用于控制光学发送器失真的方法和装置

摘要

本发明揭示一种制造一光学发送器的方法，其包括将一激光设备装配于一包括一温度传感器和一温度控制器的模块上。在一曾在多个温度下确定过失真之范围内的一温度下确定所述激光器的一最佳操作温度以使光学失真最小化。选择性地调节所述温度控制器以在所述最佳温度下操作所述激光器。在主动激光操作期间也可监控所述失真。在监控所述失真的基础上可选择性地调节所述温度控制器，以在更接近产生随温度而变的最小失真值的温度的新受控温度下操作所述激光器。

权利要求

1.一种制造一光学发送器的方法，所述光学发送器包括一用于产生一耦合到一光纤并通过所述光纤发送的已调制光学信号的激光器，其中所述激光器在其输出端具有一随温度而变的光学信号失真特性，所述特性在介于一第一预定温度与一第二较高预定温度之间的操作温度范围中具有一最小值，所述第一预定温度和所述第二较高预定温度由在低于所述第二较高预定温度并高于所述第一预定温度的温度下操作时在一不同模式下产生光辐射的所述激光器来界定，其包含：将一激光设备装配于一包括一温度传感器和一温度控制器的模块上；

在所述操作温度范围内扫描所述温度控制器的温度；

由失真分析器测量在所述操作温度范围内的多个温度下的所述已调制光学信号的数量或参数；

由所述失真分析器确定所述已调制光学信号在所扫描的温度范围内的所述多个温度下相对于所测量的数量或参数的失真；

确定所述激光器的最佳操作温度以最小化所述第一预定温度与所述第二较高预定温度之间的一温度下的失真；和选择性地调节所述温度控制器以在所述最佳操作温度下操作所述激光器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定包含：通过调节所述温度控制器将所述操作温度设定为所述第一预定温度与所述第二较高预定温度之间的多个选定温度；确定每一温度下的所述失真；和基于所述失真与温度数据之间的曲线关系来确定最小失真值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述装配包含将一光纤电缆的一第一位置耦接到所述模块的一光纤端，以将所述激光器发射的光耦合到所述光纤电缆中，且其中确定所述激光器的最佳操作温度包含安置一测光表用于在所述光纤光缆的一第二位置处分析所检测光的所述失真。

4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在所述激光器的主动传输期间操作一失真-温度反馈回路，其包括重复确定所述失真和调节所述激光器的所述操作温度以最小化所述失真。

5.一种光学信号传输系统，其包含：

一包括一光源的光学信号传输模块；

一光导，所述光导耦接到由所述光源生成的经调制的光学信号，其中所述光源经配置以产生一耦合到所述光导且通过所述光导发送的已调制光学信号，且其中所述光源具有一在一操作温度范围内的一最佳温度下具有一最小值的随温度而变的光学信号失真特性；

一用于分析所述光学信号的失真的失真分析检测器，其包括测量所述光学信号的至少一部分的一失真及基于所述测量产生一诊断信号；

一控制模块，其用于确定在所述分析之后拟将所述光学信号传输模块调节到的一温度；和

一在所述光学信号传输模块内的温度控制器，其用于接收一来自所述控制模块的控制信号以将所述光学信号传输模块维持在预定温度，其中，当所述失真分析检测器在所述操作温度范围内的多个温度下从所述已调制的光学信号获取多个失真测量时，在所述操作温度范围内的一温度范围内扫描所述光学信号，及其中由所述失真分析检测器确定一原始最佳温度并将其设定为一待由所述温度控制器维持的操作温度。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述失真分析检测器的信号耦合到所述控制模块且经配置以在所述光学信号传输模块操作期间在线分析光学信号失真，且其中所述控制模块基于一来自所述失真分析检测器的信号确定是否要将所述光学信号传输模块的温度维持在所述原始最佳温度，或确定是否要将所述光学信号传输模块的温度调节到一目前最佳温度下。

7.根据权利要求6所述的系统，其中反复重复所述分析和确定是否要将所述光学信号传输模块的温度维持在所述原始最佳温度或确定是否要将所述光学信号传输模块的温度调节到一目前最佳温度下，且将所述光学信号传输模块的温度维持在或调节到确定温度。

8.根据权利要求5所述的系统，其中所述光学信号传输模块进一步包含一电信号连接器和一电光信号转换器模块。

9.根据权利要求5所述的系统，其中根据所述失真测量，配置所述系统以确定一个或一个以上最佳温度，并将其设定为在所述光学信号传输模块的主动操作时期间待由所述温度控制器维持的操作温度。

说明书

用于控制光学发送器失真的方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及光学发送器，且特定地说涉及制造一种光学发送器以最小化通过一光纤发送的光学信号的随温度而变的失真特性。

背景技术

[0002] 经由一导体上的电压信号传送模拟或二进制数字信息的调制解调器替代物使用一光纤电缆上的光学(光)信号。来自模拟射频或数字电路的电信号(高/低电压)可以诸如VCSEL或边发射激光器的LED或固态激光器转换成经振幅或频率调制的光学信号。同样地，光学信号可通过使用用于将其引入放大器、解调器或其它类型电路的输入端中的光电二极管或光电晶体管再转化回电形式。

[0003] 激光谐振器具有两种不同类型的模式：横向和纵向。横向模式表明其处于光束的横截面强度分布中。纵向模式对应于沿激光腔的长度的不同谐振，所述谐振在所述激光的增益带宽内的不同波长下发生。当对应于不同纵向模式的不同线的相对强度在特定情况下偏移时，发生模式跳变。为了利用一光学发送器提供一可靠的通信链路，需要防止所述光学通信应用中所用的激光器中的模式跳变。

[0004] 在一激光器中是否易于发生模式跳变的因素为所述激光器的稳定性程度。存在很多形式的稳定性，其中包括波长稳定性、脉冲对脉冲能量稳定性、重复率稳定性、热稳定性、带宽稳定性，且这些稳定性可尝试以各种方法来控制。例如，能量稳定性和重复率稳定性常常取决于输入到增益介质的电能或光能的稳定性。波长或带宽稳定性的程度可取决于谐振器材料的质量和其它因素。热稳定性程度可影响波长或带宽稳定性，且通常可取决于所述增益介质的热容量和冷却和/或加热元件是否与一热传感器(即温度控制器)、热交换器或其它所述热监控器和热传输设备一起提供，及此等设备所展示的热控制敏感性的程度如何。已进行各种研制来稳定包括操作温度的激光器系统的各种参数并防止模式跳变的发生。

[0005] 从光学端发送光学形式的数字信息可简单通过瞄准远距离处的光电检测器处的发送器或收发器的激光器或激光器阵列来在室外完成，但光束、光束发散、散射、色散等的干扰使得难以无任何显著失真地发送所述光束。一种避免室外光学数据传输的问题的方法为在沿一光纤传送光脉冲。光纤将发送一束光，如铜线将传导电子一样，其具有完全避免电感、电容和遭受电信号外部干扰的所有相关联问题的优势。

[0006] 甚至对于光学介质的单一模式而言，由LED、VCSEL、边发射激光器等采用穿过所述介质的较短路径发射的光脉冲将比采用较长路径的光脉冲更快到达检测器。形成光学介质的材料赋予某种程度的色散或所检测信号的不同频率的群速度变化。结果为信息传递信号(information-carryingsignal)的振幅和相位失真。对于更宽的带宽或调制频率且当整个介质长度增加时，此问题变得更为恶劣。对于很长的距离而言，如在光学通信装备中，甚至是具有非常窄的带宽的光脉冲也将导致信号展示不良程度的失真。

[0007] 如上文简单讨论，甚至以带宽很窄的单一模式激光器和甚至当通过常规方法谨慎采取步骤来稳定光学脉冲时，已知在一光学介质上从已调制激光发送器发送的光学信号展示某种程度的失真。已努力研制电子预失真电路来减小光学信号的失真，例如参看美国专利第6,288,814、5,798,854、5,252,930、5,132,639和4,992,754号，所述专利以引用的方式并入本文中。失真出现在外腔激光器(ECL)的输出端，且其为所述激光器设计的结果。虽然当所述激光器链接到一光纤时也呈现失真，但其不如ECL失真强烈和多变。

[0008] 归因于失真的显著热影响，可优选配置预失真电路以取决于非线性激光器的操作温度来操作。可提供多个预失真放大(pre-distorter)设置以使得可根据所述激光器的监控温度来选择特定设置，例如用于控制预失真放大输出端的电压。此外，可通过一光纤闸(fiber tap)来监控激光输出以检测振幅或相位的任何变化，且响应其，可(例如)使用温度传感器和热电冷却剂(TEC)来控制和稍微稳定激光器温度自身，使得通过调节预失真电路来___热变化对失真的影响。归因于其对光学通信信号质量的实质影响，需要进一步控制和减小特定地说由外腔激光器产生的光学信号(其包括一激光器芯片和一外部反射器)的失真。

[0009] 从其它研究者的著作得知外腔激光器中的经发送的光学信号的失真程度取决于所述激光发送器的温度。此外，从所述著作也得知所述失真通常在逐激光器变化的单一操作模式的激光发送器的一特定温度下具有一可辨别的最小值。因此，本发明的一目标为提供一种制造一用于光学通信的激光发送器系统的方法和一用于所述系统的配置，所述激光发送器系统在所利用的激光器的所述失真最小值处热稳定。

发明内容

[0010] 虽然在用于通信的激光发送器系统中存在不良的光学信号失真，但特定地说可通过控制激光发送器温度在某些情况下将光学信号失真减小或最小化。本发明考虑到光学发送器的激光源产生具有光学信号失真特性的已调制光学信号，当所述信号通过诸如空气、水、玻璃、塑料等的色散介质发送时，其具有随激光器操作温度而变的光学信号失真特性。应进一步认识到，处于激光器单一操作纵向模式内的这些光学信号发送器系统的失真与激光器操作温度的关系曲线中存在一最小值。因此，最好在存在最小失真值的温度下和接近所述温度操作所述激光器。

[0011] 应认识到，虽然这些激光发送器系统的失真曲线在操作模式内一律具有随温度而变的最小失真值，但每一激光发送器系统的最小值并不全部呈现在同一温度下。即，对于每一激光器系统而言，每一激光发送器存在最小失真值的温度是不同的。如果确定了每一激光发送器系统的最小失真值的温度，那么可以操作方式将所述系统大约维持在那一温度且因此维持在那一最小失真值下。当将温度维持在约产生一最小失真值的温度下时，不可能发生由热引发的模式跳变，且最小化的失真在一激光发送器系统中也一般被公认为是有益的。

[0012] 因此提供一种制造一光学发送器系统的方法。所述光学发送器系统包括一用于产生一已调制光学信号的激光器或激光器阵列，所述光学信号耦合到一色散光学介质并通过所述色散光学介质来发送。所述激光器在其输出端具有一随温度而变的光学信号失真特性。所述失真特性在介于第一预定温度与第二较高预定温度之间的操作温度范围中具有一最小值。所述第一和第二温度由在低于第一温度并高于第二温度的温度下操作时在不同模式下产生光辐射的激光器来界定。

[0013] 所述制造方法包括将一激光设备装配于一包括一温度传感器和一温度控制器的模块上。确定所述激光器的最佳操作温度以最小化第一与第二温度之间的温度下的失真。选择性调节所述温度控制器以便在约最佳温度下操作所述激光器。

[0014] 所述最佳温度可通过最初将所述温度设定为第一温度或第二温度或远离所述温度最小值的另一温度并测量失真来确定。接着所述温度在温度最小值方向朝着所述第一和第二温度中的另一个增加并再次测量失真。重复所述增加和测量直到介于所述第一与第二范围之间的温度范围被完全扫描或至少直到最小值被扫描和确定。优选在所述温度范围或至少在存在失真最小值的温度内步进和或者扫描所述温度。

[0015] 应进一步认识到可有利地单独或与本发明的制造方法结合利用一在线(on-line)方法。所述方法可包括测量主动激光传输的分离部分或暂时离线传输的约全部或部分部分的失真。就确定失真最小值可已偏移到一新的温度而言，接着调节温度控制器以将激光器的温度控制在新温度或接近所述新温度。可布置一反馈回路，其中恒定地或周期性地测量失真，且基于所述失真测量调节所述激光器的温度。可通过分离所述激光的主动传输的光束部分或通过将一失真检测器插入激光传输光路径中一预定时间并接着将其从光路径移除来配置所述反馈回路。

[0016] 也提供一光学信号传输系统。一光学模块包括一产生光学脉冲的光源，所述光学脉冲通过一光导作为一来自所述模块的已调制光学信号来传播。当通过所述光导发送所述光学信号时，所述光源具有一随温度而变的光学信号失真特性，且所述特性在一操作温度范围内的一最佳温度下具有一最小值。失真分析检测器分析所述光学信号的失真，包括测量光学信号的至少一部分的失真或指示所述失真的另一参数，并基于所述测量产生一诊断信号。一控制模块确定随所述分析后拟将模块调节到的温度。一温度控制器接收一来自所述控制模块的控制信号以将所述模块维持在确定温度或接近所述确定温度。根据多个失真测量，近似确定一原始最佳温度并将其设定为待由所述温度控制器维持的操作温度。

[0017] 在另一实施例中，一光学信号传输系统也包括一产生光学脉冲的光源，所述光学脉冲通过一光导作为一来自所述模块的已调制光学信号来传播。当通过所述光导发送所述光学信号时，所述光源具有一随温度而变的光学信号失真特性，且所述特性在一操作温度范围内的一最佳温度下具有一最小值，包括一用于发送光学信号的光源和光导。这一实施例的失真分析检测器在光学信号传输模块的主动操作期间在线分析光学信号的失真，包括测量光学信号的一部分的失真或指示所述失真的另一参数，并基于所述测量产生一诊断信号。所述控制模块根据所述分析确定待由所述模块维持或调节到的一温度。所述温度控制器接收一来自所述控制模块的控制信号以将所述模块维持在确定温度或接近所述确定温度。根据所述失真测量，近似确定一个或一个以上最佳温度并将其设定为待由所述温度控制器在所述模块的主动操作期间时常维持的操作温度。

附图说明

[0018] 图1以方框格式示意性地说明一确定特定激光发送器系统存在失真最小值的温度的布置。

[0019] 图2为执行一用于确定图1的激光发送器系统的失真最小值温度的技术的流程图。

[0020] 图3说明一激光发送器系统的一典型的失真与温度的关系曲线，其可(例如)使用图2的技术根据一优选实施例来确定。

[0021] 图4以方框格式示意性地说明用于在线监控激光失真以选择性调节存在失真最小值的温度的反馈布置。

具体实施方式

[0022] 图1中以方框形式说明一用于确定一光学发送器存在失真最小值的温度的示范性布置。模块2显示具有一电端4和一光学端6。电缆8在电端4处耦接到模块2，而光纤电缆10在光学端6处耦接到模块2。所述模块包括基于电输入信号发射光学信号的光源12。通过将所述光源安置于非常接近光学端6和/或通过将一光导提供于所述模块2的光源12与光学端6之间来将经发射的光学信号导引到外壳内的诸如光纤电缆的光学介质。图
2中也示意性地显示一电光转换器模块14。

[0023] 图1的光学发送器模块2也说明为包括一温度传感器(TS)16和一温度控制器(TC)18。所述温度传感器16可为所述温度控制器18的一部分或一独立组件。所述温度控制器18包括一加热和/或冷却元件，如热电冷却剂(TEC)、水流或如所属领域的技术人员所理解的另一热流机制。图1中也说明耦接到光学介质10的另一位置的失真分析器20。所述失真分析器20接收从模块2的光源12发送到光学介质10中并穿过所述光学介质10的光学信号。所述失真分析器20可包括一功率表、光谱分析器或测量光信号的数量或参数的其它测量设备，基于所述测量可通过逐点法或分析多个数据点的曲线或其变形确定一失真特性。将所述温度控制器选择性地设定为在失真最小值周围的温度范围内的不同温度。当所述模块在每一多个温度下操作或扫描时，失真分析器测量其所接收的光信号以使得各温度下的失真被确定。从多个失真与温度数据点的关系曲线可确定发生最小失真的温度。

[0024] 图2为说明执行一用于确定图1的激光发送器系统发生最小失真的温度的技术的步骤或操作的流程图。在S1，将图1的经装配系统的温度控制器18设定为在包括发生最小失真的温度的温度范围的边界处的第一温度T1。此温度范围优选对应于单一模式内的光学辐射的产生。当模块在第一温度T1下操作时，在失真分析器处接收所述信号、进行测量并在S2确定由图1的系统所发送的光学信号的失真。

[0025] 在S3，接着在朝向失真最小温度的方向上将所述温度步进到第二温度T2或在第二温度T2内扫描所述温度。在S4，在此第二温度T2下确定所述失真。如图2中的S5所指示的步骤或操作说明在第三、第四等温度下重复失真的步进或扫描和确定，直到所述温度范围均增加且失真数据点被认为是在包括发生失真中的最小值的温度的范围中的温度。

[0026] 在S6，分析多个数据点以使得发生失真最小值的温度被确定。因为此为一种制造方法，所以设定温度控制器以将模块2的温度维持在约预定温度。以此方式，控制所述模块的温度以在一中心温度周围变化，所述中心温度即经确定以产生此特定激光器或LED发送器模块2的失真与温度的关系曲线中的最小值的温度。

[0027] 图3说明一特定发送器模块的失真与温度的关系曲线。应了解发送器模块通常展示类似于图3中所示的曲线。然而，如指示，发送器模块的最小值将变化。在所述温度范围的边界处显示两个温度T1和T2。在优选方法中，在T1与T2之间的温度下确定失真。所示曲线可基于邻近数据点通过以光滑连接线连接数据点而从所述数据确定。只要采取足够的数据点，就可从所述数据辨别最小失真，且能够确定发生所述最小失真的温度。最后，可将发送器模块2的温度控制器(TC)18(参看图1)设定为测量失真最小值和/或另外确定其发生的预定温度Tmin。

[0028] 在本发明的另一实施例中，可在一在线失真监控过程期间使用图1示意性说明的布置。例如当信号质量恶化超过某一限度时，暂时(周期性地或在选定时间)离线采取一主动通信过程，以使得所述失真分析器20可插入激光传输的光路径中。可如上文或类似地重复在包括失真最小值的整个温度范围内步进或扫描的过程。就存在失真最小值的最佳温度已改变而言，可将所述温度控制器选择性地调节到所述新温度。在监控后移除失真分析器，且将通信过程恢复到在线并继续。

[0029] 虽然图1中未显示，但可配置所述布置使得所述失真分析器直接与温度控制器通信或与一控制器模块通信。优选在所述控制器模块处理失真监控的结果。确定最佳温度，且当所述最佳温度不同于一目前设置时传送一信号以将温度控制器调节到一原始的或新的最佳温度。

[0030] 图4示意性地说明图1实施例的一替代物和刚刚所讨论的反馈布置。图4说明一可用于执行一监控失真并将最佳温度调节和控制在失真最小值或接近所述失真最小值的在线方法的反馈布置。图4的布置包括传输模块2，所述传输模块2包括分别用于接收电输入传输8并发送光学信号10的电输入端4和光学输出端6。模块2优选包括一激光器、LED或其它光学光源12、电光转换模块14、温度传感器16和温度控制器18。输入信号8可为无线型、光学型或如所属领域的技术人员所理解的其它型式，且电源8可以替代方式来供应。如所属领域的技术人员所理解，激光器12可以光学、电或其它方式来泵给。

[0031] 将一光束分光器22安置于激光传输的光路径中以将信号分成两份。在一通信过程中，将所述两份中的一份引导到或继续引导到一接收器。将另一份发送到失真分析器20。以此方式，所述通信过程可继续保持在线并主动地发送来自光学通信模块2的信号，同时分析激光传输信号的失真得到。优选将一信号从所述失真分析器传送到控制模块(CM)24。
所述控制模块24可与光学通信模块2分离或嵌入其内部。控制模块24优选基于所述信号或从失真分析器20所接收到的信号确定所述温度是否处于最佳温度。当确定操作和/或设定温度不同于所述最佳温度时，控制模块24将一信号通信到温度控制器18以调节激光模块2的温度。

[0032] 存在很多可能且可有利的替代性布置。例如，可在设定温度的任一侧的一个或一个以上温度点周期性地测量所述失真。只要这些温度下的失真保持高于最佳温度下的失真，就不用进行调节。当在这些“外部”温度中的一个下测量的失真量小于在最佳温度下测量的失真量时，接着可在一过程中采取进一步测量以确定新的最佳温度，或可将新的最佳温度改变为测量较低失真的温度，其后在新的最佳温度周围的点继续测量失真的同一过程。在另一实例中，在可安排或另外为了其它目的而发生的光学通信过程停止或停工期期间，可扫描或步进整个经延伸的温度范围使得可在适宜时间做出不规则的最佳温度确定。

[0033] 虽然已描述和说明了本发明的示范性图式和特定实施例，但应了解本发明的范围并不限制于所讨论的特定实施例。因此，所述实施例应视为说明性的而不是限制性的，且应了解在不脱离如随附权利要求书和其结构性与功能性等效物中所陈述的本发明范围的情况下，所述领域的技术人员可对所述实施例进行变化。

[0034] 此外，在可根据本发明和/或其优选实施例执行且可描述于上文或提供于下文的方法中，已以选定印刷顺序来描述或另外提供所述操作。然而，除了可清楚陈述一特定顺序或所属领域的技术人员可认为一特定顺序有必要之处外，所述序列已选定且为了印刷方便而如此排序，且其并不希望暗示执行所述操作的任何特定顺序。