するステップｅ）が、前記誤差信号を受け取り、電磁信号中心波長をオフセットするために、ある量だけ前記誤差信号を変更するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
22. バイアス信号を修正する前記ステップが、前記誤差信号を受け取る熱電対デバイスを設け、前記誤差信号に従って適当な方向で前記レーザ信号の周波数を調整するために前記レーザ・ダイオードの温度を修正するステップを含む、請求項１７に記載の方法。

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