DE2712293A1

DE2712293A1 - Lasersteuerschaltung

Info

Publication number: DE2712293A1
Application number: DE19772712293
Authority: DE
Inventors: Darrell Dean Sell
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-03-22
Filing date: 1977-03-21
Publication date: 1977-10-06
Also published as: SE411410B; CA1067191A; DE2712293C2; NL7702909A; NL185119C; JPS5938756B2; BE852697A; NL185119B; US4009385A; IT1084827B; JPS52115194A; FR2345835A1; FR2345835B1; SE7702855L; GB1562145A

Description

BLUMBACH · W~.SFR · BERGEN · KRAMER ZWIRNER · HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2712

Palentconsull Radedcestraee 43 8000 Mündien 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentcontult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Verwendung eines Injektionslasers in einer optischen Übertragungsanlage erfordert es, daß der Laser mit einem Strom vorgespannt ist, der kleiner als der Laserschwellenwertstrom ist (der Punkt, oberhalb welchem die Laserwirkung beginnt). Dies ist erforderlich, um die Verzögerung zwischen dem Eingang eines dem Laser zugeführten elektrischen Signals und dem entsprechenden Laserlichtausgangssignal möglichst klein zu machen. Da sich der Laserschwellenwertstrom mit Temperatur und Alterung ändert, muß der Vorspannungsstrom für eine richtige Arbeitsweise eines Lasers in einer optischen Übertragungsanlage entsprechend eingestellt sein.

Bekannte Lasersteuerschaltungen sind so aufgebaut, daß dies dadurch erreicht wird, daß die optische Ausgangsenergie eines Lasers abgetastet wird mit einer relativ langsamen Rückkopplungsschleife, welche die optische Ausgangsenergie des Lasers über mehrere Zeitlagen mittel« Eine von der optischen Ausgangsenergie abgeleitete Spannung

München: R. Kramer Dlpl.-Ing. ■ W. Weser Oipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W-Ing.

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wird dann mit einer festen Bezugsspannung verglichen, und zwar durch einen Differenzverstärker, der die Differenz zur Einstellung seines Ausgangssignals verwendet und somit den Vorspannstrom ändert. TCenn auch eine solche Anordnung eine angemessene Einstellung des Vorspannstroms zur Kompensierung einer Schwellenwertstromänderung verfügbar macht, hat sie einige Nachteile. Wenn sich die Dichte der Lichtimpulse in einem Laserlichtausgangssignal ändert, verursacht die bekannte Steuerschaltung Amplitudenänderungen der einzelnen Lichtimpulse. Bei einem elektrischen Eingangssignal mit einer langen Kette digitaler Nullen oder beim gänzlichen Fehlen des Eingangssignals bewirkt die bekannte Schaltung ferner, daß der Vorspannstrom so stark ansteigt, daß das erneute Anlegen des Signals den Laser irreversibel beschädigen kann.

Dieses Problem wird bei der vorausgesetzten Steuerschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Steuerschaltung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lasersteuerschaltung näher erläutert, und zwar mit Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.

Gemäß der Figur wird ein elektrisches, digitales Datensignal, das in ein optisches Signal umgewandelt werden soll, über einen Anschluß gleichzeitig auf eine Vorspannsteuerschaltung 101 und eine Treiber-

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schaltung 102 gegeben. Die Treiberschaltung 102 erzeugt in Abhängigkeit vom zugeführten elektrischen Signal einen Treibstrom I- für einen Laser 106. Die Vorspannschaltung 101 erzeugt in Abhängigkeit Ton der Differenz zwischen einem vom Eingangssignal abgeleiteten Signal und einem vom Lichtausgangssignal des Lasers 106 abgeleiteten Signal einen Torspannstrom I_p für den Laser 106.

Sie Lasersteuerschaltung ist so angeordnet» daß sie mit einem negativen elektrischen Modulationseingangssignal arbeitet, das digitale Einsen ("EINSEN") und digitale Nullen ("NULLEN") aufweist. Ein "EIlIS"-Signal wird durch eine negative Spannung dargestellt» die dicht beim Erdpotential liegt. Das Anlegen eines eine "EINS" darstellenden Signals schaltet den Laser 106 AUS (Licht AUS). Ein "NULL"-Signal ist negativer als das "EINS"-Signal. Das Anlegen eines eine "NULL" darstellenden Signals schaltet den Laser 106 EIN (Licht EIN).

Im Betrieb der Treiberschaltung 102 wird ein "EINS"-Signal über den Anschluß 103 auf die Basis eines Transistors 104 gegeben. Der Emitter des Transistors 104 ist mit dem Emitter eines Transistors 105 gekoppelt, der im wesentlichen dieselben elektrischen Eigenschaften wie der Transistor 104 aufweist. Die Transistoren IO4 und 105 bilden ein symmetrisches, emittergekoppeltes NFN-Transistorpaar mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand 110, der zwischen deren Emitter und eine Quelle negativen Potentials geschaltet ist.

Das der Basis des Transistors IO4 zugeführte "SINS"-Signal bewirkt, daß dessen Basisspannung positiver wird als eine Bezugsspannung ν_χ,

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die an der Basis des Transistors 105 anliegt. Dies bewirkt, daß der Transistor IO4 EIN und der Transistor 105 AUS geschaltet wird. 7/enn der Transistor 105 AUS ist, wird kein Treibstrom I_ß über eine Leitung 121 geführt, die den Kollektor des Transistors 105 mit der Kathode des Lasers 106 verbindet, und der Laser gibt keine Laserstrahlung ab.

Legt man ein "NULL"-Signal an die Basis des Transistors 104 an, bewirkt dies, daß die Basisspannung dieses Transistors negativer wird als die Bezugs spannung V_Y an der Basis des Transistors 105. Dies bewirkt, daß der Transistor 104 AUS und der Transistor 105 EIH geschaltet wird. Wenn der Transistor 105 EIN ist, wird ein Treibstrom I- vorbestimmter Größe von Erde durch den Laser IO6, die Leitung 107, den Transistor IO5 und den widerstand 110 zur Quelle negativen Potentials geleitet. Die Größe ist solchermaßen, daß die durch den Laser 106 geleitete Summe aus dem Treibstrom I_Q und dem Vorspannstrom Ip den Schwellenwertstrom des Lasers übersteigt und somit den Laser in den Strahlungezustand vorspannt.

In der Vorspannschaltung 101 werden elektrische Modulationssignale über den Anschluß 103 auf die Basis eines Transistors 107 gegeben. Der Emitter des Transistors 107 ist mit dem Emitter eines Transistors 106 gekoppelt, der im wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften wie der Transistor 107 aufweist. Die Transistoren 107 und 108 bilden ein symmetrisches, emittergekoppeltes NPN-Transistorpaar, das einen gemeinsamen Emitterwiderstand 125 aufweist, der zwischen deren Emitter und eine Quelle negativen Potentials geschaltet ist.

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Jedes der Basis des Transistors 107 zugeführte "EINS"-Signal bewirkt, daß dessen Basisspannung positiver wird als eine Bezugsspannung V_y, die an der Basis des Transistors 108 anliegt. Dies bewirkt, daß der Transistor 107 EIN und der Transistor 108 AUS geschaltet wird. Wenn der Transistor 108 AUS ist, wird sein Kollektor auf Erdpotential gehalten. Es fließt kein Strom durch einen variablen Widerstand 118, und die vom elektrischen Modulationssignal abgeleitete Spannung auf einer Leitung 120, die zu einem der Eingänge eines Differenzverstärkers 111 führt, wird ebenfalls auf Erdpotential gehalten. Die zum anderen Eingang des Differenzverstärkers 111 führende Eingangsleitung 119 befindet sich auf einem Potential, das durch einen Strom bewirkt wird, der durch ein Potentiometer 117 und ein Filternetzwerk 116 nach Erde geführt wird. Ein Anschluß des Potentiometers ist mit einer Quelle negativen Potentials verbunden und der zweite Anschluß des Potentiometers ist an eine Quelle positiver Spannung angeschlossen.

Der Differenzverstärker 111 weist eine hohe Verstärkung auf, die einen Ausgangsstrom erzeugt, der proportional einer unendlich kleinen Differenz zwischen den beiden Eingangsspannungen ist. Der Differenzverstärker 111, der auf die zwischen den beiden Eingangsieitungen 119 und 120 vorhandene Spannungsdifferenz reagiert, erzeugt einen Ausgangsstrom, der durch einen Leitungsverstärker 112 verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 112 stellt den Vorspannstrom I_p dar, der von Erde durch den Laser 106 und die Leitung 122 in den Verstärker 112 geleitet wird.

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Der Vorspannstrom I_p, der kleiner ist als der Laserschwellenwertstrom, bewirkt, daß der Laser als Licht emittierende Diode arbeitet, so daß Licht vom Laser emittiert und von einer in Sperrrichtung vorgespannten PIN-Photodiode 115 festgestellt wird. Die Photodiode 115 wandelt dieses Licht in einen Strom um, der durch das Filter 116 geleitet wird und dadurch zu einem Spannungssignal auf Leitung 119 beiträgt. Beim anfänglichen Betrieb wird bei einer Reihe von "EINSEN" der Läufer am Widerstand 117 auf einen Punkt eingestellt, an dem die Größe der Spannung auf Leitung 119 einen Vorspannstrom I_p mit solcher Größe erzeugt wird, die erforderlich ist, daß dieser Vorspannstrom genau unterhalb des Schwellenwertstroms des Lasers liegt.

Das Anlegen des "ITÜLL"-Signals an die Basis des Transistors 107 bewirkt, daß dessen Spannung negativer wird als die Bezugsspannung ν_γ an der Basis des Transistors 108. Dies führt dazu, daß Transistor 107 AUS und Transistor 108 EIN geschaltet ist. Befindet sich der Transistor 108 im EIN-Zustand, wird ein Strom von Erde durch ein Filternetzwerk 109, einen variablen Widerstand 118 und den Transistor 108 zur Quelle negativen Potentials geleitet, was eine negative Spannung auf der Ein·» gangsleitung 120 bewirkt.

Wenn der Vorspannstrom I„ einmal eingestellt ist, wird ein elektrisches Signal, das zur Hälfte "NULLEN" und zur Hälfte "EINSEN" in einer Pseudozufallsanordnung aufweist, über den Anschluß 103 auf die Basen der Transistoren 104 und 107 gegeben. Das Anlegen eines "NULL"-Signals an die Basis des Transistors 104 schaltet den Laser 106 "EIN". Der Laser 106 erzeugt ein Lichtausgangssignal 113 durch seinen vorderen Spiegel und

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ein Lichtausgangssignal 114 durch seinen rückwärtigen Spiegel. Das Lichtausgangssignal II3 kann zur Übertragung an irgendeinen entfernt liegenden Punkt in eine optische Paser 126 injiziert werden.

Das Lichtausgangssignal II4 fällt auf die PIN-Photodiode 115 und wird in einen elektrischen Strom umgewandelt, der von Erde durch das Filternetzwerk 116, die Leitung 123 und die Photodiode 115 zu einer Quelle negativen Potentials geleitet wird. Dieser durch das Filternetzwerk 116 fließende Eingangsstrom bewirkt einen negativen Spannungswert auf der zum Differenzverstärker 111 führenden Eingangsleitung 119· Gleichzeitig wird jedoch auf der zum Differenzverstärker 111 führenden Eingangsleitung 120 eine negative Spannung mit im wesentlichen der gleichen Größe erzeugt, und zwar aufgrund des Stroms, der durch das Filter IO9, den Widerstand 118 und den Transistor 108 geleitet wird. Der Widerstand 118 ist so eingestellt, daß die vom elektrischen Modulationssignal abgeleitete veränderliche Spannung auf der Eingangsleitung 120 auf die vom Laserlichtausgangssignal abgeleitete veränderliche Spannung auf der Eingangsleitung 119 angepaßt ist. Somit ändert sich die Differenz zwischen den beiden SpannungsSignalen auf den Eingangsieitungen 119 bzw. 120 nicht, und folglich bleibt der Vorspannstrom im wesentlichen konstant.

VTie zuvor erwähnt, bewirkt das Anlegen eines "EINS"-Signals an die Basis des Transistors IO4, daß dieser EIN und der Transistor 105 AUS geschaltet wird. Dies schaltet den Treibstrom I. vom Laser IO6 ab und versetzt den Laser in einen nichtstrahlenden Zustand, was zu einer Verringerung des Lichtausgangssignals 114 vom Laser führt und den

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Eingangsstrom in das Filternetzwerk 116 reduziert. Bei einem solchen reduzierten Strom beginnt die Ladung auf dem Kondensator im Filternetzwerk 116 auf einen neuen Gleichgewichtswert abzufallen, und die negative Spannung auf der Leitung 119 wird positiver. Gleichzeitig schaltet jedoch das Anlegen des "EINS"-Signals an die Basis des Transistors 107 diesen EIN und den Transistor 108 AUS, mit dem Ergebnis, daß kein Eingangsstrom in das Filternetzwerk 109 fließt. Sie Ladung auf dem Kondensator im Filternetzwerk 109 beginnt ebenfalls abzufal-

len, und die negative Spannung auf der Leitung 120 wird positiver. Da die Zeitkonstanten beider Kondensatoren im wesentlichen gleich sind, nehmen die Spannungen auf beiden Leitungen 119 und 120 zusammen ab. Folglich bleibt der Vorspannstrom I_p im wesentlichen konstant. Wenn die Anfangseinstellung für den Vorspannstrom einmal durchgeführt ist, ändert sich deshalb der Vorspannstroin nicht mit der Dichte der Lichtimpulse oder dem Nichtvorhandensein von Lichtimpulsen.

Während eines kontinuierlichen Arbeitens des Lasers nimmt der Schwellenwertstrom mit einer Erhöhung der Lasertemperatur zu. Die Lasersteuerechaltung stellt den Vorspannstrom I_p in folgender Weise ein. Wenn der Schwellenwertstrom des Lasers größer wird, nimmt die optische Ausgangsenergie des Lasers ab und der durch die PIN-Photodiode 115 und das Filternetzwerk 116 geleitete Strom nimmt ab, was zur Folge hat, daß die negative Spannung auf der Eingangsleitung 119 positiver wird. Der Differenzverstärker 111, der auf die Differenz zwischen den beiden Eingangsspannungen des Verstärkers reagiert, erhöht den Vorspannstrom Ip und erhöht die optische Ausgangsenergie des Lasers auf ihren vorigen Wert. Sollte der Schwellenwertpunkt nach unten wandern, findet genau

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der entgegengesetzte Vorgang statt. Sie optische Ausgangsenergie nimmt zu und der durch die Photodiode 115 und das Filternetzwerk 116 geleitete Strom wird größer, was eine Erhöhung des negativen Spannungewertes auf der Leitung 119 bewirkt. Der Differenzverstärker 111, der auf die Differenz zwischen den Eingangsspannungen reagiert, verringert den Vorspannungsstrom.

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Leerseite

Claims

BLUMBACH · WSS^R · BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HIRSCH · BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 9 7 12 2 9

Patentconsult RadedcestraOe 43 8000 München 60 Telefon (089) 833603/883604 Telex 05-21231J Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

SELL, D. D.

We8tern Electric Company Incorporated

Broadway

Ne* York, New York 10007

U.S.A.

Lasersteuerschaltung

Patentansprüche:

·! Steuerschaltung für einen Injektionslaser, mit einer Treibvorriohtung, die den Laser in Abhängigkeit von einem elektrischen Modulationssignal treibt,

gekennzeichnet durch eine Torspannvorrichtung (101) zum Vorspannen des Lasers in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem vom elektrischen Modulationssignal abgeleite·

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München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · P. Hirsch Oipl.-Ing. · H.P. Brehm Dipl.-Chem. Or. phil. nat. Wiesbaden: P. G. Blumbach DIpI.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Or. jur. · G. Zwirnet Oipl.-Ing, Dipl.-W -Ing.

ten Signal (auf Leitung 120) und einem vom Laserlichtausgangssignal (114) abgeleiteten Signal (auf Leitung 119)·
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannvorrichtung den Laser auf einen Wert unterhalb seines Schwellenwertstromes vorspannt.

3* Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Treibvorrichtung (102) ein symmetrisches emittergekoppeltes Transistorpaar (104, 105) aufweist, das derart geschaltet ist, daß es Treibstrom durch den Laser hindurchschickt.

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