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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Wellenlängenmultiplexer/demultiplexer
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp,
umfassend ein zu steuerndes Objekt, nämlich ein optisches Wellenlängenmultiplexer/demultiplexerelement
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp und eine Vorrichtung zur
Temperatursteuerung, welches das zu steuernde Objekt auf einer voreingestellten
konstanten Temperatur hält.
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Technischer Hintergrund der
Erfindung
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Der
herkömmliche
Aufbau von Vorrichtungen zur Temperatursteuerung, um ein zu steuerndes
Objekt, nämlich
ein optisches Wellenlängenmultiplexer/demultiplexerelement
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp, auf einer voreingestellten konstanten
Temperatur zu halten, bestehen im allgemeinen aus einem Temperierteil 1 und
einem Steuerteil 6, wie in den 4 und 5 gezeigt.
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Der
Temperierteil 1 umfasst eine Temperierplatte 2,
die aus einem gut Wärme
leitenden Material besteht, ein in die Temperierplatte 2 eingefügtes Heizelement 40,
ein auf der Temperierplatte 2 befestigtes zu steuerndes
Objekt 10 und einen ebenfalls auf der Temperierplatte 2 angrenzend
an das zu steuernde Objekt 10 befestigten Temperaturfühler 5.
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Der
Steuerteil 6 vergleicht ein von einem Temperaturmesskreis 7 ausgegebenes
Temperatursignal s2 entsprechend einem vom Temperaturfühler 5 übertragenen
Temperaturmesssignal s4 mit einem von einem Temperatureinstellkreis,
der eine Solltemperatur der Heizung einstellt, ausgegebenen Solltemperatursignal
s1 mittels eines Komparators 9 oder eines in Reihe mit
dem Heizelement 40 verbundenen Steueranschlusses eines
Halbleiter-Steuerelements 30. Dann wird ein Fehlersignal
s3, welches das Ergebnis des Vergleichs im Komparator 9 anzeigt,
als Steuersignal in den Steueranschluss des Halbleiter-Steuerelements 30 eingegeben.
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Der
herkömmliche
Aufbau basiert so auf einer negativen Rückkopplung, wobei das Heizelement
40 die
einzige Wärmequelle
ist, die Temperaturinformation von dem mit dem Heizelement
40 thermisch gekoppelten
Temperaturfühler
5 im
Steuerteil
6 verarbeitet wird und der an das Heizelement
40 abgegebene
Strom vom Halbleiter-Steuerelement
30 des Steuerteils
6 gesteuert
wird, wodurch das Heizelement
40 angesteuert und die Temperierplatte
2 und das
zu steuernde Objekt
10 auf konstanter Temperatur gehalten
werden. (Siehe beispielsweise die Beschreibung des Standes der Technik
in der ungeprüften
japanischen Patentanmeldung 9-306638 ).
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Bei
der erwähnten
bekannten Vorrichtung erzeugt jedoch das Halbleitersteuerelement 30,
welches den an das Heizelement 40 abgegebenen Strom unmittelbar
steuert, unvermeidbar eine hohe Sperrschichttemperatur. Die Wärmeentwicklung
erfordert, dass das Halbleitersteuerelement 30 ein Bauteil
zur wirksamen Kühlung
seiner Sperrschichttemperatur umfasst. Dadurch entsteht das Problem, dass
der Aufbau des Steuerteils 6 der Vorrichtung zur Temperatursteuerung
kompliziert wird. Ein anderes Problem ist, dass die Verkleinerung
des diese Vorrichtung zur Temperatursteuerung anwendenden optischen
Wellenlängenmultiplexer/demultiplexers
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp beträchtlich eingeschränkt wird.
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Ein
weiteres zusätzliches
Problem ist, dass ein Teil der elektrischen Leistung von der Stromversorgung
zum Betrieb des Heizelements 40 durch die Sperrschichttemperatur
des Halbleitersteuerelements 30 verloren geht, und dieser
Verlust im Halblei tersteuerelemente 30 wird unwirtschaftlich,
wodurch die Effizienz der ganzen Vorrichtung zur Temperatursteuerung
verschlechtert wird.
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Der
Wärmewiderstand
(Temperaturanstieg je Watt) des Halbleiter-Steuerelements 30 entspricht der
Sperrschichttemperatur, der Gehäusetemperatur des
optischen Wellenlängenmultiplexer/demultiplexers
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp und der Umgebungstemperatur.
Zwischen Gehäusetemperatur
und Umgebungstemperatur entspricht der Wärmewiderstand einer Wärmesenke
(Kühlungsmittel).
Ein weiteres Problem ist, dass der Wärmewiderstand durch die Miniaturisierung
der Vorrichtung zur Temperatursteuerung erhöht wird, wodurch es unmöglich wird,
die Zuverlässigkeit
der Vorrichtung zur Temperatursteuerung weiter zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung, welche die erwähnten Probleme der Vorrichtung
nach dem Stand der Technik lösen
soll, hat die technische Aufgabe, die nachteilige Wirkung der Sperrschichttemperatur des
Halbleiter-Steuerelements in einem optischen Wellenlängenmultiplexer/demultiplexer
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp
durch Anwendung einer Vorrichtung zur Temperatursteuerung zu beseitigen,
welche ein zu steuerndes Objekt auf einer voreingestellten konstanten
Temperatur hält.
Die vorliegende Erfindung hat auch die Aufgabe, den Aufbau des optischen
Wellenlängenmultiplexer/demultiplexers
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp zu vereinfachen und die
Effizienz des Betriebs hinreichend ohne Schwierigkeiten zu verbessern.
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WO-A-98/24695 weist
die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 auf.
US-A-6147565 offenbart oberflächenmontierte
Heizelemente für
die Teile eines piezoelektrischen Resonators.
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Offenbarung der Erfindung
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung, welche die erwähnten technischen Probleme
löst, ist die
in Anspruch 1 beschriebene Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass:
ein optischer Wellenlängenmultiplexer/demultiplexer
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp ein zu steuerndes Objekt, nämlich ein
optisches Wellenlängenmultiplexer/demultiplexerelement
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp, und eine Vorrichtung zur
Temperatursteuerung, umfasst, welche das zu steuernde Objekt auf
einer voreingestellten konstanten Temperatur hält, umfasst, diese Vorrichtung
zur Temperatursteuerung aus einem Temperierteil und einem Steuerteil besteht,
der Temperierteil der Vorrichtung zur Temperatursteuerung eine Temperierplatte
aus gut Wärme leitendem
Material wie Metall, welche das zu steuernde Objekt, das auf deren
oberer Oberfläche
fest angebracht ist, erwärmt,
ein Halbleitersteuerelement mit einem Steueranschluss, das an einer
dem zu steuernden Objekt gegenüberliegenden
Stelle der unteren Oberfläche
der Temperierplatte fest angebracht ist und das als Wärmeerzeuger
wirkt, und einen Temperaturfühler,
der auf der Temperierplatte so befestigt ist, dass er zum zu steuernden
Objekt benachbart ist, umfasst, wobei der Steuerteil der Vorrichtung
zur Temperatursteuerung umfasst: eine Temperatureinstellschaltung,
welche die Solltemperatur der Heizung einstellt, einen Temperaturmesskreis,
welcher die aktuelle Temperatur entsprechend einem vom Temperaturfühler übertragenen
Temperaturmesssignal s4 misst, und einen Komparator, nämlich eine
Steueranschlussschaltung des Halbleitersteuerelements des Temperierteils,
der ein von der Temperatureinstellschaltung übertragenes Temperatursollsignal
s1 mit dem vom Temperaturmesskreis übertragenen aktuellen Temperatursignal
s2 vergleicht und die Differenz als Fehlersignal s3 ausgibt
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Bei
der Erfindung nach Anspruch 1 wird im Temperierteil elektrische
Energie an das Halbleitersteuerelement zur Erzeugung von Wärme abgegeben,
wodurch die Temperierplatte und dann das zu steuernde Objekt erwärmt werden.
Die Temperatur zum Aufheizen des zu steuernden Objekts wird durch den
Temperaturfühler
fortwährend
gemessen und das Messergebnis wird als Messsignal s4 zum Steuerteil übertragen.
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Im
Steuerteil wird das Temperaturmesssignal s4 in den Temperaturmesskreis
eingegeben und erzeugt ein aktuelles Temperatursignal s2, das durch den
Komparator mit einem von der Temperatureinstellschaltung entsprechend
der voreingestellten Solltemperatur erzeugten Solltemperatursignal
s1 verglichen wird, und die Differenz zwischen diesen Signalen wird
als Fehlersignal s3 in den Steueranschluss des Halbleitersteuerelements
eingegeben.
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Das
Halbleitersteuerelements mit dem Steueranschluss steuert den Stromverbrauch
entsprechend dem Fehlersignal s3, so dass, je kleiner das Fehlersignal
s3 ist, das heißt,
je kleiner die Differenz zwischen dem Wert des Solltemperatursignals
s1 und dem Wert des aktuellen Temperatursignals s2 ist, desto kleiner
der Stromverbrauch ist. Das zu steuernde Objekt wird auf die Solltemperatur
erwärmt
und bei der konstanten Solltemperatur gehalten.
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Weil
das Halbleitersteuerelement, welches die elektrische Leistung zur
Wärmeerzeugung
des Temperierteils unmittelbar steuert, als Wärmequelle für den Temperierteil verwendet
wird, wirkt die Temperierplatte als Kühlplatte des Halbleitersteuerelements,
wodurch es unnötig
ist, das Halbleitersteuerelement mit einem eigenen Kühlelement
zu versehen.
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Das
Halbleitersteuerelement steuert die für seine eigene Wärmeerzeugung
notwendige elektrische Leistung, was zu einer direkten Steuerung
der gesamten für
die Wärmeerzeugung
des Temperierteils notwendigen elektrischen Leistung führt. Dadurch
erhält
der Temperierteil eine effiziente Heizwirkung und die elektrische
Leistung kann eine geringe Spannung haben, weil das Halbleitersteuerelement die
einzige für
die Erwärmung
erforderliche elektrische Last ist.
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Das
Halbleitersteuerelement kann eine niedrigere Sperrschicht temperatur
annehmen als die Temperatur bei der Steuerung des an das herkömmliche
Heizelement abgegebenen Stroms; fast die gleiche wie die voreingestellte
Temperatur des Temperierteils. Diese Einstellung kann den Einfluss
der Umgebungstemperatur verhindern, wodurch die Zuverlässigkeit
verbessert wird.
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Mit
anderen Worten, die Fehlerrate (FIT-Zahl) des Halbleitersteuerelements
hängt von der
Sperrschichttemperatur ab, die niedrig eingestellt werden kann,
um das Halbleitersteuerelement zuverlässiger zu machen.
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Weil
der Wärmewiderstand
des Halbleitersteuerelements mit der Sperrschichttemperatur und der
Gehäusetemperatur
zusammenhängt,
wird der Wärmewiderstand
zwischen Gehäusetemperatur und
Umgebungstemperatur gleich. Das entspricht der Bedingung, dass ein
Kühler
unendlicher Größe installiert
wird, wodurch die Sperrschichttemperatur vermindert und die Zuverlässigkeit
verbessert wird.
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Der
Steuerteil, der nicht mit einem Wärme erzeugenden Halbleitersteuerelement
versehen ist, braucht keine Kühlmittel
oder Wärmeschutzmittel
zu umfassen. Dies kann Größe und Gewicht
der Vorrichtung vermindern und den Aufbau vereinfachen, wodurch
die Anwendbarkeit erleichtert und Beschränkungen hinsichtlich der Installation
beträchtlich
vermindert werden.
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Die
Vorrichtung zur Temperatursteuerung führt die Temperatursteuerung
für das
zu steuernde Objekt präzise
und stabil aus, ohne durch die Umgebungstemperatur beeinflusst zu
werden, wodurch die Wellenlänge
der Ausgangswerte in jedem Ausgangswellenleiter genau auf dem eingestellten
Wert gehalten werden kann.
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Da
die Leistungsaufnahme der Vorrichtung zur Temperatursteuerung verringert
werden kann, lässt
sich auch die Leistungsaufnahme des gesamten optischen Wellenlängenmultiplexer/ demultiplexers
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp reduzieren.
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Die
verminderte Spannung der Stromversorgung und die erhöhte Zuverlässigkeit
des Halbleitersteuerelements verleihen der Vorrichtung zur Temperatursteuerung
eine höhere
Lebensdauer.
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Der
vereinfachte und verkleinerte Aufbau der Vorrichtung zur Temperatursteuerung
ermöglicht eine
einfache Verkleinerung des Gesamtaufbaus des optischen Wellenlängenmultiplexer/demultiplexers vom
Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp, was einer leichteren Handhabung
und Installation der Vorrichtung führt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels von
außen.
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2 ist
eine Seitenansicht des in 1 gezeigten
Beispiels.
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3 ist
ein Blockdiagramm und zeigt den Schaltungsaufbau des in 1 gezeigten
Beispiels.
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4 ist
eine perspektivische Außenansicht und
zeigt den Aufbau der Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
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5 ist
ein Blockdiagramm und zeigt den Schaltungsaufbau der in 4 gezeigten
Vorrichtung nach dem Stand der Technik.
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Beste Ausführungsform der Erfindung
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen werden Beispiele des erfindungsgemäßen optischen
Wellenlängenmultiplexer/demultiplexers
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp im Folgenden beschrieben.
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Die 1 bis 3 zeigen
das erfindungsgemäße Beispiel.
Wie in den Figuren Ziffer 1 und 2 gezeigt, umfasst
der Temperierteil 1 der Vorrichtung zur Temperatursteuerung
T eine Temperierplatte 2 aus einem gut Wärme leitenden
Material, etwa einem Metall wie Aluminium oder Kupfer oder ein Sintermetall
(Keramik), das zu einer flachen Platte geformt ist, und ein zu steuerndes
Objekts, nämlich
ein optisches Wellenlängenmultiplexer/demultiplexerelement
vom Wellenleiterarray-Beugungsgittertyp, das wegen der Veränderung
seiner Eigenschaften mit der Temperatur auf konstanter Temperatur
gehalten werden muss. Das zu steuernde Objekt 10 ist auf
der oberen Oberfläche
der Temperierplatte 2 so befestigt, dass es eine möglichst
große
Berührungsfläche hat,
und ein Temperaturfühler 5 ist
auf der oberen Oberfläche der
Temperierplatte 2 so befestigt, dass er an das zu steuernde
Objekt 10 angrenzt. Zusätzlich
ist ein Transistor (Leistungstransistor) als Halbleitersteuerelement 3 mit
einem Steueranschluss fest auf einer dem zu steuernden Objekt 10 gegenüberliegenden Stelle
(siehe 2) auf der unteren Oberfläche der Temperierplatte 2 angebracht,
und ein IC-Steuerteil 6 ist ebenfalls auf der unteren Oberfläche der
Temperierplatte 2 befestigt.
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Der
Steuerteil 6 der Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur
umfasst einen Temperaturmesskreis 7, der ein Temperaturmesssignal
s4, nämlich
ein vom Temperaturfühler 5 übermitteltes
Temperatursignal, empfängt
und ein aktuelles Temperatursignal s2 ausgibt, das eine dem Temperaturmesssignal s4
entsprechende Größe hat,
eine Temperatureinstellschaltung 8, die einen konstanten
Temperaturwert im Voraus einstellt, bei dem das zu steuernde Objekt 10 zu
halten ist, und die ein Solltemperatursignal s1 ausgibt, das eine
diesem konstanten Temperaturwert entsprechende konstante Größe hat und
einen Komparator 9, der das Solltemperatursignal s1 und
das aktuelle Temperatursignal s2 gleichzeitig empfängt und
die Differenz zwischen diesen Signalen als Fehlersignal s3 ausgibt
und auch als Steueranschlussschaltung des Halbleitersteuerelements 3 wirkt.
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Daher
kann der Steuerteil 6, der im wesentlichen die gesamte
Steueranschlussschaltung des Halbleitersteuerelements 3 darstellt,
mit kleiner elektrischer Leistung und daher im ganzen sehr leicht IC-kompatibel
betrieben werden.
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Weil
das Halbleitersteuerelement 3 als Wärmequelle auf der Temperierplatte 2 befestigt
ist, wirkt diese kühlend
für das
Halbleitersteuerelement 3. demzufolge hat das Halbleitersteuerelement 3 keinen
eigenen Kühlbaustein.
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Wirkung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung mit dem erwähnten Aufbau bietet die folgenden
Wirkungen.
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Bei
der Erfindung nach Anspruch 1 wird die Sperrschichttemperatur des
Halbleitersteuerelements, das die elektrische Leistung für die Wärmeerzeugung
des Temperierteils steuert, als Wärmequelle des Temperierteils
verwendet. Dieser Aufbau ermöglicht
es, dass die elektrische Leistung als Wärmequelle eine kleine Last
darstellt, wodurch der Stromverbrauch vermindert wird und wobei
eine niedrige Spannung auftritt. Infolgedessen kann der Temperierteil
einen wirksamen Heizbetrieb ausführen.
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Ferner
wird der Aufbau des Halbleitersteuerelements vereinfacht, weil die
Temperierplatte als Kühlung
des Halbleitersteuerelements wirkt. Ferner ist die erforderliche
Solltemperatur des Temperierteils wesentlich niedriger als die Sperrschichttemperatur
des Halbleitersteuerelements nach dem Stand der Technik, daher kann
die Halbleitersteuervorrichtung mit niedriger Sperrschichttemperatur
betrieben werden. Dieser Aufbau verbessert die Zuverlässigkeit
des Halbleitersteuerelements und verwirklicht einen sicheren und
stabilen Betrieb.
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Da
der Steuerteil kein Bauteil enthält,
das so viel Wärme
erzeugt wie gekühlt
werden muss, können
seine Gesamtgröße und sein
Gesamtgewicht hinreichend verkleinert werden. Dieser Aufbau erlaubt
eine leichte Bedienung des Steuerteils, und die Beschränkungen
hinsichtlich des Orts seiner Installation sind nahezu beseitigt.
In einigen Fällen
kann der Steuerteil mit dem Temperierteil integriert werden, wodurch
er leichter IC-kompatibel
wird.
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Ferner
kann die Wellenlänge
der Ausgangswelle in jedem Ausgangswellenleiter genau auf dem eingestellten
Wert gehalten werden, wodurch präzise Demultiplexer-Eigenschaften
auf stabile Weise aufrechterhalten werden können und sich wegen der geringen
Leistungsaufnahme eine hohe Sicherheit ergibt.