CH616519A5

CH616519A5 - Arrangement for controlling a light source.

Info

Publication number: CH616519A5
Application number: CH166477A
Authority: CH
Inventors: Richard Edward Epworth; Richard John Catchpole
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1976-02-11
Filing date: 1977-02-11
Publication date: 1980-03-31
Also published as: GB1539624A

Description

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PATENTANSPRÜCHE Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur The present invention relates to an arrangement for

1. Anordnung zur Steuerung einer Lichtquelle, gekenn- Steuerung einer Lichtquelle. 1. Arrangement for controlling a light source, marked control of a light source.

zeichnet durch Mittel (1,2) zur Überwachung der optischen Eine derartige Lichtquelle, insbesondere für schnelle opti-Ausgangsleistung ; durch Mittel (4, 7), die aus dem Ausgangssi- sehe Nachrichtenverbindungen kann z.B. ein Gallium-Arsenid-gnal der Überwachungsmittel ein erstes Signal (P0) ableiten, s Dauerstrich-Laser sein. Unter dem Schwellwert des Laserwelches die Schwellwertleistung darstellt; durch erste Ver- Betriebs tritt lediglich eine Spontanemission auf, während über gleichsmittel (11), welche das erste Signal (P0) mit einem ersten dem Schwellwert zudem die durch induzierte Emission bewirk-Schwellwertreferenzsignal (P0(ref)) vergleichen, um ein Schwell- ten laserkorrelierten Wellen ausgestrahlt werden. Die Laser wert-Fehlersignal zu liefern; durch Mittel, welche aus dem werden i.a. durch eine Gleichvorspannung auf den Laser-Ausgangssignal der Überwachungsmittel (1,2) ein zweites, die m Schwellwert gehalten und nachfolgend ein kleinerer Modula-Modulationstiefe der Quelle darstellendes Signal (PM) ableiten ; tionsstrom hinzugefügt. Leider ändert sich der Schwellwert-durch zweite Vergleichsmittel (10), welches das zweite Signal ström mit der Temperatur, mit der Lebensdauer des Lasers und (PM) mit einem zweiten Referenzsignal (PM (re[)) vergleichen, um zusätzlich auch von Laser zu Laser. Es wurden optische Überein Modulationstiefe-Fehlersignal zu liefern ; und durch Mittel, tragungssysteme mit Dauerstrich-Lasern aufgebaut, deren Vorweiche jedes Fehlersignal einzeln rückführen, um den Schwell- is Spannung einen fixen Gleichstromwert aufweist und für jeden wert bzw. die Modulationsleistung der Quelle zu steuern. Laser individuell eingestellt wird; für praktische Verwendungs- characterized by means (1, 2) for monitoring the optical light source of this type, in particular for fast opti output power; by means (4, 7), which from the outset can see communication links e.g. a gallium arsenide signal from the monitoring means derive a first signal (P0), s be a continuous wave laser. Below the threshold of the laser which represents the threshold power; only a spontaneous emission occurs due to the first operation, while using equal means (11) which compare the first signal (P0) with a first threshold value and the threshold value reference signal (P0 (ref)) caused by induced emission in order to determine a threshold ten laser-correlated waves are emitted. To deliver the laser worth error signal; by means of which are generally by means of a direct bias on the laser output signal of the monitoring means (1, 2) a second signal, which is kept at the m threshold value and subsequently derive a signal (PM) representing a smaller modulation depth of the source; tion current added. Unfortunately, the threshold value changes by means of second comparison means (10), which flow the second signal with the temperature, with the lifetime of the laser and (PM) with a second reference signal (PM (re [)), in order to also additionally compare the laser Laser. Optical modulation depth error signals have been provided; and constructed by means of support systems with continuous wave lasers, the pre-switches return each error signal individually in order to have a fixed direct current value for the threshold voltage and to control the modulation power of the source for each value. Laser is adjusted individually; for practical use

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, zwecke ist jedoch eine solche Lösung nicht annehmbar. Ändert dass die Überwachungsmittel eine Photodetektordiode (1), an sich der Schwellwert, wobei die Laservorspannung unter den welche ein Teil der optischen Ausgangsleistung der Quelle Schwellwert abfällt, treten Einschaltverzögerungen ein, die angelegt wird, und einen gleichstromgekoppelten Breitbandver- :n wegen der Abhängigkeit der Verzögerung von den oben stärker (2), welcher mit dem Ausgangssignal der Photodetek- erwähnten Daten ein erhebliches Nachbarsymbol-Überspre-tordiode gespeist wird, enthalten. chen verursachen. Ist hingegen die Vorspannung des Lasers zu 2. Arrangement according to claim 1, characterized in purpose, however, such a solution is not acceptable. If the monitoring means changes a photodetector diode (1) per se the threshold value, the laser bias falling below which a part of the optical output power of the source threshold value, switch-on delays occur which are applied and a DC-coupled broadband loss due to the dependence of the Delay of the stronger above (2), which is fed with the output signal of the photodetec-mentioned data, a significant neighboring symbol crosstalk diode. cause Chen. On the other hand, the bias of the laser is too

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, hoch, treten Rausch-Störungen auf und es kann zu einer dauer-dass die Mittel zur Ableitung der ersten (P0) bzw. zweiten (PM) haften Beschädigung durch eine zu hohe Lichtdichte kommen. Signals integrierende Kondensatoren (5, 7) enthalten, welcher 25 Die ideale Lichtquelle sollte bei normalisierten Werten einerseits über entgegengesetzt gepolte Dioden (3, 6) mit dem elektrischer Eingangsgrössen ein vorausbestimmtes optisches Ausgang des Verstärkers (2), andererseits mit dem Eingang Ausgangssignal liefern, und zwar ohne Rücksicht auf das Alter, eines Differentialverstärkers (9) verbunden sind, welcher das auf die Temperatur und auf die Wahl der Laser-Vorrichtung, erwähnte zweite Signal (PM) liefert, dass die entgegengesetzt Dies kann durch eine «optische Rückkopplung» erreicht wer-gepolten Dioden (3, 6) eine Gleichvorspannung aufweisen, und 111 den, die analog ist mit einer Rückkopplungsschaltung für einen dass das erste Signal (P0) die Spannung an jenem Kondensator Transistor, welche dazu dient, konstante Stromkreisverstärkun-(7) ist, welcher über die entsprechend gepolte Diode (6) mit gen bei unterschiedlicher Transistorverstärkung zu sichern. Ein dem Überwachungsverstärker (2) verbunden ist. optisches Ausgangssignal kann nicht überwacht werden, indem 3. Arrangement according to claim 2, characterized, high, noise disturbances occur and there may be permanent damage to the means for deriving the first (P0) or second (PM) from excessive light density. Signal-integrating capacitors (5, 7) containing 25 The ideal light source should deliver a predetermined optical output of the amplifier (2) with normalized values on the one hand via oppositely polarized diodes (3, 6), on the other hand with the input output signal, Regardless of age, a differential amplifier (9) is connected, which delivers the second signal (PM) mentioned on the temperature and on the choice of the laser device, that the opposite. This can be achieved by an "optical feedback" wer-polarized diodes (3, 6) have a DC bias, and 111 den, which is analog with a feedback circuit for that the first signal (P0) is the voltage across that capacitor transistor, which is used to constant circuit gain (7) which via the correspondingly polarized diode (6) with gen to secure with different transistor amplification. One is connected to the monitoring amplifier (2). optical output signal cannot be monitored by

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das elektrische Eingangssignal gesteuert wird ; es muss also ein dass die Mittel zur Ableitung des ersten (P0) bzw. zweiten (PM) 15 Teil des Laserausgangssignals überwacht, mit dem gewünschten Signals an den Quelleneingang angeschlossene Schalter (Sj, S0) Ausgangssignal verglichen und die elektrische Ansteuerung enthalten, welche den Ausgang des Verstärkers (31) während dann in angemessener Weise angepasst werden. Das Lichtsignal der minimalen bzw. maximalen Modulation abtasten, und dass kann überwacht werden, indem entweder ein Teil des aus der Mittel (32,33) zur Integrierung der aus den Schaltern austre- Stirn- oder Arbeitsfläche des Lasers austretenden Lichtes abge-tenden Signale vorgesehen sind. 4» zweigt oder (weniger repräsentativ, jedoch bequemer) der rück- 4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the electrical input signal is controlled; So it must be that the means for deriving the first (P0) or second (PM) 15 part of the laser output signal monitors, compared with the desired signal connected to the source input switch (Sj, S0) output signal and contain the electrical control which the Output of the amplifier (31) while then adjusted appropriately. The light signal of the minimum or maximum modulation can be scanned, and this can be monitored by providing either part of the signals emanating from the means (32, 33) for integrating the light emerging from the switches on the end face or working surface of the laser are. 4 »branches or (less representative, but more convenient) the back

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, wärtigen Fläche des Lasers entnommen wird. 5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the actual surface of the laser is removed.

dass logische Mittel zum Auffinden von aufeinanderfolgenden that logical means of finding successive

Minimal- und Maximal-Modulationszuständen von vorausbe- Die einfachste Rückkopplungsanordnung korrigiert ledig- Minimum and maximum modulation states of advance- The simplest feedback arrangement only corrects-

stimmter Dauer im Modulationseingang der Quelle vorhanden Änderungen des Schwellwerts, wozu nur eine langsame sind, welche Mittel die Schalter derart steuern, dass diese letzte- 45 Gleichstromrückkopplung nötig ist. Der von der Steilheit der ren den Verstärkerausgang nur während der erwähnten aufein- Modulationskennlinien abhängende Wirkungsgrad der Laser ist anderfolgenden Zustände abtasten. jedoch sehr unterschiedlich. Manche Laser benötigen z.B. zur There is a certain duration in the modulation input of the source. Changes in the threshold value, for which reason only a slow one, which means the switches control in such a way that this last direct current feedback is necessary. The efficiency of the laser, which depends on the steepness of the amplifier output only during the mentioned modulation characteristics, is to sense the following conditions. however very different. Some lasers need e.g. to

6. Anordnung nach Patentanspuch 1, dadurch gekennzeich- vollen Modulation einen Strom von lediglich 1mA, andere von net, dass die Überwachungsmittel eine Photodetektordiode 100 m A. Der erwähnte Wirkungsgrad ist auch von der Lebens- 6. Arrangement according to patent claim 1, characterized by a modulation current of only 1 mA, others by net that the monitoring means have a photodetector diode 100 m A. The efficiency mentioned is also dependent on the

(20), an welche ein Teil der optischen Ausgangsleistung der s» dauer und, etwas weniger, von der Temperatur abhängig. (20), to which part of the optical output power depends on the duration and, somewhat less, on the temperature.

Quelle angelegt wird, weiter einen Wechselstromverstärker Merkmale der erfindungsgemässen Anordnung sind Source is applied, further an AC amplifier features of the arrangement according to the invention

(21), an welchen der Photodetektordiodenausgang angeschlos- dem Wortlaut des Patentanspruchs 1 zu entnehmen. (21), to which the photodetector diode output can be deduced from the wording of patent claim 1.

sen ist, und schliesslich einen Gleichstromverstärker (23), an Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nun anhand der welchen gleichfalls der Photodetektordiodenausgang ange- Zeichnung näher erläutert werden, in welcher die Fig. 1 bis 3 je schlössen ist, enthalten, dass die Mittel zur Ableitung des zwei- 55 e'ne Ausführungsform der Anordnung angeben. sen, and finally a direct current amplifier (23), using exemplary embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to which also the photodetector diode output, in which FIGS. 1 to 3 are closed, contain that the means for deriving the specify two- 55 an embodiment of the arrangement.

ten Signals (PM) durch einen Hüllkurvengleichrichter (22) dar- Bei 311611 Beispielen wird vorausgesetzt, dass die aus der gestellt sind, und dass die Mittel zur Ableitung der ersten Quelle (d.h. z.B. aus einem GaAs-Dauerstrichlaser) austre- th signal (PM) by an envelope rectifier (22). In 311611 examples it is assumed that these are made of and that the means for deriving the first source (i.e. e.g. from a GaAs continuous wave laser) emerge.

Signals (P„) durch einen Differentialverstärker (24) dargestellt tende optische Leistung überwacht wird, entweder indem ein sind, an dessen Eingang das Ausgangssignal des Gleichstrom- Teil1168 aus der Stirn- oder Arbeitsfläche des Lasers austreten- Optical power represented by a differential amplifier (24) is monitored by either a signal, at the input of which the output signal of the direct current part 1168 emerges from the end or working surface of the laser.

verstärkers (23) und an dessen anderen Eingang die halbe «> den Lichtes abgezweigt oder indem (weniger repräsentativ, amplifier (23) and at the other input half «> the light or by (less representative,

Ausgangsspannung des Hüllkurvengleichrichters (22) angelegt jedoch bequemer) der rückwärtigen Fläche des Lasers ein Teil wird. des Lichts entnommen wird, zu welchem Zwecke ein kleines Output voltage of the envelope rectifier (22) but more convenient) the rear surface of the laser becomes a part. of light is taken for what purpose a small one

7. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn- Fenster angebracht werden kann. 7. Arrangement according to claim 1, characterized gekenn- window can be attached.

zeichnet, dass die Lichtenergiequelle ein Dauerstrich-Halblei- In der Anordnung gem. Fig. 1 wird die optische Leistung terlaser ist. (>s durch eine Photodetektordiode 1 überwacht, deren Ausgangssignal einem gleichstromgekoppelten Breitbandverstärker 2 records that the light energy source is a continuous wave semi- In the arrangement acc. Fig. 1 is the optical power terlaser. (> s monitored by a photodetector diode 1, the output signal of a DC-coupled broadband amplifier 2

zugeführt wird. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers, durch eine Diode 3 gespeist, durch einen Widerstand 4 vorgespannt is fed. The output signal of this amplifier, fed by a diode 3, biased by a resistor 4

3 3rd

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und durch einen Kondensator 5 integriert, bildet ein Signal Pj, welches dem Pegel der maximalen Modulation entspricht; für den Fall, dass der Laser durch ein Binärsignal derart moduliert wird, dass «1» das Maximum und «0» das Minimun oder die Schwellwert-Modulation darstellen, entspricht die maximale Modulation Pt einer binären «1». Das durch eine zweite, entgegengesetzt als Diode 3 gepolte Diode 6 gespeiste Ausgangssignal des Verstärkers, integriert im Kondensator 7, bildet ein Signal P0, welches den Pegel der minimalen Schwellwertmodulation darstellt. Das Signal P0 wird dann vom Signal P, im Stromkreis 9 subtrahiert, wodurch ein Signal PM entsteht, welches die Modulationstiefe der Quelle angibt. Das Signal PM wird an einen Komparator 10 weitergeleitet zusammen mit einem Referenzsignal PM (ref), welches die gewünschte Modulationstiefe darstellt. Das Ausgangssignal des Komparators wird in den Modulationsstromkreis rückgeführt, um den Modulationsstrom nötigerweise zu erhöhen oder herabzusetzen. In ähnlicher Weise wird das Signal P0 zusammen mit einem Referenzsignal P0 (rcj) einem Kompensator 11 zugeleitet. Das Komparatoraus-gangssignal wird rückgeführt, um die an den Laser angelegte Gleichvorspannung zu steuern. Das erwähnte Referenzsignal P0 (ref) stellt den gewünschten Schwellwert-Modulationspegel dar. Der Vorteil einer solchen Anordnung ist darin zu erblicken, and integrated by a capacitor 5 forms a signal Pj which corresponds to the level of the maximum modulation; in the event that the laser is modulated by a binary signal in such a way that “1” represents the maximum and “0” represents the minimum or the threshold value modulation, the maximum modulation Pt corresponds to a binary “1”. The output signal of the amplifier, which is fed by a second diode 6, which is polarized in the opposite direction as diode 3, integrated in the capacitor 7, forms a signal P0 which represents the level of the minimum threshold value modulation. The signal P0 is then subtracted from the signal P, in the circuit 9, resulting in a signal PM which indicates the modulation depth of the source. The signal PM is forwarded to a comparator 10 together with a reference signal PM (ref), which represents the desired modulation depth. The output signal of the comparator is fed back into the modulation circuit in order to increase or decrease the modulation current if necessary. Similarly, the signal P0 is fed to a compensator 11 together with a reference signal P0 (rcj). The comparator output signal is fed back to control the DC bias applied to the laser. The reference signal P0 (ref) mentioned represents the desired threshold modulation level. The advantage of such an arrangement can be seen in the fact that

dass ein verhältnismässig langsamer Photodetektor und Verstärker verwendbar ist, falls das Binärsignal lange Folgen von Einsern oder Nullen enthält. that a relatively slow photodetector and amplifier can be used if the binary signal contains long sequences of ones or zeros.

In der zweiten Anordnung gem. Fig. 2 wird das Ausgangssignal aus dem Photodetektor 20 zwei Verstärkern zugeführt. Dem Wechselstromverstärker 21 und dem Gleichstromverstärker 23. Das Ausgangssignal aus dem Verstärker 21 wird in einen Hüllkurven-Gleichrichter 22 gespeist und erzeugt ein Signal PM, welches dann dem Komparator 10, wie vorher, zugeführt wird. In diesem Falle stellt PM die Spitze-zu-Spitze-Leistung des optischen Ausgangssignals dar. Das Ausgangssignal des gleichstromgekoppelten Verstärkers 23 repräsentiert die mittlere Leistung des optischen Ausgangssignals. Das Signal PM wird zur Hälfte über einen Spannungsteiler, gebildet durch ein Widerstandsnetzwerk, dem Stromkreis 24 zugeleitet, wo es vom Ausgangssignal des Verstärkers 23 subtrahiert wird. Das Ausgangssignal aus dem Stromkreis 24 bildet das Signal P0, welches denn dem Komparator 11 wie voher zugeleitet wird: Sollen die Signale PM und P„ genau sein, müssen die Verstärkungen der Verstärker 21 und 23 aneinander angepasst sein. According to the second arrangement. 2, the output signal from the photodetector 20 is fed to two amplifiers. The AC amplifier 21 and the DC amplifier 23. The output signal from the amplifier 21 is fed into an envelope rectifier 22 and generates a signal PM, which is then fed to the comparator 10, as before. In this case, PM represents the peak-to-peak power of the optical output signal. The output signal of the DC-coupled amplifier 23 represents the average power of the optical output signal. Half of the signal PM is fed to the circuit 24 via a voltage divider, formed by a resistor network, where it is subtracted from the output signal of the amplifier 23. The output signal from the circuit 24 forms the signal P0, which is then fed to the comparator 11 as before: If the signals PM and P "are to be exact, the amplifications of the amplifiers 21 and 23 must be matched to one another.

Die Fig. 3 gibt eine dritte Ausführungsmöglichkeit an. Das Ausgangssignal aus der Photodetektordiode 30 wird einem 3 shows a third embodiment. The output signal from the photodetector diode 30 becomes one

Gleichstrom-Breitbandverstärker 31 zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers wird durch Schalter S, und S0 zu der entsprechenden Zeit abgetastet, wodurch man die «1»- und «0»-Pegel erhält, welche in den Kondensatoren 32 bzw. 33 s integriert werden. Das Signal P0 am Kondensator 33 wird, wie vorher, dem Komparator 22 zugeteilt, und erzeugt ein Rückkopplungssignal für die Gleichvorspannungssteuerung. Gleichzeitig wird das Signal P0 am Kondensator 33 vom Signal P, am Kondensator 32 im Stromkreis 34 subtrahiert, wodurch das die m Modulationstiefe angebende Signal PM erzeugt wird, welches dann an den Komparator 10 angelegt wird, um ein Rückkopplungssignal für die Moldulationsstrom-Steuerung zu erzeugen. Diese Anordnung eignet sich auch für die Ternärmodulation eines Lasers, in welchem Falle jedoch drei Schalter benötigt i<i würden. In einer Anordnung mit vielen Pegeln wäre es möglich, den von der Steilheit der Laserkennlinien abhängenden Wirkungsgrad zu linearisieren. Die Anordnung kann auch Daten mit Gleichstrominhalt übertragen; hierzu müssten jedoch spezielle Empfänger entworfen werden. DC broadband amplifier 31 supplied. The output signal of this amplifier is sampled by switches S, and S0 at the appropriate time, thereby obtaining the "1" and "0" levels which are integrated in the capacitors 32 and 33 s, respectively. The signal P0 on capacitor 33, as before, is assigned to comparator 22 and generates a feedback signal for DC bias control. At the same time, the signal P0 on the capacitor 33 is subtracted from the signal P on the capacitor 32 in the circuit 34, whereby the signal PM indicating the m modulation depth is generated, which is then applied to the comparator 10 in order to generate a feedback signal for the regulation current of the regulation current . This arrangement is also suitable for the ternary modulation of a laser, in which case, however, three switches would be required i <i. In an arrangement with many levels, it would be possible to linearize the efficiency, which depends on the steepness of the laser characteristics. The arrangement can also transmit data with DC content; however, special receivers would have to be designed for this.

2(1 2 (1st

In allen Ausführungsbeispielen wurden die Signale PM und P0 abgeleitet; sollten die nötigen Schaltungen zur Ableitung des Signals PM fehlen, kann P0 selbst ein nützliches Steuersignal für den Modulator darstellen. Der Grund hierzu ist folgender: 25 Wenn sich die Kennlinie der Lasers z.B. durch Altern ändert, kann die Bestimmung des mittleren Punktes der Kennlinie selbst, gekoppelt mit einer festen Modulationstiefe, in einem Po-Signal resultieren, welches sich nicht mehr im linearen Teil der Kennlinie befindet, oder - noch schlimmer - welches unter den m Schwellwert abgesunken ist. Wird jedoch das Signal P0 immer so gesteuert, dass es sich in der optimalen Lage befindet, dann ist es nicht mehr von grosser Tragweite, wenn sich bei fester Modulationstiefe das Signal P, vom linearen Teil der Kennlinie entfernt. In all exemplary embodiments, the signals PM and P0 were derived; should the necessary circuits for deriving the signal PM be missing, P0 itself can be a useful control signal for the modulator. The reason for this is as follows: 25 If the characteristic curve of the laser e.g. changes due to aging, the determination of the middle point of the characteristic curve itself, coupled with a fixed modulation depth, can result in a Po signal which is no longer in the linear part of the characteristic curve or - even worse - which has dropped below the m threshold value . However, if the signal P0 is always controlled in such a way that it is in the optimal position, then it is no longer of great importance if the signal P moves away from the linear part of the characteristic curve at a fixed modulation depth.

.vs .vs

In einer weitern Abwandlung der Anordnung gem. Fig. 3 ist es möglich, nicht gezeigte logische Mittel zu verwenden, welche den Dateneingang zum Laser überwachen, um das Auftreten von langen Folgen von Einsern oder Nullen zu bestimmen. Die 4" logischen Mittel können dann die Abtastschalter S, und S0 steuern, so dass die Abtastung nur beim Auftreten der erwähnten Folgen stattfindet. Dies ermöglicht der Anordnung gem. Fig. 3 zufriedenstellend zu'arbeiten, wenn ein verhältnismässig langsam ansprechender Photodetektor und Verstärker verwen-■45 detwird In a further modification of the arrangement acc. Fig. 3 it is possible to use logic means, not shown, which monitor the data input to the laser to determine the occurrence of long sequences of ones or zeros. The 4 "logic means can then control the sampling switches S, and S0, so that the sampling only takes place when the mentioned sequences occur. This enables the arrangement according to FIG. 3 to work satisfactorily if a relatively slow-response photodetector and amplifier are used - ■ 45 detw

C C.

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings