DE19929571B4

DE19929571B4 - Optische Sendeeinrichtung

Info

Publication number: DE19929571B4
Application number: DE19929571.9A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Schrödinger Karl
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2019-06-23
Also published as: US6778784B1; DE19929571A1

Abstract

Optische Sendeeinrichtung – mit mindestens einem Lasersender (1), der in Abhängigkeit von zu sendenden Datensignalen (24) Licht (2) aussendet, – mit einem Monitorempfänger (4), der einen Teil des ausgesendeten Lichts (2) empfängt und in einen Monitorstrom (IMON) wandelt, – mit einer Regelschaltung (6), die die mittlere optische Ausgangsleistung (POPT) des Lasersenders (1) gemäß einem Modulationsstrom-Vorgabewert (VDC') unter Auswertung des Monitorstromes (IMON) konstant regelt, wobei der Vorgabewert (VDC') durch Abgleich gewonnen ist, – mit einem Festwertspeicher (FSP), in dem der Modulationsstrom-Vorgabewert (VDC') permanent abgespeichert ist und der den Vorgabewert (VDC') an die Regelschaltung (6) bereitstellt, und – mit einer Steuerung (15), die mit einem weiteren Vorgabewert (VS) für einen Schwellstrom beaufschlagt ist, und die einen dem Schwellstrom-Vorgabewert (VS) entsprechenden Strom (IDC) in den Lasersender (1) einspeist, wobei – der weitere Vorgabewert (VS) in einem Festwertspeicher (FSP) permanent abgespeichert ist.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Datenübertragung mittels einer optischen Sendeeinrichtung, die bei Beaufschlagung mit elektrischen Datenimpulsen entsprechend optische Impulse generiert. Die optischen Impulse können beispielsweise über mindestens ein an die Sendeeinrichtung angeschlossenes optisches Übertragungsmedium (z. B. einen Lichtwellenleiter) zu einem Empfänger transportiert werden. Die Erfindung ist auf eine optische Sendeeinrichtung mit mindestens einem Lasersender gerichtet, dessen Arbeitspunkt gemäß einem Vorgabewert geregelt ist.
Aus der WO 93/13576 ist eine Sendeeinrichtung mit mehreren Laserdioden bekannt, die zur optischen Datenübertragung individuell elektrisch ansteuerbar sind. Die Ansteuerung der einzelnen Laserdioden erfolgt durch einen Gesamtstrom, der sich aus einem gemäß den zu übertragenden (binären) Daten modulierten Strom (Wechselstrom I_AC) und einem Gleichstrom (I_DC) zusammensetzt. Der Gleichstrom dient zur Einstellung der mittleren optischen Ausgangsleistung (auch Zielleistung genannt) und legt den Arbeitspunkt der jeweiligen Laserdiode fest. Die Sendeeinrichtung hat einen Regelkreis, der die Ausgangsleistung aller Laserdioden gemeinsam derart regelt, dass die Zielleistung der individuellen Laserdioden beispielsweise unter Kompensation von temperaturbedingten Schwankungen ihrer optischen Charakteristiken möglichst konstant gehalten wird.
Aus der EP 0 507 213 A2 ist eine Sendeeinrichtung mit einem Lasersender bekannt, der in Abhängigkeit von eingangsseitigen binären Datensignalen Licht aussendet. Ein Monitorempfänger wandelt einen Teil des ausgesendeten Lichts in einen Monitorstrom um. Eine Regelschaltung regelt die mittlere optische Ausgangsleistung des Lasersenders unter Auswertung des Monitorstromes gemäß einem von einer Referenzstromquelle bereitgestellten Referenzstrom konstant. Wie die Größe des Referenzstroms im Einzelnen bestimmt wird, ist nicht näher erläutert.
Aufgrund signifikanter Abweichungen in dem optischen Verhalten individueller Lasersender ist bei der Herstellung optischer Sendeeinrichtungen mit Lasersendern aber ein Abgleich dahingehend notwendig, dass die Lasersender annähernd gleiche optische Eigenschaften haben. Dazu ist es denkbar, mittels einer analogen Regelungsschaltung den Arbeitspunkt der Lasersender durch Widerstandsdekaden oder verstellbare Widerstände (Potentiometer) zu variieren. Anschließend kann der so für einen optimalen Arbeitspunkt ausgemessene Widerstand in die jeweilige Regelungsschaltung eingelötet werden. Dies ist verhältnismäßig zeitaufwendig; außerdem muss der Lasersender nach dem so erfolgten Abgleich zur Kontrolle erneut vermessen werden.
EP 0 405 419 A2 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abgleichen eines analogen Laser-Senders. Betriebseigenschaften des Lasers werden bestimmt. Diese Eigenschaften werden verwendet, um den Leistungspegel abzuleiten, den ein Kommunikationssignal benötigt, um den Laser für eine Kommunikation über eine optische Faser geeignet zu modulieren. Die Größe eines Eingabekommunikationssignals wird dann auf den abgeleiteten Pegel hin justiert und für eine geeignete Modulation auf diesem Pegel belassen. Der Abgleich wird beim Ersetzen von Laserkomponenten im Feld durchgeführt. Der Abgleich kann auch periodisch durchgeführt werden, um eine normale Degradation von Laserkomponenten über die Zeit hinweg zu kompensieren. Die Vorrichtung verwendet eine Monitor-Photodiode zur Regelung des Vorstroms des Lasers.
Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Sendeeinrichtung, die einen schnellen, dauerhaften und aufwandsarmen Abgleich ihrer optischen Eigenschaften erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Offenbart wird eine optische Sendeeinrichtung mit mindestens einem Lasersender, der in Abhängigkeit von zu sendenden Datensignalen Licht aussendet, mit einem Monitorempfänger, der einen Teil des ausgesendeten Lichts empfängt und in einen Monitorstrom wandelt, mit einer Regelschaltung, die die mittlere optische Ausgangsleistung des Lasersenders gemäß einem Gleichstrom-Vorgabewert unter Auswertung des Monitorstromes konstant regelt, wobei der Gleichstrom-Vorgabewert durch Abgleich gewonnen ist, und mit einem Festwertspeicher, in dem der Vorgabewert im Zuge des Abgleichs permanent abgespeichert ist und der den Vorgabewert an die Regelschaltung bereitstellt.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht damit darin, die in einem – vorzugsweise nach Abschluss der Fertigung noch werksseitig sofort durchgeführten – Abgleichvorgang ermittelten Gleichstrom-Vorgabewerte als nicht-flüchtige Werte in einen Festspeicher einzuschreiben. Dieser Festspeicher stellt die Vorgabewerte geeigneten Schaltungen zur Verfügung, die gemäß diesen Vorgabewerten einen jeweils vorzugebenden Gleichstrom generieren und mit diesem die Regelschaltung eingangsseitig beaufschlagen. Damit kann in vorteilhafter Weise auf das Vorsehen bzw. das Einbringen separater Widerstände zur Bereitstellung von vorzugebenden Gleichströmen verzichtet werden. Der Abgleichvorgang läßt sich so erheblich verkürzen, da zusammen mit dem Abgleich die Endprüfung erfolgen kann.
Vorteilhafterweise kann der Gleichstrom-Vorgabewert zumindest eine für das Betriebsverhalten der Sendeeinrichtung relevante Gleichgröße – nämlich den Schwellstrom oder den Modulationsgleichstrom – darstellen, die die Regelschaltung eingangseitig beaufschlagt, die unter Auswertung des Monitorstromes die optische Ausgangsleistung des Lasersenders konstant regelt. Der Schwellstrom (auch als I_TH bezeichnet) ist dabei der Strom, der mindestens fließen muss, damit ein Laser in den Laserzustand gelangt und Laserimpulse aussendet. Der Modulationsgleichstrom dient zur Einstellung des Modulationshubes, mit dem die (binären) Licht- oder Lasersignale generiert werden. Der Schwellstrom oder der Modulationsgleichstrom kann gemäß einem weiteren Vorgabewert (für den Schwellstrom bzw. den Modulationsgleichstrom) über eine Steuerung in den Lasersender eingespeist werden. Auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung bestimmt der Gleichstrom-Vorgabewert die mittlere optische Ausgangsleistung; dabei ist der Schwellstrom bzw. der Modulationsgleichstrom der geregelte Strom, während der jeweils andere Strom gesteuert ist. Vorteilhafterweise ist auch der jeweils weitere Vorgabewert in einem Festwertspeicher im Zuge des Abgleichs permanent abgespeichert.
Bevorzugt kann auch ein Temperaturkompensationsstrom generiert werden. Dieser wird gemäß eines weiteren Vorgabewertes erzeugt, der im Rahmen des Abgleichs gewonnen oder vorab bekannt sein kann und permanent in den Festspeicher eingeschrieben ist. Mit Hilfe des Temperaturkompensationsstroms kann der Einfluss z. B. durch einen Temperaturfühler gefühlter Temperaturveränderungen auf den gesteuerten Schwellstrom oder den Modulationsgleichstrom kompensiert werden.
Eine konstruktiv und hinsichtlich der Miniaturisierung von Sendeeinrichtungen bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Festspeicher Bestandteil einer integrierten Schaltung ist, die auch Schaltungen oder Schaltungsteile zur Ansteuerung des Lasersenders und/oder Regelung der mittleren optischen Ausgangsleistung des Lasersenders enthält.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; es zeigen:
1 eine erste Sendeeinrichtung,
2 eine zweite, erfindungsgemäße Sendeeinrichtung und
3 Kennlinien zur Erläuterung der funktionalen Zusammenhänge und des Abgleichs der Sendeeinrichtungen.
1 zeigt eine Sendeeinrichtung mit einem Lasersender 1, der bei entsprechender Beaufschlagung mit einem Ansteuerstrom I_AN Lichtimpulse 2 abgibt, die beispielsweise in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt werden. Ein Anteil des emittierten Lichts gelangt zu einer Fotodiode 4, die als Monitordiode fungiert und einen Monitorstrom I_MON generiert. Die Rückkopplung über die Monitordiode 4 bzw. deren Monitorstrom I_MON läßt an einem Widerstand R1 eine Spannung abfallen, die dem Ist-Wert der mittleren optischen Ausgangsleistung P_OPT entspricht. Die Spannung liegt am Eingang (–) des Differenzverstärkers 5 an, der Bestandteil einer Regelschleife 6 zur Konstantregelung der mittleren optischen Ausgangsleistung P_OPT des Lasersenders 1 ist. An dem anderen Eingang (+) des Differenzverstärkers 5 liegt eine Referenzspannung V_ref. Das Ausgangssignal des Verstärkers 5 bestimmt die Durchlässigkeit eines Transistors T1. Die Referenzspannung V_ref realisiert die Vorgabe der mittleren optischen Ausgangsleistung P_OPT des Lasersenders 1 im gewünschten Arbeitspunkt (Soll-Wert) und sorgt für eine entsprechende Regelung eines Schwellstromes I_DC.
Die Referenzspannung V_ref ist das Ausgangssignal eines Digital-Analog-Umsetzers 10, dessen Eingang mit einem Vorgabewert V_DC beaufschlagt ist. Der Vorgabewert V_DC bestimmt somit die Referenzspannung Vref. Der Vorgabewert besteht beispielsweise aus einem 8-Bit-breiten Wert, der in ein 8-Bit-Register RG1 eines Festspeichers FSP eingeschrieben ist.
In ein weiteres 8-Bit-Register RG2 des Festspeichers FSP ist ein weiterer Vorgabewert VMOD permanent eingeschrieben. Auch dieser weitere Vorgabewert VMOD wird über einen Digital-Analog-Umsetzer 12 in ein analoges Signal VIAC umgesetzt, das dem Eingang einer Steuerung 15 für einen Modulationsgleichstrom I_AC eingangsseitig zugeführt ist. Der Ausgang 16 der Steuerung 15 beaufschlagt die Basis eines weiteren Transistors T2, der mit einem Transistor T3 einen Strompfad bildet. Der Strompfad führt zur Kathode des als Laserdiode ausgebildeten Lasersenders 1. Dadurch wird in den Lasersender 1 ein weiterer, gemäß der Vorgabe VMOD generierter Strom – nämlich der Modulationsgleichstrom I_AC – eingespeist. Die Basen der Transistoren T3 und T4 werden in an sich bekannter Weise von einem Differenzverstärker 20 beaufschlagt, an dessen Eingängen zur Wandlung in optische Signale vorgesehene elektrische Ansteuersignale (Daten) 24 anliegen.
In gleicher Weise ist ein weiterer Strom – nämlich ein Temperaturkompensationsstrom I_TC – von der Steuerung 15 generiert und über den Transistor T2 dem Stromfluss durch den Lasersender 1 eingespeist. Auch der Temperaturkompensationsstrom I_TC ist gemäß einem Vorgabewert VTC gebildet. Der Strom I_TC dient zur Kompensation etwaiger Temperaturschwankungen der Laserparameter hinsichtlich des Modulationsgleichstroms I_AC. Der Vorgabewert VTC wird als 8-Bit-breiter Wert an einen weiteren Digital-Analog-Umsetzer 26 bereitgestellt und ist in einem dritten Register RG3 des Festspeichers FSP permanent abgelegt. Im Zusammenspiel mit einem Temperaturfühler 30 ist damit eine an sich bekannte Temperaturkompensation realisiert, deren Einfluss durch den Vorgabewert VTC einstellbar ist.
Der im Betrieb durch den Lasersender 1 fließende Gesamtansteuerstrom I_AN umfasst somit den Schwellstrom I_DC sowie den Modulationsgleichstrom I_AC und den Temperaturkompensationsstrom I_TC, die gemäß den zu übertragenden Daten 24 von den Transistoren T3, T4 (Stromschalter) moduliert werden.
Die in den Registern RG1, RG2, RG3 eingeschriebenen Vorgabewerte VDC, VMOD, VTC werden im Rahmen eines nachfolgend noch näher erläuterten Abgleichs der Sendeeinrichtung ermittelt und dabei in die Register permanent eingeschrieben.
2 zeigt eine in ähnlicher Weise wie die in 1 gezeigte aufgebaute Sendeeinrichtung, wobei entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Aus Gründen der einfacheren Darstellung ist die Beaufschlagung der Basen der Transistoren T3 und T4 mit den zu übertragenden elektrischen Datenimpulsen (24 vgl. 1) nicht dargestellt.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel läßt die Rückkopplung über die Monitordiode 4 bzw. deren Monitorstrom I_MON an dem Widerstand R1 einen Ist-Wert der mittleren optischen Ausgangsleistung P_OPT als Spannung am Eingang (–) des Differenzverstärkers 5 abfallen. Der andere Eingang (+) des Differenzverstärkers 5 ist wiederum mit einer Referenzspannung V_ref' beaufschlagt, die die Durchlässigkeit des Transistors T1 bestimmt. Die Referenzspannung V_ref' realisiert die Vorgabe der mittleren optischen Ausgangsleistung P_OFT des Lasersenders 1 im gewünschten Arbeitspunkt (Soll-Wert) gemäß einem Vorgabewert VDC'. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt jedoch die Regelung durch Nachführung des Modulationsgleichstroms I_AC' durch entsprechende Steuerung der Durchlässigkeit des Transistors T1. Die Referenzspannung V_ref' sorgt somit in diesem zweiten Ausführungsbeispiel für eine entsprechende Regelung über den Modulationsgleichstrom I_AC'.
Ein weiterer Vorgabewert VS für den Schwellstrom I_DC ist dem Eingang des Digital-Analog-Umsetzers 12 zugeführt. Dieser beaufschlagt ausgangsseitig eine Steuerung 15, die über den Transistor T2 den dem Schwellstrom-Vorgabewert VS entsprechenden Strom I_DC in den Lasersender 1 steuert. Der weitere Vorgabewert VS ist in dem Register RG2 des Festwertspeichers FSP im Zuge des Abgleichs permanent abgespeichert.
In gleicher Weise wie oben erläutert kann ein weiterer, gemäß einem Vorgabewert VTC generierter Strom – nämlich ein Temperaturkompensationsstrom I_TC – von der Steuerung 15 über den Transistor T2 in den Lasersender 1 eingespeist werden. Der Vorgabewert VTC wird als 8-Bit-breiter Wert an den Digital-Analog-Umsetzer 26 bereitgestellt und ist in dem dritten Register RG3 des Festspeichers FSP permanent abgelegt. Im Zusammenspiel mit einem Temperaturfühler 30 ist damit eine an sich bekannte Temperaturkompensation realisiert, deren Einfluss durch den Vorgabewert VTC einstellbar ist.
Gemäß 2 gelangen die Ausgangssignale der Steuerung 15 zur Basis des Transistors T2, der damit die durch den Lasersender 1 fließenden Gleichströme steuert. Der im Betrieb durch den Lasersender 1 fließende Gesamtansteuerstrom I_AN setzt sich somit aus dem Modulationsgleichstrom I_AC', der gemäß den zu übertragenden Daten von den Transistoren T3, T4 (Stromschalter) moduliert wird, sowie dem Schwellstrom I_DC und dem Temperaturkompensationsstrom I_TC zusammen.
Bevorzugt ist der Festspeicher FSP Bestandteil einer integrierten Schaltung, die auch die Treiberschaltung z. B. mit den Transistoren T1 bis T5 zur Ansteuerung des Lasersenders 1 und die Regelschaltung 6 zur Regelung der optischen Ausgangsleistung des Lasersenders 1 enthält.
Im Zusammenhang mit 3 wird nachfolgend beispielhaft die Gewinnung und Speicherung der Vorgabewerte VDC, VMOD bzw. VDC', VS (2) erläutert. Bei der praktischen Bestimmung der entsprechenden Vorgabewerte wird bevorzugt zunächst der Vorgabewert für die mittlere optische Ausgangsleistung P_OPT des Lasersenders bestimmt. Dazu wird z. B. zunächst die bei kontinuierlicher Emission in einen Übertragungs-Lichtwellenleiter eingekoppelte Ausgangsleistung (z. B. am anderen Ende des Lichtwellenleiters) gemessen und der Arbeitspunkt des Lasersenders (vorläufig) so eingestellt (durch entsprechenden Vorgabewert VDC), dass die gewünschte Ausgangsleitung vorliegt.
In einem zweiten Schritt wird der Modulationshub über den Modulationsgleichstrom derart eingestellt, dass ein möglichst großer Hub bei verzerrungsfreien Lichtsignalen gewährleistet ist. Im Betrieb des Ausführungsbeispiels nach 2 bildet der Modulationsgleichstrom I_AC' eine Komponente des gesamten Ansteuerstroms durch den Lasersender, der über die Ausgangsleistungsregelung geregelt wird.
Im Einzelnen wird beim Abgleich zunächst ein nach Erfahrungen im Arbeitsbereich des Lasersenders 1 liegender Gleichstrom-Vorgabewert gewählt, der einen Gleichstrom I*_DC bewirkt. Damit wird ein Arbeitspunkt AP* auf der Kennlinie KL des Lasersenders festgelegt. In 3 bezeichnet I_TH den Schwellstrom, I_AN den Gesamtansteuerstrom und Pz die gewünschte optische Ausgangsleistung (Zielleistung).
Anschließend wird durch Variation des Vorgabewertes VDC der Gleichstrom I_DC solange verändert, bis sich der gewünschte Zielwert Pz für die optische Leistung (Arbeitspunkt AP) ergibt (dabei ist das emittierte Licht zunächst wegen der reinen Ansteuerung mit einem Gleichstrom konstant (”Gleichlicht”). Danach wird durch entsprechende Steuerung des Transistors T2 (1) der Modulationsbereich der Sendeeinrichtung abgeglichen. Wie 3 zeigt, wird zunächst mit einem ersten Modulationsstrom I1_AC operiert, der ein erstes entsprechendes Ausgangssignal S1 mit der dargestellten optischen Leistung generiert. Durch Erhöhung des Modulationsstromes auf einen Wert I3_AC wird der Modulationshub oder Modulationsbereich gemäß dem dann dargestellten Ausgangssignal S3 erhöht, wobei der Arbeitspunkt AP konstant bleibt.
Wie 3 rechts zeigt, ist dabei der Schwellstrom I_TH übermoduliert; dies bewirkt eine Signalverzerrung, weil aufgrund der Kennlinie KL der untere Bereich des Signals S3 abgeschnitten wird. Als Kenngröße dient dazu die sog. ”Dutt Cycle Distortion DCD”, die die Impulsverzerrung aufgrund abgeschnittener Pulse bezeichnet. Man strebt an, daß DCD = 0 ist. Beim Signal S3 ist DCD > 0 (Verzerrung durch abgeschnittene Pulsanteile im unteren Pulsbereich).
Der Modulationsstrom wird variiert, bis der in 3 mit I2_AC bezeichnete Strom gefunden ist, der ein optimales Signal S2 bewirkt.
Die Vorgaben für den (optimierten) Modulationsstrom I2_AC bzw. den Gleichstrom werden als digitale Vorgabewerte VDC, VMOD wie erwähnt unmittelbar in die Register des elektronischen Speichers FSP dauerhaft eingeschrieben.

Claims

Optische Sendeeinrichtung – mit mindestens einem Lasersender (1), der in Abhängigkeit von zu sendenden Datensignalen (24) Licht (2) aussendet, – mit einem Monitorempfänger (4), der einen Teil des ausgesendeten Lichts (2) empfängt und in einen Monitorstrom (I_MON) wandelt, – mit einer Regelschaltung (6), die die mittlere optische Ausgangsleistung (P_OPT) des Lasersenders (1) gemäß einem Modulationsstrom-Vorgabewert (VDC') unter Auswertung des Monitorstromes (I_MON) konstant regelt, wobei der Vorgabewert (VDC') durch Abgleich gewonnen ist, – mit einem Festwertspeicher (FSP), in dem der Modulationsstrom-Vorgabewert (VDC') permanent abgespeichert ist und der den Vorgabewert (VDC') an die Regelschaltung (6) bereitstellt, und – mit einer Steuerung (15), die mit einem weiteren Vorgabewert (VS) für einen Schwellstrom beaufschlagt ist, und die einen dem Schwellstrom-Vorgabewert (VS) entsprechenden Strom (I_DC) in den Lasersender (1) einspeist, wobei – der weitere Vorgabewert (VS) in einem Festwertspeicher (FSP) permanent abgespeichert ist.
Sendeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lasersender (1) ein von der Steuerung (15) generierter Temperaturkompensationstrom (I_TC) zugeführt ist, dessen Größe von einem weiteren durch Abgleich gewonnenen und permanent in einem Festwertspeicher (FSP) abgespeicherten Vorgabewert (V_TC) bestimmt ist.
Sendeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Festwertspeicher (FSP) Bestandteil einer integrierten Schaltung sind, die auch Schaltungen oder Schaltungsteile zur Ansteuerung des Lasersenders (1) und/oder Regelung der mittleren optischen Ausgangsleistung (P_OPT) des Lasersenders (1) enthält.