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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung für einen abstimmbaren Laser,
insbesondere zur Benutzung in Telekommunikationssystemen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Abstimmbare
Laser zur Benutzung in optischen Kommunikationssystemen, insbesondere
in Verbindung mit Wellenlängenmultiplex
(WDM)-Telekommunikationssystemen,
sind bekannt. Ein bekanntes abstimmbares System umfasst Stapel von
verteilten Einwellenlängen-Bragg-Reflektor
(DBR)-Lasern, die individuell gewählt oder über einen schmalen Bereich
oder durch einen über
einen weiten Bereich abstimmbaren Laser abgestimmt werden können, der
elektronisch gesteuert wird, um die erforderliche Wellenlänge zu liefern.
Es sind außerdem über einen
begrenzten Bereich abstimmbare Laser bekannt, die auf thermischen
Wirkungen beruhen, um die Abstimmung vorzunehmen.
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Ein
typisches optisches Fasertelekommunikationsband ist das 1550nm-C-Band,
das im Infrarotspektrum liegt, mit einem 200-, 100- oder 50 GHz-Kanalabstand
entsprechend der internationalen Telekommunikationsunion (ITU) (das
sogenannte ITU-Gitter), ausgebreitet zwischen 191 THz und 197 THz.
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Die
US 4896325 beschreibt einen
in der Wellenlänge
abstimmbaren Laser mit abgetasteten Gittern an der Vorderseite und
der Rückseite
des Verstärkerbereichs.
Der in dieser Beschreibung erläuterte
Laser beruht auf der Benutzung von zwei unterschiedlichen Gittern,
die etwas unterschiedliche Reflexionskämme im vorderen und hinteren
Gitter erzeugen. Diese liefern eine Rückführung in die Vorrichtung. Die
Gitter können
durch Strom in der Wellenlänge
in Bezug aufeinander abgestimmt werden. Eine Koinzidenz eines Maximums
von jedem der vorderen und hinteren Gitter wird als ein Supermodus
bezeichnet. Um die Vorrichtung zwischen den Supermoden zu schalten,
ist ein kleiner zunehmender elektrischer Strom in eines der Gitter
notwendig, um ein unterschiedliches Paar von Maxima zu veranlassen,
nach Art eines Nonius zu koinzidieren. Durch Anlegen elektrischer
Ströme
an die beiden Gitter derart, dass die entsprechenden Maxima nachgeführt werden,
kann eine kontinuierliche Abstimmung innerhalb eines Supermodus
erreicht werden.
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Andere
Formen elektrisch abstimmbarer Kammreflexionsgitter sind allgemein
als Superstrukturgitter bekannt, wie sie in der folgenden Literaturstelle
beschrieben sind „Broad-Range
Wavelength-Tunable Superstructure Grating (SSG) DBR Lasers", Y Thomori et al,
IEEE Photonics Technical Letters, Band 5, Nr. 6, Juli 1993.
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Die
US-Patentschrift 5,379,318 beschreibt einen abstimmbaren Laser mit
einem Verstärkerteil,
mit einem Phasenänderungsteil
und einem segmentierten Bragg-Gitterreflektorteil,
bestehend aus einer Reihe von Gittereinheiten, jeweils mit unterschiedlicher
Teilung und einer Elektrode, die jeder Gittereinheit zugeordnet
ist, so dass ein elektrischer Strom an jede einzelne Gittereinheit
angelegt werden kann.
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Die
laufende britische Patentanmeldung 0106790.9 der Anmelderin beschreibt
einen abstimmbaren Laser mit einem Verstärkerteil, mit einem Phasenteil
und mit einem segmentierten Bragg-Gitterreflektor, bestehend aus
einer Reihe von Gittereinheiten, von denen wenigstens zwei eine
unterschiedliche Teilung aufweisen, wobei ein elektrischer Strom
an die Gitter anlegbar ist, die eine längere Teilung besitzen, so
dass die Wellenlänge
des Gitters mit der längeren
Teilung auf die Wellenlänge
des Gitters mit der kürzeren
Teilung abgestimmt werden kann.
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Ein
weiterer abstimmbarer Laser ist in der laufenden britischen Patentanmeldung
0118412.6 der Anmelderin beschrieben, der einen Verstärkerteil
aufweist, der mit einem ersten Ende durch einen ersten Reflektor
in Form eines verteilten Bragg-Gitterreflektors
gebunden ist und einen ersten Kamm reflektierender Spitzen erzeugt,
während
das andere Ende von einem zweiten Reflektor in Form eines segmentierten
verteilten Bragg-Gitterreflektors abgeschlossen ist, wobei jedes
Segment in der Lage ist, eine Spitze zu erzeugen, die einer der
Spitzen in dem ersten Kamm entspricht, wobei wenigstens einige der
Segmente in dem segmentierten verteilten Bragg-Gitterreflektor in
der Lage sind, eine Modifikation durchzuführen, so dass Licht mit einer Wellenlänge einer
anderen Spitze reflektiert wird, so dass eine verstärkte Spitze
gebildet wird und der Laser in der Lage ist, mit der Wellenlänge der
verstärkten
Spitze zu lasern.
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Der
segmentierte verteilte Bragg-Gitterreflektor umfasst eine Mehrzahl
von Segmenten, im typischen Fall acht oder neun, und jedes Segment
umfasst Gitter, wobei die verschiedenen Segmente ein Gitter besitzen, das
jeweils eine andere Teilung besitzt, und die bevorzugte Anordnung
besteht darin, dass die längste
Teilung am Facettenende des Reflektors liegt und die kürzeste Teilung
benachbart zu dem Verstärkerteil
mit einer progessiven Teilungsgrößenzunahme
dazwischen.
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Die
Segmente werden modifiziert, um die reflektierende Wellenlänge durch Änderung
des Brechungsindex des Materials zu ändern, aus dem die Segmente
hergestellt sind, und der Brechungsindex kann geändert werden, indem ein elektrischer
Strom durch die Segmente geschickt wird. Jedes Segment besitzt eine
zugeordnete Elektrode, um den Durchtritt von Strom durch das Segment
zu ermöglichen,
und jede Elektrode ist unabhängig
von den anderen Elektroden betätigbar.
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Das
gemeinsame Verfahren zur Steuerung mehrteiliger Laser besteht darin,
eine digital gesteuerte Stromquelle pro Elektrode vorzusehen, und
es ist üblich,
jede Stromquelle digital unter Benutzung eines Digital-Analog-Wandlers
(DAC) zu betreiben. Jedoch hat ein abstimmbarer Laser mit mehreren
Abschnitten und mehreren unabhängig
betätigbaren
Gittersegmenten zur Schaffung eines digital gesteuerten DAC pro
Teil oder Segment einen hauptsächlichen
Nachteil in Bezug auf die Schaltungsgröße, die komplizierte Steuerung
und die infolgedessen erhöhten
Kosten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine geeignete
Steuerung für
einen abstimmbaren Laser zu schaffen, der einen segmentierten verteilten
Bragg-Gitterreflektor aufweist und diese Probleme löst.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
betrifft diese einen abstimmbaren Laser mit einem Verstärkerteil,
einem Phasenänderungsteil
und einem segmentierten Bragg-Gitterreflektorteil,
der eine Reihe von Gittereinheiten jeweils mit einer anderen Teilung
umfasst, und mit einer Elektrode in Verbindung mit jeder Gittereinheit,
so dass ein elektrischer Strom zu jeder einzelnen Gittereinheit
geleitet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser eine
Steuerung aufweist, wobei die Steuerung mehrere digital gesteuerte
Quellen von elektrischem Strom beinhaltet, die mit Schaltmitteln
der Steuerung verbunden sind, die betätigt werden können, um
jede der genannten Quellen unabhängig
von der jeweiligen Gittereinheit aus einer Teilmenge nur von konsekutiven
Gittereinheiten zu verbinden, die aus der genannten Reihe von Gittereinheiten
ausgewählt
wurden.
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Jede
Teilmenge umfasst "N"-Gittereinheiten,
und jede Stromquelle kann mit einem jeweiligen Schaltmittel mit
mehreren Ausgangsanschlüssen
verbunden sein, die jeweils mit jeder N-ten Gittereinheit der genannten
Serie von Gittereinheiten verbunden werden können. Die jeweiligen Schaltmittel
umfassen jeweils einen Mehrkanal-Multiplexer, vorzugsweise einen
Vierkanal-Multiplexer. Diese Multiplexer können jeweils durch einen eingebetteten
Regler gesteuert werden, vorzugsweise einen Mikroprozessor, einen
digitalen Signalprozessor oder eine Nachschlagtabelle, die über eine
Schnittstelle, vorzugsweise eine N-Draht-Schnittstelle, betrieben
werden können,
die ein Maximum von 2 × n
(zwei der Leistung von n) – Ausgangskanäle haben
oder über
eine serielle Schnittstelle mit kodierten Adressendaten, die einen
aktiven Pfad innerhalb des Multiplexers definieren.
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In
der vorliegenden Beschreibung wird der Ausdruck „Licht" im Sinne optischer Systeme benutzt,
d.h. es ist darunter nicht nur sichtbares Licht zu verstehen, sondern
auch elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen
700 Nanometern (nm) und 3000 nm.
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Vorzugsweise
ist der Verstärkerteil
des Lasers an einem Ende durch einen segmentierten Bragg-Gitterreflektorteil
und am anderen Ende durch den Phasenänderungsteil begrenzt, der
auf seiner anderen Seite durch einen Kammreflexionsteil zweckmäßigerweise
in Form eines verteilten Bragg-Gitterreflektors
begrenzt ist, der einen Reflexionsspitzenkamm erzeugt.
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Vorzugsweise
ist der verteilte Bragg-Gitterreflektor ein phasengitterverteilter
Bragg-Reflektor
der Bauart, wie sie in der
GB
2337135 beschrieben ist.
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Stattdessen
kann der verteilte Bragg-Gitterreflektor ein Superstruktur-Gitterreflektor
sein, wie er beschrieben ist in der Literaturstelle „Broad-Range
Wavelength-Tunable Superstructure Grating (SSG) DBR Lasers", Y Thomori et al,
IEEE Photonics Technical Letters, Band 5, Nr. 6, Juli 1993.
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Stattdessen
kann der verteilte Bragg-Gitterreflektor ein abgetasteter Bragg-Gitterreflektor der
Bauart sein, wie sie in der
US
4896325 beschrieben ist.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden die Bragg-Gittersegmente jeweils kurz gehalten, so dass die
kumulative Wellenleiterlänge,
die den Bragg-Gittern
zugeordnet ist, minimiert wird. Dadurch werden die Wellenlängen-Abschwächverluste
niedrig gehalten. Bei Benutzung kurzer Bragg-Gittersegmente ist
die zugeordnete Reflexionsfähigkeit
eines jeden Segmentes breit, und dies bewirkt eine gewisse Überlappung
zwischen benachbarten Segmentreflexionen.
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Jedoch
kann durch geeignete Konstruktion der Segment-Reflexionsfähigkeit
die Diskriminierung ausreichend für einen stabilen Laserbetrieb
in Kombination mit reduzierten Lichtleistungsverlusten gemacht werden.
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Das
Gitter, das den verteilten Bragg-Gitterreflektor bildet, ist lang
gestaltet, so dass die Kammreflexionsspitzen eine Feinheit besitzen
und gut definierte Wellenlängen
erzeugen. Diese Kammwellenlängen
sind typischerweise auf Kanälen
in dem interessierenden Kommunikationsband zentriert.
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Elektrische
Ströme,
die den verteilten Bragg-Reflektor durchlaufen, ändern die Wellenlängen, bei
denen der Kamm der Reflexionsspitzen reflektiert.
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Der
elektrische Strom, der den Phasenänderungsteil durchläuft, ändert den
Brechungsindex des Materials des Phasenänderungsteils, um die Phase
zu beeinflussen und dadurch einen Modensprung minimal zu halten.
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Abstimmbare
Laser sind geeignet zur Benutzung in Telekommunikationssystemen,
beispielsweise im C-Band, d.h. im Band zwischen 1530 nm und 1570
nm.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Steuern
eines abstimmbaren Lasers mit einem Verstärkerteil, einem Phasenänderungsteil
und einem segmentierten Bragg-Gitterreflektorteil, der eine Reihe
von Gittereinheiten jeweils mit einer anderen Teilung umfasst, mit
einer Elektrode in Verbindung mit jeder Gittereinheit, so dass ein
elektrischer Strom zu jeder einzelnen Gittereinheit geleitet werden
kann, um ihren Brechungsindex zu verändern, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: es werden mehrere
digital gesteuerte Quellen elektrischen Stromes bereitgestellt;
es werden die Quellen mit Schaltmitteln verbunden und die Schaltmittel
werden betätigt,
um jede der genannten Quellen unabhängig von der jeweiligen Gittereinheit
aus einer Teilmenge von konsekutiven Gittereinheiten zu verbinden,
die aus der Reihe von Gittereinheiten ausgewählt wurden.
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Vorzugsweise
ist der Laser mit einem Kammreflexionsteil versehen, und ein durch
den Kammreflexionsteil geschickter Strom ändert die Wellenlängen, bei
denen der Kamm seine Reflexionsspitzen reflektiert.
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Vorzugsweise
emittiert der Laser Licht durch den segmentierter verteilten Bragg-Gitterreflektor und
die Endfacette.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung
zeigen:
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1 ist
eine schematische Schnittansicht durch einen Laser, der geeignet
ist zum Betrieb in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Steuerung;
und
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2 ist
eine schematische Darstellung des in 1 dargestellten
Lasers mit einem ersten erfindungsgemäßen Steuersystem; und
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Lasers gemäß 1 mit einem
zweiten erfindungsgemäßen Steuersystem.
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Einzelbeschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf einen abstimmbaren Laser beschrieben,
wie dieser in der britischen Patentanmeldung 0118412.6 beschrieben
ist, und dieser Laser wird hier nur insoweit beschrieben, als es
zum Verständnis
der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
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In
den Figuren wurden Elemente mit äquivalenten
Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen schematischen Schnitt eines Lasers gemäß der Erfindung. Wie bei Halbleiterlasern üblich, ist
der Laser aus einer Reihe von Schichten zusammengesetzt, wobei eine
aktive Schicht 1 zwischen einer unteren Schicht 2 und
einer oberen Schicht 3 angeordnet ist. In der Struktur
gibt es im typischen Fall eine Vielzahl von Schichten, aber dies
ist für
die Erfindung nicht wichtig, und zum besseren Verständnis der
Erfindung sind diese zahlreichen Schichten nicht dargestellt. Die
aktive Schicht 1 wirkt auch als Wellenleiter.
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Der
Laser selbst besitzt vier Hauptteile, nämlich einen Verstärkerteil 4,
einen Phasenänderungsteil 5 und
einen vorderen und hinteren Reflexionsteil 6 bzw. 7.
Der hintere Reflexionsteil 7 weist einen phasengitterverteilten
Bragg-Gitterreflektor 8 auf, der in der Schicht 3 ausgebildet
ist. Ein derartiger Reflektor erzeugt einen Kamm von Reflexionsspitzen
bei unterschiedlichen Wellenlängen,
und jede Spitze hat im Wesentlichen die gleiche Amplitude. Der vordere
Reflektor 8 besteht aus einer Reihe von Segmenten 9 bis 17,
und jedes Segment besteht aus einer verteilten Bragg-Gitterreflektoreinheit,
aber jedes Segment reflektiert nominell nur eine einzige Wellenlänge. Die
Wellenlängen
der einzelnen Spitzen der Segmente 9 bis 15 und 17 entsprechen
den Spitzen der Kammreflektivität,
die durch den vorderen Bragg-Gitterreflektor erzeugt wurde.
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Eine
gemeinsame Elektrode 18 wirkt als elektrische Rückführung für die Halbleiterlaservorrichtung.
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Jeder
der Abschnitte 4, 5, 7 und der Segmente 9 bis 17 ist
mit einer zugeordneten Elektrode 4a, 5a, 7a, 9a bis 17a versehen,
durch die ein elektrischer Strom an den entsprechenden Abschnitt
oder das entsprechende Segment angelegt werden kann. Die Gittereinheit 17 hat
nicht notwendigerweise eine zugeordnete Elektrode 17a,
da ihre Funktion darin besteht, eine niedrigste Wellenlänge nach
unten (Bandrand) zu bilden, auf die die nächsthöhere Wellenlängeneinheit
abgestimmt werden kann.
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Das
Material, aus dem die Schicht 3 in den Abschnitten entsprechend
den Reflektoren 6 und 7 besteht, ist derart, dass
es einer Verminderung im Brechungsindex ausgesetzt ist, wenn ein
elektrischer Strom durchgeleitet wird, d.h. es tritt der sogenannte
Elektrobrechnungseffekt auf. Wenn Licht durch ein Medium mit dem Brechungsindex
neff strömt,
dann ist die tatsächliche
Wellenlänge
des Lichtes innerhalb des Mediums, die hier als λ' bezeichnet werden soll, die Wellenlänge λ, geteilt
durch den Wert für
den Brechungsindex nett. In anderen Worten ausgedrückt: λ' = λ/neff (1)dabei
ist neff der wirksame Brechungsindex des
Mediums, betrachtet durch das fortschreitende Licht der Wellenlänge λ im freien
Raum.
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Wenn
demgemäß beispielsweise
ein Strom durch die Elektrode 12a geschickt wird, wird
die Wellenlänge,
mit der der Bragg-Reflektor im Segment 12 das Licht reflektiert,
vermindert. Wenn die Verminderung derart ist, dass nunmehr Licht
mit der gleichen Wellenlänge
reflektiert wird wie vom Bragg-Gitterreflektor des benachbarten
niedrigeren Wellenlängensegmentes,
dann wird die Intensität
der Spitze für
das Segment 11 verstärkt,
so dass dieses sehr viel höher
und intensiver wird als die anderen Reflexionsspitzen.
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Wenn
nunmehr jedoch ein Strom durch die Elektrode 4a fließt, um Licht
in dem Verstärkerteil 4 mit
einer Intensität
zu erzeugen, die über
dem Laserpegel liegt, dann wird das Licht vorzugsweise mit einer
Wellenlänge
erzeugt, die der verstärkten
Intensitätssegmentspitze
entspricht und der Laser beginnt mit jener Wellenlänge zu lasern.
Auf diese Weise wird der Laser auf jene Wellenlänge abgestimmt. Wenn nunmehr
ein Strom durch die Elektrode 7a fließt, bewirkt dies eine Verschiebung
des gesamten Spitzenkammes für
jenen Reflektor nach niedrigeren Wellenlängen hin. Wenn gleichzeitig
ein Strom durch die Elektrode 11a geschickt wird und der Strom,
der durch die Elektrode 12a fließt, erhöht wird, dann bewegt sich die
verstärkte
Spitze nach einer niedrigeren Wellenlänge.
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Um
gemäß 2 einen
elektrischen Strom unterschiedlichen Abschnitten und gewählten Paaren
benachbarter Bragg-Gittersegmente zuzuführen, ist eine Steuervorrichtung 20 erforderlich.
Die Steuervorrichtung 20 bildet eine digital gesteuerte
Stromquelle 21, 22, 23 pro Elektrode 4a, 5a, 7a und
jede Stromquelle wird digital unter Benutzung eines jeweiligen DAC 25 gesteuert.
Ein beispielsweiser DAC wird durch einen Analog-Devices-Inc. – Typ AD
5324 verkörpert,
der ein Vierfach-12-Bit-DAC ist.
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Da
in dem segmentiert verteilten Bragg-Reflektorteil 6 gemäß 1 nur
zwei benachbarte Gittersegmente, z.B. 11 und 12,
in jedem Augenblick aktiviert werden, wird dieser Teil nur durch
zwei Stromquellen 31 und 32 betätigt, die
wiederum jeweils unter Benutzung eines jeweiligen DAC 25 implementiert
werden. Die beiden digital gesteuerten Quellen elektrischen Stromes 31 und 32 werden
jeweils an Schaltmittel 33 angeschlossen. Die Schaltmittel 33 sind
mit den Elektroden 9a bis 16a verbunden und betätigbar,
um unabhängig
jede der Stromquellen 31 und 32 mit zwei benachbarten
Gittern, z.B. 11 und 12, zu verbinden, die aus
einer Reihe von Gittern 9 bis 16 ausgewählt wurden.
Ein geeigneter Schalter 33 kann ein linearer Kommutator
sein. Die Schaltmittel 33 können durch eine Steuerung 34 betätigt werden,
die, wie dem Fachmann geläufig,
von einem programmierbaren Steuergerät (nicht dargestellt) gebildet
werden kann, das auch die DACs 25 steuert.
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Gemäß
3 ist
jede Stromquelle
31 und
32 mit einem eines Paares
von 4-Wege-Multiplexern
35 bzw.
36 verbunden.
Ein Beispiel eines geeigneten Multiplexers ist ein MAX4634, der
von Maxim Integrated Products verfügbar ist. Jeder Multiplexer
35,
36 besitzt
vier Ausgänge,
die singulär
mit abwechselnden Elektroden eines segmentierten Bragg-Gitterabschnitts
verbunden sind, wie dies aus
3 ersichtlich
ist, d.h. der Multiplexer
35 ist mit jeder zweiten Elektrode
9a,
11a,
13a und
15a verbunden
und der Multiplexer
36 ist an jede zweite Elektrode
10a,
12a,
14a und
16a angeschlossen,
so dass Paare benachbarter Segmente gleichzeitig mit Strom erregt
werden können.
Jeder Multiplexer
35,
36 wird über eine 2-Draht-Schnittstelle
(A
0 und A
1) gesteuert,
die den aktiven Pfad innerhalb des Multiplexers definiert und demgemäß festlegt,
welches Segment Strom erhält.
Diese Schnittstelle kann mit einem eingebetteten Mikrocontroller
38 verbunden
sein. Um die Laserwellenlänge
und/oder den Kanal zu ändern,
konfigurieren die Mikrocontroller
38 die Multiplexer gemäß den folgenden
Tabellen 1 und 2: Tabelle
1
Tabelle
2
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In
den Tabellen 1 und 2 bedeutet L = Logisch 0 und H = Logisch 1 und
die Ausgangszahlen (O/P) entsprechen jenen gemäß 3.
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Die
beiden Multiplexer haben demgemäß gleiche
Schalteinstellungen für
benachbarte Paare aktivierter Bragg-Gittersegmente, wie in der folgenden
Tabelle 3 dargestellt: Tabelle
3
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In
der Tabelle 3 bedeutet L = Logisch 0 und H = Logisch 1.
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Die
Multiplexer-Mikroprozessoren 38 und die DACs 25 werden
durch ein nicht dargestelltes programmierbares Steuergerät gesteuert,
um die erforderliche Betriebswellenlänge zu erzeugen.
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Bei
zahlreichen Telekommunikationsanwendungen muss der abstimmbare Laser
auf ITU-Gitterkanälen
arbeiten, für
welche eine Nachschlagtabelle (nicht dargestellt) benutzt werden
kann, um die Steuermittel auf die erforderliche Bedingung einzustellen
und um dadurch den Laser zwischen den Kanälen umzuschalten. Andere Anwendungen
können
erfordern, dass der Laser kontinuierlich abstimmbar ist, und für diese
Anwendungen kann das programmierbare Steuergerät dynamisch unter Benutzung
verschiedener nicht dargestellter Steuerungen eingestellt werden,
wie dies für
den Fachmann klar ist.