DE19828427A1

DE19828427A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Regelung der Wellenlänge eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE19828427A1
Application number: DE1998128427
Authority: DE
Inventors: Ernst Rau
Original assignee: Litef GmbH
Current assignee: Northrop Grumman Litef GmbH
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 2000-02-10

Abstract

Das Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Regelung der Wellenlänge eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements (8), insbesondere einer Superlumineszenz- oder Laserdiode, dessen (deren) Emissionswellenlänge sowohl von der Temperatur des Bauelements (8) als auch vom Strom abhängig ist und das mittels eines ersten (inneren) Regelkreises (1 bis 4) in einer auf eine bestimmte Temperatur geregelten Umgebung mit einem von einem jeweils gesetzten Temperaturwert (T¶soll¶) abhängig vorgegebenen Strom betrieben wird, sieht erfindungsgemäß die Anwendung eines in Kaskade zum ersten Regelkreis geschalteten zweiten (äußeren) Regelkreises (9 bis 15) vor, mittels dessen nach dem Erreichen des Temperaturwerts (T¶soll¶) die Durchlaßspannung am Halbleiterbauelement (8) überwacht und bei Abweichung von einem Spannungssollwert ein Nachführsignal für den ersten (inneren) Regelkreis zur Temperaturnachführung erzeugt wird. DOLLAR A Mit der Erfindung wird eine wesentlich genauere Überwachung der tatsächlichen Betriebstemperatur des Halbleiterbauelements (8) erreicht und damit eine stabilere Wellenlänge garantiert, was beispielsweise bei der Anwendung in faseroptischen Kreiseln zu einer deutlichen Erhöhung der Skalenfaktorgenauigkeit beiträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Wellenlänge eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements, dessen Emissionswellenlänge sowohl von der Temperatur des Bauelements als auch vom Strom abhängig ist, und das in einer temperaturgeregelten Umgebung mit einem von dem jeweils gesetzten Temperaturwert abhängig vorgegebenen Strom betrieben wird.

Für hochgenaue lichtoptische Meßeinrichtungen, wofür faseroptische Kreisel oder allgemeiner bestimmte optische interferometrische Meßeinrichtungen Beispiele sind, wird eine Lichtquelle mit einer bestimmten, möglichst konstanten Wellenlänge benötigt, um beispielsweise aus der Phasenverschiebung des Lichts in der Interferometeranordnung eine Drehrate bestimmen zu können. Die Wellenlänge von Strahlung emittierenden Halbleiterbauelementen, insbesondere von Superlumineszenzdioden (SLDs) oder Laserdioden, ist sowohl von der Temperatur als auch vom Strom durch dieses Halbleiterbauelement abhängig. Im Falle von Faserkreiseln werden für weniger genaue Anwendungen SLDs ohne Kühlung bzw. Temperaturüberwachung eingesetzt. Für genauere Anforderungen jedoch werden diese Halbleiterbauelemente in einer temperaturgeregelten Umgebung, beispielsweise eingebaut in einen thermoelektrischen Kühler (TEC), betrieben, der in der Regel mit Peltier-Elementen bestückt ist, so daß sowohl Kühlung als auch Heizung möglich ist mit dem Vorteil einer hochgenauen Temperatureinstell- bzw. -regelmöglichkeit. Die Temperatur im Gehäuse der Kühl/Heizeinrichtung wird durch einen Temperaturfühler, insbesondere einen Thermistor oder NTC überwacht.

Bekannt ist es also mittels eines Regelkreises, der nachfolgend als erster Regelkreis bezeichnet wird, aus der vom Temperaturfühler gemessenen Tempe ratur einen vorzeichenrichtigen Strom für den thermoelektrischen Kühler zu ermitteln, so daß ein vorgegebener Temperatur-Sollwert genau eingehalten wird. Diese bekannte und bisher eingesetzte Regelung hat allerdings einen Nachteil:
Trotz geringer räumlicher Abstände in dem gemeinsamen Gehäuse entspricht die jeweils vom Temperaturfühler angezeigte Temperatur in der Regel nicht der wahren Chiptemperatur des Halbleiterbauelements, beispielsweise der SLD. Dadurch entsteht trotz sehr genauer Einhaltung der Temperaturvorgabewerte eine mehr oder weniger geringe Abweichung der von der Lichtquelle emittierten Lichtwellenlänge.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, die festgestellten Einflüsse auf die Wellenlänge zu beseitigen, die sich daraus ergeben, daß die tatsächliche Betriebstemperatur des in temperaturgeregelter Umgebung betriebenen Licht quellen-Bauelements nicht genau der von einem Temperaturfühler angezeigten Temperatur entspricht.

Die Erfindung basiert zunächst auf dem Gedanken, daß eine andere Stellgröße als die Temperatur in der Umgebung der Lichtquelle gefunden werden muß, auf die geregelt werden kann. Hierzu macht sich die Erfindung die physikalische Erkenntnis zunutze, daß die Spannung bei bestimmten Licht emittierenden Halbleiterbauelementen, insbesondere bei SLDs über einen weiten Bereich direkt proportional ist zur Temperatur. Geht man also von einem konstant gehaltenen Strom durch das SLD-Bauelement aus, so kann von der Durchlaßspannung direkt auf die Temperatur geschlossen werden.

Hinsichtlich des Verfahrens zur Regelung der Wellenlänge eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements, dessen Emissionswellenlänge sowohl von der Temperatur des Bauelements als auch vom Strom abhängig ist, und das in einer temperaturgeregelten Umgebung mit einem von dem jeweils gesetzten Temperaturwert T_soll abhängig vorgegebenen Strom I_SLD betrieben wird, ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung des Halbleiter bauelements erfaßt und gegen einen durch den gesetzten Temperaturwert T_soll festgelegten Spannungswert verglichen wird, und daß bei einer Abweichung der beiden Spannungswerte die Umgebungstemperatur des Bauelements nach geregelt wird.

Gemäß der Erfindung wird also die Durchlaßspannung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements, beispielsweise an der SLD als Regelgröße eines äußeren (zweiten) Regelkreises in einem kaskadierten Regelsystem eingesetzt.

Eine Regelungsanordnung oder Regelschaltung für die Wellenlänge eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements, insbesondere einer SLD, deren Emissionswellenlänge sowohl von der Temperatur des Bauelements als auch vom Strom abhängig ist und das in einer mittels eines ersten Regelkreises auf eine bestimmte Temperatur geregelte Umgebung mit einem von dem jeweils gesetzten Temperaturwert abhängig vorgegebenen Strom betrieben wird, ist erfindungs gemäß gekennzeichnet durch einen äußeren, in Kaskade zum ersten Regelkreis geschalteten zweiten Regelkreis, der nach dem Erreichen des Temperaturwerts T_soll für die Umgebungstemperatur die Durchlaßspannung am Halbleiterbau element überwacht und bei Abweichung von einem Spannungssollwert ein Nach führsignal für den ersten Regelkreis zur Temperaturnachführung abgibt.

Bedingt durch Schwankungen bei der Herstellung können geringfügige Verschie bungen des Absolutwerts der optimierten Durchlaßspannung auftreten, die jedoch im vorliegenden Fall unerheblich sind, da nur die Temperaturabweichung als solche ausgewertet wird. Dazu wird zu einem bestimmten Zeitpunkt, der ent weder vom Temperaturfühler, also vom Thermistor oder NTC gesteuert wird, oder der durch eine Mindestwartezeit, in der das System garantiert eingeschwungen ist, erreicht wird, die momentane Spannung über dem Halbleiterbauelement, insbesondere die Diodenspannung festgehalten. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen, z. B. durch Verwendung eines Analogspeichers, oder, wie nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel beschrieben, mittels eines digitalen Potentiometers. Die "absolute Temperatur" wird hier durch den inneren (ersten) Regelkreis gewährleistet.

Mit Bezug auf die einzige Figur der beigefügten Zeichnung wird nachfolgend ein bevorzugtes und erprobtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement, insbesondere eine SLD 8 wird von einer temperaturabhängig steuerbaren Stromquelle 7 gespeist, deren Stellgröße I_SLD entsprechend dem Temperaturwert T_soll von einer externen Quelle, z. B. dem Prozessor der Regelschaltung eines faseroptischen Kreisels, vorgegeben wird. Die SLD 8 ist in einen thermoelektrischen Kühler 20 eingebaut und wird mittels eines ersten, inneren Regelkreises auf der optimierten gesetzten (Be triebs-) Temperatur T_soll gehalten. Der erste Regelkreis des thermoelektrischen Kühlers 20 umfaßt in bekannter Weise einen durch einen Temperaturfühler 2 (Thermistor oder NTC) gesteuerten Regler 1 (NTC-Regler), der über einen Lei stungsvertärker 3 (Treiber) ein thermoelektrisches Kühlaggregat 4 (Peltier-Ele mente) mit dem notwendigen Betriebsstrom versorgt. Die jeweilige Betriebstem peratur des Kühlaggregats 4 wird durch den Temperaturfühler 2 erfaßt. Ist ein bestimmter Temperaturwert erreicht, so wird über eine hier nicht dargestellte Prozessoreinheit der Steuerstromwert I_SLD eingestellt, durch den bezogen auf den gesetzten Temperaturwert T_soll über eine steuerbare Licht-Stromquelle 7 eine gewünschte optische Ausgangsleistung bei einer bestimmten Wellenlänge für die SLD 8 gewährleistet ist.

Wie bereits erwähnt, wurde jedoch festgestellt, daß die vom Temperaturfühler 2 angezeigte Temperatur nicht genau der wahren Temperatur des Chips der SLD 8 entspricht. Basierend auf der Erkenntnis, daß die Spannung der SLD 8 über einen weiten Bereich direkt proportional zur Betriebstemperatur ist, wird mit der Erfindung ein zweiter äußerer Regelkreis vorgeschlagen, mit dem zunächst die Spannung an der SLD 8 über einen Differenzverstärker 9 den einen Eingang eines Komparators 10 beaufschlagt, dessen zweiter Eingang im dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Analogausgang eines digitalen Potentiometers verbunden ist, bestehend aus einem Taktgenerator 11, einem Zähler 12 und ei nem D/A-Wandler (DAC) 13. Der Ausgang des Komparators 10 liefert einerseits ein Stop-Signal für den Taktgenerator (Clockgenerator) 11 und beaufschlagt andererseits den einen Eingang eines UND-Glieds 14. Der andere Eingang des UND-Glieds 14 liegt an einem Ausgang eines Vergleichers 6, der feststellt, ob die vom Temperaturfühler 2 gemessene Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Temperaturfensters, also insbesondere in einem engen Bereich um den gesetz ten Temperaturwert T_soll liegt. Der Vergleicher 6 liefert außerdem ein Startfrei gabesignal für den Taktgenerator 11. Das UND-Glied 14 steuert einen Schalter 5 (Torschaltung), über den dem Regler 1 eine zusätzliche Stellgröße von einem Spannungsregler 15 zuführbar ist, der eingangsseitig durch den Ausgang des D/A-Wandlers 13 als Sollgröße beaufschlagt ist. Aus der Sollgröße, die aus dem D/A-Wandler 13 bereitgestellt wird, und aus der Istgröße, die der Differenz verstärker 9 bildet und die sich nicht mehr ändert, wird eine Regelabweichung ermittelt, die wiederum als Führungsgröße an den Regler 1 weitergegeben wird, wenn der Schalter 5 geschlossen ist. Ein einmal eingestellter Strom für die Lichtquelle 7 wird nicht mehr variiert, d. h. es wird von der oben erwähnten physikalischen Beobachtung ausgegangen, daß eine Spannungsänderung an der SLD 8 ihren Ursprung in einer Temperaturänderung hat.

Die soweit beschriebene Regelungsschaltung arbeitet wie folgt:
Nach dem Einschalten der Stromversorgung ist der Schalter 5 zunächst offen. Der Regler 1 des ersten Regelkreises für den thermoelektrischen Kühler 20 mit Temperaturfühler 2, Treiber 3 und thermoelektrischen Kühlelementen 4 stellt eine gesetzte Temperatur T_soll intern ein. Als zweite Größe neben dem Betriebs strom für die Kühlelemente 4 gibt der Regler 1 noch die Temperatur aus, und zwar einerseits an den (nicht dargestellten) Prozessor zur Vorgabe der Steuer größe I_SLD sowie an den Vergleicher 6. Ist der Temperaturwert T_soll erreicht, so wird die Stromquelle 7 über den Steuerstromwert I_SLD auf einen konstanten Strom eingestellt. Die Spannung an der SLD 8 wird über den Differenzverstärker 9 zum Komparator 10 geführt. Sobald die Temperatur im Bereich von T_soll liegt, gibt der Vergleicher 6 den Taktgenerator 11 frei, der über den Zähler 12 und den D/A-Wandler 13 eine Spannung an den zweiten Eingang des Komparators 10 legt. Sobald der Komparator 10 Spannungsgleichheit mit der Spannung über der SLD 8 erkennt, schaltet sein Ausgangswert um, sperrt damit den Taktgene rator 1 1 und schaltet über das UND-Glied 14 den Schalter 5 frei, wobei die zweite Bedingung für die UND-Verknüpfung das in der Schaltung des Verglei chers 6 festgestellte Erreichen des Temperaturfensters ist. Für den Vergleicher 6 lassen sich gut sogenannte Fensterdiskriminatoren einsetzen. Für den glei chen Zweck eignen sich jedoch auch einfache Zeitverzögerungsschaltungen. Nach dem Schließen des Schalters 5 übernimmt die SLD-Spannungsregelung 15 als übergeordneter (zweiter) Regelkreis die Temperaturregelung für den thermo elektrischen Kühler 20 und damit auch für die SLD 8. Ersichtlicherweise ist da bei die vom D/A-Wandler 13 gelieferte Spannung die Sollgröße, während die Spannung über der SLD 8 die Istgröße wiedergibt.

Eine vorteilhafte Abwandlung bzw. Ergänzung der Schaltungsanordnung besteht darin, anstelle bzw. ergänzend zur Steuergröße I_SLD eine automatische Rege lung der optischen Leistung der SLD 8 vorzusehen. Dazu wird ein Teil des von der SLD 8 emittierten Lichts durch einen Strahlteiler (nicht dargestellt) auf eine Monitor-Diode gegeben und damit wird über einen weiteren Regelkreis 16, allge mein gebräuchlich unter der Bezeichnung "Automatic Power Control" (APC), der Strom der SLD 8 bestimmt. Ist ein bestimmter Sollwert der optischen Leistung erreicht, so wird der Betriebsstrom der SLD 8 bzw. die Steuergröße I_SLD eben falls "eingefroren".

Ein Vorteil dieser - in der Zeichnung gestrichelt wiedergegebenen - Schaltungs variante oder Schaltungsergänzung besteht darin, daß bei jedem Einschalten der SLD 8 die gleiche optische Leistung geliefert wird. Aus den dabei festgestell ten Unterschieden im Betriebsstrom und aus der Betriebszeit, die in einer über geordneten Elektronik ausgewertet werden können, lassen sich Informationen über die Alterung der SLD 8 bzw. der Laserdiode gewinnen, woraus eine Warn meldung über einen eventuellen Ausfall ableitbar ist.

Mit der Erfindung wird eine deutlich bessere Stabilität der Wellenlänge des Licht emittierenden Halbleiterbauelements, also insbesondere der SLD 8 erreicht.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Wellenlänge eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements, dessen Emissionswellenlänge sowohl von der Tempera tur des Bauelements als auch vom Strom abhängig ist, und das in einer tempe raturgeregelten Umgebung mit einem von dem jeweils gesetzten Temperaturwert (T_soll abhängig vorgegebenen Strom betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Betriebsspannung des Halbleiterbauelements (8) erfaßt und gegen einen durch den gesetzten Temperaturwert (T_soll) festgelegten Spannungswert verglichen wird und daß
- bei einer Abweichung der beiden Spannungswerte die Umgebungstempe ratur des Bauelements (8) nachgeregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement eine Superlumineszenzdiode verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung emittierendes Halbleiterbauelement eine Laserdiode verwendet wird.

4. Regelungsanordnung für die Wellenlänge eines Strahlung emittierenden Halbleiterbauelements (8), dessen Emissionswellenlänge sowohl von der Tempe ratur des Bauelements als auch vom Strom abhängig ist und das in einer mittels eines ersten Regelkreises (1, 2, 3, 4) auf eine bestimmte Temperatur geregelten Umgebung mit einem von dem jeweils gesetzten Temperaturwert (T_soll) abhängig vorgegebenen Strom (I_SLD) betrieben wird, gekennzeichnet durch einen äußeren in Kaskade zum ersten Regelkreis geschalteten zweiten Regelkreis (9 bis 15), der nach dem Erreichen des gesetzten Temperaturwerts (T_soll) die Durchlaßspannung am Halbleiterbauelement (8) überwacht und bei Abweichung von einem Spannungssollwert ein Nachführsignal für den ersten Regelkreis zur Temperaturnachführung abgibt.

5. Regelungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (8) eine Superlumineszenzdiode (SLD) oder eine Laser diode ist.

6. Regelungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Komparator (10), der die Durchlaßspannung am Halbleiterbauelement (8) gegen eine durch den gesetzten Temperaturwert (T_soll) bei dem vorgegebenen konstanten Strom (I_SLD) bestimmte Spannung vergleicht und bei Abweichung eine Torschaltung (14, 5) aktiviert, über welche das von einem Spannungsregler (15) des zweiten Regelkreises gelieferte Nachführsignal den ersten Regelkreis be aufschlagt.

7. Regelungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler (15) durch eine in Abhängigkeit von einem Vergleich zwischen dem gesetzten Temperaturwert (T_soll) und der tatsächlichen Umgebungstemperatur (T) des Bauelements (8) generierte Spannung als Soll größe beaufschlagt ist.

8. Regelungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollgröße für den Spannungsregler (15) über ein digitales Potentiometer (11, 12, 13) generiert wird, das in Abhängigkeit von dem Temperaturvergleich (T = T_soll?) gestartet und in Abhängigkeit vom Spannungsvergleich am Komparator (10) deaktiviert wird.

9. Regelungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Potentiometer durch einen aufgrund des Temperaturvergleichs zu startenden und in Abhängigkeit vom genannten Spannungsvergleich stillsetz baren Taktgenerator (11), einen durch diesen gesteuerten Zähler (12) und einen diesem nachgeschalteten Digital/Analog-Wandler (13) gebildet ist.

10. Regelungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorgabe des Betriebsstrom für das Halb leiterbauelement (8) über eine automatische Regelung der optischen Leistung des Halbleiterbauelements bestimmt ist.