DE19525918A1 - Einrichtung zum Überwachen eines leistungsgeregelten Lasers - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Datenüber­ tragung, bei der ein optischer Sender bei elektrischer An­ steuerung energiereiche Strahlung emittiert. Der Sender ist üblicherweise als Laser (Laserdiode) ausgebildet, an den ein Lichtwellenleiterende zur Datenübertragung (lösbar) ankoppel­ bar ist. Das Lichtwellenleiterende kann dazu von einem geeig­ neten Lichtwellenleitersteckerstift aufgenommen sein.

Eine besondere Gefahr geht von dem Laser aus, wenn dieser in­ folge eines Regelungs- oder Ansteuerdefekts unbemerkt und un­ erwünscht Strahlung mit einer hohen Intensität abgibt, die zu einer Schädigung der Umwelt, insbesondere der Augennetzhaut von Lebewesen, führen kann.

Vor diesem Hintergrund sind mechanische Schutzvorrichtungen bekannt (JP-A-57-142607; JP-A-57-158606), die den Laser nach außen hin mechanisch abdecken, solange (noch) kein Lichtwel­ lenleiter angekoppelt ist. Diese Vorrichtungen sind nicht nur im Hinblick auf die auf dem Gebiet der optischen Datenüber­ tragung üblicherweise kleinen Baugrößen konstruktiv und fer­ tigungstechnisch problematisch; ein Ermüden und/oder ein Bruch der mechanischen Schutzvorrichtungen und der damit ein­ hergehende Verlust der Schutzwirkung kann ungünstigstenfalls unbemerkt bleiben.

Die EP-A2-0 437 152 beschreibt ein elektronisches Sicher­ heitssystem, das nach dem "Handshake-Prinzip" (OFC/open fiber control) arbeitet. Durch Überwachung innerhalb bestimmter Zeitfenster eintreffender oder ausbleibender erwartet er optischer Signale wird festgestellt, ob die optische Ver­ bindung zwischen zwei korrespondierenden Sende/Empfangsein­ richtungen (Transceivern) und damit auch das korrekte Ein­ stecken der Lichtwellenleitersteckerstifte zuverlässig gewährleistet ist. Das System erfordert eine vergleichsweise aufwendige Initialisierungsprozedur und beidendig der Kommunikationsstrecke aufwendig ausgestattete Transceiver.

Ein weiterer Entwicklungstrend geht dahin, die von dem Laser bei einwandfrei er Funktion abgegebene Strahlungsdosis soweit zu limitieren, daß sie für die Umwelt und insbesondere für Lebewesen unschädlich ist. Wie bei dem vorgenannten Schutz­ prinzip besteht auch bei diesem bei Verlust der Schutzwirkung z. B. aufgrund von Schaltungsfehlern die Gefahr, daß der La­ ser ungeschützt hohe Strahlungsdosen abgibt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Einrichtung zum Überwachen eines leistungsgeregelten Lasers, die auch bei Defekten im Leistungsregelkreis und in der Ansteuerschaltung des Laser oder bei leistungserhöhenden Kurzschlüssen der Laserschaltung die Abstrahlung unkontrol­ liert starker Strahlung zuverlässig unterbindet.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zum Überwachen eines leistungsgeregelten Lasers erfindungsgemäß gelöst durch

• - einen Fensterkomparator,
  • - der eingangsseitig mit einem laserleistungsabhängigen Meß­ wert beaufschlagbar ist und
  • - der ein Ausgangssignal abgibt, wenn der Meßwert außerhalb des Komparatorfensters liegt,
• - eine Verknüpfungseinheit,
  • - die eingangsseitig einerseits mit dem Fensterkomparator- Ausgangssignal und andererseits mit dem zeitlich verzögerten Fensterkomparator-Ausgangssignal beaufschlagt ist, und
  • - die ein Verriegelungssignal abgibt, wenn gleichzeitig das Ausgangssignal und das zeitlich verzögerte Ausgangssignal anliegen, und
• - eine Verriegelungseinheit,
  • - die durch das Verriegelungssignal verriegelbar ist und
  • - die im verriegelten Zustand ein Steuersignal zur Vermin­ derung oder Abschaltung der Laserleistung abgibt. Ein wesent­ licher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Laser für eine Leistungsabgabe im störungsfreien Betrieb ausgelegt wer­ den kann, die nur wenig unterhalb des zulässigen Grenzwerts (z. B. für die Laserklasse 1) liegt. Eine wesentliche Kompo­ nente der Erfindung besteht in der zeitlich verzögerten Wei­ terleitung des Fensterkomparator-Ausgangssignals an den zweiten Eingang der Verknüpfungseinheit. Dadurch werden näm­ lich kurzfristige anormale Zustände des Lasers (z. B. während der Einschwingphase), die zu einem außerhalb des Fen­ sterbereichs liegenden Meßwert führen, in im Hinblick auf eine kontinuierliche Datenübertragung vorteilhafter Weise toleriert. Außerdem ermöglicht die Verzögerung mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln eine Hochfahrzeit, innerhalb derer der im Fensterbereich liegende Sollwert des Meßwertes erreichbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird in vorteilhafter Weise verhindert, daß weder Fehler bei der Meßwerterfassung, bei der Meßwertübertragung, im Stell- bzw. Regelkreis des Lasers noch schaltungstechnische Fehler und/oder Kurzschlüsse zu einer unzulässig hohen Leistungsab­ gabe des Laser führen. Die Einrichtung ist daher auch beson­ ders zum ergänzenden Einsatz bzw. zur Redundanz bei "open fi­ ber control"-Systemen geeignet.

Das Steuersignal kann beispielsweise auf die Ansteuerschal­ tung für den Laser einwirken; nach besonders bevorzugten Aus­ gestaltungen der Erfindung wirkt das Steuersignal unmittelbar auf die Spannungsversorgung des Lasers und/oder auf die Refe­ renzgröße des Laserleistungsregelkreises ein.

Eine schaltungstechnisch bevorzugte Ausgestaltung der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung sieht vor, daß das Ausgangssignal des Fensterkomparators über eine weitere Verknüpfungseinheit mit einem Freigabesignal zur Freigabe des Sendebetriebs des Lasers verknüpft ist und daß der weiteren Verknüpfungseinheit eine Verzögerungseinheit nachgeordnet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Regelkreis mit einer Ansteuerschal­ tung für eine Laserdiode,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung und

Fig. 3 beim Betrieb der Einrichtung gemäß Fig. 2 auftre­ tende Signalzustände.

Fig. 1 zeigt eine Laserdiode LD, deren Anode über einen Schalttransistor T1 mit einer Versorgungsspannung VCC von 5 V verbunden ist. Die Kathode ist mit einem weiteren Transistor T2 verbunden, so daß über die an der Basis des Transistors T2 anliegende Ausgangsspannung eines Operationsverstärkers OP1 die Laserleistung gesteuert wird. Der eine Eingang (+) des Operationsverstärkers OP1 ist mit einer Referenzspannung Ur beaufschlagt. Der andere Eingang (-) ist mit dem Ausgangssi­ gnal eines als Strom/Spannungswandlers ausgelegten Opera­ tionsverstärkers OP2 verbunden. Der Operationsverstärker OP2 wird eingangsseitig (-) von dem Diodenstrom einer Monitor­ diode MD beaufschlagt. Die Monitordiode MD ist in an sich be­ kannter Weise im Abstrahlungsbereich der Laserdiode LD ange­ ordnet, so daß sich ihr Diodenstrom IMD in Abhängigkeit von der tatsächlich abgegebenen Leistung der Laserdiode LD verän­ dert und damit als Eingangsgröße für den Laserdiodenregel­ kreis zur Verfügung steht.

Bei einem Defekt der den Regelkreis bildenden Bauteile oder bei Kurzschlüssen kann jedoch die Regelung der Laserdioden­ leistung versagen, so daß die Laserdiode LD auf ein unzuläs­ siges hohes Leistungsniveau geregelt wird daher bei betriebs­ gemäßer Ansteuerung eine zu hohe Strahlungsdosis abgibt.

In Fig. 1 sind folgende mögliche Defekte angedeutet: Der Anschluß der Monitordiode MD kann zerstört sein (durch die gestrichelte Linie (a) angedeutet), wodurch der Regelkreis fälschlicherweise von einem Monitordiodenstrom von 0 ausgeht und durch entsprechende Aufsteuerung des Transistors T2 die Laserleistung ungerechtfertigterweise erhöhen würde. Ein weiterer mit einer gestrichelten Linie (b) angedeutet er möglicher Defekt besteht darin, daß die Kathode der Laser­ diode unmittelbar eine Masseverbindung erhält. In diesem Fall gibt die Laserdiode ungeregelt ihre maximale Leistung ab, ohne daß der Regelkreis leistungsmindernd einwirken könnte.

Die erfindungsgemäße Einrichtung greift auf einen laserlei­ stungsabhängigen Meßwert MP zurück, der durch Abgreifen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP2 direkt als Istwert aus dem Regelkreis gewonnen wird. Selbstverständlich ist auch ein Abgriff einer spannungsgewandelten anderen la­ serleistungsabhängigen Größe an anderer Stelle - beispiels­ weise unmittelbar an der Monitordiode MD - denkbar. Wie nach­ folgend näher erläutert, kann erfindungsgemäß durch Auswer­ tung des Meßwertes MP auf die Funktionsfähigkeit der Laserre­ gelung und des Lasers geschlossen werden. Ein Laserfreigabe­ signal LE wird invertiert und versetzt den Laser über ein ODER-Gatter OD1 bedarfsweise in einen sendebereiten Zustand. Nur im sendebereiten Zustand kann der Laser Lichtimpulse gemäß nicht näher beschriebener Ansteuerimpulse abgeben.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Fensterkomparator FC, dem eingangsseitig der Meßwert MP zugeleitet wird. Der Fenster­ komparator gibt ein Signal LOW (L) ab, solange sich der Meß­ wert MP im Fensterbereich FB zwischen fensterbegrenzenden unteren RefU bzw. oberen Referenzwerten RefO (vgl. Fig. 3) befindet. Schwankungen der Laserausgangsleistung innerhalb des Fensterbereichs werden so toleriert. Liegt der Meßwert MP außerhalb des Komparatorfensters, gibt der Komparator FC ein Ausgangssignal FCA mit dem Wert HIGH (H) ab. Der Ausgang des Fensterkomparators FC ist einerseits mit einem ersten Eingang E1 einer UND-Verknüpfungseinheit UND1 und andererseits mit einem ersten Eingang E3 einer weiteren UND-Verknüpfungsein­ heit UND2 verbunden. Die weitere UND-Verknüpfungseinheit UND2 ist eingangsseitig auch von dem Freigabesignal LE beauf­ schlagt. Der Ausgang A2 der UND-Verknüpfungseinheit UND2 ist mit dem Eingang eines Verzögerungsgliedes QD verbunden, das jedes anliegende Eingangssignal mit einer vorgebbaren Verzö­ gerungszeit td einem zweiten Eingang E2 der ersten UND-Ver­ knüpfungseinheit UND1 zuführt. Das Ausgangssignal der ersten UND-Verknüpfungseinheit beaufschlagt eine Verriegelungsschal­ tung LCH. Die Verriegelungsschaltung LCH reagiert auf die steigende Flanke (von L auf H) des Verriegelungssignals LFD der UND-Verknüpfungseinheit UND1. Wenn eine steigende Flanke des Signals LFD auftritt, verriegelt die Verriegelungseinheit LCH und gibt von diesem Zeitpunkt an fortlaufend ein Steuersignal LF zur Verminderung oder Abschaltung der La­ serleistung ab.

Fig. 3 zeigt für verschiedene Fallgestaltungen die jeweils auftretenden Signale. In der obersten Zeile der Fig. 3 ist über der Zeit t der Meßwert MP als Maß für die mittlere opti­ sche Leistung der Laserdiode aufgetragen. Der Meßwert MP ver­ läuft zeitweise innerhalb und zeitweise außerhalb des Fen­ sterbereichs FB des Fensterkomparators. Die darunter liegen­ den Zeilen zeigen den zeitlichen Verlauf des Freigabesignals LE, des Steuersignals LF (Schaltungspunkt 4), des Fenster­ komparator-Ausgangssignals FCA (Schaltungspunkt 1), des Ausgangssignals FCA′ des Verzögerungsglieds QD (Schaltungs­ punkt 2) und des Verriegelungssignals LFD (Schaltungspunkt 3). Die an den Schalungspunkten 1 bis 4 auftretenden Signale können den Wert LOW (L) oder HIGH (H) annehmen. Die letzte Zeile zeigt schematisch das Vorhandensein oder Fehlen der Versorgungsspannung VCC bzw. eines Resetsignals RST.

Die erste Spalte der Fig. 3 zeigt das Einschaltverhalten beim betriebsgemäßen störungsfreien Einschalten des Lasers (Hochlaufphase). Bei Vorliegen (H) des Freigabesignals LE er­ folgt aufgrund der Invertierung vor dem ODER-Gatter OD1 (Fig. 1) keine Leistungsunterbrechung, sondern der Laser er­ reicht während einer Einschwingzeit den betriebsgemäßen Zu­ stand mit einer mittleren Ausgangsleistung, die innerhalb des Fensterbereichs FB liegt. Unter mittlerer Leistung ist die gemäß nicht näher erläuterter Ansteuerdaten oder -pulse in einem Zeitintervall insgesamt abgestrahlte Leistung zu verstehen. Da zu Beginn des Einschaltvorgangs die optische Leistung der Laserdiode LD noch außerhalb des Fensterbereichs FB liegt, nimmt das Ausgangssignal FCA des Fensterkomparators FC zunächst den Wert H an. Das Ausgangssignal fällt auf L zurück, nachdem der Meßwert MP den Fensterbereich FB erreicht hat. Das gemäß der Verzögerungszeit td verzögerte Ausgangs­ signal FCA′ tritt als Impuls mit dem Wert H auf. Aufgrund des zeitlich um td verzögerten Auftretens des Signals FCA′ wird die UND-Verknüpfungseinheit UND1 an ihren Eingängen E1, E2 nicht gleichzeitig mit den Werten H beaufschlagt, so daß das Signal LFD stets den Wert L behält (3). Der Wert L führt nicht zum Verriegeln der Verriegelungseinheit LCH, so daß auch kein leistungsunterbrechendes Steuersignal LF auftritt.

Die zweite Spalte der Fig. 3 betrifft den Fall, daß eine un­ erwünschte Erhöhung der optischen Leistung der Laserdiode LD (Laserfehler) und damit ein Auswandern des Meßwertes MP aus dem Fensterbereich FB eintritt. Beim Überschreiten des Refe­ renzwerts RefO wechselt das Fensterkomparator-Ausgangssignal FCA auf H. Nach der Verzögerungszeit td nimmt auch das Ausgangssignal FCA′ den Wert H an. Da nun gleichzeitig an den Eingängen E1, E2 der Wert H liegt, nimmt auch die UND- Verknüpfungseinheit UND1 ausgangsseitig (3) den Wert H an. Mit der steigenden Flanke des Signals LFD verriegelt die Verriegelungseinheit LCH und gibt ab diesem Zeitpunkt t1 fortlaufend das Steuersignal LF ab.

Wie in Fig. 1 angedeutet, wirkt das Steuersignal LF über das ODER-Gatter OD1 an mehreren Schaltungspunkten gleichzeitig auf die Laserleistungsregelung ein und kann so die Emission von Laserstrahlung unterbinden oder erheblich einschränken. Das Steuersignal wirkt auf die Referenzspannung Ur ein, so daß am Operationsverstärker OP1 eingangsseitig (+) keine Spannung mehr anliegt. Der Operationsverstärker OP1 regelt demgemäß die Leistung der Laserdiode LD über den Transistor T2 zu 0. Gleichzeitig wirkt das Steuersignal LF auch auf die Spannungsversorgung des Operationsverstärkers OP1 ein. Bevor­ zugt wirkt das Steuersignal LF auch auf den Transistor T1 derart ein, daß die Verbindung der Laserdiode LD zur Versor­ gungsspannung VCC unterbrochen wird. Dadurch ist in jedem Fall sichergestellt, daß die Laserdiode LD keine weitere Strahlung mehr abgeben kann. Dies ist insbesondere bei dem in Fig. 1 mit (b) bezeichneten Fehlerfall vorteilhaft.

Die dritte Spalte der Fig. 3 zeigt ausgehend von dem vorher beschriebenen Fehlerfall das Zurücksetzen der Einrichtung und das erneute Einschalten. Die letzte Zeile der Fig. 3 zeigt in diesem Fall den zeitlichen Verlauf eines Resetsignals RST. Das Resetsignal RST (Fig. 2) wirkt invertiert auf einen wei­ teren Eingang E4 der UND-Verknüpfungseinheit UND2, so daß an deren Ausgang A2 der Wert L auftritt. Demgemäß wechselt das verzögerte Ausgangssignal FCA′ nach der Verzögerungszeit td wieder auf den Wert L, so daß auch das Signal LFD auf den Wert L zurückfällt. Aufgrund der Verriegelung besteht das Steuersignal LF zunächst weiter. Nach Beendigung des Reset­ impulses RST am Reseteingang fällt die Verriegelungseinheit wieder in den unverriegelten Zustand zurück, so daß das Steuersignal LF den Wert L annimmt (4). Mit Ende der Ver­ riegelung kann die Laserdiode LD ihre Leistung wieder hoch­ fahren, bis diese gemäß dem im Fensterbereich FB befindlichen Meßwert MP die gewünschte Stärke erreicht hat. Dann fällt auch das Ausgangssignal FCA des Fensterkomparators auf den Wert L zurück, wobei während der Hochlaufphase das verzögerte Ausgangssignal FCA′ wie vorstehend beschrieben erst verzögert auf den Wert L zurückfällt.

Die vierte Spalte der Fig. 3 zeigt eine betriebsgemäße Ab­ schaltung der Laserdiode durch Veränderung des Freigabesi­ gnals LE auf den Wert L. Dabei wird zur Sicherheit (wie in Figur l angedeutet) unmittelbar über das ODER-Gatter OD1 auf die Laserleistung eingewirkt (Signal = H), so daß der Meßwert MP entsprechend fällt. Nachdem der Fensterbereich FB verlassen worden ist, gibt der Fensterkomparator ein Aus­ gangssignal FCA = H ab. Ein nachfolgender Einschaltvorgang ist ohne weiteres möglich, wenn das Freigabesignal LE wieder den Wert H annimmt. Demgemäß wird das Signal = L und ermöglicht einen Hochlauf der Laserleistung, wodurch das Ausgangssignal FCA auf den Wert L zurückgeht. Da beim betriebsgemäßen Abschalten des Lasers keine Verriegelung erfolgt (vgl. Signal LFD), ist ein Wiedereinschalten des Lasers ohne die zuvorbeschriebene Reset-Prozedur möglich.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, daß entgegen der in Fig. 2 figürlich dargestellten Ausgestaltung separat eine Verzöge­ rung des Ausgangssignals des Fensterkomparators FC vor der Zuleitung zum Eingang E3 und entsprechend eine individuelle Verzögerung des Freigabesignals LE vor Zuführung zur UND-Ver­ knüpfungseinheit UND2 erfolgen und das Verzögerungsglied QD entfallen kann.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Überwachen eines leistungsgeregelten La­ sers, gekennzeichnet durch

• - einen Fensterkomparator (FC),
  • - der eingangsseitig mit einem laserleistungsabhängigen Meß­ wert (MP) beaufschlagbar ist und
  • - der ein Ausgangssignal abgibt, wenn der Meßwert (MP) außerhalb des Fensterbereichs (FB) liegt,
• - eine Verknüpfungseinheit (UND1),
  • - die eingangsseitig einerseits (E1) mit dem Fensterkompara­ tor-Ausgangssignal (FCA) und andererseits (E2) mit dem zeitlich verzögerten Fensterkomparator-Ausgangssignal (FCA′) beaufschlagt ist, und
  • - die ein Verriegelungssignal (LFD) abgibt, wenn gleichzei­ tig das Ausgangssignal (FCA) und das zeitlich verzögerte Ausgangssignal (FCA′) anliegen, und
• - eine Verriegelungseinheit (LCH),
  • - die durch das Verriegelungssignal (LFD) verriegelbar ist und
  • - die im verriegelten Zustand ein Steuersignal (LF) zur Ver­ minderung oder Abschaltung der Laserleistung abgibt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (LF) auf die Spannungsversorgung (VCC) des Lasers (LD) einwirkt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal (LF) auf die Referenzgröße (Ur) des Laser­ leistungsregelkreises einwirkt.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (FCA) des Fensterkomparators (FC) über eine weitere Verknüpfungseinheit (UND2) mit einem Freigabesignal (LE) zur Freigabe des Sendebetriebs des Lasers (LD) verknüpft ist und daß der weiteren Verknüpfungseinheit (UND2) eine Verzögerungseinheit (QD) nachgeordnet ist.