DE69815321T2 - Laser mit externem resonator und optisch geschaltetem abstimmechanismus - Google Patents

Laser mit externem resonator und optisch geschaltetem abstimmechanismus Download PDF

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    • H01S5/141External cavity lasers using a wavelength selective device, e.g. a grating or etalon
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    • H01S5/068Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
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    • H01S5/06837Stabilising otherwise than by an applied electric field or current, e.g. by controlling the temperature

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Bereich der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Laser, und spezieller einen Laserschaltmechanismus.
  • Stand der Technik
  • Eine Halbleiterlaservorrichtung ist eine Vorrichtung, die einen Lichtstrahl mittels einer Laserdiode und zwei oder mehreren reflektierenden Vorrichtungen erzeugt. Der Lichtstrahl, auch als ein Signal bezeichnet, der durch die Halbleiter-Laservorrichtung erzeugt wird, kann für den Transport von Information in einem optischen Kommunikationssystem verwendet werden.
  • Wellenlängenmultiplexierung wird verwendet, um es mehreren Lasern zu ermöglichen, zusammengekoppelt zu werden und auf einer gemeinsamen Faser zu arbeiten. Wellenlängenmultiplexierung erlaubt eine Steigerung der Anzahl der Signale, die über das gleiche Medium mittels mehrerer Laser getragen werden können, wobei jeder bei einer anderen Trägerfrequenz arbeitet. Auf einem Wellenlängenmultiplex-System sind typischerweise 200 Nanometer (nm) Bandbreite verfügbar. Dies erlaubt es, dass eine beachtliche Anzahl von Signalen auf dem Fasersystem getragen wird. Da jedes Signal, das getragen wird, eine separate Trägerfrequenz besitzen muß, muß jedes Signal einen separaten Laser besitzen. Als ein Ergebnis muß jeder Laser auf einem Fasersystem bei einer unterschiedlichen Trägerfrequenz innerhalb des 200 Nanometer-Bereiches arbeiten. Wenn Einfrequenzlaser verwendet werden, werden die Frequenzauswahl und Verfügbarkeit etabliert, wenn das Fasersystem ausgebaut wird. Wenn ein Laser zu einem Fasersystem hinzuzufügen ist, muß der Laser, der hinzugefügt wird, bei einer andersartigen Frequenz arbeiten, als die anderen Laser, die sich bereits auf diesem Sy stem sich befinden, um es einem anderen Signal zu erlauben, simultan auf der Faser getragen zu werden.
  • Ein Telekommunikationsnetzwerk beinhaltet viele verschiedene Fasersysteme, die Informationen über große Distanzen tragen. Wenn die Fasersysteme Laser verwenden, von denen jeder bei einer Frequenz arbeitet, dann wird ein großer Überschuß an Lasern benötigt, um die Fähigkeit zu besitzen, einen neuen Träger zu dem Telekommunikationsnetzwerk hinzuzufügen. Zusätzlich besitzt ein Telekommunikationsnetzwerk, das Fasersysteme beinhaltet, die mit Einfrequenzlasern aufgebaut sind, eine beschränkte Fähigkeit, den Verkehr wiederherzustellen, wenn ein Pfad abgeschnitten ist, da Ersatzlaser bei derselben Frequenz sowohl auf dem gewählten Wiederherstellungspfad als auch auf dem wiederherzustellenden Pfad verfügbar sein müssen, so daß die Adern verbunden werden können, um einen vollständigen Pfad um den Schnitt herum zu bilden.
  • Ansätze der Adressierung der oben diskutienen Probleme haben das Ersetzen des Einfrequenzlasers mit einem Laser, der auf mehrere Frequenzen abgestimmt werden kann, einbezogen. Mit einem abstimmbaren Laser würde das Hinzufügen eines Trägers zu einem Fasersystem in einem Telekommunikationsnetzwerk lediglich das Abstimmen des Lasers auf die ausgewählte Trägerfrequenz erfordern, anstatt durch Ersatzlaser zu suchen, in der Hoffnung, einen Laser der gewünschten Frequenz zu finden. Zusätzlich ist die Wiederherstellung möglich, indem der Laser auf dem Pfad, der für die Wiederherstellung zu verwenden ist, abgestimmt wird, um mit der Frequenz des Lasers auf dem wiederherzustellenden Pfad übereinzustimmen.
  • Abstimmbare Laser jedoch, die derzeit verfügbar sind, sind im Abstimmbereich limitiert und können nicht über die volle 200 Nanometerbandbreite abstimmen, die auf einem Wellenlängenrnultiplexsystem verfügbar ist. Frühe Laser einschließlich des Fabry-Perot Cavity Lasers, des Distributed Feedback Lasers und des Einzelsektions Distributed Bragg Region Lasers hatten ein Abstimmpotential innerhalb eines lediglich beschränkten Bereiches, oft weniger als zwei Nanometer. Die Verwendung der fortgeschritteren Zwei-, Drei- und Vier-Sektions Distributed Bragg Region Laser liefert typischerweise nicht mehr als neun Nanometer an Abstimmung, manche jedoch können bis auf 30 Nanometern hochgehen. Der meistversprechen de Abstimmlaser ist die phasenangepasste Laserdiode, welche einen 57 Nanometer Abstimmbereich erreicht.
  • Zusätzlich müssen viele derzeitige abstimmbare Laser durch den Frequenzbereich zwischen der Frequenz, bei welcher der Laser eingestellt ist, und der gewünschten Frequenz, streichen. Häufig ist der Abstimmmechanismus schwerfällig zu manövrieren. Das Ergebnis ist, daß die Abstimmung Zeit benötigt und Ungenauigkeiten während des Abstimmprozesses auftreten können.
  • Ein noch weiteres Problem mit der derzeitigen Technologie ist, daß verfügbare reflektierende Vorrichtungen keine hochgenaue reflektierte Frequenz bereitstellen. Beispielsweise kann eine Reflektionsvorrichtung, die bei der Farbe rot reflektieren soll, statt dessen einige Schattierungen von pink oder orange reflektieren. Ein Fehlen der Stabilität in der Reflektion wird die Frequenz des emittierten Signals verändern. Eine stabile Frequenzquelle ist wünschenswert, um sicherzustellen, daß die Laser nicht miteinander interferieren und um die Integrität der Wellenlänge während der gesamten Kommunikationen zu wahren.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Kurz angegeben bezieht sich die vorliegende Erfindung, wie in den Ansprüchen 1–16 definiert auf einen schaltbaren Laser, der schnell und genau zu einer beliebigen vorgesehenen Wellenlänge oder Frequenz innerhalb der gesamten verwendbaren Bandbreite einer optischen Faser schalten kann. Zusätzlich erfordert die vorliegende Erfindung es nicht, daß über den Bereich der Wellenlängen oder Frequenzen beim Bewegen von einer Wellenlänge oder Frequenz zu einer anderen gestrichen wird. Ferner bietet die vorliegende Erfindung eine hohe Genauigkeit bei der reflektierten Frequenz, weil das verwendete reflektierende Medium sehr stabil ist.
  • Spezieller ist die vorliegende Erfindung auf eine schaltbare Laserquelle gerichtet, die eine Reihe von schmalbandig reflektierenden optischen Filtern verwendet, um einen externen Cavity Laser zu steuern. Die schmalbandig reflektierenden optischen Filter sind an den Laser durch einen optischen Schalter gekoppelt. Der optische Schalter wählt aus, welcher schmalbandig reflektierende optische Filter an den Laser gekoppelt ist und erreicht ein sehr schnelles Umschalten zu einer annähernd gleichen Kanalfrequenz. Zahlreiche schmalbandig reflektierende optische Filter werden verwendet, um ein Abstimmen innerhalb im wesentlichen der gesamten Bandbreite der Faser, derzeit 200 Nanometer, zu ermöglichen. Schmalbandige optische Filter, wie beispielsweise Gitter, sind extrem stabile Frequenzquellen, die eine Kontinuität der Steuerung ermöglichen.
  • Die vorliegende Erfindung vereinfacht die Wiederherstellung und das Hinzufügen von Trägern zu einer Faser. Mit der vorliegenden Erfindung erfordert das Hinzufügen eines Trägers zu einem Fasersystem in einem Telekommunikationsnetzwerk lediglich das Abstimmen eines Ersatzlasers auf die gewählte Trägerfrequenz. Da die vorliegende Erfindung in der Lage ist, zu jeder beliebigen vorgesehenen Wellenlänge oder Frequenz innerhalb der gesamten verwendbaren Bandbreite einer optischen Faser zu schalten, wird die Aufgabe eliminiert, durch Ersatzlaser zu suchen, in der Hoffnung, einen Laser bei der gewünschten Frequenz zu finden. Zusätzlich ist die Wiederherstellung durch Abstimmen des Lasers auf den Pfad, der für die Wiederherstellung zu verwenden ist, um mit der Frequenz des Lasers auf den wiederherzustellenden Pfad übereinzustimmen, möglich. Zudem wird eine Unterbrechung, hervorgerufen durch Streichen über den Wellenlängenbereich zwischen der eingestellten Wellenlänge und der gewünschten Wellenlänge, vermieden. Des weiteren bietet das stabile reflektierende Medium eine präzise Ausgabe-Wellenlänge oder -Frequenz.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Struktur und der Betrieb von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, werden unten detailliert mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Referenznummern, im allgemeinen identische, funktionell ähnliche, und/oder strukturell ähnliche Elemente. Die Zeichnung, in welcher ein Element erstmals auftritt, ist durch die linke(n) Ziffer(n) in der korrespondierenden Referenznummer gekennzeichnet.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird mit Referenz auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, in welchen gilt:
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines optisch geschalteten Lasers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Blockdiagramm einer konstant getakteten Mehrfrequenzquelle, die einen Teil des optisch geschalteten Lasers von 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausbildet;
  • 3 ist ein Blockdiagramm einer Laserdiodenvorrichtung, die einen Teil des optisch geschalteten Lasers von 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausbildet;
  • 4 ist ein Blockdiagramm einer Filterfeinabstimmungsvorrichtung, die einen Teil der konstant getakteten Mehrfrequenzquellen von 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausbildet;
  • 5A und 5B bilden kollektiv ein Flussdiagramm ab, das den Betrieb des optisch geschalteten Lasers von 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 6 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Laserdiode von 3 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Filterfeinabstimmungsvorrichtung von 4 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines optisch geschalteten Lasers 102. Der optisch geschaltete Laser 102 erzeugt ein moduliertes optisches Ausgangssignal 118 bei einer ausgewählten Trägerfrequenz. Im spezielleren empfängt der optisch geschaltete Laser 102 ein Wellenlängensteuerungskommando 110 (auch ein Frequenzselektionskommando genannt), das eine ge wünschte Trägerfrequenz identifiziert und einen Lichtstrahl oder ein optisches Signal bei einer gewünschten Trägerfrequenz erzeugt. Das erzeugte Anfangssignal wird als Trägersignal 112 bezeichnet. Der optisch geschaltete Laser 102, beschrieben in der bevorzugten Ausführungsform, moduliert auch das Trägersignal 112 und erzeugt ein moduliertes Trägersignal, in 1 als optisches Ausgangssignal 118 bezeichnet. Es sind jedoch verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung möglich, die diese Modulationsfähigkeit nicht beinhalten.
  • Der optisch geschaltete Laser 102 in 1 beinhaltet eine konstant geschaltete bzw. getaktete Mehrfrequenzquelle 104, eine feinabgestimmte Laserdiode 106, eine Lasermodulationsvorrichtung 108 und Elemente zur Feinabstimmung der feinabgestimmten Laserdiode 106. Die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle 104 empfängt ein Wellenlängensteuerungskommando 110, das eine gewünschte Trägerfrequenz identifiziert. Wie unten im Detail beschrieben, besitzt die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle 104 eine Anzahl von optischen Filtern 208 (2). Jeder der optischen Filter 208 schwingt bzw. resoniert bei einer bestimmten Frequenz. Die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle 104 wählt den optischen Filter 208 entsprechend der gewünschten Trägerfrequenz, spezifiziert im Wellenlängensteuerungskommando 110, aus.
  • Die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle 104 ist an die feinabgestimmte Laserdiode 106 gekoppelt. Die feinabgestimmte Laserdiode 106 beinhaltet ein lichterzeugendes Element 124, das Licht erzeugt. Das von dem lichterzeugenden Element 124 erzeugte Licht wird von einer reflektierenden Ausgabevorrichtung 126 in der feinabgestimmten Laserdiode 106 zu der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle 104 reflektiert. Das Licht wird zwischen dem ausgewählten Filter 208 in der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle 104 und der reflektierenden Ausgabevorrichtung 106 hin und her reflektiert. Dieses Hin- und Her-reflektieren des Lichts repräsentiert das Trägersignal 112. Der ausgewählte optische Filter 208 bewirkt, daß die Frequenz des Trägersignals 112 gleich oder zumindest im wesentlichen gleich der gewünschten Trägerfrequenz ist, die im Wellenlängensteuerungskommando 110 spezifiziert ist. Diese Reflektionsaktivität resultiert in einer Intensivierung des Trägersignals 112. Sobald das Trägersignal 112 ausreichend intensiv wird, wird das Trägersignal 112 moduliert und dann von der feinabgestimmten Laserdiode 106 als das optische Ausgangssignal 118 ausgegeben.
  • In der in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist die Lasermodulationsvorrichtung 108 an die feinabgestimmte Laserdiode 106 gekoppelt. Die Lasermodulationsvorrichtung 108 sendet ein Modulationssignal 114 an die feinabgestimmte Laserdiode 106. Wie oben beschrieben moduliert die feinabgestimmte Laserdiode 106 das Trägersignal 112 mittels des Modulationssignals 114, um das optische Ausgangssignal 118 zu erzeugen.
  • Die feinabgestimmte Laserdiode 106 in der in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird teilweise durch ein Wellenlängenfehlersignal 116 feinabgestimmt, welches verwendet wird, um die Temperatur der feinabgestimmten Laserdiode 106 einzustellen. Die Feinabstimmung bezieht ein Wellenlängenabgleichsverfahren ein, das ein Referenzeingangssignal 132 und eine Probe des optischen Ausgangssignals 118 verwendet, welches als das Wellenlängenausgangsprobesignal 122 bezeichnet wird. Das Wellenlängenausgangsprobesignal 122 wird von dem Laserdioden-Regulationswellenlängenkomparator 130 über eine Rückkopplungsschleife 120 empfangen.
  • Ferner sind in dem optisch geschalteten Laser 102 Feinabstimmungskomponenten beinhaltet, die einen Laserdioden-Ruhestromregulator bzw. Laserdiodenvorstrommagnetisierungsregler 128, einen Laserdioden-Regulationswellenlängenkomparator 130 und eine präzise stabile Trägerwellenlängenreferenz 134 beinhalten. Der Laserdioden-Ruhestromregulator 120 ist an die Lasermodulationsvorrichtung 108 gekoppelt, um Anpassungen des Stroms in die Laserdiode 106 bereitzustellen. Der Laserdioden-Ruhestromregulator 128 passt die Amplitude des Stroms der feinabgestimmten Laserdiode 106 an, welche die Frequenz des optischen Ausgangssignals 118 verändert. Der Laserdioden-Regulationswellenlängenkomparator 130 sendet Informationen an den Laserdioden-Ruhestromregulator 128 und die feinabgestimmte Laserdiode 106 für die Feinabstimmung. Der Laserdioden-Regulationswellenlängenkomparator 130 vollzieht dies durch Vergleichen der Ausgabe der feinabgestimmten Laserdiode 106 mit einem Referenzeingangssignal 132 von einer präzisen stabilen Trägerwellenlängenreferenz 134. Der Laserdioden-Regulationswellenlängenkomparator 130 vergleicht diese zwei Signale und sendet das Ergebnis an den Laserdioden-Ruhestromregulator 128 und die feinabgestimmte Laserdiode 106.
  • Die präzise stabile Trägerwellenlängenreferenz 134 ist eine stabile, hochgenaue Quelle der Trägerfrequenz, die von der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle 104 erzeugt wird. Die Funktion einer präzisen stabilen Trägerwellenlängenreferenz 134 ist gleich der einer Atomuhr, um eine stabile, hochgenaue Referenz bereitzustellen, die die Ausrüstung im Telekommunikationsnetzwerk reguliert. Eine präzise stabile Trägerwellenlängenreferenz 134 existiert für jede der Frequenzen, die von der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle 104 erzeugt werden können.
  • 2 ist ein Blockdiagramm der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle 104. Wie oben diskutiert empfängt die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle 104 ein Wellenlängensteuerungskommando 110, das eine ausgewählte Trägerfrequenz identifiziert und verursacht, daß das Licht, das von der feinabgestimmten Laserdiode 106 emittiert wird, bei der ausgewählten Trägerfrequenz liegt. Die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle 104 umfasst einen optischen Schalter 202, einen Schaltregler 204, eine schmalbandig reflektierende optische Filterreihe 206, die eine Mehrzahl von schmalbandig reflektierenden optischen Filtern 208 beinhaltet, und eine Vielzahl von Filterfeinabstimmungsvorrichtungen 210. Jede der Filterfeinabstimmungsvorrichtungen 210 korrespondiert mit einem der schmalbandig reflektierenden optischen Filter 208. Die optischen Filter 208 korrespondieren mit speziellen Frequenzen. Im spezielleren resoniert jeder optische Filter 208 Licht bei einer speziellen Frequenz. Die optische Filterreihe 206 beinhaltet einen optischen Filter 208 für jede Frequenz von Interesse (beispielsweise für jede Frequenz von Interesse innerhalb der 200 nm Bandbreite eines Wellenlängenmultiplexsystems.) Eine zusätzliche Frequenzkapazität kann zu jeder Zeit durch Hinzufügen von optischen Filtern 208, abgestimmt bei den geeigneten Frequenzen, hinzugefügt werden.
  • Schmalbandig reflektierende optische Filter 208 können mittels gut bekannter fester Gitter implementiert werden. Feste Gitter sind vorteilhaft, da sie sehr spezifische Resonanzwellenlängen oder -frequenzen besitzen. Deshalb wird Licht, das von einem festen Gitter reflektiert, bei einer Frequenz, sehr nahe zu der abgestimmten Frequenz des ausgewählten festen Gitters reflektieren. Zusätzlich sind feste Gitter hochreflektierend, annähernd 99% was nahe der Reflektivität eines Spiegels liegt. Eine hohe Reflektivität ermöglicht es dem Gitter, Licht effizient und effektiv zurück durch den optischen Schalter 202 zu der reflektierenden Ausgabevorrichtung 126 der feinabgestimmten Laserdiode 106 zu reflektieren.
  • Obwohl Filterfeinabstimmungsvorrichtungen 210 für den Betrieb der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle 104 nicht notwendig sind, beinhaltet die in 2 gezeigte Ausführungsform Filterfeinabstimmungsvorrichtungen 210. Jede der Filterfeinabstimmungsvorrichtungen 210 ist an einen der schmalbandig reflektierenden optischen Filter 208 gekoppelt. Die Filterfeinabstimmungsvorrichtung 210A stellt die Temperatur des schmalbandig reflektierenden optischen Filters 208A ein, was dazu führt, daß der schmalbandig reflektierende optische Filter 208A das Licht näher zu dessen abgestimmter Frequenz reflektiert. Weitere Details der Filterfeinabstimmungsvorrichtungen werden unten gegeben.
  • Die Schaltsteuerung 204 empfängt das Wellenlängensteuerungskommando 110. Die Begriffe Wellenlänge und Frequenz sind austauschbar, da die Frequenz das Inverse der Wellenlänge ist. Diese Begriffe werden hierin austauschbar verwendet werden. Die Schaltsteuerung 204 befiehlt dem optischen Schalter 202 zum optischen Filter 208 entsprechend der ausgewählten Trägerfrequenz (wie von dem Wellenlängensteuerungskommando 110 angezeigt) zu schalten. Die Schaltsteuerung 204 kann entweder gemeinsam mit dem optischen Schalter 202 angeordnet sein oder entfernt vom optischen Schalter 202 angeordnet sein.
  • Der optische Schalter 202 ist vorzugsweise mittels einer gut bekannten schaltbaren optischen Wellenleitertechnologie oder anderen Vorrichtungen mit optischer Schaltmöglichkeit implementiert. Die schaltbare optische Wellenleitertechnologie beinhaltet elektro-optische Schalter, z. B. Mach-Zehnder-Schalter, und gut bekannte magneto-optische Schalter.
  • 3 ist ein Blockdiagramm der feinabgestimmten Laserdiode 106. Die feinabgestimmte Laserdiode 106 beinhaltet eine Laserdiode 302, einen thermo-elektrischen Kühler 304 (auch als TEC bezeichnet) einen Thermistor 306 und eine Temperatursteuerung 308. Die Laserdiode 302 beinhaltet das lichterzeugende Element 124 und die reflektierende Auslasseinrichtung 126. Der Thermistor 306 ist eine Vorrichtung, die die Temperatur der Laserdiode 302 misst. Wie oben diskutiert, erlauben es das lichterzeugende Element 124 und die reflektierende Ausgabevorrichtung 126, daß die Laserdiode 302 mit der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle 104 interagiert, um einen intensiven Lichtstrahl zu erzeugen. Die Feinabstimmelemente der feinabgestimmten Laserdiode 106 sind der thermo-elektrische Kühler 304, der Thermistor 306 und die Temperatursteuerung 308. Der thermo-elektrische Kühler 304 und der Thermistor 306 sind an die Laserdiode 302 und die Temperatursteuerung 308 gekoppelt und interagieren mit diesen Vorrichtungen, um die Temperatur der Laserdiode 302 einzustellen. Durch das Einstellen der Temperatur der Laserdiode 302 ist es möglich, die Frequenz des Lichts, das von der reflektierenden Auslasseinrichtung 126 reflektiert wird, fein abzustimmen.
  • 6 ist ein Flußdiagramm 602, welches detaillierter den Betrieb der feinabgestimmten Laserdiode 106 verdeutlicht. Bei der Beschreibung der Schritte von 6 werden die in 3 gezeigten Komponenten referenziert werden. In Schritt 606 sendet der Thermistor 306 ein Laserdiodentemperatursignal 310 an die Temperatursteuerung 308. Der Thermistor 306 misst die Temperatur der Laserdiode 302. Das Laserdiodentemperatursignal 310 ist das Maß der Temperatur der Laserdiode 302.
  • In Schritt 608 vergleicht der Laserdiodenregulationswellenlängenkomparator 130 (1) das hochgenaue Signal 132 von der präzisen stabilen Trägerwellenlängenreferenz 134 und die tatsächliche emittierte Wellenlänge mittels des WellenlängenAuslassprobesignals 122 und stellt das Wellenlängenfehlersignal 116, welches ein Vergleich der Wellenlängen dieser zwei Signale ist, an die Temperatursteuerung 308 bereit.
  • In Schritt 610 verwendet die Temperatursteuerung 308 das Laserdiodentemperatursignal 310 von dem Thermistor 306 sowie das Wellenlängenfehlersignal 116 von dem Laserdiodenregulationswellenlängenkomparator 130, um zu ermitteln, ob die Temperatur der Laserdiode 302 eine Anpassung benötigt.
  • Die von der Temperatursteuerung 308 vorgenommenen Temperaturanpassungen sind den von dem Laserdioden-Ruhestromregulator 128 vorgenommenen Anpassungen des Stroms untergeordnet. In anderen Worten ermittelt der Laserdioden-Ruhestromregulator 128 zuerst die Anpassungen des Stroms und dann nimmt die Temperatursteuerung 308 die Anpassungen basierend auf den von dem Laserdioden-Ruhestromregulator 128 vorgenommenen Anpassungen des Stroms Anpassungen vor. Die Kommunikation zwischen der Temperatursteuerung 308 und dem Laserdioden-Ruhestromregulator 128 limitiert die Anpassungen auf diejenigen, die benötigt werden. Die Kommunikation zwischen dem Laserdioden-Ruhestromregulator 128 und der Temperatursteuerung 308 erfolgt über eine Rückkopplungsschaltung (nicht gezeigt), die die zwei Vorrichtungen verbindet.
  • In Schritt 612 sendet die Temperatursteuerung 308 ein Temperaturanpassungssignal 312 an den thermo-elektrischen Kühler 304. Das Temperaturanpassungssignal 312 versorgt den thermo-elektrischen Kühler 304 mit Informationen, die benötigt werden, um die Temperatur der Laserdiode 302 abzustimmen.
  • In Schritt 614 stimmt der thermo-elektrische Kühler 304 die Temperatur der Laserdiode 302 ab. Wenn das Temperaturabstimmungssignal 312 anzeigt, daß die Temperatur der Laserdiode zu hoch ist, um das optische Ausgangssignal 118 der gewünschten Frequenz bereitzustellen, wird der thermo-elektrische Kühler 304 die Laserdiode 302 kühlen.
  • In Schritt 616 stimmt die Abstimmung in der Laserdiodentemperatur die Frequenz des Ausgangssignals 118 der Laserdiode 302 fein ab.
  • 4 ist ein Blockdiagramm einer Filterfeinabstimmungsvorrichtung 210. Die Filterfeinabstimmungsvorrichtung 210 umfasst eine Filtertemperatursteuerung 402, einen Filter-Thermoelektrischen Kühler 404, einen Filterthermistor 406 und einen Filterwellenlängenkomparator 408. Die Feinabstimmungselemente der Filterfeinabstimmungsvorrichtung 210 sind gleich denen der feinabgestimmten Laserdiode 106. Ähnlich dem Thermistor 306, der die Temperatur der Laserdiode 302 misst, misst der Filterthermistor 406 die Temperatur des schmalbandig reflektierenden optischen Filters 208. Der Filter-Thermoelektrische Kühler 404 und der Thermistor 406 sind an den schmalbandig reflektierenden optischen Filter 208 und die Filtertemperatursteuerung 402 gekoppelt und interagieren mit diesen Vorrichtungen, um die Temperatur des schmalbandig reflektierenden optischen Filters 208 abzustimmen. Durch Abstimmen der Temperatur des schmalbandig reflektierenden optischen Filters 208 ist es möglich, die Frequenz des Lichts, das er reflektiert, fein abzustimmen.
  • 7 ist ein Flußdiagramm 702, welches detaillierter den Betrieb der Filterfeinabstimmungsvorrichtung 210 darstellt. Wenn die Schritte von 7 beschrieben werden, werden die in 4 gezeigten Komponenten referenziert werden. In Schritt 706 sendet der Filterthermistor 406 die Temperatur des schmalbandig reflektierenden optischen Filters 208 zu der Filtertemperatursteuerung 402.
  • In Schritt 708 empfängt der Filterwellenlängenkomparator 408 das Filterreferenzeingangssignal 410 von der präzisen stabilen Trägerwellenlängenreferenz 134 und das Wellenlängenausgangsprobesignal 122 von der feinabgestimmten Laserdiode 106 (1).
  • In Schritt 710 vergleicht der Filterwellenlängenkomparator 408 die Wellenlängen des Wellenlängenausgangsprobesignals 122 und des Filterreferenzeingangssignal und sendet dann den resultierenden Vergleich an die Filtertemperatursteuerung 402.
  • In Schritt 712 ermittelt die Filtertemperatursteuerung 402, ob Anpassungen in der Temperatur des schmalbandig reflektierenden optischen Filters 208 benötigt werden, basierend auf dem Vergleichssignal, das von Filterwellenlängenkomparator 408 empfangen wird.
  • In Schritt 714 sendet die Filtertemperatursteuerung 402 Temperaturanpassungen an den Filterthermoelektrischen Kühler 404.
  • In Schritt 716 kühlt der Filterthermoelektrische Kühler 404 den schmalbandig reflektierenden optischen Filter 208 falls nötig.
  • Der Betrieb des optisch geschalteten Lasers 102 ist in einem in 5A und 5B gezeigten Flußdiagramm 502 verdeutlicht. Wenn die in den 5A und 5B gezeigten Schritte beschrieben werden, werden die Kompenten von 1 und 2 referenziert werden.
  • In Schritt 506 empfängt die Schaltungssteuerung 204 das Wellenlängensteuerungskommando 110, welches die gewünschte Trägerfrequenz anzeigt.
  • In Schritt 508 befiehlt die Schaltungssteuerung 204 dem optischen Schalter 202, zu dem optischen Filter 208, korrespondierend zu der gewünschten Trägerfrequenz, zu schalten. Es wird angenommen, daß der optische Filter 208A mit der gewünschten Trägerfrequenz korrespondiert.
  • In Schritt 510 verbindet der optische Schalter 202 den schmalbandig reflektierenden optischen Filter 208A mit der Laserdiode 106, gemäß den Anweisungen von der Schaltsteuerung 204.
  • Wie durch Schritt 512 repräsentiert werden die von dem lichterzeugenden Element 124 der feinabgestimmten Laserdiode 106 erzeugten Photonen kontinuierlich von der reflektierenden Ausgabevorrichtung 126 der feinabgestimmten Laserdiode 106 in dem optischen Schalter 202 und zu dem ausgewählten schmalbandig reflektierenden optischen Filter 208A kontinuierlich reflektiert.
  • Wie durch Schritt 514 dargestellt, stimmt die Filterfeinabstimmungsvorrichtung 210A die Temperatur des schmalbandig reflektierenden optischen Filters 208A kontinuierlich ab, basierend auf Temperatur- und Wellenlängenvergleichsinformationen. Dies veranlasst den ausgewählten schmalbandig reflektierenden optischen Filter 208A, Licht noch genauer bei der ausgewählten Trägerfrequenz zu reflektieren.
  • Wie durch Schritt 516 repräsentiert, reflektiert der ausgewählte schmalbandig reflektierende optische Filter 208A die Photonoen kontinuierlich zurück zu der reflektierenden Ausgabevorrichtung 126 in der feinabgestimmten Laserdiode 106 bei der ausgewählten Trägerfrequenz. Die Photonen bei der ausgewählten Trägerfrequenz werden auch als das Trägersignal 112 bezeichnet.
  • Wie durch Schritt 520 repräsentiert, reflektieren die Photonen, die das Trägersignal 112 darstellen, kontinuierlich zwischen der reflektierenden Ausgabevorrichtung 126 in der feinabgestimmten Laserdiode 106 und dem ausgewählten schmalbandig reflektierenden optischen Filter 208A hin und her, was die Intensität des Trägersignals 112 ansteigen lässt.
  • In Schritt 522 wird das Trägersignal 112 ausreichend intensiv, so daß es als das optische Ausgangssignal 118 von dem Auslass der feinabgestimmten Laserdiode 106 emittiert wird.
  • Wie durch Schritt 524 repräsentiert, emittiert die Lasermodulationsvorrichtung 108 kontinuierlich ein Modulationssignal 114 an die feinabgestimmte Laserdiode 106.
  • In Schritt 526 moduliert die Laserdiode das optische Ausgangssignal 118 mittels des Modulationssignals 114.
  • In Schritt 528 empfängt der Laserdiodenregulationswellenlängenkomparator 130 das Referenzeingangssignal 132 von der präszisen stabilen Trägerwellenlängenreferenz 134 und das Wellenlängenausgangsprobesignal 122 von der feinabgestimmten Laserdiode 106 und vergleicht die Wellenlängen.
  • In Schritt 530 sendet der Laserdiodenregulationswellenlängenkomparator 130 ein Wellenlängenfehlersignal 116, welches ein Vergleich der Wellenlängen ist, an den Laserdiodenruhestromregulator 128, sowie das Wellenlängenfehlersignal 116, welches ebenfalls ein Vergleich der Wellenlängen ist, an die feinabgestimmte Laserdiode 106.
  • In Schritt 532 ermittelt der Laserdiodenruhestromregulator 128, ob Anpassungen in dem Laserdiodenruhestrom benötigt werden. Wenn dem so ist, passt der Laserdiodenruhestromregulator 128 die Amplitude des Ruhestroms der feinabgestimmten Laserdiode 106 an, um dabei die Wellenlänge des optischen Ausgangssignals 118 anzupassen. Die Anpassung in der Amplitude des Ruhestroms der feinabgestimmten Laserdiode 106 ändert die Frequenz des optischen Ausgangssignals 118.
  • Wie zuvor erwähnt dominieren die von dem Laserdiodenruhestromregulator 128 vorgenommenen Anpassungen des Stroms die durch die Temperatursteuerung 308 vorgenommenen Anpassungen. In anderen Worten ermittelt der Laserdiodenruhestromregulator 128 zuerst die Anpassungen des Stroms und dann passt die Temperatursteuerung 308 die Temperatur basierend auf den Anpassungen des Stroms, die durch den Laserdiodenruhestromregulator vorgenommen wurden, an. Die Kommunikation zwischen dem Laserdiodenruhestromregulator 128 und der Temperatursteuerung 308 limitiert Änderungen auf diejenigen, die benötigt werden. Die Kommunikation zwischen dem Laserdiodenruhestromregulator 128 und der Temperatursteuerung 308 erfolgt über eine Rückkopplungsschaltung (nicht gezeigt), die die zwei Vorrichtungen verbindet. Der Laserdiodenruhestromregulator 128 dominiert, weil Stromanpassungen auf den zulässigen Bereich des Stroms, der verwendet werden kann, um die feinabgestimmte Laserdiode 106 zu betreiben, begrenzt sind. Wenn Strom außerhalb des zulässigen Bereiches an die feinabgestimmte Laserdiode 106 geliefert wird, kann die feinabgestimmte Laserdiode 106 versagen.
  • Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind möglich. Wie oben erwähnt, bezugnehmend auf 1, beinhaltet eine andere Ausführungsform der Erfindung die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle 104 und die feinabgestimmte Laserdiode 106, beinhaltet jedoch nicht die Lasermodulationsvorrichtung 108 oder die Feinabstimmungselemente. Die Feinabstimmungselemente von 1 beinhalten den Laserdiodenregulationswellenlängenkomparator 130, den Laserdiodenruhestromregulator 128, und die präzise stabile Trägerwellenlängenreferenz 134. In dieser Ausführungsform ist das optische Ausgangssignal 118 dasselbe wie das Trägersignal 112. Diese Ausführungsform ist nützlich, wann immer eine abstimmbare Laserquelle benötigt wird. Beispielsweise könnte ein Farbfernseher abstimmbare Laserlichtquellen in jedem Pixel in dem Farbfernseherschirm verwenden, die die Farbe für jedes neue auf dem Fernsehschirm abgebildete Bild ändern.
  • Zusätzliche Ausführungsformen sind möglich, die die in 2 gezeigten Filterfeinabstimmungsvorrichtungen 210 oder die Feinabstimmungsvorrichtungen für die Laserdiode, einschließlich des thermoelektrischen Kühlers 304, des Thermistors 306 und der Temperatursteuerung 308, gezeigt in 3, nicht enthalten. Diese Ausführungsformen könnten nicht die Frequenzgenauigkeit der oben beschriebenen Ausführungsform besitzen, würden jedoch weniger aufwendig herzustellen sein. Ferner sind Ausführungsformen der Erfindung möglich, die andere Vorrichtungen verwenden, die die Genauigkeit des Signals verbessern.
  • Noch weitere Ausführungsformen sind möglich mit Hinzufügen von Komponenten. Beispielsweise beinhaltet, bezugnehmend auf 1, eine alternative Ausführungsform eine Mehrzahl von feinabgestimmten Laserdiodenvorrichtungen 106, jede gekoppelt an die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle 104 und die Lasermodulationsvorrichtung 108. Diese Ausführungsform würde das Trägersignal 112 an viele Empfänger über die vielfachen optischen Ausgangssignale 118 senden. Noch eine weitere Ausführungsform würde vielfache Lasermodulationsvorrichtungen 108 beinhalten, jede an eine von einer Vielzahl von feinabgestimmten Laserdioden 106 gekoppelt, die verschiedene optische Ausgangssignale 118, alle mit derselben Trägerfrequenz 112, erzeugen. Alle Ausführungsformen, die eine Modulation einbeziehen, sind mit einem direkten Modulator 108, wie in 1 gezeigt, einem indirekten Modulator oder jeder anderen Modulationstechnik, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, möglich.
  • Bezugnehmend auf 2 sind weitere Ausführungsformen mit vielfachen Elementen in der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle 104 möglich. Beispielsweise kann eine Vorrichtung hergestellt werden, um vielfache schmalbandig refelektierende optische Filterreihen 206 zu besitzen, um die Verfügbarkeit von präzisen Farben zu steigern, die Reparatur und das Setzen von Teilen zu erleichtern, und um eine Ersatzquelle verfügbar zu haben. Gleichermaßen ist eine Ausführungsform mit vielfachen optischen Schaltern 202 möglich, die das Schalten zwischen vielfachen Laservorrichtungen 106 (1) erlaubt und es erlaubt, daß ein Ersatzschalter verfügbar ist. Eine andere Ausführungsform mit vielfachen optischen Schaltern 202 ist eine Vorrichtung, die mit verschiedenen Lichtquellentypen arbeitet. Zusätzlich kann es eine Ausführungsform sein, vielfache geschaltete Mehrfrequenzquellen 104 in einer Vorrichtung zu besitzen, welche die oben beschriebenen Vorteile, gesteigerte Verfügbarkeit von präzisen Farben, Einfachheit der Wartung, Möglichkeit des Schaltens zwischen vielfachen und verschiedenen Typen von Lichtquellen, sowie Ersatzteile, besitzt.
  • Die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle 104 kann hergestellt sein, um eine verbesserte Kommandofähigkeit zu besitzen. Vielfache Schaltsteuerungen 204 oder eine erweiterte Schaltsteuerung (eine Ausführungsform von 204) erlauben es dem optischen Schalter 202, in verschiedenen Weisen, wie bespielsweise automatisiert oder manuell gesteuert zu werden. Zusätzliche Elemente können zu der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle 104 hinzugefügt werden, um eine Steuerung und Verwaltbarkeit hinzuzufügen. Beispielsweise kann der optische Schalter 202 durch eine automatisierte Vorrichtung gesteuert werden, die eine Datenbank enthält, die die schmalbandig reflektierenden optischen Filter 208, verfügbar und in Gebrauch, speichert. Die Information kann entweder zur manuellen oder zur automatischen Steuerung des optischen Schalters 202 verwendet werden.
  • Andere Ausführungsformen, vielfältige Elemente in der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle 104 einbeziehend, können es der Vorrichtung erlauben, unter verschiedenen Bedingungen zu arbeiten. Beispielsweise kann es eine Ausführungsform mit vielfältigen Filterfeinabstimmungsvorrichtungen 210 für jede gewünschte Trägerfrequenz der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle erlauben, in extremen Klimata, wie beispielsweise extrem heißen oder kalten Umgebungen, zu arbeiten. Diese Filterfeinabstimmungsvorrichtungen 210 können Komponenten besitzen, die die Vorrichtung wärmen oder die Vorrichtung besser kühlen. Ausführungsformen, die vielfältige Filterfeinabstimmungsvorrichtungen 210 und/oder vielfältige schmalbandig reflektierende optische Filter 208 für jede gewünschte Trägerfrequenz beinhalten, können Vorteile besitzen, in der Lage zu sein, unter vielfältigen Bedingungen zu arbeiten, können ein verbessertes Leistungsverhalten mit vielfältigen Lichtquellentypen besitzen und können es ermöglichen, daß Ersatzteile verfügbar sind. Um die Herstellungskosten zu reduzieren, kann die Vorrichtung eine Filterfeinabstimmungsvorrichtung 210 für verschiedene schmalbandig reflektierende optische Filter 208 besitzen.
  • Während verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben worden sind, sollte es sich verstehen, daß sie lediglich beispielhalber und nicht zum Zwecke der Begrenzung dargestellt worden sind. Folglich sollte die Breite und der Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht auf einen beliebigen der oben beschriebenen exemplarischen Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt werden.

Claims (16)

  1. Optisch getaktete Laservorrichtung, umfassend: (a) eine konstant getaktete Mehrfrequenzquelle (104) mit einer Reihe schmalbandig reflektierender optischer Filter (206) mit einer Vielzahl von schmalbandig reflektierenden optischen Filtereinrichtung (208) einschließt; (b) einen optischen Schalter (202) zu jeder der besagten reflektierenden optischen Filtereinrichtung (208); und (c) eine Laservorrichtung verbunden mit der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle (104); dadurch gekennzeichnet, daß die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle (104) zusätzlich eine Vielzahl von Einrichtungen zur Feinabstimmung der Filter (210) aufweist, von denen jedes mit einer entsprechenden der schmalbandig reflektierenden optischen Filtereinrichtung (208) verbunden ist.
  2. Optisch getaktete Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Feinabstimmung der Filter (210) eine Filtertemperatursteuerung (402), ein thermoelektrischer Kühler für jeden Filter (404), ein Filterthermistor (406) und ein Wellenlängenkomparator (408) umfasst.
  3. Optisch getaktete Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine mit der Laservorrichtung verbundene Modulationseinrichtung (108) besitzt.
  4. Optisch getaktete Laservorrichtung nach einem der Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle (104) weiterhin einen mit besagtem optischem Schalter (202) verbundenen Schaltregler (204) umfasst.
  5. Optisch getaktete Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung weiterhin eine Laserdiode (106), einen thermoelektrischen Kühler (304), gekoppelt an die Laserdiode (106), einen Thermistor (306), gekoppelt an die Laserdiode (106), und eine Temperaturkontrolle (308), gekoppelt an den thermoelektrischen Kühler und an den Thermistor (306), umfasst.
  6. Optisch getaktete Laservorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode (104) ein Licht erzeugendes Element (124) und eine reflektierende Ausgabevorrichtung (126), gekoppelt mit dem Licht erzeugenden Element (124), umfasst.
  7. Optisch getaktete Laservorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie darüber hinaus einen Laserdioden-Vorstrommagnetisierungsregler (128) gekoppelt mit der Modulationsvorrichtung (108) und einen Wellenlängenkomparator (132) gekoppelt mit dem Laserdioden-Vorstrommagnetisierungsregler und der Laservorrichtung umfasst.
  8. Optisch getaktete Laservorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine stabile Trägerwellenreferenz (136) beinhaltet.
  9. Optisch getaktete Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Mehrfach-Laser-Ausgabevorrichtung mit einer Vielzahl von Laservorrichtungen handelt, die jeweils mit der konstant getakteten Mehrfrequenzquelle (104) verbundenen sind.
  10. Optisch getaktete Laservorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulationsvorrichtung (108), gekoppelt mit jeder der Vielzahl von Laservorrichtungen, vorgesehen ist.
  11. Optisch getaktete Laservorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter eine Vielzahl von Modulationsvorrichtung (108) umfasst, von der jede dieser besagten Modulationsvorrichtungen, mit einer korrespondierenden der Laserdiodenvorrichtungen gekoppelt ist.
  12. Optisch getaktete Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 9–11 dadurch gekennzeichnet, dass die konstant getaktete Mehrfrequenzquelle eine Vielzahl von Temperatursteuerungsvorrichtung umfasst, von der jede mit einer entsprechenden der besagten schmalbandig reflektierenden optischen Filtereinrichtung (208) gekoppelt ist.
  13. Optisch getaktete Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 9–12 dadurch gekennzeichnet, dass jede der genannten Laservorrichtungen eine Laserdiode (106), einen thermoelektrischen Kühler (304), gekoppelt mit der Laserdiode (106), einen Thermistor (306), gekoppelt mit der besagten Laserdiode (106), und eine Temperaturkontrolle (308), gekoppelt mit dem besagten thermoelektrischen Kühler und dem besagten Thermistor (306), umfasst.
  14. Optisch getaktete Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 9–13 dadurch gekennzeichnet, dass jede der Laservorrichtungen eine Laserdiode umfasst und jede Laserdiode (106) ein Licht erzeugendes Element (124), und einen mit dem Licht erzeugenden Element (124) gekoppelten Strahlungsausgang umfasst.
  15. Optisch getaktete Laservorrichtung mit mehreren Ausgaben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Laservorrichtungen eine Laserdiode umfasst und dass sie weiter einen Laserdioden-Spannungsregler (128) gekoppelt mit besagter Eingangs-Modulationsvorrichtung (108), und ein Wellenlängenkomparator (132) gekoppelt mit besagtem Laserdioden-Spannungsregler (128) und besagter Laservorrichtung umfasst.
  16. Optisch getaktete Laservorrichtung mit mehreren Ausgaben nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine stabile Trägerwellenreferenz (136) umfasst.
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